Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ДУХОВНИКОВ Вячеслав Константинович
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ПАССИВНОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Хабаровск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего профессионального образования Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Научный консультант: Кулинич Юрий Михайлович, доктор технических наук, профессор, профессор ФГБОУ ВПО ДВГУПС, г. Хабаровск
Официальные оппоненты: Климаш Владимир Степанович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Промышленная электроника ФГБОУ ВПО КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре Васильченко Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры Электропривод и автоматизация промышленных установок ФГБОУ ВПО КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Омский государствен ный университет путей сообщения
Защита диссертации состоится л27 декабря 2012г. в 1600 часов, в ауд. 201/на заседании диссертационного совета Д 212.092.04 при Комсомольском-наАмуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина д. 27.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ, www.knastu.ru.
Автореферат разослан л___ ноября 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.092.04, e-mail: kepapu@knastu.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент В.И. Суздорф
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы ОАО Российские железные дороги входит в тройку мировых лидеров среди железнодорожных компаний. В её эксплуатации находится свыше 85 тыс. км железных дорог, 46 % которых электрифицированы, из них 53 % составляют линии переменного тока. На долю железнодорожного транспорта в Российской Федерации приходится более 80 и около 40 % всего объёма грузовых и пассажирских перевозок соответственно. Ежегодно ОАО РЖД потребляет около 6 % от всей вырабатываемой электроэнергии в стране.
Одним из направлений принятой в ОАО РЖД программы Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года является повышение энергоэффективности подвижного состава. Эта программа включена в состав государственной энергетической политики, которая направлена на переход Российской Федерации к энергосберегающим технологиям. В соответствии с программой планируется сократить удельный расход электроэнергии на 5 %.
На сети железных дорог Российской Федерации эксплуатируются электровозы переменного тока, имеющие низкое значение коэффициента мощности (0,65Е0,85), что обусловлено отставанием по фазе потребляемого тока относительно питающего напряжения, а также искажением формы этого тока. По этой причине из контактной сети потребляется непроизводительная реактивная мощность, ухудшающая преимущества электрической тяги переменного тока.
Для повышения коэффициента мощности на электроподвижном составе и предприятиях железнодорожного транспорта используются компенсаторы реактивной мощности. Наиболее эффективным является использование устройств компенсации при установке их непосредственно у потребителя реактивной мощности, а именно на электроподвижном составе. Сотрудниками ВНИИЖТа были выполнены исследования нерегулируемого компенсатора реактивной мощности (КРМ), установленного на электровозе ВЛ85. Испытания устройства КРМ показали, что такой компенсатор является эффективным средством для повышения коэффициента мощности электровоза. Однако применение пассивного компенсатора приводит к увеличению коэффициента мощности лишь в ограниченном диапазоне токовых нагрузок, поскольку параметры его элементов выбраны в соответствии с номинальным режимом работы электровоза.
Целью работы является повышение энергетической эффективности работы электровозов переменного тока за счёт разработки устройства компенсации реактивной мощности, позволяющего увеличить коэффициент мощности локомотивов во всём диапазоне токовых нагрузок.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе представлено решение следующих задач:
Ц предложен принципиально новый способ компенсации реактивной мощности, который заключается в пассивном регулировании компенсации реактивной мощности, и разработано устройство, реализующее этот способ;
- разработана математическая модель системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный разработанным компенсатором;
Ц проведены компьютерные и физические исследования работы разработанного компенсатора реактивной мощности;
Ц определена экономическая эффективность от внедрения предлагаемого компенсатора реактивной мощности.
Методика исследований. Методика исследований основана на применении методов теории электрических цепей, теории дифференциальных уравнений, теории автоматического управления и вычислительного эксперимента. При определении структуры и параметров компенсатора реактивной мощности применялись методы математического моделирования с использованием пакета компьютерных программ OrCAD и физического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Ц разработан новый способ и устройство для компенсации реактивной мощности пассивного компенсатора, который может в зависимости от режимов работы электровоза изменять реактивную мощность;
Ц с помощью разработанной математической модели системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный предлагаемым устройством, установлен эффект повышения коэффициента мощности во всех режимах работы электропривода;
Ц разработана система управления, которая позволяет управлять предложенным компенсатором реактивной мощности.
Практическая ценность работы:
Ц использование разработанного компенсатора реактивной мощности на электровозах переменного тока позволяет увеличить коэффициент мощности во всём диапазоне токовых нагрузок;
Ц разработанная математическая модель позволяет исследовать электромагнитные процессы в системе тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный дополнительно разработанным компенсатором реактивной мощности;
Ц экономическая эффективность от внедрения на электровозе предлагаемого спроектированного устройства составляет 490 тыс. руб. в год.
Внедрение результатов работы. Изготовлено устройство, позволяющее улучшить качество потребляемой электроэнергии, которое внедрено в ремонтном локомотивном депо Белогорск-Восточный Забайкальской железной дороги.
На защиту выносятся:
Ц новый способ компенсации реактивной мощности с помощью пассивного компенсатора за счёт плавного изменения его реактивной мощности;
Ц математическая модель системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный разработанным компенсатором реактивной мощности;
Ц теоретические и экспериментальные исследования компенсации реактивной мощности, направленные на увеличение коэффициента мощности электровозов переменного тока.
