CC BY
49
иркутский государственный университет путей сообщения
5. Пат. 5332559 США, МКИ5 С 22 В 11/00. Biooxidation process for recovery of metal values from sulphur-containing ore materials / JA^riertey, D.L. Hil1; Newmont Gold Co.; Newmonl Mining Corp..- №894059; Заявл. 3.6.92; Опубл. 26.7.94; ЖИ 423/27.
6. Bacterial Oxidation at Tonkin Springs // Mining J.- 1990.- 314. № 8068.- P.335, 337, First
commercial bioleaching plant in US preparates for start up // Mining Eng. 1989.-41,№5.-P.281.
7. Bio-leach breakthrough announced // Eng. and Mining J.- 1994.-195, № 5.- P. 13., Newmont proves its gold bugs // Mining Mag..- 1994.-170, J.-4.-P.I 89.
Мельниченко О.В., ЦыбульскийВ.С.,ЧикиркинО.В. УДК 656.224
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В КОНТАКТНОЙ СЕТИ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ОТКАЗОВ ЭЛЕКТРОННОГО И СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА
Применение тиристорных выпрямителей в статических преобразователях электровозов однофазно-переменного тока в России и за рубежом дало возможность производить управление коллекторными тяговыми двигателями путем плавной регулировки напряжения на них. Это осуществляется изменением моментов отпирания соответствующих плеч выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) электровоза в пределах периода питающего напряжения. Однако, эксплуатация таких электровозов наряду с достоинствами силовых схем тиристорных преобразователей выявила и ряд их недостатков по сравнению с электровозами, оборудованными неуправляемыми полупроводниковыми диодами. Вопросы надёжности работы технических средств электровозов всегда были актуальными, и им уделялось большое внимание в многочисленных научных исследованиях [1].
Для российских железных дорог разработаны стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года («Белая книга» ОАО «РЖД») № 964 от 31 августа 2007 года. Приоритетными задачами стали разработка и внедрение, более совершен-
ных технологий, направленные на повышения надёжности работы электрооборудования тягового подвижного состава.
В этой стратегии вопрос повышения качества электроэнергии в системе электроснабжения занимает первое место, так как напрямую от качества электрической энергии зависит эксплуатационный ресурс технических средств всего железнодорожного хозяйства. В связи с возрастающим грузооборотом и пассажирооборотом магистральных железных дорог переменного тока, к качеству электрической энергии предъявляются все более жесткие требования. Это связано с установленной системой сертификации качества электроэнергии как направления, влияющего на технический ресурс технических средств народного хозяйства согласно ГОСТ-13109-97.
Искажение синусоидальной формы напряжения в контактной сети оказывает влияние, как на эксплуатационные характеристики электровозов, так и на систему тягового электроснабжения. Так, высшие гармоники напряжения, генерируемые электровозом, приводят к появлению добавочных потерь в обмотках вспомогательных машин электровоза, что снижает их эксплуатационный ресурс.
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. ТЕХНОЛОГИИ
В силовом трансформаторе гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, то есть потерь, связанных с вихревыми токами в стали и потерь в обмотках, а также повышает затраты электроэнергии на тягу поездов [1]. Влияние несинусоидальности напряжения на индукционные и электронные приборы учета электроэнергии, потребляемой электровозом, приводит к увеличению погрешности результатов измерений этих приборов. Гармоники нарушают надёжность работы устройств защиты и ухудшают их эксплуатационные характеристики. При этом наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений. На рис. 1 показаны основные устройства, подверженные негативному влиянию тяговой сети переменного тока. Низкое качество электроэнергии приводит к сокращению срока службы изоляции электрических машин и аппаратов, к низкой надёжности работы СЦБ, АЛСН, к сбоям в работе систем управления преобразователями электровоза, релейной защиты, автоматики, телемеханики, связи и вычислительной техники.
По данным ОАО «РЖД» ущерб отказа технических средств от невыполнения требований ГОСТ 13109-97 составил порядка 1,2 млрд. рублей по сети железных дорог. Это определяет актуальность и экономическую значимость данной проблемы.
