Разработка и испытания адаптивной системы разнофазного управления электровоза ВЛ80Р Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423:621.336

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ РАЗНОФАЗНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ80Р

Ю.В.Газизов1, О.В.Мельниченко2

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Искажение синусоидальной формы напряжения на токоприемнике электровоза при его работе оказывает негативное влияние как на его эксплуатационные характеристики, так и на систему тягового электроснабжения. Авторами предложено использование двух новых методов повышения качества электрической энергии на токоприемнике электровоза и энергетических показателей при его работе. Способ двухконтурной одновременной коммутации с использованием диодного разрядного плеча заключается в одновременном начале большого и малого контура сетевой коммутации выпрямителя электровоза. Способ адаптивного разнофазного управления при использовании спроектированной системы управления заключается в обеспечении переменного угла сдвига фаз при открытии плеч тиристоров выпрямителей электровоза. Ил. 9. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП); разнофазное управление (РФУ); коммутация тока; качество электрической энергии (КЭЭ); тяговый электрический двигатель (ТЭД); цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр).

DEVELOPMENT AND TESTING OF ADAPTIVE SYSTEM FOR VARIOUS PHASE CONTROL OF VL80R ELECTRIC LOCOMOTIVE

Yu.V. Gazizov, O.V. Melnichenko

Irkutsk State University of Railway Engineering, 15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.

Distortion of sinusoidal voltage on the current receiver of a locomotive during its operation has a negative impact on both its performance and the traction power supply system. The authors suggest using two new methods to improve power quality on the current receiver of the electric locomotive and power indices during its operation. The method of doubleloop simultaneous switching with the use of a diode discharge arm consists in simultaneous start of the large and small circuit of the network switching of a locomotive rectifier. The method of adaptive various phase control when using the designed control system consists in providing a variable phase-shift angle when opening thyristors' arms of the locomotive rectifiers.

9 figures. 1 table. 6 sources.

Key words: rectifying-inverter transformer (RIT); various phase control (VFC); current switching; electrical energy quality (EEQ); traction electric motor (TEM); digital filter with finite impulse response (FIR filter).

В настоящее время в эксплуатационную практику электрических железных дорог ряда стран внедрены электровозы с асинхронным приводом. Несмотря на неоспоримые преимущества этих электровозов по сравнению с современными отечественными выпрямительными электровозами, например, 2ЭС5К и ЭП, последние еще долгие годы будут оставаться на Российских железных дорогах. Поэтому вопросы оптимального управления работой выпрямительно-инверторных преобразователей данных электровозов будут оставаться актуальными.

Особенности работы тиристорных преобразователей электровозов влияют на показатели качества электрической энергии в тяговой сети. Высокочастотные послекоммутационные колебания, рождаемые электровозом, могут приводить к сбоям в работе его систем управления, зачастую нарушается синхрони-

зация электронного оборудования с сетью, что приводит к броскам тока тяговых электрических двигателей. При значительных токовых нагрузках качество электроэнергии в контактной сети снижается ещё больше, хотя как раз в этот момент электровозу требуется устойчивая работа. В дополнение, низкое качество электрической энергии приводит ещё и к сокращению срока службы изоляции электрических машин и аппаратов, к нарушению работы СЦБ, АЛСН, релейной защиты, автоматики, телемеханики и др. [1].

Техническим решением в деле снижения негативного влияния электровоза на форму кривой напряжения в тяговой сети стал способ разнофазного управления (РФУ), предложенный учеными Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) Б.Н.Тихменевым, В.А.Кучумовым, Н.Н.Широченко, Ю.М.Кулиничем, за-

1Газизов Юрий Владимирович, аспирант, тел.: (3952) 638366, e-mail: Irgups@bk.ru Gazizov Yuri; Postgraduate Student, tel.: (3952) 638366, e-mail: Irgups@bk.ru

2Мельниченко Олег Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроподвижного состава, тел.: (3952) 638366 (доб. 255), e-mail: Melnichenko@irgups.ru

Melnichenko Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: (3952) 638366 (ext. 255), e-mail: Melnichenko@irgups.ru

ключающийся в разнесении во времени начал, а также окончаний коммутации различных групп преобразователей (величины угла арфУ 7 - 9 эл. град. по углам регулирования а0 и ар) [1, 4-6]. Результаты испытаний опытного электровоза ВЛ85-001 показали высокую эффективность предложенного технического решения [5]. Сдвиг регулируемого угла ар одних коммутирующих многозонных выпрямителей электровоза относительно других в идеальном случае необходимо обеспечить на величину, равную полупериоду свободных послекоммутационных колебаний напряжения, образовывая их постоянную противофазу, что в результате приведёт к их гашению. В связи с развитием современных микропроцессорных систем, обладающих необходимыми характеристиками по быстродействию, функциональности, точности обработки сигналов, влиянию случайных погрешностей и компенсации внутренних шумов, а также характеризующихся простотой управления прибором, предлагается дать возможность системе разнофазного управления достигать оптимального угла регулирования тиристорами многозонных выпрямителей (адаптивностью) при изменении параметров тяговой сети. Это позволит независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) снижать высокочастотный гармонический состав напряжения наиболее эффективно.