Апробация работы: Основные результаты работы были одобрены и доложены:
Ц на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке (Хабаровск, 2009 год), ДВГУПС;
Ц Всероссийской научно-практической конференции Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования (Хабаровск, 2010 год), ДВГУПС;
Ц Всероссийской научно-практической конференции с международным участием Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке (Хабаровск, 2011 год), ДВГУПС;
Ц 13-м Краевом конкурсе-конференции молодых учёных и аспирантов (Хабаровск, 2011 год), ТОГУ;
Ц Всероссийской научно-практической конференции Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования (Хабаровск, 2012 год), ДВГУПС;
Ц 14-м Краевом конкурсе-конференции молодых учёных и аспирантов (Хабаровск, 2012 год), ТОГУ;
Ц заседании кафедры Подвижной состав электрических железных дорог ОмГУПС;
Ц заседаниях кафедры Электроподвижной состав ДВГУПС.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в т.ч. три статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и журналах перечня ВАК РФ, и один патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка. Объём работы составляет 146 страниц машинописного текста, которая содержит 81 рисунок, 9 таблиц и библиографический список, включающий 113 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и значимость выбранной темы диссертационной работы. Проведён анализ существующих до настоящего времени результатов научных исследований, намечены перспективы внедрения от использования предлагаемого регулируемого пассивного компенсатора реактивной мощности. Научной основой работы послужили исследования вопросов, связанных с повышением энергоэффективности электровозов переменного тока, выполненные следующими учёными и специалистами: Б.Н. Тихменевым, Л.М. Трахтманом, В.Д. Тулуповым, В.А. Кучумовым, В.Б. Похелем, Л.А. Мугинштейном, Ю.М. Иньковым, Н.А. Ротановым, В.П. Феоктистовым, Р.Р. Мамошиным, А.Н. Савоськиным, В.М. Антюхиным, А.Л. Лозановским, Н.Н. Широченко, Н.С. Назаровым, Б.И. Хомяковым, Ю.А. Басовым, С.В. Власьевским, Ю.М. Кулиничем, Р.И. Мирошниченко, А.И. Лещевым, В.В. Литовченко, О.В. Мельниченко и многими др.
В первой главе представлен проведённый анализ электромагнитных потерь, возникающих в контактной сети вследствие потребления электровозом реактивной мощности. Рассмотрены устройства компенсации реактивной мощности электроподвижного состава, сформулированы цель и задачи научного исследования.
В результате потребления реактивной мощности увеличивается нагрузка на электрооборудование контактной сети, в т.ч. и электровоза; растёт полный ток, потребляемый электровозом, что приводит к повышению технологических потерь электроэнергии в контактной сети, а также к возрастанию падения напряжения в ней. Как показывают расчеты, передача 1А реактивного тока вызывает в 5-7 раз больше потерь напряжения по сравнению с передачей 1А активного тока.
При передаче реактивной мощности в тяговой сети происходит снижение напряжения на токоприемнике электровоза, это приводит к дополнительному потреблению тока, что в свою очередь вызывает ещё большие потери сетевого напряжения. Указанное означает, что снижение напряжения может привести к уменьшению напряжения на токоприёмнике электровоза до предельно допустимого уровня - 19,5 кВ, более того, потери напряжения уменьшают скорость движения поездов на 10-16 %.
Компенсировать реактивную мощность электроподвижного состава переменного тока без изменения силового преобразователя возможно, если подключить пассивный нерегулируемый компенсатор реактивной мощности к вторичной обмотке силового трансформатора электровоза (рис. 1).
Рис. 1. Схема подключения нерегулируемого КРМ Как следует из рис. 1, компенсатор реактивной мощности представляет собой последовательную резонансную LC-цепь, включаемую с помощью ключевого элемента, состоящего из двух встречно-параллельно соединённых тиристоров Vkи Vk2.
Устройство КРМ предназначено, для улучшения формы потребляемого электровозом тока и сокращения отставания по фазе первой гармоники этого тока, в результате это приводит к повышению коэффициента мощности.
Уменьшение высших гармонических составляющих во входном токе электровоза происходит за счёт шунтирования третьей гармоники тока цепью компенсатора, настроенного на близкую частоту (135 Гц), а также некоторого ослабления ближайших по частоте высших гармоник. Уменьшение фазового угла осуществляется путём создания неуправляемой ёмкостной составляющей тока основной частоты, протекающей через LC-цепь, которая для частоты 50 Гц имеет ёмкостное сопротивление. Благодаря этому происходит смещение фазы потребляемого тока в сторону опережения и приближение к фазе питающего напряжения.
Назначение схемы управления тиристорами Vk1, Vk2 ключевого элемента сводится к отключению КРМ при возникновении аварийных режимов работы электровоза, а также к включению КРМ в момент равенства мгновенных значений напряжения на вторичной обмотке трансформатора и напряжения на конденсаторе КРМ.
Применение на электровозе рассматриваемого нерегулируемого компенсатора реактивной мощности приводит не только к значительному увеличению коэффициента мощности в номинальном режиме работы, но и к перекомпенсации реактивной мощности при малых токах нагрузки, что объясняется постоянной величиной ёмкостного тока, протекающего через LC-цепь компенсатора. Следует заметить, что работа КРМ является эффективной лишь в определённом диапазоне токовых нагрузок и не является таковой при других условиях.
