Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ показателей качества электропотребления электрифцированных железных дорог переменного тока 13
1.1 Влияние технических средств и организации движения на энергоэффективность электрифицированных линий железных дорог. 13
1.2 Энергопотребление на линиях с интенсивным грузовым и пассажирским движением 16
1.3 Особенности формирования энергопотребления на Узбекских железных дорогах 19
1.4 Задачи диссертации и методы исследования 26
2 Теоретические основы передачи энергии к электроподвижному составу с преобразователямиоднофазно – постоянного тока 28
2.1 Энергетическое взаимодействие электровозов однофазного тока с электротяговой сетью 28
2.2 Характеризующие энергетические показатели системы 32
электротяговая сеть – ЭПС 32
2.3 Анализ энергетического взаимодействия с электротяговой сетью импульсного преобразователя однофазно-постоянного тока модуляционного типа 42
2.4 Выводы по главе 58
3 Математическое моделирование электротяговой сети и электровозов с преобразователями однофазно-постоянного тока 60
3.1 Выбор программно-аппаратной базы для моделирования 60
3.2 Имитационная модель системы электроснабжения переменного тока
3.3 Имитационная модель электротяговой сети и электровозов с преобразователями однофазно-постоянного тока 68
3.4 Адекватность (достоверность) разработанной имитационной модели 74
3.5 Выводы по главе 81
4 Результаты имитационного моделирования и оценки показателей качества электроэнергии в различных режимах электропотребления ЭПС 83
4.1 Параметры и характеристики моделируемого участка «Янгиер – Разъезд №13» скоростной линии Ташкент – Самарканд 83
РИСУНОК
4.2 Схема питания скоростного участка «янгиер – разъезд №13» 84
4.2 Методика моделирования процессов электропотребления на исследуемом участке железной дороги 87
4.3 Работа электровоза ВЛ-80Р с зонно-фазовым регулированием напряжения в тяговых цепях на консольном участке электротяговой сети 88
4.4 Работа электровоза UTY-1 с импульсным реверсивным преобразователем модуляционного типа в тяговых цепях на консольном участке электротяговой сети 91
4.5 Совместная работа электровозов с различными способами регулирования напряжения в тяговых цепях на консольном участке электротяговой сети. 99
4.6 Особенности режима рекуперативного торможения при раздельной и совместной работе электровозов с различными видами входных преобразователей однофазно-постоянного тока 104
4.7 Особенности раздельной и совместной работы электровозов с различными видами входных преобразователей однофазно-постоянного тока в режимах применения стационарных установок компенсации реактивной мощности 112
4.8 Выводы по главе 119
5 Тягово-энергетические аспекты совершенствования электропотребления при применении новых преобразователей однофазно-постоянного тока с мобильными средствами компенсации реактивной мощности 121
5.1 Исследования энергетических показателей и разработка мероприятий по снижению удельного расхода электроэнергии 121
5.2 Режимы электротяговой сети при эксплуатации электровозов ВЛ-80Р и UTY-1 128
5.3 Методика разработки рациональных графиков движения пассажирских поездов в зонах образования агломераций при повышении скоростей движения .
136
5.4 Особенности методики определения электропотребления при выборе максимальной скорости пассажирских составов 141
5.5 Электропотребление при высокоскоростном движении поезда на заданном участке с различным количеством остановок 149
5.6 Выводы по главе 156
Заключение 158
Список литературы 160
- Энергопотребление на линиях с интенсивным грузовым и пассажирским движением
- Анализ энергетического взаимодействия с электротяговой сетью импульсного преобразователя однофазно-постоянного тока модуляционного типа
- Имитационная модель системы электроснабжения переменного тока
- Схема питания скоростного участка «янгиер – разъезд №13»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из приоритетных
современных задач АО «Узбекистон темир йуллари» является повышение скоростей движения пассажирских поездов на железных дорогах Узбекистана для удовлетворения потребностей социально экономического развития страны. Решение задачи позволит улучшить транспортное обслуживание населения, увеличить объём и доходность пассажирских перевозок, а также возможность интегрироваться в международную сеть.
Концепцией развития железных дорог Узбекистана предусматривается перевод основных электрифицированных железных дорог на работу с пропуском пассажирских поездов со скоростью до 250 км/ч и выше в пакетном графике на линиях с совмещённым (смешанным) грузовым и пассажирским движением.
В этих документах отмечается о необходимости инновационного развития, о введении современных технологий с переходом на новый технологический уклад преодоления стратегического отставания. Это отставание связано в первую очередь с низкими темпами применения новейших ресурсосберегающих технологий и устройств, а также с тем, что применяемые технические средства – подвижной состав и устройства электроснабжения уступают по своим параметрам и характеристикам аналогам ведущих зарубежных железнодорожных компаний в мире.
