CC BY
49
УДК 629.423
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ РАЗНОФАЗНОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРАМИ НА ПЕРВОЙ ЗОНЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ
© О.В. Мельниченко1, С.В. Власьевский2
1Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15. ^Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, Россия, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Рассмотрены возможности повышения коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения и снижения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения контактной сети на первой зоне регулирования путем применения разнофазного управления инверторами. Проведено математическое моделирование процессов работы инвертора на первой зоне при применении их разнофазного управления. Ил. 7. Табл. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: электровоз; выпрямительно-инверторные преобразователи; контактная сеть; напряжение; генераторы; трансформатор; коммутация; ток.
INCREASING AC LOCOMOTIVE ENERGY EFFICIENCY UNDER REGENERATIVE BRAKING BY MEANS OF INVERTER MULTIPHASE CONTROL IN FIRST REGULATION ZONE O.V. Melnichenko, S.V. Vlasyevsky
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia. Khabarovsk State University of Railway Engineering, 47 Seryshev St., Khabarovsk, 680021, Russia.
The paper considers the possibilities to increase the electric locomotive power factor under regenerative braking and to reduce the distortion factor of catenary voltage curve sinusoidality in the first control zone through the application of inverter multiphase control. Mathematical modeling of inverter operation processes in the first zone has been performed under the application of their multiphase control. 7 figures. 3 tables. 6 sources.
Key words: electric locomotive; reversible converters; catenary; voltage; generators; transformer; commutation; current.
Электровозы переменного тока являются одним из крупнейших потребителей электроэнергии на железнодорожном транспорте. Повышение коэффициента мощности электровозов и снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения в контактной сети при их работе в режиме рекуперативного торможения ведет к повышению их энергетической эффективности, что в конечном итоге приводит к повышению возврата электроэнергии в контактную сеть, а это в свою очередь становится причиной снижения затрат на тягу поездов.
В настоящее время современные электровозы переменного тока чаще всего состоят из двух или трех секций, в каждой из которых находится по два выпря-мительно-инверторных преобразователя (ВИП), работающих выпрямителями в режиме тяги электровоза и инверторами в режиме его электрического рекуперативного торможения. Существующие типовые алгоритмы управления преобразователями рождают при
их работе значительные гармонические составляющие (гармоники) напряжения в контактной сети. Это приводит к сокращению срока службы изоляции электрических машин и аппаратов, к ухудшению работы устройств связи и управления движением поездов, к сбоям в работе систем управления преобразователями электровоза.
Так как в режиме тяги электровоза ВИП имеет значительно больший коэффициент мощности, чем в режиме рекуперативного торможения, разработка технических решений в области способов и средств управления инверторами, направленных на снижение гармоник напряжения в контактной сети (повышение качества электрической энергии) и повышение коэффициента мощности электровоза, несомненно, является, актуальной задачей. Такие технические решения разработаны в Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС) и Дальневосточном государственном университете путей сообщения
Мельниченко Олег Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электроподвижного состава, тел.: 89021702437, e-mail: olegmelnval@mail.ru
Melnichenko Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Head of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89021702437, e-mail: olegmelnval@mail.ru
2Власьевский Станислав Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры электротехники, электроники и электромеханики, тел.: 89145475447, e-mail: vlas@festu.khv.ru
Vlasyevsky Stanislav, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electrical Engineering, Electronics and Electrical Mechanics, tel.: 89145475447, e-mail: vlas@festu.khv.ru
(ДВГУПС). Суть этих решений заключается в том, что отдельно для 1-й и последующих 2-й, 3-й и 4-й зон регулирования предложены новые алгоритмы управления инверторами при регулировании напряжения зоны с включением в них принципа разнофазного управления (РФУ) несколькими инверторами и включением в их силовые схемы разрядного диодного плеча, которое подсоединено к катодной и анодной шинам инвертора параллельно цепи выпрямленного тока.
