Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ выполненных работ. постановка цели и задач исследования 11
1.1 Основные энергетические показатели качества электровозов переменного тока 11
1.2 Анализ работ по моделированию электромагнитных и электромеханических процессов, происходящих электрической железной дороге переменного тока 15
1.3 Способы компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения .25
2 Математическая модель системы тягового электроснабжения с двухпутным участком тяговой сети и движущимися по участку электровозами .38
2.1 Выбор программно-аппаратной базы для моделирования 38
2.2 Алгоритмы, реализуемые в блоках модели электрической железной дороги переменного тока
2.2.1 Общий вид модели 39
2.2.2 Модель тяговой сети с переменными сопротивлениями 46
2.2.3 Блок-решатель уравнения движения поезда 54
2.2.4 Блок учета потерь в тяговом электродвигателе 58
2.2.5 Блоки расчета активной, реактивной и полной мощностей, а так же учета расхода энергии на тягу поезда 61
2.2.6 Блоки определения энергетических показателей качества .63
2.3 Структурные схемы устройств компенсации реактивной мощности (КРМ) 64
2.3.1 Структурная схема переключаемого КРМ 64
2.3.2 Структурная схема управляемого КРМ 65
2.4 Выводы по главе 2 .69
3 Результаты моделирования работы электровозов 2эс5к и 3эс5к в различных режимах эксплуатации .71
3.1 Методика моделирования .71
3.2 Работа двух электровозов 2ЭС5К с типовой силовой схемой на консольном участке фидерной зоны 72
3.3 Работа на консольном участке фидерной зоны двух электровозов 2ЭС5К, оборудованных переключаемыми КРМ 87
3.4 Работа на консольном участке фидерной зоны двух электровозов 2ЭС5К, оборудованных управляемыми КРМ .98
3.5 Работа двух электровозов 3ЭС5К с типовой силовой схемой и оборудованных управляемыми КРМ на консольном участке фидерной зоны .112
3.6 Работа двух электровозов 3ЭС5К с типовой силовой схемой и оборудованных управляемыми КРМ при двухстороннем питании фидерной зоны .124
3.7 Выводы по главе 3 .133
4 Результаты моделиврования движения электровозов по участку с типовым профилем .135
4.1 Методика моделирования .135
4.2 Движение по участку двух электровозов 2ЭС5К с типовой силовой схемой без применения рекуперативного торможения .137
4.3 Движение по участку двух электровозов 2ЭС5К с типовой силовой схемой и применением рекуперативного торможения 142
4.4 Движение по участку двух электровозов 2ЭС5К, оборудованных управляемыми КРМ .148
4.5 Выводы по главе 4 .155
5 Технико-экономическое обоснование применения компенсирующих устройств на Э. П. С 156
5.1 Расчет стоимости оборудования управляемого КРМ 156
5.2 Оценка экономической эффективности применения управляемого КРМ на электровозе .162
5.3 Выводы по главе 5 .169
Заключение .170
Список литературы
- Анализ работ по моделированию электромагнитных и электромеханических процессов, происходящих электрической железной дороге переменного тока
- Алгоритмы, реализуемые в блоках модели электрической железной дороги переменного тока
- Работа на консольном участке фидерной зоны двух электровозов 2ЭС5К, оборудованных переключаемыми КРМ
- Движение по участку двух электровозов 2ЭС5К с типовой силовой схемой и применением рекуперативного торможения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На электрических железных дорогах Российской Федерации работает более двух тысяч электровозов переменного тока с коллекторными электродвигателями и зонно-фазовым регулированием напряжения. Эти электровозы характеризуются низкими значениями коэффициента мощности, который в зависимости от нагрузки и удаления электровоза от тяговой подстанции находится в пределах 0,65-0,85. На Красноярской железной дороге по обобщённым годовым данным средний коэффициент мощности указанных электровозов составляет 0,795. Низкие значения коэффициента мощности свидетельствуют о повышенном потреблении реактивной энергии, а также о появлении искажений напряжения и тока на токоприемнике электровоза. При этом в тяговой сети протекают реактивные токи, вызывающие дополнительные потери передаваемой энергии, что влечет увеличение расхода энергии на тягу поездов. В работе предлагается оборудовать такие электровозы бортовыми управляемыми компенсаторами реактивной мощности (КРМ), обеспечивающими снижение потребляемой электровозами реактивной энергии, а так же улучшение их энергетических показателей, что является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. Проблема моделирования электромагнитных процессов в системе «тяговая сеть – электровоз», оценки энергетических показателей этой системы, а также применения устройств компенсации реактивной мощности отражена в работах А. Т. Буркова, С. В. Власьевского, Л. А. Германа, Д. В. Ермоленко, Ю. М. Инькова, А. Б. Косарева, Б. И. Косарева, В. А. Кучумова, Ю. М. Кулинича, В. В. Литовченко, Р. Р. Мамошина, В. Б. Похеля, А. Н. Савоськина, Б. Н. Тихменева, Л. М. Трахтмана, В. Д. Тулупова, Н. Н. Широченко, В. П. Феоктистова, А. В. Фролова и многих других. В известных работах рассматривались возможности применения устройств компенсации реактивной мощности на тяговых подстанциях и электровозах, но не было проведено исследований с целью сравнительной оценки влияния этих устройств на энергетические показатели электровозов при различных вариантах конструктивного исполнения электрооборудования электровозов и КРМ, схем питания фидерной зоны от тяговых подстанций и режимов работы электровозов на участке электрической железной дороги.