Компенсировать реактивную мощность электроподвижного состава в более широком диапазоне нагрузок позволяет переключаемый пассивный компенсатор реактивной мощности. Этот компенсатор увеличивает cos в нескольких режимах работы электровоза за счёт подключения LC-фильтра к различным секциям вторичной обмотки тягового трансформатора, обеспечивая тем самым ступенчатое изменение реактивной мощности.
При изменении реактивной мощности нагрузки и сохранении номинального значения мощности компенсатора происходит недокомпенсация или перекомпенсация реактивной мощности электровоза, что приводит к изменению фазового угла сдвига . При превышении величины за пороговое значение происходит переключение LC-фильтра к обмоткам тягового трансформатора с большим или меньшим напряжением. В этом случае увеличивается или уменьшается мощность компенсатора реактивной мощности. Благодаря этому происходит увеличение или уменьшение ёмкостной составляющей входного тока электровоза и обеспечивается синфазность питающего напряжения и потребляемого электровозом тока в нескольких режимах его работы, а именно:
происходит увеличение энергетической эффективности электровоза, оборудованного переключаемым пассивным компенсатором реактивной мощности в нескольких фиксированных режимах работы электровоза, т.е.
наиболее полная компенсация реактивной мощности электровоза достигается только в пределах каждой ступени изменения реактивной мощности компенсатора. Это связано с тем, что при фиксированных ступенях реактивной мощности компенсатора и изменяющейся реактивной мощности электровоза полная компенсация возможна только в том случае, если потребляемая электровозом реактивная мощность будет равна мощности соответствующих ступеней компенсатора. Невыполнение этого условия приводит к неполной компенсации реактивной мощности электровоза и к снижению его энергетической эффективности.
Следовательно, применение пассивного переключаемого КРМ значительно улучшает коэффициент мощности электровоза в пределах каждой ступени компенсатора, но не решает задачи наиболее полной компенсации реактивной мощности во всех режимах его работы.
На основе проведённого анализа работы существующих пассивных компенсаторов реактивной мощности выявлены достоинства и недостатки, определены и сформулированы цели и задачи выполняемых исследований.
Во второй главе представлены разработанные математические модели основных элементов системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, которые реализованы в пакете программ OrCAD 10.5.
Модель тяговой подстанции представляет собой электрическую цепь с последовательно соединёнными источником переменного синусоидального напряжения, активным сопротивлением и индуктивностью, которые приведены к вторичной обмотке трансформатора подстанции.
В диссертационной работе принята математическая модель контактной сети, разработанная учёными кафедры Электрическая тяга МИИТа под руководством профессора А.Н. Савоськина. Она представляет собой линию с распределёнными параметрами, состоящую из однотипных звеньев. Каждое звено выполнено в виде Г-образной схемы, моделирующей контактную сеть длиной 400 м. Используемая модель является наиболее адекватной при моделировании электромагнитных процессов, происходящих в контактной сети, поскольку учитывает поверхностный эффект и нелинейность продольных параметров тяговой сети.
В качестве модели электровоза однофазно-постоянного тока принят пассажирский электровоз ЭП1, на котором установлен многообмоточный тяговый трансформатор ОНДЦЭ-5700/25У2. Поскольку в библиотеке программы OrCAD 10.5 не содержится модели многообмоточного трансформатора, то тяговый трансформатор электровоза представлен схемой замещения из нескольких двухобмоточных трансформаторов. Параметры элементов схемы замещения приняты точно такими же, как и в исследовательских работах, выполненных профессором С.В. Власьевским.
Модель выпрямительно-инверторного преобразователя выполнена на базе библиотечного тиристора программы OrCAD 10.5, параметры которого изменены в соответствии с условиями решаемой задачи.
Модель тягового электродвигателя представлена с помощью двух схем замещения, соответствующих режиму тяги и режиму рекуперативного торможения.
Воздействие вихревых токов в модели не учитывалось, поскольку они качественно не оказывают влияния на процессы, происходящие в тяговом электродвигателе при установившемся режиме.
Проверка адекватности разработанной модели тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз заключалась в сравнении результатов математического моделирования с экспериментальными данными, которые были получены сотрудниками ВНИИЖТа при испытании электровоза ЭП1 на опытном кольце станции Щербинка. Осциллограммы экспериментальных и расчётных кривых приведены на рис. 2.
Количественная оценка между расчётными (udР, i2Р) и экспериментальными (udЭ, i2Э) данными была определена при помощи коэффициента детерминации R2, который составил: для диаграмм напряжения R2 = 0,962; для диаграмм тока R2 = 0,984. Значение коэффициентов R2 подтверждает, что разработанная модель адекватно отражает электромагнитные процессы, протекающие в реальной системе тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз.
В третьей главе описано рассмотренное устройство для компенсации реактивной мощности, Рис. 2. Диаграммы выпрямленного которое позволяет повысить коэффициент мощнапряжения (udЭ, udР) и тока втоности км электровоза во всем диапазоне токовых ричной обмотки тягового транснагрузок за счёт обеспечения равенства мощности форматора (i2Э, i2Р) компенсатора и реактивной мощности нагрузки (QН=QКРМ) путём плавного изменения реактивной мощности компенсатора QКРМ.
