Способ управления режимами тяги, выбега и горячего отстоя железнодорожного электроподвижного состава с входным однофазным широтно-импульсным преобразователем напряжения на его стоянке
CONTROL METHOD OF TRACTION, RUNDOWN AND HOT SETTLING MODES OF RAILWAY ELECTRIC ROLLING STOCK WITH INPUT SINGLE-PHASE PULSE-WIDTH VOLTAGE CONVERTER AT PARKING THEREOF

Изобретение относится к железнодорожной технике, в частности, к управлению режимом тяги, а также режимами выбега и горячего отстоя на стоянке электроподвижного состава (ЭПС), получающего питание от сети однофазного переменного тока и использующего для преобразования параметров электрической энергии однофазные преобразователи напряжения с широтно-импульсной модуляцией.
Известен способ управления режимом тяги ЭПС с тяговыми электродвигателями переменного тока, в частности асинхронными, получающих питание от контактной сети переменного тока и использующих для преобразования питающего напряжения однофазные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (4-квадрантные преобразователи), заключающийся в том, что угол запаздывания основной гармоники тока от основной гармоники напряжения на токоприемнике поддерживается постоянным и равным 0 эл. градусов ( J. Grundlegende Gesichtspunkte  die Auslegung elektrischer Triebfahrzeuge mit asynchronen Fahrmotoren. - Elektrische Barmen, 45 (1974). H. 3, S. 52-59) - аналог.
Известное решение позволяет осуществлять непрерывное поддержание только тягового усилия, при наличии на токоприемнике напряжения величина которого находится внутри пределов по ГОСТ 6962-75. (Транспорт электрифицированный с питанием от контактной сети. Ряд напряжений), и близкого к единице коэффициента мощности в широком диапазоне изменения нагрузки. Реактивная составляющая потребляемого тока равна нулю, поэтому полный ток равен активному.
Недостатком известного решения является следующее:
- оно не предназначено для управления режимами выбега и горячего горячего при стоянке;
- напряжение на токоприемнике ЭПС с входным однофазным широтно-импульсным преобразователем напряжения может быть пониженным из-за работы сопутствующих электровозов и электропоездов предшествующих поколений;
По данным (Зайцев А.А., Ролле И.А., Евстафьева М.В., Сычугов А.Н., Теличенко С.А. Определение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока с помощью компьютерного моделирования. Электротехника, 2018, №10, с. 59-63.) на железных дорогах России на начало 2018 г. работает 5,5 тыс. таких электровозов; выпуск их продолжается. Следовательно, они сохранятся в действующем парке еще, как минимум 30-40 лет. Эти электровозы работают в режимах тяги и рекуперативного торможения с отстающим от напряжения током и коэффициент мощности на шинах тяговых подстанций существенно меньше единицы.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является уменьшение потерь напряжения за счет компенсации реактивной емкостной (индуктивной) составляющей тока в контактной сети.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления режимами тяги, выбега и горячего отстоя железнодорожного электроподвижного состава с входным однофазным широтно-импульсным преобразователем напряжения на его стоянке, при снижении полного потребляемого тока (I) электроподвижного состава ниже заданного номинального значения (Iн), для уменьшения потерь напряжения в контактной сети и компенсации реактивной мощности, увеличивают величину реактивной емкостной (индуктивной) составляющей (Iре) полного потребляемого тока до тех пор, пока величина полного потребляемого тока (I) не достигнет номинального значения (Iн), а напряжение на токоприемнике электроподвижного состава не достигнет наибольшего допускаемого напряжения на токоприемнике железнодорожного электроподвижного состава при любых эксплуатационных режимах, кроме коммутационных.
Способ, характеризующийся тем, что для увеличения длительности режима горячего отстоя на стоянке и сохранении прочности контактных проводов, поднимают все токоприемники электроподвижного состава.
Способ, характеризующийся тем, что для увеличения длительности режима горячего отстоя на стоянке, дополнительно подключают электрические соединители параллельно контактам токоприемников электроподвижного состава с контактными проводами.
