CC BY
22
УДК 629.4.077
Оптимизация систем управления пригородных электропоездов
А. И. Чудаков, В. О. Иващенко, А. П. Зеленченко, Н. В. Лысов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация,190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Чудаков А. И., Иващенко В. О., Зеленченко А. П., Лысов Н. В. Оптимизация систем управления пригородных электропоездов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 4. - С. 499-506. БО1: 10.20295/1815-588Х-2021-4-499-506
Аннотация
Цель: Рассматривается использование импульсного преобразования электроэнергии на тяговом подвижном составе постоянного тока. Методы: Описан вариант системы регулирования режимов работы тяговых электродвигателей пригородных электропоездов с помощью импульсного преобразователя на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ). Результаты: Предлагаемая система импульсного регулирования представлена как возможный вариант модернизации применяемых систем управления, позволяющей улучшение тягово-энергетических показателей пригородных электропоездов. Показаны преимущества импульсных преобразователей на базе ЮВТ в сравнении с преобразователями на одно- и двухоперационных тиристорах. Приведена упрощенная электрическая схема силовой цепи моторного вагона с импульсным преобразователем, дано описание работы силовой цепи в режиме тяги и в режимах реостатного и рекуперативного торможения. Практическая значимость: Представленные результаты технико-экономического сравнения систем управления электропоезда ЭД4М с контакторно-реостатной системой регулирования и электропоезда с регулированием режимов работы тяговых электродвигателей импульсным преобразователем на базе ЮВТ доказывают лучшую энергоэффективность электропоезда, оборудованного системой импульсного регулирования.
Ключевые слова: Импульсное регулирование напряжения на тяговых электродвигателях, ЮВТ-транзисторы, электроподвижной состав, плавное регулирование силы тяги, расширение диапазона рекуперативного торможения.
В настоящее время в пригородном движении эксплуатируется значительное число электропоездов с контакторно-реостатной системой управления. Однако эта система имеет ряд недостатков, среди которых основными являются:
- значительные потери энергии в пусковых резисторах при пуске;
- ступенчатое регулирование тока тяговых электродвигателей (ТЭД) предопределяет недоиспользование тягово-тормозных возможностей подвижного состава;
- ограниченный 50 км/ч нижний предел окончания рекуперативного торможения;
- применение нескольких группировок ТЭД усложняет силовую схему и снижает ее надежность.
Перечисленные недостатки устраняются импульсным управлением, которое обеспечивает плавную регулировку напряжения, приложенного к ТЭД, и магнитного потока ТЭД, что делает более совершенным и простым управление скоростью электроподвижного состава (ЭПС),
упрощает автоматизацию ведения поездов, расширяет диапазон использования рекуперативного торможения.
Кроме устранения недостатков контакторно-реостатной системы управления ЭПС, импульсное управление обладает некоторыми преимуществами [1-4]:
- разгрузка контактной сети и снижение потерь в системе тягового энергоснабжения за счет уменьшения тока, потребляемого из контактной сети при пуске;
- повышение тяговых и тормозных свойств ЭПС благодаря приближению силы тяги и тормозной силы электродинамического торможения к ограничению по сцеплению колес с рельсами;
- понижение затрат на обслуживание электрооборудования в результате меньшего количества контакторного оборудования;
- повышение надежности ТЭД из-за наличия входного индуктивно-емкостного фильтра;
- снижение скорости окончания рекуперативного торможения при использовании импульсной рекуперации;
- совершенствование автоматизации управления ЭПС за счет наличия быстродействующего полупроводникового регулятора;
- совершенствование системы защиты ТЭД от перегрузок и коротких замыканий с помощью
быстродействующего импульсного преобразователя.
Импульсное регулирование применялось на пригородных электропоездах ЭР2 И, ЭР12, в системах управления которых использовались импульсные преобразователи на одноопера-ционных тиристорах. Запирание последних происходит благодаря устройствам коммутации, что усложняло конструкцию преобразователей.
