CC BY
30
Дальневосточный государственный университет путей сообщения на пути содействия инновационному развитию
С.В. ВЛАСЬЕВСКИЙ, докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехника, электроника и электромеханика» ДВГУПС А.К. ПЛЯСКИН, канд. техн. наук, доцент, директор инновационного центра ДВГУПС А.В. ПЛОТНИКОВ, инженер инновационного центра ДВГУПС
Дальневосточный государственный университет путей сообщения является крупнейшим в Дальневосточном федеральном округе транспортным инновационным научно-образовательным заведением. За семь десятилетий своего развития ДВГУПС прошел путь от ведомственного учебного заведения до инновационного научно-образовательного транспортного комплекса с региональной сетью структурных подразделений и признанными научными достижениями.
Необходимо отметить участие ДВГУПС в выставках инновационных разработок различного уровня. Результаты участия в последних выставках еще раз подчеркивают значимость вклада вуза в развитие региона и развитие науки в целом. На выставке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции», проходившей в Санкт-Петербурге 5-7 октября 2007 года,
разработки университета выиграли 3 серебряные медали (имеются в виду разработки «Укрепляющая грунтовая композиция», пространственные системы сооружений «Грунт-плита-над-фундаментное строение» с обеспеченной надежностью эксплуатации и устройство «Айспролайн» для защиты труб от разрушения при замерзании воды) и одну золотую медаль — за разработку многофункциональной тех-
нологии сооружения конструкций из скального грунта «Сеткон». Кроме того, многие изобретения были отмечены дипломами.
3-5 марта 2008 года в Москве проходил «VIII Московский салон инноваций и инвестиций», в котором Дальневосточный государственный университет также принял участие. Разработки «Магнитный аппарат для обработки воды» и «Замок-Т» завоевали серебряную и бронзовую медали соответственно.
11-14 марта 2008 года в Санкт-Петербурге прошла еще одна выставка «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции». На этот раз количество дипломов и медалей увеличилось. Система диагностики состояния изоляции электрооборудования, установка для наплавки
тел вращения, защитный многофункциональный ключ от перенапряжений «Замок-Т» были отмечены серебряными медалями, а разработки «Мобильная система диагностики состояния грунтов» и «Порошковая проволока» были награждены золотыми медалями.
Конечно же, список достижений не ограничивается тем, что представлено на выставках и салонах, их гораздо больше.
Более подробно хотелось бы рассказать о недавней разработке, которая имеет большое практическое значение для железнодорожной отрасли, — применение разрядного диодного плеча и нового алгоритма управления в выпря-мительно-инверторных преобразователях электровозов ВЛ80Р в режиме тяги.
О последних разработках университета
Современные отечественные электровозы переменного тока серии ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1 и 2ЭС5К с плавным регулированием напряжения на тяговых двигателях содержат четырехзонные выпрямительно-инверторные преобразователи, которые имеют сравнительно невысокие энергетические показатели — коэффициенты мощности и полезного действия в номинальном тяговом режиме работы электровоза равны 0,84. Такие показатели приводят к повышенному потреблению ими электроэнергии на тягу поездов. Это связано с достаточно большим углом сдвига фаз между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, то есть с повышенным потреблением реактивной энергии.
Для повышения энергетических показателей электровозов, работающих в режиме тяги, предлагаются следующие пути, которые были реализованы в данной разработке:
1. Применение в схеме четырехзонно-го выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), работающего в режиме выпрямителя, разрядного диодного плеча, присоединенного параллельно цепи выпрямленного тока (рис. 1);
2. Применение нового алгоритма управления четырехзонными выпрямителями, реализованного на электровозе путем изменения схемы кассет блока перевода нагрузки (БПН) и блока распределительного устройства (БРУ) в блоке управления выпрями-тельно-инверторным преобразователем (БУВИП).
