Повышение работоспособности выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Устинов Роман Иванович

• Устинов Роман Иванович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Устинов Роман Иванович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СИЛОВЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЗАЩИТЫ ТЯГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРИ РЕКУПЕРАТИВНОМ ТОРМОЖЕНИИ

1.1 История развития рекуперативного торможения на отечественных электровозах переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями

1.1.1 Электровозы переменного тока с ионными преобразователями

1.1.2 Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями

1.2 Анализ отечественных и зарубежных способов и устройств защиты тиристорных преобразователей электроподвижного состава переменного тока

1.2.1 Устройство защиты тиристорного преобразователя электроподвижного состава

1.2.2 Устройство для токовой защиты электровоза в режиме рекуперативного торможения

1.2.3 Способ и устройство защиты преобразователя электровоза

1.2.4 Устройство для функционально диагностирования и защиты тиристорного преобразователя электровоза

1.2.5 Устройство защиты полупроводникового преобразователя

1.3 Максимальная токовая защита тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения

1.4 Постановка цели и задач исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

2.1 Исследование электромагнитных процессов при штатной работе ВИП в режиме рекуперативного торможения

2.1.1 Исследование электромагнитных процессов при штатной работе ВИП в режиме рекуперативного торможения на примере четвертой зоны регулирования

2.2 Исследование аварийных электромагнитных процессов типового тиристорного ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропусках импульсов управления

2.2.1 Исследование электромагнитных процессов аварийной работы тиристорного ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульсов управления на примере плеча УБ2

2.2.2 Исследование электромагнитных процессов аварийной работы тиристорного ВИП в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульсов управления на примере плеча УБ7

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

3.1 Разработка способа повышения работоспособности ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения

3.2 Исследование электромагнитных процессов при работе ВИП электровоза согласно разработанному алгоритму управления в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульса управления на примере тиристорного плеча УБ2

3.3 Исследование электромагнитных процессов при работе ВИП электровоза согласно разработанному алгоритму управления в режиме рекуперативного торможения при пропуске импульса управления на примере тиристорного плеча УБ7

4 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ «ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ - КОНТАКТНАЯ СЕТЬ - ЭЛЕКТРОВОЗ» В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

4.1 Выбор прикладного пакета для математического моделирования сложных технических систем

4.2 Имитационная модель системы электроснабжения переменного тока

4.3 Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения

4.3.1 Математическая модель тягового трансформатора электровоза

4.3.2 Математическая модель ВИП в режиме рекуперативного торможения электровоза

4.3.4 Математическая модель выпрямительной установки возбуждения

4.3.3 Математическая модель блока управления ВИП с типовым и предлагаемым алгоритмами управления

4.3.5 Математическая модель цепи выпрямленного тока в режиме рекуперативного торможения

5 РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА С ТИПОВЫМ И ПРЕДЛАГАЕМЫМ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПРОПУСКАХ ИМПУЛЬСОВ УПРАВЛЕНИЯ В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

5.1 Оценка адекватности электромагнитных процессов, наблюдаемых при работе электровоза в эксплуатации и на математической модели в режиме рекуперативного торможения

5.2 Сравнительное исследование результатов математического моделирования работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП при пропусках импульсов управления

5.2.1 Моделирование работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП в режиме рекуперативного торможения на примере IV зоны регулирования

5.2.2 Моделирование работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП в режиме рекуперативного торможения на примере II зоны регулирования

5.2.3 Анализ полученных результатов моделирование работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП в режиме

рекуперативного торможения

5.3 Технико-экономическая оценка разработанного способа повышения работоспособности ВИП электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения

5.3.1 Расчет капитальных затрат на модернизацию ПО МСУД электровоза переменного тока серии 3ЭС5К

5.3.2 Расчет годового экономического эффекта от внедрения разработанного алгоритма повышающего работоспособность режима рекуперативного торможения электровоза переменного тока

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Патент на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Свидетельство о государственной регистрации

программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В Листинг разработанного ПО

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акт, подтверждающий практическую значимость диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение работоспособности выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. История развития отечественных электровозов переменного тока начинается с электровоза ОР-22, построенного на московском заводе «Динамо» в 1938 году [71]. На этом электровозе в качестве главного тягового преобразователя применялся многоанодный ртутный выпрямитель типа РВ-20Э, специально адаптированный для установки на электроподвижной состав (ранее применяемый на тяговых подстанциях). Регулирование выпрямленного напряжения ртутным преобразователем осуществлялось за счет изменения угла сдвига потенциала его сеток управления относительно анода и было плавным [71]. Применение рекуперативного торможения на «первенце» на тот момент являлось невозможным из-за нестабильной работы и низкой надёжности преобразователя [113]. Освоение рекуперативного торможения на электровозах с ионными преобразователями велось такими учеными как: Тихменевым Б.Н., Трахтманом Л.М, Лозановским А.Л., Капаневым А.С., Наумовым Б.М., Тушкановым Б.А., Кучумовым В.А., Савоськиным А.Н., Власьевским С.В. и др. Первым советским электровозом переменного тока с рекуперативным торможением стал ВЛ61-012, спроектированный на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ) в марте 1957 года [113, 70]. На электровозе в качестве главного тягового преобразователя применялись одноанодые ртутные управляемые вентили - игнитроны типа ИВС-200/5, соединённые по схеме с нулевым выводом, питание обмоток возбуждения тяговых электродвигателей производилось от ближайшей к нулевому выводу ступени тягового трансформатора через селеновый выпрямитель. На электровозе применялись различные системы автоматического управления торможением, разработанные Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) и Всероссийским научно-исследовательским институтом электромеханики (ВНИИЭМ). Тем не менее электровозы с игнитронными преобразователями имели низкую надежность и значительные трудности при обслуживании и эксплуатации [118].

С появлением кремниевых силовых полууправляемых приборов (СПП) - диодов, началась интенсивная интеграция их в различные области науки и техники. Это было вызвано значительными преимуществами, связанными с простотой применения и высокой надежностью по сравнению с игнитронами, что на железнодорожном транспорте являлось одним из ключевых критериев, предъявляемых к элементной базе СПП. Первым отечественном электровозом переменного тока с выпрямительной установкой на базе кремниевых диодов стал ВЛ60К-001, выпущенный НЭВЗом в конце 1962 года. Главным тяговым преобразователем электровоза была выпрямительная установка типа ВУК на силовых диодах ВК2-200 4-го класса [13, 19, 24]. Регулирование напряжения осуществлялось по принципу переключения секций вторичной обмотки тягового трансформатора и было ступенчатым. Электрическое торможение применялось реостатное, т.к. применение рекуперативного торможения с диодными выпрямительными установками было невозможным. Электровозы более поздней серии, работающие по принципиально схожей силовой схеме ВЛ80С, выпускались вплоть до 1995 года [27, 66, 70].

Следующим шагом в развитии отечественного электровозостроения переменного тока стал выпуск электровоза серии ВЛ80Р-300 в 1968 году [113]. В качестве главного тягового преобразователя на электровозе был установлен выпрями-тельно-инверторный преобразователь (ВИП) тип ВИП-1760 на новой элементной базе - тиристорах типа ТЛ-200 7-го класса [13, 18, 19, 24, 38, 66, 70, 88, 90, 114]. Применение тиристоров позволило вернуться к плавному регулированию напряжения и осуществлять рекуперативное торможение. Плавное зонно-фазовое регулирование обеспечивалось за счет изменения угла подачи управляющего импульса на тиристоры преобразователя. Использование принципа зонно-фазового регулирования напряжения на то время являлось крупным шагом в развитии электровозостроения в России. Если рассматривать современные отечественные электровозы переменного тока с коллекторным тяговым приводом серии «Ермак», выпускающийся НЭВЗ с 2004 года, то принцип и алгоритмы управления ВИП остаются такими же, как и на первых электровозах серии ВЛ80Р. Несмотря на богатый опыт применения рекуперативного торможения на электровозах переменного тока

(более пятидесяти лет), этот режим по-прежнему является наиболее сложным и уязвимым по сравнению с режимом тяги, отличающийся низкой надежностью, что зачастую приводит к возникновению аварийных процессов в инверторе электровоза [1, 18, 20, 21, 32, 39, 55, 57, 61, 63, 65, 66, 71, 83, 86, 88, 90, 93, 97, 108].

В ходе анализа случаев образования аварийных процессов ВИП электровозов выявлено, что большая часть повреждений и сбоев в работе ВИП происходит из-за отказов отдельных электронных компонентов или сбоев в работе системы управления преобразователем в целом, это является причиной пропусков импульсов управления. Отсутствие коммутации ходя бы одного из тиристорных плеч инвертора электровоза в режиме рекуперативного торможения вызывает образование короткого замыкания в его силовых цепях, что как следствие, приводит к срабатыванию аппаратов защиты и отключению электровоза от контактной сети. В итоге это приводит к резкой потере тормозного эффекта электровоза, машинисту необходимо перейти на использование только пневматического торможения. В результате чего, возникающие продольно-динамические реакции в составе поезда способны разорвать его или привести к сходу подвижных единиц с рельсового пути, что в значительной степени снижает безопасность движения поездов. Благодаря применению на электровозах современных серий «Ермак» и ЭП1М/П, микропроцессорной системы управления многие задачи по повышению работоспособности и надежности работы электровоза в режиме рекуперативного торможения могут решаться с помощью доработки программного обеспечения без установки дополнительного оборудования в кузов электровоза [6, 11, 12, 16, 17, 39, 47, 62, 66, 97, 116, 117].

Степень разработанности проблемы. Вопросы повышения работоспособности и надёжности работы ВИП в режиме рекуперативного торможения являются проработанными многими учеными, такими как: Б. Н. Тихменев, Л. М. Трахтман, В. А. Кучумов, А. Л. Лозановский, Л. Д. Капустин, Л. В. Поссе, В. А. Голованов, К. Г. Кучма, А. Н. Савоськин, С. В. Власьевский, Ю. М. Кулинич, О. В. Мельниченко и др. Однако значительная часть разработок в вышеуказанных направлениях основана на установке дополнительных элементов и оборудования в конструкцию электровоза или преобразователя, что влечет за собой удорожание

и усложнение систем управления тяговым приводом. Благодаря применению на современных отечественных электровозах микропроцессорной системы управления и диагностики (МСУД), многие задачи, связанные с повышением работоспособности могут решаться при помощи доработки программного обеспечения, связанного с управлением преобразователями электровоза.

Целью диссертационной работы является повышение работоспособности преобразователей электровоза в режиме рекуперативного торможения при пропусках импульсов управления на их тиристорные плечи.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

- провести анализ силовых схем электровозов переменного тока и технических решений направленных на защиту тяговых преобразователей электровозов от аварийных режимов работы;

- провести аналитическое исследование электромагнитных процессов ВИП электровоза, как при штатной работе, так и при аварийной, вызванной пропусками импульсов управления;

- разработать способ повышения работоспособности ВИП электровоза в режиме рекуперативного торможения при пропусках импульсов управления на их ти-ристорные плечи;

- разработать способ определения тиристорных плеч ВИП электровоза переменного тока не принявших токовую нагрузку;

- уточнить математическую модель электровоза в режиме рекуперативного торможения с предлагаемым способом повышения работоспособности ВИП при пропусках импульсов управления;

- провести сравнительное исследование результатов математического моделирования работы электровоза в режиме рекуперативного торможения с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП при пропусках импульсов управления.

Методы исследования. Исследование основано на применении теории электрических цепей, методов математического моделирования, численных методов решения интегральных и дифференциальных уравнений, теории преобразовательных устройств. Экспериментальные исследования проводились на математической модели в интерактивной среде MatLab/Simulink.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан способ повышения работоспособности ВИП электровоза в режиме рекуперативного торможения, основанный на резервировании тиристорных плеч, не принявших токовую нагрузку другими - параллельными плечами этого же преобразователя, обеспечивающий сохранение процесса инвертирования тока и тормозную силу электровоза.

2. Разработан способ определения тиристорных плеч ВИП не принявших токовую нагрузку, основанный на анализе длительности коммутации тока в контурах преобразователя и скорости его нарастания.

3. Уточнена математическая модель системы «Тяговая подстанция-контактная сеть-электровоз» в режиме рекуперативного торможения, позволяющая исследовать электромагнитные процессы штатной и аварийной работы ВИП электровоза, вызванной пропусками импульсов управления, а также с предлагаемым способом управления преобразователями.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в следующем:

1. Обобщенная математическая модель системы «Тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз», разработанная в программном комплексе «MatLab», позволяет исследовать электромагнитные процессы, протекающие в ВИП электровоза в режиме рекуперативного торможения при: аварийной работе ВИП, срабатывании типовой системы защиты и предлагаемом способе управления с сохранением процесса инвертирования.

2. Методика определения начала возникновения аварийного нарастания тока в силовых цепях ВИП электровоза и выявления тиристорных плеч преобразователей, не принявших токовую нагрузку.

3. Алгоритм управления тиристорными плечами ВИП электровоза в случае пропусков импульсов управления для микропроцессорных систем управления тяговым приводом электровозов переменного тока в режиме рекуперативного торможения.

4. Программное обеспечение для микропроцессорных систем управления тяговым приводом электровозов переменного тока с тиристорными ВИП в режиме рекуперативного торможения.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается итогами математического моделирования в среде MatLab/Simulink и совпадением их с результатами эксплуатационных испытаний электровоза серии 2ЭС5К.

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура сибирского региона» (ИрГУПС, Иркутск, 2016, 2018 гг.); всероссийской научно-практической конференции «Наука и молодёжь» (ИрГУПС, Иркутск, 2016-2018 гг.); всероссийской научно-практической конференции «Экспертиза разработанных технических моделей для повышения качества образовательного процесса по специальности 23.05.03» (Иркутск, 2017 г.), всероссийской научно-практической конференции «Безопасность транспорта и сложных технических систем глазами молодежи» (ИрГУПС, Иркутск, 2018 г.), международной конференции «Научные исследования 2018» Карловы Вары (Чехия), расширенном межкафедральном научно-техническом семинаре ФГБОУ ВО «Дальневосточного государственного университета путей сообщения» (ДВГУПС, Хабаровск, 2018, 2019 гг.), научно-техническом совете ФГБОУ ВО «Иркутского государственного университета путей сообщения» (ИрГУПС, Иркутск, 2019 г.), заседании научно-технического семинара ФГБОУ ВО «Комсомольского-на-Амуре государственного университета» (КнАГУ, Комсомольск-на-Амуре, 2019 г.), международная научная конференция «Инновационные технологии развития транспортной отрасли» (ДВГУПС, Хабаровск, 2019 г.).

Публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 14 научных статьях, из них две в журналах из перечня рецензируемых изданий ВАК при Минобрнауке России, одна в издании, входящем в международную систему цитирования Scopus, получен один патент на изобретение и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Объем диссертации составляет 162 страницы основного текста, 6 таблиц, 88 рисунков, список использованных источников включает 122 наименования.

1 АНАЛИЗ СИЛОВЫХ СХЕМ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЗАЩИТЫ ТЯГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРИ РЕКУПЕРАТИВНОМ ТОРМОЖЕНИИ

1.1 История развития рекуперативного торможения на отечественных электровозах переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями

Первым отечественным электровозом переменного тока является электровоз серии ОР22-01, построенный в 1938 г. на заводе Динамо им. С.М. Кирова. В разработке этого электровоза принимал участие, а в последствии стал главным конструктором Борис Николаевич Тихменев [113].

В октябре 1938 г. завод Динамо закончил постройку первого в Советском Союзе электровоза однофазного тока частотой 50 Гц. Локомотив получил обозначение ОР22-01, что означало: однофазный, с ртутными выпрямителями и нагрузкой от колёсных пар на рельс 22 тс. На электровозе был установлен двенадцатиа-нодный ртутный выпрямитель однофазного тока с сеточным регулированием напряжения РВ-20Э, изготовленный специально для установки на электровоз заводом «Электросила» им. С.М. Кирова. Выпрямитель охлаждался водой, которая циркулировала под действием насосов через воздушный радиатор, воздух через радиатор прогонялся вентилятором. Ртутный выпрямитель был установлен в кузове электровоза на амортизаторах, что уменьшало расплескивание ртути катода [50, 66, 71, 113, 118].

В отличие от промышленного ртутного выпрямителя РВ-20, РВ-20/Э имел ряд конструкторских доработок: форвакуумная система смонтирована на корпусе, главные аноды сбалансированы, вспомогательные аноды укреплены пружинами; ртуть катода амортизирована специальным приспособлением. Сам выпрямитель подвешен на установочной раме на пружинах. Из соображений компоновки оборудования на электровозе весь выпрямитель спроектирован компактно.

Для повышения коэффициента мощности при регулировании два анода выпрямителя использовались в качестве буферных вентилей и присоединялись к средней точке вторичной обмотки трансформатора через делитель тока. Остальные аноды были включены по пять параллельно на фазу через пятистержневые делители тока. Игнитроны использовались как мощные выпрямители переменного тока и обладали высоким КПД (98-99 %), были малочувствительны к перегрузкам.

Т) ХА2

ХА1, ХА2 - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; К1-К4 - контакторы; СР - сглаживающий реактор; Я1-Я6 - тяговый электродвигатель; ОВ1-ОВ6 - обмотки возбуждения; 1 - двенадцатианодный ртутный выпрямитель.

Рисунок 1.1 - Принципиальная электрическая силовая схема электровоза серии ОР-22

Зимой и летом 1940 г. под руководством инженера В.А. Забродина проходили испытания электровоза на кольце научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ). Испытания показали, что электровоз, благодаря параллельному включению тяговых электродвигателей и плавному сеточному регулированию напряжения, имел более высокие тяговые свойства по сравнению с электровозами постоянного тока [39, 63, 67].

Создание электровоза ОР22-01 опередило начало электрификации железных дорог на переменном токе и позволило получить достаточно богатый опыт для дальнейшей работы в этом направлении.

1.1.1 Электровозы переменного тока с ионными преобразователями

Для электрифицированного в 1955-1956 гг. на переменном токе частотой 50 Гц участка Ожерелье-Павелец Московской железной дороги Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ) спроектировал и построил партию шестиос-ных грузовых электровозов серии ВЛ61, который является первым серийным и вторым после ОР22 отечественным электровозом переменного тока [50, 71].

В качестве выпрямительной установки на электровозе серии ВЛ61 первоначально использовались металлические игнитроны семейства ИВС, а именно ИВС-200/5, разработанные Всесоюзным электротехническим институтом имени В.И. Ленина под руководством кандидата физических наук Т.А. Суэтина и представляющие собой одноанодные ионные электровакуумные вентили с ртутным катодом [70, 73]. В отличие от первого опытного электровоза ОР22-01 с ртутным многоанодным выпрямителем, на электровозах серии ВЛ61 не было сеточного регулирования напряжения. Это ухудшило тяговые свойства электровозов, но взамен позволило снизить влияние работы силового тягового оборудования на линии поездной радиосвязи и значительно упростило конструкцию самих выпрямительных установок [70].

В порядке эксперимента по предложению ВНИИЖТ самый последний электровоз серии ВЛ61 № 012 был оборудован системой рекуперативного торможения, при этом игнитронные преобразователи работали не только в режиме выпрямителей, но и в режиме инверторов. Изначально в режиме генераторов электрической энергии работали только три тяговых электродвигателя, но после модернизации и отладки системы в 1959 г. при рекуперативном торможении все шесть тяговых электродвигателей работали в режиме генераторов, рисунок 1.2.

ХА1< ) ХА2

ТТ

К1 / К2

КЗ

К4

А '»А ^

ч-У

СР

1 2 3 4 5 6

+1- ++ ++ +1- 1+ ++

1_ 2 _ 3_ 4_ 5 _ 6_

Ъ

К5

\Х1 Л'ЛхП

ХА1- ХА2 - токоприемники; ТТ - тяговый трансформатор; К1-К5 - линейные контакторы; 1-Х11 - игнитроны; СР - сглаживающий реактор; Я1-Я6 - якорные обмотки ТЭД; ОВ1-ОВ6 - обмотки возбуждения ТЭД; 1-6 - тормозные переключатели.

Рисунок 1.2 - Принципиальная электрическая силовая схема электровоза серии ВЛ61 № 012 в режиме рекуперативного торможения

Положительные результаты испытаний опытного электровоза ВЛ61 № 012 способствовали тому, что по предложению ВНИИЖТ было принято решение о разработке силами НЭВЗ, Новочеркасского научно-исследовательского института электровозостроения (ВЭлНИИ) и ВНИИЖТ электровоза переменного тока с рекуперативным торможением на базе серийного электровоза ВЛ60 [60, 72, 107].

В 1962 г. на экспериментальном кольце ВНИИЖТ начались наладочные работы, а позднее были проведены тягово-энергетические испытания электровозов

I

серии ВЛ60Р № 001 и № 002 [113]. Для выпрямительных установок использовались 12 игнитронов ИВП-500/5 Таллинского завода ртутных выпрямителей (по шесть в каждой установке), схема подключения игнитронов была аналогичная схеме электровоза ВЛ61 № 012, рисунок 1.2.

Для реализации системы рекуперативного торможения на электровозах добавились блоки аппаратуры регулирования фаз зажиганий игнитронов. В то время, когда изготавливались электровозы серии ВЛ60Р, ещё не было силовых тиристоров, которые по своим параметрам и надежности работы могли бы заменить игнитроны. Тем не менее с учётом преимущества твердотельных электронных ключей (меньшие потери, отсутствие жидкостного охлаждения) уже тогда в виде опыта на двух электровозах серии ВЛ60Р (№ 2126, № 2130) вместо игнитронов в цепь возбуждения ТЭД были установлены тиристорные преобразователи. После успешных испытаний в 1964-1966 гг. была выпущена серия подобных электровозов с рекуперацией в количестве 85 локомотивов. Электровозы работали на Северо-Кавказской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорогах на участках с горным профилем пути [60].

Создание мощных ртутных полупроводниковых приборов - игнитронов, дало толчок в развитии отечественных электровозов переменного тока, массовой электрификации железнодорожных линий на переменном токе и становлению послевоенной промышленности. Однако игнитроны имели существенные недостатки: при прожоге корпуса выпрямителя могло возникнуть заражение ртутью, являющееся опасным для здоровья людей; сложность конструкции; трудность обеспечения герметичности корпусов приборов в условиях вибрации подвижного состава; нормальная работа игнитронов обеспечивалась при поддержании температуры выпрямителей в пределах 35-40 °С, что требовало применение системы жидкостного охлаждения. Кроме того, электромагнитная система управления зажиганиями игнитронов была крайне ненадежна, зачастую сбои в её работе приводили к пропускам, несвоевременным или обратным зажиганиям игнитронов, что приводило к образованию аварийных режимов работы преобразователей. Особенно это затрудняло

применение режима рекуперативного торможения на электроподвижном составе переменного тока [13, 66, 71].

1.1.2 Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями

Электровоз ВЛ80Р. Магистральные грузовые электровозы переменного тока серий ВЛ80Т выпускаемые НЭВЗ с 1967 г. оборудованы системой реостатного тормоза, при котором электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями электровоза работающих в режиме генераторов, не возвращается в контактную сеть, а сжигается на мощных реостатах в самом электровозе. Применения этого вида электрического торможения значительно снижает эффективность электровозов, особенно при эксплуатации на участках с тяжелым (горным) профилем пути [27, 115].

Первостепенной задачей, стоявшей для конструкторов электровозов, являлась разработка электронного и силового оборудования необходимого для реализации системы рекуперативного торможения на электровозах переменного тока с применением перспективной на то время полупроводниковой базы - тиристоров [3, 15, 19, 35, 80, 82, 89].

По техническим требованиям ВНИИЖТ, ВЭлНИИ и НЭВЗ на базе электровозов серии ВЛ80Т были созданы электровозы серии ВЛ80Р оборудование системой рекуперативного торможения. В январе 1968 г. изготовили опытный электровоз с рекуперативным торможением ВЛ80Р № 300. В тяговых преобразователях электровоза суммарно были установлены 1200 тиристоров ТЛ-200-6 7-го класса, которые находились в четырех выпрямительно-инверторных преобразователях (ВИП) типа ВИП-1760 по 300 штук в каждой соответственного [70]. Применение тиристоров позволило вернуться к плавному регулированию напряжения на коллекторах тяговых электродвигателей и осуществлять рекуперативное торможение. Плавное зонно-фазовое регулирование напряжение обеспечивалось за счет изменения угла подачи управляющего импульса на управляющие электроды тиристоров преобразователей [30, 42, 108, 110, 111, 114, 115]. Использование принципа зонно-фазового регулирования напряжения на то время являлось большим шагом в развитии отечественного электровозостроения.

Принципиальная электрическая силовая схема электровоза в режиме рекуперативного торможения в расчете на одну тележку изображена на рисунке 1.3.

ХА1 - токоприемник; ТТ - тяговый трансформатор; У81-УБ10 - тиристоры; СР - сглаживающий реактор; Я1-Я2 - якорные обмотки ТЭД; ОВ1-ОВ2 - обмотки возбуждения ТЭД; Я1-Я2 -балластные резисторы; ТП - тормозные переключатели; К1-К3 - линейные контакторы.

Рисунок 1.3 - Упрощенная электрическая силовая схема одной тележки электровоза серии ВЛ80Р в режиме рекуперативного торможения

После проведения первых эксплуатационных тягово-энергетических испытаний, электровоз поступил для опытной эксплуатации в депо Батайск Северо-Кавказской дороги. Там в 1969 г. были проведены расширенные тягово-энергетические испытания электровоза. По результатам эксплуатационных испытаний электровозов № 300, № 621, № 622, ВЭлНИИ провел глубокую модернизацию электровозов, особенно изменения коснулись силовой электрической части. В декабре 1973 г. НЭВЗ изготовил первый серийный электровоз ВЛ80Р № 1500. На нем были установлены преобразователи типа ВИП-2200М с тиристорами Т2-320 14-го и 15-го классов.

Все электровозы серии ВЛ80Р выпуска 1973-1975 гг. эксплуатировались на участках с тяжелым профилям пути Красноярской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорог, а так же в депо Батайск Северо-Кавказской железной дороги. После 1976 г. электровозы были направлены для работы в депо Бого-тол Красноярской железной дороги [113].

Применение тиристорной силовой базы на электровозах переменного тока многократной усложнило систему управления преобразователями. Общее количество элементов в таких электровозах стало на один -два порядка больше, чем на ранее выпускавшихся сериях электровозов. Так например, только в логической части аппаратуры управления первых электровозов серии ВЛ80Р насчитывается свыше 1500 элементов. Кроме того, в выходных каскадах ВИП было установлено около 4000 электронных элементов. Выход из строя даже одного из которых приводил к ненормальной работе преобразователей электровоза, (броски тока, образование токов короткого замыкания, опрокидывание инвертора) особенно в режиме рекуперативного торможения [57].

Электровоз ВЛ60КР. В 1971-1973 гг. намечалась модернизация эксплуатируемого парка шестисотых электровозов переменного тока серии ВЛ60К путём перевода их на тиристорные ВИП для работы в рекуперативном режиме. После такой модернизации электровозы получили серию ВЛ60КР [25, 26, 70, 72]. В первую очередь предлагалось модернизировать партию рекуперирующих электровозов ВЛ60Р с игнитронными преобразователями, работающих на участках Тайшет-Лена Восточно-Сибирской железной дороги и Смоляниново-Партизанск, Дальневосточной железной дороги. Опытный образец такого электровоза начал испытываться на экспериментальном кольце центрального научно-исследовательского институт информации, технико-экономических исследований и пропаганды железнодорожного транспорта МПС СССР (ЦНИИ МПС) с августа 1974 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Устинов Роман Иванович, 2020 год

— С.

— О 0

ъ> о

Е 35

Н -10

= & о

в я - о -20

2

Ф ^ £

-30

н

о -40

141 % 11/

10

Время, мс

Рисунок 5.1 - Диаграммы мгновенных значений напряжения и тока первичной обмотки тягового трансформатора: (а) полученные в ходе эксплуатационных исследований; (б) полученные при математическом моделировании

На рисунке 5.2 в сравнении приведены диаграммы мгновенных значений тока и напряжения ВИП.

2000 1500

Время, мс

б)

2000 1500

Время, мс

Рисунок 5.2 - Диаграммы мгновенных значений выпрямленного и тока ВИП: (а) полученные в ходе эксплуатационных исследований; (б) полученные при математическом моделировании

Данные необходимые для проведения оценки адекватности результатов, полученных в ходе эксплуатационных испытаний электровоза серии 2ЭС5К и математического моделирования занесены в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Сравнение параметров полученных при эксперименте и математическом моделировании

Параметр Эксплуатационные испытания Математическое моделирование Относительная погрешность, %

Твип, А 1710 1580 8,23

Цвип, В 1018 1070 5,11

6, эл. град. 35 35 -

ар, эл. град. 85 85 -

у, эл. град. 11 10,5 4,5

Ур, эл. град. 24 25 4,2

Кпо 0,20 0,19 5,26

Относительная погрешность при оценке тока ВИП (Твил) составила 8,23%, напряжения ВИП (иВИП) 5,11 %, длительности сетевой коммутации (у) 4,5%, при фазовой коммутации (ур) 4,2%, коэффициента относительной пульсации (КПО) 5,8%, что не превышает допустимую погрешность (10 %) при проведении математического моделирования.

Таким образом, разработанная математическая модель электровоза переменного тока является пригодной для проведения исследований электромагнитных процессов в системе «Тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» в режиме рекуперативного торможения.

5.2 Сравнительное исследование результатов математического моделирования работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП при пропусках импульсов управления

Для сравнения полученных электромагнитных процессов математической модели электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП, необходимо для всех случаев задаться равными параметрами модели. Также для

исключения искажения формы кривой напряжения контактной сети и влияния на происходящие переходные процессы, принимается, что на фидерной зоне участка контактной сети находится один электровоз.

5.2.1 Моделирование работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП в режиме рекуперативного торможения на примере IV зоны регулирования

При проведении математического моделирования заданы следующие параметры модели тяговой подстанции, контактной сети и электровоза в режиме рекуперативного торможения:

Тяговой подстанции

- напряжение на выходах тяговой подстанции и1ТП = 27,5 кВ.

Контактной сети

- расстояние от тяговой подстанции до электровоза /тп = 20 км.

Электровоза

- скорость движения электровоза V = 75 км/ч;

- регулируемый угол открытия тиристоров ВИП ар = 90 эл. град.;

- угол запаса инвертора 5 = 35 эл. град.;

- регулируемый угол открытия тиристоров ВУВ арВУВ = 65 эл. град.;

- ток ВУВ ¡вув = 880 А;

- пропуск импульса управления в с эмитирован на тиристорные плечи VS2 и VS7 всех ВИП электровоза.

В качестве результатов моделирования представлены электромагнитные процессы при аварийной работе ВИП вызванной пропусками импульсов управления с типовым и предлагаемым алгоритмами управления в режиме рекуперативного торможения на примере IV зоны регулирования, на рисунках 5.3-5.5 при пропуске VS2, на рисунках 5.6-5.8 при пропуске VS7.

Время, мс

а)

< а

« ре 3. *

о ¡с

ь 5

Л

а, а

г =

ь В

и ро

р =

в ~

■я ь х

Я £

* е

5 «

Л

а

2.0 1,5 1,0 0.5 О

-0.5 -1.0 -1.5

-2,0

Величина тока срабатывания шщиты электровоза / Аварийное нарастание тока генератора

1м7\ Л*"

Ток генератора при штатной работе ВИП/

и

6 \11ВПП у £ )

у" у" / 7" у' У"

Р Ур Р Р Ур Р

<х„ 'Ур Р ар Ь р ор ар

-р

10

15 20 25 30

Время, мс

35

40

45

50

60

б)

30

Время, мс

а)

< X

-

в в

'л о Н

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1,0 0.5 0

Величш а тока сра< атывания защиты элею провоза /

УБЗ чУБ7

У£7/ 1/ у

УК1 У34 \ , УЙЗ УК7 \

Ш1 ¥57 Щ

-п \ | 1

10

15

20

25

30

40

45

50

60

Время, мс

б)

К)

400 300

1 200 * юо

о

£ о

л &

о

■е-

в 5

-100 -200

& -300 -400 -500

9 СР

£ а

о д

¡2 3

ф с.

:В О

©

я 2

р л

в —

« 2

& -е-

<з> у

В

а> *

Я &

I я

К н

40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50

Ток первичной обмотки ТТ при штатной работе --чЛ, / \

\ # \ \ !

ь) /А % 1 %

1

** 1 * 1 1 >

* ^ * / У

1 ок первичног \ использовании прес обмотки ТТ при Ьагаемого алгоритма

ЬО

10

15

20

25

30

Время, мс

35

40

45

50

60

Величина тока срабатывания здщиты электровоза

Аварийное нарастание тока генератора

Ток генератора при штатной работе ВИП/

"ВИП

Снижение тока генератора за счет резервирования плеча ^57 на У35

25 30 35

Время, мс

25 30 35

Время, мс

25 30

Время, мс

а) «

а*" 100

75

и

=

Щ

а.

я 0

X

1п

15

20

25

30

35

Время, мс ,

40

45

50

60 Г

б) «

100

£ 75 й

а 50 =

% 25 =

& 0 I 0

В)

в

100

з И

I

а 50

75

=6 25 я

=" О

0

ю

10

25

30

У"

35

Время, мс

40

45

50

Г

Сигнал ДУК при прот еке импульса управления

Сигнал ДУК при штатной работе плеч ВИЛ

25

30

Время, мс

40 V"

45

50

У

Сигнал ДУК при пропуске импульса управления

60

60 У

К) 00

Сигнал ДУК при штатной работе плеч ВИП

5.2.2 Моделирование работы электровоза с типовым и предлагаемым алгоритмами управления ВИП в режиме рекуперативного торможения на примере II зоны регулирования

При проведении математического моделирования заданы следующие параметры модели тяговой подстанции, контактной сети и электровоза в режиме рекуперативного торможения:

Тяговой подстанции

- напряжение на выходах тяговой подстанции и1Тп = 27,5 кВ.

Контактной сети

- расстояние от тяговой подстанции до электровоза /тп = 20 км.

Электровоза

- скорость движения электровоза V = 20 км/ч;

- регулируемый угол открытия тиристоров ВИП ар = 90 эл. град.;

- угол запаса инвертора 5 = 35 эл. град.;

- регулируемый угол открытия тиристоров ВУВ арВУВ = 65 эл. град.;

- ток ВУВ ¡вув = 880 А;

- пропуск импульса управления в с эмитирован на тиристорные плечи УБ2 и УБ5 всех ВИП электровоза.

В качестве результатов моделирования представлены электромагнитные процессы при аварийной работе ВИП вызванной пропусками импульсов управления с типовым и предлагаемым алгоритмами управления в режиме рекуперативного торможения на примере II зоны регулирования, на рисунках 5.10-5.12 при пропуске УБ2, на рисунках 5.13-5.15 при пропуске УБ5.

о 400

о

£ О 300

и. к н < 200

г

н С5 & 100

о О

ю н к 0

о %

« о в ^ о ■е -100

Т к а а. йу и X с: п> ь -200 -300

С

-400

о

Н -500

\ 1 / Ток первичной обмотки ТТ / при штатной работе / Л /"К \ * 1 /

\ ГИ

!У /ш 1 Мд 1 н у 1 Г 1 " J »/ Ч1 Г ч \ 1 • J I Ц 1 / г/ д

» •/ I1 ||* 1 Г 1 1 ы р и |/

/

11 * Л % ж \ Чв / / А** Л

\7Ьк первичной обмотки ТТ при аварийной работе

25 30 35

Время, мс

б)

400 300

з <

200 3

I I 100

0 с

1 ^ о

о 2 « -100

о 2 = =

ё, £- -300 ^

■200

-400 -500

3 1:0 £ *

40

- 30

« С

® Ь

в 2

3

я с

с- -8-

0 ^

3 =

и I

я н

4 с ^ -

и

1 §

за н

20 10

-10

-20 -30 -40

■50

первичной ормотки

при штатной раооте

Ток первичной обмотки ТТ при использовании предлагаемого алгоритма

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Время, мс

и) О

30

Время, мс

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Время, мс

1 3.5

в 3.0

3

* 2.5

■я

2.0

=

Я

— 1.5

Ьй

с

н 1.0

25 30 35 40 45 50 55 60

Время, мс

© 400

о

¡а о 300

и в н < 200

= •ч

ь те & 100

© ©

ю н те 0

О

>Я о £ © -8- -100

5Г т » а ь и Е те & - -200 -300

с

% -400

о

Н -500

8 в

* *

40

г 30

5 20

10

ь

о "

ю о

55 о

с н

Я 2

Г 5

я - о

ей о и

а-е-

ё Й -ю

те

-20

4>

5 X

о

а

ее

г» ^

с °