Содержание к диссертации
Введение
1 Энергетическая эффективность электрической тяги переменного тока 11
1.1 Потребление электроэнергии железными дорогами на постоянном и переменном токе 11
1.2 Способы повышения энергетических показателей электрической тяги переменного тока 22
1.2.1 Улучшение энергетических показателей стационарных устройств компенсации реактивной мощности 22
1.2.2 Улучшение энергетических показателей на ЭПС переменного тока 27
1.3 Постановка задачи и метод исследования 37
2 Математическая модель системы тяговая сеть - электровоз 40
2.1 Математическое моделирование и построение математических моделей ... 40
2.2 Применение системы моделирования Элтран для анализа процессов в силовых электрических цепях электровоза переменного тока 46
2.3 Математическая модель системы «тяговая сеть - электровоз» 50
2.4 Модель тягового электроснабжения 51
2.5 Модель тягового трансформатора 54
2.6 Модель выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИЛ) 61
2.7 Модель блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУВИП 65
2.8 Модель блока автоматического управления ВИП (БАУВИП) 66
2.9 Модель нагрузки 68
2.10 Модель блока задания режимов 69
2.11 Модель информационно-измерительной системы 69
2.12 Полная математическая модель системы "тяговая сеть-электровоз" 72
3 Определение энергетических показателей электровозов с зонно-фазовым регулированием в эксплуатационных условиях 76
3.1 Методика определения энергетических показателей электровозов 79
3.2. Оценка энергетических показателей электровоза без компенсатора реактивной мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения 78
3.3 Оценка энергетических показателей электровозов с компенсатором реактивной мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения 87
4 Разработка регулируемого компенсатора реактивной мощности электровоза переменного тока 92
4.1 Выбор параметров и схемы подключения регулируемого компенсатора реактивной мощности 92
4.2 Электрические нагрузки элементов регулируемого компенсатора реактивной мощности 102
4.3. Характеристики электровоза переменного тока с регулируемым компенсатором реактивной мощности 114
5 Сравнение результатов теоретического и экспериментального анализа электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза переменного тока с регулируемым компенсатором реактивной мощности 126
5.1 Методика проведения экспериментальных исследований 126
5.2 Сравнение результатов анализа электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза с регулируемым компенсатором реактивной мощности, полученных с помощью моделирования и в экспериментах с натурным образцом 131
5.3 Экспериментальное сравнение энергетических показателей электровозов переменного тока с регулируемым компенсатором реактивной мощности и без компенсатора 137
Заключение 142
Литература 145
- Потребление электроэнергии железными дорогами на постоянном и переменном токе
- Математическое моделирование и построение математических моделей
- Оценка энергетических показателей электровозов с компенсатором реактивной мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения
- Выбор параметров и схемы подключения регулируемого компенсатора реактивной мощности
Введение к работе
Железнодорожный транспорт России ежегодно потребляет около 5% вырабатываемой в стране электроэнергии, из которых на тягу поездов расходуется свыше 30 млрд.кВтч. Одной из приоритетных задач «Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 и на перспективу до 2020 года» является «снижение энергоемкости перевозочного процесса и удельных затрат энергопотребления на тягу поездов».
Одним из путей решения этой задачи является экономия топливо-энергетических ресурсов путем повышения энергетических показателей эксплуатируемого электрического подвижного состава (ЭПС).
В настоящее время с России свыше 22 тыс. км железных дорог электрифицировано на переменном токе. Почти половину эксплуатируемого парка электровозов составляют электровозы переменного тока, оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, из которых около 15% - оборудованы преобразователями с зонно-фазовым регулированием: грузовые ВЛ80Р, ВЛ85 и 27С5К, пассажирские ВЛ65 и ЭП1. Эти электровозы имеют ряд преимуществ перед диодными (ВЛ60К, ВЛ80С и др.), важнейшие из которых - плавное регулирование выпрямленного напряжения и возможность возврата электроэнергии в систему электроснабжения при рекуперативном торможении.