Цель и задачи. Целью данной работы является исследование влияния различных типов бортовых КРМ на энергетические показатели качества грузовых электровозов
4 переменного тока серий 2ЭС5К и 3ЭС5К.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
1. Разработка имитационной модели электрической железной дороги,
включающей в себя модели системы первичного и тягового электроснабжения и модели
грузовых электровозов ЭС5К в неподвижном и движущемся состоянии при
одностороннем и двухстороннем питании от тяговых подстанций, моделирующей
работу электровозов с учетом изменения электромагнитных параметров тяговой сети
между подстанциями и движущимися электровозами.
-
Разработка моделей переключаемого и управляемого бортовых компенсаторов реактивной мощности в пакете MatLab – Simulink, встроенных в модели электровозов серии ЭС5К.
-
Исследование, с целью сравнительной оценки, на вычислительном комплексе реального времени электромагнитных процессов и энергетических показателей электровозов при:
– различных вариантах конструктивного исполнения электрооборудования электровозов (электровозы типа 2ЭС5К и 3ЭС5К без КРМ, с переключаемыми КРМ и с управляемыми КРМ);
– различных вариантах схем питания фидерной зоны от тяговых подстанций (с односторонним и с двухсторонним питанием);
– движении по рекомендованному нормативными документами типовому участку длиной 145 км с холмистым профилем (тип III) электровозов в режимах тяги и рекуперативного торможения с КРМ и без КРМ.
4. Определение срока окупаемости электровозов ЭС5К, оборудованных
бортовыми управляемыми компенсаторами реактивной мощности.
Научная новизна работы:
-
Предложена модель системы тяговой сети с электровозами, оборудованными компенсаторами реактивной мощности, для оценки влияния бортовых компенсирующих устройств на энергетические показатели качества электровозов переменного тока, учитывающая динамические изменения электромагнитных параметров тяговой сети между подстанциями, возникающие при движении электровозов по типовому участку длиной 145 км.
-
Разработана методика оценки расхода активной, реактивной и полной энергии
5 при движении электровозов с поездами по типовому участку с оценкой энергетической эффективности по вновь введенным показателям в виде средневзвешенных значений коэффициентов мощности и коэффициентов реактивной мощности, позволяющая в полной мере учитывать влияние бортовых компенсирующих устройств на эти показатели.
3. Выполнены исследования влияния бортовых компенсирующих устройств на энергетические показатели качества электровозов переменного тока, заключающиеся в оценке:
– снижения реактивных мощностей фазового сдвига и искажения; – расхода активной, реактивной и полной энергий на тяговых подстанциях и электровозах за время хода по типовому участку;
– средневзвешенных коэффициентов мощности и реактивной мощности электровоза при движении по типовому участку; – потерь активной энергии в тяговой сети.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Разработаны алгоритм и программа учета динамического изменения
электромагнитных параметров в имитационной модели тяговой сети между
подстанциями и электровозами, работающими в режимах тяги и рекуперативного
торможения.
2. Разработана имитационная модель участка электрической железной дороги
длиной 145 км с холмистым профилем (тип III), которая позволяет дать оценку
экономической эффективности применения управляемых компенсаторов реактивной
мощности в соответствии с «Методическими указаниями по определению технико-
экономической эффективности новых и усовершенствованных электровозов» при
рассмотрении полного спектра рабочих режимов электровоза.
