Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ публикаций способов и технических средств повышения энергетической эффективности тяговых электроприводов электровозов переменного тока 18
1.1 Анализ отечественных и зарубежных публикаций способов и технических средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме тяги 18
1.2 Анализ отечественных и зарубежных публикаций способов и технических средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения 32
1.3 Постановка цели и задач исследования 44
2 Аналитическое исследование процессов работы вил электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения с типовым и новым алгоритмами управления с включением диодного плеча в схему вил . 47
2.1 Аналитическое исследование процессов работы ВИП электровоза переменного тока в режиме тяги с типовым и новым алгоритмами управления с включением диодного плеча в схему ВИП 47
2.1.1 Физические процессы работы ВИП электровоза переменного тока в режиме тяги с типовым алгоритмом управления и их влияние на его коэффициент мощности 47
2.1.2 Физические процессы работы ВИП электровоза переменного тока в режиме тяги с новым алгоритмом управления с включением диодного плеча и их влияние на его коэффициент мощности 63
2.2 Аналитическое исследование процессов работы ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения с типовым и предлагаемым алгоритмами управления с включением диодного плеча в схему ВИП
2.2.1 Физические процессы работы ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения с типовым алгоритмом управления и их влияние на его коэффициент мощности 74
2.2.2 Физические процессы работы ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения с предлагаемым алгоритмом управления и включением диодного разрядного плеча в схему инвертора и их влияние на его коэффициент мощности 86
3 Аналитическое исследование системы разнофазного управления вип электровоза переменного тока. разработка алгоритмов разнофазного управления электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения 103
3.1 Возникновение свободных высокочастотных колебаний в контактной сети при работе электровозов переменного тока 103
3.2 Принципы фильтрации сигналов напряжения нескольких генераторов 108
3.3 Аналитическое исследование системы разнофазного управления ВИП электровозов переменного тока с учётом свободных высокочастотных колебаний в напряжении контактной сети 114
3.4 Разработка алгоритма разнофазного управления ВИП электровоза переменного тока для режимов тяги и рекуперативного торможения 120
3.5 Проектирование цифровых фильтров для реализации предлагаемого способа разнофазного управления плеч ВИП электровоза 134
4 Математическое моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция контактная сеть - электровоз» в режимах тяги и рекуперативного торможения 142
4.1 Математическая модель энергоснабжения железной дороги переменного тока 142
4.2 Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения 145
4.2.1 Математическая модель тягового трансформатора 147
4.2.2 Математическая модель выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме выпрямителя 153
4.2.3 Математическая модель выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме инвертора 157
4.3 Математическая модель цепи выпрямленного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения 161
4.3.1 Математическая модель выпрямительной установки возбуждения 169
4.4 Математическая модель блока управления ВИЛ 170
4.5 Выбор критериев сравнения результатов моделирования 173
5 Результаты математического моделирования электромагнитных процессов работы вип электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения с типовым и предлагаемыми способами управления 175
5.1 Результаты математического моделирования электромагнитных процессов работы ВИП электровоза в режиме тяги с типовым и предлагаемыми способами управления 175
5.2 Результаты математического моделирования электромагнитных процессов работы ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения с типовым и предлагаемыми способами управления 193
6 Аварийные процессы вип электровоза переменного тока в режиме тяги, вызванные пропуском подачи импульсов управления на тиристоры плеч преобразователя 211
6.1 Аварийные режимы работы ВИП электровоза переменного тока при типовом алгоритме управления 213
6.2 Аварийные режимы работы ВИП электровоза переменного тока при новом алгоритме управления и с включением диодного плеча 231
6.3 Результаты математического моделирования аварийных
электромагнитных процессов работы ВИП электровоза переменного тока
в режиме тяги с типовым и предлагаемыми способами управления 244