На железнодорожном направлении Ташкент – Самарканд,
электрифицированном на переменном токе 25 кВ 50 Гц, начаты работы по организации скоростных электропоездов нового поколения с тяговыми асинхронными двигателями (ТАД), автономными инверторами напряжения (АИН) и входными реверсивными преобразователями однофазно-постоянного тока модуляционного типа (РИМП) (Talgo). При совмещённом графике движения применяются традиционные электровозы (ВЛ-80Р) и электровозы нового поколения с ТАД и РИМП для вождения грузовых составов (UTY-1).
Качество электропотребления различными ЭПС с зонно-фазовыми и импульсными преобразователями существенно различаются по показателям потребления реактивной мощности, загрузки электротяговой сети высшими гармоническими тока. Совместное электропитание от тяговых подстанций указанных типов электроподвижного состава (ЭПС) определяет формирование специфических нагрузок на систему тягового электроснабжения (СТЭ). В этих условиях особо актуальной становится задача изучения особенностей работы электротяговых сетей в режимах тяги и рекуперативного торможения на железных дорогах Узбекистана, направленного на решение проблемы ресурсосбережения, экономии электроэнергии, повышения энергетической безопасности, в том числе, на линиях повышенных скоростей движения.
Актуальность диссертационной работы заключается в том, что она посвящена исследованию способов и средств повышения качества электропотребления в системе электрической тяги переменного тока, обеспечивающее улучшение показателей надёжности и энергоэффективности и
безопасности электрообеспечения при скоростном и тяжеловесном движении пассажирских поездов и грузовых составов. На важнейшие показатели энергоэффективности оказывает существенное влияние ЭПС, его главные энергетические комплексы – входные преобразователи переменно-постоянного тока.
Исследование, проводимое в работе, позволило выявить важнейшие зависимости энергетических показателей системы электрической тяги от характеристик тягового электропривода с различными преобразователями и от технологий по организации совмещённого движения.
Степень разработанности проблемы.
Решению задач повышения энергоэффективности и энергетической
безопасности на железнодорожном транспорте, электрифицированном на
однофазном переменном токе 25 кВ 50 Гц с ЭПС различных поколений и
современных магистралей со скоростным и высокоскоростным движением,
посвящены работы А.Е. Алексеева, Р.Р. Мамошина, Б.Н. Тихменёва, К.Г.
Маркварда, Ю.Г. Быкова, Ю.М. Инькова, А.Н. Савоськина, Л.А. Германа, В.Н.
Пупынина, В.Т. Черемисина, В.А. Гапановича, Ю.И. Жаркова, А.Т. Буркова,
М.П. Бадёра, В.А. Гречишникова, А.Б. Косарева, Б.И. Косарева, В.В.
Литовченко, И.И. Гарбузова, А. Шмидера (Германия) и других специалистов. В
данных работах решались задачи совершенствования в условиях применения
традиционных систем ЭПС. Появление на ЭПС нового поколения
преобразовательного электрооборудования на базе уникальных
полупроводниковых приборов – силовых транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ – IGBT) расширило пространство научных исследований.
Целью диссертационной работы является разработка предложений по безопасности и надежности электрообеспечения и повышению качества электропотребления в системе тягового железнодорожного электроснабжения переменного тока в условиях применения скоростного и высокоскоростного пассажирского и тяжеловесного грузового движения на железных дорогах Узбекистана.
С этой целью в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
- выполнен анализ факторов, вызывающих снижение качества
энергообеспечения тяги поездов на линиях однофазного переменного тока из-за
нелинейных искажений напряжения и тока, загрузки электротяговой сети
неактивными потоками электроэнергии и отклонения уровня напряжений в
контактной сети;
- разработана методика исследования качества электропотребления в электротяговой сети с нелинейными искажениями;
- создана имитационная модель, позволяющая воспроизводить функции
обработки данных модельных измерений объекта, адекватные реальным для
условий применения на ЭПС преобразователей однофазно-постоянного тока с
различными алгоритмами управления в режимах тяги и рекуперативного
торможения;
- выполнена оценка качества и уровня удельного потребления
электроэнергии на участках со скоростным движением при раздельной и
совместной эксплуатации ЭПС с различными алгоритмами управления
преобразователями;
-разработаны предложения по совершенствованию технологий
безопасного и надежного электрообеспечения в системе тягового
электроснабжения железнодорожных линий с повышенными скоростями движения.