3. Разработана методика оценки расхода и стоимости электроэнергии,
затрачиваемой на тягу поездов электровозами, оборудованными управляемыми
компенсаторами реактивной мощности, а также срока их окупаемости.
Методология и методы исследований:
– математическое моделирование электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения с использованием основных положений теории электрических цепей, теории электрических машин и теории электрической тяги в пакете MatLab – Simulink;
6 – методы гармонического анализа кривых напряжения и тока в тяговой сети и построение векторных диаграмм напряжений и токов по действующим значениям основных гармоник;
– регламентированные методы учета расхода активной, реактивной и полной энергий в системе тягового электроснабжения при движении электровозов по типовому участку длиной 145 км с учётом динамического изменения электромагнитных параметров тяговой сети;
– определенные нормативными документами методы расчета энергетических показателей качества электровозов, таких как коэффициенты искажения по току и напряжению, коэффициенты мощности и реактивной мощности, с определением средневзвешенных значений этих коэффициентов, а также реактивные энергии фазового сдвига и искажения.
Положения, выносимые на защиту:
– имитационная модель электрической железной дороги, включающая в себя модели системы первичного и тягового электроснабжения и модели грузовых электровозов ЭС5К в неподвижном и движущемся состоянии при одностороннем и двухстороннем питании от тяговых подстанций, моделирующей работу электровозов с учетом изменения электромагнитных параметров тяговой сети между подстанциями и движущимися электровозами;
– модели переключаемого и управляемого бортовых компенсаторов реактивной мощности в пакете MatLab – Simulink, встроенных в модели электровозов серии ЭС5К; – результаты исследований влияния бортовых компенсирующих устройств на энергетические показатели качества электровозов переменного тока при:
– различных вариантах конструктивного исполнения электрооборудования
электровозов;
– различных вариантах схем питания фидерной зоны от тяговых подстанций;
– при движении по рекомендованному нормативными документами типовому
участку длиной 145 км с холмистым профилем (тип III) электровозов в режимах
тяги и рекуперативного торможения с КРМ и без КРМ.
Степень достоверности результатов. Достоверность результатов подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов численных опытов по определению
7 энергетических показателей качества электровозов с эксплуатационными данными Красноярской железной дороги.
Апробация результатов. Апробация работы выполнена в виде докладов на научно-техническом семинаре и заседаниях кафедры «Электропоезда и локомотивы», на научных конференциях университетов путей сообщения в Хабаровске, Ростове-на-Дону, Санкт-Петербурге и Омске, а так же в Санкт-Петербургском политехническом университете.
Анализ работ по моделированию электромагнитных и электромеханических процессов, происходящих электрической железной дороге переменного тока
На электровозах переменного тока с зонно-фазным регулированием, реализуется низкий коэффициент мощности, который в зависимости от нагрузки и удаления электровоза от тяговой подстанции находится в пределах 0,65-0,85. На Красноярской железной дороге по обобщённым годовым данным средний коэффициент мощности указанных электровозов составляет 0,795. По данным этой же дороги, а также в соответствии с результатами обширных экспериментов, электровозы переменного тока типа ВЛ80Р с рекуперативным торможением имеют ещё более низкий коэффициент мощности: в режиме тяги – 0,705; в режиме рекуперации – 0,5175 [67].
Низкие значения коэффициента мощности свидетельствуют о повышенном потреблении реактивной мощности, а так же о появлении искажений напряжения и тока на токоприемнике электровоза. При этом в тяговой сети протекают реактивные токи, вызывающие дополнительные потери передаваемой энергии, что влечет увеличение расхода энергии на тягу поездов [46, 74].
Таким образом, обеспечение высоких энергетических показателей качества электроэнергии, потребляемой такими электровозами с зонно-фазным управлением, является актуальной задачей развития отечественного железнодорожного транспорта. Так же актуальной является задача разработки подробной модели, наиболее полно воспроизводящей процессы, происходящие в системе электроснабжения и тягового электропривода электровозов переменного тока в режиме реального времени при движении по участку железной дороги. Такая модель облегчает проектирование и отладку различных технических устройств, которыми предлагается дополнять типовые силовые схемы электроподвижного состава для повышения качества потребляемой электрической энергии. Кроме того, использование такой модели позволит наиболее полно и точно оценить степень влияния предлагаемых устройств на процессы, протекающие в системе тягового электроснабжения (СТЭС), более обоснованно выбирать их параметры и создавать рациональные алгоритмы их управления.
