CC BY
16
УДК 621.313.33:629.423.24
Д. О. КУЛАГИ, П. Д. АНДРШНКО (ЗНТУ)
Запорiзький нацiональний технiчний унiверситет, вул. Жуковського, 64, 69063, м. Запорiжжя, Укра'ша, тел.: +38 (066) 236-52-71, ел. пошта: [email protected]
ПОБУДОВА СХЕМИ THrOBOÏ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧ1 МОТОРВАГОННОГО ПОÏЗДА З МОЖЛИВ1СТЮ РЕКУПЕРАЦIÏ
Вступ
Вибiр схеми тягово! електропередачi визначае характеристики, режими та показники викорис-тання всього моторвагонного по!зда пiд час екс-плуатацiйних режимiв.
Прийнята схема тягово! електропередачi повинна забезпечувати:
- встановлеш тяговi властивостi для всього моторвагонного по!зда;
- високий експлуатацiйний коефiцiент корисно! ди (ККД) в усiх режимах (в цш вимозi виходять з максимально можливого ККД в режимi тяги та рекупераци);
- простоту побудови за мшмально можливо! кiлькостi вузлiв схеми, що забезпечить простоту монтажу, пусконалагоджувальних робiт, експлуа-таци, поточних та каштальних ремонтiв, доступ-нiстъ вах вузлiв для огляду та оперативно! замши;
- високу експлуатацiйну надшнють.
Постановка задачi
Проектована перспективна схема тягово! електропередачi повинна бути оптишзованою за певними принципами:
- параметричний принцип, за яким при зада-нiй структурi тягово! електропередачi та вщо-мих функцiональних впливах на !! елементи потрiбно визначити таю параметри, при яких задовольняються задаш показники якостi пере-хiдних процешв в елементах тягово! електропе-редачi [1, 2];
- структурний принцип, вiдповiдно до якого тягова електропередача повинна мютити мшь мально необхщне число елементiв, що легко фiзично реалiзуються для повноцiнно!' роботи системи [2];
- функцюнальний принцип, за яким необ-хiдно визначити закони керування всiею елект-ропередачею, а за ними структуру та чисельш значення параметрiв елементiв схеми передачi
[2, 3].
Мета роботи
Побудова та аналiз перспективно! схеми тягово! електропередачi дизель-по!зда для мож-ливостi здiйснення рекуперацi!.
©"Кулаг1н~Д_О^^Андр!енкоП_Д.^2014
Ршення задачi
До складу тягово! електропередачi входять:
- дизельний двигун, що е первинним джере-лом енергi!;
- синхронний генератор;
- тяговий перетворювач частоти;
- перетворювач власних потреб;
- тяговий двигун;
- перетворювальш пристро! для забезпечен-ня процесу заряд-розряд накопичувального елемента;
- система керування, що забезпечуе узгодже-ну роботу вшх вузлiв вiдповiдно до оптимального режиму функцюнування кожного з них, при-чому забезпечуючи найбшьш рацiональне спо-живання енергоресурсiв кожним вузлом тягово! електропередачi за даних умов експлуатацi! та при встановленому тяговому режим моторва-гонного по!зда. формування встановлених тяго-вих характеристик по!зда шляхом узгоджено! рекуперацi! та споживання енергi! вiд накопичу-вального елемента тягово! електропередачi та-кож е задачею системи керування [4].
При цьому накопичувач енергi! в поеднанш з перетворювальною системою, що забезпечуе його роботу, повинен в комбшацп з основними елементами тягово! електропередачi забезпечувати вказаш вимоги до електропередачi по!зда в ушх режимах експлуатацi!:
- режимi холостого ходу, при котрому вщсу-тнш обмiн енергiею мiж окремими компонентами передачу
- режимi тяги з одночасною передачею енергп вiд ланки дизель - синхронний генератор та ланки накопичувача енергп на приводи колеса через тяговий перетворювач частоти;
- режимi тяги з використанням енергi! тшьки вiд ланки дизель - синхронний генератор на приводш колеса через тяговий перетворювач частоти, а в разi надлишку енергi! - одночасно! передачi надлишково! енергi! до ланки накопичувача енергп для послщуючого !! використан-ня за можливосп;
- режимi вибiгу з одночасним зарядом накопичувача енергп;
- режим1 рекуперативного гальмування з од-ночасним переводом дизеля в режим холостого ходу [5].
Практичну побудову схеми тягово' електро-передач розглянемо на приклад1 перспективно!' схеми тягово' електропередач1 дизель-по'зда ДЕЛ-02.
