Повышение коэффициента мощности моторвагонного подвижного состава переменного тока в режиме рекуперативного торможения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Иванов Владислав Сергеевич

• Иванов Владислав Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов Владислав Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ СИЛОВЫХ СХЕМ МОТОРВАГОННОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1 Силовые схемы МВПС переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями

1.1.1 Силовые схемы МВПС переменного тока с выпрямительными установками на базе игнитронов

1.1.2 Силовые схемы МВПС переменного тока с выпрямительными установками на базе силовых кремниевых диодов

1.1.3 Силовые схемы МВПС переменного тока с выпрямительно-инверторными преобразователями на базе силовых тиристоров

1.2 Силовые МВПС переменного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями

1.2.1 Силовые схемы МВПС переменного тока с выпрямительно-инверторными преобразователями и автономными инверторами напряжения на базе силовых тиристоров

1.2.2 Силовые схемы МВПС переменного тока с входными преобразователями и автономными инверторами напряжения на базе запираемых силовых тиристоров и /СБТ-транзисторов

1.3 Применение /СБТ-транзисторов на отечественном подвижном составе переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями

1.4 Постановка цели и задач исследования

2 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПРИ РАБОТЕ ШТАТНЫХ ВИП И ВУВ НА БАЗЕ ТИРИСТОРОВ, РАЗРАБОТКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ВИП И ВУВ НА БАЗЕ ЮБТ-

ТРАНЗИСТОРОВ И СПОСОБОВ ИХ УПРАВЛЕНИЯ В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

2.1 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе штатных ВИП и ВУВ в режиме рекуперативного торможения __

2.1.1 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе штатного ВИП на примере четвертой зоны регулирования в режиме рекуперативного торможения

2.1.2 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе штатного ВИП на примере первой зоны регулирования в режиме рекуперативного торможения

2.1.3 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе штатной ВУВ в режиме рекуперативного торможения

2.2 Разработка предлагаемых схемотехнических решений ВИП и ВУВ электропоезда на базе /СйГ-транзисторов и способов их управления в режиме рекуперативного торможения

2.2.1 Разработка способов управления предлагаемыми ВИП и ВУВ на базе /СВ7-транзисторов для электропоезда переменного тока в режиме рекуперативного торможения

2.2.2 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе предлагаемого ВИП электропоезда на базе /СВГ-транзисторов на примере четвертой зоны регулирования в режиме рекуперативного торможения

2.2.3 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе предлагаемого ВИП электропоезда на базе /СВГ-транзисторов на примере первой зоны регулирования в режиме рекуперативного торможения

2.2.4 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе предлагаемой ВУВ электропоезда на базе /СВГ-транзисторов в режиме рекуперативного торможения

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ «ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ - КОНТАКТНАЯ СЕТЬ - МОТОРНЫЙ ВАГОН» В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

3.1 Общие принципы и выбор прикладного пакета для математического моделирования сложных технических систем

3.2 Имитационная модель системы электроснабжения переменного тока

3.3 Математическая модель силовых цепей моторного вагона электропоезда переменного тока со штатными и предлагаемыми ВИП и ВУВ в режиме рекуперативного торможения

3.4 Разработка математической модели тягового трансформатора моторного вагона

3.5 Разработка математической модели штатного ВИП моторного вагона в режиме рекуперативного торможения

3.6 Разработка математической модели предлагаемого ВИП моторного вагона в режиме рекуперативного торможения

3.7 Разработка математической модели штатной ВУВ моторного вагона

3.8 Разработка математической модели предлагаемой ВУВ моторного вагона

3.9 Расчет снабберных цепей для силовых ключей предлагаемых ВИП

и ВУВ от коммутационных перенапряжений

3.10 Разработка математической модели цепи выпрямленного тока моторного вагона в режиме рекуперативного торможения

4 СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА СО ШТАТНЫМИ, ПРЕДЛАГАЕМЫМИ ВИП И ВУВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТА НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

4.1 Моделирование электромагнитных процессов работы электропоезда со штатным и предлагаемым ВИП на примере четвертой зоны регулирования в режиме рекуперативного торможения

4.2 Моделирование электромагнитных процессов работы электропоезда со штатным и предлагаемым ВИП на примере первой зоны регулирования в режиме рекуперативного торможения

4.3 Моделирование электромагнитных процессов работы штатной и предлагаемой ВУВ в режиме рекуперативного торможения

5 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРЕДЛАГАЕМОГО СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ И ЕГО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА,

5.1 Разработка физической модели для исследования процессов работы предлагаемого ВИП и ВУВ электропоезда переменного тока в режиме рекуперативного торможения

