Способ повышения энергетических показателей режима рекуперативного торможения электровозов переменного тока
Владельцы патента RU 2370381:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС) (RU)
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и направлено на усовершенствование электровозов однофазно-постоянного тока, работающих в режиме рекуперативного торможения. Повышение энергетических показателей электровозов однофазно-постоянного тока с выпрямительно-инверторными преобразователями обеспечивается путем увеличения инвертирования тока в контактную сеть в режиме рекуперативного торможения в зоне высоких скоростей движения электровоза путем изменения коэффициента трансформации трансформатора при регулировании тока рекуперации. Способ предлагается осуществлять за счет функционального регулятора, представляющего собой плату электроники, установленной в блоке управления выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза, обеспечивающим повышение напряжения до максимально допустимого уровня тяговых двигателей, работающих в режиме генератора. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности электровоза. 3 табл., 5 ил.
Изобретение применяется на железнодорожном транспорте и относится к способу, позволяющему повысить энергетические показатели электровозов однофазно-постоянного тока с выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) путем увеличения инвертирования тока в контактную сеть в режиме рекуперативного торможения.
Рекуперативное торможение является ресурсосберегающим режимом (инвертирование электрической энергии в контактную сеть) и применяется для поддержания или снижения скорости поезда.
ВИП предназначен для выпрямления однофазного переменного тока частотой 50 Гц в постоянный, плавного регулирования напряжения питания тяговых двигателей в режиме тяги и преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток частотой 50 Гц и плавного регулирования противо-ЭДС инвертора в режиме рекуперативного торможения [1]. На электровозе применяется несколько ВИП в зависимости от его серии.
На фиг.1 представлена упрощенная принципиальная схема электровоза в режиме рекуперативного торможения. Принципиальная схема содержит тяговый трансформатор Т, имеющий первичную обмотку (U1) и вторичную обмотку, выполненную в виде трех последовательно соединенных секций, две из которых на равное напряжение по 315 В (а1-1 и 1-2), а третья - на двойное напряжение 630 В (2-x1), и четыре параллельные ветви ВИП, параллельно включенные между шинами постоянного тока (фиг.1). Каждая ветвь ВИП содержит пару последовательно соединенных управляемых плеч тиристоров, а их средние точки подключены к соответствующим выводам вторичной обмотки трансформатора. Силовая часть ВИП состоит из восьми тиристорных плеч V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, приведенная на фиг.1. К плюсовой и минусовой шинам ВИП подключаются через сглаживающий реактор (1) параллельно соединенные тяговые двигатели электровоза, работающие в генераторном режиме, содержащие якорь (Г1, Г2, Гn) и обмотки возбуждения (OB1, ОВ2, ОВn), включенные независимо на выпрямительную установку возбуждения (ВУВ), фиг.1. В каждую цепь генератора включается блок балластных резисторов (ББР) Rб.
Известен способ рекуперативного торможения, применяемый на электровозах переменного тока, способ включает в себя четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения на генераторах, с целью регулирования скорости движения электровоза (тормозной силы) путем подачи импульсов управления (β - угол опережения открытия тиристоров, αр - угол регулирования по фазе) на определенные плечи ВИП блоком управления выпрямительно-инверторными преобразователями (БУВИП) или микропроцессорной системой управления движением и диагностики (МСУД), причем на четвертой зоне регулирования напряжения, угол αр ограничивается на уровне 3,5 зоны. Зонно-фазовое регулирование напряжения ВИП в режиме рекуперативного торможения представлено в таблице 1 [1].
Чтобы перейти из режима тяги в рекуперацию, необходимо перевести тяговые двигатели в генераторный режим работы. Для этого собирают схему независимого возбуждения двигателей. Обмотки возбуждения подключают к отдельной выпрямительной установке возбуждения. В режиме рекуперации ток Id протекает в цепи преобразователя за счет э.д.с. двигателя, работающего в генераторном режиме.
При рекуперации конфигурация схемы ВИП остается неизменной. Поэтому ток Id, протекающий в цепи двигателя, совпадает также с проводящим направлением вентилей ВИП. При этом направление генераторной э.д.с. электрической машины совпадает с протекающим через нее током Id,что является признаком источника электрической энергии.