Проведенные ранее теоретические исследования показали, что для усовер-
шенствования электровоза с целью повышения его энергетических показателей необходимо произвести модернизацию как его силовой схемы, так и системы управления. Это обусловлено тем, что применение разрядного диодного плеча требует изменения подачи управляющих импульсов регулирования на плечи преобразователя в режиме выпрямления. Особенно это актуально для первой зоны регулирования напряжения, так как в этом случае существующий на электровозах типовой алгоритм подачи импульсов не будет обеспечивать нормальную работу выпрямителя.
Кроме того, на второй и последующих зонах регулирования напряжения на тяговых двигателях для улучшения энергетических показателей электровоза, в частности, повышения его коэффициента мощности, предложено изменить процесс основной коммутации с поочередной на одновременную. Выполнить изменение процесса основной коммутации можно путем замены типового алгоритма подачи импульсов управления на новый алгоритм. Это достигается изменением очередности и частоты подачи на тиристорные плечи выпрямителя импульсов управления, которые формируются в БУВИП и усиливаются в блоке выходных усилителей.
Типовой алгоритм управления, т.е. алгоритм поочередной коммутации представлен в табл. 1.
Новый алгоритм управления выпрямителем, основанный на принципе одновременной коммутации токов его ти-ристорных плеч, представлен в табл. 2.
Суть этого алгоритма заключается в том, что:
• на первой зоне регулирования управляющие импульсы с регулируемой фазой ар подаются не только на плечи 4 и 5, но также и на плечи 3 и 6, на которые ранее подавались нерегулируемые по фазе импульсы а0. Это обеспечивает нормальную работу выпрямителя при включении параллельно цепи выпрямленного тока диодного плеча;
• на второй, третьей и четвертой зонах регулирования нерегулируемые по фазе импульсы а0 подаются не только на тиристоры плеч, образующих данную зону, но и на тиристоры плеч, которые уже завершили свою работу на предыдущих зонах. Тем самым изменяется очередность открывания плеч выпрямителя, уменьшается длительность самой коммутации, уменьшается угол сдвига фаз между током и напряжением и в итоге повышается коэффициент мощности электровоза. Подробно процессы, протекающие в преобразователе
Таблица 1.
Типовой алгоритм подачи импульсов управления на плечи ВИП
Зона Полу- Плечи ВИП
период 1 2 3 4 5 6 1 8
1 <- - - Щ - - а0 - -
-> - - - аР ар - - -
2 <- ар - аоз - ао - -
- аР <*03 а0 - - -
3 <- - - ар - «03 - а0
—> - - - ССр "оз ао -
4 <- ар - аоз - ао
-> - ар <*03 а0 -
Таблица 2.
Новый алгоритм подачи импульсов управления на плечи ВИП
Зона Полупериод Плечи ВИП
1 2 3 4 5 6 7 8
1 <- - - ар - - аР - -
-> - - - сср аР - - -
2 <- ар - а,о ао - ао - -
-> - аР а0 а0 ао - - -
3 <- - - ар - а0 а0 - Щ
—> - - - аР а,о а0 а0 -
4 <- ар - а0 а0 ао а0 - ао
-> - ар а0 а0 а0 а0 а0 -
Рис. 2. Модернизированные кассеты БПН и БРУ, расположенные в БУВИП секции электровоза.
при использовании нового алгоритма управления и включении разрядного диодного плеча, описаны в [1, 2].
В новом алгоритме подачи нерегулируемых импульсов на тиристоры соответствующих плеч с задержкой фазы а0З не происходит, так как автоматической задержки импульсов а0 на величину угла протекания коммутации в большом контуре не требуется. В этом отношении алгоритм с точки зрения технических средств ее реализации упрощается, так как датчики коммутации и весь канал формирования импульсов с фазой а0З остается неиспользуемым. Вместо импульсов с фазой а0З на соответствующие тиристоры плеч должны подаваться импульсы с фазой а0. Для выполнения этого условия необходимо заменить в схеме кассеты БПН адрес подачи сигнала а0З на сигнал а0 в кассету БРУ.
