Устройство для моделирования электровоза переменного тока
DEVICE FOR SIMULATION OF AC ELECTRIC LOCOMOTIVE

Устройство относится к системе электроснабжения переменного тока электрических железных дорог, а именно к модели электровоза переменного тока.
Известно устройство для моделирования электровоза переменного тока [1], содержащее источник питания и последовательно соединенные модели линии электропередачи, трансформатора тяговой подстанции и контактной сети с первой индуктивной катушкой и первым резистором и модель электровоза, содержащую второй линейный резистор и включенную параллельно ему электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных второй индуктивной катушки и третьего нелинейного резистора.
По существу, в [1] было создано устройство для моделирования вольтамперной характеристики электровоза, обеспечивающее стабилизацию тока при изменении напряжения на токоприемнике электровоза в пределах от 24 до 29 кВ.
Необходимость создания модели электровоза диктуется требованиями расчета системы тягового электроснабжения с учетом гармонических составляющих тока и напряжения, где модель электровоза является составной частью модели системы тягового электроснабжения
Принимаем модель электровоза переменного тока в [1] в качестве прототипа изобретения.
Недостатками прототипа являются:
- несоответствие в полной мере формы кривой тока и гармонических составляющих по прототипу реальным значениям отношений амплитуд тока 3-ей, 5-ой, 7-ой и других гармоник к амплитуде первой гармоники тока электровоза;
- отсутствие возможности регулирования значений гармонических составляющих кривых тока и напряжений.
Указанные недостатки покажем на конкретном примере модели электровоза, приведенной в Приложении 1, где получены гармонические составляющие 3,5 и 7 гармоник 14,398%, 3,473%, 1,4215%. В то же время, например, в соответствии с Правилами [2] аналогичный гармонический состав для тягового режима электровозов на двухпутном участке составляет: 17%, 8,2% и 3%. Как видно, различие гармонических составов существенное. Действительно, различны формы кривой тока электровозов: см. форму кривой тока в Приложении 1 и форму кривой тока в [3, рис. 2.2] [4, рис. 1.1], построенного для электровоза с выпрямительной установкой. Более того, как показали исследования [3, рис. 2.6], статистическое обобщение спектра тока определило, что амплитуда гармоник имеет одномодальное распределение вероятностей, близкое к нормальному.
И наконец, практика работы электрифицированных участков железных дорог переменного тока показывает, что гармонический состав тока (и напряжения) на тяговых подстанциях (питающих линиях) и в тяговой сети зависит [7]:
- от генерируемых гармоник электроподвижного состава (ЭПС), как электровозов с выпрямительными установкам, так и новых электровозов с асинхронными двигателями;
- от режима работы ЭПС (работа на магистральных участках и на крупных железнодорожных станциях);
- от состава гармоник уравнительного тока;
а также:
- от резонансных явлений в системе внешнего электроснабжения (СВЭ), возникающих в основном из-за резонансов на пятой и на седьмой гармониках [5];
- от резонансных явлений в системе тягового электроснабжения (СТЭ) [6].
Таким образом, при формировании модели электровоза следует учитывать реальную форму кривой тока в заданной точке контактной сети, то есть необходимо предварительно измерить (осциллографировать) реальную форму кривой тока и далее сформировать модель тяговой нагрузки. В случае проектных расчетов для новых участков можно предложить ориентироваться на подобные действующие электрифицированные участки железной дороги
С учетом вышеизложенного предлагается следующая последовательность расчета системы электроснабжении при наличии гармонических составляющих:
1. измеряется спектр тока в заданной точке системы тягового электроснабжения (например, на питающей линии тяговой подстанции или на посту секционирования);
2. формируется по измеренному спектру тока модель электровоза;
3. формируется модель системы тягового электроснабжения с моделью электровоза;
4. производится расчет системы электроснабжения с определением напряжения на токоприемнике электровоза в заданных точках и токов секций фильтрокомпенсирующей установки.
В прототипе модель электровоза выполняла основную задачу - моделирование практически неизменного тока при значительном изменении напряжения в тяговой сети. Однако, форма полученной кривой тока, как указано, отличается от действительной кривой тока тяговой подстанции. Поэтому и возникла необходимость разработки модели электровоза, учитывающей конкретный характер тяговой нагрузки [3], форма кривой тока и гармонический состав которой наиболее приближены к реальным условиям с учетом вышеуказанного.
Цель изобретения - повышение точности воспроизведения кривой тока в модели электровоза.
Для реализации поставленной цели параллельно второму линейному резистору подключена электрическая цепь последовательного соединения третьей индуктивной катушки и четвертого линейного резистора.
Поясним указанное предложение:
1. Введенная третья индуктивная катушка сдвигает максимальное мгновенное значение тока вправо. Другими словами, появляется возможность изменять максимальные мгновенные значения тока с помощью третьей катушки со сдвигом вправо, и тем самым совместно с регулированием коэффициента аппроксимации второго нелинейного резистора корректировать форму тока для соответствия заданной форме кривой тока.
2. В предлагаемой модели электровоза, которая соответствует заданной форме кривой тока, генерируется весь спектр гармонических составляющих в модели тягового электроснабжения. Это дает возможность в предлагаемой модели тягового электроснабжения исследовать, в частности, распределение гармонических составляющих по всем элементам сети в установившихся режимах, а также переходные процессы при коммутации фильтрокомпенсирующей установки.
Устройство для моделирования электровоза переменного тока представлено на рисунке 1, где:
1 - источник питания с напряжением u(t);
2 - первая индуктивная катушка L0, учитывающая реактивное сопротивление системы внешнего электроснабжения (СВЭ), силового трансформатора тяговой подстанции и контактной сети;
3 - первый резистор R0, учитывающий активное сопротивление системы внешнего электроснабжения (СВЭ), силового трансформатора тяговой подстанции и контактной сети;
4 - контактная сеть переменного тока системы тягового электроснабжения переменного тока 27,5 кВ;
5 - рельс;
6 - вторая индуктивная катушка L1, учитывающая реактивное сопротивление электроподвижного состава;
7 - третий нелинейный резистор R1(i);
8 - второй нелинейный резистор R2;
9 - третья индуктивная катушка L2, учитывающая реактивное сопротивление электроподвижного состава;
10 - четвертый линейный резистор R3;
11 - модель ЭПС.
При применении предлагаемого устройства решаются две задачи: во-первых, воспроизводится в заданном нагрузочном узле системы тягового электроснабжения исходная кривая напряжения на токоприемнике (или на шинах тяговой подстанции), а во-вторых, тяговая нагрузка представляется как потребитель постоянного по величине тока, практически не зависящего от напряжения на токоприемнике электровоза, а зависящего только от силы тяги электровоза на заданном участке.
По разработанной авторами математической программе для системы тягового электроснабжения с предлагаемой моделью электровоза (рис. 1) построены кривые тока и напряжения электровоза и проверено, что кривая тока с достаточной точностью соответствует реальным кривым тока (Приложение 2). Для сравнения в Приложении 1 построена форма кривой тока электровоза для прототипа, выполненная на основании [8] с использованием эмпирических формул.
Предлагаемое устройство применимо как для математического, так и физического моделирования.
Эффективно применение указанного устройства моделирования совместно с другим оборудованием системы тягового электроснабжения, в частности, для расчетов и исследования процессов в системе с установками продольной и поперечной емкостной компенсации, а также с фильтрокомпенсирующими установками.
При этом гармонический состав тока в модели электровоза такой же, что и в реальном электровозе, что позволяет четко определять параметры настройки регулируемых фильтрокомпенсирующих установок и устройств для обеспечения электромагнитной совместимости электровозов с питающей сетью и другими нетяговыми потребителями электроэнергии при изменении количества электровозов на заданном участке контактной сети или фидерной зоне.
Источники информации
1. Полезная модель №117691 по заявке №2011141153 от 10.10.2011 г. Устройство для моделирования электровоза переменного тока (Серебряков А.С., Герман Л.А., Дулепов Д.Е.). Опубликовано 27.06.12.
2. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. М.: Транспорт, 1989.
3. Тамазов А.И. Несимметрия токов и напряжений, вызываемая однофазными тяговыми нагрузками. М.: Транспорт, 1965.
4. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тяговоо электроснабжения железных дорог. М.: ФГБОУ «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2015 316 с.
5. Ермоленко Д.В., Павлов И.В. Исследование волновых процессов в устройствах тягового электроснабжения // Сб. науч. тр. МИИТ, 1990, №819. С. 93-100.
6. Тимофеев А.В. Режимы в электрических системах с тяговыми нагрузками. М.: Энергия, 1972.
7. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1983, - 183 с.
8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Гос. издательство физико-математической литературы. - 1959, 608 с.