Перспективна тягова електропередача в1зка дизель-по'зда ДЕЛ-02, представлена функщо-нальною схемою рис. 1 1 складаеться з дизеля Д, двообмоткового синхронного генератора СГ, некерованих випрямляч1в НВ, до кожного з яких подключено гальм1вний резистор ГР, блок фшьтр1в БФ, автономний швертор напруги А1Н, давач швидкост ДШ.
Окр1м того, в канал1 керування А1Н мютить-ся комплексний пристрш автоматики КПА, до якого входять сигнали зворотного зв'язку за швидкктю 1 фазним струмом з АД, сигнал да-вача завантаження дизеля ДЗД.
Керуючий сигнал икм в1д комп'ютера ма-шишста КМ д1е на р1вень подач1 палива палив-ним насосом ПН до дизеля Д. В1дпов1дно до швидкост обертання колшчатого вала дизеля ДЗД, що мехашчно зв'язаний з дизелем, фор-
муе сигнал про завантажешсть дизеля на р1вн1 в1д 0 до 5 В, який подаеться до КПА.
ВщповЛдш сигнали зворотних та керуючих зв'язмв КПА для другого АД в1зка на схем1 для спрощення не показано.
Схема мютить блок керування струмом збу-дження БКСЗ, що задае струм збудження 1зб для СГ.
Перетворювач для забезпечення власних потреб ПВП (навантаження власних потреб НВП включае в себе опалення вагошв, освггления, п1д1гр1в води, системи пожежогасшия та сигна-л1зацИ', кондищонувания, паливоп1д1гр1вач1 та ш.) тдключено до загально! шини постшного струму в1зка.
На рис. 1 пунктирною лш1ею видшено тяго-вий перетворювач частоти та його САК, перет-ворювач власних потреб ПВП та систему дава-ч1в, як1 виробляються ВАТ «НД1 «Перетворювач».
Сигнали, що входять до КПА обробляеться за певними законами в залежност в1д режиму роботи дизель-по!зда i подаються на регулято-ри швидкостi та струму, вбудоваш до КПА.
Рис. 1. Функцюнальна схема перспективноï thtoboï електропередачi Bi3Ka дизель-поïзда ДЕЛ-02
© Кулагiн Д. О., Андрieнко П. Д., 2014
На рис. 1 показано також накопичувач енер-гп НЕ в поеднанш з перетворювальною системою накопичувального елемента ПНЕ, що за-безпечуе його роботу.
Зв'язок перетворювача власних потреб, сис-теми гальм1вного резистора, перетворювально! системи накопичувального елемента з КПА на схем1 не показаний для спрощення побудови схеми, проте, даш зв'язки будуть показаш в подальшому на узагальненш функцюнальнш схем1.
Вихщний сигнал регулятора струму через юнуючий в КПА задатчик штенсивносп (на основ! штегруючо!' ланки) формуе значення завдання на швидюсть обертання ротора АД та коефщента модуляци р2 для А1Н, що подають-ся в мшропроцесорну систему керування (МПСК). МПСК обробляе щ сигнали та вироб-ляе ¿мпульси керування А1Н. Вбудований до КПА задатчик штенсивносп контролюе змши прискорення, швидкосп, ривка та мае можли-вост обмежувати темп змши свого вихщного сигналу в залежносп вщ значення струму в контурах тягово! електропередачь
КПА-МПСК являе собою складну шформа-цшну систему, впроваджену до тягово! елект-ропередач! дизель-по!'зда ДЕЛ-02 для комплек-
сного керування та контролю загальною системою мехашчних та електричних елементiв руху дизель-по!зда, вибору оптимальних динамiчних режимiв руху та роботи окремих елеменпв еле-ктромехашчно! частини, контролю роботи да-вачiв, системи власних потреб.
АД тдключено через редуктор Р (передато-чне число редуктора становить 2,1) до колюно! пари КП вiзка вагона.
Характерною особливютю дизель-по!зда ДЕЛ-02 е наявнють в тяговому генераторi двох трифазних обмоток, з'еднаних зiркою 3i зм> щенням мiж обмотками на 30 електричних гра-дусiв, вiд яких живляться некероваш трифазнi мостовi випрямлячi НВ вiзка, створюючи шину постшного струму 3i значеннями напруги вщ 600 до 1500 В. До дано! шини пiдключено два А1Н, що живлять вiдповiдно асинхроннi тяговi двигуни одного вiзка. На основi цих конструк-тивних особливостей вироблено характерш ре-жими та закони керування А1Н.