В начале 1990-х годов началось бурное развитие преобразовательной техники на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) в системах управления подвижного состава [5-10]. В Европе IGBT-преобразователи были впервые разработаны и изготовлены компанией Siemens в 1992 г. для трамвайных вагонов во Франкфурте-на-Майне.
Такие преобразователи выгодно отличаются двумя особенностями, которые важны как для железных дорог, так и для производителей. Первая особенность заключалась в том, что эти устройства создают потенциальные возможности для снижения затрат, в основном из-за более высокой эффективности систем управления. Вторая особенность, которая способствовала быстрому внедрению данного оборудования, - это повышенная надежность систем [11-15] управления тяговым подвижным составом.
Упрощенная принципиальная электрическая схема силовой цепи моторного вагона
На кафедре «Электрическая тяга» Петербургского государственного университета путей сообщения выполнено эскизное проектирование системы импульсного регулирования напряжения на ТЭД пригородного электропоезда постоянного тока.
Упрощенная принципиальная электрическая схема силовой цепи моторного вагона представлена на рисунке. Тяговый преобразователь включает следующие модули, обеспечивающие:
• модуль 1 (VT1-VD\) - импульсное регулирование напряжения на ТЭД в режиме тяги. Кроме этого, диод VD\ выполняет функцию диода рекуперации;
• модуль 2 (У!^- VD2) - импульсную рекуперацию. Кроме этого, диод VD2 выполняет функцию обратного диода в режиме тяги;
• модуль 3 (VT3-VD3) - сброс излишней энергии при электродинамическом торможении на тормозной резистор Rт.
Электрическая схема силовой цепи моторного вагона
Для сглаживания пульсаций тока контактной сети, неизбежно возникающих при импульсном регулировании, предусмотрен входной фильтр. Он состоит из дросселя Lф и конденсатора Сф. Предварительный заряд конденсатора Сф с ограничением величины тока обеспечивает резистор Rз, который затем шунтируется линейным контактором ЛК. Реактор Lсг обеспечивает сглаживание пульсаций тока ТЭД, резистор Rр - разряд конденсатора фильтра после окончания работы схемы (размыкания контактора ЛК).
Электрооборудование моторного вагона от аварийных процессов защищает штатный быстродействующий выключатель БВ, дифференциальная защита обеспечивается с помощью сигналов датчиков тока ДТ1 и ДТ2.
Возбуждение ТЭД в режиме тяги и электродинамического торможения независимое с питанием обмоток возбуждения ТЭД ОВ1-4 от управляемого выпрямителя возбуждения УВВ. Его применение в режиме тяги позволит уве-
личить устойчивость схемы к разносному бок-сованию.
Реверсирование ТЭД осуществляется штатным реверсором, контакты которого обозначены на схеме В1-В2 и Н1-Н2.
Схема работает следующим образом. После поднятия токоприемника и возврата защиты силовых цепей заряжается конденсатор фильтра. После замыкания контактора ЛК схема готова к работе. В зависимости от направления движения или режима работы схемы (тяга/тормоз) реверсивный переключатель разворачивается в соответствующее положение. Подается питание на УВВ и замыкается контактор ОВ.
Режим тяги. Ток возбуждения растет до максимально возможного, определяемого типом ТЭД. Его значение контролируется системой управления по сигналу датчика тока возбуждения ДТВ. Включается в работу модуль 1 тягового преобразователя. Напряжение на ТЭД повышается посредством увеличения времени проводящего состояния транзистора 1Г1 с поддержанием тока якорей ТЭД на уровне, заданном машинистом. Его величина контролируется системой управления по сигналу датчика тока якоря ДТЯ. При достижении максимального значения коэффициента заполнения начинает снижаться ток возбуждения до минимально возможного, определяемого типом ТЭД. Ток якоря при этом остается на заданном уровне. После достижения током возбуждения минимального значения начинается понижение тока якоря. Причем соотношение тока возбуждения ТЭД и тока их якорей поддерживается на постоянном уровне посредством УВВ. Транзистор УН работает с максимальным коэффициентом заполнения, что позволяет защитить ТЭД от набросов напряжения контактной сети.
