CC BY
99
Оригинальная статья / Original article УДК 629.421.1
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-4-231 -242
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СИЛОВЫХ СХЕМАХ ОТЕЧЕСТВЕННОГО МОТОРВАГОННОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
© О.В. Мельниченко1, В.С. Иванов2
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Чернышевского,15.
АННОТАЦИЯ. Авторами производится анализ применения преобразователей в силовых схемах моторвагонного подвижного состава переменного тока. ЦЕЛЬ - провести исторический обзор преобразователей в силовых схемах отечественного моторвагонного подвижного состава переменного тока с коллекторным и асинхронным тяговыми приводами и предложить новую концепцию их развития. Для исследования динамики изменения выпрямительных установок, напрямую зависящую от научно-технического процесса в области силовой электроники, использовался в данной статье МЕТОД сравнительного анализа коэффициентов мощности преобразователей моторвагонного подвижного состава, являющийся важным энергетическим показателем как на Российских железных дорогах, так и зарубежных, характеризующий потребление электроэнергии. РЕЗУЛЬТАТОМ является выполненный анализ преобразователей отечественного моторвагонного подвижного состава с различными элементными базами, начиная с первых игнитронных установок, применяемых на электропоездах переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями серии ЭР7 Рижского вагоностроительного завода, и заканчивая выпрямительно-инверторным преобразователем на базе силовых тиристоров опытного электропоезда серии ЭР29. А также проведено исследование преобразователей асинхронного тягового привода на базе IGCT-тиристоров и IGBT-транзисторов, на примере опытных электропоездов ЭР9А и ЭС250 «Сокол». ВЫВОДЫ. Предложена перспективная принципиальная схема электропоезда переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями и выпрямительно-инвер-торным преобразователем на базе IGBT-транзисторов, повышающая коэффициент мощности в режиме тяги и рекуперативного торможения в среднем на 22 %.
Ключевые слова: моторвагонный подвижной состав, выпрямительная установка, выпрямительно-инвертор-ный преобразователь, тяговый электродвигатель, силовой полупроводниковый прибор, принципиальная схема, игнитрон, кремниевый диод, тиристор, IGBT-транзистор, коэффициент мощности.
Информация о статье. Дата поступления 15 февраля 2018 г.; дата принятия к печати 23 марта 2018 г.; дата он-лайн-размещения 30 апреля 2018 г.
Формат цитирования. Мельниченко О.В., Иванов В.С. Анализ применения преобразователей в силовых схемах отечественного моторвагонного подвижного состава переменного тока // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 4. С. 231-242. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-4-231-242
ANALYSIS OF CONVERTER APPLICATION IN POWER CIRCUITS OF DOMESTIC AC MULTIPLE UNIT ROLLING STOCK
O.V. Melnichenko, V.S. Ivanov
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
ABSTRACT. The authors analyze the use of converters in the power circuits of AC multiple unit rolling stock. The PURPOSE of the study is to carry out a historical review of converters in the power circuits of domestic AC multiple unit rolling stock with commutator and asynchronous traction drives and to propose a new concept of their development. To study
Мельниченко Олег Валерьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроподвижного состава, e-mail: [email protected]
Oleg V. Melnichenko, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: [email protected]
2Иванов Владислав Сергеевич, аспирант, e-mail: Vladislav-Sergeevich-I [email protected] Vladislav S. Ivanov, Postgraduate, e-mail: Vladislav-Sergeevich-Irgups@maiLru
rectifier variation dynamics, which is directly dependent on the scientific and technical process in the field of power electronics, the article uses the METHOD of comparative analysis of power coefficients of multiple unit rolling stock converters which is an important power indicator characterizing electric power consumption both on Russian and foreign railways. The RESULT of the study is the analysis of the converters of domestic multiple unit rolling stock with different elemental bases beginning from the first ignitron installations applied on AC electric trains with commutator traction engines of ER7 series of the Riga wagon manufacturer and ending with a power thyristor-based reversible converter of the pilot electric train of ER29 series. Moreover, a study is given to the converters of an asynchronous traction drive based on IGCT-thyristors and IGBT-transistors on example of the pilot electric trains ER9A and ES250 "Falcon". CONCLUSIONS. A promising schematic circuit of an AC electric train with commutator traction electric motors and an IGBT-transistor-based reversible converter is proposed. It increases the power factor by an average of 20 % in the traction mode and regenerative braking.