Согласно штатному алгоритму работы системы управления, современных электровозов переменного тока коммутация во всех выпрямительно-инверторных преобразователей происходит одновременно. В момент начала коммутации часть обмоток тяго-
вого трансформатора каждой секции электровозов начинает работать в режиме короткого замыкания. Одновременное начало коммутации всех преобразователей обусловливает резкое уменьшение напряжения на токоприемнике. Однако мгновенного уменьшения напряжения не происходит, так как вследствие наличия в тяговой сети распределенных индуктивностей и емкости возникают свободные колебания напряжения (первый закон коммутации). Любая контактная сеть представляет собой замкнутый колебательный контур ^ЬС — цепи) (рис.2).
Представленная схема состоит из каскад-но-соединенных Т-образных симметричных четырехполюсников, которые в свою очередь моделируют погонные параметры системы (индуктивность контактной сети, активное сопротивление, распределенная емкость относительно земли и сопротивление, обусловленное током утечки с проводов линии и изоляторов).
Физическая сущность искажения синусоидальности переменного напряжения заключается в возникновении режима короткого замыкания цепи переменного тока (обмоток трансформатора) в интервалы коммутации токов тиристоров выпрямителя, в результате которого на этих интервалах происходит провал в кривой синусоидального напряжения (рис. 3). Эти провалы искажают форму кривой напряжения и приводят к возникновению высших гармонических составляющих, наибольшими из которых являются нечётные 3, 5, 7, 9, 11 и 13-я и т.д. гармоники, которые значительно влияют на надёжность работы технических средств.
В процессе протекания коммутаций у 1 и у2 электромагнитная энергия, накопленная в индуктивности обмоток трансформатора, передается в контактную сеть. В результате происходит колебательный процесс между индуктивностью задействованных в большом и
Рис. 1. Влияние качества электрической энергии на надёжность и ресурс работы железнодорожных устройств и других объектов
Рис. 2. Схема замещения тяговой подстанции и контактной сети с её распределёнными параметрами
иркутским государственный университет путей сообщения
малом контурах коммутации секциях трансформатора электровоза и распределенной емкостью контактной сети. Частота коммутационных и послекоммутационных колебаний напряжения и их амплитуда зависят в основном от расстояния между тяговыми подстанциями и от способа питания межподстанцион-ной зоны (одностороннее или двустороннее).
Работа электровоза в типовом и предлагаемом режиме была смоделирована при помощи программы OrСad 9.2. Модель электровоза являет собой приближенную к реальным условиям схему. Работа схемы электровоза в реальном и моделированном варианте была проанализирована и погрешность ошибки составила 8%. Таким образом, полученные результаты вычислений при работе электронной модели можно считать достоверными.
Анализируя данным образом работу электровоза, на четвертой зоне регулирования, в особо неблагоприятных условиях (при работе электровоза в вынужденных режимах системы электроснабжения) получена следующая диаграмма напряжения контактной сети (рис. 4).
Одним из средств повышения надёжности электрооборудования в эксплуатации и уменьшения амплитуды, коммутационных и послекоммутационных, колебаний предлагается разработанный способ управления ВИП, использующий алгоритм одновременной коммутации токов тиристоров с применением диодного плеча, включенного параллельно цепи выпрямленного тока.
Этот алгоритм управления состоит в том, что подача нерегулируемых импульсов управления с фазой а0 осуществляется одновременно в каждом полупериоде напряжения не только на тиристоры плеч, участвующих в создании данной зоны, но и плеч, которые участвовали в работе предыдущих зон, кроме первой.
Это разбивает большой контур протекания тока коммутации, образованный плечами VS1 и VS7, на несколько малых. Диодное плечо, включенное параллельно цепи выпрямленного тока служит для разряда энергии, накопленной в тяговых двигателях и сглаживающем реакторе при смене полярности питающего напряжения без отдачи ее во внешнюю сеть и полезно используемой в тяговых двигателях. Оно также является средством, которое способствует созданию нормальных потенциальных условий на анодах тиристоров, необходи-
Рис. 3. Электромагнитные процессы напряжения в контактной сети и выпрямленного напряжения тягового двигателя при работе электровоза в режиме тяги (при типовом способе управления)
мых для надежного работы плеч ВИП электровоза в эксплуатации при малых углах а0 (рис. 5).
