Разработка устройства удаления гололеда с двойного контактного провода импульсно-резонансным методом на основе управляемого преобразователя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Бунзя, Андрей Вадимович

• Бунзя, Андрей Вадимович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бунзя, Андрей Вадимович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СПОСОБОВ УДАЛЕНИЯ ГОЛОЛЕДА С ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

1.1. Параметры гололедно-изморозевых отложений.

1.2. Сравнение существующих способов борьбы с гололедом

1.2.1. Механические способы борьбы с гололедом.

1.2.2. Химические способы борьбы с гололедом.

1.2.3. Электрические способы борьбы с гололедом.

Выводы.

Глава 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА УДАЛЕНИЯ ГОЛОЛЕДА ИМПУЛЬСНО-РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ

2.1. Экспериментальное исследование возможности раскачки и соударений контактных проводов

2.1.1 Лабораторная модель УУГ ИРМ.

2.1.2 Результаты испытаний лабораторной модели УУГ ИРМ.

2.2 Разработка математической модели соударения проводов

2.2.1 Колебания двойных контактных проводов под действием периодической силы Ампера.

2.2.2 Колебания контактных проводов с соударениями.

2.3Алгоритм изменения частоты УУГ ИРМ.

2.4 Возможные схемные решения УУГ ИРМ.

Выводы.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЯЕМОГО МОСТОВОГО 6-ТИ ПУЛЬСОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УУГ В ОЖИДАЕМЫХ РЕЖИМАХ 3.1 Обоснование необходимости создания математической модели трехфазного мостового преобразователя.

3.2 Электрические схемы преобразователя.

3.3 Расчётные схемы коммутационного и межкоммутационного промежутков.

3.4 Расчёт мгновенных значений переменных и выпрямленных токов и углов коммутации.

3.5 Расчёт мгновенных значений переменных и выпрямленных напряжений преобразователя.

3.6 Средние значения выпрямленного тока и напряжения.

3.7 Расчет высших гармонических составляющих токов и напряжений.

3.8 Расчет действующих значений токов и напряжений.

3.9 Силовые импульсы тока, формируемые преобразователем.

Выводы.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УУГ

4.1. Макетный образец УУГ ИРМ.

4.2. Испытания макетного образца

4.2.1. Испытания макетного образца УУГ ИРМ на модели контактной подвески.

4.2.2. Натурные испытания макетного образца УУГ ИРМ на полигоне контактной сети ЭЧК в летних условиях.

4.2.3. Натурные испытания макетного образца УУГ ИРМ на полигоне контактной подвески в зимний период.

4.3. Опытный образец УУГ ИРМ.

4.4. Эксплуатационные испытания опытного образца УУГ ИРМ.

4.5. Технико экономическая эффективность от внедрения устройства УУГ ИРМ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка устройства удаления гололеда с двойного контактного провода импульсно-резонансным методом на основе управляемого преобразователя»

Одним из основных элементов тягового электроснабжения является контактная сеть, работа которой зависит от климатических условий. На нее воздействует множество факторов, приводящих к отказам и даже авариям. Контактная сеть является единственным нерезервируемым элементом, поэтому к ней предъявляются наиболее высокие требования по надежности функционирования.

Исследованиям в области контактной сети посвящены работы Беляева И.А., Вологина В.А., Галкина А.Г., ГорошковаЮ.И., Григорьева B.JL, Ефимова А.В., Марквардта К.Г., Михеева В.П., Подольского В.И., Пупынина В.Н., Власова С.П., Сердинова С.М., Смердина А.Н., Фрайфельда А.В., Чекулаева В.Е., а также других ученых и специалистов.

При определенных метеорологических условиях возникает явление отложения гололедных образований на проводах контактной подвески. Гололед приводит не только к увеличению весовой нагрузки проводов. Как правило, он сопровождается ветром. При соответствующей скорости и направлении ветра возможна пляска или вибрация проводов, что может привести к обрывам и пережогам проводов.

Гололед и изморозь, попадая в зону контакта между полозом токоприемника и проводом, вызывают значительное искрение при токосъеме, что приводит к повышенному износу контактных проводов и пластин полозов, а в ряде случаев дуговой токосъем может вызвать пережог контактного провода.

