CC BY
15
УДК 629.423.1:621.314
МУХА А. М., д.т.н., доц. (ДНУЗТ)
Дослiдження ЕМС тягового перетворювача багатосистемного електровозу у режимi живлення «змшний струм»
Вступ
Основою тягово' електропередачi сучасних електровозiв та електропо'здв е статичнi перетворювачi. Ключовi режими роботи силових елементсв тягових перет-ворювачiв може призвести до збою роботи сумiжних систем, зокрема кш СЦБ. В однiй з попередшх робот [1] автор розгля-нув взаемодiю перетворювача тдвищено' частоти з колами СЦБ на дшянках залiз-ниць електрифiкованих постiйним стру-мом.
Представлена робота розкривае осо-бливосп впливу тягового перетворювача тдвищено' частоти багатосистемного електровозу, який працюе у режимi живлення вiд контактно' мережi змiнного струму 25 кВ 50 Гц.
Мета роботи - провести дослщжен-ня електромагштно'' сумюносп перетворювача пщвищено'' частоти багатосистемного електровозу при живлеш вщ контактно!' мережi змiнного струму з сумiжними системами.
Матерiал i результати дослщження_
Склад тягового змшного струму частотою 50 Гц представлений вам спектром непарних гармошк, де чiльну роль вщг-рае третя гармошка. 1з зростанням порядку гармошк процентний вмют ''х зменшу-еться. При цьому гармоншний склад тягового струму в рейках вiдрiзняеться вiд свого складу в контактнш мережi. Змiст третьо'' гармонiки в РК досягае 30% у зош 5-6 км вщ тягово'' пщстанцп i знижуеться до 15-18% у зош розтшання тягового струму [2,3].
Допустимi рiвнi гармоншних скла-дових мережевого струму електрорухомо-го складу представленi в [1], де визначеш допустимi смуги частот, амплггудш зна-чення та характер впливу останшх на сиг-нальш кола пристро'в СЦБ та зв'язку [1, табл. 1].
Як i ранiш [1] для визначення рiвня електромагштно'' сумюносп запропонова-ного статичного перетворювача тягово'' електропередачi багатосистемного елект-ровоза з колами СЦБ проведемо моделю-вання основних режимiв його роботи. Ви-хщними даними для проведення моделю-вання е наступне.
У першому наближеннi система тягового електропостачання як при постш-ному, так змшному струмi може бути замшена моделлю - е^валентним джере-лом напруги и км (напруга контактно' ме-режi) та послщовно ввiмкненими Ккм та 1км елементами [4].
Значення параметрiв Ккм та 1км е рi-зними для систем тягового електропоста-чання постiйного та змiнного струмiв.
Для системи тягового електропоста-чання магютральних залiзниць активний опiр контактно' мережi може бути визна-чено [4]:
Ккм = Ктп + (Ккд + Кр У ,
де: Ктп - е^валентний опiр тягово'' пщстанцп; Ккд та К р - питомi опори контактного дроту та рейщ вiдповiдно, Ом/км; I - вщстань вiд електровоза до живлючо'' тягово' пщстанцп, км.
Питомi отр та iндуктивнiсть тягово' мережi змшного струму залежать вщ частоти струму [4]. У першому наближенш, в
дiапазонi частот вщ 50 Гц до 3000 Гц, пи-тома шдуктивнють мережi змiнного
стРУмУ приймаемо 10 зжн »I,0 мГнКм [4, рис. 5.4].
Тодi розрахункова шдуктивнють тягово! мережi змiнного струму буде дорiв -нювати (вщстань мiж живлючою пщстан-цieю та електровозом приймаемо, як i на постшному струмi, 10 км):
¿км змгн = ¿0 змгн -1 = 1,0 -10 = 10 мГн .
Активний отр тягово! мережi змш-ного струму промислово! частоти приймаемо 0,17 Ом/км [5]. Тодi розрахунковий активний отр тягово! мережi змшного струму дорiвнюе:
Я.
= 0,17 -10 = 1,7 Ом .
Я = з ДРм и ном
тп змт~
О
103
х . = 3 -
тп змгн
и, и2
100 о
-103
и ном = 27,5 кВ, и к = 10,5 %
Тодi з отримаемо:
Я = 3
тп змгн ~
200 - 27,5 400002
2
х = 3
тп змт
10,5 27,52
ДРм = 200 кВт,
м ?
[8].
--103 = 0,283 Ом, -103 = 0,148 мОм.
100 400002 Iндуктивнiсть тягово! пщстанци, при частотi 50 Гц, становитиме [9]:
к
X т
0,148
2л- / 2л- 50
= 0,47 мкГн.
Для системи тягового електропоста-чання змiнного струму тягова пщстанщя характеризуеться активним внутрiшнiм опором Ятп та iндуктивнiстю 1тп, яю мо-жна визначити у першому наближенi, ви-користовуючи активний та реактивний опiр трансформатора тягово! пщстанци [6,7].