Основной проблемой всех электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями являются низкие энергетические показатели, один из которых - коэффициент мощности. Низкие значения коэффициента мощности свидетельствуют о повышенном потреблении реактивной мощности и искажении формы питающего тока. Следствием этого является дополнительная нагрузка тяговой сети и электрооборудования электровоза реактивным током и увеличенный расход электроэнергии на тягу поездов.
Улучшение энергетических показателей системы тягового электроснабжения переменного тока достигается при помощи стационарных устройств компенсации реактивной мощности (КРМ), которые, как правило, устанавливают на тяговых подстанциях. При этом снижается потребление реактивной мощности из системы внешнего энергоснабжения, а внутреннее потребление реактивной мощности и связанный с этим дополнительный расход электроэнергии в тяговой сети сохраняются. Кроме того, дополнительная токовая нагрузка увеличивает падение напряжения в контактной сети и приводит к снижению напряжения на токоприемнике и тяговых двигателях электровоза.
В режиме рекуперативного торможения из-за значительного увеличения потребления реактивной мощности увеличиваются дополнительные потери в системе энергоснабжения, что снижает эффективность рекуперации электровозов переменного тока.
Актуальность работы. Одним из способов повышения коэффициента мощности на токоприемнике электровоза, снижения расхода электроэнергии на тягу поездов является применение бортовых устройств КРМ, с размещением их непосредственно на подвижном составе. Работы по созданию бортовых КРМ выполнялись ВЭлНИИ и ВНИИЖТ с начала 80-х годов. Были изготовлены и испытаны макетные образцы КРМ на электровозах ВЛ85-023, ВЛ85-155 и ЭП200. Испытания показали, что применение бортовых устройств КРМ является эффективным средством повышения коэффициента мощности электровозов в режимах тяги и рекуперативного торможения. Вместе с тем было установлено, что использование нерегулируемого компенсатора реактивной мощности приводит к увеличению коэффициента мощности при номинальной нагрузке и его снижению при малых нагрузках
Это связано с тем, что при изменении режима работы электровоза изменяется величина потребляемой реактивной мощности. При постоянной же
мощности устройства КРМ это приводит к недокомпенсации, либо к перекомпенсации реактивной мощности электровоза.
Актуальность данной диссертации определяется тем, что для обеспечения высоких значений коэффициента мощности электровоза во всех режимах работы необходимо применение регулируемого устройства КРМ.
Целью настоящей работы является исследование и разработка регулируемого компенсатора реактивной мощности электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями для повышения их энергетических показателей, а также разработка алгоритма управления таким компенсатором, позволяющего максимально эффективно использовать установленную мощность компенсатора во всем диапазоне изменения нагрузки электровоза и напряжения контактной сети.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
выполнен анализ существующих способов и средств компенсации реактивной мощности электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями;
проведены теоретические исследования электромагнитных процессов с использованием математической модели системы «контактная сеть -электровоз», которая позволяет определить энергетические показатели электровозов во всем диапазоне изменения нагрузок и напряжения в контактной сети;
выполнено имитационное математическое моделирования электромагнитных процессов в компенсированном выпрямительно-инверторном преобразователе электровоза и определены электрические нагрузки элементов регулируемого компенсатора реактивной мощности;
разработан алгоритм управления регулируемым компенсатором реактивной мощности, обеспечивающий безударное подключение компенсатора к различным выводам вторичной обмотки тягового трансформатора.
Методы исследования. Были использованы следующие методы исследования:
математическое моделирование электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза и устройствах управления путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы в электрических цепях, магнитных цепях, а также аналоговых и дискретных элементах устройств управления на основе применения программного комплекса «Эл-тран»;
спектральный анализ токов и напряжений на элементах схемы с целью определения показателей качества электроэнергии;
экспериментальные исследования компенсатора реактивной мощности при проведении испытаний на электровозе ВЛ80ТК на экспериментальном кольце ВНИИЖТ (ст. Щербинка).
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые разработана математическая модель системы: «контактная сеть - тяговый трансформатор электровоза - выпрямительно-инверторный преобразователь с регулируемым компенсатором реактивной мощности - сглаживающий реактор - коллекторные тяговые электродвигатели - устройства автоматического управления преобразователем и компенсатором».
Предложена математическая модель тягового трансформатора электровоза, учитывающая при описании электромагнитных процессов реальную конструкцию трансформатора.
Впервые произведено сравнение результатов теоретических исследований, полученных с помощью математического моделирования на ЭВМ, с результатами экспериментов на натурном образце электровоза переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями и регулируемым компенсатором реактивной мощности во всем диапазоне изменения эксплуатационных нагрузок и напряжения в контактной сети.
4. Выполнен анализ коэффициента мощности электровозов переменного тока с зонно-фазовым способом регулирования напряжения на коллекторных тяговых двигателях во всем диапазоне изменения эксплуатационных нагрузок и напряжения в контактной сети при использовании регулируемого компенсатора реактивной мощности и без него.
На защиту работы выносятся так же сравнительные результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы состоит в предложении использования регулируемого компенсатора реактивной мощности на электровозах переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями и разработке методики расчета систем компенсации реактивной мощности на эксплуатируемых и вновь строящихся электровозах.
Реализация результатов работы;
Согласно предложенной в диссертационной работе методике определены параметры и разработаны технические требования к основным элементам компенсатора реактивной мощности: реактору, конденсатору и тиристор-ному ключу;
Согласно разработанным техническим требованиям изготовлен опытный образец регулируемого компенсатора реактивной мощности для электровозов серии ВЛ80ТК;
Предложенный алгоритм управления регулируемым компенсатором реактивной мощности апробирован на опытном образце компенсатора, установленном на электровозе серии ВЛ80ТК;
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались: на IV-ей международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", 2000 г, Новочеркасск; на научно-технической конференции
"Наука-Транспорту-2005", 2005 г., Москва, а так же на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2001-2006 г.г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 84 наименований и содержит 153 страницы основного текста, 4 таблицы и 71 рисунок.
Потребление электроэнергии железными дорогами на постоянном и переменном токе
Электрические железные дороги России, составляющие 50,4% протяженности сети (43 тыс. км.), выполняют 84%» общего объема перевозок. Из них, на сегодняшний день свыше 22 тыс. км электрифицировано на переменном токе. Годовое потребление электроэнергии железнодорожным транспортом в 2002г. составило 37,8 млрд. кВт-ч.[1] Причем железнодорожный транспорт России является одним из крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов - 5,8% вырабатываемой в стране электроэнергии.
Согласно «Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги» на период до 2010 и на перспективу до 2020 года» компания намерена довести протяженность электрифицированных ж.д. в ближайшие годы до 49 тыс.км, что составит 56,7% от обшей протяженности сети ж.д., причем 90% из них будет переведено на переменный ток [2]. Также, благодаря преимуществам электротяги на переменном тока (возможность увеличения мощности, пониженный расход энергии, надежность оборудования, уменьшение количества необходимых тяговых подстанции, себестоимость перевозок на 20% ниже, чем на постоянном токе), планируется дальнейший перевод многих существующих участков сети с постоянного на переменный ток.
