CC BY
20
УДК.629.423.1
В. Н. Знаенок, О. В. Мельниченко, А. О. Линьков
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ СИЛОВЫХ ШИН НА ТОКОВУЮ СИММЕТРИЮ В ВЕТВЯХ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА IGBT-ТРАНЗИСТОРАХ при их параллельном включении
Аннотация. Актуальным вопросом является повышение коэффициента мощности электроподвижного состава. Один из способов повышения коэффициента мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения предложен учеными ИрГУПСа - это применение выпрямительно-инверторного преобразователя на IGBT-транзисторах с измененными алгоритмами управления. Данное решение позволяет значительно снизить потребление реактивного тока из контактной сети, увеличить пропускную способность железнодорожных участков, повысить техническую скорость, увеличить КПД тяговой системы электроснабжения, а также повысить количество возвращаемой электроэнергии в контактную сеть в режиме рекуперативного торможения. Представляет интерес исследование работоспособности данного преобразователя.
Объемы грузов, провозимых по железнодорожным магистралям Российской Федерации, продолжают увеличиваться. Одним из ключевых звеньев в обеспечении заданных темпов роста тонна-километровой работы является наличие мощного тягового подвижного состава, оборудованного соответствующим тяговым приводом.
Мощный тяговый привод характеризуется значительным потреблением тока. Чтобы обеспечить его протекание по плечам преобразователя, применяется параллельное соединение силовых полупроводниковых приборов. Для современных преобразователей электровозов в плече используют четыре параллельные ветви силовых ключей.
Особенности параллельной работы ветвей плеча сказываются на работоспособности преобразователя на IGBT-транзисторах. В данной статье предлагается рассмотреть одну из таких особенностей, а именно влияние паразитных индуктивностей на распределение токов по параллельным ветвям преобразователя в зависимости от точки подключения силовой шины переменного тока.
Исследование проведено с помощью программного комплекса Matlab Simulink. В статье рассмотрены различные варианты топологии соединения силовых шин и представлены диаграммы распределения токов в параллельных ветвях плеча для каждого способа подключения. Произведена оценка таких параметров, как разброс пикового тока включения ветвей плеча, время выравнивания тока в течение периода проводимости и разница по величине тока в конкретных ветвях.
Исходя из результатов исследования, а также учитывая существующие габариты для оборудования электровозов переменного тока, сделан вывод о наиболее оптимальном в применении варианте соединения силовых шин.
Ключевые слова: электровоз переменного тока, выпрямительно-инверторный преобразователь, параллельное соединение, IGBT, работоспособность.
Vyacheslav N. Znaenok, Oleg V. Melnichenko, Aleksey O. Linkov
Irkutsk State Transport University (IrSTU), Irkutsk, the Russian Federation
INFLUENCE OF THE POWER BUS DESIGN ON THE CURRENT SYMMETRY IN THE ARM BRANCHES OF A RECTIFIER-INVERTER CONVERTER ON IGBT-TRANSISTORS IN THEIR PARALLEL CONNECTION
Abstract. An urgent issue is to increase the power factor of electric rolling stock. One of the ways to increase the power factor in the traction and regenerative braking modes was proposed by the scientists ofIrGUPS - this is the use of a rectifier-inverter converter on IGBT with modified control algorithms. This solution allows to significantly reduce the consumption of reactive currentfrom the contact network, increase the capacity of railway sections, increase the technical speed, increase the efficiency of the traction power supply system, and also increase the amount of electricity returned to the contact network in the regenerative braking mode. The study of the performance of this converter is of interest.
The transported volumes of goods on the railway lines of the Russian Federation continue to increase. One of the key links in ensuring the specified growth rates of tonne-kilometer work is the availability of powerful traction rolling stock equipped with an appropriate traction drive.
A powerful traction drive is characterized by the consumption of significant current. To ensure its flow over the arms of the converter, a parallel connection ofpower semiconductor devices is used. For modern converters of electric locomotives, 4 parallel branches of power switches are used in the arm.
The features of the parallel operation of the arm branches affect the performance of the converter on IGBT transistors. This article proposes to consider one of these features, namely the influence ofparasitic inductances on the distribution of currents in the parallel branches of the converter, depending on the connection point of the AC power bus.
The study was carried out using the Matlab Simulink software package. The article discusses various options for the topology of connecting power buses and presents diagrams of the distribution of currents in the parallel branches of the arm for each connection method. An assessment was made of such parameters as the spread of the peak current of switching on the branches of the arm, the time of current equalization during the conduction period, and the difference in the magnitude of the current in specific branches.