Приемником энергии становится вторичная обмотка трансформатора. Для приемника энергии необходимо, чтобы напряжение и ток, протекающий через обмотку трансформатора, имели противоположные направления. Из этого следует, что тиристоры ВИП открываются в последовательности, обеспечивающие протекание тока через обмотки трансформатора при преимущественно отрицательном вторичном напряжении. При данных условиях обеспечивается передача электрической энергии от генераторов Г из цепи постоянного тока в сеть переменного тока контактной сети. В рекуперативном режиме ВИП работает как зависимый инвертор, такой процесс преобразования тока получил название инвертирования электрической энергии.
Для того чтобы поддержать заданную тормозную силу штурвалом машиниста регулируют противо-ЭДС ВИП в зоне низких и средних скоростей, а в зоне высоких скоростей регулируют тормозной рукояткой ток возбуждения посредством ВУВ.
В каждую цепь генератора включается блок балластных резисторов. ББР служат для выравнивания токов параллельно соединенных тяговых двигателей и обеспечивают устойчивую работу режима рекуперативного торможения, фиг.1 [1].
Известно, что чем выше зона регулирования напряжения ВИП, тем больше инвертирование электрической энергии в контактную сеть, вырабатываемой генераторами. Однако на всех отечественных современных электровозах однофазно-постоянного тока с целью исключения перенапряжения на генераторах, формируемое действием напряжения вторичной обмотки тягового трансформатора и ВИП ограничено 3,5 зонами, что составляет на выходе инвертора 1180 В. Дальнейшее увеличение напряжения на генераторах невозможно. С увеличением скорости движения тормозную силу регулируют, снижая ток возбуждения от 1000 А до минимального, напряжение при этом остается неизменным - 3,5 зоны (1180 В), хотя при снижении тока рекуперации, потери в блоках ББР тоже снижаются, а коэффициент трансформации трансформатора остается неизменным Кт - const. Для примера приведем расчет возврата тока i1 в контактную сеть при типовом способе управления в режиме рекуперативного торможения. Расчет ведется для номинального напряжения в контактной сети 25 кВ.
С включением в цепь якоря блока балластных резисторов определим падение напряжения на ББР при действии тока рекуперации по формуле
где Id - ток рекуперации ТЭД в режиме генератора;
RББР - активное сопротивление блока балластных резисторов (ББР-162).
Расчет падения напряжения производится для тока рекуперации Id=1000 А
Напряжение на выходе инвертора при токе 1000 А составит
где 
- напряжение на выходе инвертора.
Uи=1180-143=1037 В.
При этом коэффициент трансформации трансформатора будет равен
где U1 - напряжение первичной обмотки тягового трансформатора;
При дальнейшем снижении тока рекуперации Id коэффициент трансформации трансформатора Кт будет оставаться постоянным (const), фиг.2.
Тогда возврат тока в контактную сеть равен
При токе Id=900 А с Кт=const
Произведем аналогичный расчет для токов рекуперации Id при значении до 100 А и возврат тока в контактную сеть i1, результаты расчета сведем в таблицу 2.
По результатам расчета таблицы 2 произведено построение i1=f(Id) возврата электрической энергии в контактную сеть i1 в зависимости от регулирования тока рекуперации Id, при типовом способе регулирования Кт=const, фиг.3.
Недостатком типового способа рекуперативного торможения являются низкие энергетические показатели электровоза. Например, коэффициент мощности электровоза составляет не более 0,84 [1].
Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетических показателей электровоза в режиме рекуперативного торможения в зоне высоких скоростей движения электровоза путем изменения коэффициента трансформации трансформатора Кт (var - переменный) при регулировании тока рекуперации Id, фиг.2.
Предлагаемый способ заключается в том, чтобы при регулировании тока рекуперации Id, в зоне высоких скоростей движения электровоза дополнительно изменять и коэффициент трансформации трансформатора Кт=var, который влияет на возврат тока в контактную сеть, согласно формуле (4), с учетом уменьшения падения напряжения на ББР. Для примера приведем расчет возврата тока в контактную сеть при предлагаемом способе управления в режиме рекуперативного торможения.