На участках сети переменного тока эксплуатируется более мощные электровозы с коллекторными тяговыми электродвигателями, оборудованные полупроводниковыми преобразователями - выпрямителями. Общим недостатком всех электровозов переменного тока являются низкие энергетические показатели, один из которых - коэффициент мощности. Коэффициент мощности - это один из основных показателей любого потребителя электрической энергии, показывающий эффективность преобразования поступающей от источника электрической энергии. Низкие значения коэффициента мощности свидетельствуют о повышенном потреблении реактивной мощности и искажении питающего тока. Следствием этого является дополнительная нагрузка тяговой сети и электрооборудования электровоза реактивным током и увеличенный расход электроэнергии на тягу поездов [3]. Актуальность проблемы повышения энергетических показателей электровозов переменного тока возникает не только в связи с необходимостью усиления системы энергоснабжения, а также с введением в 1999 году ГОСТа 13109-97, определяющего нормы на показатели качества электроэнергии (11 параметров). Вводятся штрафные санкции за нарушение норм по любому показателю качества электроэнергии в виде надбавок к тарифу, достигающих 10 %. При нарушении норм по нескольким показателям надбавки суммируются [4,5,6]. Такие санкции существенно влияют на экономические показатели систем электроснабжения, железнодорожного транспорта в целом во всех звеньях преобразования электрической энергии от источника до потребителя. Электроэнергия, поступающая от системы энергоснабжения на подвижной состав, расходуется на совершение полезной работы и покрытие потерь в питающей сети и электрооборудовании подвижного состава. На электровозах переменного тока для питания коллекторных тяговых двигателей используются полупроводниковые преобразователи- выпрямители, которые подключают к тяговой обмотке трансформатора. Регулируют режимы работы тяговых двигателей изменением напряжения ступенчато, путем переключения выводов тяговой обмотки, либо плавно, путем изменения угла включения полупроводниковых вентилей. Для обеспечения удовлетворительной работы тяговых двигателей в цепи выпрямленного тока применяют сглаживающие реакторы. В процессе передачи электрической энергии от тяговой подстанции к тяговым двигателям происходит преобразование ее параметров: изменение величины напряжения, выпрямление переменного напряжения в постоянное, сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока (рисунок 1.1) С учетом выполняемых преобразований параметров электрической энергии электровоз, как элемент электрической цепи, представляет собой нелинейных двухполюсник, подключенный к тяговой подстанции через контактную сеть. В свою очередь контактная сеть является линией с распределенными параметрами. Для частоты 50 Гц ее допустимо представить в виде участка электрической цепи с сопротивлением RKC и Хкс. Тяговую подстанцию с расположенными на ней трансформатором можно рассматривать источником неискаженного синусоидального напряжения. В силу нелинейных преобразований параметров электрической энергии, поступающей от тяговой подстанции, а так же конечных значений сопротивлений контактной сети, форма тока и напряжения на токоприемнике электровоза будут иметь искажения. Кроме того, процессы коммутации тока в выпрямителе, а так же фазовое регулирование напряжение, вызывает смещение тока по отношению к напряжению [7,8].
Математическое моделирование и построение математических моделей
Модель в широком смысле - это мысленный аналог, изображение, описание, схема, чертеж, карта и т.д. объекта, процесса или явления. Сам объект, процесс или явление называются оригиналом данной модели.
Моделирование - это исследование какого-либо объекта, процесса или явления путем построения и изучения их моделей. Модели используются для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов.
На идее моделирования базируется любой метод научного исследования. При этом в теоретических методах используются различного рода знаковые, абстрактные модели, а в экспериментальных - предметные модели.
При исследовании сложное реальное явление заменяется некоторой упрощенной копией или схемой. Иногда построенная схема отражает какие-то существенные черты, позволяет разобраться в механизме явления, дает возможность предсказать его изменение. Одному и тому же явлению могут соответствовать разные модели.