5.2 Результаты исследования работы электропоезда на физической модели с предлагаемыми ВИП и ВУВ

5.3 Технико-экономическая оценка предлагаемого схемотехнического решения для электропоезда серии ЭП3Д в режиме рекуперативного торможения

5.3.1 Расчет капитальных затрат на оборудование предлагаемыми ВИП

и ВУВ для электропоезда серии ЭП3Д

5.3.2 Экономия денежных средств от увеличения объема возвращаемой электрической энергии в контактную сеть электропоездом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение коэффициента мощности моторвагонного подвижного состава переменного тока в режиме рекуперативного торможения»

Введение

Компания Российские железные дороги входит в тройку крупнейших потребителей энергии в Российской Федерации. В 2019 году компания использовала 48,4 млрд кВт-ч, что составляет около 4 % от всего потребления в нашей страны [35].

Одним из основных факторов экономии энергоресурсов является снижение затрат электрической энергии на тягу поездов, что говорится в ряде федеральных и стратегических документах. Основными из которых являются:

- долгосрочная программа развития ОАО «РЖД» до 2025 года утвержденная Правительством Российской Федерации от 19 марта 2019 г., №466-р [32];

- указ Президента РФ от 01 декабря 2016 г., №2 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» [127];

- распоряжение ОАО "РЖД" от 11.02.2008 г., № 269р «Об энергетической стратегии ОАО "РЖД" на период до 2030 года» [105];

- распоряжение ОАО "РЖД" от 14.04.2018 г., № 769р «Об стратегии научно-технологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года (Белая книга)» [116] и др.

В настоящее время у 90 % эксплуатируемого парка МВПС переменного тока, в состав которого входят отечественные электропоезда переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД) серий ЭР9В/И, ЭД9Т, ЭД9М, сохраняется проблема высоких затрат электроэнергии, ввиду низкого коэффициента мощности (Км), который в режиме тяги не превышает 0,86, а такой как энерго и ресурсосберегающий режим - рекуперативное торможение вообще отсутствует, ввиду того, что на преобразователях в электропоездах применяется морально устаревшая неуправляемая диодная база.

К оставшимся 10 % эксплуатируемого парка МВПС переменного тока относятся современные отечественные электропоезда переменного тока, выпускаемые Демиховским машиностроительным заводом (ДМЗ), серии

ЭД9Э и ЭП3Д, позволяющие осуществлять рекуперативное торможение, а также плавное регулирование питающего напряжения, подаваемого на коллекторные ТЭД за счет применения тиристорных выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) и выпрямительных установок возбуждения (ВУВ). Однако за основу этих преобразователей было принято техническое решение аналогично опытной моторвагонной секции электропоезда ЭР7, переоборудование которой было проведено ещё в 1967 г. Коэффициент мощности данных электропоездов в режиме рекуперативного торможения в максимальном его проявлении составляет не более 0,71, что доказывает неэффективное использование электрической энергии из тяговой сети [3, 59, 66, 67, 68, 109].

Как показывает полувековая практика, электроподвижной состав (ЭПС) однофазного переменного тока, выполненный на базе силовых тиристоров с их алгоритмами управления, имеет множество недостатков, основными из них являются: высокие затраты электроэнергии на тягу; тиристорная база преобразователей и алгоритмы их управления являются морально устаревшими (полууправляемые); значительные потери активной электроэнергии в системе тягового электроснабжения; загрузка тяговой сети реактивной энергией, снижающая пропускную способность тягового участка и др. [43, 85, 146].

Всё это подчёркивает острую отраслевую проблему энергосбережения при работе электропоездов в пригородном сообщении. Кроме того, нерациональное потребление электрической энергии заложено в завышенной стоимости тарифов на проезд в пригородом сообщении, что в свою очередь сказывается на снижении подвижности населения и конкурентоспособности МВПС перед другими видами транспорта.

Степень проработанности проблемы.

В диссертационной работе произведен анализ истории развития силовых схем отечественного и зарубежного МВПС переменного тока, а также трудов ведущих ученых и специалистов в области повышения энергоэффективности

электроподвижного состава, таких как Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахтман, В. А. Кучумов, Б. И. Хоменко, А. Л. Лисицин, А. С. Мазнёв, В. И. Некрасов,

A. В. Каменев, Д. Д. Захарченко, Ю. М. Иньков, Н. А. Ротанов,

B. А. Голованов, А. Т. Бурков, А. В. Плакс, С. В. Покровский, Л. Д. Капустин, М. Л. Перцовский, А. Н. Савоськин, Н. Н. Широченко, Б. И. Косарев, В. Г. Щербаков, С. В. Власьевский, Ю. М. Кулинич, А. Л. Донской, А. Л. Лозановский, Н. С. Назаров, В. В. Макаров, В. В. Литовченко, О. Е. Пудовиков, В. Т. Черемисин, А. М. Евстафьев, О. В. Мельниченко и др., результаты которых были использованы в качестве научной основы при выполнении диссертационной работы.