Расчет падения напряжения производится для тока рекуперации 1000 А по формуле (1)
Напряжение инвертора при токе 1000 А определяется по формуле (2)
Uи=1180-143=1037 В.
Определим по формуле (3) коэффициент трансформации трансформатора
Определим по формуле (4) возврат тока в контактную сеть
При снижении тока рекуперации Id уменьшается и падение напряжения на ББР, а следовательно, можно осуществить при этом уменьшение коэффициента трансформации трансформатора.
Так, при токе Id=900 А
С учетом снижения тока падение напряжения снизилось, вместо 
стало 
. В результате напряжение на выходе инвертора может составлять
Uи=1180-128,7=1051,3 В.
Тогда коэффициент трансформации трансформатора составит
Возврат тока в контактную сеть увеличится
Чем меньше ток рекуперации, тем больше эффективность инвертирования электрической энергии в контактную сеть.
Произведем аналогичный расчет для токов рекуперации Id при значении до 100 А и возврат тока в контактную сеть i1, результаты расчета сведем в таблицу 3.
По результатам расчета таблицы 3 произведено построение функции i1=f(Id) возврата электрической энергии в контактную сеть i1 в зависимости от регулирования тока рекуперации Id, при предлагаемом способе регулирования Кт=var, фиг.3.
На основании расчета таблиц 2 и 3 произведено построение экономической эффективности (%) возврата электрической энергии i1 (А) в контактную сеть при предлагаемом способе управления, фиг.4. Согласно расчетам (таблицы 2 и 3) получено, что в среднем при регулировании тока рекуперации от 1000 А до 200 А в зоне высоких скоростей движения электровоза экономия составила в среднем 6,34%, фиг.4.
Повышение напряжения до максимально допустимого уровня тяговых двигателей, работающих в режиме генератора, предлагается осуществлять за счет функционального регулятора, представляющего собой плату электроники 2, установленную в БУВИП электровоза, фиг.5.
| Таблица 2 | |||||||||
| Ток рекуперации Id, А | |||||||||
| 1000 | 900 | 800 | 700 | 600 | 500 | 400 | 300 | 200 | 100 |
| При Кт=const, Кт=24,108 | |||||||||
| Возврат тока в контактную сеть i1, А | |||||||||
| 41,48 | 37,33 | 33,18 | 29,04 | 24,88 | 20,74 | 16,59 | 12,44 | 8,3 | 4,15 |
| Таблица 3 | |||||||||
| Ток рекуперации Id, А | |||||||||
| 1000 | 900 | 800 | 700 | 600 | 500 | 400 | 300 | 200 | 100 |
| При Кт=var | |||||||||
| 24,108 | 23,78 | 23,46 | 23,15 | 22,85 | 22,55 | 22,27 | 21,99 | 21,71 | 21,45 |
| Возврат тока в контактную сеть i1, А | |||||||||
| 41,48 | 37,85 | 34,1 | 30,2 | 26,26 | 22,17 | 17,96 | 13,94 | 9,21 | 4,66 |
Литература
1. Электровоз ВЛ85. Руководство по эксплуатации [текст] / Б.А.Тушканов, Н.Г.Пушкарев, Л.А.Позднякова и др. - М.: Транспорт, 1995. - 480 с: ил., табл.
Способ повышения энергетических показателей электровозов однофазно-постоянного тока в режиме рекуперативного торможения, включающий в себя подачу импульсов управления на плечи инвертора блоком управления выпрямительно-инверторным преобразователем или микропроцессорной системой управления движением и диагностики, причем в зоне высоких скоростей движения на четвертой зоне регулирования напряжения на генераторах, угол регулирования αp ограничивается на уровне 3,5 зоны, что определяет постоянный коэффициент трансформации трансформатора, отличающийся тем, что в зоне высоких скоростей движения электровоза производят изменение коэффициента трансформации трансформатора при регулировании тока рекуперации путем повышения напряжения до максимально допустимого уровня тяговых двигателей, работающих в режиме генератора с учетом уменьшения падения напряжения на блоках балластных резисторов посредством функционального регулятора, представляющего собой плату электроники, установленную в блок управления.