В настоящее время применяют механические, химические и электрические способы борьбы с гололедом. Механические требуют значительного времени и затрат энергии на передвижение установок по обивке гололеда, химические - регулярного нанесения антигололедных смазок из-за стирания их полозами токоприемников. К электрическим относятся профилактический подогрев и плавка методом короткого замыкания. Профилактический подогрев требует значительных энергозатрат, метод плавки опасен возможностью отжига контактных проводов.

Таким образом, каждый из применяемых на сегодняшний день способов обладает недостатками, и проблема удаления гололеда актуальна. Представленные в диссертации исследования проводились в направлении создания устройства удаления гололеда импульсно-резонансным методом в рамках работ по заданию ОАО «РЖД» по теме № 11.1.16. Принцип работы такого устройства заключается в том, что через двойные контактные провода пропускают переменный ток или импульсы тока с частотой, близкой к механическому резонансу и амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения. При этом провода начинают раскачиваться и ударяться друг о друга, что приводит к ускоренному разрушению гололёдных образований.

Такой способ не требует больших токов и сокращает время удаления гололеда, исключает риск отжига и сокращает потребление электроэнергии в процессе удаления гололеда.

Практическая реализация такого способа возможна с помощью управляемого преобразователя, подающего в провода силовые импульсы тока. При этом процесс раскачки и соударений проводов существенно зависит от формы импульсов тока, протекающих по проводам.

Однако расчет по известным методикам формы импульса и параметров преобразователя, существенную часть времени работающего в переходных режимах, дает значительную погрешность, обусловленную допущениями, применяемыми при расчете мощных преобразователей.

Вопросам электромагнитных процессов в преобразователях посвящены работы Буркова А.Т., Глинтерника С.Р., Засорина С.Н., Каганова И.Л., Маевского О.Г., Поссе А.В., Шляпошникова Б.М., переходные процессы преобразователей были рассмотрены Бей Ю.М., Булгаковым А.А., Зборовским И.А., Нейманом JI.P., Размадзе Ш.М., Урмановым Р.Н., Янко-Триницким А.А., а также другими учеными и специалистами.

Значительная доля активного сопротивления цепи переменного тока преобразователя устройства удаления гололеда, конечное значение индуктивности петли контактной подвески, являющейся нагрузкой преобразователя, а также режим преобразователя приводят к особенностям его расчета. При формировании преобразователем импульсов частотой 2-4Гц с коэффициентом заполнения меньше 0,5 переходный процесс занимает значительную долю длительности импульса. Поэтому учет переходного процесса необходим при определении параметров преобразователя.

Необходимость точного описания формы импульсов выпрямленного тока обеспечивает актуальность разработки математической модели преобразователя, позволяющей определить функции токов и напряжений с учетом конечных значений активных и индуктивных сопротивлений цепей переменного и постоянного токов.

1. Обзор и анализ способов удаления гололеда с проводов контактной сети

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Бунзя, Андрей Вадимович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы способы удаления гололеда с проводов контактной сети. Установлено, что наиболее эффективным направлением в создании устройства удаления гололеда является сочетание подплавки льда путем пропускания электрического тока по проводам с механическими ударными воздействиями на них.

2. На базе расчетов и численной модели на основе метода конечных элементов, разработана методика, позволившая исследовать механизм раскачки и соударения парных контактных проводов с учетом неупругого характера ударов и оценить при этом ударные характеристики в различных точках подвески.

3. С помощью вычислительных экспериментов показано существенное влияние формы и скважности импульсов на процесс раскачки и соударений контактных проводов.

4. По результатам численного моделирования и экспериментальных исследований установлены необходимые значения тока для удаления льда в зависимости от натяжения контактных проводов, их износа, зазора между их осями и величины гололедных образований.

5. Получена функция изменения частоты импульсов тока для обеспечения необходимого количества соударений контактных проводов в подвеске, содержащей множество пролетов различной долины.

6. На базе численно-аналитического метода расчета электромагнитных процессов в трехфазном мостовом преобразователе разработана методика расчета, позволяющая определить форму импульсов тока с учетом параметров петли контактной подвески и цепи переменного тока при заданном изменении углов регулирования.

7. Получены уточненные средние и действующие значения токов и напряжений преобразователя, позволяющие производить выбор параметров УУГ ИРМ.

8. Разработаны технические требования, проведены натурные и эксплуатационные испытания опытного образца УУГ ИРМ, разработаны рекомендации по его практическому применению.

9. Произведена оценка экономического эффекта от внедрения УУГ ИРМ. По сравнению с удалением гололеда методом плавки УУГ ИРМ позволяет сократить расход энергии на 21000кВт-ч на 100км двухпутного участка при каждом удалении гололеда. Расчетный экономический эффект составляет 68,5 тысяч рублей в год на одно устройство.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бунзя, Андрей Вадимович, 2007 год

1. Методические указания по борьбе с гололедом и автоколебаниям на контактной сети, линиях ДПР, автоблокировки и продольного электроснабжения. Книга 1. - М.: Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», 2004. - 148 с.

2. Смердин А.Н. Совершенствование узлов скоростных контактных подвесок для эксплуатации в условиях ТРАНССИБА Текст. / А.Н. Смердин: Автореф. дисс. . канд. техн. наук : 05.22.07 Омск, 2004. -24 с.

3. Порцелан А.А., Павлов И.В., Неганов А.А. Борьба с гололедом на электрифицированных железных дорогах. М.: Транспорт, 1970 152 с.

4. Сердинов С. М. Повышение надежности устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1985.-301 с.

5. Пат. 2166826. РФ. МПК6 Н 02 G 7/16. Способ удаления гололеда с проводов контактной сети и линий электропередачи / А.В. Ефимов, А.Г. Галкин, № 99114706. Заявлено 05.07.1999; Опубл. 27.04.2001 Бюл. №12.

6. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Бунзя А.В., Кондрышов М.В. Исследование способа удаления гололеда с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом на модели. Деп. в ВИНИТИ. -Екатеринбург, 03.08.2004, №1347-В2004.

7. Галкин А.Г. Теория и методы расчетов процессов проектирования и технического обслуживания контактной сети Текст. / А.Г.: Автореф. дисс. д-ра техн. наук : 05.22.07. Екатеринбург, 2002. - 37 с.

8. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Веселов В.В.Динамический расчет отжатая проводов цепной подвески. Межвуз. тем. сб. научных трудов. -ОмГУПС, 1998.-Вып. 14.-С. 60-63.

9. Галкин А.Г. Разработка способа удаления гололеда с контактных проводов. Деп. в ВНИИАС МПС. УрГУПС, 30.04.2002, №6378-жд2002.

10. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Политехника, 1990. - 272 с.

11. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В.; Отв. ред. Писаренко Г. С. 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наук, думка, 1988. - 736 с.

12. Беляев И. А., Вологин В. А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. -М.: Транспорт, 1983. 191 с.

13. Фрайфельд А. В. Проектирование контактной сети. М.: Транспорт, 1978.-304 с.

14. Шляпошников Б. М. Игнитронные выпрямители. М.: Трансжелдориздат, 1947. - 736 с.

15. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. 4.3. М.-Л.: Госэнергоатомиздат, 1956. 528 с.

16. Соколов С.Д. Повышение надежности преобразовательных агрегатов тяговых подстанций. Труды ВНИИЖТ. М.: Транспорт, 1965. -Вып.290. -184 с.

17. Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др.: Полупроводниковые выпрямители, /под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. 2-е изд. М.: Энергия, 1978.-448 с.

18. Маевский О.Г. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1979. - 320 с.

19. Соколов С.Д., Бей Ю.М., Гуральник Я.Д., Чаусов О.Г. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций. М.: Транспорт, 1979. - 254 с.

20. Руденко B.C., Санько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1980. - 423 с.

21. Засорин С.Н., Мицкевич В.А., Кучма К.Г. Электронная преобразовательная техника: под. ред. В.Н. Заморина. М.: Транспорт, 1981. -319 с.

22. Фишлер Я.Л., Урманов Р.Н.|, Пестряева JI.M. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок. М.: Энергоиздат, 1989.-320 с.

23. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций./ Б.С. Барковский, Г.С. Магай, В.П. Маценко и др.; под ред. М.Г. Шалимова. М.: Транспорт, 1990. - 127 с.

24. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1999. - 461 с.

25. Костенко М. П., Нейман JI. Р., Блавдзевич Г. Н. Электромагнитные процессы в системах с мощными выпрямительными установками. -М.: Издательство Академии Наук СССР, 1946. 108 с.

26. Зборовский И.А., Янко-Триницкий А.А. Аналитический метод исследования переходных и установившихся процессов в трехфазной мостовой схеме выпрямителя. М.: Электричество. 1966. - №3. -С.57-61

27. Нейман JI.P., Поссе А.В., Слоним М.А. Метод расчета переходных процессов в цепях, содержащих вентильные преобразователи, индуктивности и ЭДС. Электричество, 1966. - №12. - С.7-12

28. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. М.: Высш. шк., 1967.-527 с.

29. Донской Н.В. и др. Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -352 с.

30. Булгаков А.А. Новая теория управления выпрямителей. М.: Наука, 1970.-320 с.

31. Захаревич С.В. Переходные и установившиеся процессы в схемах электроподвижного состава выпрямительного типа. M.-JL: Наука, 1970.-239 с.

32. Ривкин Г.А. Преобразовательные устройства. М.:Энергия, 1970.-544 с.

33. Нейман JI.P. Обобщенный метод анализа переходных и установившихся процессов в цепях с преобразователями. М.: Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1972. №2. - С. 3-15

34. Урманов Р.Н.| К теории коммутации преобразователей // Сб. научных трудов: Фундаментальные и прикладные исследования транспорту / УрГАПС.- Екатеринбург, 1995.- Вып.2(84) - С.147-156.

35. Урманов Р.Н.|, Бунзя А.В. Аналитический расчет мгновенных значений токов и углов коммутаций 6-ти пульсового преобразователя / Материалы конференции: «Железнодорожный транспорт сегодня и завтра». Екатеринбург: УрГАПС, 1999. - 4.2. - С. 166-177.

36. Урманов Р.Н.|, Бунзя А.В. К расчету процессов в трехфазном мостовом преобразователе / Сборник научных трудов: «Энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». Екатеринбург: УрГАПС, 1995. - Вып. 3(85).-С. 3-15.

37. Урманов Р.Н.|, Бунзя А.В. К расчету мгновенных значений и высших гармонических токов трехфазного мостового преобразователя / Сборник научных трудов: «Наука и транспорт сегодня: проблемы и решения». Екатеринбург: УрГАПС, 1996. - Вып. 5(87). - С. 59-67.

38. Поссе А.В. «Схемы и режимы электропередач постоянного тока», Энергия, 1973г.,-303 с.

39. Урманов Р.Н.| Теория преобразователей при конечных сопротивлениях схем. Екатеринбург.: УрГУПС. - 2003. - 154 с.

40. Урманов Р.Щ Бунзя А.В. Уточненные внешние характеристики трехфазного мостового преобразователя // Труды Всероссийской НТК, «Фундаментальные и прикладные исследования транспорту - 2000». - Екатеринбург: УрГУПС, 2000. - 4.1- С. 278-279.

41. Бунзя А.В. К определению гармонических составляющих токов и напряжений трехфазного мостового преобразователя // Труды V межвузовской НТК:«Молодые ученые транспорту» . - Екатеринбург: УрГУПС, 2004. - 4.1. - С. 5-15.

42. Глинтерник С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. Л.: Наука, 1968, - 259 с.

43. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Бунзя А.В. Разработка и испытание устройства удаления гололеда с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом // Транспорт Урала. 2007. - 1(12). -С. 105-112.

44. Комплексная оценка эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса. Методические рекомендации и комментарии по их применению / МПС РФ. М., 1989,- 120 с.

45. Процесс раскачки модели подвески при зазоре 40мм и токе импульса 80А1. Время, с1000900800700600500 gо400300