Теоретичні передумови симетрування живлячої напруги та обґрунтування структури симетруючого пристрою для живлення допоміжних машин електропоїзда ЕР9М Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423.064.5 : 621.3.025

О. Ю. БАЛ1ЙЧУК (ДНУЗТ)

Кафедра «Електротехшка та електромеханiка», Днiпропетровський нацюнальний унiверситет залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна, 49010, м. Днтропетровськ, Укра'ша, м. Днiпропетровськ, вул. Лазаряна, 2, тел.: (056) 373-15-47, ел. пошта: baliichukaleksei@mail.ru. ОЯСЮ: orcid.orq/0000-0003-0119-1446

теоретичн1 передумови симетрування живлячо1

напруги та обГрунтування структури симетруючого

пристрою для живлення допом1жних машин електропо1зда ер9м

Вступ

1з практики експлуатаци мереж загального користування, енергозабезпечення промисло-вих шдприемств [1, 2] вiдомо, що несиметрiю напруг можна обмежити до значення к2и ^ ^2Цдоп застосовуючи як рiзнi схемнi рь

шення, так i спецiальнi симетруючi пристро! [1, 2]. Аналогiчнi за суттю заходи е прийнятними для застосування на рухомому складi, зокрема на електропо!здах змiнного струму ЕР9М, на яких живлення допомiжних машин в режимах, що вiдрiзняються вiд номшальних, можливе трифазною напругою iз значною несиметрiею. Це призводить до виникнення додаткових на-грiвань обмоток статорiв допомiжних машин i, як наслщок, передчасного виходу з ладу допо-мiжних машин.

Якщо допустимих значень коефщента не-симетри застосуванням схемних ршень досяг-ти не вдаеться, необхщний рiвень несиметри забезпечують за допомогою симетруючих при-стро!в (СП) [1, 2].

Постановка задачi

Постае задача розробити структуру симет-руючого пристрою для забезпечення живлення допомiжних машин електропо!зда ЕР9М, який би дозволив тдтримувати допустиме значення коефщенту несиметри напруги в умовах реально! експлуатаци, а також розробити методику визначення параметрiв симетруючих елемеипв даного пристрою.

Заголовок роздiлу

Процес симетрування напруги за допомогою СП полягае в компенсаци е^валентного струму зворотно! послiдовностi, що обумовлений напругою зворотно! послщовносп.

В залежностi вiд мюця встановлення СП розрiзняють iндивiдуальний, груповий, централiзований i комбiнований способи симетрування [1, 2]. При цьому шдивщуальний

спошб полягае у встановленш СП безпосеред-ньо бiля допомiжно! машини, при груповому симетруваннi в системi допомiжних машин в рiзних точках приеднання встановлюють дею-лька СП, кожен iз яких симетруе напругу лише частини системи допомiжних машин. При централiзованому симетруваннi встановлю-еться лише один СП. Комбшований спосiб по-еднуе в собi способи симетрування живлячо! напруги, описаш ранiше.

Iндивiдуальний спосiб симетрування дозво-ляе знизити несиметрiю напруги i струмiв без-посередньо на допомiжнiй машинi, але при цьому встановлена потужшсть СП використо-вуеться неращонально [1, 2]. При централiзова-ному способi симетрування потрiбна менша встановлена потужшсть елемеипв СП.

Враховуючи вплив сумарного елекричного навантаження на несиметрда напруги на виходi розщеплювача фаз, змiну величини напруги в контактнш мереж1, а вiдповiдно i напругу в си-стемi живлення допомiжних машин, рiзну гранично допустиму несиметрiю напруги за умови нормально! температури на^ву кожно! допо-мiжно! машини доцiльним е застосування iнди-вiдуальних способiв симетрування напруги ке-рованими СП.

Керованi СП можуть мати як неперервне (аналогове) так i ступеневе (дискретне) керу-вання.

Для симетрування системи лшшних напруг широкого застосування набули батаре! конден-саторiв iз неоднаковими потужностями фаз. Так, зображеш на рис. 1 конденсатори мають неоднакову реактивну потужшсть, тобто

ав ^ ^ лс .

В керованих дискретних СП батаре! конден-саторiв (БК) утворюються iз декiлькох груп, з яких одна шдключена постiйно, а iншi пiд'еднуються по мiрi необхщносп. Комутацiя груп БК здiйснюеться контакторами, або тири-сторними ключами.

© Балшчук О. Ю., 2016

-1 1-

т

Ок / \ Чдя ^ |Л

II

Рис. 1. Схема симетрування системи напруги iз застосуванням батарей конденсаторiв

На рис. 2. наведено загальний вигляд прин-ципово! схеми пропонованого автором пристрою для симетрування системи лшшних на-пруг в колах живлення допом!жних машин еле-ктропо!зда сери ЕР9М [3].

Симетрування напруги в даному пристро! ви-конуеться за допомогою шд'еднання батаре! конденсатор1в паралельно до кожно! допом!жно! машини. Наб1р необхвдно! величини емносп в> дбуваеться шляхом почергового шдключення до схеми кожно! ¿з батарей конденсатор1в. Момент комутацп батарей конденсатор1в, а також посль довшсть !х комутацп визначае мшроконтролерна система керування, яка вщслщковуе поточне значення лшшних напруг в систем! живлення допом1жних машин, пор1внюючи напругу в ль шйних проводах 1 обчислюе поточне значення _

несиметрп живлячо! напруги. При досягненш значення несиметрп напруги, що перевищуе гранично допустим! величини для конкретно! допом!жно! машини система керування формуе сигнал на шдключення до працюючого допом> жного двигуна симетруючих батарей конденса-тор!в, емн!сть яких компенсуе реактивну потуж-н!сть, що виникне в кол! живлення внаслщок протшання струм!в зворотно! посл!довност!, як! виникли в результат! дп напруги зворотно! пос-л!довност!, що прикладена до симетричних до-пом!жних машин.

Комутащя батарей конденсатор!в вщбува-еться за допомогою контактор!в модульного виконання.

Сумарна потужшсть емн!сного СП обира-еться за умови компенсац!! реактивно! потуж-ност!. Вона перерозпод!ляеться по фазам СП (див. рис. 1) таким чином, щоб струм зворотно! послщовност несиметрично! БК компенсував струм зворотно! послщовносп симетричного навантаження, який обумовлено д!ею несиметрично! вих!дно! системи напруг асинхронного розщеплювача фаз.

Потужшсть БК визначаеться в залежност! вщ аргумента ф2 вектора струму зворотньо! посл!довност! 12 [1, 2, 4].

<в

£ ® .

л.

о о. о -

■е

S1 см

S2 С„

S3_

и »

«О

Рис. 2. Принципова схема силово! частини пристрою для симетрування напруги живлення допомгжних

машин електропо!зда ЕР9М

На рис. 3. пронумеровано зони в яких аргумент Ф2 набувае певного значення. Таким чином: Зона I: 180°<ф2 <300°. Зона II: 300° <ф2 < 60°. Зона III: 60°<ф2 <180°.

В загальному випадку для визначення реактивно! потужност! БК використаемо наступну систему р!внянь [4]:

Q = V3 'ином ' ¡2 '

(

• sinФ2 + cosФ2),Ф2 е I;

Q = 2V3

•Uном • ¡2 •cosФ2>Ф2 е 11;

Q = '-13

•Uном • ¡2 •((•sinФ2 -cosФ2)'Ф2 е Ш.

При цьому струм зворотно!' пoслiдoвнoстi для aсинxpoннoï дoпoмiжнoï машини [5]:

J9 = k2u • kj • J

'ном :

(1)

де кI - кратшсть початкового пускового струму - вщношення сталого струму в обмотщ електродвигуна при нерухомому ротор!, ном> нальн!й п!дведен!й напруз! ! ном!нальн!й його частот!;

1ном - ном!нальний струм статорно! обмотки асинхронного двигуна.

Асинхронна допом!жна машина являе собою активно-!ндуктивне навантаження, при цьому

© Балшчук О. Ю., 2016

cos ф2 = 0,7...0,9, що вщповщае II зош, тому сумарна потужшсть БК при умовi повно'1 ком-пенсаци реактивно'1 потужностi пропонуеться визначати за виразом:

Q = 2 S • Uном • 12 •

cos ф2

(2)

270°

300'

Рис. 3. Д1аграма розподшу аргумента ф2 струму зворотньо'1 послщовносл I2 £

Замiсть I2 у вираз (2) шдставимо вираз (1), отримаемо

Q = 2 ^ ■Uном ■ k2U • kI • 1ном ■cos Ф2 . (3)

Реактивна потужнiсть конденсатора пропор-цiйна його емностi i номшальнш напрузi на йо-го обкладках, тобто

Q = 2п ■ f • C • U2.

(4)

Лiвi частини вира^в (3) та (4) рiвнi, прирiв-няемо правi частини виразiв, отримаемо

2п f ■C ■U 2 = (5)

= 2•л/З •Uном • k2U • kI • 1ном •cosФ2

1з виразу (5) знайдемо емнiсть БК для пов-ного симетрування напруги живлення допомь жних машин. Пюля всiх необхiдних перетво-рень i спрощень отримаемо

C = УЗ • k2U • kI • Iном •cos Ф2 (6)

п-f •U

ном

де ^2U - коефiцiент несиметри напруги у в.о.; Ri - кратшсть усталеного пускового струму двигуна;

?ном

U

ном

- номiнальний струм двигуна, А;

- номшальна напруга двигуна, В;

f - частота живлячо'1 змшно'1 напруги, Гц.

Для асинхронних двигушв справедливий вираз [6]

P = mi-Ui • Ii • cosФ1, (7)

де mi - юлькють фаз обмотки статора, для трифазних двигушв mi = 3, тому запишемо

Pi = 3 • Ui • Ii • cos ф!.

(8)

В номшальному режимi роботи вираз (8) на-буде вигляду

р1ном = 3 • Uном • 1ном •cos фном. (9)

Коефiцiент корисно'1 дй* асинхронного двигуна [6]

П =

P2 Pi

(i0)

В номiнальному режимi споживана двигу-ном потужшсть становить

pi

P2

ном

Л ном

(ii)

Пiдставимо праву частину виразу (ii) за-мiсть лiвоï частини виразу (9), отримаемо

P2

Лном

_ 3 • ^ом • 1ном •cosфном . (i2)

1з рiвняння (i2) виразимо номшальний струм статора 1ном

P2

'ном

3 • Лном • ^ом • cos фном Л ном

(i3)

3 •Uном •cos Фном

Пiдставимо вираз (i3) замiсть 1ном до виразу (6), отримаемо

P2

V3k9Ukl

C =

3 ЛномUном cos фном

-co?

nfU ном kinklPl cos ф2

(i4)

V3nf ЛномU2ном cos

;фном

Якщо прийняти в першому наближеннi у виразi (i4) Пном = 0,75 ; cos фном = 0,8 i частоту живлячо'У мережi f = 50 Гц. При прямому пуску асинхронних двигушв iз короткозамкне-ним ротором кратшсть пускового струму ki = 4...7 [6] в залежност вщ умов пуску.

© Балiйчук О. Ю., 2016

Приймаемо важкi умови пуску для допомiжних машин, вiдповiдно kj = 7 .

З урахуванням вищенаведеного пiсля вщпо-вiдних перетворень i спрощень вираз (14) ма-тиме вигляд

C = 0,043 •

klU • Р2 •cos Ф2

U'

(15)

ном

Рiвняння (15) являе собою наближенi залеж-

ностi C = f (kiu, Pl ) Для симетрування систе-

ми лiнiйних напруг живлення допомiжних машин електропо!зда змiнного струму серн ЕР9М.

Використовуючи вираз (15), побудуемо гра-фш орiентовноï залежностi величини емностi батаре! симетруючих конденсаторiв при змш-нш потужностi допомiжноï машини i коефще-нтi несиметрiï живлячо! напруги. Для цього приймаемо, що потужнiсть Pi змiнюеться в

межах Pi = 0...6 кВт, а коефщент несиметри 0 < kiu < 0,2. Отримаш результати представлено у виглядi графiка на рис. 3.

За допомогою графiка на рис. 3 можна ви-значити орiентовне значення сумарно! емностi БК в СП для кожно! допомiжноï машини. Значення необхщно! емностi лежить на поверхш графiка в точщ, координати якоï вiдповiдають номiнальнiй потужносп допомiжноï машини i гранично допустимому значенню несиметри живлячо! напруги за умов нормально! темпера-тури обмотки статора.

Для точного визначення емносп БК для симетрування лшшних напруг допомiжних машин необидно враховувати реальний ккд та

л- • • собф

коефiцiент потужностi ^ допомiжноl машини, тому для цього потрiбно використовува-ти вираз (14).

Коефрент несиметри,

Рис. 3. Ор1ентовна залежнють C = f ( kiu, Pi ) батарей конденсатор1в СП в систем! живлення

допом1жних машин електропо!зда ЕР9М

Висновки

В ход! аналiзу розглянуто вщом! способи симетрування системи лшшних напруг. Розглянуто можливють симетрування системи л> ншних напруг допом!жних машин електропо!з-д!в змшного струму за допомогою керованих шдивщуальних емшсних симетруючих при-строïв дискретноï дп.

Запропоновано структуру та принципову схему пристрою для контролю якосп електри-чноï енергiï, якою живляться допом!жш машини електропоïзда змшного струму серiï ЕР9М, !з системою керування на базi мiкроконролерiв.

Розроблено методику визначення емносп батарей конденсаторiв симетруючих пристроïв, за якою виконано розрахунок орiентовних зна-чень емносп симетруючих конденсаторiв для вшх допом!жних машин електропоïзда змшного струму сери ЕР9М при умов! повного симетрування системи лшшних напруг на затискачах машин. Дослщження показали, що для симетрування системи напруг, коефщент несиметри яко! знаходиться в дiапазонi вщ 2% до 14%, якою живляться допом!жш машини потр!6но застосовувати конденсаторш батаре!, емностi яких складають 50...1900 мкФ.

© Батйчук О. Ю., 2016

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Данцис, Я. Б. Емкостная компенсация реактивных нагрузок мощных токоприемников промышленных предприятий / Я.Б. Данцис, Т.М. Жи-лов. Л.: Энергия, 1980. - 176 с.

2. Кузнецов, В.Г. Снижение несимметрии и несинусоидальности напряжения в электрических сетях / В.Г. Кузнецов, А.С. Григорьев, В.Б. Данилюк. -К.: Наукова думка, 1992. - 239 с.

3. Патент 95540 Украна, МПК в05Р 1/00, Н02М 3/24. Пристрш для забезпечення симетри живлення допом1жних машин електропогадв змшного струму / Балiйчук О.Ю.; заявник i патентовласник Дншропет-ровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна. - № и201408026; заявл. 16.07.2014; опубл. 25.12.2014, Бюл.№ 24.

4. Жежеленко, И. В. Показатели качества электроенергии и их контроль на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 252 с.

5. Некрасов, О. А. Вспомогательные машины электроподвижного состава переменного тока / О. А. Некрасов. - М.: Транспорт, 1967. - 168с.

6. Вольдек, А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений / А.И. Вольдек. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

Надшшла до друку 12.05.2016.

Внутршнш рецензент Муха А. М.

REFERENCES

1. Dancis Ja.B., Zhilov T.M. Emkostnaja kompensaci-ja reaktivnyh nagruzok moshhnyh tokopriemnikov promyshlennyh predprijatij [The capacitive compensation of reactive loads of powerful industrial enterprises for the current collectors]. Leningrad, Energija Publ., 1980. 176 p.

2. Kuznecov V.G., Grigor'ev A.S., Daniljuk V.B. Snizhenie nesimmetrii i nesinusoidal'nosti naprjazhenija v jelektricheskih setjah [Reduction of asymmetry and non-sinusoidal voltage in electrical networks]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1992. 239 p.

3. Baliychuk O.Yu. Prystriy dlya zabezpechennya symetriyi zhyvlennya dopomizhnykh mashyn el-ektropoyizdiv zminnoho strumu [The device for symmetry of power supply of auxiliary motors of AC electric trains] Patent UA, no. u201408026, 2014.

4. Zhezhelenko I.V., Saenko Ju.L. Pokazateli kachestva jelektroenergii i ih kontrol' na promyshlennyh predprijatijah [Quality parameters of power and control of industrial plants]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2000. 252 p.

5. Nekrasov O.A. Vspomohatelnye mashyny el-ektropodvyzhnoho sostava peremennoho toka [Auxiliary electric machines of the electric rolling stock AC]. Moscow, Transport Publ., 1967. 168 p.

6. Voldek A.I. Elektricheskie mashiny [Electrical machines]. Leningrad, Energiya Publ., 1978. 832 p.

Зовшшнш рецензент Денисюк С. П.

Для електропоТздв серп ЕР9М характерною е значна несиметрiя напруги, що живить допомiжнi маши-ни, в режимах як вiдрiзняються вщ номшальних. Виникаючi при цьому додатковi перерви обмоток стато-рiв допомiжних машин призводять до ушкодження Тх iзоляцiT i передчасного виходу з ладу.

Проведено аналiз вiдомих способiв симетрування системи лiнiйних напруг з метою пошуку таких, якi можна застосувати в системi живлення допомiжних машин електропоTздiв змiнного струму. Розглянуто мо-жливiсть симетрування системи лшшних напруг допомiжних машин електропоTздiв змшного струму за до-помогою керованих шдивщуальних емнiсних симетруючих пристроТв дискретноТ дм. Розроблено структуру симетруючого пристрою для забезпечення живлення допомiжних машин електропоТзда ЕР9М, який би дозволив пщтримувати допустиме значення коеф^енту несиметрiT напруги в умовах реальноТ експлуатацiT, а також розроблено методику визначення параметрiв симетруючих елементiв названого пристрою.

В ходi дослiдження визначено, що для забезпечення повного симетрування напруги при коеф^ент несиметрм 0,02..0,14 в колах живлення допомiжних машин потрiбна емнiсть конденсаторних батарей повинна складати 50...1900 мкФ.

Ключовi слова: допомiжнi машини, електропоТзд змшного струму, симетрування системи лшшних напруг, симетруючий пристрш.

УДК 629.423.064.5:621.3.025

А. Ю. БАЛИЙЧУК (ДНУЖТ)

Кафедра «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта им. акад. В. Лазаряна, 49010, г. Днепропетровск, Украина, г. Днепропетровск, ул.. Лазаряна, 2, тел.: (056) 373-15-47, эл. почта: baliichukaleksei@mail.ru. ОЯСЮ: orcid.org/0000-0003-0119-1446

теоретические предпосылки симметрирования питающего напряжения и обоснование структуры симметрирующих устройств для питания вспомогательных машин электропоездов эр9м

II Для электропоездов серии ЭР9М характерна значительная несимметрия питающего вспомогательные || машины напряжения, в режимах которые отличаются от номинальных. Возникающие при этом дополни-

© Балшчук О. Ю., 2016

тельные перегрев обмоток статоров вспомогательных машин приводят к повреждению их изоляции и преждевременному выхода из строя.

Проведен анализ известных способов симметрирования системы линейных напряжений с целью поиска таких, которые можно применить в системе питания вспомогательных машин электропоездов переменного тока. Рассмотрена возможность симметрирования системы линейных напряжений вспомогательных машин электропоездов переменного тока с помощью управляемых индивидуальных емкостных симметрирующих устройств дискретного действия. Разработана структура симметрирующих устройства для обеспечения питания вспомогательных машин электропоезда ЕР9М, который бы позволил поддерживать допустимое значение коэффициента несимметрии напряжения в условиях реальной эксплуатации, а также разработана методика определения параметров симметрирующих элементов названного устройства.

В ходе исследования установлено, что для обеспечения полного симметрирования напряжения при коэффициенте несимметрии 0,02..0,14 в цепях питания вспомогательных машин потребная емкость конденсаторных батарей должна составлять 50 ... 1900 мкФ.

Ключевые слова: вспомогательные машины, электропоезд переменного тока, симметрирование системы линейных напряжений, симметрирующее устройство.

Внутренний рецензент Муха А. Н. Внешний рецензент Денисюк С. П.

UDC 629.423.064.5:621.3.025

O.Yu. BALIIICHUK (DNURT)

Department of Electrical Engineering and Electromechanics, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: +38 (056) 373-15-47, e-mail: baliichukaleksei@mail.ru, ORCID: orcid.org/0000-0003-0119-1446

theoretical background of balancing supply voltage and justification of structure of symmetrical unit for power supply of auxiliary motors of electric trains er9m

The power supply voltage of auxiliary machines of multiple-unit train ER9M series is characterized by the considerable voltage asymmetry, especially in condition which differ from nominal. Emerging with additional overheating of the stator windings of auxiliary machines cause damage to their insulation and premature failure.

Was made the analysis of the known methods of balancing the system of line voltages in order to find those that may be apply in the system of auxiliary motors of AC electric multiple-unit train. Was shown the possibility of balancing electric system AC line voltage of auxiliary machines by means of individual controlled capacitive units discret action. Was developed the structure of the capacitor units to provide power supply to auxiliary electric machines of multiple-unit train ER9M series, which would allow to maintain the allowable voltage unbalance factor of importance in a real operation, and was developed the method of determining the parameters of balancing elements of the named device.

The study found that the required capacity of the capacitor banks must be 50 ... 1900 uF for full voltage balancing with the unbalance coefficient 2...14 percent in the supply circuits of auxiliary machines.

Keywords: auxiliary machine, AC electric multiple-unit train, balancing the system of line voltages, symmetrical unit.

Internal reviewer Mukha A. M.External reviewer Denisyuk S. P.

© Балшчук О. Ю., 2016 ISSN2307-4221 Електрифтащя транспорту, № 11. - 2016.