Based on the results of the study, as well as taking into account the existing dimensions for the equipment of AC electric locomotives, a conclusion was made about the most optimal option for connecting power buses.
Keywords: AC electric locomotive; rectifier-inverter converter; parallel connection; IGBT; performance.
Согласно данным официального сайта ОАО «РЖД» за период январь - ноябрь 2021 г. тарифный грузооборот составил 2416,4 млрд ткм. Это на 4,2 % больше, чем за аналогичный период 2020 г. [1]. В марте 2021 г. компанией зафиксирован рост на 70 % транзитных перевозок по направлению «Китай - Европа - Китай», что является рекордным, если сравнить данные за указанный период в 2020 г. [2].
Выполнение перечисленных объемов работы и обеспечения роста показателей сложно представить без мощного тягового подвижного состава, оборудованного электроприводом, обеспечивающим требующиеся тяговые характеристики. Большинство современных электровозов переменного тока, эксплуатируемых на Восточном полигоне, оборудованы тяговыми электродвигателями (ТЭД) типа НБ-514Б либо НБ-514Е [3]. Подключение указанных ТЭД в зависимости от построения силовой схемы в настоящее время осуществляется двумя способами. Первый способ, реализуемый с конца 2019 г. на электровозах серии «Ермак» с поосным регулированием силы тяги, осуществлен по принципу индивидуального привода: каждый ТЭД подключается к отдельному каналу выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИПа). Второй вариант, реализованный на подавляющем большинстве эксплуатируемых на полигоне электровозов (ВЛ80р, ВЛ85, 2(3)ЭС5К), представлен на рисунке 1. При таком способе два двигателя, приходящиеся на одну тележку, подключаются параллельно друг другу к одному ВИПу.
Рисунок 1 - Упрощенная принципиальная схема тележки электровоза переменного тока с тиристорным ВИПом: ТТ - тяговый трансформатор; СР - сглаживающий реактор; ОЯ - обмотка якоря ТЭД; ОВ - обмотка
возбуждения ТЭД
Данное схемотехническое решение подразумевает, что ВИП должен быть рассчитан на двойной ток ТЭД. Так, для узла «А» (см. рисунок 1) справедливо выражение, составленное по первому закону Кирхгофа:
/-/1-/2=0. (1)
Исходя из токовых характеристик упомянутых тяговых электродвигателей при определенном режиме работы значение токов двигателя II и 12 может достигать 1100 А [4]. Опираясь на уравнение (1), несложно увидеть, что при данной силовой схеме ток I, протекающий по плечам преобразователя, будет равен сумме токов двух ТЭД.
Обеспечение протекания тока в плечах ВИПа без перегрузки силовых тиристоров достигается путем применения параллельного соединения полупроводников. Так, в плече ВИП-4000М для увеличения максимально возможной нагрузки по току включено параллельно четыре ветви тиристоров Т353-800 - рисунок 2 [5].
Я7 К9 К10
Рисунок 2 - Принципиальная схема плеча VS7 ВИП-4000М
Для обеспечения длительной работы без пробоя тиристоров по максимально возможному амплитудному значению напряжения применяют последовательное соединение полупроводниковых приборов: по два тиристора в каждой ветви плеча. Последовательное и параллельное соединения приборов приводят к усложнению конструкцию всего плеча. Для выравнивания токов в параллельных ветвях в конструкцию введены реактивные делители тока L1 - L4. Чтобы обеспечить равное падение напряжения на последовательно включенных тиристорах, в схему включены резисторы R1 - R6. В каждом плече для защиты от коммутационных перенапряжений предусмотрены также снабберные сопротивления (R7 - R10) и RC-цепи (R11 -R12 и С1 - С2)
Насыщенность схемы плеча ответственными элементами для обеспечения его работоспособности в том числе и по протеканию тока в параллельных ветвях плеча усложняет конструкцию ВИПа и влияет на надежность преобразователя и, соответственно, локомотива в целом. Особенности параллельной работы тиристоров в плечах ВИПа были достаточно изучены в процессе разработки преобразователей и их опытной эксплуатации [6].
Современные электровозы переменного тока оборудованы тиристорными ВИПами, принципиальная силовая схема и алгоритмы работы которых остаются неизменными более 50 лет. Морально устаревшая силовая база ВИПа не способна реализовать энергоэффективные алгоритмы работы и не отвечает требованиям ГОСТ Р 55364-2012 по обеспечению коэффициента мощности электровоза переменного тока в продолжительном режиме тяги не менее 0,9 [7].