Задача исследователя - предсказывать характер явления и ход процесса. Для того, чтобы более четко выявить закономерность сознательно идут на огрубление, идеализацию, схематичность, то есть изучают не само явление, а более или менее точную ее копию или модель. Все законы - это законы о моделях. Особую роль в науке играют математические модели, строительный материал и инструменты этих моделей - математические понятия. При построении математической модели, изучаемого объекта или явления выделяют те его особенности, черты и детали, которые с одной стороны содержат более или менее полную информацию об объекте, а с другой допускают математическую формализацию. Математическая формализация означает, что особенностям и деталям объекта можно поставить в соответствие подходящие адекватные математические понятия: числа, функции, матрицы и так далее. Тогда связи и отношения, обнаруженные и предполагаемые в изучаемом объекте между отдельными его деталями и составными частями можно записать с помощью математических отношений: равенств, неравенств, уравнений. В результате получается математическое описание изучаемого процесса или явление, то есть его математическая модель. В понятие математического моделирования включают и процесс решения на ЭВМ [57]. Построение математической модели - это центральный этап исследования или проектирования любой системы. От качества модели зависит весь последующий анализ объекта. Построение модели - это процедура не формальная. Она в существенной степени зависит от исследователя, его опыта и вкуса, всегда опирается на определенный опытный материал. Модель должна быть достаточно точной, адекватной и должна быть удобна для использования. Математические модели могут быть детерминированными и стохастическими. Детерминированные модели - это модели, в которых установлено взаимнооднозначное соответствие между переменными, описывающими объект или явления. Такой подход основан на знании механизма функционирования объектов. Часто моделируемый объект сложен, и расшифровка его механизма может оказаться очень трудоемкой и продолжительной во времени. В этом случае поступают следующим образом: на оригинале проводят эксперименты, обрабатывают полученные результаты и, не вникая в механизм и теорию моделируемого объекта, с помощью методов математической статистики и теории вероятности, устанавливают связи между переменными, описывающими объект. В этом случае получают стохастическую модель. В стохастической модели связь между переменными носит случайный характер, что иногда бывает принципиально. Воздействие огромного количества факторов, их сочетание приводит к случайному набору переменных, описывающих объект или явление. По характеру режимов модели бывают статическими и динамическими. Статическая модель включает описание связей между основными переменными моделируемого объекта в установившемся режиме без учета изменения параметров во времени. В динамической модели описываются связи между основными переменными моделируемого объекта при переходе от одного режима к другому. Модели бывают дискретными и непрерывными, а также смешанного типа. В непрерывных моделях переменные принимают значения из некоторого промежутка, в дискретных моделях переменные принимают изолированные значения. Линейные модели - все функции и отношения, описывающие модель, линейно зависят от переменных и нелинейные в противном случае. К моделям предъявляют следующие требования: универсальность (характеризует полноту отображения моделью изучаемых свойств реального объекта); адекватность (способность отражать нужные свойства объекта с погрешностью не выше заданной); точность (оценивается степенью совпадения значений характеристик реального объекта и значения этих характеристик, полученных с помощью моделей); экономичность (определяется затратами ресурсов ЭВМ, памяти и времени на ее реализацию и эксплуатацию).
Оценка энергетических показателей электровозов с компенсатором реактивной мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения
Экспериментальные исследования проводились на электровозе ВЛ80ТК №1338 с опытным образцом компенсатора реактивной мощности. Автор диссертационной работы выполнял исследования во время приемочных испытаний электровоза, которыми руководил к.т.н. Н.Н. Широченко, на экспериментальном кольце ВНИИЖТа. В настоящей работе использованы некоторые экспериментальные данные, которые позволяют оценить адекватность разработанной математической модели, а также оценить достоверность полученных с помощью математической модели теоретических положений диссертации.
На первой секции электровоза ВЛ80ТК № 1338 при проведении капитального ремонта с продлением срока службы на Новочеркасском электровозостроительном заводе был установлен регулируемый компенсатор реактивной мощности [78], который разработан ЗАО «ОЦВ» совместно с ОАО «ВЭлНИИ» и построен по модульному принципу. Каждый модуль компенсатора состоит из батареи конденсаторов суммарной мощностью 250 квар при номинальном напряжении конденсаторов, дросселя и тиристорного ключа. Дроссель совместно с конденсаторами образует контур, настроенный на частоту, близкую третьей гармонике тока контактной сети (приблизительно равную 135 Гц). Тиристор-ный ключ, состоящий из двух включенных встречно-параллельно тиристоров VS, обеспечивает безударное подключение компенсатора к соответствующей обмотке тягового трансформатора. Каждый модуль компенсатора обеспечивает две ступени регулирования реактивной мощности. Двухполюсные контакторы служат для подключения LC-цепи к соответствующим выводам тягового трансформатора с целью изменения величины реактивной мощности модуля компенсатора. Для разряда конденсаторов параллельно им подключен разрядный резистор.