В процессе движения электровозов по фидерной зоне меняются поездная обстановка на линии, режимы движения электровозов, а так же величины сопротивлений тяговой сети между электровозами и тяговой подстанцией. Эти факторы оказывают существенное влияние на уровень напряжения на токоприемниках электровозов, потребляемый ток, а так же на потери, возникающие в тяговой сети. Изучению этого вопроса посвящено большое количество работ и публикаций [1, 4, 21, 26 – 29, 31, 69]. Рассмотрим некоторые из них.
В работе Ермоленко Д. В. [21] система тягового электроснабжения (СТЭС) представлена участком тяговой сети, получающим двухстороннее питание от тяговых подстанций, которые в свою очередь подключены к электростанциям (рисунок 1.1). На расчетной схеме линии электропередач и тяговая сеть представлены вторичными волновыми параметрами: волновыми сопротивлениями Zв1, Zв и километрическими коэффициентами распространения волны 1, в диапазоне тональных частот. Активное и внутреннее индуктивное сопротивления проводов и рельсов, входящих в состав тяговой сети, зависят от протекающего по ним тока, что обусловлено явлением поверхностного эффекта в стали [29].
Для учета влияния всех гармонических составляющих на токораспределе-ние в [21] используется метод наложения, реализуемый многократным расчетом тяговой сети для k частот тока электроподвижного состава. Такой подход представляется трудоемким и существенно ограничивает возможность применения данной модели. Рисунок. 1.1 – Схема замещения однопутного участка тяговой сети длиной l в виде цепи с сосредоточенными параметрами
В работе Алексеева А. С. [1], при расчете квазиустановившегося режима в тяговой сети так же было учтено влияние емкости контактной сети и поверхностного эффекта в рельсах (рисунок 1.2). Была использована конечноэлементная модель участка тяговой сети. При этом совокупность продольных и поперечных элементов участка линии длиной x представлялась как один конечный элемент, а весь участок – как цепочечная схема включения этих элементов.
Как известно, на промышленной частоте контактная сеть не проявляет себя как длинная линия, но в процессе работы электровозов переменного тока происходят коммутации вентилей тиристорных преобразователей, поэтому частоты из менения напряжения могут составлять сотни и даже тысячи герц. Длина волны напряжения составляет несколько километров, что сопоставимо с расстоянием
Учет поверхностного эффекта осуществлялся путём включения в продольную составляющую схемы замещения дополнительного rL двухполюсника L1-2 и r1-2 (см. рисунок 1.2), согласно методике, предложенной проф. Косаревым Б. И. [28]. На частоте основной гармоники 50 Гц сопротивление индуктивности X1-2=50L1-2 меньше, чем активное сопротивление r1-2, поэтому r1-2 оказывается за-шунтированным индуктивностью и не влияет на процесс токораспределения в ветви. В процессе коммутации генерируются гармоники токов высоких частот, для которых сопротивление X1-2 существенно возрастает. Общее сопротивление параллельно соединенных L1-2 и r1-2 определяется параметрами последнего. Это приводит к тому, что затухание послекоммутационных колебаний напряжения и тока происходит быстрее, что соответствует реальным процессам, происходящим в контактной сети.
Помимо продольной составляющей, схема, представленная на рисунке 1.2, учитывает еще и поперечную проводимость, представленную параллельно соединенными проводимостями r0 и C0. При этом C0 определяется емкостью между землей и линией.
Модель силовых цепей электровоза в работе [1] включала в себя блоки трансформатора, выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), выпрямительной установки возбуждения (ВУВ), сглаживающих реакторов и коллекторных тяговых электродвигателей (рисунок 1.3). Для моделирования силовых цепей за основу взяты параметры электровоза ЭП1. Модель тягового электродвигателя при этом учитывала нелинейность кривой намагничивания, а так же влияние вихревых токов и динамической индуктивности [56].