В качестве сравнения на рис. 6 показаны гармонические составы напряжения на токоприемнике электровоза для рассматриваемых алгоритмов управления ВИП со 2-й по 40-ю гармонику.
Из гистограммы видно снижение амплитуд нечетных гармоник во всем рассматриваемом диапазоне частот, что определяется снижением коммутационных и послекоммутационных колебаний напряжения. Особенно эффективным является снижение гармоник в диапазоне с 9 по 29. Работа представленного алгоритма совместно разработана учеными Иркутского и Дальневосточного университетов путей сообщения [2, 3].
Однако, используя данный алгоритм управления, задачу улучшения качества напряжения в контактной сети удалось решить только при протекании основной коммутации тока тиристоров плеч ВИП. При фазовом регулировании на каждой зоне (дополнительной коммутации при управлении импульсами ар) свободные колебания остались без изменения и могут в амплитуде достигать напряжения пи-
Рис. 4. Диаграмма напряжения в контактной сети, при часовом режиме работы ТЭД на 3,5 (ар = 90) зоне регулирования напряжения ВИП
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 5. Электромагнитные процессы напряжения в контактной сети и выпрямленного напряжения тягового двигателя электровоза при способе управления с включением разрядного диода
тающей сети, особенно при ар = 90 эл. град.
Указанный недостаток ставит задачу дополнительного улучшения формы кривой напряжения контактной сети при работе электровозов с тиристорными преобразователями при фазовом регулировании напряжения во всех четырёх зонах управления (импульсами с фазой ар) на тяговых электрических двигателях это можно достичь за счет применения разнофазного управления (РФУ) ВИП, предложенного сотрудниками ВНИИЖТа [4, 5].
Идея способа разнофазного управления заключается в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей, что позволяет уменьшить скачок принуждённого напряжения при включении и выключении каждой группы преобразователей и амплитуду свободных колебаний напряжения на токоприёмнике, что повышает устойчивость работы аппаратуры управления электровоза, а также всех систем железнодорожной автоматики и телемеханики, уменьшает помехи в линиях связи.
Но на практике способ разнофазного управления не получил широкого применения, так как разнофазность управления достигается постоянным увеличением угла от-
крытия тиристоров преобразователя а0 и ар на 8-9 эл. град., а это в свою очередь значительно сказывается на снижения внешних характеристик преобразователя, а, следовательно, и на снижение коэффициента мощности электровоза 0,817 против 0,84. Мощность электровоза в часовом и продолжительном режиме несколько ниже, чем при типовом способе управления, происходит и некоторое снижение скорости электровоза. К тому же постоянство сдвига угла на 8-9 эл. град. не даёт полного эффекта снижения высокочастотных колебаний напряжения контактной сети из-за изменения индуктивности и ёмкости тяговой сети, что может приводить к периодическому нарушению работоспособности электровоза.
В идеальном случае величина задержки импульсов должна равняться полупериоду собственных колебаний напряжения в тяговой сети. Вследствие различия параметров тяговой сети и меняющегося удаления электровоза от шин тяговых подстанций частота свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза изменяется. В связи с этим происходит только частичное гашение свободных колебаний напряжения. Таким образом, для наиболее эффективного уменьшения искажений в форме кривой питающего напряжения было бы желательно введение регу-
8 «
8 и « «
К н
и Я
§ £
§ §
е- я
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
1
1
[1 п [
1 п . П ,1 п 1. . 1 п 1
5 7 9 11 13
□ Поочередная коммутация
15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 Номер гармоники
■ Одновременная коммутация с диодным плечом
Рис. 6. Гармонические составляющие напряжения на токоприемнике электровоза для рассматриваемых алгоритмов управления ВИП со 2-й по 40-ю гармонику
иркутским государственный университет путей сообщения
Рис. 7. ВИП
лируемои задержки именно на полупериод свободного колебания с учётом изменяющихся распределённых параметров контактноИ сети.
