CC BY
15
УДК 621.335.04 : 621.333
Т. М. М1ЩЕНКО (ДНУЗТ)
Кафедра «Електропостачання залiзниць», Днтропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iMeHi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, 49010, Днтропетровськ, Укра'ша, тел. (099)136-96-25, ел. пошта: mishchenko [email protected], ORCID: orcid.orq/0000-0001-6336-7350
МОДЕЛЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИХ ПРОЦЕС1В В ТЯГОВ1Й МЕРЕЖ1 ПРИ ПАКЕТНОМУ РУС1 ШВИДК1СНИХ ПОÏЗДIВ
Постановка задачi
Одним з основних напрямiв реатзацл Тран-спортно1 стратеги Украши [1] i зокрема Стратеги розвитку з^зничного транспорту на перiод до 2020 року [2] е «впровадження швидкiсного руху пасажирських поlздiв, передуем денних», шляхом пiдвищення швидкостi !х руху до 160...200 км/год, а також шдвищення швидкос-тi руху вантажних поlздiв до 100...120 км/год. Оскшьки побудова спецiальних магiстралей для тако! мети являеться заходом дорогим i тривалим тому органiзацiю швидюсного руху в Украш передбачаеться здшснювати на реконс-труйованих залiзничних лшях. При цьому, на першому еташ плануеться сумiщати рух швид-юсних пакетiв пасажирських поlздiв (з Улях = 200 км/год) з1 «звичайним» пасажир-ським (з Утях = 160 км/год) i iз спецiалiзова-ним вантажним (з Утях = 120 км/год), а також зi змiшаним вантажним (з Утях = 100 км/год)
рухами поlздiв. Згущення пасажирських поlздiв в пакетах, що рухаються по фiдернiй зонi, сут-тево впливае на таю важливi критери розрахун-ку системи тягового електропостачання (СТЕ) як [3, 4]: рiвень напруги на струмоприймачi електрорухомого складу (ЕРС); струмове нава-нтаження тягово1 мереж, яке дозволяе оцiнити допустимий нагрiв проводiв контактно1 мереж i встановлену потужнiсть електроустаткування тягових шдстанцш (ТП); втрати потужностi в тяговш мережi. Для вiдповiдi на питання про максимальнi та дiючi значення цих величин необхщш !х дослщження в умовах швидкiсного руху. Однак, на сьогодш на залiзницях Украши поки що практично такий рух вщсутнш, а ю-нують «звичайний» пасажирський (при Утях = 160 км/год) i змiшаний вантажний (з
Утях = 100 км/год) рухи, тому експеримента-
льш дослiдження неможливi. Залишаеться практично лише один метод вивчення електро-магнiтних процешв при швидкiсному (а тим бшьше i при високошвидкiсному) русi поlздiв -метод математичного моделювання. Тако1 ж
думки притримуються i закордоннi автори, зокрема, робгт [3, 5].
На сьогоднi найбшьш поширеними методами моделювання процешв в системах електрич-ного транспорту е математичне та iмiтацiйне. Математичне моделювання, яке базуеться на формалiзованому описанш процесiв у виглядi систем математичних рiвнянь (складених за законами Юрхгофа), передбачае знання повних схем замщення СТЕ i ЕРС. В цьому питанш «вузьким» мiсцем е отримання повно1 схем замщення ЕРС. Справа в тому, що аналiз схемо-технiчних рiшень частково вже створених i пе-рспективних (для швидкiсного руху поïздiв) ЕРС свщчить [6-8] про суттеву складшсть на-вiть ïx структурних схем, не говорячи вже про розрахунковi схеми замщення та алгоритм ïx роботи навiть одного поïзда на фщернш зонi. А при оргашзаци швидкiсного руху на дiлянцi мiж тяговими пiдстанцiями рухаються 3...4 i бшьше поïздiв, а це означае необхщшсть вра-хування схем замщення 3.. .4 i бiльше електро-возiв в математичнiй моделi системи.
Зазначене вище дозволяе стверджувати, що практично неможливо побудувати точну мате-матичну модель такоï складноï нелiнiйноï дина-мiчноï потужноï системи як СЕТ тшьки, як це зараз здшснюетъся, на основi теоретичного ана-лiзу фiзичниx процесiв, що протiкають в при-строях чи пiдсистемаx цiеï системи з наступним використанням закошв i методiв теоретично!' електротеxнiки. Якраз зазначене практично i гальмуе математичне моделювання, а отже i прогнозування, процешв в перспективних СЕТ, особливо тих, що модершзуються для впровадження швидюсного i високошвидкiсного руху поïздiв. На нашу думку, розв'язання цiеï про-блеми можливо створенням iмiтацiйниx моделей всiеï СЕТ, в якш модель ЕРС формують методами щентифшаци [8, 9]. Такий тдхщ цiлком ра-цiональний, оскiльки математичне моделювання було бшьш застосованим в ri роки, коли не було потужноï обчислювальноï теxнiки i по^бного програмного забезпечення. Сучасний розвиток комп'ютерних теxнологiй i досконалого програ-
много забезпечення обумовлюють бiльш дощ-льним застосування iмiтацiйного моделювання.
Аналiз останнiх публжацш з проблеми
Наукових публiкацiй з iмiтацiйного моделювання електромагнiтних процешв в системi тягового електропостачання велика кшьюсть, зо-крема в Укра1ш в останнi роки це [10-14]. Од-нак вони стосуються руху поlздiв при звичай-них швидкостях (або без врахування ЕРС). Виключення складають лише роботи [3-5]. Проте в роботах [4, 5] не подано метод моделювання, не вщома його процедура i результати подаш дуже коротко. Робота [3], по-перше, ви-конана не на залiзницях Украши (в Роси), подруге, ЕРС замiщено щеальним джерелом струму i, нарештi, автор не моделював процеси, а «просто» розрахував 1х методом планування багатофакторних експеримеш!в i регресiйного аналiзу. Тому ця робота може слугувати лише в орieнтовно методичному плат й в шякому разi И результати не можуть бути використаш для анатзу i впровадження швидкiсного руху на затзницях Украши.
