Пути повышения эффективности передачи электроэнергии на Рудничный бесконтактный электровоз Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СЕМИНАР 18

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

А.Я. Рыбалко,

Национальная горная академия Украины

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ Эффективности ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА РУДНИЧНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ЭЛЕКТРОВОЗ

Принцип индуктивной передачи электроэнергии применен, впервые в мировой практике, для электроснабжения локомотива подземного транспорта в опасных по газу и пыли угольных шахтах. Он позволил соединить преимущества централизованного питания от стационарного источника с безопасным способом подвода электроэнергии к локомотивам в движении. В системе электроснабжения использованы новые уровни преобразования параметров электрической энергии: частота 5000 Гц, стабилизированный ток 150 А при напряжении до 1500 В, передача мощности до 100 кВт через воздушный зазор 50 мм.

Разработка новых типов и шкалы электрооборудования системы электроснабжения электровозов выполнена по стадиям от экспериментального образца до опытной партии, с проверкой в опытной промышленной эксплуатации на каждой стадии в течении 4 - 6 лет в различных горно-технических условиях угольных шахт. На этих этапах исследований отработано повышение уровня взрывозащиты электрооборудования с рудничного нормального (РН) до рудничного повышенной надежности против взрыва (РП).

При оценке эффективности работы комплекса оборудования системы электроснабжения бесконтактного электрического транспорта необходимо учитывать количественное изменение КПД от степени расстройки силового контура энергоприемника электровоза. КПД системы электроснабжения может быть оценен отношением мощности нагрузки электровоза к мощности, подводимой к тяговой преобразовательной подстанции, т.е.

г = рн /ртп = ЛтпЛл-эЛэ , (1)

где гтп - КПД тяговой преобразовательной подстанции; г]л-э - КПД узла "тяговая линия - приемно-силовой контур энергоприемника электровоза"; гэ - КПД тягового привода электровоза.

Согласно выражения (1) КПД системы электроснабжения зависит от степени расстройки силового контура энергоприемника за счет составляющей

гЛ-Э .

В случае, когда от двухпроводной тяговой сети питается электровоз с односекционным энергоприемником, схему замещения системы электроснабжения представляем в виде двух индуктивно связанных контуров: контур - тяговая сеть, силовой контур энергоприем-

ника электровоза. Для установившегося режима эта схема замещения описывается системой уравнений:

ил = ял1л + №л1л - jiл /®сл + j®Mi э; 1 (2)

0 = (Яэ + RH )1 э + j®^i э - ji э 1®сэ + jaMiл •J где Rh - эквивалент сопротивления нагрузки

энергоприемника, определяемый значением сопротивления силовой цепи включения тяговых двигателей; R.3 - собственное сопротивление силовой цепи.

Обозначая реактивное сопротивление первого и второго контуров соответственно ХЛ = rnLn - 1/юСЛ и Хэ = аЬЭ -1/юСЭ , запишем систему уравнений (2) с учетом обобщенной степени расстройки £ силового контура энергоприемника:

иЛ = ЯЛ1Л + -1ХЛ1Л + .1®м1э ; ] (3)

0 = (Яэ + Rh ) 1э + jXs&S + j®MiЛ .J

При нормальной работе тяговой сети ее индуктивность недокомпенсирована, т.е. Xл > 0. Независимо от значения нагрузки ток в тяговой линии не изменяется для действующего значения (i Л = const).

Если при данной нагрузке электровоза, определяемой Rh , приемно-силовой контур энергоприемника настроен в резонанс напряжений, т.е. Хэ = 0, то система уравнений (3) принимает вид

ил = ЯЛ1Л + .!ХЛ1Л + :!аМ1э; 1 (4)

0 = (Яэ + Rh ) 1э + jaMi Л • J

Если при той же нагрузке приемно-силового контура энергоприемника, что и в предыдущем случае, он расстроен, т.е. Хэ ^ 0, то этот режим также описывается системой уравнений (3).

С использованием приведенных систем уравнений для вариантов установившегося режима работы можно проанализировать КПД узла "тяговая сеть - приемно-силовой контур электровоза" при различной степени расстройки силового контура энергоприемника, обусловленной, эксплуатационными причинами (установка магнитного реактивного или электромагнитного экранов на энергоприемнике, работа электровоза в выработках с металической крепью, насыщенность выработки сопутствующими токопроводящими контурами и др.).

При нагрузке электровоза справедливо

Лл-з - !%Ян /{ил1 л 008 - Явн,„/Я

вх, Л

(5)

где

Я

о2 М 2

ВН ,н

{Ян + Яэ )2 + ХІЇІ

ЯВХ, Л - ЯЛ +

а2 М 2

Ян;

{Ян + Яэ ).

Я + Rэ )2 + Х|

Из выражения (5) следует, что КПД узла "тяговая сеть - энергоприемник" зависит от параметров тяговой сети, значений вносимых сопротивлений в тяговую сеть и значений тяговой нагрузки электровоза.

Если проанализировать изменения зависимости гЛ-Э = / (I.Я) в реальном диапазоне значений нагрузки силового контура электровоза В14-900, то следует, что степень расстройки силового контура существенно влияет на гл-Э только при больших

значениях нагрузки; при малых значениях нагрузки изменения незначительны.