Работа электровоза на 1-й и последующих (2-й, 3-й, 4-й) зонах регулирования напряжения тяговых двигателей имеет некоторые отличия и особенности. В первую очередь это заключается в том, что первая зона в режиме рекуперативного торможения применяется еще и для остановки электровоза с поездом с достаточно большими токами тяговых двигателей на малых скоростях (режим противовключения) по участку железной дороги (движение на желтый и красный сигналы светофора). На 2-й, 3-й и 4-й зонах регулирования, когда напряжение на тяговых двигателях возрастает, электровоз работает на средних и более высоких скоростях движения, на которых за счет роста скорости токи тяговых двигателей увеличиваются и увеличивается тормозная сила. Эти особенности работы электровоза на 1 -й и последующих (2-й, 3-й, 4-й) зонах требуют отдельного рассмотрения процессов работы инвертора и его управления на этих зонах. В силу ограниченности объема в данной статье будут рассмотрены только процессы работы инвертора и его
управления на 1-й зоне регулирования при новом алгоритме управления, содержащем принцип РФУ несколькими инверторами, в силовую схему каждого из которых включено разрядное диодное плечо. Процессы работы инвертора и его управления на 2-й, 3-й и 4-й зонах регулирования при новом алгоритме разно-фазного управления несколькими инверторами, в силовую схему каждого из которых включено разрядное диодное плечо, будут изложены в другой публикации.
На рис. 1 представлена упрощенная силовая схема четырехзонного инвертора электровоза. На 1-й зоне регулирования в этом инверторе работает секция 1-2 вторичной обмотки трансформатора, напряжение которой подается на мост из тиристорных плеч УБЭ, УБ4, УБ5 и УБ6. В табл. 1 приведен типовой алгоритм управления тиристорными плечами каждого инвертора электровоза на 1-й зоне регулирования.
Процессы работы четырехзонного инвертора при типовом алгоритме его управления на 1-й и последующих зонах регулирования описаны в работе [6]. Особенностью процесса инвертирования на 1-й зоне регулирования при типовом алгоритме является то, что кривая выпрямленного напряжения имеет глубокие провалы напряжения до нуля на интервалах коммутации, что создает достаточно большую пульсацию выпрямленного напряжения двигателя, значительный угол запаса инвертора увеличивает угол сдвига фаз, приводящий к снижению коэффициента мощности электровоза.
СР
УвзД У85
а1
Е 1
_г
Е 2
_Г
У87 Д
Е -^Т. х1
_г
У88
7?
I
яг* ^ I Т I
I
Ио
тр
$У0 0
ОВ
■к ВУВ
+
Ег
Рис. 1. Упрощенная силовая схема четырехзонного инвертора электровоза
Таблица 1
Типовой алгоритм управления тиристорными плечами инвертора на 1-й зоне регулирования
Зона Полупериод Плечи инвертора
УБЭ УБ4 УБ5 УБ6
1 <- ар - - ар
-► - аР ар -
Рассмотрим процессы работы при новом алгоритме и разнофазном управлении двумя инверторами в одной секции электровоза на 1-й зоне регулирования. Причем в силовую схему каждого инвертора параллельно цепи выпрямленного тока включено разрядное диодное плечо и последовательно с ним - токоогра-ничивающий резистор (на рис. 1 диодное плечо и резистор показаны пунктирной линией). Токоограничи-вающий резистор необходим для ограничения скорости нарастания тока в момент включения диодного плеча в работу [4]. Диодное плечо присоединено катодом к анодной, а анодом к катодной шинам инвертора. Для повышения коэффициента мощности электровоза на 1-й зоне регулирования в режиме рекуперативного торможения предлагается алгоритм управления с организацией буферного контура и РФУ двумя инверторами на 1-й зоне регулирования, представленный в табл. 2.
Для получения наибольшего эффекта повышения качества электроэнергии на токоприемнике электровоза при таком регулировании предлагается ввести РФУ инверторами каждой секции электровоза по регулируемому углу ар. Это управление заключается в задержке регулируемых импульсов управления с углом ар, подаваемых на тиристорные плечи при фазовой коммутации различных групп инверторов, на расчетное время, равное первому полупериоду послекоммутаци-онных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза с учетом изменяющихся распределенных параметров контактной сети. При этом в диапазоне углов 70-110 эл. град. полупериода напряжения сети реализуется максимальное время задержки, равное полупериоду 7-й гармоники сетевого напряжения. В остальное время импульсы управления с углом ар задерживаются на меньшее время, равное полупериоду высокочастотной гармоники с максимальной ее ам-
Новый алгоритм и разнофазное управление двумя инверторами _в одной секции электровоза на 1-й зоне регулирования_
Таблица 2
Зона
ВИП
Полупериод
УБ1
УБ2
УБЭ
Плечо инвертора
УБ4
УБ5
УБ6
УБ7
УБ8
ар-арфу12
ар-арфу/2
ар+арфу/2
ар+арфу/2
ар+арфу/2
ар+арфу/2
ар-арфу/2
ар-арфу/2
Предложенный алгоритм управления для 1-й зоны регулирования с образованием буферного контура значительно сократил интервал времени потребления реактивной энергии в генератор, увеличив возврат активной электроэнергии из генератора в сеть, а также сохранил режим значительного использования электроэнергии генератора для электрического торможения электровоза.