В роботах [15, 16] розрахунки, тим бшьше моделювання, процешв в тяговiй мережi СТЕ не приведенi, а в публшацп [17] лише подана шформащя, що в ВНД1ЗТ (Росiя) розроблено комп'ютерну модель процесiв струморозпод> лення в контактнш мережi, за допомогою яко! можлива оптимiзацiя И конструкцп на стади проектування чи при модершзаци; власне модель i результати моделювання не приведенi.
Мета роботи
Метою ще! роботи е розробка (в середовищi МайаЬ (81тиНпк)) iмiтацiйноl моделi електро-магнiтних процешв, що протiкають в тяговiй мережi змiнного струму, при пакетному рус швидкiсних поlздiв, а також И застосування для визначення напруги на струмоприймачi елект-ровоза, його струму, а також фщерного струму i втрат потужностi в тяговiй мереж при рiзнiй кiлькостi поlздiв в пакет^ iнтервалi часу попутного прямування та мiжmдстанцiйноl вiдстанi.
Умови формування моделей
Система тягового електропостачання. Бага-тьма спещалютами в обласп електричного транспорту, зокрема в [6, 7, 15, 17-19], вважаеться, що юнуюча система тягового електропостачання постшно1 наруги 3,3 кВ при певнш И модершзаци шляхом шдсилення дозволить органiзувати швидюсний рух поЬадв з Утах до 200 км/год. Пщсилення ща системи доцшьно, насамперед,
пiдвищенням напруги в тяговш мереж1 на пер-шому еташ до 6 кВ, а поим - до 12 кВ за раху-нок переходу вщ юнуючо1 централiзованоl системи живлення тягово1 мереж до схеми розпо-дшеного живлення вiд лши повздовжнього елек-троживлення певно1 постшно1 чи змшно1 напруги. Однак, все ж свгговий досвiд показуе, що на дшянках з швидкiсними по1здами засто-совуеться виключно СЕТ змiнного струму 27,5 кВ (особливо з тдсилюючими i екраную-чими проводами), яка мае дуже широку можли-вiсть маневру енергетично1 ефективносп в зале-жностi вiд розмiрiв руху поlздiв [2020]. Тому в цш роботi при моделюваннi використано СЕТ змшного струму 27,5 кВ, 50 Гц. При цьому в якосп моделi тягово1 шдстанци (ТП) прийнято реальне джерело синусо1дно1 е.р.с. з внутршшм активним опором Лтп = 0,176 Ом та шдуктив-нiстю Ьтп = 0,00177 Гн . Мiжпiдстанцiйна дшя-нка одноколшна з лiнiйною однорiдною контактною шдвюкою ПБСМ-95+МФ-100 i рейками типу Р65; питомi параметри тягово1 мережк
Дтм = 0,112 Ом/км, Ьтм = 0,848 10-3 Гн/км [21, 22]. Схема живлення - двостороння. Вихщш напруги на шинах ТП прийнят однаковими.
Електрорухомий склад
На сьогодш на залiзницях Украши iснуючi «звичайний» пасажирський i змшаний вантаж-ний рухи покадв забезпечуються електровозами типiв: ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11, ЧС, ДЕ1, ДС3, ВЛ60, ВЛ80 та ш Схемотехтчно зазначенi серп елект-ровозiв вiдносно не складш. I тому при матема-тичному моделюваннi електромагнiтних i елект-роенергетичних процесiв зображують iх повнi схеми замщення (з наступним складанням системи рiвнянь). Однак за своши схемотехнiкою i параметрами цi типи ЕРС вже не можуть забез-печити необхщне на сьогоднi шдвищення пропу-скно! i провiзноl здатностей електричних залiз-ниць, тим бшьше при впровадженш швидюсних i високошвидюсних перевезень [6, 7, 15-17]; необидна суттева модернiзацiя або побудова нових типiв. При цьому вс спецiалiсти вважають, що для виконання вищезазначеного потрiбно щоб тяговий привод перспективних електровозiв (i електропокадв) для швидюсного i високошвидю-сного рух1в будувався на безколекторних тягових двигушв (ТЕД) i найчастiше — на основi асинх-ронних короткозамкнених ТЕД [6, 7, 23-25]. При цьому, цi ТЕД повинш живитись (через певнi тя-говi перетворювачi) вiд контактно1 мереж як по-стшно1, так i змiнноl напруги. Тим самим з'являеться необхiднiсть створення двосистемних типiв ЕРС.
В робот при моделюванш прийнято, що рух швидюсних поlздiв здiйснюеться електровозом типу ЕД 4, який заплановано виготовляти на б^ модернiзованого електровоза ДС 3 i який буде мати максимальну швидюсть 200 км/год [26]. Суттева схемотехшчна складнiсть зазна-чених вище ЕРС обумовила застосувати в цш робот iдентифiкацiйну модель електровоза ЕД 4 у виглядi пасивного двополюсника з пос-лiдовним з'еднанням нелiнiйного (статичного) резистивного елемента Я та параметрично1 шдуктивносп Ь [27]. При цьому закономiр-нiсть змiни Ь в чаш за перюд прикладено1 на-пруги при дiючих значеннях струму наванта-ження 20; 50; 100 А приведена на рис. 1. а)ь2, Гнт
0,005 0,01
Рис. 1.
0,015
Rn L
К.П
При моделюванш використали еквiвалентнi значення R i L, i вони склали: для електровоза №1 - R1 = 133,05 Ом , L1 = 0,077 Гн ; для електровоза №2 - R2 = 281,2 Ом, L = 0,22 Гн.
Загальна схема фщерно1 зони на прикладi трьох по1здв, що рухаються, представлена на рис. 2.
Схеми iмiтацiйного моделювання
На рис. 3-4, в якост прикладу представлено розроблеш в цiй робот iмiтацiйнi моделi роз-рахунку електричних процесiв в системi тягового електропостачання при швидкост руху поïздiв 200 км/год.
