CC BY
42
УДК 621.313.333
О. И. САБЛИН (ДИИТ)
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В СИЛОВЫХ ТЯГОВЫХ ЦЕПЯХ ЭПС ПОСТОЯННОГО ТОКА
Викладеш результати дослщжень, що вказують на споживання неактивно! (реактивно!) потужносл елек-трорухомим складом постшного струму. Показано, що це споживання приводить до додаткових втрат елек-троенергi! у тягових колах ЕРС.
Изложены результаты исследований, указывающие на потребление неактивной (реактивной) мощности электроподвижным составом постоянного тока. Показано, что это потребление приводит к дополнительным потерям электроэнергии в тяговых цепях ЭПС.
Results of researches are stated in article specifying on consumption of inactive jet capacity by the electric rolling stock of a direct current. It is shown, that this consumption brings to additional loss of electric power.
Разработка энергосберегающих технологий, а также режимов работы существующих систем была и остается актуальной проблемой во всех отраслях промышленности и производства, тем более в современных условиях Украины. Система электрического транспорта постоянного тока не исключение в этом вопросе. Действительно, существующее на сегодня убеждение о том, что электроподвижной состав (ЭПС) постоянного тока потребляет только активную энергию, является ошибкой, поскольку данный ЭПС является динамической (параметрической) нагрузкой, то есть нестационарным во времени потребителем электроэнергии. В результате напряжение на токоприемнике и тяговый ток являются случайными процессами, обусловленными технологическими факторами. С другой стороны, система электрической тяги постоянного тока «тяговые подстанции с фильтроустройствами - контактная сеть - электровозы» представляют собой совокупность реактивных сопротивлений разного характера и сравнительно небольшого активного сопротивления. Таким образом, в потребляемой электровозом мощности возникает неактивная составляющая, которая вызывает дополнительные потери энергии в его силовой цепи и поэтому необходимо оценить уровень этих потерь.
На сегодняшний день самым перспективным подходом к определению реактивной мощности, в том числе и в нестационарных системах, является концепция С. Фризе [1]. Согласно ей, любой изменяющийся ток /(() в любой момент времени может быть представлен в виде суммы двух составляющих - активного тока /а (?), который совпадает по фазе и форме с приложенным напряжением, и реактивного тока /р (()
i(t) = 7а (t) + ip (t),
(1)
где /а (() = -Р и((), - составляющая тока, пропорциональная функции напряжения и ((); Р - активная мощность, потребляемая нагрузкой (ЭПС) за время Т; и - действующее значение напряжения и(^) за время Т. В результате получаем следующие соотношения:
1 Т 1 т
-11(()и(() = т|/а (()и(() = Р , (2)
T •
поскольку
T
1 T
T J ip ((Н() = 0.
(3)
Из последней формулы следует, что исключение из состава полного тока /(() его реактивной составляющей не приводит к изменению потребляемой в системе активной мощности, так как полезную работу совершает лишь активный ток, а реактивный бесполезно пульсирует между источником и потребителем. Такое разделение тока на составляющие - математическая абстракция, однако оно связано с вполне определенными причинами - наличием в силовой цепи накопителей электромагнитной энергии - и поэтому позволяет оценить уровень дополнительных потерь в системе от протекания реактивного тока.
При таком разделении тока ЭПС (далее нагрузки) на составляющие реактивная мощность Фризе (которая вызывает дополнительные потери в силовых цепях) QФ = V52 - Р2 (5" -полная мощность) равна произведению дейст-
вующего значения и напряжения и(() на действующее значение 1р тока 1 р ((): QФ = Ш.
Для квадрата действующего значения I тока г(() справедливо выражение
2
12 = + 12 = +
а р и2 и2 '
где 1а = Р/и - действующее значение тока 1а ({).
Из последней формулы следует, что компенсация реактивной мощности Фризе (уменьшение Qф) при неизменных Р и и аналогична минимизации действующего значения тока I генератора, которая осуществляется посредством подключения параллельно нагрузке компенсатора с током 1к (() = -1р ((). При этом компенсатор согласно выражению (3), не будет потреблять активную мощность.
В неидеализированных цепях, где в качестве источника используется генератор напряжения конечной мощности, компенсация Qф приводит к минимизации потерь при передаче энергии от генератора к нагрузке, которые пропорциональны 12.
Обменная мощность Qоб определяется на основе разделения мгновенной мощности р() = и()■ 1 () на составляющие:
Р(()= Р0 (() + Рн ((),
где р0 ((), рн (() - соответственно мгновенная мощность преобразования электромагнитной энергии в другие виды и мгновенная мощность накопления. При таком разделении
Ж
Q - °б
1 '+
11 Рн (№,
т т
0
где Ж°б - энергия, запасенная в реактивных элементах цепи за интервал времени ^ +, то есть когда р(() > 0 и энергия передается из генератора в нагрузку.
Накопленная на интервале ^ + энергия Ж°б в течение интервала времени ^- = Т - ^ +, когда р(() < 0, частично рассеивается в активных элементах цепи и возвращается в генератор. Следовательно,
Ж
Q°б ==- Р
1
где Р- = т / Р().
t+
1 '+ Т | Р0(()', (4)
Из выражения (4) следует, что компенсация
Q°б устраняет возврат энергии из нагрузки в генератор (Q°б = 0 при I- = 0).
Поскольку природа реактивной мощности двойственна, то есть, это мера недоиспользования мощности источника (Qф) за счет повышенных потерь и мера обменных процессов (Q°б), то компенсация первой - это минимизация активных потерь в нагрузке и сети, а второй - устранение возврата энергии из нагрузки в генератор.