В режиме тяги электро-подвижной состав (ЭПС) перемещается под действием создаваемых тяговыми электродвигателями вращающих моментов и реализуемых вследствие наличия сцепления движущих колес с рельсами. В режиме выбега ЭПС тяговые электродвигатели не создают вращающего момента и движение ЭПС определяют силы сопротивления движению, в том числе вызванные силой тяжести. Иными словами, выбег - можно рассматривать, например, как режим тяги, при котором ток в тяговых электродвигателях равен нулю. Горячий отстой - это длительная стоянка ЭПС с поднятым токоприемником в рабочем состоянии на приемо-отправочных станции или тракционных путях локомотивного или мотор-вагонного депо. Иными словами, горячий отстой можно рассматривать, например, как режим выбега, в случае, когда скорость движения ЭПС равна нулю.
В режимах выбега и горячего отстоя ЭПС может потреблять лишь небольшой активный ток. При изменении угла опережения основной гармоники тока ЭПС от основной гармоники напряжения на токоприемнике в пределах от нуля и почти до 90 град. ЭПС работает в тяговом режиме.
н
Заявляемый способ управления режимом тяги, а также режимами выбега и горячего отстоя на стоянке железнодорожного ЭПС с входным однофазным широтно-импульсным преобразователем напряжения, заключается в следующем: когда полный ток ЭПС становится меньше номинального его значения увеличивают величину реактивной емкостной составляющей потребляемого тока до тех пор, пока величина полного потребляемого тока I ЭПС не станет равной номинальному ее значению I.
При этом известно, что полный ток I вычисляется по формуле:
а
где I - активная составляющая тока,
ре
I - реактивная составляющая тока;
н
I- номинальный ток.
Уравнение (1) должно выполняться, чтобы основное электрооборудование: обмотки тягового трансформатора и силовые полупроводниковые модули - не перегревались выше допустимой температуры.
Из уравнения (1) вытекает, что
где k - коэффициент эксплуатационного уменьшения величины реактивной составляющей тока, 0<k≤1.
Система управления режимом тяги в соответствии с векторной диаграммой должна выполнять это условие (2). Величина коэффициента k определяется из эксплуатационной целесообразности повышения напряжения на токоприемнике и выбирается для каждого конкретного случая.
ре
Кроме того, процесс увеличения реактивной емкостной составляющей тока I следует прекратить после того, как напряжение на токоприемнике ЭПС достигнет наибольшего допускаемого напряжения на токоприемнике при любых эксплуатационных условиях, за исключением коммутационных режимов. Например, в соответствии с ГОСТ 6962-75, наибольшее допускаемое значение напряжения определено как 29 кВ.
В режимах тяги и выбега токоприемник ЭПС перемещается вдоль контактной сети и опасность превышения температуры и последующего пережога контактного провода отсутствует. Но в режиме горячего отстоя ЭПС его токоприемник неподвижен и возникает опасность его пережога в точке касания с контактным проводом. Для исключения такой ситуации, следует поднять все токоприемники ЭПС. Это позволит увеличить время протекания тока по каждому из токоприемников.
Однако, бывают ситуации, когда поднятия всех токоприемников недостаточно для исключения опасности пережога токоприемника. Поэтому необходимо заранее оборудовать место горячего отстоя ЭПС дополнительными электрическими соединителями, которые поднимают параллельно контактам токоприемников ЭПС с контактным проводом или двумя (при их наличии) контактными проводами.
Данное техническое решение обеспечит высокую надежность и энергетическую эффективность компенсации реактивной индуктивной мощности в контактной сети.
Предложенный новый способ управления режимом тяги, а также режимами выбега и горячего отстоя на стоянке железнодорожного электроподвижного состава с входным однофазным широтно-импульсным преобразователем напряжения возможно реализовать, например, на базе известной системы автоматического регулирования, поддерживающей заданное значение регулируемой величины, в данном случае напряжения на токоприемнике ЭПС («Проектирование систем управления электроподвижным составом. Под ред. Н.А. Ротанова, М., Транспорт, 1986 г., разделы 5.3 и 5.4, а также статья Германа-Галкина С.Г., Гаврилова С.В. «Исследование активного полупроводникового преобразователя в среде Matlab Simulink» в журнале Электротехника 2011 №4 с. 51-56).
Таким образом, при управлении режимами тяги, выбега и горячего отстоя на стоянке увеличивают величину реактивной емкостной составляющей потребляемого тока таким образом, чтобы величина полного тока стала равной номинальному ее значению, а напряжение на токоприемнике не превысило наибольшего допускаемого напряжения на токоприемнике железнодорожного ЭПС.