Взагалi моделювали 6 варiантiв миттевих схем розташування поïздiв на фiдернiй зонi (табл. 1).
Таблиця 1
К1ль- 1нтервал
Номер Мшпвдстанцш- шсть часу попу-
вар1ан- на вщстань, ПOïЗД1B в тного пря-
та 1, км пакету мування,
n At, хв.
1 60 3 5
2 60 3 6
3 60 3 7
4 60 4 5
5 80 3 6
6 80 4 7
Рух поïздiв в пакет починаеться в точцi (в мюш), яка розташована на вщсташ 1 км вiд ТП № 1. Визначали напругу на струмоприймачах електровозiв, ïx струм, а також струм i втрати потужност на дшянках тяговоï мережi.
R,„ L
Рейки
Rt1 Lt1 l R l,2 2 R,3 L,3 3 R L
Ri) 'L(t)
Ri) 'L(t)
Rt4
R.5
R(i)
L(t)
Rt
Рис. 2.
e
e
l
l
l
Рис. 3.
Рис. 4.
Оскшьки параметри тягово1 мережi прийнятi лiнiйними, а шдстанцшна живляча напруга яв-ляеться синусощною, тому всi розрахунковi миттевi величини (напруги, струми i т. д.) отримаш синусо1дними, що й маеться на увазi у подальшому аналiзi, а приведенi результати поданi для ддачих значень. При цьому перехщ-ний процес на осцилограмах розрахункових величин при «вмиканш» чергового по1зда не помiтний оскiльки вiн короткочасний (не бшь-ше 1,5 мс) i тому спостерiгаеться зразу ж уста-лений режим. Це цшком закономiрно i поясню-еться великим значенням вхiдних активних опорiв електровозiв.
Проаналiзуемо результати моделювання.
Результати моделювання та Тх аналп
З аналiзу даного моделювання випливае, що при пакетному руа покздв всi основш величини мають особливий екстремальний (мшмум чи максимум) характер змши; розглянемо цi змiни.
Рiвень напруги на струмоприймачь Одним iз основних, дуже важливих, критерив розрахунку пристро1в СТЕ електрифiкованих залiзничних лiнiй зi швидкiсним рухом являеться напруга V на струмоприймачi електрорухомого складу. Це обумовлено безпосередньою залежшстю швид-косп руху V вiд зазначено1 напруги. Зокрема встановлено [28], що для СТЕ змшного струму при руа зi V = 200 км/год зниження середньо1
VCp (при U<UH0M) швидкостi вiдносно устале-
ного И значення Густ (при U> UH0M) пропорцш-
не максимальному вщхиленню напруги AUmax вiдносно ином, тобто:
8
AV = Густ - Гср = 3aUmax , (1)
Де aUmax =диср ' С-и, (2)
а д^р = Uном - Uср, (3)
де U^ - середня величина ддачого значення напруги на стрyмоприймачi ЕРС при його рyсi на мiжпiдстанцiйнiй зонi за термiн часу проходження одного по!зда чи пакету roi^iB;
коефiцieнт Сду = 0,56...0,7 [28].
Величина UCр являе собою вщношення се-
редньо1 потyжностi, розраховано1 для по1зда або групи roi^iB в пакетi, до вiдповiдного се-реднього струму:
n 1
1 S UniInic i=1tni 0
tn
Uср =
n tni
E S
i=1 о
(4)
Inic
де ип1, 1П1, ?пг- - вщповщно напруга на стру-
моприймач^ струм ЕРС, термiн часу руху на мiжпiдстанцiйнiй зонi для ьтого по1зда.
Середня напруга иср представляе собою iн-
формативний характеризуючий параметр, який найбiльш правильно вщображае яюсть електрожи-влення високошвидюсних подщв. I тому СТЕ в перюд пропуску зазначених по1здв повинна за-безпечувати певний заданий рiвень напруги зпдно Правил техшчно! експлуатацл (ПТЕ) СТЕ (табл.2).
Таблиця 2
Допустим! значення напруги на струмоприймач1
Швидшсть руху, км/год до 160 161.200 201.250 251.300
Максимальна напруга, кВ 29,0 29,0 29,0 29,0
Мшмальна напруга, кВ 21,0 24,0 245,0 24,0
Зниження напруги нижче мiнiмального значення неприйняте оскiльки буде, як зазначалось вище, призводити до зниження швидкост й тим самим до порушення графiка руху поiздiв.
На рис. 5, а-г за даними моделювання пред-ставленi графiчнi залежностi напруги на стру-
моприймачi електровоза иел вiд шляху руху 3-
х i 4-х по1здних пакетав вiд ТП1 до ТП2. Цифри кривих залежностей вказують на номер вiрiанта моделювання (згiдно табл. 2), а числа 1 та 2 б> ля пунктирних лiнiй-ординат свщчать про номер електровоза з по1здом.
Як випливае iз цих рисункiв, величина иел закономiрно змшюеться i И мiнiмуми змщу-ються в напрямку до ТП2. Зменшення иел вщ-буваеться приблизно до координати шляху ру-
3/
частини мiжпiдстан-
ху, яка знаходиться на
цшно! зони вiд ТП1. Далi напруга пiдвищyеться за рахунок дп ТП2. Не дивлячись на зменшення, необхщна вимога допустимого значення,
щоб иел було бшьше 24,0 кВ (табл. 1 при
V =200 км/год), виконуеться: найменше значення иел, що дорiвнюе 26,7 кВ, мае мюце при n=4 i At=5хв. При цьому середш значення UCp
напруги на стрyмоприймачi при рyсi на всш фiдернiй зонi склали вщповщно 26,7 i 26,8 кВ.
Вплив факторiв I, At i n (табл. 2) на змшу напруги на стрyмоприймачi такий: збшьшення мiжпiдстанцiйноl вiдстанi I призводить до зб> льшення иел (рис. 5, а); така ж сама дiя штер-
валу часу попутного прямування At (рис. 5, а, кр. 3 i рис. 5, б, кр. 2); в той же час змша кшь-кост поlздiв в пакетi практично не впливае на зм^ Uел (рис. 5, в).