Режим рекуперации. После замыкания контактора ОВ увеличивается ток возбуждения. Транзистор закрыт, ток якорей протекает в контактную сеть через диод VD1. Ток якорей поддерживается на постоянном уровне, заданном машинистом, посредством регулирования тока возбуждения. При достижении током возбуждения максимально возможного значения
включается в работу модуль 2 тягового преобразователя. Транзистор VT2 периодически кратковременно закорачивает якоря ТЭД, а при его запирании происходит сброс накопленной энергии в контактную сеть. Реализуется режим импульсной рекуперации. Время проводящего состояния транзистора VT2 растет до максимально возможного. После этого система управления включает замещающий механический тормоз.
Режим рекуперативно-реостатного тормоза. Если в режиме рекуперации напряжение на якорях ТЭД достигает 3950 В, то по сигналу датчика напряжения ДН2 включается в работу модуль 3 тягового преобразователя. Транзистор VT3 осуществляет сброс излишней энергии на тормозной резистор Rт. Система управления выбирает коэффициент заполнения этого модуля таким образом, чтобы поддерживать напряжение на якорях ТЭД на уровне 3950 В.
Таким образом, в дополнение к вышеперечисленным достоинствам импульсного регулирования напряжения на ТЭД можно добавить преимущества, характерные для предлагаемой схемы:
- большая устойчивость к разносному бок-сованию в режиме тяги;
- защита ТЭД от бросков напряжения в контактной сети в режимах тяги и электродинамического торможения;
- возможность рекуперативного торможения практически до полной остановки.
Импульсное управление ЭПС может быть применено либо только для безреостатного пуска и электрического торможения, либо для регулирования всего процесса движения электропоезда. Наиболее полно тягово-эксплуатационные достоинства импульсного управления проявляются при втором варианте. Несмотря на все отмеченные выше преимущества импульсного управления, вопрос об экономической эффективности его применения для электропоездов может быть решен только на основании детального экономического исследования, так как стоимость таких электропоездов выше, чем с использованием контакторно-реостатной системы управления. Степень экономической эффективности
импульсного управления ЭПС определяется соотношением между увеличением его стоимости и уменьшением затрат, обусловленным повышением скорости и понижением расхода энергии, благодаря устранению потерь в пусковых реостатах и сокращению тормозных потерь.
Было выполнено технико-экономическое сравнение систем управления электропоезда ЭД4М с контакторно-реостатной системой управления, состоящего из трех мотор-вагонных секций, и разработанного трехсекционного электропоезда с импульсной системой регулирования режимов работы ТЭД. Проведено сравнение следующих слагаемых общих расходов в расчете на 1 поездо-км:
- стоимости электропоезда;
- оплаты локомотивных бригад;
- стоимости электрической энергии;
- стоимости времени пассажиров.
Рассматриваемые расходы на 1 поездо-км
определялись по формуле
C =
Cn ' (^эф + PaM ) ' kv
+ c + c ' N + P ' c
^ ^бр^ пас пас сн
X-+ A ' Сэ,
"уч
где C - зависящие от системы управления расходы на 1 поездо-км, руб./поездо-км; Pэф - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; Pам - ежегодная доля амортизационных отчислений со стоимости электропоездов; Тгод - среднее годовое время работы электропоезда, ч; ку - отношение участковой скорости к эксплуатационной; сбр - стоимость 1 ч работы поездной бригады, руб.; спас - стоимость 1 ч пассажира во время поездки, руб.; Ыпс - среднее число пассажиров электропоезда; Рсн - средняя мощность собственных нужд электропоезда, кВт; А - удельный расход электрической энергии на движение электропоезда, кВт-ч/поездо-км; сэ -стоимость электрической энергии, подводимой к электропоезду, руб./кВт-ч; ууч - участковая скорость; С - стоимость электропоезда, руб.
В процессе расчетов получены следующие значения составляющих расходов:
- при контакторно-реостатном управлении Сякм = 838,4 руб./поездо-км;
- при импульсном преобразователе, включенном в течение всего времени работы тяговых двигателей, Сякм = 834,8 руб./поездо-км.