Низкий коэффициент мощности, значительная загрузка контактного провода реактивным током, а также ряд других недостатков, ранее изложенных в работах [8 - 10], сдерживают рост качественных и количественных показателей железнодорожных перевозок. Альтернатива морально устаревшему преобразователю и алгоритмам его управления - это перспективный ВИП на базе ЮВТ-транзисторов с коэффициентом мощности в режиме тяги 0,95 [8 - 10].
Транзисторный преобразователь (рисунок 3) также предназначен для питания двух параллельно подключенных тяговых двигателей. Чтобы обеспечить требующуюся мощность ВИПа, в преобразователе применяется параллельное соединение силовых транзисторов. Транзисторная база преобразователя характеризуется рядом особенностей, которые влияют на параллельную работу ветвей плеча и требуют учета при его конструировании. Некоторым из этих особенностей посвящена данная статья.
Рисунок 3 - Упрощенная принципиальная схема тележки электровоза переменного тока
с ВИПом на ЮВТ-транзисторах
Параллельное соединение силовых ключей используется для наращивания мощности, оно начинается еще на уровне чипа, где имеется множество ЮВТ-ячеек. На уровне конструирования преобразователя увеличение мощности достигается путем параллельного соединения модулей. На этом этапе наступает проблема токового небаланса в параллельных ветвях. Существует множество показателей, влияющих на баланс токов, немаловажное значение в этом списке следует уделять конструкции силовых шин, соединяющих силовые модули. Чем больше физический размер модулей ЮВТ-транзисторов и их сборок в комплекте с диодами, тем больше геометрическая асимметрия их соединений в плече. В связи с этим разработка топологии силовых шин является ответственным этапом проектирования преобразователей [11 - 13].
Рассмотрим отдельное плечо ВИПа на ЮВТ-транзисторах, принципиальная схема плеча со снабберными цепями (на схеме обозначены синим) представлена на рисунке 4.
к ТТ
Шина переменного тока
К1-Я4
г^;
ГТ7>
ы
С1
В1
7УУТ72
12
В2
Л, УТ73
13
/УУУ\
СЗ
ВЗ
_1[ Г К _1[ _1[ А _|Г ФИ
УЛГТ74
С4
В4
71
Шина выпрямленного тока
Рисунок 4 - Принципиальная схема плеча ВИПа на ЮВТ-транзисторах
кТЭД
При значительных размерах сборок транзисторного преобразователя важное значение приобретает взаимное расположение токонесущих шин. Любой реальный проводник характеризуется наличием распределенной индуктивности. В рассматриваемом плече ВИПа расстояние между силовыми выводами транзисторов, соединяющимися с токоведущими шинами, составляет 200 мм. При переоборудовании опытными образцами ВИПа на базе ЮВТ-транзисторов электровоза Э5К-015 на базе СЛД «Иркутское» были проведены измерения этих участков силовых шин с помощью измерителя иммитанса МНИПИ Е7-21, которые показали наличие индуктивности 0,3 мкГн. Является ли эта величина значением, оказывающим влияние на работу при различных вариантах подключения силовых шин преобразователя? Для проведения исследования предлагается рассмотреть электромагнитные процессы в ветвях плеча преобразователя на базе ЮВТ-транзисторов посредством математического моделирования в программном комплексе МаШЬ Simulink.
Исследование осуществляется с использованием математической модели системы «Тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» [14]. В данной модели сформировано четы-рехтранзисторное плечо преобразователя, при этом участки силовой шины представлены в виде индуктивности Lш, в соответствии с измеренной величиной индуктивности. Для упрощения восприятия схемы плеча ВИПа на ЮВТ-транзисторах предложена схема замещения, состоящая из силовых ключей и паразитных индуктивностей шин. Первый вариант подключения силовых шин в плече ВИПа на ЮВТ-транзисторах представлен на рисунке 5, а. При таком способе силовые шины подключаются к крайним ветвям транзисторов: шина переменного тока - к коллектору транзистора УТ71, шина постоянного тока - к эмиттеру УТ74. Диаграмма протекания токов по параллельным ветвям плеча представлена на рисунке 5, б.
Для анализа распределения токов выбран момент включения и выключения силовых транзисторов. Время проводящего состояния ветвей соответствует существующим алгоритмам управления ВИПом на ЮВТ-транзисторах для 3-й, 5-й зон регулирования в режиме тяги [13]. По условиям моделирования приняты допущения о том, что сигнал управления подается одновременно на все ветви плеча, а помехи в цепях управления отсутствуют.