Зв'язок мiж системами регулювання рухом дизель-по!зда та системою керування ПЧ здшс-нюеться по каналу CAN.
Узагальнена функщональна схема керування тяговою електропередачею вiзка дизель-по!зда показана на рис. 2.
Рис. 2. Узагальнена функцiональна схема перспективно! тягово! електропередачi Bi3Ka дизель-по!зда ДЕЛ-02 © Кулагш Д. О., Андрютко П. Д., 2014
На рис. 2 iндексами 1 та 2 позначено вщпов> дш елементи тягово! електропередачi Bi3Ka ди-зель-по!зда згiдно з !х позначенням на рис. 4.11.
Також на рис. 2 позначено СНЕ - систему накопичувача енергп.
В початковий момент часу при нерухомому дизель-по!здi колюш пари заблоковано мехаш-чними гальмами. При цьому напруга в шиш постшного струму шдтримуеться на рiвнi 600 В за допомогою роботи дизеля на знижених обер-тах. Це дозволяе постшно пiдтримувати роботу перетворювача власних потреб ПВП, на який покладено ряд важливих функцiональних за-вдань навт при нерухомому дизель-по!здi.
Перетворювач власних потреб мютить зага-льний знижуючий iмпульсний стабiлiзатор i утворюе шину 600 В, вщ яко! живляться система обiгрiву вагонiв потужшстю до 40 кВт i дру-горяднi споживачi загальною потужнiстю до 40 кВт (сигналiзацiя, пiдiгрiв палива, давачi та iн.).
Вказана силова схема електропередачi i пе-ретворювачiв дозволяе полiпшити комфорт-нiсть дизель-по!зда за рахунок забезпечення постiйно! напруги в OTCT^i опалення та осв№ лення незалежно вiд режиму роботи дизеля Д, шдвищити ККД.
Пщключення перетворювача власних потреб до загально! шини постiйного струму дозволяе збшьшити мiру використання кiнетично! енер-ri! при русi дизель-по!зда на вибиу та з уклону, що сприяе зниженню витрат палива.
При появi сигналу завдання вiд комп'ютера машишста КМ на рух по!зда формування iмпу-льсiв керування ключами А1Н вiдбуваеться за Ш1М-принципом. При досягненш вихщно! напруги А1Н рiвня 600 В процес формування сигналу керування ключами А1Н вщбуваеться за амплiтудним принципом.
В такому режимi вiдбуваеться робота тягово! електропередачi до моменту досягнення в шиш постшного струму напруги 1500 В. Пюля цього в залежносп вщ завдання на швидкiсть руху дизель-по!зда вiд КМ, вiдбуваеться пере-хiд роботи САК до зони керування з ослабле-ним потокозчепленням. Зменшення модуля вектора потокозчеплення ротора АД досягаеться за сталого значення вихщно! напруги А1Н шляхом подальшого збiльшення частоти завдання для тягового АД. При цьому змша завдання модуля вектора потокозчеплення ротора АД вщбуваетъся пропорцiйно в блощ БФПР на ос-новi сигналу модуляцi! ju2, виробленого КПА.
Активна складова статорного струму тягового АД для систем з А1Н рiвна повному стру-
му в ланщ постiйного струму тягового ПЧ i ви-значаеться шляхом встановлення давача струму на входi А1Н.
Режим тяги з одночасною передачею енергi! вiд ланки дизель - синхронний генератор та ланки накопичувача енергп на приводш колеса через тяговий перетворювач частоти забезпечу-еться шляхом розряду накопичувача енергп НЕ через ПНЕ.
При цьому КПА, отримуючи сигнали з дава-чiв вше! системи тягово! електропередач^ регу-люе роботу ПНЕ таким чином, щоб напруга на статорi тягового двигуна та струм розряду НЕ забезпечували необхщний закон змiни тягово! потужност для забезпечення встановленого тягового режиму на данш дiлянцi перегону.
Режим тяги з використанням енергп тшьки вщ ланки дизель - синхронний генератор на приводш колеса через тяговий перетворювач частоти, забезпечуеться при закритш системi ПНЕ. В разi надлишку енергi! система ПНЕ вщкриваеться i вiдбуваеться одночасна передача надлишково! енергi! до ланки накопичувача енергп для послщуючого !! використання за можливосп.
В режимi виб^у з одночасним зарядом накопичувача енергп НЕ вщбуваеться керування струмом збудження синхронного генератора у блощ БКСЗ таким чином, щоб забезпечувався оптимальний режим заряду накопичувача.