Алгоритмы, реализуемые в блоках модели электрической железной дороги переменного тока
Как было отмечено в главе 1, к энергетическим показателям качества относятся: 1) коэффициент мощности электровоза; 2) коэффициенты искажения напряжения и тока на токоприемнике электровоза. Для определения этих показателей качества был разработан блок расчета (блок БПК на рисунке 2.2). Структурная схема БПК представлена на рисунке 2.9. На вход блока поступают активная P и полная S мощности на токоприемнике. В блоке (КМ) в соответствии с (1.1) выполняется деление, и на выходе блока получается значение коэффициента мощности .
Так же на вход БПК поступают от датчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН) мгновенные значения тока i и напряжения u на токоприемнике электровоза и отправляются в блоки определения коэффициентов искажения напряжения (КИН) и тока (КИТ). В этих блоках выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ) и происходит определение амплитудных значений гармоник токов и напряжений с 1 по 40, в соответствии с [15]. После этого, в соответствии с формулами (1.14) и (1.15), происходит вычисление коэффициентов искажения напряжения и тока, которые так же идут на выход БПК. Описание программных модулей, выполняющих описанные расчеты, представлено в приложении И.
Применение блока определения коэффициентов искажения возможно только при установившемся режиме работы электровозов, так как для выполнения БПФ необходимо, чтобы исследуемая функция удовлетворяла условию Дирихле, т. е. была полностью определена на одном периоде своего изменения.
Структурная схема переключаемого КРМ, представленная в главе 1 (см. рисунок 1.13), содержит контакторные элементы KM1_1, KM1_2 KM2_1 и KM2_2, ключевой элемент, выполненный на базе тиристоров VS1 и VS2, индуктивный дроссель Lк, блок конденсаторных батарей C1 и C2 и разрядный резистор Rк. Блоки конденсаторных батарей C1 и C2 имеют емкость 360 мкФ каждая. Параллельно с ними так же включен разрядный резистор сопротивлением Rк=4800 Ом. Индуктивность дросселя Lк составляет 1,92 мГн [38].
Изменение величины реактивной мощности осуществляется путем подключения модулей КРМ к секциям вторичной обмотки трансформатора с разными номинальными напряжениями с помощью контакторов. Переключение осуществляется системой управления в соответствии с алгоритмом, приведенном в таблице 2.2. Задающим сигналом является величина тока тягового двигателя Iд, который
Подробное описание модели переключаемого КРМ и системы управления им, выполненной в пакете MatLab – Simulink представлено в приложении К.
Реализация приведенного выше алгоритма позволяет ступенчато изменять генерируемую компенсатором реактивную мощность в пределах от 60 до 270 квар (от 240 до 1080 квар на двухсекционный электровоз).
Схема модуля управляемого КРМ, составленная на базе работ [62, 73], представлена на рисунке 2.10. Она содержит LC-цепь, блок автономного инвертора напряжения (АИН), состоящий из IGBT-транзисторов (V1–V4) и обратных диодов (VD1–VD4), накопительный конденсатор CE, датчики тока КРМ (ДТК) и напряжения на накопительном конденсаторе (ДНК), а так же ключевой элемент, выполненный на базе тиристоров VS1, VS2 и контакторный элемент KM1. Для упрощения и удешевления схемы было решено отказаться от использования вольтодоба-вочного трансформатора, который был предусмотрен в [62, 73] для гальванической развязки цепей АИН.
Исходная схема была предложена авторами [62, 73] для электровоза ЭП1, поэтому для применения на грузовых электровозах серий 2ЭС5К и 3ЭС5К параметры LC-фильтра должны быть рассчитаны заново, так как величина реактивной мощности, приходящаяся на один ВИП будет существенно отличаться. Для уточнения параметров было проведено моделирование работы электровоза 2ЭС5К с типовой силовой схемой в продолжительном режиме на середине фидерной зоны. По результатам этого опыта было установлено, что электровоз потреблял реактивную мощность Q=5200 квар. Эта реактивная мощность должна полностью компенсироваться включением четырех модулей КРМ, т. е. один модуль должен генерировать 1300 квар.