Активний внутршнш опiр тягово! пщстанщ! змiнного струму дорiвнюе [6]:
Порiвнявши порядок значень отри-маних результатiв приймаемо, що шдук-тивнiсть тягово! пщстанщ! змшного струму в подальших дослщженнях не врахову-емо.
Результуючий розрахунковий активний отр контактно! мережi та тягово! пщ -станцГ! змшного струму дорiвнюе:
Я
км пост
= 0,283 + 0,17 -10 = 1,983 Ом .
де: О ном - номшальна потужнють трансформатора, кВ-А; ДРм - потужнiсть втрат у мщ трансформатора, кВт; ином -номшальна напруга на шинах тягово! пщстанци, кВ.
Реактивний отр тягово! пщстанцп змшного струму дорiвнюе [6]:
де: ик - напруга к.з. трансформатора, %.
Приймаемо, що на тяговш пщстанщ! змшного струму розрахунково! дiлянки встановлено тяговий трансформатор типу ТДТНЭ-40000/150-71 ¡з номiнальними параметрами О ном = 40000 кВ^А,
На рис. 1 представлена модель для iмiтацiйного моделювання статичного пе-ретворювача 4А-М1-3Ф-4м3а при жив-леннi вiд мережi змiнного струму 25 кВ промислово! частоти 50 Гц.
У представленш моделi силовий модуль позначено як тягове плече, до складу якого входить мережевий випрямляч, три однофазних швертори, тяговий трансформатор пщвищено! частоти, тяговий швер-тор та навантаження. Кожен з цих елемен-тiв е типовим для системи iмiтацiйного моделювання.
Навантаження представлено КЬ ла-нцюжком iз параметрами, яю забезпечу-ють протiкання струму, вщповщного до номiнальних тягових двигушв, асинхронного або постiйного струму. Запропоно-ваний пiдхiд у моделюванш режимiв ро-боти статичного перетворювача тягово! електропередачi дозволяе ощнити саме взаемодiю перетворювача з ланкою пщ-вищено! частоти та рейкового кола [10,11].
В перетворювальнiй структурi 4Т(А)-М1-3Ф-4м3а реалiзовано силовий модуль типу М1, тобто кожен трифазний
трансформатор пщвищено'! частоти 3Ф живить тяговий контур до якого подключено один тяговий двигун (асинхронний -А або постшного струму - Т). До складу кожного силового модуля входить три по-
слщовно ввмкнених мережевих випрям-ляч1 МВ за схемою 3 а.
Рис. 1. Модель для шггацшного моделювання статичного перетворювача 4А-М1-3Ф-4м3а при живлен вщ мереж1 змшного струму 25 кВ
промислово'! частоти 50 Гц
За рахунок зсуву фаз за напругою у роботи мж кожним з силових модул1в (на
рис. 1 тягове плече) на кут —, де п - ю-
п
льюсть трифазних силових модул1в у перетворювача реал1зуеться метод еквша-лентних фаз, який зменшуе негативний вплив перетворювача на живлючу мережу [12].
Для перетворювально'! структури типу 4Т(А)-М1-3Ф-4м3а зсув напруг ек-
360 оп
в1валентних фаз складатиме -= 90 ел.
4
градус1в, при цьому зсув фаз мж кожним з трьох однофазних шверторш, яю вхо-дять до складу мережевого контуру кож -ного з модул1в, складатиме 120 ел. граду-сш, тобто реал1зовано класичну трифазну систему. Зсув забезпечуеться режимом
роботи системи керування однофазних швертор1в мережевого контуру перетворювача.
Як критерш взаемодП перетворюва-ча з рейковими колами використовуються значення амплпуд гармон1йних складових вх1дного струму перетворювача, яю нада-л1 пор1внюються з даними [1, табл. 1.].
На рис. 2 представлен! часов1 д1аг-рами входного струму та напруги на вход1 перетворювача типу 4А-М1-3Ф-4м3а при живленн1 в1д мереж1 зм1нного струму 25 кВ промислово'! частоти 50 Гц.
Рис. 2. Часовi дiаграми вхiдного струму (верхня осцилограма) та напруги (нижня осци-лограма) на входi перетворювача типу 4А-М1-3Ф-4м3а при живленнi вiд мережi 25 кВ 50 Гц
Рис. 3. Порiвняння рiвня нормованих гармошк вхiдного струму перетворювача типу 4А-М1-3Ф-4м3а при живленнi вiд мережi змшного струму 25 кВ 50 Гц з !х допустими-
ми значеннями
Система 81шиНпк дозволяе проанал^ Зокрема у робот проаналiзовано гармо-зувати гармонiйний склад зафшсованих на нiйний склад вхщного струму запропоно-осцилографах при моделюванш сигналiв. ваного тягового статичного перетворюва-
ча з ланкою пщвищено! частоти, при струмову навантаженш перетворювача, еквiвалентному тяговим двигунам АД914 (СТА1200) та ЕД141 при рiзних структурах та режимах живлення перетворювача.
