CC BY
71
УДК 621.337.522
М. Г. В1С1Н, Д. О. ЗАБАРИЛО (ДПТ)
П1ДВИЩЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНО1 СУМ1СНОСТ1 РЕЙКОВИХ К1Л З ЕЛЕКТРОРУХОМИМ СКЛАДОМ ПОДВ1ЙНОГО ЖИВЛЕННЯ З АСИНХРОННИМИ ТЯГОВИМИ ДВИГУНАМИ ТА ТЯГОВОЮ МЕРЕЖЕЮ
В робот використано дослвди багатьох авторiв про вплив струмових завад ввд iснуючого електрорухомо-го складу з асинхронними тяговими двигунами (АТД) на рейковi кола, можливiсть перевищення !х норм, допустимих за безпекою руху поlздiв. Для значного зниження впливу завад на пристро! СЦБ та зв'язку роз-роблено нову перспективну схему силового кола електровоза подвiйного живлення з АТД iз застосуванням промiжного високочастотного трансформатора.
Ключовi слова: промiжний високочастотний трансформатор, асинхронний тяговий двигун, електромагш-тнi завади, рейкове коло, iнвертор
Безпека перев1зного процесу на затзнично-му транспорт розум!еться як властивють тран-спортно! системи (ТС) не створювати небезпе-ки для забезпечення перевезеного вантажу, те-хшчних засоб1в, об'екпв навколишнього сере-довища, що перебувае в зош впливу перев1зного процесу [1].
Значну роль в забезпеченш безпеки руху пойду належить системам зал1знично! автоматики (СЖАТ), яка визначаеться як властивють системи безперервно збер^ати справний, праце-здатний або захисний стан протягом певного часу або напрацювання.
Електрифшоваш затзнищ е джерелом по-тужних електромагштних завад, що впливають на системи автоматики та можуть привести до небезпечних збо!в в !х робота Зпдно [2] до 10 % збо!в в робот рейкового кола (РК) припа-дае на електромагштш завади (ЕМЗ). Основни-ми джерелами потужних електромагштних завад на електрифшованих затзницях е завади, що генеруються силовими тяговим та допом1ж-ним електроустаткуванням електрорухомого складу (ЕРС).
Останшм часом на затзницях Укра!ни вво-дять в експлуатащю ЕРС подвшного живлення з асинхронними тяговими двигунами з ¿мпуль-сними шверторами, що при робот створюють завади в широкому д!апазош частот 1...103 Гц [3], внаслщок чого збшьшуються збо! в робот РК.
Тяговий струм проткае вщ тягово! тдстан-цл до ЕРС по контактнш мереж! та повертаеть-ся на шдстанщю по рейковш лши { земль
Завади вщ тягового струму можуть вплину-ти на роботу РК за одним з канал1в передач!, як зворотнш тяговий струм, що проткае по рейковш лши (РЛ), або як струм, наведений (шду-ктований) в РК електромагштним полем тяго-
во! мережа На величину ЕМЗ, яю попадають на вхщ колшного приймача (КП), впливае не тшь-ки гармоншний склад тягового струму, але й електричш параметри рейково! лши, що також визначають ампл1туду та спектральний склад завад [4].
Небезпечним впливом на роботу РК з1 сто-рони тягового струму е вплив, що може призве-сти до помилкового контролю вшьност РК при !! фактичнш зайнятост, а заважаючий - може призвести до порушення нормально! роботи колшного реле при вшьнш д!лянщ, внаслщок чого фшсуеться помилкова зайнятсть дшьник при вшьнш блок-дшянщ, що приводить до не-виправданих затримок по!зда [5].
Сутнють впливу завад тягового струму на роботу РК визначаеться р1внем його в рейках.
Рух швидюсних по!'зд1в на дшьницях з елек-тротягою постшного струму приведе до збшь-шення струму в тяговш мережi до 5.10 кА, що потребуе переобладнання контактно! мереж { зворотно! тягово! мереж (дросель-трансфор-матор1в, рейкових { м1жрейкових з'еднань та ш.). При таких значеннях тягового струму та високих швидкостях руху юнуючо! системи сигнатзаци, центратзаци та блокування не зможуть забезпечити необхщний р1вень безпеки, внаслщок частих збо!в в робот! РК ! АЛСН шд д!ею тягового струму.
Завади тягового струму в рейковш лши швидюсно! кол!! з електротягою змшного струму, по якш рухаеться ЕРС з АТД та ¿мпу-льсними перетворювачами енерги, обумовлен! прот!канням зворотного тягового струму по рейках свое! кол!! (кондуктивний вплив).
На основ! дослщження [4] встановлено, що для одного локомотива з АТД в фщернш зон! струму гармошки частотою 25 Гц не перевищу-вав значення 1 А, але вже для двох локомотив!в
© В1сш М. Г., Забарило Д. О., 2012
струм гармошки 25 Гц мав значення 1,073 А, що вважасться за впливом на роботу рейкових кш з сигнальним струмом 25 Гц небезпечним.
Також встановлено [4], що перевищення граничного рiвня завад в точщ безпосередньо перед локомотивом та в точщ шдключення вщ-смоктую чого фiдера тягово! шдстанщ! при зб> льшеннi загально! кiлькостi локомотивiв в межах фщерно! зони до п'яти спостершалось для всiх частот тонального дiапазону (420, 480, 520, 720, 780 Гц).
Для двох- або багатоколшних залiзничних дшьниць з електротягою одного й того ж струму на сусщшх колiях, iндуктивний вплив одше! коли на сумiжну е меншим, шж кондуктивнi завади вiд тягового струму свое! коли. Але для електрифшованих залiзниць з рiзним родом тягового струму на сусщшх колiях при !х збли-женнi i паралельному проходженнi ситуацiя зовсiм шша. Тяговий струм коли змiнного струму частотою 50 Гц та його гармошки в тональному дiапазонi частот шдуктують е.р.с. i струм взаемоiндукцil в рейкових колах коли з електротягою постшного струму. 1ндуктоваш завади мають частоту 50 Гц та частоти дiапазо-ну ТРЦ3 i можуть викликати небезпечний або заважаючий збiй в роботi рейкових кш коли з електротягою постшного струму. Для змен-шення електромагштного впливу електрифшо-ваних залiзниць на лши зв'язку було запропо-новано використовувати вiдсмоктуючi транс-форматори, автотрансформатори [6], а також екрануючi проводи [7, 8].
Визначення граничних рiвнiв електромагш-тного впливу тягового рухомого складу i тягово! мережi на роботу РК проведено в робот [4] на основi математичного моделювання з експе-риментальним шдтвердженням основних ре-зультатiв розрахунюв.
Критерiем заважаючого впливу е порушення виконання нормального режиму внаслiдок впливу завад при вшьному i справному РК, що можливо при зниженш струму приймача нижче струму спрацювання (7рн < /спр). Критерiем не-безпечного впливу е порушення шунтового або контрольного режиму внаслщок впливу завади, що можливо при шдвищенш струму колшного приймача вище струму спрацювання або надш-ного повернення якоря (сектора) реле.
В робот [4] встановлено, що гармоншна за-вада в рейковiй лши в нормальному режимi iз дiючим (ефективним) струмом бшьше 4,1 А з частотою в iнтервалi 19...31 Гц може привести до заважаючого впливу на роботу кодово! РК, а завади з ддачим струмом бшьше 1,1 А i часто-
тою в rnTepBani 23... 27 Гц при попаданш в РЛ при робот РК в шунтовому або контрольному режимi може викликати небезпечний збiй в ро-ботi кодово! РК.
Для зменшення завад тягового струму в РК з електротягою постшного струму, що викликаш шдуктивним впливом електромагштного поля тягово! мережi сусiдньо! коли змшного струму в роботi [4] запропоновано метод та зaсiб на основi регулюючого пристрою, який утворюе в активному екрануючому проводi компенсую-чий струм, що спiвпaдae за частотою з сигнальним струмом сусщньо! коли, ампттуда якого вибираеться за умови максимально! компенса-щ! завад в РК. Проте в робот [4] не приведено експериментальних пiдтверджень.
Таким чином, одержaнi в робот [4] основнi нaуковi результати i рекомендaцi! при викорис-танш !х пiд час проведення експлуатацшних випробувань нового ЕРС подвiйного живлення з АТД, проектувaннi i експлуатащ! електриф> кованих зaлiзниць, пристро!в СЦБ не дозволя-ють в повнш мiрi пiдвищити електромaгнiтну сумiснiсть мiж тяговим електропостачанням та рейковими колами i як нaслiдок не зможе шд-вищити функцiонaльну безпеку рейкового кола.
Особливо гостро сто!ть виршення цiе! зада-чi для електровозiв подвiйного живлення, якi доцiльно будувати для зaлiзниць Укра!ни з метою лшвщащ! витрат часу при змш електрово-зiв у мюцях стикування контактних мереж постшного струму напругою 3 кВ з мережею змшного струму на 25 кВ, а також зменшення експлуатацшних витрат.
В кшщ 80-х роюв спещальна комюя Мiж-народного Союзу Зaлiзниць (МСЗ) дослiдилa економiчну ефективнiсть використання багато-системного ЕРС Свропи i дiйшлa наступних висновкiв [10]:
- економiчнa ефективнiсть застосування ба-гатосистемного рухомого складу досягаеться в першу чергу, за рахунок скорочення числа ло-комотивiв в порiвняннi з односистемними на 15.20 %;
- досягаеться економiя часу за рахунок вщ-мови вщ зупинок для змiни локомотивiв не менше 30 хв;
- зменшуеться кiлькiсть локомотивних бригад.
Останшм часом НВО «Електровозобуду-вання» випускае чотирьохвюш електровози змiнного струму з асинхронними тяговими дви-гунами ДС3 i видано завдання до проектування електровоза подвiйного живлення з АТД.
В силових схемах таких електровозiв засто-совуеться чотирьохквадрантний випрямляч, який являе собою з'еднувальне коло тягового перетворювача з контактною мережею через головний трансформатор.
Напруга промiжного контуру вище, нiж на-пруга вторинно! обмотки трансформатора. Це досягаеться почерговим замиканням вторинно! обмотки трансформатора силовими IGBT-транзисторами i пiдключенням промiжного контуру до конденсаторiв. При цьому виникають пульсаци струму з шковими значеннями. За рахунок iндуктивностi розсдавання трансформатора пульсацiя струму згладжуеться i, тим самим, зменшуються пiковi значення струму. Цi пульсаци струму передаються через трансформатор в рейковi кола. Тяговий перетворю-вач 4QS зменшуе паразитнi струму додатково тим, що усi 4QS тактуються зi змiщенням.
Оскiльки рейковi кола одночасно викорис-товують в системах автоматики i автоматично! локомотивно! сигнатзаци (АЛС), а також для пропускання зворотного тягового струму на електрифшованих дiлянках залiзниць, то дi! завад, якi генеруе рухомий склад, не повинш впливати на роботу АЛС [4].
Для усунення зазначених недолтв запро-понована нова перспективна схема силового кола з АТД [12].
Струм яка поступае вщ контактно! мереж спочатку випрямляеться перетворювачем 4QS1 (рис. 1), згладжуеться за допомогою LC фiльтра i поступае в блок швертора, де вона перетворю-еться знову в змiнну напругу, але бiльш високо! частоти (400 Гц). Блок швертора складаеться з перетворювача високо! частоти i трансформатора.
В данш схемi на рис. 1 блок швертора (Б1) перетворюе випрямлений струм напругою 22,5 кВ в змшний напругою 3750 В, але бшьш високо! частоти вщносно частоти струму тяго-во! мережа Принцип роботи блока швертора розкрито в робот [11]. Для зниження напруги на елементах Б1 пропонуеться включити «п» вхiдних перетворювачiв електровоза послщов-но. При цьому вторинна сторона трансформатора тдвищено! частоти мае по однш обмотщ на кожний перетворювач, який безпосередньо живить трифазний тяговий двигун.
В схемi перетворювача вхiдна ланка, яка працюе в режимi випрямляча, виконана на тд-вищену частоту. Решта модулiв не вимагають внесення змш i залишаються такими ж, як i в традицiйнiй схемi трифазного тягового привода [12]. Схема регулювання перетворювача ко-
нтролюе потш потужностi через трансформатор. При цьому метою регулювання являеться шдтримання постшно! величини напруги в промiжному контурi цього перетворювача не-залежно вiд величини навантаження на тягових двигунах.
В перетворювачi запропоновано! схеми система керування роботою модулiв виконана на базi мшропроцесора i дае змогу регулювання потоюв потужностi в двох напрямках, тобто реалiзацiю режимiв тяги i рекуперативного га-льмування.
На рис. 1 представлена структурна схема пристрою керування i дiагностики (ПКД).
ПКД або «блок керування» призначений для управлiння i дiагностики тяговим перетворювачем. Вiн забезпечуе наступш функцi!:
- здiйсню контроль температури транзисторiв перетворювачiв, випрямляючих дiодiв;
- забезпечуе вiдключення перетворювачiв при аваршних ситуацiях;
- виробляе Ш1М-сигнали для управлiння драйверами потужних IGBT-транзисторiв перетво-рювачiв та ш.
Змiнюючи коефiцiент модуляцi! i кут мiж мережевою i вхiдною напругою можна регулю-вати споживання реактивно! потужносп i тд-тримувати високий коефщент cosф, близький до одинищ. При цьому обмотка високочастот-ного трансформатора буде споживати синусо!-дально! форми криво! струму.
Тому зворотнш вплив перетворювача на мережу, i вiдповiдно, i на пристро! СЦБ i зв'язку значно знизиться до допустимо! величини, вра-ховуючи встановлення мережевого дроселя невелико! шдуктивносп на входi (рис. 1).
Частота мереж 50 Гц повинна бути перетворена каскадом в таку частоту, яка обумовить компромю мiж масою (об'емом) трансформатора, з одше! сторони, i втратами потужносп в силових вентилях перетворювача, з друго!.
Для визначення оптимально! частоти було проведено розрахунки однофазних силових трансформаторiв вiд робочо! частоти. Аналiз показав, що збiльшення робочо! частоти з 50 Гц до 400 Гц знижуе активну масу трансформатора до 90 %.
Трансформатор пiдвищено! частоти 400 Гц дозволяе знизити масу одного тягового блока на 50 % порiвняно з трансформатором частотою 50 Гц. При цьому ККД тягового трансформатора шдвищуеться до 95 % i вище, що вщпо-вщае зниженню втрат в 2 рази порiвняно з схемою електровоза ДС3 (рис. 2).
ХА1 ХА2
25 кВ, 50 Гц
Рис. 1. Структурна схема пристрою керування I д1агностики електровоза подвшного живлення
r¿rt:,rt¿)
Рис. 2. Електрична схема тягового перетворювача ДСЗ
Рис. 3. Функцюнальна схема електровоза подвшного живлення
Стосовно ККД по тракту випрямляч, швер-тор { трансформатор можна очшувати, що вш не буде нижчим юнуючих схем за рахунок того, що обмотки трансформатора будуть виготовля-тися ¡з багатопроволочного мщного проводу, 1 загальш втрати в трансформатор^ не дивлячись на роботу з частотою 400 Гц, не складуть бшь-ше юнуючих на 50 Гц, так як маса !х знизиться в два рази. Проте, це вимагае експерименталь-ного тдтвердження.
Високу експлуатацшну надшнють роботи схеми тягового перетворювача з трансформатором шдвищено! частоти можна досягти в тому випадку, якщо буде передбачена можливють вщключення в процес експлуатацп несправних блоюв без порушення роботи тягового привода (тобто аваршна схема).
Це виконуеться за допомогою силових ви-микач1в Е, як перемикають вщповщш вхщш
клеми несправного модуля { вщмикають його вщ обмотки трансформатора (див. рис. 1).
На баз1 силових нашвпровщникових венти-л1в ЮБТ з напругою запирання 6,5 кВ можна встановити ще один (резервний) каскад модуля на первиннш сторош ЕРС при умов1, що у ви-падку виникнення несправносп буде забезпе-чена можливють вщключити один модуль [13]. Цим забезпечиться збер1гання бшьшо! частини працездатносп електровоза (див. рис. 3).
Висновки
Розроблена нова перспективна схема силового кола ЕРС подвшного живлення з асинх-ронними тяговими двигунами в пор1внянш з юнуючими схемами мае наступш переваги:
1. Вщсутнють 1мпульсного вщбору енерги перетворювачем вщ джерела живлення дозво-ляе значно знизити р1вень зворотних 1мпульс1в струму в рейковому кол1, тягово! мережi { на ЕРС 1 вщповщно зменшити вплив на пристро! СЦБ { зв'язку до допустимого р1вня [4]. При цьому безпека руху по!зд1в значно шдвищуеть-ся.
2. Завдяки високш частот подач1 вхщно! напруги (400 Гц замють 50 Гц) на пром1жний високочастотний трансформатор маса його знижуеться в 2 рази.
Для дослщження запропоновано! ново! си-лово! схеми ЕРС подвшного живлення з АТД необхщно розробити та виготовити дослщний зразок макету тягового привода мало! потужно-ст та випробувати його на стенд1 за спещально розробленою програмою. Пюля цього можна буде рекомендувати до розробки техшчного проекту заводу-виробнику нового вар1анта ЕРС подвшного живлення з АТД.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Сертификация и доказательство систем железнодорожной автоматики [Текст] / В. В. Сапожников [и др.]; под ред. Вл. В. Сапожникова. -М.: Транспорт, 1997. - 288 с.
2. Кайнов, В. М. Надежная работа устройств ЖАТ
- первостепенная задача [Текст] / В. М. Кай-нов // Автоматика, связь, информатика. - 2008.
- № 4. - С. 4-9.
3. Ермоленко, Д. В. Повышение электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения с тиристорным электроподвижным составом [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн.
наук : 05.22.09 «Электротранспорт» / Д. В. Ермоленко. - М., 1991. - 22 с.
4. Завгороднш, О. В. Щдвищення функцюнально! безпеки рейкових кш шляхом забезпечення !х електромагнггно! сумюносп з тяговою мережею [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.22.20 - експлуатацiя та ремонт засобiв транспорту / О. В. Завгороднш. - Д., 2011. -24 с.
5. Лисенков, В. М. Безопасность технических средств в системах управления движением поездов [Текст] / В. М. Лисенков. - М.: Транспорт, 1986. - 83 с.
6. Павлов, И. В. Отсасывающие трансформаторы в тяговых сетях переменного тока [Текст] / И. В. Павлов. - М.: Транспорт, 1965. - 204 с.
7. Бочев, А. С. Эффективность экранирующих проводов многопроводной тяговой сети переменного тока [Текст] / А. С. Бочев, Т. П. Добро-вольскис, В. А. Мишель // Вестник ВНИИЖТа. - 1990. - № 8. - С. 17-20.
8. Корниенко, В. В. Испытания тяговой сети с экранирующими и усиливающими проводами [Текст] / В. В. Корниенко // Залiзн. трансп. Укра!ни. - 2001. - № 5. - С. 11-14.
9. Сапожников, В. В. Надежность систем железнодорожной автоматики и телемеханики [Текст] : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Вл. В. Сапожников, В. П. Шаманов; под ред. Вл. В. Сапожникова. - М.: Маршрут, 2003. -263 с.
10. Литовченко, В. В. Современные многосистемные электровозы [Текст] / В. В. Литовченко // Локомотив. - 1999. - № 1. - С. 6-12.
11. Горбачев, Н. Г. Промышленная электроника [Текст] / Н. Г. Горбачев, Е. Е. Чаплыгин. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 303-306.
12. Вюш, М. Г. Шестивюний мапстральнш вантаж-ний електровоз подвшного живлення iз засто-суванням промгжного трансформатора з висо-кочастотною розв'язкою i з асинхронними тяговими двигунами [Текст] // М. Г. Вюш, Д. О. Забарило // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. -2011. - Вип. 36. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2011. -С. 66-71.
13. Victor, M. Преобразование энергии на электроподвижном составе переменного тока с помощью трансформатора повышенной частоты [Текст] / M. Victor // Железные дороги мира. -2006. - № 6. - С. 49-53.
Надшшла до редколегп 22.11.2011.
Прийнята до друку 24.11.2011.
Н. Г. ВИСИН, Д. А. ЗАБАРИЛО
ПОВЫШЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ С ЭЛЕКТРОПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ И ТЯГОВОЙ СЕТЬЮ
В работе использованы исследования многих авторов о влиянии токовых помех от существующего электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) на рельсовые цепи, возможность превышения их норм, допустимых по безопасности движения поездов. Для значительного снижения воздействия помех на устройства СЦБ и связи разработана новая перспективная схема силовой цепи электровоза двойного питания с АТД с применением промежуточного высокочастотного трансформатора.
Ключевые слова: промежуточный высокочастотный трансформатор, асинхронный тяговый двигатель, электромагнитные помехи, рельсовая цепь, инвертор
N. G. VISIN, D. A. ZABARYLO
IMPROVING THE ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF TRACK CIRCUITS WITH ELECTRIC ROLLING STOCK OF DOUBLE POWER SUPPLY WITH INDUCTION TRACTION MOTORS AND ELECTRIC-TRACTION NETWORK
In this article the research results of many authors on the effect of current interference from the existing electric rolling stock with induction traction motors (ITM) on the track circuits and the possibility of exceeding the train traffic safety standards are used. The new promising scheme of power circuit for electric locomotive of double power supply with an ITM applying the intermediary high-frequency transformer for reducing significantly the interference effects to SCB and communication devices is developed.
Keywords: intermediary high-frequency transformer, induction traction motor, electromagnetic interference, track circuit, inverter