В связи с этим, авторами предлагается использовать одновременную коммутацию с шун-тировкой цепи выпрямленного тока электровоза разрядным диодным плечом с разработкой адаптивной системы разнофазного управления по углу ар. Предлагается производить задержку управления плечами преобразователя, равной полупериоду собственных колебаний напряжения тяговой сети. Это позволит ещё более повысить коэффициент мощности электровоза до 0,88 против 0,84. Собственные колебания напряжения тяговой сети планируется выявлять через спектральный анализ, который позволяет охарактеризовать частотный состав измеряемого сигнала. Преобразование Фурье является математической основой, связывающий временной сигнал с его представлением в частотной области. Преобразования Фурье непрерывного во времени сигнала идентифицируют частоты и амплитуды тех комплексных синусоид (экспонент), на которые разлагаются некоторые произвольные колебания и определяются по формуле
{Х( f) = J x(t )exp(—j 2nft )dt = F {x(t)}. (1)
Спектральный анализ напряжения контактной сети предполагается производить на базе контроллеров DSP (digital signal processor), обеспечивающих быстрое преобразование Фурье (БПФ).
Напряжение контактной сети через датчик напряжения типа LV-100 поступает на вход блока согласования датчика напряжения с DSP. Последний, по заданному алгоритму осуществляет спектральный анализ гармонических колебаний питающей сети, выделяет гармонику с наибольшей амплитудой и производит расчет изменения угла запаздывания включения плеч ВИП импульсами с фазой ар. По сигналам БУВИП (блока управления ВИП) происходит чередование и распределение импульсов управления по ВИПам и их плечам.
Структурная схема реализации разнофазного управления плеч
Структурная схема реализации РФУ, представлена на рис. 7.
Созданная адаптивная система разнофаз-ного управления ВИП электровоза по мнению авторов, позволит независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) максимально выполнять функцию значительного снижения гармоник, соответствующих частотам этих колебаний, и снизить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, то есть повысить качество электрической энергии в контактной сети. Для того, чтобы внешняя характеристика ВИП секций электровоза была одинаковой, предлагается чередовать отклонения регулируемого угла для каждой секции, в разные полупериоды (рис. 8).
При использовании представленных выше способов, можно ожидать существенного снижения колебаний и искажений напряжения в контактной сети. На рис. 8 показаны диаграммы напряжения на ТЭД при предлагаемом способе управления и в контактной сети (рис. 9).
Проведены расчет внешней характеристики преобразователя, для различных режимов управления.
1. Типовой вариант регулирования напряжения предполагает
ао ар+Ур >
-ит4 1вШфЙф +ит3 1вШфЙф +
0 а 3 + у"
Ud 0 =1
п
+Um4 J
а р +у р
(2)
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. ТЕХНОЛОГИИ
где ит3 и ит4 — соответственно амплитуда напряжения, приложенного со стороны вторичной обмотки тягового трансформатора на 3-ей и 4-ой зонах регулирования;
а0,а3,ар — значение соответственно нулевого, задержанного и регулируемого импульса управления;
соответственно дли-
УУt
тельность коммутации при подаче задержанного и регулируемого импульсов. Рис. 8. Диаграмма напряжения на тяговых электрических В номинальном режиме сущес- двигателях разных секций при использовании предлагае-
твуют потери, выражающиеся в па- мых алгоритмов работы ВИП дении напряжения в силовой цепи (
AU), поэтому:
иНн = U
d 0
-AU = U
2
где а
0РФУ , а 3РФУ
,а
рРФУ
соответственно углы
d0
• ХТ1 dn
я (3)
+ Rd )• Idn-Aub ,
где X — коэффициент, учитывающий влияние пульсаций;
^ — отношение амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке тягового трансформатора к значению данного напряжения последующей зоны;
ХТ, RT — соответственно индуктивное и
активное сопротивления трансформатора;
AUВ — падение напряжения в преобразовательной установке;
Rd — активное сопротивление обмоток двигателя.