На рис. 3 представлена пстограма, яка побудована за даними нормованих га-рмошк iз [1, табл.1] та значень вщповщ-них гармонiк вхiдного струму перетворю-вача.
При проведенш аналiзу впливу частоти базово! гармонiки приймали 25 Гц. Як бачимо з рис. 3 та даних [1, табл. 1] (частково пред став ле них на рис. 3), при розрахунковому навантаженш перетво-рювач не генеруе у рейковi кола гармо-ншних складових, яю е небезпечними для кш СЦБ електрифшованих залiзниць.
Висновки
Розробленi iмiтацiйнi моделi запро-понованих структур тягового статичного перетворювача з ланкою пщвищено! частоти дозволяють провести дослщження щодо визначення впливу цього перетво-рювача на кола СЦБ електрифшованих залiзниць на змiнному струмi у контактнш мережi.
Як критерiй взаемодп перетворюва-ча з рейковими колами використовуються нормованi значення амплiтуд гармоншних складових вхiдного струму перетворюва-ча.
У цшому проведенi дослiдження т-дтвердили забезпечення електромагштно! сумiсностi запропонованих перетворюва-льних структур iз колами СЦБ електриф^ кованих дiлянок залiзниць.
Список лггератури
1. Муха, А. М. Дослщження впливу процеЫв у перетворювачi пщвищено! частоти на системи автоматики електрифжо-ваних постiйним струмом дшянок залiз-ниць [Текст] / А. М. Муха // Збiрник нау-кових праць Дон1ЗТ. - 2012. - №31. - С. 109 - 113.
2. Брылеев А. М. Теория, устройство и работа рельсовых цепей / Брылеев А. М., Кравцов Ю. А., Шишляков А. В. - М.: Транспорт, 1978. - 344 с.
3. Разгонов А. П. Оценка электромагнитной совместимости централизованного энергоснабжения пассажирских поездов и устройств СЦБ / А. П. Разгонов, В. Т. Вислогузов. // Транспорт. Збiрник наукових праць. - 2002. - №12. - С. 137 -145.
4. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронними тяговими двигателями / [Солодунов А. М., Иньков Ю. М., Коваливкер Г. Н., Литовченко В.В.]; под ред. А. М. Солодунова. - Рига: Зинантне, 1991. - 351 с.
5. Большая энциклопедия транспорта: в 8 т. /[гл. ред. Конарев Н.С.]. -М.: Научное из-во «Большая Российская энциклопедия», 2003 - Т. 4. - 2003. - 1039 с.
6. Справочник по электроснабжению железных дорог: в 2 т. - [под ред. Марквардта К. Г.]. - М.: Транспорт, 1980.
- Т.1. - 1980. - 256 с.
7. Справочник по электроснабжению железных дорог: в 2 т. - [под ред. Марквардта К. Г.]. - М.: Транспорт, 1980.
- Т.2. - 1981. - 392 с.
8. Хоменко Б. И. Унифицированный преобразователь для электровозов постоянного и переменного тока / Б. И. Хоменко, К. Н. Суслова // Электротехника. - 2009. - № 6. - С.27-32.
9. Основы теории цепей / [Зеве-ке Г.В., Ионкин П. А., Нетушил А.В., Страхов С.В.]. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.
10. Муха А. М. Математичне моде-лювання статичних перетворювачiв елек-трорухомого складу / А. М. Муха, О. Ю. Балшчук // Электрификация железнодорожного транспорта «Трансэлектро-2010»: междунар. науч.-практ. конф., 2730 сент. 2010 г.: тезисы докл. - Д.: ДНУЖТ, 2010. - С. 21 - 22.
11. Муха А. М. Параметри тягових трансформаторiв пщвищено! частоти та !х вплив на рейю^ кола /А. М. Муха, О. Я.
Куриленко // Електромагштна сумюнють на залiзничномy транспорт: мiжнар. наук.
- практ. конф., 15-16 квiтня 2010 р.: тези доп. - Д.: ДНУЗТ, 2010. - С.58-59.
12. Флора В.Д. Полупроводниковые устройства / В.Д. Флора, Ю.С. Коробков.
- М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 64 с.
Анотацн:
У статп представлеш результаты дослщження, за допомогою 1м1тац1йно! модел^ впливу процеав у тяговому перетворювач1 шдвищено! частоти на системи автоматики електрифшованих змшним струмом д1лянок зал1зниць.
Ключовi слова: перетворювач, електровоз,
електромагштна сумютсть, частота.
В статье представлены результаты исследований, при помощи имитационной модели, влияния процессов в тяговом преобразователе повышенной частоты на системы автоматики электрифицированных переменным током участков железных дорог.
Ключевые слова: преобразователь, электровоз, электромагнитная совместимость, частота.
In article are presented results of the studies, with the help of simulation model, influences of the processes in traction converter of the raised frequency on systems of the automation electrified by alternating current area railways.
Keywords: converter, electric locomotive, electromagnetic compatibility, frequency.