Работа на консольном участке фидерной зоны двух электровозов 2ЭС5К, оборудованных переключаемыми КРМ
Для анализа работы электровозов 2ЭС5К и 3ЭС5К с типовой силовой схемой, а так же при оборудовании их компенсирующими устройствами был проведен ряд численных опытов по исследованию режимов работы двух электровозов, на одной фидерной зоне. Опыты осуществлялись следующим образом: в начальный момент времени на участке работал только один электровоз в режиме тяги (режим 1). Второй электровоз был в режиме выбега и не оказывал влияния на электромагнитные процессы в СТЭС. В момент времени tр=0,1 c, второй электровоз переходил из выбега в режим рекуперативного торможения (режим 2). Были проведены следующие опыты:
Объектом исследования были полученные реализации напряжений и токов на шинах тяговых подстанций и токоприемниках электровозов. В опытах 1-3 были выполнены анализ максимальных значений исследуемых величин, разложение в амплитудный и фазовый спектры, построение и анализ векторных диаграмм токов и напряжений, а так же изучение распределения мощностей в СТЭС. В опытах 4-7 было решено ограничиться общим анализом максимальных значений исследуемых величин, а так же действующих значений их основных гармоник и распределения мощностей. Все это позволяет составить полное описание процессов, происходящих в СТЭС при работе двух электровозов.
Осциллограммы переходных процессов в СТЭС, полученные в результате опыта 1, представлены на рисунке 3.1. Числовые данные, полученные в результате опыта, представлены в таблице 3.1.
В режиме 1, до включения в работу рекуперирующего электровоза, максимальное мгновенное значение тока тягового электровоза было i тmax «295 А (рисунок 3.1, г). Максимальное значение напряжения на токоприёмнике электровоза составило umax «49600 В (рисунок 3.1, в) из-за влияния высокочастотных гармоник, а максимальное значение напряжения на шинах тяговой подстанции было меньше на 1430 В и составило umax «48170 В (рисунок 3.1, а). Максимальное значение тока тяговой подстанции (рисунок 3.1, б) было примерно таким же, как и тока тягового электровоза, т. е. i пmax «295 А.
После включения рекуперирующего электровоза с типовой схемой (режим 2), в тяговой сети начал протекать его ток, максимальное значение которого, было Рисунок 3.1 – Осциллограммы электромагнитных процессов в тяговой сети: а – напряжения на шинах тяговой подстанции; б – тока на шинах тяговой подстанции; в – напряжения на токоприемнике тягового электровоза; г – тока на токоприемнике электровоза в режиме тяги; д – напряжения на токоприемнике электровоза в режиме рекуперации; е – тока на токоприемнике электровоза в режиме рекуперации; сплошные линии – мгновенные значения; пунктирные линии – действующие значения основных гармоник Таблица 3.1 – Максимальные значения напряжений и токов на шинах тяговой подстанции и токоприемниках электровозов № опыта № режима umax , Вп/ст imax , Ап/ст uтmax, В i тmax, А uрmax, В i рmax, А i рmax «215 А (рисунок 3.1, е). Максимальное значение тока тягового электровоза при этом увеличилось на 5 А, по сравнению с режимом 1 и составило i тmax « 300 А. Максимальное значение напряжения на его токоприемнике уменьшилось, по сравнению с режимом 1 на 8970 В до uтmax 40630 В. Поскольку электровозы находились в точке, где контактные подвески соседних путей соединены между собой секционирующим проводом, максимальное значение напряжения на токоприемнике рекуперирующего электровоза так же составило umax «40630 В. Максимальное значение напряжения на шинах тяговой подстанции уменьшилось, по сравнению с режимом 1, на 8070 В до uпmax 40100 В. В режиме 2 форма кривой тока подстанции iп/ст резко изменилась. Она сильно отличается от синусоидальной из-за появления значительного реактивного тока, вызванного большим сдвигом по фазе тока рекуперирующего электровоза iр, составляющего i1р «
«–135 эл. град. Ток подстанции, максимальное значение которого составило imax «470 А, потребляется вторым электровозом, работающим в режиме тяги, в дополнение к току рекуперирующего электровоза. Алгебраическая сумма максимальных значений токов i рmax и i пmax не равна максимальному значению тока тяго 75 вого электровоза iтmax из-за разных сдвигов по фазе, но соотношение мгновенных значений iр + iпm/сaтx = iтmax соблюдается для каждого момента времени t. Для реализаций напряжений и токов, приведенных на рисунке 3.1, в соответствии с (1.8), был выполнен гармонический анализ установившихся режимов работы электровозов до включения рекуперирующего электровоза и после его включения – режимы 1 и 2 на рисунке 3.2. Числовые значения полностью представлены в приложении М.
Амплитудные спектры электромагнитных процессов в тяговой сети в режимах 1 и 2: а – напряжения на шинах тяговой подстанции; б – напряжения на токоприемниках электровозов; в – тока на шинах тяговой подстанции; г – тока на токоприемнике электровоза в режиме тяги; д – тока на токоприемнике электровоза в режиме рекуперации Амплитудные спектры Ak=f(km), полученные для режима 1, показывают, что до включения рекуперации амплитуды одиннадцатой и тринадцатой гармоник напряжений малы (менее 1000 В). Существенное величину имеют третья, пятая, седьмая, тридцать первая и тридцать третья гармоники (свыше 2000 В). После включения в работу рекуперирующего электровоза существенно изменяется гармонический состав напряжений и токов. Амплитудное значение основной гармоники напряжения на шинах тяговой подстанции (рисунок 3.2, а) снижается от U1 max -37550 В в режиме 1 до U1 max -36870 В в режиме 2. Амплитуда основной гармоники напряжения тягового электровоза (рисунок 3.2, б) при этом снижается от U1тmax 363555 В в режиме 1 до U 1тmax 35210 В в режиме 2. Так же происходит увеличение третьей (в 1,66 раза), пятой (в 1,28 раз), девятой (в 1,3 раза), тридцать первой (в 1,59 раз) и тридцать пятой (в 1,49 раз) гармоник напряжений и уменьшение седьмой (в 4,87 раза), тринадцатой (в 1,85 раз) и тридцать третьей (в 5 раз). Амплитуды третьей, пятой, девятой, одиннадцатой, пятнадцатой и семнадцатой гармоник токов подстанции (рисунок 3.2, в) и тягового электровоза (рисунок 3.2, г) увеличиваются, а седьмой - уменьшается в три раза. Амплитуды гармоник напряжений с пятнадцатой по двадцать девятую, а так же тридцать седьмая и тридцать девятая находятся в пределах 2000 В и не представлены на рисунке 3.2. Из них значительно изменяются двадцать первая (увеличивается в 16,8 раз), двадцать седьмая (уменьшается в 2,68 раз), двадцать девятая (увеличивается в 2,71 раз) и тридцать седьмая (увеличивается в 4,63 раза). Поскольку электровозы находились рядом друг с другом в точке, где контактные подвески соединены между собой секционирующим проводом, амплитудные спектры напряжений на их токоприемниках одинаковые. Так же были определены сдвиги по фазе относительно начала координат высших гармонических составляющих каждой из исследуемых величин. Значения фаз отдельных гармоник так же представлены в приложении М.
Движение по участку двух электровозов 2ЭС5К с типовой силовой схемой и применением рекуперативного торможения
Полная мощность рекуперирующего электровоза была S 5070 кВА, его коэффициент мощности при этом составил Хр« 0,633. Полная мощность тяговой подстанции по сравнению с режимом 1 увеличилась на 1070 кВА до Sп/ст «9995 кВА, а электровоза в режиме тяги - уменьшилась на 125 кВА до ST& «8235 кВА. Коэффициент мощности электровоза в режиме тяги увеличился на 0,011 до Хт«0,783.
В опыте 5, до включения режима рекуперации на втором электровозе (режим 1), активная мощность (рисунок 3.14, а), отдаваемая тяговой подстанций, была Pп/ст«6580 кВт, а потребляемая электровозом в режиме тяги - Pт 6450 кВт. Потери активной мощности в тяговой сети составили АP 130 кВт.
Реактивная мощность тяговой подстанции была Q CT 1515 квар, а электровоза в режиме тяги - Qт 2075 квар. Превышение реактивной мощности электровоза по сравнению с реактивной мощностью подстанции объясняется большей мощностью искажений электровоза.
Полная мощность тяговой подстанции была Sn/CT 6750 кВА, а тягового электровоза - S 6775 кВА. Это превышение так же объясняется высокой мощностью искажений. Коэффициент мощности тягового электровоза составил Ат« 0,952.
По сравнению с опытом 4 активная мощность тяговой подстанции Pп/ст уменьшилась на ПО кВт, а потребляемая тяговым электровозом Pт - на 10 кВт. Потери активной мощности АP в тяговой сети уменьшились на 100 кВт до 130 кВт. Реактивная мощность тяговой подстанции уменьшилась Q на 4395 квар, а электровоза в режиме тяги QT - на 3230 квар. Полная мощность тяговой подстанции Sn/CT при этом уменьшилась на 2175 кВА, а тягового электровоза -на 1585 кВА. Его коэффициент мощности увеличился на 0,18.