Keywords: multiple unit rolling stock (MURS), rectifier unit (RU), reversible converter (RC), traction electric motor (TEM), power semiconductor device (PSD), schematic circuit, ignitron, silicon diode, thyristor, IGBT transistor, power factor
Information about the article. Received February 15, 2018; accepted for publication March 23, 2018; available online April 30, 2018.
For citation. Melnichenko O.V., Ivanov V.S. Analysis of converter application in power circuits of domestic AC multiple unit rolling stock. Proceeding of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 4, pp. 231-242. (In Russian). DOI : 10.21285/1814-3520-2018-4-231 -242
Введение
Моторвагонный подвижной состав (МВПС) предназначен для перевозки пассажиров в пригородном сообщении на электрифицированных линиях железных дорог и является одним из востребованных транспортных средств, от технического уровня, которого зависит коэффициент подвижности населения, характеризующий уровень развития регионов Российской Федерации.
В настоящее время к МВПС, эксплуатируемому на железных дорогах нашей страны, предъявляются особые требования, основные из них3:
- обеспечение безопасности движения;
- низкое потребление электроэнергии;
- наличие рекуперативного торможения;
- обеспечение высоких ускорений и замедлений, вследствие частых остановок
- обеспечение диагностики функций машиниста и управляющих систем;
В настоящее время на железных дорогах нашей страны эксплуатируется МВПС технический уровень которого морально устарел ввиду того, что технологии, которые используются на данных электропоездах были предложены еще в 60-х годах прошлого столетия. А выпускаемый на сегодняшний день МВПС Демиховским машиностроительным заводом (ДМЗ) уступает зарубежным аналогам по причине использования в данных электропоездах устаревшей элементной базы в выпрямительной установке (ВУ).
Для того чтобы сегодня предложить усовершенствованный МВПС для пригородного сообщения авторами статьи рассмотрены предыдущие поколения электропоездов с их достоинствами и недостатками.
на коротких перегонах;
Принципиальные схемы моторвагонного подвижного состава переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями
Начиная с 50-х годов прошлого столетия Рижский вагоностроительный завод (РВЗ) реализовывал проектировку и по-
стройку первых электропоездов, технический уровень которых непрерывно повышался [1]. По мере развития полупроводни-
3ГОСТ Р 55434-2013 Электропоезда. Общие технические требования / GOST R 55434-2013 Electric Trains. General specifications.
ковых приборов производилось усовершенствование схем силовых цепей и цепей управления МВПС.
В 1954 г. инженеры и конструкторы завода «Динамо» имени С.М. Кирова спроектировали эскизы электрического оборудования для первого советского электропоезда переменного тока ЭР7-01 с ВУ на базе игнитронов ИС-400/5 с воздушным охлаждением, соединенных по мостовой схеме, за-питывающей ТЭД РТ-51 номинальной мощностью 200 кВт [2]. Принципиальная силовая схема электропоезда ЭР7 с ВУ на базе игнитронов представлена на (рис. 1).
Достоинствами ВУ на базе игнитронов является обеспечение плавного регулирования выпрямленного напряжения, путем управления моментом зажигания основной дуги вентиля; незначительное падение напряжения на вентиле, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия 98-99%.
Однако после нескольких лет эксплуатационной работы электропоезда ЭР7-01, был выявлен ряд недочетов в ВУ. При движении состава происходили частые пропуски зажигания в игнитронах, по причине сильных вибрации электропоезда. Также спустя некоторое время, инженеры электропоезда столкнулись с проблемой фазировки системы управления игнитронами.