В режим рекуперативного гальмування з одночасним переводом дизеля в режим холостого ходу КПА керуе системою ПНЕ та гальм> вним резистором так, щоб забезпечувався оп-тимальний режим заряду накопичувача i при цьому забезпечувався необхщний темп гальмування.
Висновки
1. На прикладi електропередачi дизель-по!зда ДЕЛ-02 показано побудову перспективно! схеми тягово! електропередачi для можли-востi здiйснення рекуперацi!.
2. В якосп активного поглинача енергi! мо-жна використати додатковий перетворювач для використання можливостi рекуперацi! енергi!. В якосп пасивного поглинача енергi! можна використовувати резистор, що шдключаеться до конденсатора фшьтра через додатковий ке-рований ключ. При цьому, енерпя, що розсда-еться в резистор^ забезпечуе контрольований гальмiвний процес шляхом змши активно! складово! струму, пропорцшно до ковзання.
© Кулагiн Д. О., Ац^енко П. Д., 2014
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электроприводами [Текст] / Булгаков А. А.
- М. : Энергоиздат. - 1982. - 216 с.
2. Башарин А. В. Управление электроприводами [Текст] / А. В. Башарин, В. А. Новиков, Г. Г. Соколовский. - Л. : Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с.
3. Дацковский Л. X. Принципы построения систем регулирования асинхронных электродвигателей с инверторными преобразователями частоты [Текст] / [Л. Х. Дацковский и др.] // Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1974. - № 5(31).
- с. 28-32.
4. Кулапн Д. О. Проектування систем керування тяговими електропередачами моторвагонних по!зд1в : монограф1я [Текст] / Дмитро Олександрович Кулапн. - Бердянськ : ФО-П Ткачук О. В., 2014. - 154 с.
5. Механизация, автоматизация, информатизация, телекоммуникация и связь в отраслях производств : коллективная монография [Текст] / Андри-енко П. Д., Кулагин Д. А. и др., [под ред. С. М. Ах-метова]. - Новосибирск: издательство «СибАК», 2014. - 156 с.
Надшшла до друку 17.06.2014.
REFERENCES
1. Bulgakov A. A. Chastotnoe upravlenie asinkhronnymi elektroprivodami [Frequency control of asynchronous electric drives] / Bulgakov A. A. - M. : Energoizdat. - 1982. - 216 p.
2. Basharin A. V. Upravlenie elektroprivodami [Control of electrical drives] / A. V. Basharin, V. A. Novikov, G. G. Sokolovskiy. - L. : Energoizdat. Leningr. otd-nie, 1982. - 392 p
3. Datskovskiy L. X. Printsipy postroeniya sistem regulirovaniya asinkhronnykh elektrodvigateley s invertornymi preobrazovatelyami chastoty [Principles of construction of systems of regulation of the asynchronous electric motors with inverting frequency converters] / [L. Kh. Datskovskiy i dr.] // Elektrotekhnicheskaya promyshlennost'. Elektroprivod. - 1974. - № 5(31). - p. 28-32.
4. Kulagin D. O. Proektuvannya sistem keruvannya tyagovimi elektroperedachami motorvagonnikh poizdiv : monografiya [Designing of control systems of traction electrical transmission of motorvagarna trains : monograph] / Dmitro Oleksandrovich Kulagin. -Berdyans'k : FO-P Tkachuk O. V., 2014. - 154 p
5. Mekhanizatsiya, avtomatizatsiya, informa-tizatsiya, telekommunikatsiya i svyaz' v otraslyakh proizvodstv : kollektivnaya monografiya [Mechanization, automation, Informatization, telecommunications and communications in the sectors of industry : collective monograph] / Andrienko P. D., Kulagin D. A. i dr., [pod red. S. M. Akhmetova]. -Novosibirsk : izdatel'stvo «SibAK», 2014. - 156 p
Внутршнш рецензент Гетьман Г. К. Зовшшнш рецензент Панасенко М. В.