На снижение энергетических показателей при работе электропоезда в режиме рекуперативного торможения влияют множество причин, основной из которых, на сегодняшний день, является применение морально устаревшей полууправляемой тиристорной базы ВИП и ВУВ.

К тому же анализ тенденции развития силовых преобразователей МВПС переменного тока показал, что электрическая принципиальная силовая схема электропоездов остаётся неизменной уже более 50 лет. Основные изменения силовой схемы моторного вагона были связаны с использованием более мощных диодов высокого класса по напряжению, что позволило лишь снизить количество параллельных и последовательных цепей диодов в плечах преобразователя и повысить надежность их работы. В настоящее время разработка и внедрение преобразователей на современной, полностью управляемой силовой элементной базе позволит внедрить новые схемотехнические решения и способы их управления, позволяющие значительно повысить энергоэффективность электропоездов переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения.

Целью работы является повышение коэффициента мощности моторвагонного подвижного состава переменного тока в режиме рекуперативного торможения путем совершенствования выпрямительно-

инверторных преобразователей, выпрямительных установок возбуждения и способов их управления.

Объектом исследования является коллекторный тяговый привод моторного вагона электропоезда серии ЭП3Д.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в штатных - тиристорных и предлагаемых - транзисторных ВИП и ВУВ МВПС в режиме рекуперативного торможения.

Методы исследований. Исследования основаны на использовании теории электрических цепей, методов математического моделирования, численных методов решения интегральных и дифференциальных уравнений, теории преобразовательных устройств. Экспериментальные исследования проводились на математической модели в среде имитационного моделирования «Ма1ЬаЬ^ти1тк», а также на физической модели в лаборатории «Мини - депо», ИрГУПС.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- предложен способ управления ВИП моторного вагона на базе ЮБТ-транзисторов, заключающийся в открытии его плеч в начале каждого полупериода питающего напряжения с некоторым углом от перехода переменного напряжения сети через ноль и регулированием момента их закрытия, обеспечивая симметрию переменного тока относительно напряжения сети, повышающий коэффициент мощности электропоезда в режиме рекуперативного торможения;

- предложен способ управления предлагаемой ВУВ моторного вагона на базе ^БТ-транзисторов в режиме рекуперативного торможения значительно повышающий её коэффициент мощности за счет регулировки момента открытия и закрытия её плеч начиная от середины полупериода питающего напряжения, поддерживая симметрию переменного тока относительно напряжения сети;

- разработана математическая модель тягового привода моторного вагона электропоезда серии ЭП3Д в среде имитационного моделирования

«Ма1ЬаЬ^тиНпк», позволяющая проводить исследования электромагнитных процессов работы электропоезда со штатными-тиристорными и предлагаемыми-транзисторными ВИП и ВУВ в режиме рекуперативного торможения.

Практическая ценность и реализация работы

- реализована обобщенная математическая модель «Тяговая подстанция - контактная сеть - моторный вагон» в среде имитационного моделирования «Ма^аЬ^тиНпк», позволяющая исследовать электромагнитные процессы работы моторного вагона электропоезда со штатными-тиристорными и предлагаемыми-транзисторными ВИП, ВУВ в режиме рекуперативного торможения и способы их управления;

- разработан научно-экспериментальный стенд в лаборатории «Мини -депо», ИрГУПС, позволяющий проводить физическое моделирование работы ВИП и ВУВ электропоезда на базе ЮБТ-транзисторов, а также учебные занятия по дисциплине «Системы управления электроподвижным составом» со студентами специальности «Электрический транспорт железных дорог»;

- разработан микропроцессорный блок управления, осуществляющий способы управления ВИП и ВУВ на базе ЮБТ-транзисторов электропоезда в режиме рекуперативного торможения;

- определены параметры элементов цепей защиты для ВИП и ВУВ электропоезда на базе /СБТ-транзисторов от коммутационных перенапряжений, позволяющие снизить выбросы напряжения до безопасного значения.

Достоверность научных положений и результатов. Достоверность аналитических исследований электромагнитных процессов, протекающих в штатных и предлагаемых ВИП, ВУВ моторного вагона подтверждаются результатами, полученными в ходе математического моделирования в среде имитационного моделирования «MatLab/SimuHnk» с дальнейшим их сопоставлением с данными полученными при физическом моделировании.

Апробация работы: Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на общесетевом слете молодежи ОАО «РЖД»

в рамках конкурса инновационных проектов «Новое звено-2018» (г. Москва, 2018 г); всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона (ИрГУПС, Иркутск 2018); международном научно-практическом симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности эксплуатации современных железных дорог» (ИрГУПС, Иркутск 2018); четвертой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодёжь» (ИрГУПС, Иркутск 2018 г.); третьей международной научно-практической конференции с международным участием «Разработка и эксплуатация электротехнических комплексов и систем энергетики и наземного транспорта» (ОмГУПС, Омск 2018 г.); четвертой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (ОмГУПС, Омск 2018 г.); всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности» (ДВГУПС, Хабаровск 2018 г.); заседании научно-технического совета (ИрГУПС, Иркутск 2019 г.), научно-техническом семинаре (КнАГУ, Комсомольск-на-Амуре 2019 г.); расширенном межкафедральном научно-техническом семинаре (ДВГУПС, Хабаровск 2019 г.).

Личный вклад соискателя. Разработка способов управления транзисторными ВИП и ВУВ повышающие коэффициент мощности МВПС переменного тока в режиме рекуперативного торможения; разработка математической модели силовых цепей моторного вагона электропоезда серии ЭП3Д для режима рекуперативного торможения реализованной в среде имитационного моделирования «Ма1ЬаЬ^тиНпк»; анализ результатов математического моделирования работы электропоезда в режиме рекуперативного торможения со штатными и предлагаемыми преобразователями; разработка и изготовление научно-экспериментального стенда тягового привода электропоезда с ВИП и ВУВ на базе ЮБТ-транзисторов, который позволяет проводить исследования работы

электропоезда в режиме рекуперативного торможения; проведение экспериментальных исследований работы макета электропривода электропоезда с ВИП и ВУВ на базе IGBT-транзисторов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных трудах, из них 1 статья опубликована в издании, входящем в международную систему цитирования Scopus, 3 статьи в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях перечня ВАК РФ, 13 статей в сборниках трудов и материалах конференций регионального, всероссийского и международного уровня, а также получен патент на изобретение №2700594.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, двух приложений, библиографического списка из 146 наименований и содержит 192 страницы основного текста, 12 таблиц и 104 рисунка.

1 АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ СИЛОВЫХ СХЕМ МОТОРВАГОННОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В настоящее время системы тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог классифицируют по роду тока и величине напряжения в контактной сети. Одними из самых распространенных систем являются: переменного однофазного тока промышленной частоты 50 Гц напряжением 25 кВ; постоянного тока, напряжением 3 кВ; переменного, однофазного тока пониженной частоты 16% Гц напряжением 15 кВ.

На сегодняшний день в России электрификация железных дорог осуществляется по системе переменного тока напряжением 25 кВ, при этом сокращая электрификацию на постоянном токе 3 кВ, ввиду однозначных преимуществ данного вида системы тягового энергоснабжения: капиталовложения на электрификацию тяговых участков переменном током на 15-18 % ниже, чем при постоянном; при одинаковых объемах грузовых перевозок они требуют на 15-20 % меньше локомотивов и локомотивных бригад; высокое напряжение в контактной сети, позволяет существенно увеличить расстояние между тяговыми подстанциями (40-60 км) и уменьшить сечение контактного провода в 2-3 раза, что говорит о существенной экономии меди (более двух тонн на километр); в данной системе энергоснабжения используются более простые тяговые подстанции, на которых устанавливается только трансформаторное оборудование [74, 83, 129, 145].

На современном отечественном МВПС переменного тока необходимое оборудование преобразовывающее питающее напряжение для нужд тяговых двигателей, находится в подвагонном пространстве электропоезда, и является одним из самых важных элементов в цепочке энергосистемы «контактная сеть -тяговый трансформатор - выпрямительно-инверторный преобразователь -тяговый электродвигатель» является ВИП. ВИП осуществляет преобразование однофазного переменного тока частотой 50 Гц в постоянный и плавное регулирование питающего напряжения, подаваемое на ТЭД в режиме тяги. В

режиме рекуперативного торможения ВИП преобразует постоянный ток в переменный частотой 50 Гц и плавно регулирует противо-ЭДС инвертора. От его характеристик зависят энергетические показатели электропоезда в режимах тяги и рекуперативного торможения, а также ресурс работы и надежность электронного и электрического оборудования МВПС.

