СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

1 АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 9

1.1 Анализ энергетических показателей управляемого выпрямителя 9

1.2 Повышение коэффициента мощности 12

2 ИССЛЕДОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 15

2.1 Применение нерегулируемого пассивного компенсатора реактивной мощности 15

2.2 Переключаемый пассивный компенсатор реактивной мощности 21

2.3 Математическое моделирование системы «тяговая подстанция–электровоз» в программе OrCAD 9.2 30

2.3.1 Математическая модель тяговой подстанции 32

2.3.2 Математическая модель тягового трансформатора электровоза 33

2.3.3 Математическая модель выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза 39

2.3.4 Математическая модель тягового двигателя электровоза 42

3 ПРЕДЛОЖЕННЫЙ СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 47

3.1 Регулируемый пассивный компенсатор реактивной мощности 47

3.2 Математические модели узлов компенсатора реактивной мощности 57

3.2.1 Автономный инвертор напряжения 57

3.2.2 Устройство формирования импульсов управления 58

3.3 Работа электровоза в режиме тяги 60

3.4 Работа электровоза в режиме рекуперативного торможения 64

4 ВЫВОДЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ 69

5 МЕРЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ УСТРОЙСТВА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 70

5.1 Электробезопасность 70

5.2 Особенности выключения электроустановки 73

5.3 Расчет защитного заземления 76

6 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ ВНЕДРЕНИИ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ 81

6.1 Определение габаритных показателей предлагаемого компенсатора реактивной мощности 82

6.2 Затраты, приходящиеся на оборудование электровоза, предлагаемым компенсатором реактивной мощности 87

6.3 Определение годовой экономии денежных средств от применения на электровозе предлагаемого компенсатора 90

6.4 Расчёт срока окупаемости разработанного компенсатора реактивной мощности 93

Заключение 95

Список используемых источников 96

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт России ежегодно потребляет около 6–7 % вырабатываемой в стране электроэнергии, из которых на тягу поездов расходуется свыше 32,3 млрд.кВтч.

Система электроснабжения железных дорог ОАО "РЖД" включает более 1600 тяговых подстанций, обеспечивающих тягу поездов и собственные нужды подразделений дорог. Основная доля потребляемой энергии приходится на электроподвижной состав.

Экономия электроэнергии является одной из приоритетных задач развития железных дорог России. В то же время, вопрос качества потребляемой из сети электроэнергии остается открытым.

Одним из направлений принятой в ОАО «РЖД» программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года» является повышение энергоэффективности подвижного состава. Эта программа входит в государственную энергетическую политику, которая направлена на переход Российской Федерации к энергосберегающим технологиям. В соответствии с программой планируется сократить удельный расход электроэнергии на 5 %. Это решение обусловлено спецификой локомотивного хозяйства, которым на тягу поездов расходуется около 83 % от всей электроэнергии, потребляемой железнодорожным транспортом.

Основным источником негативного влияния на качество потребляемой электроэнергии являются электровозы переменного тока с зонно-фазным регулированием напряжения с низким значением коэффициента мощности.

Низкие значения коэффициента мощности свидетельствуют о повышенном потреблении реактивной мощности и искажении формы питающего тока. Следствием этого является дополнительная нагрузка тяговой сети и электрооборудования электровоза реактивным током и увеличенный расход электроэнергии на тягу поездов.

Пониженный коэффициент мощности вызывает увеличение тока, потребляемого электровозом. При этом требуется соответственно повышать типовую мощность тягового 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.

В режиме рекуперативного торможения из-за значительного увеличения потребления реактивной мощности увеличиваются дополнительные потери в системе энергоснабжения, что снижает эффективность рекуперации электровозов переменного тока.

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 (КРМ), систем контроля и управления показателями количества и качества потребляемой электроэнергии.

1 АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1 Анализ энергетических показателей управляемого выпрямителя

Работа управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке вызывает отставание сетевого тока от питающего напряжения на угол регулирования . Это приводит к ухудшению энергетических показателей выпрямителя, в частности коэффициента мощности (рисунок 1.1). Прямоугольную форму тока характеризует значение коэффициента искажения тока: 0,9. В этом случае значение коэффициента мощности составляет:

. (1.1)

Поскольку фазовый угол  определяется углом регулирования , выражение может быть представлено виде:

, (1.2)

а из этого следует, что

. (1.3)

Поэтому формулу (1.2) можно переписать в виде:

. (1.4)

Рисунок 1.1 – Диаграмма напряжения и тока управляемого выпрямителя

Из выражения следует, что коэффициент мощности управляемого выпрямителя (при постоянном ) определяется средним значением выпрямленного напряжения . При малых значениях , соответствующих работе выпрямителя с углом регулирования α стремится к 90 электрических градусов, коэффициент мощности  Км стремится к 0. При увеличении возрастает значение и величина . При α стремящемся к 0 в соответствии с , коэффициент мощ­ности управляемого выпрямителя достигает своего максимального значения: . При α равному 0 режим работы управляемого выпрямителя соответствует работе неуп­равляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке. На рисунке 1.2 для сравнения приведены значения в за­висимости от относительного значе­ния выпрямленного напряжения .

Рисунок 1.2 – Сравнительный анализ значений коэффициента мощности

Прямые а и б соответствует значениям неуправляемого и управляемого выпрямителей, работающих на активно-индуктивную нагрузку. Поскольку неуправляемого выпрямителя не зависит от напряжения нагрузки, то он составляет = 0,9. График коэффициента мощности неуправляемого выпрямителя представляет прямую линию с ординатой  = 0,9. Коэффициент мощности управляемого выпрямителя прямо пропорционален отношению , поэтому график имеет линейную зависимость от .

Из анализа следует, что работу управляемого выпрямителя отличают более низкие значения коэффициента мощности, а это требует применения специальных мер для улучшения энергетических показателей такого типа преобразователя.

1.2 Повышение коэффициента мощности

Коэффициент мощности повышают различ­ными способами. Основным из них, является включение параллельно прием­никам электрической энергии специальных устройств, называемых компенсаторами. В качестве последних чаще всего используют батареи конденсаторов (статические компенсаторы).

Способ повышения коэффициента мощности с помощью статического компенсатора называют компенсацией сдвига фаз, или компенса­цией реактивной мощности. При отсутствии компенсатора от источника к приемнику, содержащему активное и индуктивное сопротивления, поступает ток , который отстает от напряжения u на некоторый угол сдвига фаз φ ₁. При включении компенсатора Х_с по нему проходит ток i_c , опережающий напряжение u на 90°. Как видно из векторной диаграммы (рисунок 1.3, б), при этом в цепи источника будет проходить ток i меньше тока i₁ и угол сдвига фаз его φ относительно напряжения также будет меньше φ ₁.

Для полной компенсации угла сдвига фаз φ, то есть для получения соs φ равному единице и минимального значения тока I_min, необходимо, чтобы ток компенсатора I_c был равен реактивной составляющей ( I_1p = I₁ sin φ₁)тока I₁.