Управление контакторами и тиристорным ключом производится сигналами, вырабатываемыми микропроцессорной системой управления и диагностики МСУД.
Испытания проводились в условиях экспериментального кольца ВНИИЖТ в летний период при различных нагрузках и скоростях движения. Для обеспечения необходимых нагрузок использовался вспомогательный электровоз с электрическим торможением или состав массой около 1000 т. Скорость движения испытуемого электровоза с вагон-лабораторией и вспомогательным электровозом по кольцу составляла 110 км/ч, с составом - 80 км/ч, по стрелочному переводу - 60 км/ч.
При проведении испытаний использовались два варианта тягового электроснабжения. В первом варианте питание осуществлялось от мощного 40 МВА тягового трансформатора, имеющего номинальное напряжение на вторичной обмотке 27,5 кВ и обладающего при частоте 50 Гц индуктивным сопротивлением 3,8 Ом. Общее индуктивное сопротивление системы электроснабжения составляло в этом случае 4,5 - 6,0 Ом. Во втором варианте питание производилось от маломощного 5,5 МВА однофазного трансформатора с номинальным вторичным напряжением 25,9 кВ. Указанный трансформатор, обладающий индуктивным сопротивлением 12 Ом, питался от трансформатора, используемого в первом варианте. Дополнительно к контактной сети были подключены конденсаторы общей емкостью 0,5 мкФ. Общее индуктивное сопротивление во втором варианте питающей сети составило 16,5 - 18,0 Ом. При испытаниях использовались типовая методика испытаний магистральных электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями [79].
Для проведения измерений электровоз был оборудован измерительной системой. На рисунке 5.1 представлена блок-схема аппаратного комплекса для регистрации параметров электрических процессов в силовых цепях одной секции электровоза. напряжение на тиристорном ключе компенсатора, Ivs- ток тиристорного ключа и модуля компенсатора, UL - напряжение на дросселе компенсатора, Uc - напряжение на конденсаторах компенсатора, Uj- напряжение на выходе выпрями-тельно-инверторного преобразователя, UCP - напряжение на сглаживающем реакторе, Ітдь 1тд2 - токи тяговых двигателей одной тележки электровоза.
В состав измерительной системы вошли датчики тока ДТ типа LT 1000, датчики напряжения ДН типа LV 100 фирмы LEM класса точности 0.1, трансформатор напряжения типа ЗНОМ-35-65 класса точности 0,5 для измерения напряжения иэл на токоприемнике электровоза. Сигналы поступали через соответствующие нагрузочные сопротивления на измерительную плату АЦП типа L-440 (14 бит) фирмы L-Card на базе шины USB с сигнальным процессором ADSP-2185.
Измерительно-вычислительный комплекс, реализованный на базе персональной ЭВМ типа NoteBook Pentium IV 2,66 ГГц, тарировался в лабораторных условиях. Общий класс точности измерительно-вычислительного комплекса при измерении усредненных значений токов и напряжений был не хуже 1,25 %. Аналоговые сигналы регистрируемых электрических величин оцифровывались по каналам АЦП с частотой дискретизации от 5 до 20 кГц, в зависимости от исследуемого режима работы электровоза. Длительность непрерывного кадра процессов так же зависела от исследуемого режима. Для обеспечения работы измерительно-вычислительного комплекса и последующей обработки результатов испытаний использовалось соответствующее программное обеспечение на языке Delphi 7.0. Результаты измерения электрических величин выводились на экран компьютера, после чего записывались на жесткий диск ЭВМ.
Выбор параметров и схемы подключения регулируемого компенсатора реактивной мощности
Снижение потребления реактивной мощности приводит к уменьшению токовой нагрузки системы тягового энергоснабжения. На рисунке 5.9 приведены зависимости действующего значения тока электровоза с КРМ и без него.