До начала 1960-х гг. ртутные игнитроны оставались наиболее массово распространенными выпрямителями ввиду отсутствия эффективных альтернатив, имея при этом ряд существенных недостатков: большая масса и габариты конструкции; трудность обеспечения герметичности полупроводниковых приборов в условиях вибрации подвижного состава; необходимость поддержания температуры выпрямителей в узких пределах 35-38 °С, что требовало применять громоздкую систему масляного или водяного охлаждения; для работы игнитрона необходим источник достаточно мощных импульсов зажигания; в случае прожога корпуса игнитрона выпрямитель приводил к загрязнению окружающей среды и возможности отравления парами ртути людей. Коэффициент мощности электропоезда с дан-
ной ВУ составлял 0,86.
При появлении кремниевых силовых полупроводниковых приборов (СПП), игнитронные выпрямительные установки стали неизбежно вытесняться полупроводниковыми на базе кремниевых диодов.
В мае 1961 г. Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) под руководством доктора технических наук Б.Н. Тихменева совместно с заводом «Динамо» имени С.М. Кирова произвели модернизацию электропоезда ЭР7-01, с заменой игнитронов ИС-200/5 на кремниевые диоды ВЛ200-12-0.68 с сохранением мостовой схемы соединения выпрямителей и основного электрического оборудования [3]. Принципиальная силовая схема электропоезда ЭР7 с ВУ на базе кремниевых диодов представлена на рис. 2.
Достоинствами ВУ на базе диодов относительно игнитронов являются: значительное сокращение выходов из строя ВУ, за счет высокой надежности диодов; меньшие массогабаритные показатели, и др.
Однако со временем тяговый привод второго поколения с ВУ на базе диодов проявил следующие недостатки: относительно низкая величина коэффициента мощности моторвагона, которая составляет 0.86, что говорит о значительном потреблении реактивной мощности из сети; ступенчатое регулирование напряжения; наличие габаритного силового контроллера; для обеспечения плавного регулирования питающего напряжения на тяговых двигателях при работе МВПС необходимо большое количество рабочих позиций, что характеризуется увеличенным количеством выводов тягового трансформатора, вследствие чего это приводит к увеличенным массогабаритным показателям, расходу меди, стоимости и др.
Третье поколение тягового привода основывается на появлении СПП - тиристоров. Данные силовые полупроводниковые приборы обеспечивают не только выпрямление переменного тока, но и плавное регулирование напряжения двигателей, а также обратный выпрямлению процесс - инвертирование постоянного тока в переменный, что
|СК
I \
1 "2 «3 «4 «0 5 «6 «7 8
K1 K2
K3 K4
К5 K6
SY
■ IGN1 ■ I
■ IGN4 ■
Т
Примечание / Note. Т - токоприемник/ current collector; ТТ - тяговый трансформатор/ traction transformer; СК - силовой контроллер/ power controller; ВУ - выпрямительная установка/ rectifying unit; СР -сглаживающий реактор / smoothing inductor; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД/ armature winding of the traction motor; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД/ excitation winding of the traction motor
Рис. 1. Принципиальная схема электропоезда серии ЭР7 с выпрямительной установкой
на базе игнитронов
Fig. 1. Schematic circuit of an electric train of ER7 series with an ignitron-based rectifying unit
~25кВ
силовой контроллер/ power controller; ВУ - выпрямительная установка / rectifying unit; СР - сглаживающий реактор / smoothing inductor; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД / armature winding of the traction motor; ОВ - обмотка возбуждения ТЭД/ excitation winding of the traction motor
Рис. 2. Принципиальная схема электропоезда серии ЭР7 с выпрямительной установкой
на базе кремниевых диодов Fig. 2 Schematic circuit of an electric train of ER7 series with a silicon diode-based rectifying unit
дает возможность моторвагонному подвижному составу применять ресурсосберегающий режим - рекуперативное торможение.