К Т Т
а )
б)
<350
15300
X 250
£200 и
« 150
ев
§ 100
ев
§ 50 и
0
Т Шина переменного тока Т
Шина выпрямленного тока
I 1
к^К Т Э Д
0,5
1,5
Время, с
2,5
х10-
4
3
I
2
0
1
2
Рисунок 5 - Распределение токов по параллельным ветвям плеча при подключении силовых шин к крайним ветвям плеча преобразователя: а - упрощенная принципиальная схема подключения силовых шин; б - диаграммы протекания токов в параллельных ветвях плеча
Судя по рисунку 5, б, получено следующее: открытие всех ветвей плеча происходит одновременно, присутствует разброс по величине пикового тока включения. Максимальное значение тока включения приходится на транзистор УТ74 и составляет более 350 А, в то время как для остальных ветвей плеча (УТ71 - УТ7з) значение тока колеблется в диапазоне 200 -250 А. Форма тока для внутренних ветвей УТ72 и УТ7з идентичная, аналогичная ситуация и для крайних ветвей плеча - УТ71 и УГ74. При этом менее чем за половину периода проводящего состояния ток выравнивается во всех ветвях плеча.
Транзисторы УТ74 и УТ71, расположенные наиболее близко к точкам подключения силовых шин, принимают пиковую нагрузку при включении и проводят больший ток, а ветви УТ72 и УТ7з, где токовые цепи удалены от силовых шин и обладают большей индуктивностью, соответственно нагружены меньше первых. При таком режиме работы потери при включении на транзисторе УТ74 будут выше по сравнению с остальными транзисторами плеча, однако разброс тока в параллельных ветвях плеча незначительный.
При изменении варианта подключения силовой шины переменного тока, как это показано на рисунке 6, а, с вывода коллектора крайнего левого транзистора УТ71 на транзистор УТ72 следует и изменение распределения токов по ветвям. Диаграммы протекания тока, полученные в результате моделирования, для следующего способа соединения представлены на рисунке 6, б.
К
а)
< 350
S300
ч
с
^250
б) Й200
и
2 150
та
И
g 100
ев
§ 50
U
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 х10-3 '
Время, с
Рисунок 6 - Распределение токов по параллельным ветвям плеча при подключении шины переменного тока к транзистору VT72: а - упрощенная принципиальная схема подключения силовых шин; б - диаграммы протекания токов в параллельных ветвях плеча
Сдвиг шины переменного тока приводит к изменению токовых диаграмм для параллельных ветвей и к увеличению небаланса между ними. Пиковый ток включения приходится на ветвь VT74, причем его величина практически в два раза превышает ток включения VT71. Номинальная величина тока протекает по VT73. Большую часть периода проводящего состояния VT72 остается недогруженным по току. По всем ветвям ток выравнивается в течение 1,2 -1,3 мс.
Вариант такого распределения токов в параллельных ветвях нельзя назвать удовлетворительным, так как в перспективе эксплуатации он может привести к выходу из строя преимущественно перегруженных ветвей, после чего - к пробою плеча в целом.
Следующий вариант подключения представлен на рисунке 7, а: шина переменного тока подключается к коллектору УТ7з. Диаграммы распределения токов в ветвях представлены на рисунке 7, б.
К Т Т
0,5
1,5
Время, с
2,5
х10-
0
1
2
Рисунок 7 - Распределение токов по параллельным ветвям плеча при подключении шины переменного тока к транзистору УТ73: а - упрощенная принципиальная схема подключения силовых шин; б - диаграммы протекания токов в параллельных ветвях плеча
При таком варианте расположения шин пиковый ток включения приходится на транзистор УТ74, причем его величина в два раза превышает номинальное значение. Выравнивание токов в ветвях наблюдается только в конце периода проводящего состояния. Ток в ветвях УТ71 -УТ7з имеет между собой незначительный разброс (около 50 А), в целом близок к номинальному. Если сравнивать с предыдущим опытом, где силовые шины подключаются к крайним ветвям транзисторов, получено, что смещение шины переменного тока привело к увеличению индуктивности в токовой цепи УТ72, и, как следствие, уменьшился ток в данной ветви. Для УТ74 токовая цепь сократилась, соответственно ток в ней увеличился.
Аналогично с вариантом подключения, представленным на рисунке 6, а, такой вид соединения не может обеспечить надежной работы плеча преобразователя по причине значительной неравномерности распределения токов в ветвях. Повышенная нагрузка на плечо УТ74 продолжительное время приведет к прожогу ветви и последующему пробою плеча.
