CC BY
29
8. Bruskin D. E., Zorokhovich A. E., Khvostov V. S. Electricheskie mashini i mikromashini (Electrical machinery and micromachines). Moscow: Higher School, 1990, 401 p.
УДК 621.335.11
А. А. Бакланов, Н. В. Есин, О. В. Гателюк
ИЗМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ85 НА ВЫСШИХ ЗОНАХ
РЕГУЛИРОВАНИЯ
В статье предлагается изменение алгоритма работы плеч выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза ВЛ85 с целью индивидуального регулирования напряжения на тяговых двигателях при сохранении единой централизованной системы управления всеми преобразователями электровоза. Предложенные решения могут быть применены для ликвидации начавшегося боксования колесных пар локомотива без снижения силы тяги небоксующих колесных пар.
На сети дорог ОАО «РЖД» широко эксплуатируются электровозы переменного тока ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, 2ЭС5К, ЭП1, на которых применено плавное регулирование напряжения тяговых двигателей с помощью управляемых выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИПов) [1].
Каждый ВИП этих электровозов состоит из восьми плеч силовых тиристоров, подключенных к вторичным обмоткам тягового трансформатора (рисунок 1).
На электровозах применено плавное зонно-фазовое регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Управление всеми ВИПами электровоза осуществляет блок управления вы-
прямительно-инверторными преобразователями (БУВИП): он выдает в системы формирования импульсов (СФИ) ВИПа управляющие импульсы ао, аоз, ар в соответствии с данными таблицы. При этом условно можно считать высшими зоны со второй по четвертую.
VS1 Z^ VS3 Z^ VS5 Zi
VS2
VS7 А
Uri
II
VS6
VS8 Z\
Рисунок 1 - Схема выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза ВЛ85
Алгоритм работы системы БУВИП
Зона Номер полупериода Номера плеч ВИПов и выходных усилителей
VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8
I 1 ap ao ap
2 ао ap
II 1 ap ac
2 aD аоз aa
III 1 ap aоз aо
2 ap a^3 aо
IV 1 ap a^3 aо
2 ap аоз aо
В итоге на выходе ВИПа формируется выходное напряжение, представленное на рисунке 2 (первая и вторая зоны).
При этом среднее значение выпрямленного напряжения характеризуется формулами: для первой зоны -
2 л+а0 — = — | UmsmШdШ = (соБа0 + соБа ), л „ л 4 '
(1)
для второй зоны
— аР — к+ао
—^ = — | —т бШшtdшt + — 12—т Бтшtdшt =
к,
и
к
(2
к
соБ а0 + соБ а + соб а0л
(2)
),
где ит - амплитудное значение напряжения малой обмотки трансформатора, В.
ар
ар
ША а
ап
аг
Рисунок 2 - Диаграммы выпрямленного напряжения на выходе ВИПа на первой (а) и на второй (б) зонах регулирования
Анализ показывает, что имеется возможность изменения алгоритма работы плеч выпрями-тельно-инверторного преобразователя электровоза силовыми тиристорами ВИПа с целью регулирования напряжения на тяговых двигателях индивидуально по каждому ВИПу без изменения фазы угла открытия силовых тиристоров, заданной общей системой управления БУВИП. Этого можно достичь путем незначительного изменения алгоритма управления выходными каскадами усилителей системы управления преобразователем, принадлежность которых определена для каждого двигателя. При сохранении групповых систем питания и зонно-фазового принципа управления тяговым электроприводом всего электровоза удается индивидуализировать выдачу сигнала открытия плеча выпрямителя соответствующей пары двигателей, а при незначительном усовершенствовании - и для каждого из двигателей. В последнем случае снижение усилия тяги всего локомотива соответствует 1/8 или 1/12 части общего усилия.