Виконання вимоги по рiвню напруги в розг-лядуваних випадках цiлком зрозyмiло i пояс-нюеться вiдносно невеликим значенням пито-мо! потyжностi навантаження на фщерну зону, яка склала 0,21 МВА/км при А1=5хв, та невисо-кою швидкiстю руху (200 км/год), в той час як, зпдно [18], максимальна питома потужнють на лшп може досягати 1,3... 1,4 МВА/км (при
V =300 км/год i At=3...4 хв.).
Змiна фiдерного струму. Фщерний струм 1ф
мае iмпyльсний характер з максимумом ~ 340 А при n=4 i який розташовуеться в середнiх мiжпоiздних дiлянках фщерно1 зони (рис. 6, а-г). При зменшеннi кiлькостi поiздiв до n=3 значення 1ф, незалежно вщ iнтервалy прямування
At, не перевищуе 235 А.
3i збiльшенням мiжпiдстанцiйноl вiдстанi (рис. 6, а) i кiлькостi по1здв в пакета (рис. 6, в) фь дерний струм зростае. В той же час зростання 1ф
мае мюце при зменшент iнтервалy часу попутного прямування (рис. 6, а кр.3 i рис. 6, б, кр. 2).
Рис. 5.
Струм електровоз!в. На вщм!ну в1д 1снуючих методик розрахунку параметрiв системи тягового електропостачання, в яких струм електровозiв задавався за тяговими розрахунками, в цш ро6от1 задавали параметри (R i L) власне електровоза (електровоз №1 i №2), а його тяговий струм роз-раховувався при моделюванш (рис. 7).
Втрати потужност! в тяговш мереж!. Збшь-шення штервалу попутного прямування поïздiв
Рис. 6. Залежшсть струму на донках в1д шляху руху по1здних пакепв
в ïx пакетi з 5 до 7 хвилин (при n=3) призводить до зменшення втрат потужност! АР в проводах тягово1' мережi на 26% (табл. 3). В той же час, збшьшення юлькосп го1'зд1в в пакетi (на 1 по1'зд) призводить до пiдвищення АР в 1,8 рази. Останне повинно врахо-вуватися в складi технолопчних втрат, як1 входять, в так зваш, умовн1 втрати, що визначаються р1зни-цею показiв електричних тчильниюв на тягов1й пiдстанцiï i на електрорухомому складi.
и |(ЯВОЭ,А lifliOi, А If,moi, A If.niùï. A
—М>' 5 L97r0S 92.74 94,77
—9— G L9S,t2 195,46 эг,3
Рис. 7. Граф1ки струм1в електровозу: а) при I = 60 км , б) I = 80 км
Таблиця 3
Кшьюсть по'1'з-д1в в пакету n 1нтервал часу попутного прямування, At, хв Втрати потужносп, АР, кВт Довжина м1жтдстан-цшно'1' дшянки, i, км
3 5 303,24
3 6 275,54 60 км
3 7 240,5
4 5 546,08
3 5 399,22 80 км
4 5 710,71
Висновки
1. Вимоги ПТЕ електрифшованих зал1зниць Украши щодо допустимого значення р1вня напруги на струмоприймач1 електровоза при за-даних умовах 1м1тац1йного моделювання вико-нуються. Найбшьший вплив на змшу напруги мають м1жп1дстанц1йна вщстань, струм електровоза та штервал часу попутного прямування; кшьюсть по1зд1в в пакет практично не впливае на цю величину.
2. Струмове навантаження ф1дерно1 зони при пакетному рухов1 швидюсних по1зд1в мае ¡мпульсний характер. Найбшьший вплив на ф> дерний струм мають: м1жп1дстанц1йна вщстань та штервал часу попутного прямування; кшь-юсть по1зд1в в пакета впливае «в середньому».
3. Збшьшення втрат потужносп в тяговш ме-режi при пакетному пропуску по1зд1в повинно враховуватися в склад1 технолопчних втрат, як входять в умовш втрати, що визначаються р1зни-цею показ1в лiчильникiв електрично1 енергй' на тяговш пiдстанцiï i на електрорухомому складi.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Транспортна стратепя Укра!ни на перiод до 2020 року // Схвалено розпорядженням Кабшету MiHicTpiB Укра!ни вад 21.12.2010р. №2818-VI.
2. Про схвалення Стратегй' розвитку залiзнично-го транспорту на пеpiод до 2020 року // Кабшет Mi-нiстpiв Укра!ни. Розпорядження ввд 16 грудня 2009р. №1555-Р.
3. Biesenack, H. Тяговое электроснабжение высокоскоростных линий // Железные дороги мира, 2001, №6. - С.26 - 30.
4. Степанская, О. А. Особенности формирования нагрузок электротяговой сети скоростных линий железных дорог. Дисс. на соис. уч. ст. к.т.н., спец.: 05.22.07 - подвижной состав тел. дорог, тяга поездов и электрификация. - Санкт-Петербург, 2004. - 135с.
5. Hauptmann, A. Мощность тяговых подстанций для высокоскоростных линий. / А. Hauptmann // Железные дороги мира - 2002. -№8. - С.47-51.
6. Хворост, Н.В. Электрические железные дороги: этапы и перспективы развития / Н.В. Хворост, Н.В. Панасенко // Електротехшка i Електромехашка.
- 2003. - № 4. - С.104-114.
7. Хворост, Н.В. Совершенствование электрической тяги постоянного тока железных дорог Украины для скоростного пассажирского движения. / Н. В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко, Н.Н. Панасенко // Залiзничний транспорт Укра1ни. -2003. -№6. -С.25-31.
8. Мщенко, Т. М. Перспективи схемотехшчних ршень i моделювання тдсистем електрично! тяги при високошвидшсному pусi по!здiв / Т. М. Мщенко // Електротехшка i Електроенергетика. - 2014. -№ 1. - С.19-28.
9. Miщенко, Т. М. Теоpетичнi аспекти та методи вдентифшацп паpаметpiв пристро!в системи електрично! тяги. Метод миттевих потужностей; парале-льне з'еднання елеменлв / Т. М. Miщенко // Вюник Днiпpопетp. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна - Д. : ДНУЗТ, 2012. - Вип. 41. С.86 - 91.
10. Босий, Д.О. 1мгтацшне моделювання системи тягового електропостачання для дослвдження показ-нишв якостi електрично! енергп на тягових тдстан-цгях змiнного струму / Д.О. Босий // Вюник Дшпро-петр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна
- Д. : ДНУЗТ, 2008. - Вип. 24. С.49 - 54.
11. Босий, Д. О. Математичне моделювання елек-тротягового навантаження в задачах вивчення елек-тромагнгтних процеав для систем електропостачання електричного транспорту змшного струму / Д.О. Босий, В.Г. Сиченко // Техшчна електродинашка. Тематичний випуск. - 2009. - Ч.3. - С.86-89.
12. Сиченко, В.Г. Моделювання електротягового навантаження в задачах електромагнгтно! сумiсностi електрифжованих залiзниць постiйного струму / В.Г. Сиченко, С.М.Гайсьонок // Технiчна електродинашка. Тематичний випуск. Силова електрошка та енергоефектившсть. - 2010. - Ч.2. - С.185-188.
13. Лагута, I.I. Моделювання системи тягового
REFERENCES
1. Transportna strategiya Ukrayini na period do 2020 roku [Transport Strategy of Ukraine till 2020]. Approved by Cabinet of Ministers of Ukraine 21.12.2010 №2818-VI.
2. Pro shvalennya Strategiyi rozvitku zaliznichnogo transportu na period do 2020 roku [On approval of the Strategy of railway transport development for the period till 2020]. The Cabinet of Ministers of Ukraine. Order of 16 December 2009. №1555-P.
3. Biesenack H. Tjagovoe jelektrosnabzhenie vyso-koskorostnyh linij [Traction power supply high-speed lines]. Zheleznye dorogi mira - Railroad of the world, 2001, №6. -P.26 - 30.
4. Stepanskaya O.A. Osobennostiformirovanija nagru-zok jelektrotjagovoj seti skorostnyh linij zheleznyh dorog [Features of formation of the electrical traction loads the network of high-speed railway lines]. Diss. na gois. uch. st. k.t.n., spec.: 05.22.07 - podvizhnoj sostav tel. dorog, tjaga poezdov i jelektrifkacija. - Diss. on SOEs. art PhD, spec.: 05.22.07 - rolling tel roads, traction of trains and electrification. - St. Petersburg, 2004. - 135p.
5. Hauptmann A. Moshchnost tyagovyh podstantsiy dlya vysokoskorostnyh liniy [Power traction substations for high-speed lines]. Zheleznye dorogi mira - Railways of the world - 2002. -№8. - P.47-51
6. Hvorost N.V., Panasenko N.V. E'lektricheskie zheleznye dorogi: e'tapy i perspektivy razvitiya [Electric Railways: stages and perspectives of development]. Elektro-texnika i Elektromexanika - Electrical engineering and Elec-tromechanics. - 2003. - № 4. - P.104-114.
7. Hvorost N.V., Goncharov J. P., Panasenko N. V., Panasenko N. N. Sovershenstvovanie e'lektricheskoj tyagi postoyannogo toka zheleznyx dorogo Ukrainy dlya skorost-nogo passazhirskogo dvizheniya [The development of electric traction DC Railways of Ukraine for speed passenger traffic]. Zaliznichnij transport Ukrayini - Railway transport of Ukraine. -2003. - No. 6. P. 25-31.
8. Mishchenko T.M. Perspektivi shemotehnichnih rishen i modelyuvannya pidsistem elektrichnoyi tyagi pri visokoshvidkisnomu rusi poyizdiv [Prospects circuit design and modeling subsystems of electric traction under highspeed trains]. Elektrotehnika i Elektroenergetika - Electrical and power. - 2014. - No. 1. - Page 19-28.
9. Mishchenko T.M. Teoretichni aspekti ta metodi identifkaciï parametriv pristroïv sistemi elektrichnoï tjagi. Metod mittevih potuzhnostej; paralel'ne z'ednannja ele-mentiv [Theoretical aspects and methods of identification of parameters of devices of the electric traction system. The method of instant capacity; parallel connection of elements]. Visnik DNUZT - Bulletin of Dnepropetr. NAT. Univ Rail. Tr. Acad. V. Lazaryan - D.: DNURT, 2012. - Vol. 41. P. 86 - 91.
10. Bosiy D.O. Imitatsiyne modelyuvannya sistemi tya-govogo elektropostachannya dlya doslidzhennya pokaznikiv yakosti elektrichnoyi energiyi na tyagovih pidstantsiyah zminnogo strumu [Modeling of electric traction system for the study of indicators of quality of electric energy for traction substations AC]. Visnik DNUZT - Bulletin of Dnepro-petr. NAT. Univ Rail. Tr. Acad. V. Lazaryan - D : DNURT, 2008. - Vol. 24. P. 49 - 54.
11. Bosiy D.O., V.G. Sichenko Matematichne
електропостачання з натвпроввдниковими перетво-рювачами залiзниць постшного струму. / I.I. Лагута, Ю.П. Гончаров, М.В. Панасенко, В.В. Замаруев, В.В. 1вахно, В.В. Божко, В.Н. Козачок, О.В. Сушко // Технчна електродинамiка. Тематичний випуск -2011. - Ч.2. - С.258-264.
14. Сиченко, В.Г. Моделювання електромагнгг-них процеав перетворення електрично! енергп на тяговш тдстанцп постiйного струму / В.Г. Сиченко, Б.А. Рябошнь, О. Д. Словак // Техшчна електродина-мжа. Тематичний випуск - 2011. - Ч.2. - С.245-250.
15. Киселёв, И.П. Высокоскоростной железнодорожный транспорт: современные вызовы и перспективы развития. / И.П. Киселёв // Железнодорожный транспорт. -2012. -№11. -С.44-49.
16. Саввов, В.М. Обоснование параметров тягового электроснабжения и электроподвижного состава высокоскоростных железнодорожных линий в России. Дисс. на соис. уч. ст. к.т.н., спец.: 05.22.07 -подвижной состав тел. дорог, тяга поездов и электрификация. - Санкт-Петербург, 2002. - 136с.
17. Косарев, А.Б. Проблемы развития скоростного движения. / А.Б. Косарев, О.Н. Назаров // Материалы Второго международного симпозиума «Eltrans'2003», Санкт-Петербург. -2003. -С.42-54.
18. Марыкин, А.Н. Схемотехника современных тяговых подстанций постоянного тока и перспективные системы электроснабжения. / А.Н. Марыкин // Материалы международного симпозиума «Eltrans'2001», Санкт-Петербург. -2002. -С.147-155.
19. Котельников, А. Основные требования к системам и устройствам тягового электроснабжения скоростных и высокоскоростных магистралей. / А. Котельников // 6th Internotional Conference "Modern Electric Traction in Integrated XXIst Century Europe", Warszawa, Poland, -2003. -Р.35-41.
20. Бадёр, М. П. Концепция обновления и перспективы технического развития систем тягового электроснабжения /М.П. Бадёр, В.Г. Сыченко // Техшчна електродинамжа. Темат. вип. Силова електрошка та енергоефектившсть. Частина 2. -Ки!в. - 2009. -С.88-93.
21. Мщенко, Т.М. Математичне моделювання перехiдних процесiв в системi змiнного струму «тя-гова мережа - електровоз» 1. Вмикання силового трансформатора електровоза в режимi холостого ходу; ощнка параметрiв / Т.М. Мiщенко, А.1. Кiйко // Вiсник ДНУЗТ. - 2011. - Вип.36. - С. 88-93.
22. Справочник по электроснабжению железных дорог. Под ред. К.Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1980. -256 с.
23. Сорин, Л.Н. Электровозы нового поколения и организация их разработки / Л.Н. Сорин, В.П. Янов // Материалы Второго международного симпозиума «Eltrans'2003», Санкт-Петербург. - 2003. - С.115-122.
24. Серпенко, М.1. Основш вимоги i схемотехш-чнi рiшення тягового частотно-регульованого елект-роприводу пасажирських електровозiв. / М.1. Серп-енко, М.В. Панасенко // Залiзничний транспорт Укра!ни. -2009. -№5. -С.43-54.
modelyuvannya elektrotyagovogo navantazhennya v zadachah vivchennya elektromagnitnih protsesiv dlya sistem elektropostachannya elektrichnogo transportu zminnogo strumu [Mathematical modeling of electrical traction load problems in the study of electromagnetic processes for electric vehicle power supply systems AC]. Tehnichna elektrodinamika. Tematichniy vipusk - Technical electrodynamics. Thematic issue. - 2009 - Part 3. - P.86-89
12. Sichenko V.G., Haysonok Ye.M. Modelyuvannya el-ektrotyagovogo navantazhennya v zadachah elektromagnit-noyi sumisnosti elektrifikovanih zaliznits postiynogo strumu [Modeling of electrical traction load in problems EMC electrified railways DC]/ Tehnichna elektrodinamika. Tematichniy vipusk «Silova elektrodinamika ta energoefektivnist» - Technical electrodynamics. Thematic issue. Power Electronics and Energy Efficiency. - 2010 - Part 2. - P.185-188.
13. Lahuta I.I., Goncharov J.P., Panasenko M.V., Bozhko V.N., Kozachok V.V., Zamaruyev V.V., Ivahno V.V., Sushko O.V. Modelyuvannya sistemi tyagovogo elektropostachannya z napivprovidnikovimi peretvoryuvachami zaliznits postiynogo strumu [Modeling of traction power supply with semiconductor converters DC Railway]. Tehnichna elektrodinamika. Te-matichniy vipusk - Technical electrodynamics. Themed Issue - 2011 - Part 2. - P.258-264.
14. Sichenko V.G., Ryabokon B.A., Slovak O.D. Modelyuvannya elektromagnitnih protsesiv peretvorennya elektrichnoyi energiyi na tyagoviy pidstantsiyi postiynogo strumu [Modeling of electromagnetic processes for converting electrical energy substation DC]/ Tehnichna elektrodinamika. Tematichniy vipusk - Technical electrodynamics. Themed Issue - 2011 - Part 2. - P.245-250.
15. Kyselev I.P. Vysokoskorostnoj zheleznodorozhnyj transport: sovremennye vyzovy i perspektivi razvitija [Highspeed rail transport: current challenges and prospects]. Zheleznodorozhnyj transport - Railway transport. -2012. -No. 11. -P. 44-49.
16. Savvov V.M. Obosnovanie parametrov tyagovogo elektrosnabzheniya i elektropodvizhnogo sostava vyso-koskorostnyh zheleznodorozhnyh liniy v Rossii [Substantiation of parameters of the traction power supply and electric rolling stock of high-speed railway lines in Russia]. Diss. na sois. uch. st. k.t.n., spets.: 05.22.07 - podvizhnoy sostav tel. dorog, tyaga poezdov i elektrifikatsiya - Diss. on SOEs. art PhD, spec.: 05.22.07 - rolling tel roads, traction of trains and electrification. - St. Petersburg, 2002. - P.136.
17. Kosarev A.B., Nazarov A. N. Problemy razvitiya skorostnogo dvizheniya [Problems of development of highspeed traffic]. Materialy Vtorogo mezhdunarodnogo sim-poziuma «Eltranss2003» - Proceedings of the Second international Symposium, Eltrans2003, St. Petersburg. -2003. -Page 42-54.
18. Manikin A. N. Shemotehnika sovremennyh tjagovyh podstancij postojannogo toka i perspektivnye sistemy jel-ektrosnabzhenija [The circuitry of modern traction substations DC current and future electricity system]. Materialy mezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans-2001» - Proceedings of the international Symposium "Eltrans'2001, St. Petersburg. -2002. P. 147-155.
19. Kotelnikov A. Osnovnye trebovanija k siste-mam i ustrojstvam tjagovogo jelektrosnabzhenija skorostnyh i vyso-koskorostnyh magistralej [Basic requirements for systems and traction power supply devices and high-speed highways]. 6th Internotional Conference "Modern Electric Traction in Inte-
25. Панасенко, Н.В. Концепция силовых схем тяговых асинхронных электропередач магистральных электровозов разных категорий и назначения для железных дорог Украины. / Н.В. Панасенко, Н.Н Панасенко, В.Н. Панасенко // Вестник ВЭлНИИ, Новочеркасск, ОАО «ВЭлНИИ». -2008. -№3(52). -С.15-20.
26. Лашко, А. Д. Техн1чн1 вимоги до тягового ру-хомого складу нового поколшня. / А.Д. Лашко, С.Г. Грищенко // Залiзничний транспорт Украни. -2008. -№3. -С.11-14.
27. Мщенко, Т. М. Теоретичн1 аспекти та методи вдентиф1кацп параметрiв пристро1в системи елект-рично1 тяги. Метод миттевих потужностей; послвдо-вне з'еднання елеменпв. / Т. М. М1щенко // В1сник Дн1пропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна - Д. : ДНУЗТ, 2012. - Вип. 41. - С.121 -126.
28. Колодяжный, Н. В. Высокоскоростное пассажирское движение. - М.: Транспорт, 1967. - 415 с.
Надшшла до друку 15.05.2015.
gratedXXIst Century Europe" - 6th International Conference "Modern Electric Traction in Integrated XXIst Century Europe", Warszawa, Poland, -2003. -P. 35-41.
20. Bader M.P., Sichenko V.G. Koncepcija obnovlenija i perspektivy tehnicheskogo razvitija sistem tjagovogo jel-ektrosnabzhenija [The concept of renovation and perspectives technical development of traction power supply]. Tehni-chna elektrodinamika. Temat. vip. Silova elektronika ta energoefektivnist' - Technical electrodynamics. Theme. vol. Power electronics and energy efficiency. Part 2. -Kiev. -2009. -P. 88-93.
21. Mischenko T.M., Kiyko A.I. Matematichne modelyuvannya perehidnih protsesiv v sistemi zminnogo strumu «tyagova merezha - elektrovoz» 1. Vmikannya silo-vogo transformatora elektrovoza v rezhimi holostogo hodu; otsinka parametriv [Mathematical modeling of transients in the AC system with a traction chain - electric locomotive" 1. The inclusion of a power transformer locomotive idling; estimation of parameters]. Visnyk DNUZT - Bulletin of DNURT. - 2011. - Vol.36. P. 88-93.
22. Spravochnik po elektrosnabzheniyu zheleznyh dorog [Handbook of railway power supply]. Ed. K.G. Marquardt. -Moscow Transport, 1980. -256 p.
23. Sorin L.N., Yanov V.P. Jelektrovozy novogo pokolenija i organizacija ih razrabotki [A new generation of electric and organization development]. Materialy Vtorogo mezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans-2003» - Proceedings of the Second International Symposium "Eltrans'2003", St. Petersburg. - 2003. - P.115-122.
24. Sergienko M.I., Panasenko N. In. Osnovni vymogy i sxemotexnichni rishennya tyagovogo chastotno-regulovanogo elektropryvodu pasazhyrskyx elektrovoziv [Basic requirements and circuit solutions traction frequency-controlled electric passenger locomotives]. Zaliznychnyj transport Ukrayiny - The Railway transport of Ukraine. -2009. - No. 5. P. 43-54.
25. Panasenko N.V., Panasenko N.N., Panasenko V.N. Koncepcija silovyh shem tjagovyh asinhronnyh jel-ektroperedach magistral'nyh jelektrovozov raznyh kategorij i naznachenija dlja zheleznyh dorog Ukrainy [The concept of power circuits of traction power asynchronous electric locomotives of different categories and destination for the railways of Ukraine]. Vestnik VJelNII - Bulletin VELNII, Novocherkassk, JSC "VELNII." -2008. -№3 (52). -P.15-20.
26. Lasko A.D., Grishchenko S. G. Tehnichni vimogi do tjagovogo ruhomogo skladu novogo pokolinnja [Technical requirements for traction rolling stock of the new generation]. Zaliznichnij transport Ukrayini - The Railway transport of Ukraine. -2008. - No. 3. -P. 11-14.
27. Mischenko T.M. Teoretichni aspekti ta metodi iden-tifkaciï parametriv pristroïv sistemi elektrichnoï tjagi. Metod mittevih potuzhnostej; poslidovne z'ednannja ele-mentiv [Theoretical aspects and methods of identification of parameters of devices of the electric traction system. The method of instant capacity; serial connection elements]. Visnik DNUZT - Bulletin of Dnepropetr. NAT. Univ Rail. Tr. Acad. V. Lazaryan - D : DNURT, 2012. - Vol. 41. P. 121 - 126
28. Kolodyazhny N.V. Vysokoskorostnoe passazhirskoe dvizhenie [High-speed passenger traffic]. - M .: Transport, 1967. -415 p.
Внутр1шн1й рецензент Костт М. О.
Зовн1шн1й рецензент Випанасенко С. I.
© Мщенко Т. М., 2015
Впровадження швидкiсного руху поíздiв на залiзницях Украши можливо лише тсля докладних дослЬ джень електромагнiтних i електроенергетичних процесiв в пристроях системи тягового електропостачання. Останне, в свою чергу, можливо лише методом моделювання, зокрема iмiтацiйного, оскiльки на сьогодш швидкiсний рух поíздiв в УкраТ'ш вiдсутнiй i тому експериментальнi дослщження неможливi.