Снижение тока составляет около 6А на один ВИП или около 25А на электровоз, что соответствует приблизительно 10-15% от тока электровоза. Для сравнения с экспериментальными данными на рисунках 5.10, приведены результаты спектрального анализа тока сети электровозов с КРМ и без КРМ при токе тяговых двигателей 880А.
При выпрямленном напряжении около 900В, что соответствует расчетному режиму, амплитуда основной гармоники тока электровоза снизилась с 225А до 210А, что хорошо согласуется с расчетными данными, если учесть, что в эксперименте на одной секции электровоза работают два ВИП.
Выполненная диссертационная работа посвящена обеспечению высоких значений коэффициента мощности электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями во всех режимах работы и во всем диапазоне изменения напряжения контактной сети с помощью бортового регулируемого устройства компенсации реактивной мощности.
Согласно результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сформулировать по работе следующие основные выводы: 1. Эксплуатируемые в Российской Федерации электровозы переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями имеют низкие значения коэффициента мощности, которые в режиме тяги с номинальным током не превышают 0,84-0,85, а в режиме электрического рекуперативного торможения снижаются до 0,6-0,7. Практически каждый кВт-ч активной энергии, потребляемой электровозами серии ВЛ80, сопровождается потреблением одного квар-ч реактивной энергии. 2. Повышенное потребление реактивной мощности дополнительно нагружает тяговую сеть и электрооборудование электровозов реактивным током, увеличивает в 1,5-2 раза мощность потерь в контактной сети, снижает напряжение на токоприемнике из-за роста падения напряжения в системе тягового электроснабжения в 2,5-3,0 раза и увеличивает на 1,5-2 % расход электроэнергии на тягу поездов. 3. Для повышения коэффициента мощности электровозов предлагается применение регулируемого компенсатора реактивной мощности, размещаемого непосредственно на электровозе. Регулирование величины реактивной мощности следует осуществлять ступенчато, путем подключения компенсатора к соответствующим выводам вторичной обмотки тягового трансформатора в зависимости от режима работы электровоза и величины напряжения на токоприемнике. 4. Для проведения теоретических исследований процессов в системе «контактная сеть - электровоз» разработана математическая модель, учитывающая физические явления в контактной сети, тяговом трансформаторе, компенсированном выпрямительно-инверторном преобразователе, сглаживающем реакторе, тяговых электродвигателях, а также алгоритмы функционирования устройств автоматического управления преобразователем и регулируемым компенсатором реактивной мощности. Имитационная математическая модель для определения мгновенных значений токов и напряжений элементов электрических цепей реализована на ЭВМ в программном комплексе «Элтран-ПК», позволяющем описать взаимосвязанные электрические, магнитные явления и процессы в преобразовательной установке. 5. Верификация математической модели системы «контактная сеть -электровоз» произведена для всех эксплуатационных режимов работы электровоза с использованием экспериментальных данных мгновенных значений токов и напряжений, полученных при участии автора диссертации в процессе испытаний электровоза серии ВЛ80ТК на экспериментальном кольце ВНИИЖТа. Расхождение между данными, полученными с помощью имитационного математического моделирования и экспериментальными данными не превышает 10 %. 6. Результаты расчетов, подтвержденные данными испытаний, показали, что для увеличения коэффициента мощности электровоза серии ВЛ80 до 1 0,9 и выше во всем диапазоне рабочих нагрузок, реактивная мощность регулируемого компенсатора реактивной мощности должна быть не менее 250 квар на один выпрямительно-инверторный преобразователь. 7. Применение регулируемого компенсатора реактивной мощности позволяет: - снизить на 40-50 % потребление реактивной энергии из контактной сети; - уменьшить на 15 % токовую нагрузку электрооборудования тягового электроснабжения и снизить на 30 % потери мощности в контактной сети; - уменьшить падение напряжения в системе тягового электроснабжения и на 5-7 % увеличить напряжение на тяговых двигателях и пропорционально повысить производительность электровоза; - сократить на 0,8-1 % расход электроэнергии на тягу поездов.