Принцип работы предлагаемого устройства представлен на упрощенной структурной схеме электровоза ЭП1, оборудованного компенсатором (рис. 3).
Рис. 3. Структурная схема предлагаемого устройства компенсации реактивной мощности Компенсация реактивной мощности осуществляется с помощью последовательно соединённых LC-фильтра и вольтодобавочного трансформатора ВДТ, подключённых к вторичной обмотке тягового трансформатора Тр. На первичную об мотку вольтодобавочного трансформатора поступает напряжение с выхода автономного инвертора напряжения АИН uВДТЦ1. На вторичной обмотке этого трансформатора формируется напряжение uВДТЦ2, пропорциональное uВДТЦ1 и коэффициенту его трансформации. Алгоритм переключения IGBT-транзисторов V1-V4, составляющих силовую часть автономного инвертора напряжения, реализован на основе применяемого устройства формирования импульсов управления (УФИУ).
На вход УФИУ поступает сигнал, пропорциональный реактивной мощности нагрузки QН, который вычисляется при помощи блока управления инвертором БУИ, датчика тока ДТ, датчика напряжения ДН и блока синхронизирующих импульсов БСИ. Устройство формирования импульсов управления позволяет обеспечить плавное изменение выходного напряжения uВДТЦ1 АИН.
Изменение реактивной мощности компенсатора QКРМ при фиксированной ёмкости его конденсатора С осуществляется за счёт увеличения или уменьшения величины напряжения UC на его обкладках и определяется по формуле QКРМ СUС, (1) где С - ёмкость конденсатора источника реактивной мощности;
UC - напряжение на обкладках конденсатора источника реактивной мощности;
В замкнутом контуре электрической цепи, включающем в себя I-II-III секции вторичной обмотки трансформатора напряжения Тр, вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора ВДТ, индуктивность L и ёмкость С источника реактивной мощности, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, выполняется соотношение u2 uВДТ-2 U UC L, (2) где u2 - напряжение I-II-III секций вторичной обмотки трансформатора напряжения Тр;
uВДТЦ2 - напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора ВДТ.
Изменение QКРМ предлагается осуществлять за счёт изменения напряжения на конденсаторе С источника реактивной мощности. При фиксированном значении напряжения u2 вторичной обмотки трансформатора Тр это можно реализовать путем изменения напряжения на вторичной обмотке uВДТЦ2 вольтодобавочного трансформатора ВДТ. Напряжение uВДТЦ2 формируется с помощью автономного инвертора напряжения АИН из постоянного напряжения Ed, поступающего с накопительного конденсатора CE. Заряд СЕ выполняется через обратные диоды, подключённые встречно-параллельно к транзисторам V1-V4.
Напряжения первичной uВДТ-1 и вторичной uВДТ-2 обмоток ВДТ связаны между собой соотношением uВДТ 2 uВДТ 1 k, (3) ВДТ где kВДТ - коэффициент трансформации ВДТ.
Амплитудное значение напряжения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора вычисляется по формуле uВДТ 1 Ed, (4) где - глубина модуляции сигналов;
Ed - постоянное напряжение на входе АИН.
Таким образом, плавное изменение реактивной мощности КРМ QКРМ возможно за счёт изменения величины напряжения на вторичной обмотке ВДТ uВДТЦ2, которое определяется по формуле Ed Uм Ed uВДТ-2 , (5) kВДТ UГПН kВДТ где Uм - амплитуда модулирующего напряжения;
UГПН - амплитуда несущего пилообразного напряжения.
При постоянных значениях Ed и kВДТ изменение uВДТЦ2 осуществляется благодаря глубине модуляции .
Моделирование работы АИН при различных величинах показало, что напряжение на накопительном конденсаторе СЕ не является стабильным и имеет пульсирующую форму (рис. 4). Чтобы обеспечить работу предлагаемого компенсатора реактивной Рис. 4. Диаграмма напряжения на мощности, необходимо поддерживать на нако- конденсаторе СЕ при глубине модуляции =0,пительном конденсаторе CE заданное стабильное значение напряжения Ed. На основании выполненных расчётов было установлено, что напряжение на накопительном конденсаторе СЕ должно составлять 600 В. Для поддержания постоянного напряжения на СЕ была разработана система управления с каналом стабилизации напряжения (КСН), структурная схема которой приведена на рис. 5.
Система с КСН отслеживает величину напряжения на накопительном конденсаторе CE и не допускает его отклонений свыше заданной величины. Канал стабилизации напряжения состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ), элемента сравнения (ЭС1) и пропорционально-интегрирующего регулятора (ПИ). Поддержание постоянного напряжения Ed осуществляется следующим Рис. 5. Система управления компенсаобразом. При уменьшении, например, натором с КСН, позволяющая стабилипряжения Ed меньше величины заданного зировать напряжение на накопительнапряжения UЗ на выходе элемента сравненом конденсаторе СЕ ния ЭС1 формируется отрицательный сигнал UТ, поступающий в пропорционально-интегрирующий регулятор ПИ, на выходе которого, в свою очередь, уменьшается напряжение UКСН. Сигнал с ПИрегулятора поступает на элемент суммирования СУМ, в котором UКСН складывается с напряжением UБУ. На выходе элемента СУМ формируется сигнал модулирующего напряжения Uм, уменьшенный на величину UКСН. Вследствие снижения амплитуды модулирующего напряжения Uм, поступающего в УФИУ, время заря да накопительного конденсатора CE увеличивается, что приводит к росту на нём напряжения Ed до заданной величины.
