авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения путем активной компенсации реактивной мощнос

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЗАК ВИТАЛИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЗОННО-ФАЗНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ПУТЕМ АКТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Специальности

05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону – 2012

Работа выполнена на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЗАРИФЬЯН Александр Александрович

Научный консультант: доктор технических наук

КОЛПАХЧЬЯН Павел Григорьевич

Официальные оппоненты: БЫКАДОРОВ Александр Леонович

доктор технических наук, профессор

Ростовский государственный университет

путей сообщения, профессор кафедры

«Автоматизированные системы электро-

снабжения»

ЛИТОВЧЕНКО Виктор Васильевич

кандидат технических наук, доцент

Московский государственный университет

путей сообщения, доцент кафедры

«Электрическая тяга»

Ведущая организация: Федеральное государственное образова-

тельное учреждение высшего профессио-

нального образования «Петербургский го-

сударственный университет путей сообще-

ния».

Защита диссертации состоится «28» мая 2012 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 218.010.01при ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного ополчения, д. 2 (главный корпус, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГУПС по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного ополчения, д. 2.

Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01

доктор технических наук, профессор В.А. Соломин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Экономия электроэнергии является одной из приоритетных задач развития железных дорог России. Основная доля потребляемой энергии приходится на электроподвижной состав.

Исходными ориентирами инвестиционного и инновационного развития ОАО "РЖД" до 2030 года в области локомотивостроения является модернизация существующего локомотивного парка с повышением его энергоэкономичности; применения компенсирующих устройств, систем контроля и управления показателями количества и качества потребляемой электроэнергии.

Основными направлениями энергосбережения в перевозочном процессе является внедрение энергооптимальных расписаний движения поездов, установка систем автоведения на локомотивах ОАО "РЖД". Для изучения вопроса энергосбережения были выполнены опытные поездки по участкам со сложным профилем пути. Выяснилось, что опытные машинисты добиваются потребления электроэнергии на уровне с системами автоведения, то есть экономия электроэнергии в количественном аспекте достигает своих пределов.



В то же время, вопрос качества потребляемой из сети электроэнергии остается открытым, в особенности для электровозов переменного тока с плавным зонно-фазным регулированием напряжения: ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5к, 3ЭС5к и других. Это вызвано наличием выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), собранного на тиристорах. Потребляется реактивная мощность, которая приводит к искажению формы напряжения и как следствие формы тока сети.

Пониженный коэффициент мощности вызывает увеличение тока, потребляемого электровозом. При этом требуется соответственно повышать типовую мощность трансформатора электровоза; кроме того, возникают дополнительные потери в тяговой сети, понижая к.п.д. системы электрической тяги. Дополнительные искажения формы тока тяговой сети, создаваемые тиристорными преобразователями электровозов, оказывают мешающее влияние на проводные линии связи.

Для того, чтобы повысить коэффициент мощности электровоза, в настоящее время на железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, в ряде случаев используются стационарные компенсирующие устройства вдоль участка электроснабжения.

Более эффективным является подключение устройств компенсации непосредственно у потребителя реактивной мощности, то есть на электроподвижном составе.

Традиционно для решения задач регулирования качества электроэнергии применялись тиристорные стабилизаторы напряжения, компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры. Возможность использования силовых электронных устройств в качестве КРМ начала привлекать внимание специалистов (в т.ч. и российских), начиная с середины 70-х годов ХХ-го века. При этом рассматривались статические преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), работающие на базе инвертора напряжения или тока.

Значительный вклад в теорию и практику улучшения энергетики электровозов внесли работы, выполненные Тихменевым Б.Н., Лисицыным А.Л., Кучумовым В.А., Мугинштейном Л.А., Мазнёвым А.С., Плаксом А.В., Покровским С.В., Широченко Н.Н., Ермоленко Д.В., Яновым В.П., Крамсковым С.В., Ротановым Н.А., Феоктистовым В.П., Савоськиным А.Н., Иньковым Ю.М., Мамошиным Р.Р., Тулуповым В.Д., Литовченко В.В, Копаневым А.С., Кулиничем Ю.М., Донским Д.А., Быкадоровым А.Л., Колпахчьяном П.Г. и другими авторами.

В настоящее время состояние элементной базы дает большие возможности построения компенсаторов реактивной мощности.

Однако на сегодняшний день далек от решения вопрос построения эффективного управления активными компенсаторами реактивной мощности, связанный с метода выделения гармонического состава исследуемого сигнала.

Целью работы является повышение тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с плавным зонно-фазным регулированием напряжения путем применения гибридных компенсаторов реактивной мощности, оснащенных усовершенствованной системой управления, чем достигается увеличение коэффициента мощности.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- выбран тип компенсатора реактивной мощности (КРМ), схема и место его подключения;

- выбран эффективный метод управления активными элементами КРМ;

- построена комплексная компьютерная модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», включающая в себя участок тяговой сети и системы тягового электроснабжения, схему тягового электропривода электровоза 3ЭС5К и гибридного КРМ;

- определен метод измерения и анализа тока, потребляемого выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП);

- разработана усовершенствованная система управления гибридным компенсатором;

- выполнено компьютерное моделирование, результаты которого были сопоставлены с эксплуатационными замерами;

- выполнено сравнение энергетической эффективности применения активного и гибридного компенсаторов реактивной мощности.

Методы исследований. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы математического моделирования, теоретической электротехники, теории преобразовательных устройств, аналитические и численные методы расчета с применением ЭВМ.

Достоверность результатов. Достоверность исследований и методов расчета проверялась сопоставлением результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований опытного электровоза 3ЭС5К-047.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснован тип компенсатора реактивной мощности (КРМ), определены схемные решения и место его подключения в силовой схеме тягового электропривода электровоза.

2. Создана структура и выполнен параметрический синтез системы автоматического регулирования активной части КРМ.

3. Разработан метод идентификации гармонического состава однофазных периодических сигналов с использованием метода вращающихся синхронных d - q-координат;

4. Комплексная математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», включающая в себя участок тяговой сети и системы тягового электроснабжения, тяговый электропривод электровоза 3ЭС5К с подключенным гибридным КРМ.

5. Результаты анализа электромагнитных процессов в тяговом электроприводе и полученные на их основании рекомендации по разработке активных и гибридных КРМ электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения.

На защиту выносятся:

1. Структура и схемные решения КРМ, подключаемого параллельно искажающей нагрузке на полное напряжение тяговой обмотки трансформатора. В отличие от известных технических решений, предлагается применение на одной секции электровоза пассивных компенсаторов с различными параметрами и скоординированное управление их подключением в зависимости от зоны регулирования ВИП, что снижает токовую нагрузку активной части компенсатора и его массо-габаритные показатели;

2. Структура и параметрический синтез системы автоматического регулирования активной частью КРМ, обладающей повышенным быстродействием;

3. Метод идентификации гармонического состава однофазных периодических сигналов с использованием метода вращающихся синхронных d - q-координат отличается тем, что предложен новый способ определения второй проекции пространственного вектора однофазных напряжений и токов;

4. Комплексная математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», включающей в свой состав модель участка системы тягового электроснабжения, тяговый электропривод электровоза 3ЭС5К с подключенным гибридным КРМ и позволяющей проводить исследования тягово-энергетических показателей электровоза во всех режимах работы;

5. Результаты анализа процессов в тяговом электроприводе с активным и гибридным КРМ. Установлено минимально необходимое количество компенсируемых гармоник сетевого тока для обеспечения заданного значения коэффициента мощности электровоза, определена частота модуляции активной части компенсатора, получены количественные значения потерь в силовых полупроводниковых приборах активной части КРМ в зависимости от режима работы тягового электропривода электровоза.

Пункты 1, 4 и 5 относятся к специальности 05.22.07, пункты 2 и 3 – к специальности 05.09.03.

Практическая ценность работы: Сформулированы практические рекомендаций по структуре и месту подключения активного и гибридного КРМ, структурному и параметрическому синтезу системы управления активной частью компенсатора. Разработанная математическая модель системы «система тягового электроснабжения - тяговый электропривод электровоза с КРМ» может быть использована для анализа тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения.

Результаты работы применены при разработке гибридных устройств компенсации реактивной мощности для модернизации электровозов с зонно-фазным регулированием: грузовых семейства «Ермак», пассажирских ЭП1 и других.

В случае использования гибридного КРМ, оснащенного предлагаемой системой управления, удается достичь значения коэффициента мощности в пределах 0,95 – 0,98 во всем диапазоне регулирования напряжения.

Реализация полученных результатов. Научно-техническая разработка по совершенствованию КРМ электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения принята как материал для проработки мероприятий по совершенствованию конструкции электровозов 2ЭС5К, 3ЭС5К выпуска 2012-2013 г.г.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на Всероссийских научно-практической конференции «Транспорт-2007» - «Транспорт-2011» (Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, 2007-2011 гг.);

- на научно-технических конференциях «Перспективы развития локомотиво- и вагоностроения России» (Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, 2008-2011 гг.);





- на XXI Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта», Луганск (Украина), 26 - 30 сентября 2011 г.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 13 печатных трудах, в том числе две – в изданиях, входящих в список ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем 168 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, связанной с улучшением энергетических параметров электровозов с зонно-фазным регулированием, сформулированы цель и задачи исследований, излагаются подход и методы исследований, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе описана проблема низкого коэффициента мощности электровозов переменного тока с зонно-фазным регулированием.

Коэффициент мощности (далее по тексту КМ) является одним из основных энергетических показателей электровоза, определяющий потребление им непроизводительной реактивной мощности. Работа электровоза с низким значением коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии. При несинусоидальной форме напряжения и тока КМ электровоза определяется по формуле:

(1)

где - КМ электровоза;- активная потребляемая мощность, Вт; - полная потребляемая мощность, ВА; - коэффициент несинусоидальности потребляемого тока (характеризует степень искажения входного тока электровоза и определяется отношением первой гармоники входного тока к его действующему значению); - коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первыми гармониками напряжения и тока.

Таким образом, КМ характеризует степень потребления электровозом активной и соответственно реактивной мощности, т.е. увеличение способствует повышению активной мощности и одновременному уменьшению реактивной.

Источником негативного влияния в системе тягового электроснабжения является электровозы с зонно-фазным регулированием силы тяги, что объясняется работой ВИП (рисунок 1).

Рисунок 1 – Функциональная схема ВИП: , , – секции вторичной обмотки трансформатора; 1,2…8 – плечи; , – сглаживающие реакторы;
, – тяговые двигатели

Существенным недостатком электровозов с плавным регулированием силы тяги является низкое значение КМ, достигающее 0,7…0,84 в режиме тяги лишь в конце четвертой зоны регулирования.

Приведен анализ этапов развития электровозов со ступенчатым регулированием силы тяги, выполнен обзор основных методов повышения КМ электровозов с зонно-фазным регулированием. Указаны достоинства и недостатки существующих конструкций КРМ.

Для улучшения качества потребления электроэнергии в системе электроснабжения используются: 1) пропуск полуволн напряжения в цепи тяговых электродвигателей; 2) изменение алгоритма управления ВИП; 3) применение компенсирующих устройств.

Первые два способа не нашли особого применения, так как не происходило улучшения формы тока электровоза и, соответственно, увеличения коэффициента несинусоидальности, что в свою очередь слабо увеличивало КМ электровоза.

Компенсирующие устройства могут быть установлены как на тяговых подстанциях и участках электроснабжения, так и непосредственно у потребителя, т.е. на электровозе.

Конструкция пассивного КРМ показана на рисунке 2. Пассивный компенсатор представляет собой последовательно соединенные элементы индуктивности и емкости, так называемый LC – контур или электрический фильтр. Пассивный КРМ подключается к вторичной обмотке тягового трансформатора электровоза.

Такая схема применялась на опытных электровозах типа ВЛ80СК, ВЛ80ТК, а также на электровозе 3ЭС5К-047.

Рисунок 2 – Схема подключения пассивного КРМ

В процессе работы часть электроэнергии (в зависимости от зоны регулирования) возвращается обратно в сеть (реактивная составляющая). При установке КРМ, часть реактивной составляющей тока гасится внутри контура на емкости. В результате уменьшается сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока потребляемого электровозом, снижается уровень высших гармоник, что способствует увеличению КМ.

Однако применение пассивных КРМ на электровозе не обеспечивает эффективную компенсацию высших гармоник питающего тока. В результате не происходит существенного улучшения коэффициента искажения формы тока и связанного с ним КМ электровоза. При эксплуатации электровоза 3ЭС5К-047 в режиме тяги включение КРМ увеличить КМ электровоза в продолжительном режиме с 0,843 до 0,903.

Одним из эффективных путей решения задачи повышения КМ электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения является применение активных компенсаторов реактивной мощности на основе четырехквадрантых преобразователей (4q-S) или их совместное использование с пассивными компенсаторами в составе гибридных КРМ. В этом направлении работали Литовченко В.В., Кулинич Ю.М. и др.

Одним из вопросов, требующих дальнейшей проработки, является совершенствование способов и алгоритмов управления гибридным КРМ, с целью повышения энергетических показателей электровоза во всем диапазоне регулирования ВИП.

Во второй главе обоснован выбор структуры активного и гибридного КРМ. Описаны основные подходы к управлению транзисторами четырехквадрантного преобразователя, исследованы возможные варианты подключения КРМ.

Как показал анализ работы ВИП, наиболее существенный вклад в снижение КМ дает сдвиг по фазе между первыми гармониками тока и напряжения. Для его компенсации более эффективным является применение пассивного КРМ, тогда как использование активного КРМ позволяет снизить уровень высших гармоник тока. Поэтому для увеличения КМ электровоза целесообразно применять гибридный КРМ (рисунок 3), особенностью которого является наличие активного фильтра на базе 4q-S преобразователя, дополняющего действие пассивного LC – контура.

Рисунок 3 – Схема подключения гибридного КРМ



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.