6.3.1 Результаты математического моделирования аварийных процессов ВИП электровоза переменного тока с типовым алгоритмом управления 244
6.3.2 Результаты математического моделирования аварийных процессов ВИП электровоза переменного тока с предлагаемым алгоритмом управления 252
7 Разработка ВИП электровоза на основе igbt транзисторов в режимах тяги и рекуперативного торможения и способов его управления 264
7.1 Разработка ВИП электровоза на основе IGBT-транзисторов в режиме тяги и способа его управления 264
7.2 Разработка ВИП электровоза на основе IGBT-транзисторов в режиме рекуперативного торможения и способа его управления 275
8. Технические решения, результаты испытаний и экономическая эффективность предлагаемых разработок 282
8.1 Технические решения по реализации разнофазного управления и новых алгоритмов управления ВИП электровоза на тиристорах 282
8.2 Испытания модернизированного электровоза переменного тока ВЛ80Р с разработанными техническими решениями применения диодного разрядного плеча и РФУ ВИП 299
8.3. Результаты испытаний и сравнительные исследования повышения работоспособности ВИП реального электровоза при аварийных режимах, связанных с пропуском импульса управления тиристорных плеч ВИП 303
8.4 Оценка адекватности электромагнитных процессов разработанной математической модели процессам на электровозе в режимах тяги и рекуперативного торможения 307
8.5 Разработка лабораторных стендов для исследования работы электроприводов электровоза с типовым и предлагаемым ВИП на базе IGBT-транзисторов 312
8.6 Технико-экономическая оценка предлагаемых разработок 330
8.6.1 Расчет годового экономического эффекта от внедрения разнофазного способа управления ВИП на электровоз серии ВЛ80Р с включением в его цепь диодного плеча 330
8.6.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения на электровоз серии ВЛ80Р ВИП на основе IGBT-транзисторов 340
Заключение 346
Библиографический список
- Анализ отечественных и зарубежных публикаций способов и технических средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения
- Физические процессы работы ВИП электровоза переменного тока в режиме тяги с новым алгоритмом управления с включением диодного плеча и их влияние на его коэффициент мощности
- Принципы фильтрации сигналов напряжения нескольких генераторов
- Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения
Анализ отечественных и зарубежных публикаций способов и технических средств повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения
Из восьмидесяти пяти субъектов Российской Федерации (РФ) семьдесят девять связаны железнодорожным (ЖД) сообщением. Эксплуатационная длина железных дорог составляет 85,2 тыс. км. Протяженность электрифицированных линий составляет 43,3 тыс. км, в том числе около 60 % линии переменного тока напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц, уступая по этому показателю Китаю, который занимает первую строчку в мире с протяженностью более 55 тыс. км электрифицированных ЖД линий. ЖД перевозки охватывают более 43 % грузооборота транспортной системы России.
Российские железные дороги потребляют около 6 % всей произведённой электроэнергии в стране, или приблизительно 44 млрд. кВт-ч в год [69]. Как одному из крупнейших потребителей электроэнергии энергосберегающие технологии были приоритетны для компании во все времена, и повышение энергетической эффективности железнодорожного транспорта в целом является одной из главных стратегических задач ОАО «РЖД».
Применяемая электрическая тяга, по сравнению с другими видами тяги, имеет ряд технико-экономических преимуществ. Мощные электровозы позволяют водить тяжеловесные составы с высокими скоростями, в связи с этим пропускная и провозная способность железных дорог резко возрастает. Применение рекуперативного и реостатного торможения позволяет экономить электроэнергию и уменьшает износ тормозных колодок. Используется работа электровозов по системе многих единиц. По сравнению с другими видами локомотивов на ремонт и эксплуатацию электровозов расходуется меньше средств [95]. Развитие тяговых преобразователей электроприводов электровоза началось с выпрямителей на основе игнитронов, применявшихся для питания тяговых двигателей на первых электровозах переменного тока [248; 257]. До 1960-х годов ртутные выпрямители оставались единственными аппаратами, имевшими серийное изготовление. Однако такие выпрямители имели ряд недостатков, главными из которых были сложность в надежном «поджиге» игнитрона, склонность к перебросу электрической дуги на корпус, большие габаритные размеры и высокая опасность выделения ртутных паров при повреждении корпуса преобразователя.
По мере появления кремниевых и германиевых вентилей, ртутные выпрямительные установки были вытеснены и заменены силовыми полупроводниковыми приборами (СПП) - диодами. Первые диоды были штыревого исполнения, которые вкручивались в охладитель. Применение первых СПП на электровозах породило новые проблемы, такие как малая единичная мощность СПП, что требовало их последовательного и параллельного соединения. Примером электровозов с преобразователями на основе силовых диодов являются серии ВЛ60К, ВЛ80К и более поздний с диодами уже восьмого класса электровоз ВЛ80Т и ВЛ80С [246; 257].
Следующим шагом в развитии преобразовательной техники стало освоение производства полууправляемых СПП - тиристоров, которое позволило создать ВИП с плавным регулированием тяговых и тормозных сил при работе электровоза в режимах тяги и рекуперативного торможения. Применение преобразователей, осуществляющих плавное регулирование силы тяги вместо ступенчатого, позволило улучшить пусковые свойства электровозов и повысить использование силы тяги на 8-10 %. К тому же это позволило реализовать режим рекуперативного торможения электровоза, который даёт возможность не только снизить энергозатраты на тягу поездов на 10-18% в зависимости от профиля пути, но и экономить материальные ресурсы [30; 108; 250; 257].
Появление тиристоров и диодов большой мощности на токи до 2000 А и напряжением до 6000 В позволило упростить электрические принципиальные схемы ранее применяемых преобразователей на электровозе за счёт уменьшения количества СПП в плече преобразователя, а следовательно, привело к увеличению их надежности [16; 61].
На тиристорных преобразователях с 1974 по 1986 гг. серийно выпускались электровозы ВЛ80Р, с 1983-1994 гг. - ВЛ85, с 2004 г. производятся современные электровозы серии «Ермак» Э5К, 2ЭС5К, ЗЭС5К, а с 2014 г. - электровозы серии 4ЭС5К, которые эксплуатируются на сети дорог ОАО «РЖД» по настоящее время [38; 259].
За достаточно длительный период эксплуатации (более 45 лет) типовых ВИЛ электровозов переменного тока на основе тиристорных ключей можно выделить следующие их основные недостатки [22; 24; 28; 35; 76-78; 116; 123; 157; 243]: - типовой способ регулирования выпрямленного напряжения; - значительная длительность нерегулируемого угла открытия угла ао порядка 9±2 эл. град.; - длительность импульсов управления ВИЛ составляет порядка 1000 мкс, что необходимо для обеспечения надёжной работы ВИЛ в случае отказа системы слежения за процессом коммутации тока; - значительный угол сдвига фаз (ф) между током и напряжением в первичной цепи тягового трансформатора, и соответственно, высокое потребление реактивной мощности, следствием этого является низкий коэффициент мощности [152; 155; 169; 198; 202]; - длительная сетевая (поочередная) коммутация плеч ВИЛ, складывающаяся из последовательно проходящих друг за другом коммутаций в большом и малом контурах [24; 27; 246]; - сложная система управления ВИЛ из-за применения большого количества дополнительных и специальных устройств, таких как датчики потенциальных условий, датчики синхронизации, датчики коммутации, логические элементы, преобразователи, усилители и их связи между собой и другими устройствами системы; при отказе одного такого устройства, управление выпрямителем становится невозможным [60; 241]. Электропривод современного электровоза переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями и тиристорным ВИП в расчёте на одну тележку, обеспечивающий режимы тяги и рекуперативного торможения представлен на рисунке 1.1 [37; 58; 59; 91; 92; 244; 251; 252; 258; 259]. Крайние плечи ВИП VS1, VS2, VS7 и VS8 содержат по четыре параллельные ветви, в каждой из которых включено последовательно по три тиристора, а внутренние плечи VS3, VS4, VS5 и VS6 содержат также четыре параллельные ветви с включенными последовательно по два тиристора.