Суть способа заключается в выделении основных гармоник напряжения (в характеристике высокочастотных послекоммутационных колебаний) с использованием разработанной системы разнофазного управления и в сдвиге регулируемого угла ар одних коммутирующих многозонных выпрямителей электровоза относительно других именно на полупериод свободных послекоммутационных колебаний напряжения.

Выделение гармоники с наибольшей амплитудой предпочтительней производить при использовании цифровых фильтров, настроенных на основные частоты послекоммутационных колебаний, которые вносят максимальный вклад в искажение формы напряжения контактной сети при эксплуатации электровоза. Создание адаптивной системы разнофазного управления многозонными выпрямителями электровоза позволит независимо от места расположения электровоза на фидерной зоне (изменения параметров контактной сети) снижать высокочастотный гармонический состав напряжения, что повысит качество напряжения в контактной сети путем постоянной корректировки регулируемого угла ар.

Работа предлагаемой схемы (рис. 1) заключается в следующем. Напряжение контактной сети через датчик напряжения типа 1_У-100 (подключенный к обмотке выпрямительной установки возбуждения силового трансформатора) поступает на вход микропроцессорного блока управления. После преобразования и оцифровки сигнала по заданному алгоритму осуществляется фильтрация гармонических составляющих напряжения, выделяется гармоника с наибольшей амплитудой и производится расчет изменения угла запаздывания включения плеч многозонных тиристор-ных выпрямителей импульсами с фазой ар. По сигналам БУВИП-133 происходит чередование и распределение импульсов управления по плечам многозонных тиристорных выпрямителей секции электровоза через блоки согласовании и гальванической развязки. Переоценка параметров послекоммутационных колебаний происходит за пять периодов напряжения питающей сети, что является приемлемым по необходимому быстродействию системы.

Наиболее целесообразным предложенным алго-

БУВИП -133

Рис. 1. Модифицированная упрощённая принципиальная схема силовых цепей и цепей электроники

электровоза ВЛ80Р с БУВИП-133

ритмом управления многозонным тиристорным выпрямителем является адаптивное разнофазное управление многозонными тиристорными выпрямителями с использованием разнофазности управления по углу ар с применением предлагаемого алгоритма двухконтурной одновременной коммутации тока в плечах многозонного выпрямителя с диодным разрядным плечом в цепи выпрямленного тока (подробнее с данным алгоритмом можно ознакомиться в [2, 3]) (табл. 1).

Приведем описание работы предложенного алгоритма на примере 1-й и 4-й зон регулирования напряжения. Работа штатного алгоритма управления ВИП приведена в [1].

На 1-й зоне регулирования напряжения ТЭД в первый полупериод питающего напряжения ТЭД на тиристорные плечи У3 и У6 подается импульс управления ар, а на соответствующие плечи второго многозонного тиристорного выпрямителя подается импульс управления с фазой аррфу. Во второй полупериод для выравнивания нагрузки на тиристорные плечи У4, У5 подается импульс управления аррфу, а на соответствующие плечи второго многозонного тиристорного выпрямителя подается импульс управления с фазой ар (табл. 1).

На 4-й зоне регулирования напряжения ТЭД в первый полупериод питающего напряжения на тири-сторное плечо У1 подается импульс управления ар, а на соответствующее плечо второго многозонного тиристорного выпрямителя подается импульс управления с фазой аррфу. Во второй полупериод для выравнивания нагрузки на тиристорное плечо У2 подается импульс управления аррфу, а на соответствующее плечо второго многозонного тиристорного выпрямителя подается импульс управления с фазой ар.

При реализации способа адаптивного разнофаз-

ного управления формулы расчета коэффициента мощности на первой и последующих зонах регулирования напряжения получат оптимизированный вид. Расчет проведен в соответствии с рекомендацией [2]. Для 1-й зоны регулирования напряжения ТЭД

1 + соь(а

2^2

2

(1)

п-(а + ^)

' р 2 У

где ХТп - индуктивное сопротивление трансформатора; и - ток в цепи ТЭД; итп - амплитудное значение питающего напряжения.