Расходы, приходящиеся на 1 поездо-км пригородного сообщения, снижаются за счет:
• отсутствия потерь электроэнергии в пусковых резисторах;
• уменьшения потерь электроэнергии в контактной сети;
• расширения диапазона рекуперативного торможения.
Кроме того, с внедрением системы импульсного управления необходима автоматизация системы диагностики электрооборудования электропоезда, что, в свою очередь, позволит в будущем перейти к системе ремонта электропоездов по фактическому состоянию.
В результате проведенной работы было установлено, что:
1) улучшение тягово-энергетических показателей и повышение надежности пригородных электропоездов, оборудованных ТЭД постоянного тока, возможно за счет применения системы импульсного управления в режиме тяги и электрического торможения;
2) анализ опыта использования полупроводниковых преобразователей на электрическом подвижном составе показывает целесообразность внедрения в качестве элементов системы импульсного управления ЮВТ-транзисторов;
3) при модернизации электропоездов системой импульсного управления необходимо максимально использовать принцип конструктивной преемственности, в частности, следует рассмотреть возможность применения штатного возбудителя;
4) предлагаемый вариант модернизации силовых цепей электропоездов системой импульсного управления приведет к существенному снижению эксплуатационных расходов. Например, уменьшение расхода электроэнергии может достигать 10 %, а применение независимого воз-
буждения в режиме тяги позволит повысить реализуемые значения силы тяги на 8 -10 %.
Библиографический список
1. Evstaf'ev A. M. Energy converters for hybrid traction power systems used in electric transport / A. M. Evstaf'ev, V. V. Nikitin, S.A. Telichenko // Russ. Electr. Engin. - 2020. - Vol. 94. - P. 77-81.
2. Burkov A. T. Modern locomotive traction drive control systems / A. T. Burkov, O. S. Valinsky, A. M. Evstaf'ev et al. // Russ. Electr. Engin. - 2019. - Vol. 90. - P. 692695.
3. Титова Т. С. Перспективы развития тягового подвижного состава. Ч. 1 / Т. С. Титова, А. М. Евстафьев, М. Ю. Изварин, А. Н. Сычугов // Транспорт Российской Федерации. - 2018. - № 6 (79). - С. 40-44.
4. Титова Т. С. Инновационные системы управления электрического подвижного состава / Т. С. Титова, А. М. Евстафьев // Железнодорожный транспорт. -
2017. - № 11. - C. 54-59.
5. Valinsky O. S. Modeling onboard energy storage systems for hybrid traction drives / O. S. Valinsky, T. S. Ti-tova, V. V. Nikitin et al. // Russ. Electr. Engin. - 2020. -Vol. 91. - P. 604-608.
6. Valinsky O. S. The effectiveness ofenergy exchange processes in traction electric drives with onboard capacitive energy storages / O. S. Valinsky, A. M. Evstaf'ev, V. V. Nikitin // Russ. Electr. Engin. - 2018. - Vol. 89. -P. 566-570.
7. Titova T. S. The use of energy storages to increase the energy effectiveness of traction rolling stock / T. S. Titova, A. M. Evstaf'ev, V. V. Nikitin // Russ. Electr. Engin. -
2018. - Vol. 89. - Р. 576-580.
8. Титова Т. С. Повышение энергетической эффективности локомотивов с накопителями энергии / Т. С. Титова, А. М. Евстафьев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2017. - Т. 14. - Вып. 2. - С. 200-210.
9. Евстафьев А. М. Совершенствование системы электрического торможения электропоездов постоянного тока / А. М. Евстафьев, А. П. Зеленченко, В. М. Мищенко // Вестник транспорта Поволжья. -2014. - № 4 (46). - C. 16-21.
10. Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения пригородных электропоездов постоянного тока / А. М. Евстафьев, А. П. Зеленченко, В. М. Мищенко // Известия Петербургского университета путей сообщения. -СПб.: ПГУПС, 2014. - Вып. 3 (40). - С. 63-69.
11. Zaitsev A. A. Intelligent technologies applied to increase the energy efficiency of electrified direct-current rolling stock / A.A. Zaitsev, A. M. Evstaf'ev, D. V. Pegov et al. // Russ. Electr. Engin. - 2017. - Vol. 88. - Р. 676680.
12. Евстафьев А. М. Выбор топологии схем тягового привода электрического подвижного состава / А. М. Евстафьев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2010. -Вып. 3 (24). - С. 89-98.
13. Мазнев А. С. Полупроводниковые системы регулирования возбуждения тяговых электродвигателей электропоездов / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев, О. И. Шатнев // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2004. - Вып. 2. -С. 55-60.
14. Мазнев А. С. Особенности построения электронных систем управления тяговым приводом электрического подвижного состава постоянного тока / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Транспорт Урала. -2008. - № 1 (16). - С. 53-56.
15. Мазнев А. С. Снижение расхода электроэнергии при пуске электропоезда постоянного тока / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008. - № 2. - С. 2-5.
Дата поступления: 18.10.2021 Решение о публикации: 28.10.2021
Контактная информация:
ЧУДАКОВ Александр Иванович - канд. техн. наук, доц.; 79213106222@yandex.ru ИВАЩЕНКО Валерий Олегович - канд. техн. наук, доц.; vio1313@mail.ru ЗЕЛЕНЧЕНКО Алексей Петрович - канд. техн. наук, доц.; v-zelenchenko46@mail.ru ЛЫСОВ Николай Владимирович - канд. техн. наук, доц.; nikolay.lysov@siemens.com
Optimization of control systems for suburban trains
A. I. Chudakov, V. O. Ivashchenko, A. R Zelenchenko, N. V. Lysov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Chudakov A. I., Ivashchenko V. O., Zelenchenko A. P., Lysov N. V. Optimization of control systems for suburban trains. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 4, pp. 499-506. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-4-499-506
Summary
Objective: The use of pulse conversion of electricity on direct-current traction rolling stock is discussed. Methods: A variant of the system for regulating the operating modes of traction motors of suburban electric trains using a pulse converter based on insulated gate bipolar transistors is described. (IGBT). Results: The proposed impulse control system is presented as a possible option for the modernization of the applied control systems, which makes it possible to improve the traction and energy indicators of suburban electric trains. The advantages of pulse converters based on IGBTs are shown in comparison with converters based on one- and two-operation thyristors. A simplified electrical diagram of the power circuit of a motor car with a pulse converter is presented, a description of the operation of the power circuit in the traction mode and in the modes of rheostatic and regenerative braking is given. Practical importance: The presented results of the technical and economic comparison of the control systems of the ED4M electric train with a
contactor-rheostat control system and an electric train with regulation of the operating modes of traction electric motors by a pulse converter based on IGBT prove the best energy efficiency of an electric train equipped with a pulse control system.
Keywords: Pulse voltage regulation on traction motors, IGBT-transistors, electric rolling stock, smooth traction control, expansion of the regenerative braking range.
References
1. Evstaf'ev A. M., Nikitin V. V. & Telichenko S. A. Energy converters for hybrid traction power systems used in electric transport. Russ. Electr. Engin., 2020, vol. 94, pp. 77-81.
2. Burkov A. T., Valinsky O. S., Evstaf'ev A. M. et al. Modern locomotive traction drive control systems. Russ. Electr. Engin., 2019, vol. 90, pp. 692-695.
3. Titova T. S., Evstaf'yev A. M., Izvarin M. Yu. & Sy-chugov A. N. Perspektivy razvitiya tyagovogo podvizh-nogo sostava. Ch. 1 [Prospects for the development oftrac-tion rolling stock. Pt 1]. Transport Rossiyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2018, no. 6 (79), pp. 40-44. (In Russian)
4. Titova T. S. & Evstaf'ev A. M. Innovatsionnyye sistemy upravleniya elektricheskogo podvizhnogo sosta-va [Innovative control systems for electric rolling stock]. Zheleznodorozhnyy transport [Railway transport], 2017, no. 11, pp. 54-59. (In Russian)
5. Valinsky O. S., Titova T. S., Nikitin V. V. et al. Modeling onboard energy storage systems for hybrid traction drives. Russ. Electr. Engin., 2020, vol. 91, pp. 604608.
6. Valinsky O. S., Evstaf'ev A. M. & Nikitin V. V. The effectiveness of energy exchange processes in traction electric drives with onboard capacitive energy storages. Russ. Electr. Engin., 2018, vol. 89, pp. 566-570.
7. Titova T. S., Evstaf'ev A. M. & Nikitin V. V. The use of energy storages to increase the energy effectiveness of traction rolling stock. Russ. Electr. Engin., 2018, vol. 89, pp. 576-580.
8. Titova T. S. & Evstaf'ev A. M. Povysheniye ener-geticheskoy effektivnosti lokomotivov s nakopitelyami energii [Improving the energy efficiency of locomotives with energy storage systems]. Izvestiya Peterburgskogo universitetaputey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University], 2017, vol. 14, iss. 2, pp. 200-210. (In Russian)
9. Evstaf'ev A. M., Zelenchenko A. P. & Mishchen-ko V. M. Sovershenstvovaniye sistemy elektricheskogo tormozheniya elektropoyezdov postoyannogo toka [Improvement of the electric braking system for DC electric trains]. Vestnik transporta Povolzh'ya [Transport Bulletin of the Volga region], 2014, no. 4 (46), pp. 16-21. (In Russian)
10. Evstaf'ev A. M., Zelenchenko A. P. & Mishchen-ko V. M. Povysheniye energeticheskoy effektivnosti reku-perativnogo tormozheniya prigorodnykh elektropoyezdov postoyannogo toka [Increasing the energy efficiency of regenerative braking of DC suburban trains]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University], 2014, iss. 3 (40), pp. 63-69. (In Russian)
11. Zaitsev A. A., Evstaf'ev A. M., Pegov D. V. et al. Intelligent technologies applied to increase the energy efficiency of electrified direct-current rolling stock. Russ. Electr. Engin., 2017, vol. 88, pp. 676-680.
12. Evstaf'ev A. M. Choice of topology of traction drive circuits of the electric rolling stock. Izvestiya Pe-terburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University], 2010, iss. 3 (24), pp. 89-98. (In Russian)
13. Maznev A. S., Eevstaf'yev A. M. & Shatnev O. I. Poluprovodnikovyye sistemy regulirovaniya vozbuzhde-niya tyagovykh elektrodvigateley elektropoyezdov [Semiconductor systems for excitation control oftraction electric motors of electric trains]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings ofPetersburg State Transport University], 2004, iss. 2, pp. 55-60. (In Russian)
14. Maznev A. S. & Eevstaf'yev A. M. Osobennosti postroyeniya elektronnykh sistem upravleniya tyagovym privodom elektricheskogo podvizhnogo sostava postoyannogo toka [Features of the construction of electronic control systems for traction drive of electric DC rolling stock]. Transport Urala [Transport of the Urals], 2008, no. 1 (16), pp. 53-56. (In Russian)
15. Maznev A. S. & Eevstaf'yev A. M. Snizheniye raskhoda elektroenergii pri puske elektropoyezda pos-toyannogo toka [Reducing electricity consumption when starting a DC electric train]. Elektronika i elektrooborudo-vaniye transporta [Electronics and electrical equipment of transport], 2008, no. 2, pp. 2-5. (In Russian)
Received: October 18, 2021 Accepted: October 28, 2021
Author's information:
Alexander I. CHUDAKOV - PhD in Engineering, Associate Professor; 79213106222@yandex.ru Valery O. IVASHCHENKO - PhD in Engineering, Associate Professor; vio1313@mail.ru Alexey P. ZELENCHENKO - PhD in Engineering, Associate Professor; v-zelenchenko46@mail.ru Nikolay V. LYSOV - PhD in Engineering, Associate Professor; nikolay.lysov@siemens.com