Эффективность использования канала стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе CE показана на рис. 6.
35V 30V 25V 20V 15V 10V 5V 0V 0s 0.05s 0.10s 0.15s 0.20s 0.25s 0.30s 0.35s 0.40s 0.45s 0.50s 0.55s 0.60s 0.65s 0.70s 0.75s 0.80s 0.85s 0.90s 0.95s 1.00s V(Z10:C,R20:2) Time Рис. 6. Переходной процесс напряжения на накопительном конденсаторе СЕ при включении КСН Как видно из рис. 6, после включения КСН в цепь слежения за напряжением Ed (t = 0,5 с) через 150 миллисекунд напряжение на CE становится практически постоянным и достигает заданного значения, равного 600 В. Увеличение ёмкости накопительного конденсатора CE, позволит уменьшить пульсации выпрямленного напряжения Ed. Из этого следует, что применение КСН позволяет поддерживать на накопительном конденсаторе СЕ заданную величину напряжения (Ed =600 В).
Математическое моделирование работы электровоза, оборудованного предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности, выполнялось при следующих условиях: локомотив работал в тяговом режиме на четвёртой зоне с углом регулирования р=90. Типовое значение неуправляемого по фазе угла принято 0=9. Питание межподстанционного участка - двухстороннее, локомотив находился на удалении четырёх километров от тяговой подстанции, расстояние между подстанциями - 50 километров. Значения элементов LC-фильтра составляют:
C = 3,3 мФ; L = 421 мкГн. Для достижения полной компенсации реактивной мощности требуется амплитудное значение первой гармоники напряжения UВДТ-2 на выходе вольтодобавочного трансформатора, равное 440 В (рис. 7), при этом глубина модуляции составит: = 0,73.
700V 600V 400V 200V 0V -200V -400V -600V -700V 260ms 264ms 268ms 272ms 276ms 280ms 284ms 288ms 292ms 296ms 300ms V(V430:+) V(VT2,VT1) Time Рис. 7. Диаграмма напряжения на выходе вольтодобавочного трансформатора: uВДТ-2 - выходное напряжение ВДТ;
uВДТ-2(1) - первая гармоника выходного напряжения ВДТ Результаты моделирования работы электровоза, оборудованного предлагаемым устройством с каналом КСН, приведены на рис. 8, из которого следует, что потребляемый электровозом ток i синфазен с питающим напряжением u ( = 0);
форма этого тока i приближена к синусоидальной: = 0,9953.
40KV 400A 1 20KV 200A 0V 0A -20KV -200A >> -40KV -400A 1 V(K_S) 2 I(R1286) 2.1KV 5.25K 1 1.8KV 4.50K 1.5KV 3.75K 1.2KV 3.00K 0.9KV 2.25K 0.6KV 1.50K 0.3KV 0.75K 0V SEL>> SEL>> -0.3KV -0.75K 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms 1 V(R1750:2,L690:1) 2 -I(L697) V(R1805:1,0) Time Рис. 8. Мгновенные диаграммы напряжений и тока электровоза ЭП1 в режиме тяги при включении предлагаемого устройства с КСН: u - питающее напряжение; i - потребляемый электровозом ток; ud - выпрямленное напряжение; iн - ток тяговых двигателей электровоза;
ср iн - средний ток тяговых двигателей электровоза Коэффициент мощности приближается к единичному значению (км = 0,992) за счёт максимального увеличения cos = 1 и ограничен только значением коэффициента искажения синусоидальности потребляемого тока . Однако, несмотря на это, в форме выпрямленного напряжения ud появляются высокочастотные пульсации, связанные с работой АИН.
В связи с этим была определена природа появления этих пульсаций в форме ud.
На основной частоте (50 Гц) общее сопротивление цепи компенсатора, состоящего из последовательно включённых конденсатора C и индуктивности L, имеет ёмкостной характер, так как 1 C L. На выходе автономного инвертора напряжения АИН и вторичной обмотке ВДТ формируется высокочастотное переменное импульсное напряжение (рис. 7). В соответствии с законом коммутации, напряжение на конденсаторе компенсатора не может изменяться мгновенно. Поэтому высшие гармонические составляющие напряжения вторичной обмотки ВДТ прикладываются к цепи тяговых двигателей, а гармоника напряжения основной частоты (50 Гц) - к конденсатору C компенсатора. Величина напряжения на конденсаторе определяется суммой напряжений I-II-III секций вторичной обмотки трансформатора Тр и первой гармоники выходного напряжения ВДТ. На рис. 9 приведены формы напряжений на конденсаторе электровоза, оборудованного пассивным компенсатором и электровоза с предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности. Как следует из гармонического анализа этих напряжений, напряжение на конденсаторе электровоза с предлагаемым устройством имеет на 4В большую амплитуду, что соответствует величине первой гармоники выходного напряжения ВДТ (см. рис. 7). Таким образом, возникающие высокочастотные пульсации в кривой выпрямленного напряжения ud связаны с работой автономного инвертора напряжения.
