ПЗ (1221701), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Проведенные теоретические исследования, а также испытания на стенде и на опытном электровозе 2ЭС5К, оборудованном НЭ, показали, что применение накопителей энергии емкостью 100 Ф позволяет повысить динамическую
жесткость тяговой характеристики при боксовании до 4,5—5 кН·ч/км. За счет этого повышается средний коэффициент тяги электровоза на 5—6 %. По расчетам, увеличение емкости НЭ до 300—400 Ф позволит достичь значений
динамической жесткости, сравнимых с жесткостью при независимом возбуждении ТД. Повышение средней силы тяги электровоза при этом составит 10—13 %.
2.1.2 Применение накопителей энергии для повышения коэффициента мощности электроподвижного состава переменного тока
Один из основных показателей, характеризующих энерго-эффективность
ЭПС переменного тока, Км - коэффициент мощности, равный отношению активной мощности к полной, потребляемой ЭПС. Вследствие активно-индуктивного характера нагрузки коэффициент мощности локомотивов переменного тока меньше единицы и составляет 0,82—0,85 для ЭПС с диодными выпрямительными установками и 0,80—0,84 с зонно-фазным регулированием напряжения на ТЭД. Низкий коэффициент мощности увеличивает расход электроэнергии на тягу поездов.
Повышение энергетических показателей системы тягового электроснабжения переменного тока возможно благодаря накопителям энергии, подключенным параллельно тяговым двигателям электровоза, как показано на рисунке 2.1 б. В данной схеме накопитель энергии НЭ применяется в качестве сглаживающего элемента взамен используемых в настоящее время сглаживающих реакторов.
В этом случае общий характер нагрузки цепи становится ближе к емкостному, что существенно увеличивает коэффициент мощности и снижает реактивные токи в первичной цепи тягового трансформатора Тр. Дроссели L1 и L2 исключают броски тока при коммутации и заряде накопителя. Наряду с этим дроссели имеют более низкое значение индуктивности и, соответственно, значительно меньшие габариты по сравнению со сглаживающими реакторами, применяемыми на современных электровозах переменного тока.
Эффект от использования НЭ заключается в повышении коэффициента мощности ЭПС, снижении коэффициента пульсации выпрямленного напряжения, улучшении формы потребляемого тока, уменьшении реактивных токов трансформатора. Кроме того, у ЭПС со ступенчатым регулированием напряжения на ТД, такое техническое решение позволит сгладить броски тока и, соответственно, силы тяги ТД при переключении позиций контроллера, а также уменьшить их количество. Это благоприятно отразится на плавности хода ЭПС, условиях работы тягового привода в переходных режимах, при отрывах токоприемника от контактного провода.
2.1.3 Применение накопителей энергии для прохода нейтральных вставок без отключения режима тяги
Накопители энергии позволяют также решить возникшую проблему прохождения тяжеловесными поездами нейтральных вставок, расположенных на подъемах. При проезде нейтральной вставки машинист электровоза должен
отключить ток, а после ее проследования снова включать тягу. Вследствие этого в составе возникают продольные колебания, которые при значительной длине состава могут привести к его разрыву.
Этого можно избежать при помощи накопителей энергии. Поскольку длина нейтральных вставок составляет от 50 до 200 м, то для прохождения данного участка пути не потребуется большой энергии, а значит, решить эту проблему можно минимальным количеством конденсаторных НЭ, расположенных на борту электровоза.
Перед нейтральной вставкой НЭ должны быть заряжены до напряжения силовой цепи и подключены параллельно тяговым двигателям. При отключении силовой цепи от высокого напряжения ТД будут продолжать получать питание от накопителей энергии. При выходе с нейтральной вставки и подключении к контактной сети резкого увеличения силы тяги не произойдет, так как большая емкость НЭ сгладит переходной процесс. Подбирая параметры НЭ, можно получить желаемые ограничения колебания силы тяги электровоза и предотвратить возникновение продольных возмущений в поезде при проследовании нейтральных вставок, а следовательно, и исключить риск разрыва поезда.