Физические процессы работы ВИП электровоза переменного тока в режиме тяги с новым алгоритмом управления с включением диодного плеча и их влияние на его коэффициент мощности
На интервале 3-я ток протекает через открытые тиристорные плечи VS3 и VS6, рисунок 2.8. К тяговому двигателю прикладывается половина напряжения первой зоны, обусловленное выводами 1-2 вторичной обмотки тягового трансформатора. Мгновенная схема замещения ВИЛ электровоза во временном интервале 3-71 представлена на рисунке 2.9, г.
В момент времени, соответствующий точке л, происходит смена направления э.д.с. с пунктирной на сплошную стрелку, рисунок 2.8. За счет открытых еще тиристорных плеч VS3 и VS6 и под действием э.д.с. самоиндукции еь, возникшей в индуктивности Ld цепи выпрямленного тока, обеспечиваются потенциальные условия для открытия диодного разрядного плеча VD. На интервале 71-4 происходит коммутация, ток в плече VD возрастает, а в плечах VS3 и VS6 падает до нуля, при этом выпрямленное напряжение равно нулю, рисунок 2.8. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале п-4 представлена на рисунке 2.10, а.
На интервале 4-5 ток протекает через диодное разрядное плечо благодаря накопленной электромагнитной энергии в индуктивностях нагрузки, рисунок 2.8. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 4-5 представлена на рисунке 2.10, б.
В момент времени, соответствующий точке 5, на плечи VS4 и VS5 одновременно подается импульс управления с фазой ар = 90 эл. град. На интервале 5-6 происходит коммутация, ток в плечах VS4 и VS5 возрастает, а в плече VD падает до нуля, при этом выпрямленное напряжение еще остаётся равным нулю, рисунок 2.8. Мгновенная схема замещения ВИП электровоза во временном интервале 5-6 представлена на рисунке 2.10, в.
На интервале 6-2п ток протекает через открытые тиристорные плечи VS4 и VS5, рисунок 2.8. К тяговому двигателю прикладывается половина напряжения первой зоны. Мгновенная схема замещения ВИП электровоза во временном интервале 6-2л представлена на рисунке 2.10, г. В следующий полупериод происходят электромагнитные процессы ВИП аналогично описанным выше.
Для второй и третьей зон регулирования работа ВИП электровоза с предлагаемым алгоритмом управления будет аналогична четвертой зоне, отличие будет состоять лишь в величине прикладываемого напряжения и тиристорных плечах, участвующих в работе, согласно предлагаемому алгоритму управления, таблица 2.2. Поэтому в качестве примера подробно рассмотрим процессы работы плеч ВИП с предлагаемым алгоритмом управления на четвертой зоне регулирования. Для этого первый и второй полупериоды выпрямленного напряжения разбиваются на временные интервалы 0-1-2-3-4-71 и я—5—6—7—8—2я соответственно, рисунок 2.11.
Предлагаемый алгоритм работы выпрямителъно-инверторного преобразователя с диодным разрядным плечом VD на четвертой зоне регулирования
Допустим, что в предшествующем полупериоде напряжения, обозначенном на рисунке 2.11 сплошной стрелкой, ток протекал по плечам VS2 и VS7 благодаря приложенной к ним положительного знака в этом полупериоде переменной э.д.с. Єаі-xi секций al-l-2-xl вторичной обмотки тягового трансформатора электровоза. После смены в точке 0 направления э.д.с. со сплошной на пунктирную стрелку на интервале 0-1 (рисунок 2.11) открывается разрядное диодное плечо VD за счёт приложения к нему положительного знака э.д.с. eai-xi через открытые еще плечи VS2 и VS7, а также под действием э.д.с. самоиндукции еь, возникшей в индуктивности Ld цепи выпрямленного тока во время прохождения по ней тока нагрузки в предыдущий полупериод напряжения сети. В результате ток нагрузки замыкается через плечо VD, минуя обмотку тягового трансформатора. Токи в плечах VS2 и VS7 начинают уменьшаться. Выпрямленное напряжение при этом равняется нулю. Мгновенная схема замещения ВИП на интервале 0-1 приведена на рисунке 2.12, а.