3.0KV 2.0KV 1.0KV 0V -1.0KV -2.0KV SEL>> -3.0KV V(R1800:1,L708:1) 3.0KV 2.0KV 1.0KV 0V -1.0KV -2.0KV SEL>> -3.0KV 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms V(C449:2,C449:1) Time Time Рис. 9. Мгновенные диаграммы напряжений на конденсаторах электровозов: а - оборудованного пассивным компенсатором;
б - оборудованного предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности с КСН На основании гармонического анализа потребляемого тока i было оценено влияние высокочастотных пульсаций напряжения на форму тока i при работе электровоза в штатном режиме и с предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности. По результатам анализа установлено, что использование предлагаемого устройства способствует улучшению синусоидальности потребляемого электровозом тока за счёт уменьшения токов третьей и пятой гармоник в разы, т. е.
в 3,12 и в 1,51 раз соответственно. Отмечается также снижение значений высших (n > 5) гармонических составляющих потребляемого тока i. Из этого можно сделать вывод, что высокочастотные пульсации в кривой выпрямленного напряжения не влияют на форму потребляемого электровозом тока i.
Структурная схема системы управления устройством компенсации реактивной мощности с каналом стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе СЕ приведена на рис. 10.
Рис. 10. Блок-схема подключения системы управления устройством компенсации реактивной мощности Система управления разработанного компенсатора работает следующим образом. Текущие значения сетевого напряжения u и потребляемого тока i поступают в устройства выборки-хранения УВХ1 и УВХ2 с датчиков напряжения ДН1 и тока ДТ1 соответственно. Сигналы с УВХ1 и УВХ2 передаются в микроконтроллер PIC1, который вычисляет заданное значение тока i*. Рассчитанное значение заданного тока i* поступает в цифроаналоговый преобразователь ЦАП, на выходе которого формируется сигнал напряжения ki*, пропорциональный заданному значению тока i*. С помощью первого сумматора СУМ1 и второго элемента сравнения ЭС2 осуществляется сложение и вычитание соответствующих сигналов токов. Величина модулирующего напряжения uм формируется в результате сложения (СУМ2) сигналов с вы* хода элемента сравнения ЭС2 uk и uКСН, поступающего с модуля КСН. В микроконтроллере PIC2, согласно методу широтно-импульсной модуляции, генерируются импульсы управления, обеспечивающие заданный алгоритм работы автономного инвертора напряжения АИН. Общая синхронизация работы системы управления компенсатором осуществляется от блока синхронизирующих импульсов БСИ.
В четвертой главе приведены результаты исследования математической и физической модели работы электровоза, оборудованного предлагаемым компенсатором реактивной мощности.
Исследование работы электровоза на основе математической модели проводилось в двух вариантах: режиме тяги и рекуперативного торможения на всех зонах регулирования.
В рассматриваемых моделях принято, что локомотив находится на расстоянии четырёх километров от тяговой подстанции, питание межподстанцинного участка - двухстороннее, полная длина участка составляет 50 километров. Во всех режимах работы угол регулирования р и неуправляемые по фазе углы 0 и приняты равными: р=90; 0=9; =35.
В качестве примера на рис. 11 приведены диаграммы работы электровоза на третьей зоне регулирования в режиме тяги и рекуперативного торможения.
40KV 400V 40KV 400V 1 2 1 20KV 200V 20KV 200V 0V 0V 0V 0V -20KV -200V -20KV -200V SEL>> SEL>> SEL>> SEL>> -40KV -400V -40KV -400V 1 V(K_S) 2 V(R1477:2) V(R1799:1) 1 V(K_S) 2 V(R1477:2) V(R1799:1) 40KV 400V 40KV 400V 1 2 1 20KV 200V 20KV 200V 0V 0V 0V 0V -20KV -200V -20KV -200V SEL>> SEL>> SEL>> SEL>> -40KV -400V -40KV -400V 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms 260ms 265ms 270ms 275ms 280ms 285ms 290ms 295ms 300ms 1 V(K_S) 2 V(R1477:2) 1 V(K_S) 2 V(R1477:2) Time Time Time Time Рис. 11. Мгновенные диаграммы питающего напряжения u и потребляемого тока i при работе электровоза на III зоне: а, б - штатная схема; в, г - с предлагаемым компенсатором Результаты математического моделирования представлены в таблице, в кото рой приняты следующие обозначения: , - коэффициент искажения синусоидальности потребляемого тока штатной схемы и с разработанным компенсатором соответственно; к, к - коэффициент мощности штатной схемы и с разработанм м ным компенсатором соответственно.
№ зоны , эл. град. ', о. е. к'м, о. е. , о. е. км, о. е. , о. е.
регулиров.