История развития преобразователей МВПС переменного тока берет начало с начала 50-х годов прошлого столетия, которая напрямую зависит от научно-технического прогресса (НТП) в области разработок силовых полупроводниковых приборов (СПП). Появление новых типов СПП открывало перед учеными и инженерами новые возможности и принципы управления преобразователями, но в то же время создавала определенные проблемы и задачи в энергоэффективности и надежности МВПС.

1.1 Силовые схемы МВПС переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями

1.1.1 Силовые схемы МВПС переменного тока с выпрямительными

установками на базе игнитронов

Ртутный выпрямитель (игнитрон) впервые появился в Соединенных Штатах Америки (США), в начале прошлого столетия. Данный выпрямительный прибор был разработан американским изобретателем Купер-Хьюиттом в 1901 г. Принцип его действия был основан на дуговом разряде в парах ртути с холодным катодом. Корпус устройства был выполнен из стекла, из-за этого игнитрон имел ограниченную мощность. Решение данной проблемы предложил американский ученый Белл Шеффер, идея которого, состояла об изготовлении вакуумных корпусов из стали, что позволило повысить мощность данных приборов.

Несмотря на то, что в США игнитроны активно выпускались и использовались в мощных выпрямительных установках заводов, а также в

городском электрическом транспорте, в СССР они появились только через 20 лет. Первый отечественный ртутный выпрямитель в стеклянном исполнении был разработан ученым В. П. Вологдиным в 1922 г., когда Советский Союз остро нуждался в энергетических ресурсах в послереволюционное время. В первую очередь созданные игнитроны были предназначены для радиотелефонных и радиотелеграфных станций. Ртутный выпрямитель в металлическом корпусе был разработан и построен советским инженером В. К. Крапивиным на заводе "Электросила" в 1924 г. Спустя три года этот завод уже перешел на серийный выпуск металлических ртутных выпрямителей типа РВ. По мере развития производственного процесса в изготовлении выпрямительных приборов, мощность игнитрона к 1941 г. увеличилась до 4,2 МВт (при номинальном токе 7000 А и напряжении 600 В) [114]. На то время в Советском Союзе игнитроны получили широкое распространение в различных отраслях производства, в следствии чего их также стали применять и на железнодорожном транспорте в выпрямительных установках (ВУ) тягового привода электровозов и электропоездов переменного тока.

К первому поколению тягового привода МВПС относится привод, в состав которого входит ВУ на базе ртутных вентилей - игнитронов, рисунок 1.1.

~ 25 кВ

ТТ

СК

ВУ

/ г - / - 11 1 /

А / 1 _ / / т

г

Т - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; СК - силовой контроллер; ВУ - выпрямительная установка; СР - сглаживающий реактор; КТД - коллекторный тяговый двигатель (Я - якорная обмотка, ОВ - обмотка возбуждения)

Рисунок 1.1 - Тяговый привод МВПС с выпрямительной установкой на базе игнитронов (первое поколение, 1952 г.)

Т

Первая опытная мотор-вагонная секция с ВУ на базе игнитронов появилась в Великобритании в 1952 г. Электрическое оборудование моторного вагона не являлось стандартным, вследствие чего оно было расположено в кузове вагона, уменьшая при этом его вместимость. Силовой трансформатор имел три обмотки, вторичная обмотка которого снабжена ответвлениями для регулировки напряжения, подводимого к выпрямителям, а затем к тяговым двигателям, рисунок 1.2.

Т - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; СК - силовой контроллер; ВУ - выпрямительная установка; ДД1-ДД2 - делительный дроссель; СР1-СР2 - сглаживающий реактор; Я1-Я4 - обмотка якорная ТЭД; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема опытного электропоезда с выпрямительной установкой на базе игнитронов (Великобритания, 1952 г.)

Регулировка питающего напряжения производится двумя группами контакторов и делительными дросселями без разрыва цепи. Ртутный выпрямитель выполнен в виде стального герметического баллона с шестью анодами, охлаждаемый воздухом. Катоды выпрямителя имеют автоматические

подогреватели. Каждый выпрямитель работает по схеме с нулевым выводом и осуществляет питание двух последовательно соединенных тяговых двигателя с заземленной средней точкой. Кроме того в конструкции анода предусмотрен плавкий предохранитель [31].