Очевидно, что при Qф = 0 обменная мощность также равна нулю, однако равенство нулю Q°б не влечет за собой равенство нулю Q . Это еще раз подтверждает то, что в цепях с несинусоидальными, а тем более случайными, токами и напряжениями классические выражения реактивной мощности не применимы. Реактивная мощность в системах с такими по характеру электрическими величинами может возникать и при отсутствии обменной мощности, т. е. если будет всегда р(() > 0 .
Мощности Q°б и Qф, как характеристики эффективности работы системы генератор-потребитель, не взаимозаменяемы. Реактивная мощность фризе характеризует величину дополнительных потерь при передаче энергии, обменная мощность - интенсивность обмена электромагнитной энергией между генератором и потребителем.
На рис. 1 представлены графики мгновенных активного 1а (^) и реактивного 1р (() токов
электровоза ВЛ8 для одной из поездок. Эти составляющие были выделены из тягового тока электровоза при помощи выражения (1). Активный ток повторяет форму напряжения на токоприемнике и (), т. е. при таком характере изменения тягового тока (I (() = Iа (()) для данной поездки коэффициент мощности равнялся бы единице.
1200 800 400 0
-400
/ЩЛ
ДЛ0.А
Г 101
Рис. 1
Определим составляющие потерь электроэнергии в силовой цепи электровоза. Поскольку активное сопротивление нестационарного элемента системы электропотребления (ЭПС) в общем случае зависит от времени (изменяется слу-
чайно), то активные потери в этом элементе за время Т от полного тока равны
1 т
лр=т | /2 (()я(() .
Для определения составляющих потерь от протекания реактивной мощности представим ток электровоза в виде суммы активной и реактивной составляющих:
/() = Ра© + .£(1
и (() и(()'
где ра (() и д(() - соответственно мгновенная активная и реактивная мощности потребителя. В результате потери активной мощности от реактивной составляющей тока определятся как
ЛРР =
р т
т}/р2 =т 1.
Т о Т ои у)
С другой стороны эти потери мощности можно найти через эквивалентное значение реактивной мощности (мощности Фризе) как [2]
О2
ЛРр =ЩЯ,
р и2
где Я = — 1 Я (()) - эквивалентное сопротивле-
Т о
ние нестационарного потребителя (силовых цепей электровоза) за время Т.
Таким образом, потери мощности в системе от реактивного тока являются дополнительными, а потери от активного тока - необходимыми. Мощность ОФ = 0, если ток будет пропорционален напряжению на протяжении всего времени потребления Т мощности. Для этого необходимой является компенсация мощности ОФ , с помощью компенсирующего устройства.
По аналогии с видами потерь мощности в тяговых двигателях пульсирующего тока (по В. Скобелеву) все виды потерь мощности в силовых тяговых цепях ЭПС можно подразделить на потери, имеющие место при протекании неизменного тока и потери, обусловленные колебаниями, т. е. пульсациями тока, названные добавочными пульсационными потерями. Причем, по нашему мнению, в тяговых цепях следует различать микропульсации (относительно высокочастотные), обусловленные формой выпрямленного тока и макропульсации (низкочастотные), обусловленные колебаниями технологической нагрузки. Первые дополнительные пульсационные потери
детально проанализированы В. Скобелевым, мы же в данной работе определяем вторые пульсаци-онные потери. Физически эти потери обусловлены передачей по силовым цепям ЭПС реактивной энергии, то есть, упомянутой выше реактивной составляющей полного тока единицы ЭПС.
В результате расчетов для ряда поездок электровоза ВЛ8 было установлено, что потери активной электроэнергии в силовой цепи в среднем находятся в пределах 6... 11 % энергии, затраченной электровозом за поездку в сумме на тягу и работу вспомогательных цепей. Причем, большая доля этих потерь вызвана протеканием в цепи неактивной составляющей потребляемого тока. Например, полный расход энергии электровоза за одну из поездок составил 3296 кВтч, а ее потери в силовой цепи составили 270 кВт-ч, что составляет 8,2 % от общего расхода. Потеря активной энергии в силовой цепи от протекания реактивного тока составила 186 кВт-ч, т. е. 69 % всех потерь. Соответственно, потеря энергии от полезного (активного) тока составила 31 % от всей потери энергии за поездку. Эти потери в первую очередь возникают в активных сопротивлениях тяговых двигателей, потери же в стали (от гистерезиса и от вихревых токов) тяговых двигателей менее существенны, поскольку спектры напряжения на двигателях в основном содержат низкие частоты. Аналогично потерям в активных сопротивлениях силовой цепи электровоза происходят и потери энергии в контактной сети.
Таким образом, возникает задача уменьшения неактивной составляющей тягового тока, и как следствие, снижение уровня потерь активной мощности в силовых цепях ЭПС постоянного тока. Для этого необходимо применение ряда мероприятий, одним из которых является компенсация реактивной составляющей полного тока ЭПС с помощью компенсирующего устройства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тонкаль В. Е. Компенсация неактивных составляющих полной мощности в цепях несинусоидального тока и напряжения. Техническая Электродинамика / В. Е. Тонкаль, В. Я. Жуй-ков, С. П. Денисюк. 1989, № 5. - С. 26-29.
2. Денисюк С. П. Оцшка складових втрат електро-енерги в системах електроживлення з нелшш-ними нестацюнарними перетворювачами елек-троенерги. Пр. шст-ту електродинашки НАН Украши. Електротехшка. - К., 1999. - С. 60.
3. Рогальський Б. С. Економiчнi екиваленти реактивно! потужносп та !х використання / Б. С. Рогальський, О. М. Нанака. Вюник ВП1, 2005, № 6. - С. 126-129.
Поступила в редколлегию 07.06.2007.