В 1967 г. сотрудниками Отделения электрификации ВНИИЖТа моторный электровагон № 02 двухвагонной опытной секции серии ЭР7 был впервые в Советском Союзе оборудован для экспериментальных целей плавным бесконтактным регулированием выпрямленного напряжения и рекуперативным торможением с использованием тиристоров. Для опытной секции были разработаны силовая схема, схема управления моторным вагоном, схема управления тири-сторным преобразователем и тиристорным возбудителем, система их защиты. Были изготовлены и смонтированы силовой преобразователь, преобразователь возбудителя, дополнительные блоки управления и защиты. Ученые ВНИИЖТ сделали вывод, что разработанную и исследованную аппаратуру бесконтактного выпрямительно-инвер-
торного преобразователя на тиристорах целесообразно применить как на электровозах, так и на электропоездах переменного тока [4, 5].
Спустя более пятнадцати лет Советский Союз продолжил разработку МВПС с выпрямительно-инвентарным преобразователем (ВИП) на базе тиристоров. С конвейеров Рижского вагоностроительного завода (РВЗ) в конце 1985 г. вышел опытный электропоезд переменного тока ЭР29. Главной особенностью электропоезда являлось применение импульсно-фазового регулирования (РИФ) напряжения на тяговых электродвигателях (ТЭД) [6, 7]. Данная система преобразования была разработана инженерами ВНИИЖТ, с целью снижения искажающего воздействия на форму напряжения в контактной сети и уменьшения реактивной мощности, за счет искусственной коммутации тиристоров в конце каждого полупериода (рис. 3).
~25кВ
ТТ
х2
• 1 • Д4 • | • |
I____I
Примечание / Note. Т - токоприемник / current collector; ТТ - тяговый трансформатор/ traction transformer; ВИП - выпрямительно-инверторный преобразователь/reversible converter; СР - сглаживающий реактор / smoothing inductor; УПК - узел принудительной коммутации/ node of forced commutation; ДУ - демпферное устройство / damper device; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД / armature winding of the traction motor; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД / excitation winding of the traction motor
Рис. 3. Принципиальная схема опытного электропоезда ЭР29 с выпрямительно-инверторным преобразователем на базе тиристоров при импульсно-фазовом регулировании напряжения Fig. 3. Schematic circuit of the experimental electric train ER29 with a thyristor-based reversible converter
under pulse-phase control of voltage
Однако система импульсно-фазо-вого регулирования на электропоезде работала неустойчиво. Вследствие чего, во второй половине 1989 г, в депо Фастов Юго-Западной железной дороги инженерами Рижский электромашиностроительный завод (РЭЗ) и Всесоюзного научно-исследовательского института вагоностроения (ВНИИВ) была произведена замена данной системы, на тиристорные ВИП с компенсаторами реактивной мощности, (рис 4) [8].
В период с апреля по ноябрь 1991 г.
примерно 60% времени электропоезд ЭР29 находился в эксплуатации с пассажирами либо в поездных испытаниях, 30% времени простаивал в депо в результате неисправностей элементов силовой схемы, системы управления, вспомогательного оборудования и 10% времени - простои для выполнения вспомогательных работ. За указанный период эксплуатации били заменены два тяговых двигателя. Трижды зафиксированы неисправности в цепях КРМ, в результате чего с сентября 1991 г. они были отключены
VS7 -te-
VS11 -te-
VS12
-V-
VD1
-И-
VS1 te-
м~ rte
VS13
VS14
-V
te-
-(дУ—да)ь
КМ2
-|(д3)-Д4^-
-te
V S2 -te-
-te-
-te-
КМ4 —^
Примечание / Note. Т - токоприемник/ current collector; ТТ - тяговый трансформатор / traction transformer; КРМ - компенсатор реактивной мощности / reactive power compensator; ВИП - выпрямительно-инверторный преобразователь / reversible converter; СР - сглаживающий реактор / smoothing inductor; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД / armature winding of the traction motor; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД/ excitation winding of the traction motor.