Рисунок 2.11- Диаграмма выпрямленного напряжения и токов плеч ВИП электровоза с предлагаемым алгоритмом управления и диодным разрядным плечом VD на 4-ой зоне регулирования в режиме тяги
В момент времени, соответствующий точке 1, на плечи VS3, VS5, VS6 и VS8 одновременно подаются импульсы управления с фазой ао. На интервале 1-2 происходит одновременная коммутация, токи в плечах VS8 и VS3 возрастают, а в плечах VS2 и VS7 падают до нуля, рисунок 2.11. Токи в плечах VS5 и VS6 сначала также начинают возрастать, а затем к концу коммутации падают до нуля, тем самым разряжая э.д.с. самоиндукции в короткозамкнутых контурах вторичной обмотки тягового трансформатора. В момент времени, соответствующий точке 2, заканчивается коммутация в тиристорних плечах и диодное разрядное плечо VD закрывается. Мгновенная схема замещения ВИП электровоза во временном интервале 1-2 представлена на рисунке 2.12, б.
На интервале 2-3 ток протекает через открытые тиристорные плечи VS8 и VS3, рисунок 2.11. К тяговому двигателю прикладывается напряжение, обусловленное выводами 1x1 вторичной обмотки тягового трансформатора. Мгновенная схема замещения ВИП электровоза во временном интервале 2-3 представлена на рисунке 2.12, в.
Рисунок 2.12 - Мгновенные схемы замещения ВИП электровоза на 4-ой зоне регулирования с предлагаемым алгоритмом управления и диодным плечом VD, соответствующие интервалам времени: 0-1 (а), 1-2 (б), 2-3 (в), 3-4 (г)
В момент времени, соответствующий точке 3, на плечо VS1 подается импульс управления с фазой ар = 90 эл. град. На интервале 3-4 происходит коммутация, ток в плече VS1 возрастает, а в плече VS3 падает до нуля, рисунок 2.11. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 3-4 представлена на рисунке 2.12, г. На интервале 4-к ток протекает через открытые тиристорные плечи VS8 и VS1, рисунок 2.11. К тяговому двигателю прикладывается напряжение, обусловленное выводами al xl вторичной обмотки тягового трансформатора. Мгновенная схема замещения ВИП электровоза во временном интервале 4-к представлена на рисунке 2.13, а.
В момент времени, соответствующий точке л, происходит смена направления э.д.с. с пунктирной на сплошную стрелку, рисунок 2.11. За счет открытых еще тиристорных плеч VS1 и VS8 и под действием э.д.с. самоиндукции еь, возникшей в индуктивности Ld цепи выпрямленного тока, обеспечиваются потенциальные условия для открытия диодного плеча VD. На интервале 7Г-5 значение тока в плечах VS8 и VS1, работающих в предыдущем полупериоде, спадает за счет коммутации с диодным разрядным плечом VD, выпрямленное напряжение равняется нулю, рисунок 2.11. Мгновенная схема замещения ВИП во временном интервале 7Г-5 представлена на рисунке 2.13, б.