Для 2, 3, 4-й зон регулирования напряжения ТЭД

г 242

КМ =-х

М п

1 а X I

2 ((1 + £)+ (1- £)ах(аг +^2^ )- (1+ Ф- о) и" а" ) (2)

к к ■

эф йэф

тт+(£2 -1)(ар + а2фу-)

п

где £ - коэффициент, учитывающий отношение величины напряжения предыдущей полной зоны регулиро-

и

вания к последующей, е = -

т( "-1)

I

а ("-1)

ц - коэф-

фициент, учитывающий отношение индуктивных сопротивлений рассеяния цепи выпрямленного тока преобразователя на предыдущей и последующей полных зонах регулирования, приведенных ко вторич-

ной обмотке трансформатора, ц =

х.

Т ("-1)

ХТ"

А -

коэффициент, учитывающий пульсации выпрямленного тока; ^ф - коэффициент эффективности перемен-

Таблица 1

Предлагаемый алгоритм одновременной коммутации, совместно со способом РФУ, с адаптивной системой управления_

Полу период

С(ррфу

ТТ

X

Iral

Транспорт

ного тока; КЙЗф - коэффициент эффективности выпрямленного тока.

Реализация адаптивного разнофазного управления содержит в себе ряд основных этапов: получение и усиление сигнала от датчика напряжения (тип датчика LV 100), установленного в цепи обмотки собственных нужд, дискретизация и квантование полученного сигнала по уровню, фильтрация полученного сигнала (с использованием цифровых фильтров), выбор максимальной гармоники (с использованием макси-селектора).

В соответствии с принятым алгоритмом управления разработана функциональная схема адаптивной системы разнофазного управления (АРФУ-001), приведенная на рис. 2. Система содержит следующие блоки:

- блок управления БУ-001, предназначенный для преобразования сигнала датчика напряжения LV-100, его фильтрации, выделения максимальной гармоники, расчета времени задержки в зависимости от номера гармоники, задержки сигналов управления ВИП на расчетное время, равное первому полупериоду после-коммутационных колебаний напряжения на токоприёмнике электровоза, а также управления остальными узлами АРФУ-001;

- два блока ключей БК-001, предназначенные для гальванической развязки АРФУ-001 от цепей электровоза, усиления сигналов до величины, необходимой для работы СФИ ВИП, коммутации сигналов между входом и выходом;

- блок питания БП-001 блоков БУ-001, БК-001, предназначенный для формирования напряжений, необходимых для работы системы АРФУ-001 и гальванической развязки сигналов Т/Р синхронизации от цепей электровоза;

- кросс-плата, предназначенная для интеграции перечисленных выше блоков.

В период с 26 августа по 14 сентября 2010 года на полигоне Восточно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» на участке Иркутск-Сортировочный - Улан-Удэ проведены тягово-энергетические испытания электровоза ВЛ80Р № 1829 в режиме тяги. Научно-исследовательская работа проводилась по Поручению президента ОАО «РЖД» В.И. Якунина по итогам слета молодежи ОАО «РЖД» в 2009 году ПП-96 от 17 ноября 2009 года. Модернизация электровоза ВЛ80Р №1829 в режиме тяги проводилась путём замены кассеты БРУ-535 БУВИП-133 на БРУ-М, дополнением силовой схемы электровоза разрядными диодными плечами, включенными параллельно цепям выпрямленного тока, а также включением в цепь АР-ФУ-001 (рис. 3). Подключение блока осуществляется к штатному разъему БУВИП-133 Х1, Х2. Модернизация электровоза осуществлялась в ремонтном локомотивном депо Иркутск-Сортировочный ВСЖД - филиала ОАО «РЖД».

При проведении испытаний на участке Большой луг - Андриановская (5226-5256 км) проводилась оценка работы электровоза в тяговом номинальном режиме со штатным и предлагаемым способами управления. Измерения производились в реальном времени, с использованием измерителя показателей качества электрической энергии РЕСУРС-11Р2.

Результаты испытаний представлены в виде мгновенных значений диаграмм электромагнитных процессов. На рис. 4, 5 показан случай работы электровоза на 18-м километре фидерной зоны при работе штатного алгоритма управления ВИП электровоза. На рис. 6, 7 показан случай работы электровоза на 18-м километре фидерной зоны с предлагаемым алгоритмом управления ВИП электровоза. Угол арфу при этом составляет 9 эл. градуса.

Рис. 2. Функциональная схема системы разнофазного управления АРФУ-001

Рис. 3. Подключение блока АРФУ-001 к разъемам БУВИП-133 секции электровоза

1500-1 1640-

Рис. 4. Форма кривой тока напряжения ТЭД на 4-й зоне регулирования при использовании штатного способа управления многозонным тиристорным выпрямителем секции электровоза

40' 30

20

10

0'

к а с

З-ю-01

1-20' н

4)

и

-30' -40.

—7

X

£ —\ г—

Г~ * —г

-1

2=

3

г-

3 —^ Рй иЭат

10

Время, мс

20

Рис. 5. Форма кривых напряжения тяговой сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза при использовании штатного способа управления многозонным тиристорным выпрямителем секции электровоза

10

Время, мс

Рис. 6. Форма кривой напряжения ТЭД на 4-й зоне регулирования напряжения при использовании способа АРФУ многозонными тиристорными выпрямителями секции (а, б) электровоза при арфу = 9 эл. град.

200 150«! 100« 50"

о

£ 0-

н

и-100-

-150-200.

40'

са

а 30-

20

10

й

0 0

Б

2-10-

М-^и-

щ

й-30-и

-40.

1

<1—

и1 Л-

£ £

Л

Л +

А

/

—^ £ / Г*

10

15

20

0 5

Время, мс

Рис. 7. Форма кривых напряжения контактной сети и тока в первичной обмотке тягового трансформатора секции электровоза при использовании способа АРФУ многозонными тиристорными выпрямителями секции электровоза при арфу = 9 эл. град.

Наглядно видно, что использование предлагаемого способа управления значительно улучшает форму кривой напряжения в тяговой сети. Для сравнительного анализа повышения качества электрической энергии в тяговой сети оценка проводилась по двум критериям сравнения: коэффициенту несинусоидальности напряжения (Ки) и коэффициенту п-х гармонических составляющих питающего напряжения (Ки(П)).

На рис. 8 представлены сравнительные значения коэффициента Ки, зафиксированные на участке фидерной зоны Выдрино - Переемная при предлагаемом и штатном алгоритмах управления.

Переменный, неустойчивый характер изменения графика Ки = объясняется широким диапазоном регулирования напряжения на ТЭД электровоза в соответствии с режимной картой данного участка движения.

Расчетный перегон

ЖТ^ТX.

Кедровая 5406

Расстояние, км

Рис. 8. Показатели коэффициента искажения формы кривой напряжения на токоприемнике электровоза при типовом и предлагаемом алгоритмах управления (участок Выдрино - Переемная)

На рис. 9 представлены усредненные сравнительные графики, характеризующие гармонический состав напряжения для нечетных гармоник питающего напряжения (до п=39) на участках фидерной зоны Выдрино - Переемная.

предлагаемом способе управления; коэффициент Ku(n) снижен в относительных единицах на 24,2-30,2% при предлагаемом способе управления; коэффициент мощности увеличен в среднем на 1, 2% по сравнению со способом одновременной коммутации с примене-

=8 ^

© ,

а о

^ л

§ й а а

=8 & §!

8 I

I °

« и

I Штатный алгоритм

□ Предлагаемый алгоритм

|||| 1

1Г11 §1 _ §1

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Номер гармоники

Рис. 9. Усредненные показатели гармонического состава напряжения при типовом и предлагаемом алгоритмах на полном участке фидерной зоны Выдрино - Переемная (5477-5524 км)

При использовании предлагаемых способов нием диодного разрядного плеча. управления получены следующие результаты: коэф- В настоящее время продолжается мониторинг

фициент ^ снижен в абсолютных единицах с 6-18% опытного электровоза ВЛ80Р № 1829. при штатном способе управления до 4-11 % при

Библиографический список

1. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М.: Транспорт, 1988. 311 с.

2. Власьевский С.В. Повышение эффективности выпрями-тельно-инверторных преобразователей электровозов однофазно-постоянного тока с рекуперативным торможением: дис. ... докт. техн. наук. Хабаровск, 2001. 396 с.

3. Мельниченко О.В. Повышение энергетических показателей электровозов однофазно-постоянного тока с тиристор-ными выпрямителями: дис. . канд. техн. наук. Хабаровск, 2005. 168 с.

4. Кучумов В.А., Находкин В.В., Широченко Н.Н. Технико-экономические показатели тиристорных электровозов переменного тока с разнофазным управлением // Вестник ВНИ-ИЖТ. 1987. №3. С. 15-18.

5. Испытания электровоза ВЛ85 с разнофазным управлением выпрямительно-инверторными преобразователями / Ю.М. Кулинич [и др.] // Вестник ВНИИЖТ. 1986. №4. С. 2326.

6. Тихменев Б.Н., Фроленков И.Н. Мешающее влияние на связь при разнофазном регулировании напряжения тяговых двигателей // Вестник ВНИИЖТ. 1972. № 1 С. 1-5.