Условиями передачи наибольшей мощности от тяговой сети в энергоприемник являются:

ЯВН - ЯЛ и

Ял -

а2 М 2

{Ян + Яэ )2 + ХЭ^

Хл + Хвн - 0 или

(Ян + яэ );

Х

о2 М 2

л

{Ян + Яэ )2 + Х^Э

Из выражения (6) находим:

Хэ4э

4-~\

ХэЧ

а2 М 2

-{Ян + Яэ )2

(6)

(7)

(8)

008^ :

[Ял + о 2 М 2( Ян

ЯЛ (Ян + ЯЭ )

Отсюда следует, что воздействие растройки будет существенным при условии,

что о М >=л/ Ял (Ян + Яэ ).

Если м <^ЯЛ(яН+яЭ)/т

то при всех значениях |. Хл не может быть передана электровозу наибольшая мощность. Это необходимо учитывать при выборе параметров конструкции энергоприемника с учетом установки защитных экранов и изменении при эксплуатации параметров тяговой сети.

Силовой контур энергоприемника характеризуется наличием больших значений индуктивных и емкостных сопротивлений элементов, по результирующим значениям настроенных в резонанс напряжений на основную частоту тока в тяговой сети и при номинальном режиме работы тягового привода. Эти сопротивления по модулю значительно превышают активное сопротивление силового контура (при частоте тока 5000 Гц добротность равна Q = 120).

Контуры энергоприемника и тяговой сети электромагнитно связаны, и при настройке в резонанс на-

пряжений силового контура энергоприемника в тяговую сеть вносится только активное сопротивление. При наличии расстройки силового контура энергоприемника в тяговую сеть вносятся активное и реактивное сопротивления. Причем, если результирующее сопротивление силового контура энергоприемника имеет индуктивный характер, в тяговую сеть вносится реактивное сопротивление емкостного характера и наоборот.

Входное сопротивление тяговой сети, с учетом вносимых сопротивлений, находим в результате решения системы уравнений (3). При этом следует

и = I

ю2М2 (R + R )

R + IX +-,-----------Ц' э/

л л (я + Я )'

ю2М2 X Е

э

+ х1Е2

э

]

(9)

Обозначая {Ян + Яэ )2 + хЭ4э - , находим

удобный вид выражения для вычисления результирующего значения напряжения на входе тяговой сети

Ял + Іхл +

а2 М 2

^ {4)

р(М4))

(10)

где ZK (I) (I) - зависимости модуля и аргу-

мента полного сопротивления силового контура от степени его расстройки.

Полученное выражение (10) может использоваться для анализа многих эксплуатационных характеристик.

Например, при установке магнитного реактивного и электромагнитного экранов в конструкцию энергоприемника за счет вносимых сопротивлений изменение коэффициента мощности тяговой сети можно

Ял + о 2 М 2( Ян + Яэ )/Z2 {4)

+Яэ )/г2к {4 )ґ +[хл-О2 м2 Хэ4э1г2к

4 Ж (4)I2

оценить из выражения:

.Анализ изменения коэффициента мощности тяговой сети в зависимости от степени расстройки силового контура энергоприемника показывает, что при работе одного электровоза увеличение степени расстройки приводит к повышению значения коэффициента мощности тяговой сети. Это объясняется тем, что в тяговую сеть, имеющую нормативную остаточную индуктивную расстройку, вносится емкостное сопротивление. Однако, при работе двух и более электровозов в тяговую сеть вносится значительное реактивное сопротивление расстройки нескольких энергоприемников. Коэффициент мощности тяговой сети при этом понижается, то есть ухудшаются энергетические характеристики системы электроснабжения.

Повысить значения коэффициента мощности при работе нескольких электровозов можно увеличением остаточного реактивного сопротивления тяговой сети.

211

Однако, это требует увеличения установленной мощности источника питания - тяговой преобразовательной подстанции. Частично эти затраты будут скомпенсированы повышением КПД узла "тяговая сеть -силовой контур энергоприемника".

Последнее может быть выполнено по пути оптимизации тяговых характеристик бесконтактного электровоза Это связано, во-первых, с необходимостью получения жесткой внешней характеристики контура обмотки энергоприемника и, во-вторых, с системой управления тяговым приводом, которая не должна вызывать реактивную расстройку контура обмотки энергоприемника в процессе работы электровоза.

Жесткая внешняя характеристика контура обмотки энергоприемника обеспечивается поддержанием необходимой уровня ЭДС обмотки за счет стабилизации уровня электромагнитной связи, а также пол-

ной компенсацией индуктивного сопротивления обмотки. При полной компенсации индуктивного сопротивления внешняя характеристика контура обмотки энергоприемника линейна, при наличии неском-пенсированного индуктивного сопротивления она нелинейна. Степень нелинейности зависит от значения нескомпенсированного индуктивного сопротивления.

Отсутствие расстройки контура обмотки энергоприемника при работе электровоза также обеспечивает тиристорная система управления приводом. Она может быть выполнена с тиристорными регуляторами как на стороне постоянного тока, так и на стороне переменного тока силовой цепи электровоза.

Полученные зависимости и выражения является наиболее полными для выполнения параметрического анализа, настройки системы электроснабжения в длительные режимы работы и определения ее эксплуатационных характеристик.

© А.Я. Рыбалко