№ 3(19) 2014
а
0
Изменение алгоритма управления заключается в прицельном формировании сигнала запрета на выдачу управляющего импульса для открытия соответствующих тиристоров, т. е. в искусственном пропуске полуволны выпрямленного напряжения. Напряжение в контактной сети имеет частоту 50 Гц, следовательно, в промежутке времени, равном одной секунде, при выпрямлении укладывается 100 полупериодов выпрямленного напряжения. Отсутствие одной полуволны напряжения в течение одной секунды снижает напряжение на 1%. Формированием соответствующего алгоритма для выходных устройств управления выпрямительно-инверторными преобразователями имеется возможность убирать любое число полупериодов выпрямленного напряжения, запрещая подачу импульсов на управляющие электроды тиристоров, работающих в тех полупериодах, которые необходимо убрать. Этот принцип поясняет диаграмма измененного (по сравнению с рисунком 2, б) выпрямленного напряжения второй зоны, показанная на рисунке 3.
Как видно из диаграммы на рисунке 3, каждый второй полупериод исчезает добавка напряжения, вносимая данной зоной.
Среднее значение выпрямленного напряжения на второй зоне регулирования при этом характеризуется формулой:
1 ар 1 к+а0 и =— [ Umsinшtdшt+--[ 2и зтшtdшt +
а О-ГГ- 1 О-ГГ- 1 т
2 К а 2 К а
а 0 3 ар
1 к+и и
+--| и зтшtdшt = ит(со$а + 3со$а + 2созап )
0 I т п \ р 0 0 з/
(3)
В результате происходит снижение среднего значения выпрямленного напряжения по сравнению с таким же напряжением, но при отсутствии блокировки импульсов ар.
Таким образом, не отпирая соответствующие тиристоры в определенные полупериоды питающего напряжения, можно снизить подведенное напряжение, например, для склонного к боксованию колесно-моторного блока, уменьшая тем самым тенденцию к боксованию.
ап
Ш
0
Рисунок 3 - Диаграмма выпрямленного напряжения на выходе ВИПа при блокировании импульса ар во втором полупериоде
Такой алгоритм управления дает возможность снижать питающее напряжение на любую величину, а рациональной последовательностью пропускаемых полупериодов добиться малозаметного влияния на работу тягового двигателя и электровоза в целом. К этому следует добавить, что наличие зон в выпрямительно-инверторных преобразователях дает возможность снижения эффекта искусственного пропуска, так как на зонах выше первой может сниматься только добавка напряжения или даже часть этой добавки.
Кроме того, в зависимости от величины угла регулирования ар степень снижения среднего значения выпрямленного напряжения будет разной и, следовательно, разным будет про-тивобоксовочное воздействие, оказываемое на тяговый двигатель боксующего колесно-моторного блока, как это видно из рисунка 4.
При максимальной величине угла ар степень снижения напряжения будет минимальной и прекращения боксования может не произойти, а при ар, близком к ар тщ, уровень снижения напряжения будет максимальным. Поэтому периодичность пропуска полупериодов выпрямленного напряжения может быть установлена разной в зависимости от фазы угла регулирования ар: при ар, равном или близком к ар тах, частота пропуска полуволн будет максимальной, а при ар, равном или близком к ар тщ, частота будет минимальной. Для этого полупериод выпрямленного напряжения может быть разделен условно на несколько частей, например, на четыре. При этом каждая часть полупериода имеет длительность л/4 (45 эл. град). При нахождении фазы ар в диапазоне от л до (3/4)л будет осуществляться пропуск, например, каждого второго полупериода, в диапазоне от (3/4)л до л/2 - каждого четвертого, в диапазоне от л/2 до л/4 - каждого шестого и в диапазоне от л/4 до аоз - каждого восьмого полупериода.