Также, согласно новому алгоритму управления выпрямителем в соответствии с предложенным способом одновременной коммутации тока тиристорных плеч, проводятся схемные изменения в
кассете БРУ. При регулировании напряжения на первой зоне одновременно в каждом полупериоде подают импульсы ар на два плеча, 3, 6 и 4, 5, соответственно полупериоду напряжения. На второй и третьей зонах регулирования импульсы а0 необходимо подавать одновременно в каждом полупериоде на три плеча (плечи 3, 6 и 4 в одном и 4, 5 и 3 в другом полупериоде на 2-ой зоне, плечи 5, 8 и 6 и 6, 7 и 5, соответственно, на 3-ей зоне), а на 4-ой зоне на пять плеч (плечи 8, 6, 5, 4, 3 и 7, 6, 5, 3, 4 соответственно полупериоду напряжения).
Таким образом, для выполнения корректного распределения управляющих импульсов по плечам выпрямителя согласно новому алгоритму необходимо произвести некоторые изменения в блоке перевода нагрузки (БПН) и блоке распределительного устройства (БРУ). То есть получается возможным осуществить работу ВИП по алгоритму одновременной коммутации без изменения конструкции самого БУВИП, что значительно удешевляет модернизацию электровоза (рис. 2).
Необходимыми требованиями, предъявляемыми к диодному плечу, включенному в цепь выпрямленного тока, является его термическая стойкость. Также для предотвращения его пробоя при приложении обратного напряжения класс выбираемых диодов должен соответствовать максимальному напряжению, которое может возникнуть в цепи сглаживающего реактора и тяговых двигателей.
При модернизации каждого выпрямителя электровоза ВЛ80Р для надежной работы диодного плеча по условиям допустимых токов и напряжений параллельно цепи выпрямленного тока устанавливаются два диода типа ДЛ-153-1600-32 с радиаторами. Таким образом, параллельная цепь диодного плеча в каждом выпрямителе секций электровоза (всего 4 выпрямителя) включает по 2 диода. Следовательно, для модернизации обеих секций электровоза ВЛ80Р требуется 8 диодов. На рис. 3 показано два диодных плеча, установленных в одной из секций электровоза.
Рис. 3. Конструктивное расположение Рис. 4. Опытный электровоз ВЛ80Р №1513 с новым алгоритмом управления выпря-двух диодных плеч в секции электровоза. мителями и диодными плечами.
При переходе электровоза в режим рекуперативного торможения необходимо, чтобы диодное плечо автоматически отключалось от силовой цепи электровоза. В противном случае наличие диодного плеча приведет к возникновению короткозамкнутого контура в инверторе, который будет препятствовать нормальной работе электровоза в режиме рекуперативного торможения.
Поэтому для отключения разрядного диодного плеча в режиме инвертирования его необходимо подключить к минусовой шине выпрямителя через нормально замкнутый контакт тормозного переключателя. В этом случае при переходе ВИП в режим инвертора контакт тормозного переключателя размыкается, тем самым отсоединяя от минусовой шины разрядное диодное плечо.
Таким образом, модернизация электровоза состоит из включения разрядного диодного плеча в силовую схему каждого ВИП электровоза и некоторых изменений в схемах кассет БПН и БРУ БУВИП по реализации нового алгоритма управления четырехзонных выпрямителей.
Разработанные технические решения были проверены в реальной эксплуатации путем модернизации в июле 2007 г. электровоза ВЛ80Р №1513 в локомотивном депо Смоляниново Дальневосточной дороги. В ноябре 2007 г. были проведены испытания модернизированного электровоза на участке Смоляниново — Партизанск с помощью измерительного комплекса и разработанной программы обработки энергетических показателей работы электровоза.
В результате применения указанных технических решений увеличиваются значения выпрямленного напряжения и тока тяговых двигателей, пульсации которого уменьшаются, что повышает коэффициент мощности электровоза и, в конечном итоге, сокращает удельный расход электроэнергии электровоза на тягу поездов.
Осциллограммы, полученные в результате опытных поездок, представлены на рис. 6-9. Датчик напряжения, установленный в цепи выпрямленного тока электровоза, зафиксировал отсутствие отрицательной составляющей выпрямленного напряжения на первой и последующих зонах регулирования напряжения на тяговых двигателях.
За время работы электровоза с момента модернизации проведена оценка удельного расхода электроэнергии на тягу поездов. Статистические данные работы электровоза за этот период показа-
Рис. 5. время
Измерительный комплекс с программным обеспечением, применяемый во испытаний.
Рис. 6. Осциллограммы работы усовершенствованного электровоза на первой зоне регулирования.
I ,А ЗЗЭЭ-асс-сс-о-^сп -дсс -
-1Ж5-
I , А
Ш> КИ-
4СС-
К-С.-
о-
-2СС-АСС--6СС ■
и . кВ
- 4Э0-
- -200 -
4ЭД '
и . (3
25
1. мс
-2Ъ
Рис. 7. Осциллограммы работы усовершенствованного электровоза на второй зоне регулирования.
ли снижение удельного расхода на 7,6%.
Реализованные разработки позволили повысить коэффициент мощности электровоза в номинальном режиме работы с 0,84 до 0,88. Такое повышение коэффициента приводит к значительному снижению электровозом удельного расхода электроэнергии на тягу поездов, что и подтверждает опытная эксплуатация.
Предлагаемые технические решения защищены патентами РФ.
Результаты данной работы предлагается реализовать путем модернизации в условиях ремонтных заводов и локомотивных депо всего парка электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения типа ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ65.
Экономический эффект выражается в годовой экономии денежных средств от снижения затрат на оплату электро-
энергии на один электровоз в сумме 652 тыс. руб., что дает срок окупаемости затрат 1,6 года.
Учитывая, что локомотивное хозяйство является крупнейшим потребителем электрической энергии на железнодорожном транспорте, можно утверждать, что данная работа весьма актуальна и имеет большое практическое и экономическое значение.
Ниже представлен перечень приоритетных направлений в научно-исследовательской работе ДВГУПС, и по каждому из этих направлений имеются десятки разработок
Важнейшими направлениями научно-исследовательской деятельности университета являются:
• Строительство, эксплуатация и ремонт пути. Искусственные сооружения — на основании обширных натурных и лабораторных испытаний, выполнения математического модели-
рования предлагаются новые конструкции земляного полотна и искусственных сооружений в сложных природно-климатических и инженерно-геологических условиях.
• Промышленное и гражданское строительство. На основе научных исследований и практических работ разработаны объемно-планировочные и конструктивные решения зданий из энергосберегающих блоков и современных материалов с учетом новых норм проектирования ограждающих конструкций, энергосберегающие системы «термофасадов» для защиты зданий от воздействий внешней среды.
• Электроэнергетика. Предлагаемые разработки этого направления призваны решать насущные проблемы электроэнергетики — осуществление компенсации реактивной мощности сети с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки, обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителя и повышение надежности работы систем электроснабжения в целом.
• Подвижной состав железных дорог. Разрабатываемые учеными устройства и технологии охватывают широкий спектр задач, направленных на решение таких проблем, как повышение энергетических показателей и надежности подвижного состава и путевых машин, диагностика и испытание узлов, восстановление работоспособности деталей и узлов подвижного состава.
• Информационные технологии, автоматика и телемеханика.
Разрабатываемые сотрудниками устройства обеспечивают защиту аппаратуры от перенапряжений, измерение уровня сигнала и помех в канале радиосвязи, диагностику состояния волоконно-оптического кабеля.
• Экология и безопасность жизнедеятельности. На основе многолетних исследований систем водоснабжения разработана принципиально новая энергосберегающая технология транспортирования воды и ряд устройств, предотвращающих разрушение труб при замерзании в них воды, разработаны эффективные установки очистки сточных вод.
Литература
1. Патент РФ №2168839, кл. Н 027/12, 7/155, 2001 г.; опубл. 10.06.2001; бюл. №16. «Способ управления многозонным выпрямителем однофазного переменного тока» / авторы Власьевс-кий С.В., Савоськин А.Н., Литовченко В.В.
2. Патент РФ на полезную модель №54704 «Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока» / авторы Власьевский С.В., Мельниченко О.В., Бабичук А.К.