Режим тяги 1=80,I зона '1=0,9841 к'м1=0,169 1=0,9867 км1=0,979 1=0,cos10,2=57,II зона '2=0,9647 к'м2=0,514 2=0,9847 км2=0,980 2=0,cos20,3=47,III зона '3=0,9687 к'м3=0,657 3=0,9882 км3=0,988 3=0,cos30,4=45,IV зона '4=0,9768 к'м4=0,683 4=0,9953 км4=0,992 4=0,cos40,Режим рекуперативного торможения 1=75,I зона '1=0,9554 к'м1=0,244 1=0,9691 км1=0,958 1=0,cos10,2=68,II зона '2=0,9700 к'м2=0,354 2=0,9700 км2=0,961 2=0,cos20,3=64,III зона '3=0,9744 к'м3=0,427 3=0,9763 км3=0,963 3=0,cos30,4=60,IV зона '4=0,9774 к'м4=0,487 4=0,9835 км4=0,981 4=0,cos40,На основании представленной таблицы можно сделать вывод, что при использовании разработанного компенсатора реактивной мощности происходит увеличение коэффициента мощности км в режиме тяги (рекуперативного торможения) на первой зоне - на 81 % (71,4 %), второй - на 46,6 % (60,7 %), третьей - на 33,1 % (53,6 %) и четвёртой - на 30,9 % (49,4 %). На всех зонах регулирования с применением предлагаемого компенсатора заметно явное улучшение синусоидальности потребляемого тока, которое увеличивается в режиме тяги (рекуперативного торможения) на первой зоне - на 0,26 % (1,41 %), второй - на 2 % (0 %), третьей - на 1,95 % (0,19 %) и четвёртой - на 1,85 % (0,62 %). С использованием предлагаемого компенсатора реактивной мощности на всех зонах происходит уменьшение амплитудного значения потребляемого тока в режиме тяги (рекуперативного торможения) в разы, а именно: первой гармоники - в 1,12 (1,08) раз, третьей - в 2,(1,49) раз и пятой - в 1,45 (1,12) раз.
Из этого следует, что применение разработанного компенсатора реактивной мощности позволяет увеличить коэффициент мощности электровоза до 0,965 - 0,985 - в зависимости от режима его работы.
В целях подтверждения правильности принятых схемных решений было выполнено физическое моделирование работы электровоза, оборудованного предлагаемым компенсатором реактивной мощности. При разработке физической модели системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз был учтён опыт создания подобных моделей, разрабатываемых в 50 - 60-е годы ХХ в. учёными МИИТа, ВЗИИТа и ВНИИЖТа. Модель представляет собой электровоз, оборудованный предлагаемым компенсатором, который находится на электрифицированном участке контактной сети одностороннего питания. Параметры всех элементов модели были рассчитаны на основе масштабных коэффициентов. Разница при сравнении критериев подобия реальной системы и разработанной модели не превышала 2 %, что свидетельствует о хорошей сходимости протекающих электромагнитных процессов (в реальной системе и в разработанной модели).
Внешний вид разработанной физической модели тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный предлагаемым компенсатором реактивной мощности, приведён на рис. 12.
Питание тяговой подстанции в модели осуществляется от сетевого напряжения 220 В. Модель контактной сети представлена Г-образной схемой замещения.
Модель электровоза состоит из понижающего трансформатора, выпрямительно-инверторного преобРис. 12. Внешний вид разработанной физической модели разователя (ВИП) и цепи выпрямленного тока. Преобразователь ВИП выполнен на базе тиристоров типа КУ202, управление которыми осуществляется в соответствии с алгоритмом работы электровоза от системы управления, выполненной на микроконтроллере PIC16F84. Автономный инвертор напряжения модели компенсатора состоит из IGBT-транзисторов типа G4BC30FD, управление которыми осуществляется при помощи драйверов типа IR2101. Система управления разработанного компенсатора выполнена на базе двух микроконтроллеров PIC16F877, операционных усилителей типа К140УД7 и цифро-аналогового преобразователя типа AD7224KN. Величины напряжений и токов контролируются с помощью датчиков LEM LV25-P и CSNX25 соответственно.
Исследование работы физической модели происходило в трёх режимах: штатная схема, включение пассивного LC-фильтра и предлагаемого устройства компенсации реактивной мощности.
Осциллограммы питающих напряжений u и потребляемых токов i при работе электровоза в штатном режиме и с включённым разработанным компенсатором приведены на рис. 13. Мгновенные диаграммы напряжений и токов фиксировались при помощи многофункционального устройства ввода-вывода USB 91компании National Instruments, подключённого к компьютеру.
Штатная схема Схема с разработанным компенсатором u u i i i (1) а б t t ud u d iн i н в г t t Рис. 13. Осциллограммы напряжений и токов физической модели электровоза:
а, б - питающее напряжение u и потребляемый электровозом ток i; в, г - выпрямленные напряжения ud и ток тягового двигателя iн При штатном режиме работы первая гармоника потребляемого электровозом тока i(1) отстает от питающего напряжения u на угол фазового сдвига = 35,6.
Форма сетевого тока i искажена вследствие процессов, протекающих во время сетевой ( = 22) и фазной (р) коммутаций. При работе модели со штатной схемой коэффициент мощности км = 0,786. С применением разработанного компенсатора реактивной мощности происходит совпадение по фазе потребляемого электровозом тока i и питающего напряжения u ( 0), а кривая тока i приближается к синусоидальной форме. Уменьшается также продолжительность сетевой коммутации: = 6,2. При работе модели в режиме тяги с разработанным компенсатором коэффициент мощности км = 0,929. При использовании предлагаемого компенсатора наблюдается снижение амплитудных значений первой, третьей и пятой гармоник потребляемого тока i. В форме выпрямленного напряжения отсутствуют высокочастотные пульсации, что объясняется низким значением напряжения Ed на накопительном конденсаторе CE по отношению к напряжению на вторичной обмотке тягового трансформатора U2 электровоза в физической модели.