Рис. 4. Принципиальная схема опытного электропоезда ЭР29 с выпрямительно-инверторным преобразователем на базе тиристоров при зонно-фазовом регулировании напряжения Fig. 4. Schematic circuit of the experimental electric train ER29 with a thyristor-based reversible converter
under zone-phase control of voltage
Т
C
C
L
L
R
ОВ1-ОВ2
R
Примечание / Note. Т - токоприемник/ current collector; ТТ - тяговый трансформатор/ traction transformer; ВИП -выпрямительно-инверторный преобразователь/reversible converter; СР - сглаживающий реактор/ smoothing inductor; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД/ armature winding of the traction motor; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД/ excitation winding of the traction motor; ВУВ1-ВУВ2 - выпрямительная установка возбуждения/ rectifier excitation unit
Рис. 5. Принципиальная схема электропоезда ЭД9Э с выпрямительно-инверторным преобразователем на базе тиристоров при зонно-фазовом регулировании напряжения Fig. 5. Schematic circuit of the electric train ER9E with a thyristor-based reversible converter
under zone-phase control of voltage
и в дальнейшем опытный поезд работал без КРМ. Средний коэффициент мощности составил с КРМ в режиме тяги 0,93-0,94, в режиме рекуперативного торможения 0,790,8, (без КРМ 0,72-0,76 и 0,44-0,50 соответственно), вследствие чего работы по внедрению электропоезда ЭР29 в серийном производстве были прекращены.
И только в 2012 году годов Демихов-ский машиностроительный завод возобновил производство электропоездов переменного тока серии ЭД9Э с тиристорными ВИП и коллекторными тяговыми двигателями (рис. 5). За основу выпрямительно-инвер-торного преобразователя было использовано техническое решение подобно электровозу серии ВЛ80Р, серийный выпуск которого начался еще с 1973 г.
На сегодняшний день ДМЗ было выпущено 62 электропоезда данной серии, и продолжается до настоящего времени, в виде выпуска электропоезда серии ЭП3Д, являющийся модифицированной версией ЭД9Э, отличающаяся обновленной кабиной машиниста с крэш-системой.
Однако ВИП на базе тиристоров имеет и ряд недостатков: значительное потребление электроэнергии на тягу электропоездов, примерно на 3% выше чем на МВПС на базе диодов; вызывает высокочастотные искажающие воздействия на контактную сеть, что снижает надежность работы электрооборудования. Коэффициент мощности МВПС с тиристорной базой составляет 0,84 в максимальном его проявлении. Кроме того, данный СПП в настоящее время является морально устаревшим.
Т
Принципиальные схемы моторвагонного подвижного состава переменного тока с асинхронным тяговым приводом
В качестве тягового двигателя, как в нашей стране, так и за рубежом, применяются коллекторные машины постоянного или пульсирующего тока. Такие электродвигатели обладают хорошими пусковыми и регулировочными свойствами, а также возможностью получения частоты вращения более 3000 об/мин. В то же время они имеют и недостатки, такие как: низкая надежность коллекторно-щеточного узла (КЩУ); повышенный расход цветного металла и повышенные расходы на техническое обслуживание в условиях эксплуатации и ремонта [9]. Устранение вышеуказанных недостатков возможно при переходе на асинхронные тяговые двигатели (АТД).
Начиная с 1967 г. Всероссийский научно-исследовательский институт элек-
тромеханики (ВНИИЭМ) производил испытания двухвагонной секции электропоезда ЭР9П-134 (рис. 5).
На одной из тележек моторной секции была произведена замена коллекторных тяговых двигателей на асинхронные машины ЭТА-200, с сохранением внешних габаритно-установочных размеров остова предыдущего электродвигателя РТ-51Д. В выпрямительную установку модели УПВ-1 были добавлены тиристорные плечи для реализации плавного межступенчатого регулирования выпрямленного напряжения [10]. Далее однофазно-постоянный ток поступал в автономный инвертор напряжения, который в свою очередь преобразовывал его в трехфазный ток переменной частоты (от 1 до 100 Гц), питающий асинхронные тяговые электродвигатели (рис. 6).
Примечание / Note. Т - токоприемник / current collector; ТТ - тяговый трансформатор / traction transformer; ВУ - выпрямительная установка/ rectifier unit; АИН1-АИН2 - автономный инвертор напряжения / autonomous voltage inverter; СР1-СР2 - сглаживающий реактор / smoothing inductor; АД1-АД2 - асинхронный двигатель / asynchronous motor.
Рис. 6. Принципиальная схема опытного электропоезда ЭР9А Fig. 6. Schematic circuit of the experimental electric train ER9A
Сотрудниками кафедры «Электрические машины» Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта был разработан проект дооборудования опытного электропоезда системой рекуперативного торможения, который так и не был осуществлен. Электропоезд не был выпущен в эксплуатационную работу из-за сложной системы преобразования электрической энергии которая работала с низкой надежностью, а также трудности обеспечения параллельности работы асинхронных ТЭД.
Пятое поколение тягового привода на основе АД появилось с момента появления входных преобразователей на базе запираемых тиристоров, совместно работающих с автономными инверторами напряжения на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor). IGBT-транзистор - это трехэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в источниках питания, инверторах и системах управления электрическими приводами.
БТИЗ имеет следующие достоинства: способность к управляемому запиранию; низкий уровень управляющей мощности от полевых транзисторов с изолированным затвором; малые потери в открытом со-
стоянии при больших токах и высоких напряжениях и др.
Начиная с 1988 по 1990 гг. в Советском Союзе проводились активные обсуждения создания высокоскоростного моторвагонного подвижного состава. В марте 1991 года было принято решение Государственной экспертной комиссии Госплана СССР о целесообразности создания проекта высокоскоростной магистрали (ВСМ) на направлении Ленинград - Москва. Реализацию проекта было поручено осуществлять Российскому открытому акционерному обществу «Высокоскоростные магистрали» (РАО ВСМ).
Спустя 9 лет РАО ВСМ выпустила опытный высокоскоростной электропоезд ЭС250 «Сокол-250» двойного питания (рис 7). Для электропоезда «Сокол» был разработан тяговый преобразователь с встроенной диагностикой на два рода тока (25 кВ, 50 Гц и 3 кВ постоянного тока). Преобразователь создан на элементной базе пятого поколения. Входной преобразователь (в режиме переменного тока - четырехквадрат-ный преобразователь, в режиме постоянного тока - импульсный прерыватель) выполнен на IGCT- тиристорах 4500 В, 4000 А. Инверторы выполнены на IGBT-транзисто-рах 3,3 кВ, 1200 А. Для преобразователя
~25кВ/-3кВ Т
Примечание / Note. Т - токоприемник / current collector; ТТ1-ТТ2 - тяговые трансформаторы / traction transformers; ВП1-ВП2 - входные преобразователи / input converters; АИН1-АИН4 - автономные инверторы напряжения / autonomous voltage inverters; АД1-АД4 - асинхронные двигатели / asynchronous motors
Рис. 7. Принципиальная схема высокоскоростного электропоезда ЭС250 Fig. 7. Schematic circuit of the high-speed electric train ES250
разработана высокоэффективная жидкостная система охлаждения, которая позволяет реализовывать на этой элементной базе мощность до 2700 кВт [11].
Инверторы выполнены на IGBT-тран-зисторах фирмы HITACHI. Преобразователи 4QS выполнены на полностью управляемых тиристорах IGCT фирмы АВВ.
В связи с использованием в преобразователях 4QS тиристоров IGCT частота широтноимпульсной модуляции принята сравнительно низкой. В частности, при выполнении проектных работ она была принята равной 450 Гц. В процессе испытаний частота ШИМ была увеличена до 900 Гц.
Коэффициент мощности электропоездов с данными преобразовательными установками составляет 0,96-0,98. Однако, данный МВПС имеет сложные системы преобразования электрической энергии и управления тяговым приводом.
В настоящее время асинхронный тяговый привод используется в основном на скоростных и высокоскоростных электропоездах зарубежных производителей, таких как компанией Siemens AG и Alstom, а также на МВПС Российского концерна «Уральские локомотивы», созданного группой Синара и Siemens AG. Электропоезда серии ЭВС1 и ЭВС2 «САПСАН», Sm6 «АЛЛЕГРО», ЭС1 и ЭС2Г «ЛАСТОЧКА» производящиеся данными компаниями, эксплуатируются как правило в центральных регионах нашей страны, где возможна реализация высоких скоростей движения поездов. Цена таких электропоездов для многих регионов недоступная. Для многих субъектов РФ цена на такие электропоезда является недоступной, к тому же на большинстве участков железных дорог средняя скорость составляет 50 км/ч. Поэтому нецелесообразно приобретать скоростной МВПС.
Примечание / Note. Т - токоприемник/ current collector; ТТ - тяговый трансформатор/ traction transformer; ВИП -выпрямительно-инверторный преобразователь/ reversible converter; СР - сглаживающий реактор/ smoothing inductor; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД/ armature winding of the traction motor; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД/ excitation winding of the traction motor.
Рис. 8. Принципиальная, предлагаемая схема электропоезда переменного тока с выпрямительно-
инверторным преобразователем на базе IGBT-транзисторов Fig. 8. Proposed principle circuit of an AC electric train with an IGBT transistor-based reversible converter
Рис. 9. Зависимость коэффициента мощности от зоны регулирования в типовом и предлагаемом ВИП электропоезда в режиме рекуперативного торможения Fig. 9. Power factor dependence on the control range in the typical and proposed reversible converter of an electric train in the regenerative braking mode
Разработанное авторами техническое решение
f П fill Транспорт
LlÉÉÉAJ oo oe Transport
-□—□
1-»--д
Пред! 1агаемый 1 Proposée
Типовой 1 Typical,./
0,9
0,8 U
О
J 0,7
L.
и
10,6
a1
s ■&
■&
m о
te;
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О
0,5 1 1,5 2 2.5
Зона регулирования / Control range
3.5
Исходя из условий эксплуатационной работы, современный МВПС требует особого внимания на стадии проектировки. Необходимо учесть ряд требований излагаемые в ГОСТ-55434-2013, основные из них являются:
- коэффициент мощности МВПС должен быть не ниже 0,95 (для МВПС с асинхронными двигателями);
- наличие рекуперативного торможения;
- низкий расход электроэнергии.
С учетом основных недостатков современных электропоездов с коллекторным тяговым приводом, авторами разработана силовая электрическая принципиальная схема МВПС. Вместо морально устаревших тиристорных преобразователей, используемых на МВПС переменного тока с коллекторным тяговым приводом, использовать ВИП на базе IGBT-транзисторов (рис. 8) с новыми способами их управления в режимах тяги и рекуперативного торможения, позволяющие получить коэффициенты
мощности не ниже, чем у МВПС с асинхронными двигателями. Для этого были разработаны макеты блока управления (БУ) и ВИП на базе ЮВТ-транзисторов [12].
В лабораторных условиях были проведены испытания макета ВИП на базе IGBT-транзисторов, которые показали повышение коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения в среднем на 22 % (рис. 9).
Кроме того, применение данной системы позволит получить экономию оборудования и материалов. Силовая схема мо-торвагона при предлагаемой модернизации упрощается, т.к. исключаются главные и тормозные контроллеры, линейные контакторы и др., на общую сумму 800 тыс. руб. Таким образом, годовая экономия денежных средств от снижения расхода электроэнергии и упрощения оборудования составляет 1,056 млн руб. на одну секцию моторвагона. Срок окупаемости предлагаемой модернизации не превысит 3-х лет.
Библиографический список
1. Гут В.А. Преобразовательные устройства электропоездов переменного тока: Учебное пособие для учащихся образовательных учреждений ж.-д. транспорта, осуществляющих профессиональную подготовку. - М.: Маршрут, 2006. - 54с.
2. Электропоезд переменного тока ЭР7 / М.Т. Глуш-ков, К.Б. Гончаров // Электрическая и тепловозная тяга, 1961, №4.
3. Электросекция переменного тока с кремниевыми выпрямителями / Б.Н. Тихменев, В.Д. Радченко // Электрическая и тепловозная тяга, 1965, №8.
4. Экспериментальная моторвагонная секция переменного тока с бесконтактным тиристорным преобразователем / Л.Д. Капустин, М.Л. Перцовский // Сб. трудов ЦНИИ МПС, вып. 388. М., Транспорт, 1968.
5 Автоматизация управления электроподвижным составом переменного тока с тиристорными преобразователями / Л.Д. Капустин, В.Г. Карпов // Сб. трудов ЦНИИ МПС, вып. 416. М., Транспорт,1970. 6. Электрооборудование электропоезда ЭР29 / Ю.М. Гальперни, А.П. Доценко, Ю.Н. Дымант и др. // Электрическая и тепловозная тяга, 1988, №1.
7. Электроподвижной состав с импульсным преобразователем / А.В. Каменев, А.Л. Лисицин // Железные дороги мира, 1983, №11.
8. Опытный электропоезд ЭР29. Результаты тягово-энергетических испытаний / Б.И. Хомяков, С.И. Мер-кушев, О.Н. Назаров, А.П. Савельев, А.В. Шилакин, А.К. Яголковский // Электрическая и тепловозная тяга, 1991, №12.
9. Электромеханика: учебно-методический комплекс / сост.: Е.П. Брандина, О.М. Вальц, В.И. Рябуха, А.А. Томов. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. -193 с.
10. Опытная двухвагонная электросекция с асинхронными тяговыми двигателями / В.А. Раков, Н.А. Сергеев // Локомотив, 1992, №5.
11. Высокоскоростной поезд нового поколения «Сокол» / В.М.Саввов // Железнодорожный транспорт, 2000, №5.
12. Выпрямительно-инверторный преобразователь на базе IGBT-транзисторов для моторвагонного подвижного состава / В.С. Иванов, О.В. Мельниченко, А.О. Линьков, В.В. Дурных // Scientific research-2017, 2017.
References
1. Gut V. A. Converting devices of AC electric trains: Textbook for students of professional educational institutions of railway transport. - M.: The Route, 2006. 54p. (In Russian)
2. AC electric train ER7 / M. T. Glushkov, K. B. Goncha-rov // Electric and diesel traction, 1961, no. 4
3. AC electrical multiple unit with silicon rectifiers / B.N. Tikhmenev, V. D. Radchenko // Electric and diesel traction, 1965, no.8. (In Russian)
4. Experimental multiple unit section of alternating current with a contactless thyristor converter / L.D. Kapustin, M.L. Pertsovsky // Proceedings of the Central Research Institute of the Ministry of Railway Engineering, issue 388. M., Transport, 1968. (In Russian)
5. Automation of AC rolling stock control with thyristor converters / L. D. Kapustin, Karpov, V. G. // Proceedings of the Central Research Institute of the Ministry of Railway Engineering, issue 416. M., Transport, 1970. (In Russian)
6. Electrical equipment of the electric train ER29 / Y.M Galpern, A. P. Dotsenko, Y.N. Dimant etc. // Electric and Diesel Traction, 1988, no. 1. (In Russian)
Критерии авторства
Мельниченко О.В., Иванов В.С. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
7. Electric rolling stock with a pulsed converter / A.V. Kamenev, A. L. Lisitsyn // World Railways, 1983, no. 11. (In Russian)
8. Pilot electric train ER29. Results of traction-power tests / B.I. Khomyakov, S.. Merkushev, O.N. Nazarov., A.P. Saveliev, A.V. Shilkin, A.K. Galkowski // Electric and Diesel Traction, 1991, no.12. (In Russian)
9. Electrical engineering: learning and teaching support kit / materials developers: E.O. Brandine, O.M. Walz, V.I. Ryabukha, A.A. Tomov. Saint-Petersburg. Publishing house of North-West Technical University, 2008. 193 p. (In Russian)
10. Pilot two-car electric multiple unit with asynchronous traction engines / V.A Rakov, N.A. Sergeev // Locomotive, 1992, no.5 (In Russian)
11. High speed train of a new generation "Sokol" / V.M. Savov // Railway Transport, 2000, no.5.
12. Reversible converter on the basis of IGBT-transistors for multiple unit rolling stock / V.S. Ivanov, O.V. Melnichenko, A.O. Linkov, V. V. Durnyh // Scientific research-2017, 2017.
Authorship criteria
Melnichenko O.V., Ivanov V.S. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