Принципы фильтрации сигналов напряжения нескольких генераторов
Для режима тяги электровоза Одним из средств уменьшения амплитуды коммутационных и послекоммутационных колебаний является способ управления, использующий новый алгоритм одновременной коммутации токов тиристоров ВИП с применением диодного разрядного плеча, включенного катодом к плюсовой (катодной), а анодом к минусовой (анодной) шинам выпрямителя [130; 149; 158, 174; 178; 180; 185; 187; 212]. Этот алгоритм подробно описан в п. 2.1.2, согласно которому подача нерегулируемых импульсов управления с фазой OCQ осуществляется одновременно в каждом полупериоде напряжения. Применение диодного разрядного плеча, включенного параллельно цепи выпрямленного тока, обеспечивает использование электроэнергии, накопленной в сглаживающем реакторе и в самих тяговых двигателях. В этом случае накопленная в индуктивности энергия не отдается во внешнюю сеть. Диодное разрядное плечо также является средством, которое способствует созданию более ранних в полупериоде нормальных потенциальных условий на анодах тиристоров, необходимых для надежного отпирания плеч ВИП при малых углах аь [187; 202]. Такой подход, улучшил качество напряжения в контактной сети и повысил коэффициент мощности электровоза только за счет изменения условий протекания основной коммутации тока тиристоров плеч ВИП [235]. Однако при фазовом регулировании напряжения плеч ВИП импульсами управления с фазой av свободные колебания остались без изменения, особенно при av = 90 эл. град.
Для более значительного эффекта повышения качества напряжения на токоприёмнике электровоза и повышения коэффициента мощности электровоза предлагается в новый способ управления основной коммутацией ввести еще и разнофазное управление ВИП по углу av [117; 118; 121; 125; 126; 137; 143; 159-161; 172; 175; 189; 191; 192; 206]. Разнофазное управление ВИП заключается в задержке сигналов управления с фазой av различных групп выпрямителей на расчетное время, равное полупериоду послекоммутационных колебаний напряжения на токоприёмнике электровоза с учётом изменяющихся распределённых параметров контактной сети. При этом предлагается на интервале времени от 50 до 130 эл. град, полупериода напряжения реализовывать максимальное время задержки, равное полупериоду 7-ой гармоники сетевого напряжения, рисунок 3.15.
На интервале времени от OCQ + у до 50 эл. град, и 130 до 160 эл. град, производить задержку импульсов регулирования на минимальное время, равное полупериоду высокочастотной гармоники с максимальной её амплитудой (например, по 31-й гармонике). Причем, в моментах времени, где происходит ограничение угла av (в начале и конце полупериода напряжения), время задержки разнофазного управления сводится к нулю, рисунок 3.15.
Разработанный алгоритм разнофазного управления ВИП на 1, 2, 3 и 4-й зонах для режима тяги является еще и энергосберегающим, представлен в таблице 3.3. Этот алгоритм отличается от существующих тем, что в нем среднее выпрямленное напряжение тяговых двигателей не снижается при применении РФУ, а остается на прежнем уровне по отношению к типовому алгоритму управления ВИП. Достигается это тем, что время необходимого сдвига аРфУ делится пополам, а именно на один ВИП половинная задержка подаётся со знаком минус, а на другой - со знаком плюс.
В следующем периоде для выравнивания токовой нагрузки между ВИП электровоза задержанные импульсы управления меняются местами, этот принцип поясняет рисунок 3.15.
Такой способ разнофазного управления существенно отличается от других предыдущих способов разнофазного управления. Предлагаемые ранее алгоритмы управления ВИП электровоза с разнофазным управлением также улучшают качество электрической энергии в контактной сети, но при организации задержки открытия одного плеча ВИП относительно другого в том числе по углу ао происходит снижение среднего выпрямленного напряжения на тяговых двигателях, что снижает величину коэффициента мощности электровоза [99].