Метою роботи було розробити в середовищi Matlab (Simulink) iмiтацiйну модель електромагнiтних про-цесiв, що протiкають в тяговiй мережi змшного струму, при пакетному русi швидюсних поíздiв, i шляхом моделювання визначити напругу на струмоприймачi електровоза, його струм, а також фщерний струм i втрати потужностi в тяговш мережi при рiзних параметрах руху по'здв. Застосована методика iмiтацiйного моделювання (в середовищi Matlab) поТзноТ ситуацп на мiжпiдстанцiйнiй дiлянцi при рiзних варiантах кшь-костi поíздiв в пакет i вiдстанi мiж поТздами. Розрахована напруга на струмоприймачах електровозiв в пакетах, Тх струм, а також струм i втрати потужност на дiлянках тяговоТ мережi при пакетному русi швидюс-них, зi швидкiстю 200 км/год, по'здв. В розробленiй iмiтацiйнiй моделi процеав в системi тягового електропостачання вперше запропонована iдентифiкацiйна модель електрорухомого складу (електровозу) змш-ного струму. Вперше встановлено закономiрностi впливу кшькост поíздiв в пакетi, мiжпiдстанцiйноí вщсташ та iнтервалу часу попутного прямування по!здв на напругу на струмоприймачах, 1х струми, а також на фщерний струм i витрати потужносп в тяговш мережк
Показано, що вимоги ПТЕ електрифкованих залiзниць Украíни за допустимим значенням рiвня напруги на струмоприймачi електровоза при заданих умовах iмiтацiйного моделювання виконуються. Пiдвищення втрат потужностi в тяговш мережi при пакетному русi по!здв повинно враховуватися в склад i технолопч-них втрат, якi входять в умовш втрати потужностi.
Ключовi слова: моделювання; пакети поíздiв; швидкiсний рух; тягова мережа; напруга; струм; електро-воз; тягова пiдстанцiя.
Кафедра «Электроснабжение железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, 49010, Днепропетровск, Украина, тел.: (099)136-96-25, ел. почта: mishchenko [email protected], ORCID: orcid.org/0000-0001-6336-7350
Внедрение скоростного движения поездов на железных дорогах Украины возможно лишь после подробных исследований электромагнитных и электроэнергетических процессов в устройствах системы тягового электроснабжения. Последнее, в свою очередь, возможно только методом моделирования, в частности имитационного, поскольку на сегодня скоростное движение поездов в Украине отсутствует и поэтому экспериментальные исследования невозможны.
Целью работы было разработать в среде Matlab ^^Шт^ имитационную модель электромагнитных процессов, протекающих в тяговой сети переменного тока, при пакетном движении скоростных поездов, и путем моделирования определить напряжение на токоприемнике электровоза, его ток, а также фидерный ток и потери мощности в тяговой сети при различных параметрам движения поездов. Применена методика имитационного моделирования (в среде Matlab) поездной ситуации на межподстанционном участке при различных вариантах количества поездов в пакете и расстояния между поездами. Рассчитано напряжение на токоприемниках электровозов в пакетах, их ток, а также ток и потери мощности на участках тяговой сети при пакетном движении скоростных, со скоростью 200 км/ч, поездов. В разработанной имитационной модели процессов в системе тягового электроснабжения впервые предложена идентификационная модель электроподвижного состава (электровоза) переменного тока. Впервые установлены закономерности влияния количества поездов в пакете, межподстанционного расстоянии и интервала времени попутного следования поездов на напряжение на токоприемниках, их токи, а также на фидерный ток и потери мощности в тяговой сети.
Показано, что требования ПТЭ электрифицированных железных дорог Украины по допустимым значениям уровня напряжения на токоприемники электровоза при заданных условиях имитационного моделирования выполняются. Повышение потерь мощности в тяговой сети при пакетном движении поездов должно учитываться в состав технологических потерь, которые входят в условные потери мощности.
Ключевые слова: моделирование; пакеты поездов; скоростное движение; тяговая сеть; напряжение; ток; электровоз; тяговая подстанция.
УДК 621.335.04 : 621.333
Т. Н. МИЩЕНКО (ДНУЖТ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПРИ ПАКЕТНОМ ДВИЖЕНИИ СКОРОСТНЫХ ПОЕЗДОВ
Внутренний рецензент Костин Н. А.
Внешний рецензент Выпанасенко С. И.
UDC 621.335.04 : 621.333
T. M. MISHCHENKO (DNURT)
Department of Electric Power Supply of Railways, Dnepropetrovsk National University of Railway Transport
named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan st. 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010,
tel.: +38(097)485-68-21, e-mail: mishchenko [email protected], ORCID: orcid.org/0000-0001-6336-7350
MODELING OF ELECTROMAGNETIC PROCESSES IN TRACTION NETWORK WITH BATCH-SPEED TRAINS
The introduction of high-speed trains on the railways of Ukraine is possible only after detailed studies of electromagnetic and electric power processes in devices of traction power supply system. The latter, in its turn, is possible only by modeling, including imitative, because high-speed trains in Ukraine is missing and therefore experimental studies impossible.
The purpose of the work was to develop in Matlab (Simulink) imitative model of electromagnetic processes in traction AC in batch high-speed trains, and by modeling to determine the voltage at the pantograph of the locomotive, its current and feeder current and power loss in traction network for various parameters of trains. The technique of modeling (in Matlab) train situation at mipasiasync section in different variants, the number of trains in the package and the distance between trains. The calculated stress on scrumpymacs locomotives in packages, their current, as well as current and power loss sections traction network for batch movement speed, with a speed of 200 km/h trains. In developed simulation models of processes in the system traction power supply first proposed identification model electric rolling stock (locomotive) AC. For the first time the regularities of the influence of the number of trains in service, miptsteatte distance and time interval passing of trains on the voltage at scrumpymacs, their currents, and the feeder current and power loss in traction network.
It is shown that the requirements of PTE electrified Railways of Ukraine on valid input level voltage at the pantograph of the locomotive under the given conditions of the modeling are performed. The increase of power losses in traction network in packet trains should be taken into account in the composition and process losses, which are included in the contingent loss of power.
Keywords: modeling; packages trains; speed; power train; voltage; current; electric; traction substation.
Internal reviewer Kostin M. O. External reviewer Vypanasenko S. I.
© Mi^eHKO T. M., 2015