В данш статт розглядаеться побудова та аналiз перспективно! схеми тяговоТ електропередачi дизель-поТзда для можливост здшснення рекуперацп. Практичну побудову схеми тяговоТ електропередачi розгля-нуто на прикладi перспективно! схеми тяговоТ електропередачi дизель-поТзда ДЕЛ-02. Було розглянуто ти-пову тягову електропередачу, що мютить дизельний двигун, що е первинним джерелом енергп, синхрон-ний генератор, тяговий перетворювач частоти, перетворювач власних потреб, тяговий двигун, перетво-рювальш пристроТ для забезпечення процесу заряд-розряд накопичувального елемента, систему керування. Накопичувач енергп в поеднанш з перетворювальною системою, що забезпечуе його роботу, повинен в комбшацп з основними елементами тяговоТ електропередачi забезпечувати вказаш вимоги до електропе-редачi поТзда в уах режимах експлуатацп: холостого ходу, тяги з одночасною передачею енергп вщ ланки дизель - синхронний генератор та ланки накопичувача енергп на приводы колеса через тяговий перетворювач частоти, тяги з використанням енергп тшьки вщ ланки дизель - синхронний генератор на приводы колеса через тяговий перетворювач частоти, виб^у з одночасним зарядом накопичувача енергп, рекуперативного гальмування з одночасним переводом дизеля в режим холостого ходу.
Ключовi слова: дизель-поТзд, рекуперашя, тягова електропередача, енергоефектившсть, проектування, конденсаторна установка.
© Кулагш Д. О., Андр1енко П. Д., 2014
УДК 621.331.33:621.423.24
Д. Л. КУЛАГИН, П. Д. АНДРИЕНКО (ЗНТУ)
Запорожский национальный технический университет, ул. Жуковского, 64, 69063, Запорожье, Украина, тел. +38 (066) 236-52-71, эл. почта: [email protected]
ПОСТРОЕНИЕ СХЕМЫ ТЯГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ МОТОРВАГОННОГО ПОЕЗДА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РЕКУПЕРАЦИИ
В данной статье рассматривается построение и анализ перспективной схемы тяговой электропередачи дизель-поезда для возможности осуществления рекуперации. Практическое построение схемы тяговой электропередачи рассмотрено на примере перспективной схемы дизель-поезда ДЕЛ-02. Была рассмотрена типовая тяговая электропередача, которая содержит дизель, который является первичным источником энергии, синхронный генератор, тяговый преобразователь частоты, преобразователь собственных нужд, тяговый двигатель, преобразовательные устройства для обеспечения процесса заряд-разряд накопительного элемента, систему управления. Накопитель энергии в объединении с преобразовательной системой, которая обеспечивает его роботу, должен в комбинации с основными элементами тяговой электропередачи обеспечивать указанные требования к электропередаче поезда во всех режимах эксплуатации: холостого хода, тяги с одновременной передачей энергии от звена дизель - синхронный генератор и звена накопителя энергии на приводные колеса через тяговый преобразователь частоты, тяги с использованием энергии только от звена дизель - синхронный генератор на приводные колеса через тяговый преобразователь частоты, выбега с одновременным зарядом накопителя энергии, рекуперативного торможения с одновременным переводом дизеля в режим холостого хода.
Ключевые слова: дизель-поезд, рекуперация, тяговая электропередача, энергоэфективность, проектирование, конденсаторная установка.
Внутренний рецензент Гетьман Г. К. Внешний рецензент Панасенко Н. В.
UDC 621.331.33:621.423.24
D. O. KULAGIN, P. D. ANDRIENKO (ZNTU)
Zaporizhzhya national technical University, street Zhukovsky, 64, 69063, Zaporizhzhya, Ukraine, phone +38 (066) 236-52-71, е-mail: [email protected]
A SCHEME OF TRACTION POWER EMU-TRAIN WITH THE POSSIBILITY OF RECOVERY
This article discusses the construction and analysis of perspective schemes of traction power diesel trains for the purpose of recuperation. A practical scheme of traction power transmission considered by the example of promising schemes diesel train DEL-02. Was considered the typical traction transmission, which includes diesel, which is a primary source of energy, synchronous generator, traction inverter, Converter own needs, traction motor, Converter device for implementation of the process of charge-discharge cumulative element management system. The store of energy in Association with the inverter system, which gives the robot should in combination with the basic elements of traction power to provide these requirements to the transmission of a train in all modes of operation: idle thrust with simultaneous transfer of energy from the link diesel synchronous generator and link the drive power to the drive wheels traction through a frequency Converter, the thrust of using energy only from the level of diesel synchronous generator on the drive wheels traction through a frequency Converter, run with simultaneous charge of energy storage, regenerative braking with simultaneous translation diesel at idle.
Keywords: diesel train, recuperation, traction transmission, power efficiency, design, condenser installation.
Internal reviewer Getman G. K. External reviewer Panasenko M. V.
© ^лапн Д. О., Андоенко П. Д., 2G14 ISSN2307-4221 Електрифтащя транспорту, № 7. - 2014.