Включение диодного плеча в схему ВИП в режиме рекуперативного торможения увеличивает коэффициент мощности электровоза за счет повышения выпрямленных значений напряжения Ud и тока Id инвертора, что создает увеличение возврата активной электроэнергии в сеть. Однако при фазовом регулировании напряжения инвертора, когда происходит дополнительная (фазовая) коммутация тиристоров плеч при их управлении импульсами ар, послекоммутационные колебания в кривой напряжения сети остаются без изменения и при ар = 90 эл. град, имеют достаточно большую амплитуду. Для получения наибольшего эффекта повышения качества электроэнергии на токоприёмнике электровоза и Км электровоза предлагается, как и в режиме тяги, ввести РФУ ВИП каждой секции электровоза по регулируемому углу ар. Это управление заключается в задержке регулируемых импульсов управления с углом ар, подаваемых на тиристорные плечи при фазовой коммутации различных групп ВИП, на расчетное время, равное первому полупериоду послекоммутационных колебаний напряжения на токоприёмнике электровоза с учётом изменяющихся распределённых параметров контактной сети, рисунок 3.16 [148; 163; 164; 212].
При этом в диапазоне углов от 50 до 130 эл. град, полупериода напряжения сети реализуется максимальное время задержки, равное полупериоду 7-ой гармоники сетевого напряжения. В остальное время импульсы управления с углом ар задерживаются на меньшее время, равное полупериоду высокочастотной гармоники с максимальной ее амплитудой. При этом, в местах ограничений угла ар задержка импульсов управления по времени уменьшается до нуля, РФУ ВИП прекращается, рисунок 3.16. Разработанный алгоритм разнофазного управления ВИП электровоза в режиме рекуперативного торможения представлен в таблице 3.4.
Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения
Дополнительно для исследования модели ТЭД проведен опыт холостого хода, который показывает зависимость э.д.с. генератора от тока возбуждения Eo=f(Ie) при постоянной частоте вращения и отсутствии нагрузки (1Я=0). Для проведения опыта холостого хода генератора с независимым возбуждением создана блок-схема в пакете Simulink и получена нагрузочная характеристика, рисунок 4.22. Изменение тока возбуждения обеспечивалось за счет использования
Блок-схема для проведения опыта холостого хода генератора с независимым возбуждением (а) и полученная нагрузочная характеристика (б) После проведения ряда исследований было доказано, что процессы протекающие в модели генератора, соответствуют теоретическим представлениям. Следовательно можно сделать вывод, что разработанная модель адекватна ТЭД НБ-418К6 и может быть использована для анализа электромагнитных процессов происходящих в электровозе.
На электровозе ВЛ80Р используется сглаживающий реактор (СР) типа РС-60 [40; 251]. СР представляет собой активно-индуктивную нагрузку с параметрами:
Известно, что при рекуперативном торможении обмотка возбуждения ТЭД в режиме генератора переходит на независимое питание от управляемой ВУВ. ВУВ состоит из двух плеч, которые работают поочередно в соответствующий полупериод. В результате, через обмотки возбуждения ТЭД протекает ток, выпрямленный по двухполупериодной схеме выпрямления с нулевой точкой [251]. Схема замещения ВУВ в коммутационный интервал представлена на рисунке 4.23, а.
Блок-схема ВУВ, выполненная в редакторе Simulink, представлена на рисунке 4.23, б. На полученной модели выполнены расчеты выпрямленного напряжения и тока при работе ВУВ на активно-индуктивную нагрузку, параметры которой соответствуют цепи обмоток возбуждения ТЭД. Полученные диаграммы приведены на рисунке 4.24.
Из диаграммы видно, что к моменту времени 0,1 с ток достигает установившегося значения. В итоге полученные диаграммы соответствуют теоретическим представлениям, что позволяет сделать вывод об адекватности работы модели ВУВ электровоза.
Диаграммы выпрямленного напряжения и тока при работе ВУВ 4.4 Математическая модель блока управления ВИП Модель блока управления представлена на рисунке 4.25 и содержит в своем составе два блока: блок формирования импульсов управления в режиме тяги и рекуперативного торможения, реализующий разнофазное управление и осуществляющий все основные вычислительные операции по управлению; - блок распределительного устройства, который распределяет сигналы управления по плечам ВИП согласно заданному алгоритму управления.