Обеспечение возрастающих объемов пассажирских перевозок в пригородном сообщении и повышения культуры обслуживания пассажиров требовало для участков, электрифицированных на переменном токе, создания нового подвижного состава. С этой целью в 1954 г. инженеры и конструкторы завода «Динамо» имени С.М. Кирова спроектировали эскизы электрического оборудования для первого советского электропоезда переменного тока ЭР7-01 с ВУ на базе игнитронов ИС-400/5, таблица 1, с воздушным охлаждением, соединенных по мостовой схеме, питающая коллекторные тяговые двигателями (ТЭД) РТ-51 номинальной мощностью 200 кВт, рисунок 1.3 [23, 84, 101].

Таблица 1.1 - Технические параметры игнитрона ИС-400/5

Номинальное напряжение, В Максимальное обратное напряжение, В Ток продолжительного режима, А Способ охлаждения

1650 5000 200 Принудительное воздушное

Достоинствами ВУ на базе игнитронов является обеспечение плавного регулирования выпрямленного напряжения, путем управления моментом зажигания основной дуги вентиля; незначительное падение напряжения на вентиле, что обеспечивает высокий коэффициент полезного действия ВУ, доходящий до 98-99%. Однако после нескольких лет эксплуатационной работы электропоезда ЭР7-01, были выявлены следующие недостатки в ВУ. При движении состава свыше 100 км/ч происходили частые пропуски зажигания в игнитронах, по причине сильных вибрации электропоезда. Также спустя некоторое время, инженеры электропоезда столкнулись с проблемой фазировки системы управления игнитронами.

Т - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; СК - силовой контроллер; ВУ - выпрямительная установка; СР -сглаживающий реактор; Я1-Я4 - обмотка якорная ТЭД; ОВ1-ОВ4 - обмотка возбуждения ТЭД

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема отечественного электропоезда серии ЭР7 с выпрямительной установкой на базе игнитронов (1954 г.)

До начала 1960-х гг. ртутные игнитроны оставались наиболее массово распространенными выпрямителями, ввиду отсутствия эффективных альтернатив, имея при этом ряд существенных недостатков: большая масса и габариты конструкции; обеспечение герметичности полупроводниковых приборов в при вибрациях МВПС; поддержка узкого диапазона температуры выпрямителей в пределах 35-38 °С, что требовало применять громоздкую систему масляного или водяного охлаждения; для работы игнитрона необходим источник достаточно мощных импульсов зажигания; в случае прожога корпуса игнитрона выпрямитель приводил к загрязнению окружающей среды и возможности отравления парами ртути людей.

1.1.2 Силовые схемы МВПС переменного тока с выпрямительными установками на базе силовых кремниевых диодов

При появлении кремниевых силовых полупроводниковых приборов (СПП), игнитронные ВУ стали вытесняться полупроводниковыми на базе кремниевых диодов, рисунок 1.4. Первый отечественный кремневый выпрямитель для тяговой подстанции был разработан и изготовлен кафедрой «Электрического транспорта» Московского энергетического института (МЭИ) под руководством профессоров И.С. Ефремова и Н.А. Загайнова в 1960 г. Данный кремниевый выпрямитель имел мощность 600 кВт (при номинальном токе 1000 А и напряжении 600 В).

В мае 1961 г. ВНИИЖТ под руководством доктора технических наук Б.Н. Тихменева совместно с заводом «Динамо» имени С.М. Кирова произвели модернизацию электропоезда ЭР7-01, с заменой игнитронов ИС-200/5 на кремниевые диоды ВЛ200-12-0,68 с сохранением мостовой схемы соединения выпрямителей и основного электрического оборудования, таблица 1.2, рисунок 1.5 [5, 101, 121, 122].

~ 25 кВ

Т - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; СК - силовой контроллер; ВУ - выпрямительная установка; СР - сглаживающий реактор; КТД - коллекторный тяговый двигатель (Я - якорная обмотка, ОВ - обмотка возбуждения)

Рисунок 1.4 - Тяговый привод моторвагонного подвижного состава с выпрямительной установкой на базе диодов (второе поколение, 1960 г.)

Для защиты от перенапряжений, при коммутации кремниевых СПП, параллельно им подключали снабберные цепи, состоящие из последовательно соединенных резисторов и конденсаторов. Равномерное распределение обратного напряжения в плечах ВУ, в непроводящий полупериод, обеспечивалось с помощью параллельного, относительно вентилей, подключения резисторов.

Таблица 1.2 - Технические параметры кремниевого диода ВЛ200

Номинальное напряжение, В Повторяющееся обратное импульсное напряжение, В Ток продолжительного режима, А Способ охлаждения

1600 1200 200 Естественное, воздушное

После проведения испытаний в мае 1961 г. моторного электро-вагона №102 электропоезда ЭР7-01 на экспериментальном кольце ВНИИЖТ с выпрямительной установкой на базе диодов, были получены положительные результаты, послужившие основанием активного использования данного ССП в ВУ на электропоездах переменного тока. Замена игнитронной ВУ кремниевой на электропоезде повысила его надежность в 16 раз [13, 106, 107].

За рубежом также активно проводились работы по проектировке и выпуску электропоездов переменного тока с ВУ на базе диодов. В 1968 г. с конвейера завода США выпущен электропоезд «Метролайнер», для обслуживания магистрали Вашингтон - Филадельфия - Нью-Йорк. Тяговый трансформатор этого электропоезда имеет три вторичные обмотки, которые через ВУ питают коллекторные тяговые двигатели (КТД). Одна из вторичной обмотки трансформатора дополнена системой фазового регулирования напряжения, в которой использованы игнитроны типа GEGL-8420. ВУ состоит из трех мостов, соединенных последовательно, на базе кремниевых диодов GE4JA90P, рисунок 1.6. Каждое плечо состояло из 96 вентилей с воздушным охлаждением. Число последовательно и параллельно включенных вентилей выбрано с расчетом, что неисправность одного из них не нарушит нормальную работу выпрямителя. Данный расчет позволяет ограничиться одним реле

перегрузки на стороне переменного тока. Для ограничения перенапряжения, возникающего на кремниевых диодах выпрямителя, параллельно каждой из трех вторичных обмоток трансформатора подключают защитные RC-цепочки.

Т - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; СК - силовой контроллер; ВУ - выпрямительная установка; СР -сглаживающий реактор; Д1-Д4 - обмотка якорная ТЭД; ОВ - обмотка возбуждения ТЭД

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема электропоезда серии ЭР7 с выпрямительной установкой на базе кремниевых диодов (1961 г.)

Однако силовые кремниевые вентили, в то время, отличались высокой чувствительностью к перенапряжениям. Как только обратное напряжение, приходящееся на вентиль, превышало определенную величину, то полупроводниковый прибор выходил из строя. Анализ повреждений показывает, что причиной отказов вентилей являлось либо перекрытие по поверхности перехода, либо тепловой пробой [28].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов Владислав Сергеевич, 2020 год

// /

// /

/ / /

/ / /

/ / /

4= У

Л— г~ 1 ч\\\ 1 1

ф Р.

10 15

Время, мс

20

Рисунок 4.7 - Форма кривых напряжения Щ и тока 11 в первичной обмотки тягового трансформатора электропоезда при работе штатного ВИП на 1 -ой зоне регулирования напряжения

800 700 600 ^ 500

с

5

В 400

В «

% 300 н

200 100 0

4 3

«

* 2 С

5

со

в 1

в ез

« 0

в

в

и

-1

№ &

§ 2

В -2

-3 -4

ч

в'

н о

! 0,75

В н и о в

Э 0,5 о

н в

5 В

в

в 0,25

т о И

'в] т ММ

/

/

—<

1

с У

1р ) 1 \Ш ви п

10

Время, мс

15

20

Рисунок 4.8 - Диаграммы электромагнитных процессов при работе штатного ВИП на 1-ой зоне регулирования: напряжение ВИП ивип, ток ВИП

4ип, коэффициент мощности Км

5

1

0

5

800 I 600

и 400

св

т

<и Ч С

я 200 %

о Н

0

0 5 10 15 20

Время, мс

Рисунок 4.9 - Диаграммы токов плеч штатного ВИП при работе на 1-ой зоне регулирования напряжения

На рисунках 4.10-4.12 представлены электромагнитные процессы при работе предлагаемого ВИП на 1-ой зоне регулирования в режиме рекуперативного торможения, полученные в процессе математического моделирования. При работе предлагаемого ВИП на 1-ой зоне сводится к минимуму образование реактивной мощности, Q ~ 0 кВАр, рисунок 4.10.

Рисунок 4.10 - Форма кривых напряжения и1 и тока ^ в первичной обмотки тягового трансформатора электропоезда при работе предлагаемого ВИП на 1-ой зоне регулирования напряжения

IV 3 IV S6 1 № \ 1

/

800 4

700 СО 3 -

600 и с 5 2 -

С 500 зв В 1

5 В 400 В со щ 0 -

в 8

со 8 щ

и о Н 300 н № а § в -1

200 -2 -

100 -3 ■

и

н

° 0,75

н о о

э

о

0,5

н я 5

= 0,25

л

о «

V 1 с И < ,

'вип х К ^м

в

J 'О ви п

10

Время, мс

15

20

Рисунок 4.11 - Диаграммы электромагнитных процессов при работе предлагаемого ВИП на 1-ой зоне регулирования: напряжение ВИП ивип, ток

ВИП ¿вип, коэффициент мощности Км

800

|5 600

С

5 со

И 400 «

V

а

ч в

в 200 а

о Н

0-1-

1УТ4,1УТ5

10

15

20

Время, мс

Рисунок 4.12 - Диаграммы токов плеч предлагаемого ВИП при работе на 1-ой зоне регулирования напряжения

1

0

4

0

5

0

5

В таблице А.1 приложения А приведены результаты математического моделирования работы электропоезда со штатными и предлагаемыми преобразователями. На основании результатов таблицы А.1 были построены графические зависимости, представленные на рисунках А.1-А.6. приложения А.

4.3 Моделирование электромагнитных процессов работы штатной и предлагаемой ВУВ в режиме рекуперативного торможения

На рисунках 4.13-4.15 представлены диаграммы электромагнитных процессов работы штатной ВУВ, а на рисунках 4.16-4.18 работа предлагаемой ВУВ при токе возбуждения /вш =/впурв = 240 А. На рисунке 4.13 заштрихованной

областью показано образование реактивной мощности Q, кВАр. На рисунке 4.14 показана область отрицательного выпрямленного напряжения штатной ВУВ.

а ^ I *

ю

3 з »

- —

5 *

.Я а

а

« 8

Я °

£ я

Ь Л

н ^

и

^ а

8 н

^ о

§ &

£ §

I й

аз

300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300

и ,6- х6 С Л] >а1 )

л/ "Ц л

У X

-ч

г ■ V /

V г г*-

\ -л, >6- 6

1= у

\Л IV к

0

10

Время, мс

15

20

Рисунок 4.13 - Форма кривых напряжения иа6_х6 и 1а6_х6 тока в первичной обмотки тягового трансформатора электропоезда при работе штатной ВУВ

350

и 300£

1,0

р{

< в 250 0,9

л 3 Я

..?>> 200- ° 0,8 н м >> ё и д

а | §

° 13 100- в 0,6

1 я I

я я 50- | 0,5

И

150 0,7

а е

= I

л в Я —

Б .в я

О §3 0,4

-50- ^ 0,3

■100- о 0,2

нн

-150

-200-

0,1 0

10

Время, мс

Рисунок 4.14 - Диаграммы электромагнитных процессов при работе штатной ВУВ: напряжение ВУВ мвув, ток ВУВ /вув, коэффициент мощности ВУВ Км

5

300

1

со 225

>>

«

В"

й) Ц 150

в

в

а

о Н 75

УХ 2 V Х3 УХ 1, Х4

/ /

/ /

10

15

20

Время, мс

Рисунок 4.15 - Диаграммы токов плеч при работе штатной ВУВ

Переменный ток ¡а6-х6 в цепи обмоток возбуждения тягового трансформатора имеет в интервале угла регулирования ар значительную реактивную составляющую индуктивного характера при работе типовой ВУВ, рисунок 4.13, что и является его основной причиной низкого значения коэффициента мощности. При работе, предлагаемой ВУВ сводится к минимуму образование реактивной мощности, Q ~ 0 кВАр, рисунок 4.16.

в 300

№

Ч < 250

^ *

ю 200

о и

я РЭ 150

X н о 100

я

ю о а 50

я

о

№ н я 0 -50

Л X О н и № я -100 -150

н

о

№ и о а -200

в и в -250

Я

Я -300

Я

ип 6-х 6

/

/ /

/

/

\ /

\ \ /

\ /

\

\

\

\

\ ].

\

5 10

Время, мс

Рисунок 4.16 - Форма кривых напряжения иа6_х6 и 1а6_х6 тока в первичной обмотки тягового трансформатора электропоезда при работе предлагаемой ВУВ

0

5

0

0

£

<, со

, а . ¿> >>

со и

>>

со

8 =

И 8

0 я н к

¡н Л

ч в - к

я *

3 а

1 ■

н * и

Л ц

Я

3 5

03 —

Я 3 со

350 СО 300 250 200 150 100 50 0 -50 100 150 200

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

а,

\^вув

и

теё

вув

а0

К

м

0

10

Время, мс

15

20

Рисунок 4.17 - Диаграммы электромагнитных процессов при работе предлагаемой ВУВ: мвув - напряжение ВУВ, /вув - ток ВУВ, коэффициент

ВУВ К

мощности ВУВ — м

375

300

<

й

со 225

>>

со

г 150-

и

ч

с

Ы

О

Н 75

1у 02 У! -Я, УТ 1 1у1 )5 1 УО 1, УО Т1