Рассмотрим диаграммы протекания токов в параллельных ветвях плеча при включении силовых шин к крайнему транзистору (рисунок 8).
Из полученной диаграммы можем наблюдать следующее: транзистор УТ74 при включении в работу принимает максимальный ток, в два раза превышающий суммарный ток остальных ветвей плеча. Ток транзистора УТ74 плавно снижается в течение токопроводящего периода по мере принятия части нагрузки соседними параллельными ветвями УТ71 - УТ7з, но при этом остается максимальным по отношению к другим ветвям плеча. За период управления плечом токи в ветвях не выравниваются. Величина тока по ветвям УТ71 - УТ7з имеет более значительный разброс по сравнению с предыдущими опытами. Выравнивание тока в ветвях происходит лишь в конце периода проводящего состояния. Очевидно, что даже для номинального режима рассматриваемой зоны регулирования ток по крайнему плечу при непродолжительной работе может привести к перегрузке этой ветви с последующим ее отказом.
Анализ приведенных на рисунках 5 - 8 диаграмм показывает, как может повлиять на распределение токов топология соединения силовых шин, обладающих незначительной индуктивностью. Самым оптимальным вариантом считается симметричное расположение силовых транзисторов, вследствие которого обеспечивается одинаковое удаление от силовых шин, равная индуктивность и идеальное распределение токов по параллельным ветвям. Такой вариант представлен на рисунке 9, где при перечисленных условиях диаграммы токов сливаются в одну кривую без всплесков при включении плеча.
К Т Т Ь ш
а)
VT 71
II
VT 7
VT 7
VT 7
Ь ш К Т Э Д
14 -
\ \
\
" I! 1з
--
-1 _ _ _ 1_
<600
ев (Г
500
¡3400 я
б) *
'300
О
0,5
1,5
Время, с
2,5
х10-
Рисунок 8 - Распределение токов по параллельным ветвям плеча при подключении силовых шин к крайнему транзистору: а - упрощенная принципиальная схема подключения силовых шин; б - диаграммы протекания токов в параллельных ветвях плеча
а)
<
с ¡ч
(Ц
ч с,
б)
О
11-4 _ ч
-
0,5
1
1,5
Время, с
2
2,5
х10-
Рисунок 9 - Распределение токов по параллельным ветвям плеча при симметричном подключении силовых шин к транзисторам: а - упрощенная принципиальная схема подключения силовых шин; б - диаграммы протекания токов в параллельных ветвях плеча
Ь
Ь
Ь
ш
ш
2
3
Ь
Ь
Ь
ш
0
1
2
Представленный вариант наиболее приемлем при проектировании преобразователей на силовых транзисторах. Однако, говоря о преобразователе для электроподвижного состава, необходимо учитывать особенности работы и требования к существующим габаритам. Пространство внутри электровоза ограничено, а сами сборки на IGBT-транзисторах в комплекте с диодом и радиаторами охлаждения представляют собой массивную конструкцию, что в свою очередь вводит ограничения по вариантам компоновки в установленном пространстве. Необходимо отметить также, что требуется соблюдение и других немаловажных факторов при проектировании преобразователя, решающую роль среди которых играет условие равномерного охлаждения параллельных модулей в плече.
Индуктивные делители в конструкции ВИПа на базе IGBT-транзисторов не предусмотрены, так как введение дополнительной индуктивности в цепь транзисторов усложняет условия коммутации и ведет к снижению коэффициента мощности, при том что индуктивные делители не способствуют компенсации небаланса тока по параллельным ветвям в плече ВИПа на базе IGBT-транзисторов. Помимо этого применение индуктивных делителей привело бы к удорожанию и усложнению конструкции с одновременным выходом за рамки допустимых габаритов ВИПа.
При принятых допущениях моделирования можно сделать следующие выводы.
1. Паразитные параметры цепей и элементов системы плеча ВИПа, а следовательно, и ее конструкция оказывают значительное влияние на распределение токов параллельно включенных модулей.
2. Пространственное расположение отдельных компонентов относительно друг друга и образующиеся индуктивные связи влияют на распределение токов по параллельным ветвям плеча ВИПа.
3. Чем симметричнее соединение, тем лучше баланс токов в параллельных ветвях плеча ВИПа.
4. Для того чтобы разработать оптимальные технические решения необходимо провести ряд испытаний конструкции плеча ВИПа на реальном электровозе с учетом параметров всех силовых шин.