Блок разнофазного управления реализован на языке высокого уровня С. Алгоритм основной программы представлен на рисунке 4.26. Поскольку программа реализующая данный алгоритм связана с управлением силовыми преобразовательными установками (ВИП и ВУВ), работающими на промышленной частоте 50 Гц, то необходимо, чтобы интервал повторения вычислений был синхронизирован с тактом работы преобразователя.
В связи с этим интервал повторения вычислений принят равным одному полупериоду промышленной частоты и составляет 10 мс.
Запуск программы осуществляется по приходу сигнала «Sinhro», который формируется при переходе сетевого напряжения через 0 (блок 2). Блоки 3-5 служат для отсева ложных сигналов полупериода (п/п): если приходит сигнал помехи, то он игнорируется (блок 5) и программа переходит в режим ожидания прихода действительного фронта полупериода п/п. Помеха выявляется следующим образом. Сигнал полярности полупериода, считанный в текущем цикле рабочей программы, запоминается в переменной Ppol (блок 4) и сравнивается со значением сигнала полярности Ppoll из предыдущего цикла. В случае их совпадения делается вывод о ложности сигнала (блок 5). При условии смены знака полупериода начинается цикл выполнения основной программы.
В блоке 6 осуществляется ввод заданий с пульта машиниста, ввод данных с датчиков слежения и коммутации. Блок 7 реализует интенсивность задания нарастания/снижения тока ТЭД. Плавность сброса av обеспечивается задатчиком интенсивности, который сравнивает текущее задание со считанным заданием управляющего воздействия и если оно меньше, то уменьшает угол регулирования со скоростью 47 эл. град./сек. [259]. Аналогично, если значение задания, хранящегося во вспомогательной ячейке, превышает значение кода управляющего воздействия, считанного при вводе в блоке 6, осуществляется плавное увеличение угла регулирования с темпом 47 эл. град/сек.
Затем формируется угол регулирования ар и номер зоны регулирования в соответствии с заданным значением (блок 8). Далее выполняется ограничение регулируемого угла ар по максимальному значению (блок 9). В режиме тяги и рекуперации на всех зонах регулирования фаза угла av слева ограничивается величиной осоз. Ограничения минимального угла (справа) определяется отдельно для режима тяги и рекуперации (блок 10 определяет режим работы). В режиме тяги (блок 11) справа av ограничивается на первой зоне регулирования значением 21 эл. град (угол отсчитывается от 180 эл. град.). На остальных зонах (со 2-й по 4-ю) величина фазы угла ограничения по минимуму составляет 26 эл. град.
В режиме рекуперации (блок 12) величина угла регулирования ВИП av справа ограничена минимальным значением угла опережения отпирания тиристоров /Зщіп = 31 эл. град.
В блоке 13 осуществляется определение угла регулирования аъуъ ВУВ, а в блоках 14 и 15 его ограничение по минимуму и максимуму. Максимальное значение аъ соответствует ПО эл. град., а по минимуму аъ ограничивается величиной 50 эл. град. [259]. В конце режима рекуперации реализуется алгоритм регулирования угла опережения (5 на постоянный угла запаса 8 с целью обеспечения устойчивости инвертора в режиме рекуперации (блок 16). Далее ветви программы сходятся, если включен алгоритм с РФУ ВИП электровоза, он выполняется, если нет, то сигналы выводятся на БРУ блока управления.
Так как при несинусоидальных кривых напряжения и тока средняя активная мощность цепи равна сумме средних мощностей постоянной составляющей и отдельных гармоник, а полная мощность - произведению действующего значения несинусоидального напряжения (корень квадратный из суммы квадратов постоянной составляющей и действующих значений отдельных гармоник напряжения) на действующее значение несинусоидального тока (корень квадратный из суммы квадратов постоянной составляющей и действующих значений отдельных гармоник тока), то выражение будет иметь вид [24; 82]