Введение к работе
Актуальность работы. ОАО «РЖД» принята программа «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года», одним из направлений которой является повышение энергоэффективности подвижного состава. Планируется сокращение удельного расхода электроэнергии на 5 %. Это обусловлено особенностями локомотивного хозяйства, где на тягу поездов расходуется около 80 % от всей электрической энергии потребляемой железнодорожным транспортом. За счет эффективного использования рекуперативного торможения по итогам 2010 года объем рекуперации составил 1,1 млрд. кВт-ч на сумму 2,3 млрд. руб., и впервые в истории ОАО «РЖД» рекуперация электроэнергии превысило 1 млрд. кВт-ч.
Современные электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями типа ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К, ЗЭС5К оснащены системой электрического рекуперативного торможения. Применение на электровозах электрического рекуперативного торможения приводит не только к значительной экономии электроэнергии, но и к снижению эксплуатационных расходов, к росту безопасности движения грузовых поездов повышенной массы и длины на горных и перевалистых участках пути. Кроме того, важным преимуществом рекуперативного торможения является возможность поддержания неизменной скорости движения поезда на затяжных спусках, благодаря жестким тормозным характеристикам электровоза. Это повышает его техническую скорость, а значит, и пропускную способность участка железной дороги. Применяемые на локомотивах однофазные зависимые управляемые инверторы имеют низкий коэффициент мощности, который в условиях эксплуатации не превышает 0,7.
Таким образом, значительная экономия электроэнергии, расходуемой на тягу поездов и безопасность их движения, являются важнейшими направлениями повышения эффективности работы современных электровозов переменного тока.
Решение этой проблемы лежит на пути повышения коэффициента мощности зависимого инвертора электровоза, приводящего к увеличению возврата в сеть активной электроэнергии и снижению потребление из сети реактивной энергии электровозом в режиме рекуперативного торможения, что, в свою очередь, снижает удельный расход электроэнергии электровоза на тягу поездов. Поэтому решение обозначенных вопросов по повышению энергетической эффективности электровозов является актуальной и представляет научный и практический интерес.
Целью работы является повышение энергетической эффективности электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения за счёт включения в схему зависимого инвертора диодного плеча, подключённого параллельно цепи выпрямленного тока и применения нового способа управления инвертором на 1-й зоне регулирования его напряжения.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
выполнен анализ публикаций о работе зависимого однофазного инвертора при рекуперативном торможении;
проведено аналитическое исследование электромагнитных процессов работы зависимого инвертора электровоза переменного тока и их влияния на его коэффициент мощности. По результатам этого исследования предложены пути повышения коэффициента мощности: новый способ управления инвертора на 1-й зоне регулирования и включение диодного плеча в схему инвертора;
разработана математическая модель системы «тяговая подстанция -контактная сеть - электровоз», с помощью которой проведено математическое моделирование электромагнитных процессов в стационарных и переходных режимах работы инвертора электровоза;
разработаны технические решения для повышения коэффициента мощности инвертора электровоза переменного тока и их технико-экономическое оценка.
Методы исследований. Исследования основаны на применении теории дифференциальных уравнений, теории электрических цепей, методов математического моделирования с использованием пакета прикладных программ OrCAD, гармонического анализа электромагнитных процессов с целью определения значений коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Выполнены экспериментальные исследования электровоза ВЛ80Р в эксплуатации на Восточно-Сибирской железной дороги. Научная новизна работы:
Разработан новый способ управления зависимым однофазным инвертором на 1-й зоне регулирования напряжения инвертора.
Обосновано применение диодного плеча, включённого параллельно цепи выпрямленного тока, позволяющего уменьшить угол запаса инвертора 5 с 25 эл. град, до 15 эл. град, что обеспечивает повышение коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения.
Уточнены формулы, определяющие коэффициент мощности на всех зонах регулирования при применении диодного плеча в схеме инвертора электровоза и нового способа управления инвертором на 1 -й зоне регулирования его напряжения.
Разработана математическая модель зависимого однофазного инвертора с диодным плечом, включенным параллельно цепи выпрямленного тока.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в том, что:
Включение в схему инвертора диодного плеча позволяет поддерживать в нем минимально допустимую величину угла запаса д = 15 эл. град., следовательно, и меньшую величину угла сдвига фазы <р, что, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Для 4-й зоны регулирования при номинальном режиме нагрузки коэффициент мощности увеличился на 8,7 %.
Разработан алгоритм управления, позволяющий реализовать новый способ управления инвертора на 1 -й зоне регулирования. Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель зависимого инвертора электровоза переменного тока с диодным плечом в режиме рекуперативного торможения, позволившая исследовать электромагнитные процессы в стационарных и переходных режимах работы инвертора электровоза.
Технические решения, реализующие предлагаемую модернизацию электровоза переменного тока с помощью диодным плечом и нового способа управления на 1-й зоне регулирования напряжения.
Новый способ управления зависимым инвертором на 1-й зоне регулирования напряжения инвертора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались:
на 5-й Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 17-19 апреля 2007 года), ДВГУПС;
на 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки (Хабаровск, 7-9 ноября 2007 года), ДВГУПС;
на 2-й Международной научно-практической конференции «Электрификация железнодорожного транспорта ТРАНСЭЛЕКТРО-2008» (30.09.2008-04.09.2008 года) ДНУЖТ;
на Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников представителей академической науки (Хабаровск, 13-14 ноября 2008 года), ДВГУПС;
на 11-м Краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 21 января 2009 года), ТОГУ;
на Пятом международном симпозиуме «Элтранс-2009»(СПб 20-23 октября 2009 года), ПГУПС;
на заседаниях кафедры «Электротехника электроника и электромеханика» ДВГУПС, 2007 - 2012 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ, из них две статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях перечня ВАК Минобрнауки России и один патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, список используемой литературы и приложений. Объем работы составляет 172 страниц машинописного текста, включает 53 рисунков, 12 таблиц, два приложения на 7 страницах и список используемой литературы из 98 наименований.