Для прохода нейтральных вставок без сброса тяги необязательно устанавливать на электровоз отдельные накопители. Питание ТД могут обеспечить накопители, включенные в схему электровоза для повышения коэффициента мощности (см. рисунок 2.1 б).
Таким образом, применение конденсаторных накопителей энергии, подключаемых в различные точки электрической схемы, позволяет улучшить технические характеристики ЭПС.
2.2 Устройство для сглаживания пульсаций тока в цепи тяговых
двигателей электровоза
Одним из приоритетных направлений модернизации электровозов переменного тока также является снижение энергоемкости перевозочного процесса и минимизации энергетических составляющих себестоимости перевозок. Локомотивное хозяйство ежегодно расходует до 83 % электроэнергии от общего ее потребления железнодорожным транспортом. Кроме того, немаловажное значение имеет то, что затраты на оплату электроэнергии имеют постоянную динамику в сторону увеличения, опережающую темпы снижения потребления транспортом электроэнергии.
Для решения поставленной задачи, предлагается уменьшить электропотребление электровоза переменного тока путем снижения пульсаций выпрямленного тока, которые обычно составляют 20-25 %. Это может быть реализовано с помощью устройства, которое позволяет за счет магнитного связывания сглаживающих реакторов и установки компенсатора переменной составляющей выпрямленного тока ,свести к минимуму пульсации тока в цепи тяговых двигателей электровоза. Схема устройства показана на рисунке 2.2
Рисунок 2.2 – Структурная схема устройства
При магнитном связывании сглаживающих реакторов в каждой из его обмоток наводится электродвижущая сила (ЭДС) взаимоиндукции, вызванная пульсациями тока, протекающего в смежных обмотках реакторов. Складываясь с ЭДС самоиндукции это приводит к уменьшению интенсивности изменения выпрямленного тока и, соответственно, величины его пульсаций.
Компенсатор переменной составляющей выпрямленного тока, выполненный на базе четырехквадрантного (4qS) преобразователя, генерирует в цепь выпрямленного тока переменную составляющую тока, которая складываясь в противофазе с пульсациями выпрямленного тока, обеспечивает его полное сглаживание [8].
Компенсация переменной составляющей выпрямленного тока происходит следующим образом. С помощью датчика ДТ1 определяется текущее значение выпрямленного тока, которое поступает на входы устройства вычисления заданного тока (УВЗТ) и элемента сравнения (ЭС1). УВЗТ вычисляет постоянную составляющую выпрямленного. тока, в которой отсутствуют пульсации. После вычитания с помощью ЭС1 из текущего значения выпрямленного тока его постоянной составляющей на выходе ЭС1 формируется сигнал переменной составляющей выпрямленного тока, которая должна быть скомпенсирована. Система управления (СУ) формирует такое управляющее воздействие на 4qS-преобразователь, при котором ток на его выходе, контролируемый датчиком тока ДТ2, соответствовал сигналу переменной составляющей тока на выходе ЭС1. Сравнение величины заданного и фактического тока компенсатора осуществляется с помощью элемента сравнения ЭС2 и порогового элемента (ПЭ) по алгоритму b-модуляции (релейное или гистерезисное управление). Компенсация переменной составляющей выпрямленного тока осуществляется за счет реактивной энергии конденсатора Сф, подключенного к выводам 4qS-преобразователя. За счет магнитной связи сглаживающих реакторов 4qS- преобразователь обеспечивает компенсацию переменной составляющей выпрямленного тока в цепи выпрямителя.
Принцип работы моделирующего устройства заключается в следующем. Заданный сигнал переменной составляющей выпрямленного тока подается на вход элемента ЭС2, где он сравнивается с текущим значением выходного тока компенсатора, контролируемым датчиком тока ДТ2. Сигнал с выхода ЭС2 управляет работой элемента ПЭ, имеющего гистерезисную характеристику с порогом срабатывания ± δ. Импульсы сформированные на выходе ПЭ управляют через систему управления СУ работой ключей 4qS- преобразователя.
Переключения 4qS-преобразователя сопровождаются изменением направления его выходного тока и происходят тогда, когда этот ток превышает или становится меньше заданного значения тока на величину ± δ. Полученный в результате переключений пульсирующий выходной ток компенсатора изменяется около его заданной формы с отклонением, не превышающим ± δ. При этом получаем постоянную величину амплитуды высокочастотных колебаний тока, которые накладываются на «гладкие» составляющие тока компенсатора [8].
На рисунке 2.3 приведены результаты математического моделирования работы двух выпрямителей, сглаживающие реакторы которых связаны магнитно. Полученные кривые токов соответствуют продолжительному режиму работы электровоза, при котором ток сглаживающего реактора составляет 1700А.
Из анализа рисунка следует, что применение предлагаемого устройства позволяет снизить практически до нуля пульсации выпрямленного тока (кривая а), хотя в его форме остается высокочастотные составляющие, связанные с работой 4qS-преобразователя. Ток компенсатора иллюстрирует (кривая – б). Гармонический анализ кривых выпрямленного тока показал, что пульсация тока составляет 0,023 % в цепи выпрямителя, в котором установлен компенсатор и 1,3 % в блоке выпрямления. Поскольку эти пульсации имеют малую амплитуду, можно говорить о полной компенсации выпрямленного тока [8].
Рисунок 2.3 – Результаты математического моделирования
Результаты расчета на математической модели показали, что среднее значение тока, протекающего через IGВТ-модули 4qS-преобразователя устройства, составляют около 100 А в продолжительном режиме работы, что составляет 5,6 % от величины выпрямленного тока. Вместе с тем, выбор IGBT-транзисторов определяется величиной δ модуляции, от которой зависит частота переключения транзисторов и, соответственно, выделяемая при этом мощность. Значение последней является решающим при определении типа транзистора, устанавливаемого в устройство.
Разработанное устройство имеет преимущества, заключающиеся в том, что в устройстве используются типовые сглаживающие реакторы, модернизированные для их магнитного связывания. Изменение конструкции реакторов заключается в разделении пополам его обмоток и их перекрестном соединении между двумя блоками выпрямления (Рисунок 2.2). Для компенсации переменной составляющей тока требуется установка на электровозе только одного компенсатора.
Мощность 4qS-преобразователя относительно невелика, поскольку он компенсирует только переменную составляющую тока. Выходное напряжение компенсатора также мало, поскольку оно определяется небольшим по величине напряжением обмотки сглаживающего реактора. В этой связи в 4qS-преобразователе можно использовать сравнительно маломощные транзисторы.
Экономические преимущества предлагаемого устройства связаны с тем, что уменьшение пульсаций выпрямленного тока приводит к увеличению коэффициента мощности электровоза при одновременном снижении потребляемого им тока. Кроме этого, за счет увеличения коэффициента мощности уменьшается реактивная составляющая тока, протекающего к контактной сети.
2.3 Повышение энергетических показателей электровоза переменного тока за счет изменения выпрямительно - инверторного преобразователя
На данный момент главной целью как уже говорилось выше является полное и надежное энергообеспечение перевозочного процесса при минимизации энергетических составляющих себестоимости перевозок. На электровозах переменного тока нужно внедрять технические решения ,направленные на повышение их энергетической эффективности.
В настоящее время для сети железных дорог переменного тока продолжается выпуск электровозов с зонно-фазовым регулированием напряжения. Недостатком этих электровозов является сравнительно низкое значение коэффициента мощности (км) составляющее в режиме тяги 0,84. В режиме рекуперации значение этого коэффициента уменьшается. Таким образом, задача состоит в том, чтобы повысить км электровоза и улучшить его энергетическую эффективность.[18]
Коэффициент мощности электровоза км в общем случае определяется по формуле:
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