Таким образом, разработанная модель системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности, подтверждает эффективность применения разработанного компенсатора на электроподвижном составе однофазно-постоянного тока.
В пятой главе представлен процесс выполнения расчётов габаритных размеров разработанного компенсатора и полученный экономический эффект от его внедрения на электроподвижном составе.
Перед определением габаритных размеров предлагаемого компенсатора был осуществлён подбор оборудования и создана его трёхмерная модель в программе SolidWorks. В результате габаритные размеры разработанного компенсатора составили: вольтодобавочный трансформатор - ширина 800 мм; высота - 630 мм;
длина - 640 мм; автономный инвертор напряжения - ширина 320 мм; высота - 200 мм; длина - 440 мм. Полученные размеры предлагаемого компенсатора позволяют установить его в кузов электровоза.
Капитальные вложения на оборудование компенсатором реактивной мощности одного электровоза ЭП1 составляют 995 тыс. руб. При этом экономический эффект от увеличения коэффициента мощности электровоза составит 490 тыс. руб./год. Основываясь на полученных данных был определён срок окупаемости от внедрения разработанного компенсатора на электровоз, который составил 26 месяцев (по методу дисконтирования).
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Предложен и исследован новый способ компенсации реактивной мощности, заключающийся в обеспечении равенства мощности компенсатора и реактивной мощности нагрузки за счёт плавного изменения реактивной мощности пассивного компенсатора;
2. Разработан компенсатор реактивной мощности, реализующий предложенный способ и позволяющий повысить коэффициент мощности электровоза во всём диапазоне токовых нагрузок;
3. Разработаны математическая и физическая модели системы тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз, оборудованный предлагаемым компенсатором;
4. Проведены компьютерные и физические исследования работы разработанного компенсатора реактивной мощности, подтверждающие его эффективность;
5. Определён срок окупаемости предлагаемого компенсатора реактивной мощности при оборудовании им одного электровоза.
Основные положения диссертации опубликованы:
в журналах перечня ВАК РФ:
1. Пат. 2420848 Российская Федерация, МПК H 02 J 3/18. Трёхфазный компенсатор реактивной мощности [Текст] / Ю.М. Кулинич, В.К. Духовников ;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения. - №2010123772/07 ; заявл. 10.06.2010 ; опубл.
10.06.2011, Бюл. № 16. - 9 с.
2. Кулинич Ю.М., Духовников В.К., Гурбин В.Л. Повышение энергетической эффективности электровоза переменного тока за счёт изменения структуры ВИП // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектноконструкторского института электровозостроения. - Новочеркасск, 2010. - № 2(60). - С. 42-50.
3. Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Способы повышения производительности работы активного компенсатора реактивной мощности // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - № 2. - С. 16-20.
4. Савоськин А.Н., Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Применение активного фильтра для нормализации качества электрической энергии // Транспорт:
наука, техника, управление. - 2011. - № 2. - С. 7-9.
в других научных изданиях 5. Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Повышение эффективности работы активного компенсатора реактивной мощности // Вестник института тяги и подвижного состава. : межвуз. сб. науч. тр. Вып. 6 / ДВГУПС ; под ред. А.Е. Стецюка и Ю.А. Гамоли. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2009. - С. 28-31.
6. Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Активный компенсатор реактивной мощности как средство улучшения качества потребляемой энергии // Наука и транспорт. - 2010. - № 3(28). - С. 38-40.
7. Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Управляемый компенсатор реактивной мощности для улучшения качества потребляемой энергии // Вестник ИрГУПС. - 2010. - № 5. - С. 240-243.
8. Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Применение компенсатора реактивной мощности для нормализации качества электроэнергии // Ресурсное и кадровое обеспечение инновационного развития дорог Восточного региона : тр. науч.практ. конф. - Чита, 2010. С. 68-76.
9. Кулинич Ю.М., Духовников В.К. Применение активного компенсатора реактивной мощности для улучшения качества потребляемой энергии // Вестник института тяги и подвижного состава. Вып. 7 : межвуз. сб. науч. тр. / ДВГУПС ;
под ред. А.Е. Стецюка и Ю.А. Гамоли. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2010.
Ц С. 32-34.
10. Духовников В.К. Применение компенсатора реактивной мощности для улучшения качества электрической энергии // Молодые учёные - Хабаровскому краю : материалы XIII Краевого конкурса молодых учёных и аспирантов : в 2 томах. Т. 2 / Тихоокеан. гос. ун-т. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2011. - С. 172-176.
11. Духовников В.К. Новый способ компенсации реактивной мощности как средство улучшения качества потребляемой энергии // Молодые учёные - Хабаровскому краю : материалы XIV Краевого конкурса молодых учёных и аспирантов : в 2 томах. Т. 2 / Тихоокеан. гос. ун-т. - Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2012.
Ц С. 137-141.
ДУХОВНИКОВ Вячеслав Константинович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ПАССИВНОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ Сдано в набор 28.03.2006. Подписано в печать 29.03.2007.
Формат 60х841/16. Бумага тип. № 2. Гарнитура Times New Roman. Печать плоская.
Усл. печ. л. 1,4. Зак. 125. Тираж 100 экз.
ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям