CC BY
87
2. СНиП 2.07.01-89* Градостроительство. Планиров- 3. Trip Generation Handbook, 2nd Edition: An ITE
ка и застройка городских и сельских поселений / Гос- Recommended Practice. Washington, DC: ITE, 2004.
строй СССР. М.: ЦНТИ Госстроя СССР, 1989. 56 с.
References
1. Zedgenizov A.V., Zedgenizova A.N., Lagerev R.Iu. K voprosu o generatsii korrespondentsii [To trip distribution generation]. Trudy 4 Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Problemy i perspektivy razvitiia Evroaziatskikh transportnykh sistem" [Problems and development prospects of Euro-Asian transport systems: Works of IV International research and practice conference], Chelyabinsk, 3 May 2012, Chelyabinsk, Publishing center IuUrGU Publ., 2012, 350 p.
2. SNiP 2.07.01-89* Gradostroitel'stvo. Planirovka i zastroika gorodskikh i sel'skikh poselenii [SNiP 2.0701 -89*(Construction norms and regulations) Town-planning. Planning and development of urban and rural settlements]. Moscow, Gosstroi SSSR Publ., 1989, 56 p.
3. Trip Generation Handbook, 2nd Edition: An ITE Recommended Practice. Washington, DC: ITE, 2004.
УДК 629.423
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-4-192-199
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
© С.Г. Шрамко1
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Рассмотрены вопросы повышения энергетических показателей и снижения эксплуатационных расходов электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями в режиме рекуперативного торможения. Предложены способы повышения коэффициента мощности и снижения расхода песка в режиме рекуперации, проведена предварительная оценка ожидаемых результатов. Представлены результаты математического моделирования штатного режима работы и предлагаемых способов повышения энергетических показателей электровозов переменного тока в виде диаграмм токов, напряжений и скоростей.
Ключевые слова: электровоз переменного тока; рекуперативное торможение; выпрямительно-инверторный преобразователь; колесно-моторный блок; блок балластных резисторов; диаграммы тока и напряжения; коэффициент мощности.
IMPROVING OPERATION EFFICIENCY OF AC ELECTRIC LOCOMOTIVES IN A REGENERATIVE BRAKING MODE S.G. Shramko
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper deals with the issues of improvement of energy performance and reduction of operating costs of AC electric locomotives with commutator traction motors in a regenerative braking mode. The methods to improve the power factor and reduce the consumption of sand in the regenerative mode are proposed. Expected results are given a preliminary estimation. The paper shows the results of mathematical modeling of standard operating conditions and proposed methods of AC locomotive power performance improvement in the form of diagrams of currents, voltages and speeds. Keywords: AC electric locomotive; regenerative braking; reversible converter; wheel-motor unit; ballast resistor unit; diagrams of current and voltage; power factor
Введение
В структуре электропотребления железных дорог основную часть (77,9%) составляет расход энергии на тягу поездов. Сегодня все эксплуатируемые в России электровозы переменного тока с коллекторными электродвигателями имеют невысокий уровень энергетических показателей
в режимах тяги и рекуперативного торможения и характеризуются в связи с этим значительным потреблением электроэнергии. Поэтому в «Энергетической стратегии холдинга "Российские железные дороги" на перспективу до 2030 года» приоритетными задачами стали разработка и внедрение более совершенных энерго- и ресурсосбе-
1
Шрамко Сергей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры электроподвижного состава, e-mail: [email protected]
Shramko Sergey, Senior Lecturer of the Department of Electric Stock, e-mail: [email protected]
регающих технологий [8].
На железных дорогах России, электрифицированных на переменном токе, эксплуатируются электровозы, оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, в том числе около 15% - выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) с зонно-фазовым регулированием. Одним из перспективных направлений для повышения энергетических показателей электровозов с ВИП является повышение коэффициента мощности в режиме рекуперативного торможения, который является низким и составляет 0,45-0,65, что на 25-30% ниже, чем в тяговом режиме Км = 0,84 [1].
Другой немаловажной задачей является снижение эксплуатационных расходов. Одной из основных статей расхода является затраты на подготовку песка, который используется для повышения сцепления колеса с рельсом и устранения буксования в режиме тяги и юза при рекуперативном торможении
Автором предлагается решение, направленное на повышение энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения и снижение расхода песка.
Повышение энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения
Из теории инвертирования известно, что преобразовательная установка в ин-верторном режиме может работать с постоянным углом зажигания или с постоянным углом запаса. На современных электровозах принят вариант с постоянным углом запаса, так как он превосходит вариант с постоянным углом зажигания по основному энергетическому показателю - коэффициенту мощности Км. Для придания характеристике инвертора электрической устойчивости в этом варианте требуются дополнительные стабилизирующие устройства. На существующих электровозах в качестве стабилизирующего элемента применяется активное сопротивление в цепи якоря каждого генератора. Результаты обработки статистических данных по эксплуатации
электровозов показывают, что на этих сопротивлениях теряется значительная часть активной энергии, выработанной при рекуперации (20-25%).
Одним из путей повышения энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения является уменьшение величины активного сопротивления блока балластных резисторов (ББР).
Величина активного сопротивления ББР в цепи постоянного тока выбиралась для наихудших условий эксплуатации электровоза и составила 0,145 Ома, для ББР-161. Такими условиями являются разброс характеристик колесно-моторных блоков (КМБ), изменение внешней характеристики генератора, скорость движения, качество напряжения в контактной сети, состояние рельсового пути, режим ведения поезда машинистом и др. В результате электровоз имеет значительное снижение возврата электрической энергии в контактную сеть, а сам режим рекуперативного торможения становится менее эффективным. Совокупность этих факторов может привести к снижению устойчивости самого процесса рекуперативного торможения. Однако в эксплуатации далеко не всегда в режиме рекуперативного торможения требуется постоянная величина активного сопротивления [3].
В последнее десятилетие с развитием элементов силовой электроники получили широкое распространение мощные IGBT-транзисторы, позволяющие управлять в ключевом режиме токами значительной величины. При этом появилась возможность, шунтируя часть балластного резистора в определенной области времени полупериода, одновременно уменьшать значение сопротивления ББР и улучшать фазовые характеристики тока первичной цепи. Предлагаемый способ заключается в том, что, изменяя величину сопротивления ББР в определенный момент времени относительно перехода сетевого напряжения через ноль, изменяем форму тока первичной обмотки и тем самым увеличиваем коэффициент мощности [2].
Для предлагаемого способа изменения сопротивления ББР на рис. 1 приведена упрощенная принципиальная схема силовых цепей для одной тележки электровоза серии ВЛ80Р. Она состоит из тягового трансформатора Т, выпрямительной установки возбуждения (ВУВ) на тиристорах VS9-VS10, ВИП на тиристорах VS1-VS8, сглаживающего реактора СР, двух тяговых двигателей, включенных в режиме генератора с независимым возбуждением, датчика потенциальных условий ТН, датчика синхронизации ТС, двух датчиков угла
коммутации ДУК1 и ДУК2.
В схему добавлены: диоды VD1, VD2, IGBT-транзисторы VT1 и VT2, выполняющие роль управляющих ключей, которые шунтируют часть ББР, обеспечивая тем самым изменение его сопротивления; датчик напряжения D1, предназначенный для синхронизации блока управления шун-тировкой активного сопротивления ББР с сетевым напряжением; два датчика тока D2, D3 для измерения тока якоря тяговых электродвигателей.
Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема одной тележки электровоза
Диоды VD1 и VD2 предназначены для исключения контурных токов в цепи якорей двух параллельно включенных двигателей. Это решение применяется на электровозах ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К «Ермак» и за время эксплуатации зарекомендовало себя с положительной стороны [6, 7].
Предварительная оценка ожидаемых результатов проводилась с помощью среды моделирования Simulink пакета программ MatLab. С этой целью был реализован комплекс математических и имитационных моделей «Тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» для исследования электромагнитных процессов в контактной сети и электровозе. На рис. 2 приведена имитационная модель одной тележки.
Модель включает в свой состав: подсистему VIP, содержащую модель ВИП электровоза с системой формирования импульсов управления тиристорами; сглаживающий реактор СР1; два тяговых двигателя DC Machine1 и DC Machine2, включенных в режиме генераторов с независимым возбуждением; два блока ББР: BBR1 и BBR2, разделенных на части; транзисторные ключи VT1 и VT2 датчиков тока и напряжения.
Входными управляющими сигнала-
ми для модели являются 8 сигналов управления тиристорами ВИП upr_VIP, сигналы управления транзисторными ключами upr_IGBT1 upr_IGBT2 и сигналы задания скорости вращения двигателей М1 и М2. В силовой части на подсистему VIP подается напряжение от секции обмотки тягового трансформатора, а на обмотки возбуждения тяговых двигателей - напряжение от ВУВ.
Выходными сигналами модели являются сигналы датчиков тока и напряжения. Проведено моделирование работы электровоза серии ВЛ80Р в режиме рекуперации на четвертой зоне регулирования. Результаты моделирования представлены на рис. 3 для штатного режима работы. К недостаткам этого режима, как видно из рис. 3, следует отнести значительное потребление реактивной мощности и большую величину пульсации тока якоря генератора.
На рис. 4 приведены электромагнитные процессы для штатного режима работы и для способа шунтирования части ББР. Сравнение полученных результатов показывает, что влияние измененного режима работы ББР расширяет зону активного возврата энергии в сеть, повышает Км и снижает пульсацию тока якоря генератора.
Рис. 2. Имитационная модель одной тележки электровоза
Рис. 3. Диаграммы электромагнитных процессов на четвертой зоне регулирования напряжения при штатном способе управления
Рис. 4. Сравнительные диаграммы электромагнитных процессов на четвертой зоне регулирования напряжения для штатного режима работы и для способа шунтирования части ББР
Анализ электромагнитных процессов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ шунтирования ББР приводит к следующим результатам:
- повышению энергетических показателей электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения (повышение генерации активной мощности в тяговую сеть, ориентировочно на 5%);
- снижению генерации реактивной мощности в режиме рекуперативного торможения приблизительно на 18%;
- снижению пульсации тока якоря на 30%;
- увеличению максимального использования тормозной силы по сцеплению колесных пар электровоза.
Снижение эксплуатационных расходов
Силовая схема современных электровозов переменного тока типа ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ80ТК, 2ЭС5К, 3ЭС5К, ЭП1 в режиме рекуперативного торможения состоит из нескольких групп параллельно включенных тяговых двигателей, работающих в режиме генератора с независимым возбуждением, которые нагружены на общий ВИП. В зависимости от типа электровоза параллельно
включены 2 или 3 генератора. Тяговые машины с независимым возбуждением имеют жесткие характеристики, при которых даже незначительные отклонения в их магнитных характеристиках могут вызвать большую неравномерность в нагрузках параллельно включенных машин и большие изменения их нагрузок при колебаниях напряжения в сети. При изготовлении и ремонте неизбежны различные отклонения размеров деталей, отличия характеристик применяемых материалов в допустимых пределах. По этой причине скоростные и электротяговые характеристики каждой электрической машины несколько различаются. Разные колесные пары также могут иметь допустимые отклонения в диаметрах колес. Все эти различия и отклонения являются причиной неравномерного распределения нагрузок по параллельно включенным генераторам, что ведет к возникновению юза [4]. В дополнение к этому контур регулирования током формирует управляющий сигнал ар отпирания тиристоров ВИП по наибольшему из сигналов всех датчиков тока [5]. В результате этого система управления не учитывает неравномерность токов в параллельных цепях тяговых двигателей, работающих в режиме генератора.
При возникновении юза система управления электровозом или машинист снижает ток рекуперации и осуществляет подсыпку песка, что приводит к увеличению его расхода.
Снизить расход песка можно, используя схему частичного шунтирования сопротивления ББР (см. рис. 1), введя в
систему управления контур автоматического выравнивания токов в параллельно включенных генераторах.
Для проверки предлагаемого способа выравнивания токов в существующую модель электровоза был добавлен контур регулирования тока в параллельных цепях тяговых генераторов. На первом этапе было выполнено моделирование без выравнивания токов, результаты которого представлены на рис. 5. Моделирование проводилось при токе рекуперации 600 А и разбросе скорости вращения 2,4 об/мин, что составляет 1% от скорости вращения тягового двигателя. Из результатов моделирования видно, что уже при таких исходных данных разброс токов по параллельным ветвям составляет 60 А, и с ростом тока он будет увеличиваться.
При тех же исходных данных было выполнено моделирование с контуром выравнивания токов, результаты которого представлены на рис. 6. Регулировка тока производилась путем изменения времени открытого состояния силовых ключей VT1 и VT2. Результаты моделирования показывают, что применение предлагаемого способа шунтирования активного сопротивления ББР совместно с контуром выравнивания токов в параллельных ветвях тяговых генераторов позволяет в значительной мере снизить влияние разброса электромеханических характеристик генераторов и всего КМБ на распределения нагрузок по параллельно включенным генераторам и тем самым снизить вероятность возникновения режима юза.
Рис. 5. Результаты моделирования параллельной работы генераторов без контура выравнивания токов
IPV henl W
0 1 2 3 4 5
Время, с
Рис. 6. Результаты моделирования параллельной работы генераторов с контуром выравнивания токов
Заключение
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что предлагаемый способ частичной шунтиров-ки активного сопротивления позволит повысить коэффициент мощности в режиме рекуперативного торможения на 5% и снизить расход песка на 21% в расчете на
один электровоз. Расчет снижения эксплуатационных расходов производился по данным эксплуатационного депо станции Иркутск-Сортировочный Дирекции тяги Восточно-Сибирской железной дороги - Филиала ОАО «РЖД».
Статья поступила 17.02.2016 г.
Библиографический список
1. Власьевский С.В., Кравчук В.В. Эффективность и проблемы применения рекуперативного торможения на электровозах переменного тока // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и про-ектно-конструкторского института электровозостроения. Новочеркасск: Изд-во ВЭлНИИ. 2005. № 2 (49). а 147-149.
2. Пат. № 2458452, Российская Федерация, МПК Н02Р. Способ повышения коэффициента мощности при рекуперативном торможении и устройство для его реализации / А.Ю. Портной, О.В. Мельниченко, С.Г. Шрамко; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». № 2010125801/07; заявл. 23.06.2010; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22. 7 с.
3. Способ повышения тягово-энергетических характеристик электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения / С.Г. Шрамко, О.В. Мельниченко, А.Ю. Портной / Вестник Институ-
та подвижного состава / под ред. А.Е. Стецюка и Ю.А. Гамоли. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. Вып. 5. С. 197-199.
4. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1980. 362 с.
5. Тушканов Б.А. Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации / под ред. Б.А. Тушканова. М.: Транспорт, 1985. 541 с.
6. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Руководство по эксплуатации / Новочеркасск, 2007. Т. 1. 635 с., т. 2. 640 с.
7. Электровоз ЭП1. Руководство по эксплуатации / Новочеркасск, 2007. Т. 1. 528 с., т. 2. 576 с.
8. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 и на перспективу до 2030 года. Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 15 декабря 2011 г. № 2718р. М., 2011. 96 с.
1. Vlas'evskii, S.V., Kravchuk V.V. Effektivnost' i prob-lemy primeneniia rekuperativnogo tormozhe-niia na elektrovozakh peremennogo toka [Efficiency and problems of using regenerative braking on AC electric locomotives]. Vestnik Vserossiiskogo nauchno-issledovatel'skogo i proektno-konstruktorskogo instituta elektrovozostroeniia - "Vestnik VELNII" (Bulletin of the All-Russian Research and Design Institute of Electric Locomotive Building), 2005, no. 2 (49), pp. 147-149.
2. Portnoi A.Iu., Mel'nichenko O.V., Shramko S.G. Rossiiskaia Federatsiia, MPK H02P. Sposob povyshe-niia koeffitsienta moshchnosti pri rekuperativnom tormozhenii i ustroistvo dlia ego realizatsii [Russian Federation MPK H02P. A method to improve the power factor under regenerative braking and a device for its implementation]. Patent RF, no. 2458452, 2012, 7 p.
3. Shramko S.G., Mel'nichenko O.V., Portnoi A.Iu. Sposob povysheniia tiagovo-energeticheskikh kharak-
teristik elektrovozov peremennogo toka v rezhime reku-perativnogo tormozheniia [A method to improve traction and power characteristics of AC electric locomotives in a regenerative braking mode]. Vestnik Instituta podvizhnogo sostava - Vestnik of the Institute of Electric Stock, 2013, issue 5, pp. 197-199.
4. Tikhmenev B.N., Trakhtman L.M. Podvizhnoi sostav elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog [Electric stock of electrified railways]. Moscow, Transport Publ., 1980, 362 p.
5. Tushkanov B.A. Elektrovoz VL80R. Rukovodstvo po ekspluatatsii [VL80R Electric locomotive. Operator's manual]. Moscow, Transport Publ., 1985, 541 p.
6. Elektrovoz magistra'nyi 2ES5K (3ES5K). Rukovod-stvo po ekspluatatsii [2ES5K (3ES5K) Main-line electric locomotive. Operator's manual]. Novocherkassk, 2007. Vol. 1,. 635 p., vol. 2. 640 p.
7. Elektrovoz EP1. Rukovodstvo po ekspluatatsii [EP1 electric locomotive. Operator's manual]. Novocherkassk, 2007, vol. 1, 528 p., vol. 2, 576 p.
8. Energeticheskaia strategiia kholdinga «Rossiiskie zheleznye dorogi» na period do 2015 i na perspektivu do 2030 goda [Energy strategy of "Russian Railways" Holding for the period until 2015 and until 2030.]. Moscow, 2011, 96 p.