В режиме 2 при включении рекуперации на втором электровозе его активная мощность составила Pр« 3260 кВт. По сравнению с режимом 1 активная мощность тяговой подстанции уменьшилась на 3355 кВт до Pп/ст« 3225 кВт, а электровоза в режиме тяги - на 10 кВт до Pт 6440 кВт. Потери активной мощности в тяговой сети уменьшились на 85 кВт до АP 45 кВт.
Реактивная мощность рекуперирующего электровоза была Qр «1210 квар. Реактивная мощность тяговой подстанции по сравнению с режимом 1 уменьшилась на 10 квар до 2п/ст 1505 квар, а тягового электровоза - увеличилась на 50квар дот 2125квар.
Полная мощность рекуперирующего электровоза была 5 3475 кВА. Его коэффициент мощности составил р«0,938. Полная мощность тяговой подстанции по сравнению с режимом 1 уменьшилась на 3195 кВА до 5п/ст 3555 кВА, а тягового электровоза - увеличилась на 10 кВА до 5 6785 кВА. Его коэффициент мощности уменьшился на 0,003 до т«0,949.
По сравнению с опытом 4 в режиме 2 активная мощность рекуперирующего электровоза Рр увеличилась на 50 кВт. Активная мощность тяговой подстанции Лп/ст уменьшилась на 300 кВт, а тягового электровоза Рт - на 5 кВт. Потери активной мощности АР в тяговой сети уменьшились на 245 кВт. Реактивная мощность рекуперирующего электровоза Qр уменьшилась на 2715 квар по сравнению с предыдущим опытом. Реактивная мощность тяговой подстанции 2п/ст при этом уменьшилась на 7845 квар, а тягового электровоза - уменьшилась на 2995 квар. Полная мощность рекуперирующего электровоза при этом на 1595 кВА. Его коэффициент мощности увеличился на 0,305. Полная мощность на шинах тяговой подстанции Sп/ст уменьшились по сравнению с опытом 4 на 6440 кВА, а тягового электровоза - на 1450 кВА. Его коэффициент мощности увеличился на 0,166.
Увеличение числа секций электровозов с типовой силовой схемой при работе в разных режимах, привело к увеличению максимальных и действующих значений токов, протекающих в тяговой сети по сравнению с опытом 1 на 42,22% в режиме 1 и на 42,86% в режиме 2. Это привело к увеличению снижения напряжения на токоприемниках электровозов MJ1 на 45,3% в режимах 1 и 2. Активная мощность тяговой подстанции Рп/ст увеличилась на 37,2% в режиме 1 и на 31,5% в режиме 2. Потери активной мощности АР в тяговой сети увеличились в два раза в обоих режимах. Реактивная мощность тяговой подстанции 2п/ст увеличилась на 46,1% в режиме 1 и на 43,2% в режиме 2, а полная мощность Зп/ст увеличилась на 40,9% в режиме 1 и на 41,6% в режиме 2.
Применение управляемого КРМ на электровозах серии ЗЭС5К при работе на консольном участке привело к существенному снижению потерь активной мощности в тяговой сети. Ток, протекающий в тяговой сети в режиме 1 уменьшился на 25%, т. е. от I1т « I1п/ст «320 А до I1т « I1п/ст «240 А, а в режиме 2 уменьшился на 67,1%, т. е. от I1п/ст «350 А до I1п/ст « 115 А. Это привело к уменьшению потерь в тяговой сети АP на 43,5% в режиме 1 до АP 130 кВт, и на 84,5%, в режиме 2 до АP 45 кВт. Активная мощность, потребляемая от тяговой подстанции уменьшилась на 1,64% до Pп/ст«6580 кВт в режиме 1 и на 8,5% в режиме 2, т. е. до Pп/ст«3225 кВт. Реактивная мощность подстанции уменьшилась на 74,4% в режиме 1 до Q -1515 квар, и на 83,9% в режиме 2 до Q -1505 квар. Полная мощность уменьшилась на 24,4% до Sn/CT 6750 кВА в режиме 1, а в режиме 2 - на 64,4% до S 3555 кВА, т. е. нагрузка на тяговую подстанцию существенно уменьшилась.
Таким образом, оборудование электровозов ЗЭС5К, работающих на консольных участках электрических железных дорог, управляемыми компенсаторами реактивной мощности существенно улучшает условия их работы и снижает потери активной энергии при передаче.