Работа выполнена в рамках государственного задания по государственной работе «Проведение прикладных научных исследований» на 2022 год по теме «Разработка математических моделей электрической части электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения и энергосберегающих алгоритмов управления его преобразователями с применением диодно-транзисторного разрядного плеча»» №121050600025-2 от 06.05.2021.
Список литературы
1. РЖД в цифрах. - rzd.ru : сайт. - Текст: электронный - URL: https://com-pany.rzd.ru/ru/9377 (дата обращения: 20.01.2022).
2. Абдримова, М. Рекордный транзит. В ОАО «РЖД» фиксируют рост объемов перевозок по Новому шелковому пути / М. Абдримова. - Текст: электронный - URL: https://gudok.ru/content/freighttrans/1558260/ (дата обращения: 15.02.2022).
3. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К) : Руководство по эксплуатации. Книга 1. Описание и работа. Электрические схемы. ИДМБ.661142.009.РЭ1. - Новочеркасск : ВЭлНИИ, 2005. - 252 с. - Текст : непосредственный.
4. Правила тяговых расчетов для поездной работы: Распоряжение ОАО «РЖД» № 867р от 12.05.2016 // https://docs.cntd.ru/: Текст : электронный. - URL: https://docs. cntd.ru /document/1200079084 (дата обращения: 20.12.2021).
5. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К): Руководство по эксплуатации. Книга 5. Описание и работа. Электронное оборудование. Преобразователи. ИДМБ.661142.009.РЭ5. -Новочеркасск : ВЭлНИИ, 2005. - 125 с. - Текст : непосредственный.
6. Капустин, Л. Д. Надежность и эффективность электровозов ВЛ80р в эксплуатации / Л. Д. Капустин, А. С. Копанев, А. Л. Лозановский. - Москва : Транспорт, 1986. - 240 с. -Текст : непосредственный.
7. ГОСТ Р 55364-2012. Электровозы. Общие технические требования. - Москва : Стан-дартинформ, 2013. - 36 с. - Текст : непосредственный.
8. Мельниченко, О. В. Разработка нового энергосберегающего алгоритма управления ВИП электровоза на IGBT-модулях / О. В. Мельниченко, Д. А. Яговкин, А. Ю. Портной. - Текст : непосредственный // Вестник института тяги и подвижного состава : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. А. Е. Стецюка и Ю. А. Гамоли. - Хабаровск : Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 2013. - Вып. 9. - С. 17-24.
9. Новый выпрямительно-инверторный преобразователь для тягового подвижного состава переменного тока с повышенными энергетическими характеристиками в режиме тяги / О. В. Мельниченко, А. Ю. Портной, Д. А. Яговкин, С. Г. Шрамко. - Текст : непосредственный // Наука и техника транспорта. - 2014. - № 3. - С. 46-51.
10. Повышение энергетической эффективности работы электровозов переменного тока / В. С. Томилов, О. В. Мельниченко, С. Г. Шрамко, С. А. Богинский. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2020. - Т. 65. -№ 1. - С. 172-182. - DOI: 10.26731/1813-9108.2020.1(65).172-182.
11. Колпаков, А. Особенности параллельного соединения модулей IGBT / А. Колпаков. -Текст : непосредственный // Компоненты и технологии. - 2008. - Вып. 8. - С. 134-139.
12. Проблемы параллельного и последовательного соединения IGBT. Часть 1. Параллельная работа IGBT / В. Арендт, А. Винтрих, У. Николаи [и др.]. - Текст : непосредственный // Силовая электроника. - 2013. - Вып. 4. - С. 67-74.
13. Хофштоттер, Н. Параллельная работа IGBT при различных способах управления затворами / Н. Хофштоттер, Й. Ламп, А. Колпаков. - Текст : непосредственный // Силовая электроника. - 2017. - Вып. 4. - С. 12-23.
14. Яговкин, Д. А. Разработка математической модели выпрямительно-инверторного преобразователя на IGBT-транзисторах для электровоза переменного тока и его блока управления в режиме тяги / Д. А. Яговкин. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2015. - Вып. 47. - С. 197-202.
References
1. RZHD v tsifrakh [Russian Railways in numbers]. Available at: https://company.rzd.ru/ru/9377 (accessed 20 January 2022).
2. Abdrimova M. Record transit. Russian Railways OJSC records an increase in traffic volumes along the New Silk Road [Rekordnyy tranzit. V OAO «RZHD» fiksiruyut rost ob"yomov perevozok po Novomu sholkovomu puti]. Available at: https://gudok.ru/content/freighttrans/1558260/ (accessed 15 February 2022).