ар-
Рисунок 4 - График уменьшения напряжения на выходе ВИПа на второй зоне регулирования в зависимости от фазы регулирования ар и периодичности пропуска полупериодов выпрямленного напряжения: а - пропуск всех полупериодов, Ь - 2-й, с - 3-й, d - 4-й, е - 5-й, f - 10-й
Приведенный в данной статье измененный алгоритм работы плеч ВИПа может быть достаточно перспективным для электровозов ВЛ85 и других, так как
появляется возможность для управления процессами тяги прицельно для группы двигателей (а принципиально - для каждого из двигателей при незначительной модернизации силовых схем) при сохранении групповых систем управления как по силовым цепям, так и по каналам зонно-фазового регулирования. Эта возможность может быть практически реализована в виде быстродействующей системы защиты от боксования;
обладая высоким быстродействием, подобная система защиты от боксования позволит осуществить опережающее воздействие на развитие ненормальных режимов, особенно если заменить сигнал традиционного реле боксования сигналом столь же быстродействующим, соответствующим сути самой системы;
предложенная система никоим образом не влияет на компоновку силовых цепей электровоза, являясь, по существу, добавкой к имеющемуся блоку управления выпрямительно-инверторным преобразователем, она легко вписывается в алгоритм управления электроподвижной единицей и в случае использования микропроцессорной системы управления.
1. Тушканов, Б. А. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации [Текст] / Б. А. Туш-канов, Н. Г. Пушкарев, Л. А. Позднякова. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с.
■¡■И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 53
1. Tushkanov B. A., Pushkarev N. G., Pozdnjakova L. A. Elektrovoz VL85: Rukovodstvopo ek-spluatatsii (Electric locomotive VL85: User Manual). Moscow: Transport Publ., 1992, 480 p.
УДК 621.311.1
А. С. Вильгельм, А. А. Комяков, В. Л. Незевак
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Совершенствование методов электрических расчетов в общем случае направлено на повышение точности получаемых результатов. Одним из направлений совершенствования методов расчета является учет в расчетах различных факторов, оказывающих влияние на точность расчета параметров системы тягового электроснабжения. В настоящей статье рассмотрен подход, направленный на совершенствование метода электрического расчета в части повышения точности путем изменения алгоритма расчета и учета ряда дополнительных факторов.
Проектирование новых электрифицируемых участков, а также реконструкция и модернизация существующих неразрывно связаны с проведением электрических расчетов, в ходе которых определяются различные энергетические показатели работы системы тягового электроснабжения. В настоящее время известно много методов расчета энергетических показателей системы тягового энергоснабжения: по заданному расположению поездов; по сечениям графика движения поездов; по заданным размерам движения поездов [1] и др. С развитием вычислительной техники наибольшее распространение получил метод расчета по сечениям графика движения поездов. Меньший шаг при получении сечений графика движения обеспечивает большую точность вычислений.
Решение задачи определения основных параметров системы тягового электроснабжения (СТЭ) электрифицированных железных дорог переменного тока, оценки энергетических показателей и электромагнитной совместимости основано на проектных расчетах с помощью соответствующих методик и программ, примерами которых могут являться методики расчета параметров тяговых сетей переменного тока [2, 3]. Сохраняет свою актуальность вопрос повышения точности расчетов, решение которого позволяет получить результаты, адекватные данным измерений, например, по определению потерь электроэнергии в тяговой сети [4].
Перечисленные выше методы расчета энергетических параметров СТЭ основаны на определении электрических нагрузок по графику движения поездов. При этом в основе определения тяговой нагрузки лежит тяговый расчет, выполняемый для постоянного уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава. Следует отметить, что проведение расчетов на основе указанного метода вносит неточности, связанные с тем, что напряжение в контактной сети непрерывно изменяется и может достигать предельных значений, что, однако, в данных методах не учитывается. Указанное обстоятельство приводит к тому, что картина то-кораспределения, расхода энергии и потерь в тяговой сети носит искаженный характер.
В настоящей статье представлен усовершенствованный порядок расчета следующих показателей СТЭ: токов нагрузки электроподвижного состава, минимального напряжения на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС), коэффициента реактивной мощности для проектируемых участков железных дорог и участков, находящихся в эксплуатации, а также расхода электрической энергии.
Тяговые расчеты выполняются в соответствии с рекомендациями источника [5] для спрямленного и приведенного профиля пути.
Расчет величины уклона спрямленного элемента профиля выполняют по выражению:
