СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕЖИМА РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2009 года по МПК B60L7/12 

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) R_б.

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, α_р - 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 α_р 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 I_d протекает в цепи преобразователя за счет э.д.с. двигателя, работающего в генераторном режиме.

При рекуперации конфигурация схемы ВИП остается неизменной. Поэтому ток I_d, 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 I_d,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 К_т - 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 I_d - ток рекуперации ТЭД в режиме генератора;

R_ББР - активное сопротивление блока балластных резисторов (ББР-162).

Расчет падения напряжения производится для тока рекуперации I_d=1000 А

Напряжение на выходе инвертора при токе 1000 А составит

где - напряжение на выходе инвертора.

U_и=1180-143=1037 В.

При этом коэффициент трансформации трансформатора будет равен

где U₁ - напряжение первичной обмотки тягового трансформатора;

При дальнейшем снижении тока рекуперации I_d коэффициент трансформации трансформатора К_т будет оставаться постоянным (const), фиг.2.

Тогда возврат тока в контактную сеть равен

При токе I_d=900 А с К_т=const

Произведем аналогичный расчет для токов рекуперации I_d 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(I_d) возврата электрической энергии в контактную сеть i₁ в зависимости от регулирования тока рекуперации I_d, при типовом способе регулирования К_т=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 К_т (var - переменный) при регулировании тока рекуперации I_d, фиг.2.

Предлагаемый способ заключается в том, чтобы при регулировании тока рекуперации I_d, в зоне высоких скоростей движения электровоза дополнительно изменять и коэффициент трансформации трансформатора К_т=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)

U_и=1180-143=1037 В.

Определим по формуле (3) коэффициент трансформации трансформатора

Определим по формуле (4) возврат тока в контактную сеть

При снижении тока рекуперации I_d уменьшается и падение напряжения на ББР, а следовательно, можно осуществить при этом уменьшение коэффициента трансформации трансформатора.

Так, при токе I_d=900 А

С учетом снижения тока падение напряжения снизилось, вместо стало . В результате напряжение на выходе инвертора может составлять

U_и=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 I_d 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(I_d) возврата электрической энергии в контактную сеть i₁ в зависимости от регулирования тока рекуперации I_d, при предлагаемом способе регулирования К_т=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 I_d, А 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 При К_т=const, К_т=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 I_d, А 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 При К_т=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.

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.

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 α_p 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.