Повышение эффективности работы рекуперативного торможения электровозов переменного тока в зоне высоких скоростей движения

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что при расчете режимов СЭС требуется учет взаимных электромагнитных влияний между токоведущими частями и заземленными конструкциями, который невозможно выполнить, используя традиционное однолинейное представление. Такой учет особенно актуален при определении несимметричных режимов. Следует отметить, что наличие заземленного трубопровода влияет на результаты расчета режима. При этом в симметричном режиме наличие заземленной магистрали увеличивает коэффициенты несимметрии K2U по обратной последовательности, а в режиме несимметричных нагрузок наблюдается противоположный эффект.

1. Моделирование режимов систем электроснабжения энергоемких производств, построенных с использованием жестких симметричных то-

копроводов, возможно эффективно осуществлять на основе фазных координат с использованием современных компьютерных технологий визуального моделирования сложных систем электроснабжения.

2. При прокладке токопровода совместно с технологическими трубопроводами необходим учет последних при расчетах как симметричных, так и несимметричных режимов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Семчинов А. М. Токопроводы промышленных предприятий. Л. : Энергия, 1972. 200 с.

2. Закарюкин В. П., Крюков А. В. Сложно несимметричные режимы электрических систем. Иркутск : Изд-во Иркут. ун-та, 2005. 273 с.

УДК 656.224 Мельниченко Олег Валерьевич,

к. т. н., доцент кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. (3952) 63-83-66, e-mail: melnichenko@irgups.ru

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЗОНЕ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ

O. V. Melnichenko

ENHANCE EFFICIENT TO WORK OF RECUPERATIVE BRAKING IN ALTERNATING CURRENT LOCOMOTIVES IN ZONE OF HIGH-SPEED TRAFFIC

Аннотация. В статье проанализирована работа электровоза переменного тока при типовом и предлагаемом способах управления тири-сторным преобразователем в режиме рекуперативного торможения. В результате показано, что применение предлагаемого способа значительно повышает возврат электроэнергии в тяговую сеть.

Ключевые слова: электровоз, рекуперативное торможение, выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП), тяговая сеть, электроэнергия, угол регулирования напряжения.

Summary. This article considers the work of the alternating current electric locomotive when using the model and offered method of control thyristor

converter in the mode of recuperative braking. As a result it is shown that the application of the offered way considerably raises electric power recovery in the traction network.

Keywords: locomotive, recuperative braking, rectifier-inverter converter (RIC), traction network, electric power, angle of the voltage control.

Интенсивное применение рекуперативного торможения на электровозах переменного тока позволяет добиваться значительной экономии электроэнергии. Эта экономия, прежде всего, достигается при поддержании требуемой скорости движения поездов на уклонах.

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

Значительным недостатком современных электровозов переменного тока режима рекуперативного торможения являются низкие энергетические показатели. Коэффициент мощности (Км) электровоза в режиме рекуперативного торможения в эксплуатации не превышает 0,65, в результате этого - низкая эффективность его энергосбережения [1].

В настоящее время актуальной является проблема повышения энергетических показателей электровозов в режиме рекуперативного торможения, так как она относится к его ресурсосберегающим и регулировочным режимам работы, которые снижают эксплуатационные затраты на тягу поездов. Данная проблема особо значима для железнодорожной отрасли, что подтверждают стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года («Белая книга» ОАО «РЖД») № 964 от 31 августа 2007 года.

Для выявления одной из причин низкого возврата электрической энергии в контактную сеть современными отечественными электровозами в режиме рекуперативного торможения рассмотрим их упрощённую принципиальную схему. Она содержит тяговый трансформатор Т, имеющий первичную (И^ и вторичную обмотки, выполненные в виде трёх последовательно соединенных секций, две из которых - на равное напряжение по 315 В (а1 - 1 и 1 - 2), а третья - на двойное напряжение 630 В (2 - х1), как показано на рис. 1. Каждая ветвь ВИП содержит пару последовательно соединённых управляемых плеч тиристоров, а их сред-

дам вторичной обмотки трансформатора. Силовая часть ВИП состоит из восьми тиристорных плеч VI - У8. К плюсовой и минусовой шинам ВИП подключаются через сглаживающий реактор (РС) параллельно соединённые тяговые двигатели электровоза, работающие в генераторном режиме, содержащие якорь (Г1, Г2) и обмотки возбуждения (ОВ1, ОВ2).

В каждую цепь генератора включается блок балластных резисторов (ББР) гб, который служит для выравнивания токов параллельно соединённых тяговых двигателей и обеспечивает устойчивую работу режима рекуперативного торможения [1].

Рекуперативное торможение, применяемое на электровозах переменного тока, включает в себя четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения на генераторах с целью регулирования скорости движения электровоза (тормозной силы) путём подачи импульсов управления (Р -угол опережения открытия тиристоров, ар - угол регулирования по фазе) на определённые плечи ВИП.

Для того, чтобы подойти ближе к одной из проблем, снижающей энергетические показатели электровоза, рассмотрим на рисунках 2 и 3 электромагнитные процессы токов и напряжений в цепи постоянного и переменного тока за период.

Эти процессы были получены с измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) при проведении эксплуатационных испытаний электровоза серии ВЛ80Р №1829 в типовом режиме рекуперативного торможения на полигоне ВСЖД - филиа-

рс

Рис. 1. Упрощённая принципиальная схема современных отечественных электровозов переменного тока

в режиме рекуперативного торможения

ние точки подключены к соответствующим выво- ла ОАО «РЖД».

Рис. 2. Диаграммы электромагнитных процессов на 4-й зоне регулирования ЭДС инвертора и тока двигателя при типовом способе управления

Рис. 3. Форма кривых напряжения контактной сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора

секции электровоза при типовом способе управления

В типовом режиме четвёртая зона регулирования ЭДС инвертора ограничивается (сельсин рекуперации) на уровне 3,5 зоны, атр = 90 эл. град. (рис. 2) [2]. Соответствующая форма кривых напряжения контактной сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза представлена на рис. 3. Это соответствует подключению выводов тягового трансформатора Т (а1 - х1) к генераторам, но секция (а1 - 1) включена на половину своих витков.

Казалось бы, чем больше витков вторичной обмотки тягового трансформатора, тем больше инвертирование электрической энергии в контактную сеть, вырабатываемой генераторами электровоза. Однако такое положение дел продиктовано

исключением перенапряжения на генераторах и максимально может составлять на выходе ВИП 1180 В. Всё дело в том, что падение напряжения на ББР при возможном в эксплуатации токе якоря 1000 А составляет примерно 140 В, которое в результате складывается с напряжением вторичной обмотки тягового трансформатора и на выходе ВИП составляет их сумму.

С увеличением скорости движения тормозную силу регулируют, снижая ток возбуждения от 1000 А до минимального, напряжение при этом остаётся неизменным - 3,5 зоны, хотя при снижении тока якоря потери в ББР тоже снижаются, а коэффициент трансформации трансформатора (Кт) остаётся неизменным.

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

По мнению автора, перспективным может являться способ, который бы использовал сигнал обратной связи по току якоря в области высоких скоростей движения (примерно свыше 60 км/ч) и автоматически увеличивал бы фазу открытия тиристоров плеч инвертора электровоза, уменьшая коэффициент трансформации трансформатора.

Для проверки такого предположения рассмотрим несколько формул, характеризующих повышение возврата тока в контактную сеть электровоза, работающего в режиме рекуперативного торможения при изменении тока якоря, с учётом коэффициента трансформации трансформатора.

С включением в цепь якоря блока балластных резисторов определим падение напряжения на ББР при действии тока якоря по формуле

ди1а

¡а 'rббр ,

где ¡а - ток якоря (рекуперации) ТЭД в режиме генератора;

ЯББР - активное сопротивление блока балластных резисторов.

Напряжение на выходе инвертора составит

ии = итх - ди

ТТтах !

где и^ - напряжение на выходе инвертора (в зависимости от фазы угла открытия тиристоров).

При этом коэффициент трансформации трансформатора будет равен

И1

Кт —

где и1 - напряжение первичной обмотки тягового трансформатора.

Тогда возврат тока в контактную сеть равен

I

1

Ч

Ч

К

И,

Из формул (1-4) видно, что наиболее эффективной по возврату электроэнергии в контактную сеть является более полная четвёртая зона регулирования напряжения инвертора электровоза Ии, так как коэффициент трансформации трансформатора снижается. Снижение падения напряжения на ББР при уменьшении тока якоря позволяет повысить напряжение инвертора (1, 2).

Рассмотрим на рисунках 4 и 5 электромагнитные процессы токов и напряжений в цепи постоянного и переменного токов, полученные при проведении эксплуатационных испытаний того же электровоза ВЛ80Р в предлагаемом режиме рекуперативного торможения.

Энергосбережение предлагаемого способа заключается в том, что в зоне высоких скоростей движения при уменьшении тока якоря снижением возбуждения двигателя увеличивается фаза угла регулирования аПр плеч инвертора (рис. 4).

Это осуществляется за счёт разработанного автоматического регулятора, установленного в блок фазового регулирования (БФУ-535) блока управления ВИП (БУВИП-133) (рис. 6) [3].

Особый интерес представляет коэффициент относительной пульсации выпрямленного тока, так как он влияет на к.п.д. и коэффициент мощности электровоза

Рис. 4. Диаграммы электромагнитных процессов на 4-й зоне регулирования ЭДС инвертора и тока двигателя

при новом способе управления

Рис. 5. Форма кривых напряжения контактной сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза при новом способе управления

Рис. 6. Модернизированный блок фазового регулирования (БФУ-535М) БУВИП-133

т , 1 d

где Aid - величина полной пульсации тока, равная разности максимального и минимального значений выпрямленного тока;

Id - среднее значение выпрямленного тока.

Увеличение степени пульсаций выпрямленного тока приводит к увеличению потерь энергии в активных сопротивлениях всех элементов системы электровоза. Согласно (5) получено, что пульсирующая составляющая тока двигателя A if при предлагаемом способе (рис. 4) меньше на 14,6%

относительно типового режима управления А1а (рис. 2). Сравнивая токи в первичной обмотке тягового трансформатора (рис. 5 и 3), видно, что площадь тока при предлагаемом способе больше типового, а сама форма потребляемого тока ближе к синусоидальной. Вышерассмотренные факторы значительно влияют на повышение коэффициента мощности электровоза.

Для следующей оценки повышения энергетических показателей рекуперативного торможения электровозов построены внешние характеристики инвертора на 4-й зоне регулирования. Значения напряжений и тока замерялись во время

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

СО

1050' 1000' 950' , 900

!в

О 850'

Н &

<и

а 800' =

и 750'

Ч т

700'

650'

600

Пред (лагаемый р< ;жим

' —--  -ш~  __

---

\1 Лтатный реж ким

300

400

800

500 600 700

Ток двигателя А

Рис. 7. Внешняя характеристика преобразователя при штатном и предлагаемом режимах рекуперативного торможения

900

движения электровоза при следовании в штатном и предлагаемом режимах на участке Слюдянка -Улан-Удэ ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» (рис. 7).

Из рисунка 7 видно, что предлагаемая внешняя характеристика преобразователя лежит в зоне наибольшей энергетической эффективности, что обусловлено увеличением фазового угла регулирования тиристорных плеч инвертора апр автоматическим регулятором (рис. 6). В настоящее время таким регулятором оборудованы два электровоза серии ВЛ80Р №1829 и №1849, приписанные к эксплуатационному локомотивному депо Иркутск-Сортировочный ВСЖД - филиала ОАО «РЖД», а также ведётся мониторинг их работы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Тихменев Б. Н., Кучумов В. А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М. : Транспорт, 1988. 311 с.

2. Капустин Л. Д. Копанев А. С., Лозановский А. Л. Надежность и эффективность электровозов ВЛ80Р в эксплуатации / под ред. Л. Д. Капустина. М. : Транспорт, 1986. 240 с.

3. Электровоз ВЛ85 : руководство по эксплуатации / Б. А. Тушканов, Н. Г. Пушкарев, Л. А. Позднякова. М. : Транспорт, 1995. 480 с.