Включение диодного плеча позволяет ликвидировать режим работы, при котором в существующих схемах инверторов поток электромагнитной энергии трансформатора на протяжении угла 5 направлен из сети в генератор, тем самым увеличивается реактивная составляющая и уменьшается активная составляющая энергии, возвращаемая в сеть. Включение диодного плеча в схему инвертора на 1-й зоне регулирования напряжения увеличивает коэффициент мощности в среднем в два раза за счет увеличения выпрямленных значений напряжения Ud и тока ^ инвертора, что создает увеличение возврата активной электроэнергии в сеть.
Тем не менее при фазовом регулировании напряжения инвертора, когда происходит дополнительная коммутация тиристоров плеч при их управлении импульсами ар, послекоммутационные колебания в кривой напряжения сети остаются без изменения и при ар = 90 эл. град. имеют достаточно большую амплитуду.
плитудой. При этом в местах ограничений угла ар задержка импульсов управления по времени уменьшается до нуля, т.е. в этих местах РФУ прекращается.
Предлагаемые ранее алгоритмы управления инверторами электровоза с РФУ также улучшали качество электрической энергии в контактной сети. Однако из-за необходимости задерживать открытие одного плеча инвертора относительно другого имело место снижение среднего выпрямленного напряжения инвертора, подаваемого на тяговые двигатели, по сравнению с типовым алгоритмом управления [2; 3]. Это значительно снижало коэффициент мощности электровоза.
Для устранения указанного недостатка разработан энергосберегающий алгоритм РФУ инверторами электровоза. Этот алгоритм заключается в том, что среднее выпрямленное напряжение на тяговых двигателях остается неизменным относительно существующего в настоящее время типового алгоритма управления, в котором нет РФУ. Достигается это тем, что время необходимой задержки импульсов управления делится пополам, причем на один инвертор половинная задержка подается со знаком минус, а на другой инвертор - со знаком плюс (см. табл. 2). В следующем периоде напряжения сети для выравнивания среднего выпрямленного напряжения на тяговых двигателях задержанные импульсы управления, подаваемые на плечи инверторов, меняются местами._
а
а
1
а
й
1
а
а
2
а
а
Для детального исследования и сравнения электромагнитных процессов в электровозе при применении нового способа и энергосберегающего алгоритма РФУ инверторами и типового алгоритма разработана математическая модель электровоза в среде схемотехнического проектирования МаАаЬ. В качестве объекта моделирования выбран электровоз переменного тока типа ВЛ80Р, работающий в режиме рекуперативного торможения. В качестве участка контактной сети выбрана двусторонняя схема питания от двух тяговых подстанций системы тягового электроснабжения, которая является типовой для осуществления нормального эксплуатационного режима работы системы.
Электровоз в модели рассмотрен в качестве комплексной системы, состоящей из нескольких подсистем, взаимодействующих между собой. Такими подсистемами являются силовая электрическая схема электровоза, система управления ВИП электровоза и контактная сеть. Силовая электрическая схема электровоза представлена схемой замещения, состоящей из тягового трансформатора, ВИП, выпрямительной установки возбуждения, сглаживающих реакторов и тяговых двигателей. Для объективного сравнения типового и предлагаемого алгоритмов управления инверторами параметры математических моделей электровозов, работающие в режимах рекуперативного торможения с этими алгоритмами управления, приняты равными друг другу.
Для более точного отображения взаимного влияния переходных процессов в системе «контактная
сеть - электровоз» модель электровоза расположена на расстоянии 24 км от тяговой подстанции, т.е. в середине фидерной зоны, где наблюдается самое большое влияние параметров контактной сети и электровоза на качество электрической энергии на токоприемнике электровоза. Модель контактной сети представлена схемой замещения, которая состоит из каскадно соединенных Т-образных симметричных четырехполюсников. Они моделируют погонные параметры системы (индуктивность и активное сопротивление контактной сети, распределенную емкость относительно земли и сопротивление, обусловленное током утечки с проводов линии и изоляторов) [5].
Режим рекуперативного торможения электровоза с номинальной нагрузкой в модели выбран близким к подобному режиму одиночной работы реального электровоза ВЛ80Р с поездом на фидерной зоне.