3. Elektrovoz magistral'nyi 2ES5K (3ES5K): Rukovodstvo po ekspluatatsii. Kniga 1. Opisanie i rabota. Elektricheskiye skhemy (Main electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Manual. Book 1. Description and work. Electrical circuits.). Novocherkassk: VELNII Publ., 2005, 252 p. (In Russian).
4. Pravila tyagovyh raschetov dlya poezdnoj raboty : Rasporyazhenie OAO «RZHD» № 867r ot 12.05.2016 (Rules of traction calculations for train work: Order of JSC "Russian Railways" No. 867r dated 12.05.2016), Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200079084 (accessed 20 December 2021).
5. Elektrovoz magistral'nyi 2ES5K (3ES5K): Rukovodstvo po ekspluatatsii. Kniga 5. Opisanie i rabota. Elektronnoe oborudovanie. Preobrazovateli (Main electric locomotive 2ES5K (3ES5K). Manual. Book 5. Description and operation. Electronic equipment. Converters). Novocherkassk: VELNII Publ., 2005, 125 p. (In Russian).
6. Kapustin L.D., Kopanev A.S., Lozanovsky A.L. Nadezhnost' i effektivnost' elektrovozov VL80r v ekspluatatsii [Reliability and efficiency of VL80r electric locomotives in operation]. Moscow: Transport Publ., 1986, 240 p. (In Russian).
7. National Standard 55364-2013. Electric locomotives. General technical requirements. Moscow, Standardinform Publ., 2013, 36 p. (In Russian).
8. Mel'nichenko O.V., Yagovkin D.A., Portnoi A.Yu. Razrabotka novogo energosberegayush-chego algoritma upravleniya VIP elektrovoza na IGBT modulyakh [Development of a new energy-saving control algorithm of the reversible converter of the electric locomotive using IGBT modules]. Vestnik instituta tyagi i podvizhnogo sostava: mezhvuz. sb. nauch. tr. [Bulletin of the Institute of Traction and Rolling Stock: Interuniversity proc.]. In Stetsyuk A.E. and Gamolya Yu.A. (eds.) DVGUPS Publ., 2013, Iss. 9, pp. 17-24 (In Russian).
9. Mel'nichenko O.V., Portnoi A.Yu., Yagovkin D.A., Shramko S.G. Novyi vypryamitel'no-in-vertornyi preobrazovatel' dlya tyagovogo podvizhnogo sostava peremennogo toka s povyshennymi energeticheskimi kharakteristikami v rezhime tyagi [New reversible converter for traction rolling stock of alternating current with increased energy characteristics in traction mode]. Nauka i tekhnika transporta [Science and technology of transport], 2014, no. 3, pp. 46-51 (In Russian).
10. Tomilov V.S., Mel'nichenko O.V., Shramko S.G., Boginskii S.A. Povyshenie energetich-eskoi effektivnosti raboty elektrovozov peremennogo toka [AC-fed electric locomotives energy performance increase]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2020, vol. 65, no. 1, pp. 172-182 (In Russian).
11. Kolpakov A. Features of parallel connection of IGBT modules. Komponenty i tekhnologii -Components and technologies, 2008, Issue 8, pp. 134-139 (In Russian).
12. Arendt V., Vintrich A., Nicolai U., Tursky V., Reiman T., Kolpakov A., Kartashov E. Problems of parallel and serial connection of IGBT. Part 1. IGBT parallel work. Silovaia elektronika -Power electronics, 2013, Issue 4, pp. 67-74 (In Russian).
13. Hofstotter N., Lamp J., Kolpakov A. Parallel operation of IGBT with different gate control methods. Silovaia elektronika - Power electronics, 2017, Issue 4, pp. 12-23 (In Russian).
14. Yagovkin D.A. Development of a mathematical model of a rectifier-inverter converter based on igbt transistors for an alternating current electric locomotive and its control unit in traction mode. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2015, Issue 47, pp. 197-202 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Знаенок Вячеслав Николаевич
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроподвижной состав», ИрГУПС.
Тел.: 8-950-126-23-70. E-mail: znaenock@yandex.ru
Znaenok Vyacheslav Nikolaevich
Irkutsk State Transport University (IrSTU).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation
Postgraduate student of the department «Electric rolling stock».
