СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ПОСЛЕКОММУТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ НА ТОКОПРИЕМНИКЕ ЭЛЕКТРОВОЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO REDUCE POST-SWITCHING OSCILLATIONS OF VOLTAGE AT ELECTRIC LOCOMOTIVE CURRENT COLLECTOR AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Способ предназначен для использования на электроподвижном составе и относится, к алгоритму управления исполнительным устройством - выпрямительно-инверторным преобразователем напряжения.
Применение тиристорных выпрямителей в статических преобразователях электровозов однофазно-постоянного тока (иная формулировка однофазного синусоидального тока промышленной частоты 50 Гц) в России и за рубежом дало возможность производить управление коллекторными тяговыми двигателями путем плавной регулировки напряжения на них. Это осуществляется изменением моментов отпирания соответствующих плеч выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза в пределах периода питающего напряжения (фиг.1).
Однако эксплуатация таких электровозов, наряду с достоинствами силовых схем тиристорных преобразователей, выявила и ряд их недостатков по сравнению с электровозами, оборудованными неуправляемыми полупроводниковыми диодами. Вопросы надежности работы технических средств электровозов всегда были актуальными, и им уделялось большое внимание в научных исследованиях [1].
Согласно штатному алгоритму (фиг.2) работы системы управления электровозов с плавным регулированием напряжения (ВЛ80Р, ВЛ85 и другие электровозы с тиристорными преобразователями) коммутация тока всех ВИП обеих секций происходит одновременно. В момент начала коммутации часть обмоток тягового трансформатора каждой секции электровоза начинает работать в режиме короткого замыкания. Одновременное начало коммутации всех преобразователей обусловливает резкое уменьшение напряжения на токоприемнике. Однако мгновенного снижения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в тяговой сети распределенных индуктивностей и емкости возникают свободные колебания напряжения (первый закон коммутации). Электромагнитные колебания, возникающие в результате этого, разделяются на два типа: естественная коммутация (1) и коммутация при фазовом регулировании напряжения на тяговом электрическом двигателе (2) (фиг.3).
Известен способ управления тиристорными преобразователями электровоза (фиг.4) [2] с применением разрядного диодного плеча, позволяющий снизить электромагнитные колебания напряжения в зоне естественной коммутации (основной коммутации) (1 на фиг.3). Но при использовании данного алгоритма задачу улучшения качества напряжения в контактной сети удалось решить только при протекании основной коммутации тока тиристоров плеч ВИП, а при фазовом регулировании (2 на фиг.3) на каждой зоне свободные колебания остались без изменения и могли в амплитуде достигать напряжения питающей сети.
0
p
Наиболее близким техническим решением стал способ разнофазного управления (РФУ), предложенный сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) [3], заключающийся в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей (на 8-9 электрических градусов по углам α и α) (фиг.5). В теории это должно было позволить снизить вынужденный скачок напряжения при включении и выключении каждой группы преобразователей и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприемнике. Однако на практике способ, предложенный ВНИИЖТом не получил распространения ввиду наличия существенных недостатков.
Основные недостатки существующего способа РФУ:
0
р
- разнофазность управления достигается постоянным увеличением угла открытия тиристоров преобразователя на 8-9 электрических градусов (как по углам α, так и по α), а это в свою очередь значительно снижает внешние характеристики преобразователя (ВИП);
- снижение коэффициента мощности электровоза при реализации предлагаемого алгоритма;
- мощность электровоза в часовом и продолжительном режиме несколько ниже, чем при типовом способе управления, происходит и некоторое снижение скорости;
- постоянство сдвига угла открытия тиристоров преобразователя на 8-9 электрических градусов не дает полного эффекта снижения высокочастотных колебаний напряжения контактной сети из-за изменения индуктивности и емкости тяговой сети (в зависимости от удаления от тяговой подстанции).
зад
0
р
Предлагается способ РФУ с использование разрядного диодного плеча [3], позволяющего отказаться от использования в алгоритме управления α для α, и с использованием адаптивной системы (фиг.6). Предлагается производить задержку управления плечами преобразователя, равной полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети. Собственные колебания в контактной сети планируется выявлять через спектральный анализ. Спектральный анализ напряжения контактной сети предполагается производить на базе микроконтроллеров, используя быстрое преобразование Фурье (БПФ). Напряжение контактной сети через датчик напряжения (3) поступает на вход блока согласования датчика напряжения (4) с микроконтроллером (5). Микроконтроллер (5) по заданному алгоритму осуществляет спектральный анализ гармонических колебаний питающей сети, выделяет гармонику с наибольшей амплитудой и производит расчет изменения угла запаздывания включения плеч ВИП импульсами с фазой α. По сигналам блока управления ВИП (БУВИП) (гальваническая развязка и выходные ключи) (6) происходит чередование и распределение импульсов управления по ВИПам и их плечам. Датчик напряжения (3), блок согласования датчика напряжения (4), микроконтроллер (5), блоки гальванической развязки и выходных ключей (6) запитываются от источника питания (7).
Созданная адаптивная система разнофазного управления ВИП электровоза позволяет независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) максимально уменьшать амплитуды искажающих напряжение гармоник, соответствующих частотам этих колебаний, что ведет к снижению коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения и, в целом, к повышению качества электрической энергии в контактной сети.
Для того чтобы внешняя характеристика преобразователя снижалась незначительно, необходимо так же как и в способе-прототипе [3], чередовать отклонения регулируемого угла для каждой секции в разные полупериоды (фиг.7).
Работа предлагаемого алгоритма (фиг.8) заключается в следующем:
- на 1-й зоне регулирования:
p
р
зад
зад
0
р
зад
p
На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V3 и V6 (VS3, VS6 на фиг.1) подается импульс управления α, a на соответствующее плечо второй секции подается импульс α+α~ (знак «~» означает, что значение угла α является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V4, V5 подается импульс управления α+α~, в то же время на второй секции на эти же плечи подается импульс α.
- на 2-й зоне регулирования:
p
р
зад
зад
0
р
зад
p
На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V1 (VS1 на фиг.1) подается импульс управления α, а на соответствующее плечо второй секции подается импульс α+α~ (знак «~» означает, что значение угла α является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V2 подается импульс управления α+α~, в то же время на второй секции на это же плечо подается импульс α.
- на 3-й зоне регулирования:
р
р
зад
зад
0
р
зад
р
На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V3 (VS3 на фиг.1) подается импульс управления α, а на соответствующее плечо второй секции подается импульс α+α~ (знак «~» означает, что значение угла α является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V4 подается импульс управления α+α~, в то же время на второй секции на это же плечо подается импульс α.
- на 4-й зоне регулирования:
р
р
зад
зад
0
р
зад
p
На первой секции в первый полупериод питающего напряжения на тиристорное плечо V1 (VS1 на фиг.1) подается импульс управления α, а на соответствующее плечо второй секции подается импульс α+α~ (знак «~» означает, что значение угла α является переменным, т.е. рассчитывается адаптивной системой, в зависимости от положения электровоза на фидерной зоне). На α задержанный импульс не подается, т.к. отрицательный участок напряжения (1 на фиг.3) замыкается на разрядное диодное плечо [3]. Во второй полупериод, для того чтобы не снижалась внешняя характеристика преобразователя, наоборот, на первой секции на тиристорное плечо V2 подается импульс управления α+α~, в то же время на второй секции на это же плечо подается импульс α.
Предлагаемый способ реализации РФУ позволит исключить вышерассмотренные недостатки.
Технический результат при реализации предлагаемого способа снижения послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза:
- повышается качество напряжения в контактной сети;
- продлится срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;
- повысится надежность работы устройств сигнализации, централизации, блокировки (СЦБ), автоматической локомотивной сигнализации непрерывного действия (АЛСН), системы управления преобразователями электровоза, релейной защиты, автоматики, связи и вычислительной техники.
Список литературы
1. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. - М.: Транспорт, 1988. - 311 с.
2. Способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока. Пат. №2322749, Рос. Федерация: №2006140957/09, МПК Н02М 5/42/; заявл. 20.11.06; опубл. 20.04.2008.
3. Кучумов В.А., Находкин В.В., Широченко Н.Н. Технико-экономические показатели тиристорных электровозов переменного тока с разнофазным управлением. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 1987. №3. С.15-18.