Для типового алгоритма и предлагаемого алгоритма управления инверторами с РФУ и диодным плечом проведено математическое моделирование процессов работы электровоза на 1-й зоне регулирования при угле ар = 120 эл. град., по результатам которого получены осциллограммы электромагнитных процессов в виде кривых напряжения в контактной сети Ы1, тока в первичной обмотке тягового трансформатора /1 секции электровоза, кривых выпрямленного напряжения иа и выпрямленного тока /а инвертора, а также гармонический состав переменного напряжения сети и-|, представленные на рис. 2-7.
о и о еа о
0! н
500-,
400
300-
5
ы «
н а
о о
ю 2
«5 2
П
Й «
== £
Й а
6 н
с
а о Н
Г 200
100-
-100-
-200-
-300
-400-
-500-
5 Ы Н О 2 ю о
>5 О 35
т
X еа а
и
х
«
х
X
а
К
К
а
с
«
ВС и о еа и н и
и
50
40
20
П
Ы
£ 30 «
а о
н «
2 10
а
о
0« 0
х
«
£ -10
0
£ -20 еа
1 -30 н
-40
-50
1
\ и 1 11
л
I г
т/
1 А/
1 /
10
Время, мс
15
20
0
5
Рис. 2. Кривые напряжения в контактной сети и1 и тока в первичной обмотке тягового трансформатора ¡1 секции электровоза при типовом алгоритме управления инвертора в режиме рекуперативного торможения
на 1-й зоне регулирования при ар = 120 эл. град.
05 2000
5«
а о н а
о в
Я =
Ы о Н
я я
№ а я
со
& 1500-
0 н
« 100003 Я
§ 500 ■ я
1
9 0 ■
а
я
я -500 ■ «
0 Я
«-1000-
1
^1-1500-я
05 -2000-
к я м о в о а н
а
о
Ч
п
Я н и о Я
В
о
н я
о Я
а я ■е ■е
п о
т
0,75-
0,5
0,25-
\
1а
/Ъ 1 ыА А? \
V Ч 1 р ч
—1 ^М
ар Ур
10
Время, мс
15
20
Рис. 3. Кривые выпрямленного напряжения ив и выпрямленного тока ¡в инвертора, а также кривая коэффициента мощности при типовом алгоритме управления в режиме рекуперативного торможения на 1-й зоне
регулирования при ар = 120 эл. град.
я «
г X
40
32
24
£ § 16
1 £
г 2500 = =
1 I
2 = 2000 г г
= а.
Я ;
% -го
к = 1500
: 1000
щ о
I Е а
и о
500
II II II II I
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Номер гармоники
33 35 37 39
Рис. 4. Гармонический состав переменного напряжения и1 на токоприемнике электровоза в режиме рекуперативного торможения на 1-й зоне регулирования при типовом алгоритме управления
о ва о и к
н =
X н о
ж
\о
о ■■=
о
X
6Г
вэ
А
в т о Н
500 400300200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500
10
Время, мс
Рис. 5. Кривые напряжения в контактной сети и и тока в первичной обмотке тягового трансформатора ¡1 секции электровоза при предлагаемом алгоритме управления с РФУ и диодным плечом в режиме рекуперативного торможения на 1-й зоне регулирования при ар = 120 эл. град.
0
5
8
0
0
1
2000
5«
а о н а
о в Я
Ы о
н «
Я Я
0
1 № а я л со
со
■в
№
Ч о н
2 1000 я в ч: ш я я ч
1500
500
п
и 0 а я
:
и О Я
И -1000
-500
1500
2000
к
:
м о ва о а и
о
Ч
т
Я н и о Я
В
о
н Я о Я
а я ■е ■е
п
о «
0,75-
0,5
0,25-
——
\
\
/
д г— Л
Г Г
-Г
\
\ Км
10
Время, мс
15
20
Рис. 6. Кривые выпрямленного напряжения иа и выпрямленного тока ¡а инвертора, а также кривая коэффициента мощности при предлагаемом алгоритме с РФУ и диодным плечом в режиме рекуперативного торможения
на 1-й зоне регулирования при ар = 120 эл. град.
я Я
т а
аз
а &
= «
5 3
5 а
40
32
Ж
1
я а
2 н
24
16
2500
? Я
Ё § 2000
5 7 = о.
? 4
I я 1500 я
Я О.
2 1000
500
Э >8
I .1 | I .1 I I . . I I .1 I
3 5 7 9 11
13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 Номер гармоники
Рис. 7. Гармонический состав переменного напряжения и1 на токоприемнике электровоза в режиме рекуперативного торможения на 1-й зоне регулирования при предлагаемом алгоритме управления с РФУ
и диодным плечом
По приведенным на рис. 4 и 7 параметрам гармонического состава в виде амплитуд гармоник напряжения сети рассчитаны коэффициенты их гармонических составляющих Код при типовом алгоритме и предлагаемом алгоритме разнофазного управления с диодным плечом в схеме инвертора. Результаты расчетов сведены в табл. 3. Для сравнения результатов моделирования процессов работы электровоза с различными алгоритмами управления инверторами выбран критерий сравнения - коэффициент искажения синусоидальности напряжения Ки контактной сети на токоприемнике электровоза, нормируемый согласно ГОСТу 13109-97 [1].
Определение коэффициента мощности производилось с учетом несинусоидальности напряжения сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза в среде МаАаЬ при проведении моделирования на ЭВМ по формуле
£ икхк
ео8й
Км =
£ и^ ч£ I
и010 + и111ео8(
•у/и + и2 + ... + и2
+1?+... + 1?.
0 ..... к \ 0 1 ..... к
где и0, Iо - постоянные составляющие напряжения и тока; и1, 11 - действующие значения синусоидальных напряжения и тока 1-й гармоники; ик, 1к - действующие значения синусоидальных напряжения и тока к-й гармоники; фк - угол сдвига фазы между напряжением и током к-й гармоники.
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения Ки контактной сети на токоприемнике электровоза определяется по формуле
0
5
8
0
0
1
к = 0
Таблица 3
Разница в процентном соотношении средних значений коэффициента мощности и коэффициента несинусоидальности напряжения сети при типовом и предлагаемом алгоритме управления
с РФУ и диодным плечом
Способ управления ВИП Кы1 Процент Км Процент
Типовой 11,28 100 0,215 100
Предлагаемый с разрядным диодным плечом и РФУ (33-я гармоника) 3,19 28,28 0,401 186,51
к -V
ки
N
П-2
2
'(П
и1)
-100%
где U(n) - значение л-й гармонической составляющей напряжения; - значение 1-й (основной) гармоники напряжения; - номер гармоники напряжения.
На рис. 3 и 6 показаны средние значения коэффициента мощности электровоза. Результаты расчета Ки и КМ занесены в табл. 3.
В результате анализа полученных результатов моделирования (см. рис. 2, 3, 5 и 6) на 1-й зоне регулирования инверторами можно отметить, что коэффициент несинусоидальности напряжения сети Ки снизился более, чем в три раза, а коэффициент мощности электровоза КМ увеличился почти в два раза.
Таким образом, авторами разработан новый энер-
госберегающий алгоритм разнофазного управления инверторами на 1 -й зоне, который не снижает среднее значение выпрямленного напряжения, подаваемое на тяговые двигатели, по сравнению с ранее разработанными алгоритмами разнофазного управления. Применение на 1-й зоне предлагаемого способа управления и нового энергосберегающего алгоритма разнофазного управления инверторами совместно с диодным плечом позволяет значительно снизить (более чем в три раза) коэффициент искажения синусоидальности напряжения сети, т.е. повысить качество электрической энергии на токоприемнике электровоза, а также повысить коэффициент мощности электровоза почти в два раза по сравнению с типовым алгоритмом управления.
Статья поступила 13.05.2014 г.
1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 01.01.1999 взамен ГОСТа 13109-87. Минск, 1999. 30 с.
2. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями / Ю.М. Кулинич, В.В. Находкин, Н.Н. Широченко, В.А. Кучумов, Г.А. Штибен // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 1986. № 4. С. 23-26.
3. Мельниченко О.В., Газизов Ю.В. Повышение энергетических показателей электровозов переменного тока // Железнодорожный транспорт. 2010. № 3. С. 50-52.
4. Мельниченко О.В., Портной А.Ю., Шрамко С.Г. Лабора-
ский список
торные исследования модели инвертора электровоза с включением диодного плеча параллельно цепи выпрямленного тока // Проблемы транспорта Восточной Сибири: сб. тр. III Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (Иркутск, 18-19 апреля 2012 г.). Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2013. Ч. 1. С. 31-36.
5. Савоськин А.Н., Кулинич Ю.М., Алексеев А.С. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе «контактная сеть - электровоз» // Электричество. 2002. № 2. С. 29-35.
6. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М.: Транспорт, 1988. 311 с.