Phone: 8-950-126-23-70 E-mail: znaenock@yandex.ru
Мельниченко Олег Валерьевич
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электроподвижной состав», ИрГУПС. Тел.: 8-902-170-24-37. E-mail: olegmelnval@mail.ru
Melnichenko Oleg Valerevich
Irkutsk State Transport University.
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation
Doctor of Sciences in Engineering, head of the department of Electric Rolling Stock. Phone: 8-902-170-24-37. E-mail: olegmelnval@mail.ru
Линьков Алексей Олегович
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского ул., д. 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроподвижной состав», ИрГУПС. Тел.: 8-924-709-52-99. E-mail: linkovalex@mail.ru
Linkov Alexey Olegovich
Irkutsk State Transport University (IrSTU).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation.
Ph. D in Engineering, associate professor of the department of Electric Rolling Stock. Phone: 8-924-709-52-99. E-mail: linkovalex@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Знаенок, В. Н. Влияние конструкции силовых шин на токовую симметрию в ветвях плеча выпрями-тельно-инверторного преобразователя на ЮВТ-транзисторах при их параллельном включении / В. Н. Знаенок, О. В. Мельниченко, А. О. Линьков. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2022. - № 2 (50). - С. 74 - 85.
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Znaenok V.N., Melnichenko O.V., Linkov A.O. Influence of the design of power buses on the current symmetry in the branches of the arm of the rectifier-inverter converter on IGBT transistors when they are connected in parallel. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 2 (50), pp. 74-85 (In Russian).
УДК 629.4:519.246.8
С. О. Подгорная, Е. А. Сидорова, А. И. Давыдов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛОКОМОТИВОВ
Аннотация. Существенная доля расходов ОАО «РЖД» приходится на закупку дизельного топлива и электрической энергии на тягу поездов. В связи с этим особую важность приобретает задача обеспечения рационального потребления энергоресурсов. Ее решение невозможно без четко отлаженной системы планирования и прогнозирования показателей энергетической эффективности локомотивов. В статье предложен метод прогнозирования удельного расхода энергии (УРЭ) на тягу поездов, основанный на определении прогнозных значений перевозочной работы и расхода топливно-энергетических ресурсов методом экстраполяции временных рядов, который заключается в распространении тенденций изменения величин, установленных в прошлом, на будущий период. Отличительными особенностями разработанного метода являются определение индексов сезонности и учет ритмичности изменения показателей. В случаях, если прогнозный период включает в себя месяцы первого или четвертого кварталов, предложена формула для определения прогнозного значения УРЭ с учетом влияния температуры атмосферного воздуха. Выполненные расчеты показали, что применение предложенного метода для структурных подразделений с разным объемом и характером перевозочной работы и уровнем УРЭ обеспечивает достаточно высокую точность прогнозирования энергозатрат на тягу поездов. Метод включен в состав разработанной в ОмГУПСе Методики анализа и прогнозирования расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов, внедренной на сети железных дорог Российской Федерации.
Ключевые слова: топливно-энергетические ресурсы, перевозочная работа, удельный расход энергии, прогнозирование, математическая модель, экстраполяция, временной тренд.
Svetlana O. Podgornaya, Еквд А. Sidorova, Alexey I. Davydov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
PREDICTION OF ENERGY EFFICIENCY INDICATOR FOR LOCOMOTIVES
Abstract. A significant share of JSCo «Russian Railways» expenses falls on the purchase of diesel fuel and electric power for train traction. In this connection, the task of ensuring rational consumption of energy resources acquires special importance. Its solution is impossible without a well-functioning system for planning and forecasting the energy efficiency of locomotives. The article proposes a methodfor predicting specific energy consumption (SEC) for train traction, based on determining predicted values of transportation work and fuel and energy resources consumption by extrapolating time series, which consists in spreading the trends in changes in the values established in the past to the future period. A distinctive features of the developed method is the determination of seasonality indices and consideration of the rhythm of changes in the indicators. In cases where the forecast period includes months of the first or fourth quarters, a formula is proposed for determining the forecast value of the SEC, taking into account the influence of the atmospheric air temperature. The calculations performed showed that the application of the proposed methodfor structural divisions with different volume and nature of transportation work and the level of the SEC ensures a sufficiently high accuracy of train traction energy cost forecasting. The method is included in the Methodology for Analysis and Prediction of Fuel and Energy Resources Consumption for Traction of Trains developed by OmGUPS and implemented in the railroad network of the Russian Federation.
Keywords: fuel and energy resources, transportation work, specific energy consumption, forecasting, mathematical model, extrapolation, time trend.