Объект исследования. Электрифицированные железнодорожные линии Узбекистана с электротяговой сетью однофазного переменного тока 25 кВ 50 Гц и ЭПС с зонно-фазовым (ВЛ-80Р) и импульсным (UTY-1) управлением входными преобразователями в условиях работы с повышенными скоростями.
Предмет исследования. Выявление факторов, влияющих на показатели
качества электропотребления, установление энергетических зависимостей,
характеризующих надёжность, энергоэффективность и безопасность при раздельной и совместной эксплуатации по схемотехническому исполнению входных преобразователей электрического тягового электропривода.
Научная новизна результатов заключается в решении ряда комплексных теоретических и практических задач, посвящённых исследованию и оценке показателей качества электропотребления в системе тягового железнодорожного электропотребления на линиях с повышенными скоростями движения ЭПС, а именно, автором:
- разработана имитационная модель электрической железной дороги,
включающая систему внешнего и тягового электроснабжения и
учитывающая новые технологии преобразования электроэнергии при
совместной работе различных ЭПС в режиме тяги и рекуперативного
торможения, отличающаяся возможностью выполнения анализа показателей
качества электропотребления в электротяговой сети в условиях применения
ЭПС с различными энергетическими характеристиками;
– обоснованы и применены методы обработки больших массивов
статистических данных для специфических условий формирования
электрических нагрузок в электротяговой сети с резко выраженной
неравномерностью к импульсным характерам процессов электропотребления
при использовании нового типа импульсных реверсивных
четырёхквадрантных преобразователей в режимах тяги и рекуперативного торможения;
– предложена технология использования импульсных реверсивных
четырёхквадрантных преобразователей ЭПС для реализации
дополнительной функции мобильного компенсатора реактивной мощности, включая режимы совместной работы с другими ЭПС на зоне согласованного напряжения электропитания.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Предложена методика определения удельного потребления
электроэнергии ЭПС на участках повышенных скоростей движения с учётом
возможности повышения коэффициента мощности на ЭПС за счёт
использования реверсивных импульсных четырёхквадрантымх
преобразователей модуляционного типа и улучшения гармонического состава тока электротяговой сети;
-
Разработаны предложения по мерам повышения качества электропотребления при совместной эксплуатации ЭПС с различными типами преобразовательных установок переменно-постоянного типа, в том числе для конкретного участка «Янгиер – Разъезд №13» линии Ташкент – Самарканд со скоростным движением;
-
Определены меры по рациональной организации движения поездов на линиях со скоростным и высокоскоростным движением, обеспечивающих при заданном объёме перевозок получение расхода электроэнергии по критерию минимума удельного электропотребления.
Диссертационная работа является частью исследований, выполненных в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» по государственной программе проектирования и строительства железнодорожной линии Москва – Казань высокоскоростной магистрали Москва – Казань – Екатеринбург с максимальной скоростью 400 км/ч.
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации выполнены обобщения и анализ материалов научно – технической литературы, использованы методы математического анализа и имитационного моделирования в программных пакетах Matlab_Simulink, методы обработки статистических данных, методы теоретических и экспериментальных исследований, включая опыты на макет-модели электрической железной дороги в учебно-исследовательской лаборатории «Тяговое электроснабжение» ПГУПС, натурные замеры на тяговых подстанциях в условиях действующей системы электрической тяги на переменном токе на железнодорожном транспорте Узбекистана.
Положения выносимые на защиту:
-
Выявленная зависимость удельного электропотребления пассажирских поездов от значения участковой скорости, полученная методом аппроксимации кривой скорости движения пассажирских, скоростных и высокоскоростных поездов, позволяющая прогнозировать объёмы электропотребления в тяговом электроснабжении в зависимости от параметров и характеристик инфраструктуры и подвижного состава;
-
Разработанная имитационная математическая модель электрической железной дороги, включающая систему внешнего и тягового электроснабжения при совместной работе ЭПС с различными энергетическими характеристиками в режиме тяги и рекуперативного торможения, позволяющая производить анализ потерь в электротяговой сети, а также влияние на показатели качества напряжения у токоприемников
поездов по уровню и другие энергетические показатели электротяговой сети и сети внешнего электроснабжения.
3. Обоснованная методика определения показателей качества
электропотребления на участках скоростного движения со смешанным
применением различных видов поездов, учитывающая особенности
преобразования электроэнергии с использованием реверсивного
импульсного преобразователя (4q-S), обеспечивающего формирование синусоидальной формы тока и напряжения, компенсации реактивной мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Степень достоверности результатов исследований обоснована
теоретически методом валидации с известными работами, выполненными
другими авторами, подтверждена экспериментальными исследованиями на
макет – моделях и на действующих объектах электрифицированного
железнодорожного транспорта Узбекистана, а так же отражением в
публикациях основных положений диссертационной работы в
рецензируемых изданиях по рекомендации ВАК.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и рассмотрены на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС в 2013-2015 гг., на международных симпозиумах "Eltrans’ 2013" и " Eltrans’ 2015".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения,
библиографического списка литературы и трёх приложений. Материалы диссертации содержат 159 страниц основного текста, 73 рисунка, и 48 таблиц. Библиографический список литературы включает 61 наименование. Общий объём работы составляет 197 страниц.
Энергопотребление на линиях с интенсивным грузовым и пассажирским движением
Современная история развития узбекской энергетической базы началась создаваться в семидесятые годы прошлого века (вначале пассажирского, а спустя пятнадцать лет и грузового движения) в пунктах дислокации паровозных и вагонных депо. На участке Ташкент – Янгиюль были построены две подстанции постоянного тока. Через год электричка пришла в Чиназ, затем в Сырдарью. Одновременно тянулась контактная сеть в курортную зону, в Хаджикент, которая была сдана в 1974 году.
Значимость электрической тяги непрерывно возрастала, принимались решения о переводе системы электрической тяги на переменный ток и о начале работы по переводу на нее грузовых поездов.
Строительство началось (работы выполнял коллектив Ташкентского прорабского участка ЭП-696, ныне ЭП-1) с самого сложного участка – Ташкент – Ченгельды, где было возведено две подстанции «Шумилово» и «Джилга», и уже в 1986-м году на переменном токе 27,5 кВ 50 Гц здесь начали курсировать не только пассажирские, но и грузовые поезда.
Через три года завершен монтаж линии между Келесом и Узбекистаном, окольцован участок Ташкент-товарный – Хамза – Кзыл – Тукумачи, затем строители передислацировались на юг, где дошли до станций Джизак, в Бекабаде.
С образованием независимости Республики Узбекистан работы не прекратились. Были завершены работы на участках Джизак – Самарканд – Мароканд, продолжилось строительство контактной линии в сторону Ангрена (от Тукумачи до Кучлука уже сдана в эксплуатацию). Разрабатывается технико-экономическое обоснование электрификации линий Мароканд – Навои – Бухара и Мароканд – Карши – Бухара. АО «Узбекистон темир йуллари» принимает меры по привлечению инвестиций и получения кредитов для продолжения строительства экономически выгодной электрической тяги.
В настоящее время участок электрифицирован на переменном токе 125 кВ 50 Гц, питание осуществляется от 8 тяговых подстанций: Чукурсой – Далагузар – Акалтын – Янгиер – Зарбдор – Галляарал – Багарное (Бабур) – Джамбай. Схема расположения станций и тяговых подстанций приведена на рисунке 1.2.
Схема участка Ташкент – Самарканд с указанием расположения тяговых подстанций Расходы электроэнергии на Узбекских железных дорогах приведены в таблице.1.1. Таблица 1.1. Расход электроэнергии на Узбекских железных дорогах. 2011 год 2012 год 2013 год 357545,28 тыс.кВтчас 397801,64 тыс.кВтчас 390409,32 тыс.кВтчас Электрификация железных дорог на переменном токе промышленной частоты является в настоящее время основной вследствие её простоты и значительной экономичности по сравнению с электрической тягой на постоянном токе. К 2017 году Узбекистан намерен довести уровень электрификации железнодорожной сети до 54 процентов [52]. Такое заявление сделал президент Республики Ислам Каримов, выступая на внеочередной сессии совета народных депутатов Сурхандарьинской области. По его словам, сегодня Узбекистан реализует несколько крупных проектов в сфере электрификации железных дорог, которые позволят ему увеличить их общую протяженность с 35 процентов от всей железнодорожной сети страны, до 54 процентов.
Одним из таких проектов, который упомянул глава государства, является комплекс работ по электрификации железной дороги Мараканд–Карши–Термез. Ее протяженность составляет 466 километров, а стоимость реализации проекта – 597 миллионов долларов США. Данные работы ведутся при содействии Японского агентства международного сотрудничества (JICA) и Азиатского банка развития (АБР), которые предоставили финансовую помощь. Как отметил И.А.Каримов, после реализации данного проекта затраты на перевозки пассажиров и грузов по данному маршруту уменьшатся на 35 процентов. На этом участке железной дороги будут работать 11 современных локомотивов. Президент также подчеркнул, что проект даст возможность улучшить транспортную инфраструктуру на юге страны, в том числе и на территории Сурхандарьинской области. Вместе с тем, вырастет и транзитный потенциал Узбекистана.
До этого, в 2011 году, уже были разработаны технико-экономические обоснования двух проектов – по электрификации железнодорожных участков «Карши–Ташгузар–Бойсун–Термез, протяженностью 325 километров и Мароканд-Карши, длиной 140 километров. Для финансирования работ на участке Карши–Термез государственная железнодорожная компания «Узбекистон темир йуллари» получила кредит от правительства Японии в размере 211 миллионов долларов. Кроме этого, кредит также выделил и Азиатский банк развития, в размере 100 миллионов долларов США на электрификацию 141-километрового участка Мароканд–Карши. В настоящее время эксплуатационная длина электрифицированных линий компании «Узбекистон темир йуллари» составляет 792,4 км.
Исходя из очевидных преимуществ электрической тяги переменного тока, не случайно в ряде стран начали переводить отдельные «старые» участки с постоянного тока на переменный (Франция, Индия и др.). На ЭПС переменного тока 25 кВ устанавливаются понижающие трансформаторы с регулируемым напряжением. Кроме того, для решения проблем коммутации ТЭД прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный, точнее пульсирующий, имеющий значительную постоянную составляющую. С этой целью на ЭПС устанавливают выпрямитель. Ранее, начиная с опытного образца 1940-х гг. и вплоть до начала 1970-х гг., эти выпрямители строились на ртутных преобразователях, а позже на полупроводниковых диодах. В настоящее время на ЭПС устанавливают управляемые выпрямители – статические электрические аппараты, обладающие обратимостью действия – в режиме тяги, работающие как выпрямитель, а при рекуперации как аппарат, преобразовывающий энергию постоянного тока, вырабатываемую ТЭД в генераторном режиме, в энергию переменного тока. В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники в последние годы за рубежом появились электровозы переменного тока 25 кВ с преобразователями энергии переменного тока 25 кВ промышленной частоты в энергию переменного тока регулируемой частоты с напряжением, необходимым для непосредственного питания тяговых двигателей. При этом становится возможным использование самого надежного на сегодняшний день двигателя – асинхронного.
Анализ энергетического взаимодействия с электротяговой сетью импульсного преобразователя однофазно-постоянного тока модуляционного типа
Принцип действия и основные соотношения, характеризующие работу преобразователя рассмотрим с помощью схемы (рисунок 2.5).
Силовые транзисторы VS1 - VS4 и диоды VD1 - VD4 образуют схему импульсного реверсивного преобразователя однофазно-постоянного тока модуляционного типа (четырехквадрантного преобразователя), подключенного к источнику переменного напряжения ec через согласующий дроссель Lc. Индуктивность Lc воспринимает разность напряжений ec и u1 на входе преобразователя. В цепь постоянного тока включены источник постоянного напряжения Ed и конденсатор фильтра Cd, предназначенный для шунтирования высших гармоник тока нагрузки id. Подключение конденсатора Cd большой ёмкости к источнику Ed придает ему свойства источника напряжения [31]. Транзисторы VS1 – VS4 и встречно-параллельно включенные обратные диоды VD1 – VD4 образуют ключевые элементы схемы, обладающие двусторонней проводимостью.
Схема четырёхквадрантного преобразователя представляет собой два встречно включенных мостовых выпрямителей – управляемого VS1 – VS4 и неуправляемого VD1 – VD4, соединенных со стороны зажимов постоянного напряжения. К зажимам переменного напряжения через индуктивность Lc подключен входной источник переменного напряжения ec, а нагрузка в виде источника ЭДС Ed и конденсатора Cd включена между анодной и катодной группами неуправляемого выпрямителя VD1 – VD4. Принцип работы преобразователя предполагает включение индуктивности Lc в цепь источника ec.
Четырёхквадрантный преобразователь может работать в режимах выпрямления, инвертирования и тактирования и их сочетании. В режиме выпрямления (рисунок 2.6) ток в цепи ic = id протекает в один полупериод через обратные диоды VD1, VD4, а в другой - через VD2 и VD3. Поскольку ток ic = id совпадает с напряжением входного источника ec, он является источником электрической энергии. Её потребителем становится цепь постоянного напряжения Ed, поскольку направление тока id противоположно напряжению источника Ed. Рисунок 2.6 – Выпрямительный режим работы
Рекуперация энергии от источника Ed (режим инвертирования) осуществляется путем включения пары транзисторов VS1,VS4 (VS2, VS3) разных групп преобразователя (рисунок 2.7).
В этом случае в преобразователе протекает ток iu = ic, совпадающий с Ed и направленный встречно напряжению ec что указывает на режим генерирования энергии источником Ed и ее потреблением цепью входного источника ec. Для реализации этого режима напряжение Ed на выходе преобразователя должно быть больше амплитудного значения напряжения источника питания, т.е.Ed у/2ec. Из этого условия следует, что преобразователь не может регулировать выходное напряжение ниже амплитудного значения источника питания ec.
Режим тактирования характеризуется включением одного из транзисторов преобразователя. В этом случае вход преобразователя закорочен открытым транзистором одного и обратным диодом другого плеча моста. Например, при полярности ec, указанной на рисунке 2.8, ток ic может протекать через VS1, VS3 или VS2, VS4. В этом режиме происходит запасание магнитной энергии в индуктивности Lc; выходная цепь с источником Ed отключена от преобразователя закрытыми транзисторами VS2, VS4 (VS1, VS3).
Включение и выключение транзисторов VS1-VS4 преобразователя осуществляется по алгоритму, обеспечивающему широтно-импульсную модуляцию напряжения по синусоидальному закону. Управляющее напряжение для VS1-VS4 формируется системой управления путем сравнения двух модулирующих напряжений им1 им2(им2 = -им1) и сигнала генератора пилообразного напряжения игпн (рисунок 2.9). Частота генератора/гпн = kfc должна быть нечётно кратна частоте входного источника ес. На рисунке. 2.9 показаны диаграммы напряжений и токов, относящиеся к работе 4q-S преобразователя с к = 5.
Импульсы управления транзисторами VS1-VS4 формируются в моменты равенства напряжений им = -им и игпн, им соответствуют следующие логические функции [9,34,47]: fl при u -u 0 VS\ = \ м1 гпн О при u - u м1 гпн fl при u -u 0 VS3=\ м2 гпн (2.35) [О при u м2 -u гпн 0 VS2 = VS\ VS4 = VS3 Логическая единица "LOG 1" соответствует проводящему состоянию транзистора, а 0 - закрытому. Символ инверсии означает противоположное состояние элементов VS1 и VS2 (VS3, VS4). При включении диагональных транзисторов VS1 и VS4 (VS2, VS3), согласно рисунку 2.9 формируется напряжение щ на зажимах переменного тока преобразователя с амплитудой ±Ed и регулируемое по закону модулирующего напряжение им. Фаза первой гармоники этого напряжения и11 зависит от фазового угла сдвига if/ модулирующего напряжения им относительно напряжения источника ес. В этом случае при встречном включении источников ес и и 1 = Ed, ток іс во входной цепи преобразователя определяется уравнением: Lc= = ec-Ui. (2.36) dt При включении смежных элементов (VS1, VS3 или VS2, VS4) образуется контур протекания тока через обратный вентиль и транзистор преобразователя.
Этот интервал работы преобразователя соответствует режиму тактирования (см. рисунок 2.8). Источник Ed отключен от преобразователя закрытыми транзисторами VS1, VS3 (VS2, VS4), поэтому напряжение на зажимах переменного тока и1, а также ток нагрузки id равны нулю. Входной ток преобразователя ic ограничен индуктивностью Lc, при и 1 = 0 он определяется Уравнением к= — = ес. (2.37) dt При Lc-diJdt o происходит нарастание тока ic и запасание энергии в индуктивности Lc. Из рисунка.2.9 следует, что входной ток ic имеет вид ломанной линии, состоящей из участков нарастания и спадания. Степень сглаживания тока определяется индуктивностью Lc входного источника, а также частотой пилообразного напряжения игпн. Увеличение этих значений делает ток ic более сглаженным и приближенным к синусоидальной форме.
Имитационная модель системы электроснабжения переменного тока
Значительное влияние на работу электровоза при его эксплуатации оказывает контактная сеть [27]. В связи с этим, адекватность разрабатываемой математической модели напрямую зависит от точности учитываемых параметров контактной сети.
Фундаментальные исследования собственных и взаимных сопротивлений проводов, которые лежат в основе использования электрических параметров проводов контактной сети, выполнены Ф. Поллячеком и Дж. Карсоном. Полученное ими точное решение задачи основано на предположении о том, что прямолинейный бесконечно длинный проводник проложен параллельно горизонтальной поверхности однородной земли. Известно, что контактную сеть необходимо рассматривать как цепь с распределёнными параметрами или длинную линию, если её длина больше длины волны протекающего в ней тока или распространяющегося по ней напряжения [6; 31, 30; 45].
Длина волны определяется по формуле: A=vT, (3.1) где Т - период напряжения; v - фазовая скорость распространения волны. Длина волны излучения частотой 50 Гц в вакууме составляет к 3108 0,02 = 6106 м 6000 км [61]. Однако практика показывает, что скорость распространения электромагнитной волны в вакууме не достигается фазовой скоростью, за счёт чего контактная сеть на промышленной частоте при достаточно малых длинах не проявляет характер поведения длинной волны. В свою очередь, частоты генерируемые при постоянных коммутациях силовых полупроводниковых приборов (СПП) и Выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) при эксплуатации ЭПС могут достигать до 5103 Гц, а соответствующая длина волны всего десятки километров, что сопоставимо с расстоянием между тяговыми подстанциями [61]. Контактная сеть начинает проявлять себя как длинная линия и соответствующими электромагнитными процессами пренебрегать уже нельзя [45].
Анализ выполненных исследований позволил выявить достаточно высокую стабильность электрических параметров проводов контактной сети в широком диапазоне изменения удельного сопротивления земли р, высоты подвеса проводов и рельефа местности. Учитывая это обстоятельство, можно сделать вывод, что формулы Ф. Поллячека, Дж. Карсона могут быть рекомендованы для расчета сопротивления проводов тяговой сети в диапазоне до 5-103 Гц. При этом погрешность расчета не превзойдет 5 %.
Для реальных значений переходного сопротивления «рельсы - земля» при удалении нагрузки от подстанции на расстояние более 5 км сопротивление тяговой сети одного пути и-путного участка с погрешностью, не превышающей 5 %, выражается формулой: " z 2 z = zk + a,zai- l + 2 ;. p, (3.2) г=1 V /=1 J Zp« где zfc - сопротивление проводов контактной сети; zai - взаимное сопротивление между проводами рассматриваемого и і-го путей; zh - взаимное сопротивление между проводами и рельсами; zp„ - эквивалентное сопротивление рельсов п путей; аг - относительное значение тока контактной подвески г-го пути, равное аг = I,/1 (здесь Ii - ток контактной подвески г-го пути; / - ток контактной подвески рассматриваемого пути).
Из формулы (3.2) следует, что при известном токораспределении, характеризуемом совокупностью значений ai,a2r..,ai,...an_i, сопротивление тяговой сети определяется только четырьмя основными параметрами: zh zpn, zai, zh. В случае одиночного провода или рельса сопротивления zk = z0 и zp„ = zp рассчитываются по известным формулам Ф. Поллячека или Дж. Карсона. Сопротивление провода: z = r + J со L + іо-4 , (3.3) где га— активное сопротивление провода, Ом/км; в тех случаях, когда в качестве токопроводящих элементов провода используется медь или алюминий, активное сопротивление принимается равным сопротивлению провода постоянному току; со- круговая частота, с-1; /л - магнитная проницаемость провода (для медных и алюминиевых проводов // = 1); L – индуктивность провода, Гн/км.
Индуктивность бесконечно длинного провода, расположенного на высоте h над поверхностью однородной земли, можно рассчитать по приближенной формуле Ф. Поллячека: , .ж 8jkh 21п +1-7 L КГ4, (3.4) y\k\R 2 3 где у постоянная Эйлера (у = 1,7811); R - расчетный радиус провода, см; h высота провода над поверхностью земли, см; 3/к— определяет глубину зоны растекания обратного тока в земле, см.
Схема питания скоростного участка «янгиер – разъезд №13»
Тяговая подстанция (ТП) с трёхфазным трансформатором обеспечивает электроэнергией однофазную нагрузку электротяговой сети. ТП питается от высоковольтной линии центрального питания (ЦП) 110 кВ, 50 Гц. По контактной сети (КС) электроэнергия, напряжением 25 кВ, подаётся к электровозам. Цепь тягового тока замыкается по обратной рельсовой тяговой сети (РС). Схема электровоза ВЛ-80Р включает блок тягового трансформатора (TT), блок управления выпрямительно-инверторной установкой однофазного тока (US) [3]; сглаживающий реактор (Ld), коллекторный двигатель постоянного тока (ДТП) с обмоткой возбуждения (ОВ) [44]. На электровозе UTY-1 применяется современный бесколлекторный тяговый электропривод, схема которого содержит тяговый трансформатор (TT), четырёхквадрантный преобразователь (4q-S) [17, 39], конденсаторный фильтр (Сd), автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН ШИМ) и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД). 4.2 Методика моделирования процессов электропотребления на исследуемом участке железной дороги
Для анализа работы электровозов ВЛ-80Р и UTY-1 c соответствующими типовыми силовыми схемами проведён ряд численных экспериментов по исследованию режимов работы рассматриваемых электровозов на зоне с консольным питанием. Эксперименты осуществлялись следующим образом: Эксперимент 1 – работа электровоза ВЛ-80Р в режиме тяги с типовой силовой схемой на участке с консольным питанием электрической железной дороге в 10 км от тяговой подстанции. Эксперимент 2 – работа электровоза UTY-1 в режиме тяги с типовой силовой схемой на участке с консольным питанием электрической железной дороге в 10 км от тяговой подстанции. Эксперимент 3 – совместная работа электровозов ВЛ-80Р и UTY-1 в режиме тяги на участке с консольным питанием электрической железной дороге в 10 км и 20 км от тяговой подстанции соответственно. Эксперимент 4 – работа электровоза ВЛ-80Р в режиме рекуперации с типовой силовой схемой на участке с консольным питанием электрической железной дороге в 10 км от тяговой подстанции. Эксперимент 5 – работа электровоза UTY-1 в режиме рекуперации с типовой силовой схемой на участке с консольным питанием электрической железной дороге в 10 км от тяговой подстанции. Эксперимент 6 – режим компенсации реактивной мощности методом использования мобильного компенсатора реактивной мощности (КУ).
Получены реализации напряжений на шинах тяговых подстанций и токоприёмниках электровозов. В экспериментах 1–3 выполнен анализ максимальных значений исследуемых величин, разложение в амплитудный и фазовый спектры, а так же изучено распределение мощностей в СТЭС. В экспериментах 4–6 решено ограничиться общим анализом максимальных значений исследуемых величин, а так же действующих значений их основных гармоник и распределение мощностей. Все это позволило составить полное описание процессов, происходящих в СТЭС при работе двух электровозов.
Работа электровоза ВЛ-80Р с зонно-фазовым регулированием напряжения в тяговых цепях на консольном участке электротяговой сети Осциллограммы переходных процессов в системе тягового электроснабжения, полученные в результате обработки данных экспериментов, представлены на рисунке 4.4.
Максимальное мгновенное значение тока тягового ЭПС ВЛ-80Р составило Iи- = 447 8 A (рисунок 4.4). Максимальное значение напряжения у токоприёмника ЭПС составило Umax=368io В за счёт влияния высших гармонических Э составляющих. Синим цветом обозначена основная гармоническая составляющая тока и напряжения. На шинах тяговой подстанции максимальное напряжение составило U Т =38бооВ.
По рисунку 4.4, в соответствии с выражениями (2.12-2.18), выполнен спектральный анализ [41,55,56,57,58] высших гармонических напряжения и тока тяговой подстанции и ЭПС для установившихся режимов работы электровоза ВЛ-80Р. Данные анализа приведены в таблицах 4.4 и 4.5.
Таблица 4.4 – Спектральный анализ тока и напряжения на шинах тяговой подстанции «Зарбдар» при работе ВЛ-80Р в режиме тяги
По рисунку видно, что спектральный состав напряжения сети характеризуется плавным снижением амплитуд с ростом номера гармонической составляющей (п). Существенную величину имеют гармоники 3, 5 и 7 (около 2000 В и более). Амплитудные значения остальных гармоник напряжения не имеют высоких показателей (менее 1000В).
Увеличение коэффициента искажения кривой напряжения у токоприёмника ВЛ-80Р объясняется коммутацией выпрямителя электровоза. Так как на интервале коммутации продолжительностью у существует междуфазное короткое замыкание, то напряжение у токоприёмника определяется отношением индуктивности питающей системы и тягового трансформатора ЭПС [43].
По выражению (2.34) определены коэффициенты мощностей тяговой подстанции и электровоза ВЛ-80Р, kмТП = о,831 и kмЭПС=о,84 соответственно.
Для более детального изучения процессов, возникающих в системе электротяговая сеть - ЭПС при работе электровоза UTY-1 с новым типом импульсного реверсивного четырёхквадрантного преобразователя, в эксперименте 2 выполнена обработка больших массивов статистических данных для специфических условий формирования электрических нагрузок [42] при нахождении электровоза UTY-1 на расстоянии 10, 20 и 30 км от тяговой подстанции.
На рисунке 4.6 отображены осциллограммы переходных процессов, полученные в результате исследований, в системе тягового электроснабжения при работе электровоза UTY-1 на расстоянии 10 км от тяговой подстанции. Числовые данные, полученные в результате Эксперимента, представлены в таблицах 4.7 –