2. Вариант с разнофазным управлением по секциям, предложенный сотрудниками ВНИИЖТ, предполагает -
f а о рфу а р +а р рфу + У Р 4
-Um^ J sin 9d9 + Um 3 J sin 9d9 +
0 а 3 + а 3 рфу + У//
сдвига импульсов для нулевого, задержанного и регулируемого импульсов.
3. По варианту с включением в цепь вы-
прямленного тока разрядного диода имеем
f а р +У р я Л
Um 3 J Sin 9d9+Um 4
1
Ud о =-я
V
(5)
J
J sin ydq
У а р +У р
где у — угол, характеризующий сдвиг подачи отпирающего импульса.
4. При варианте с разнофазным управлением по секциям, а также с включением в выпрямленную цепь разрядного диода найдем -
Ud о =1 я
а р + а р РФУ + у р я
Um 3 J sin 9d9 +Um 4 J sin 9d9
,(6)
Ud о =1
+U„
я
J sin ydy
(4)
na ^
и
CD
к
X
tu *
30
-30
100
90
Время, мс
Рис. 9. Диаграмма напряжения в контактной сети при использовании предлагаемых алгоритмов работы ВИП
у ар+аррфу+Ур
Напряжение в номинальном режиме, для трех последних вариантов, рассчитывается
аналогично первому варианту по формуле (3).
На рис. 10 представлена сравнительная внешняя характеристика преобразователя для трех вариантов управления.
При работе электровоза, предлагаемый
вариант управления является наиболее приемлемым. Так как в этом случае, несмотря на снижение внешней характеристики (незначительно в сравнении с характеристикой при третьем варианте), существенно улучшаются условия работы электровоза
р РФУ
иркутский государственный университет путей сообщения
Рис. 10. Сравнительная внешняя характеристика преобразователя при различных режимах управления ВИП электровоза
по качеству напряжения в контактной сети, его электронного оборудования, и электрооборудования, другого оборудования находящегося в непосредственной близости рельсового пути.
Использование новых алгоритмов управления, совместно с адаптивной системой, позволит существенным образом улучшить характеристики напряжений в контактной сети, а, следовательно, снизить негативное влияние на работу электровоза. Повышение качества электроэнергии позволит продлить срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, надёжность работы СЦБ, АЛСН, систем управления преобразователями электровоза, релейной защиты, автоматики, телемеханики, связи и вычислительной техники;
Разработанная система адаптивного раз-нофазного управления, выполняется при поддержке гранта 2008 года Иркутского государственного университета путей сообщения, за научно-исследовательскую работу по прикладным техническим наукам. В настоящий момент в локомотивном депо Иркутск-Сортировочный Восточно-сибирской железной дороге производится модернизация и подготовка к испытаниям электровоза ВЛ80Р №1829.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Тихменев, Б.Н. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями / Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов — М.: Транспорт, 1988, - 311 с.
2. Власьевский, С.В. Улучшение формы напряжения контактной сети при работе электровозов с тиристорными выпрямителями / С.В. Власьевский, В.Г. Скорик, О.В. Мельниченко // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проек-тно-конструкторского института электровозостроения. 2007. №5. С. 42-47.
3. Власьевский, С.В. Свободные колебания напряжения в контактной сети, вызванные процессами коммутации тиристор-ных преобразователей электровозов / С.В. Власьевский, В.Г. Скорик, О.В. Мельниченко // Электроника и электрооборудование транспорта. Научно-технический журнал. 2007. №1. С. 14-19.
4. Кучумов, В.А. Технико-экономические показатели тиристорных электровозов переменного тока с разнофазным управлением / В.А. Кучумов, В.В. Находкин, Н.Н. Широ-ченко // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-ко-нструкторского института электровозостроения. 1987. №3. С. 15-18.
5. Кулинич, Ю.М. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпря-мительно-инверторными преобразователями / Ю.М. Кулинич, В.В. Находкин, Н.Н. Широченко и др. // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проек-тно-конструкторского института электровозостроения. 1986. №4. С. 23-26.
