Железнодорожный транспорт был и остается главной связующей основой экономики России. Железные дороги являются одним из основных звеньев технологического процесса, обеспечивающего устойчивое функционирование народного хозяйства и жизнеобеспечения населения. Ими выполняется около 55% общего грузооборота и 33% пассажирских перевозок в стране. Протяженность магистральных железных дорог, проходящих по территории России, составляет порядка 87,5 тыс.км. Из них электрифицировано около 40%. Свыше половй-ны всех электрифицированных участков (20,6 тыс.км.) приходится на долю системы переменного тока. В структуре электропотребления железных дорог основную часть — 77,7% составляет расход на тягу поездов. В условиях снижения объема грузои пассажироперевозок, роста цен на энергоносители и возросшей конкуренции со стороны других видов транспорта Министерство путей сообщения в качестве приоритетной поставило задачу снижения эксплуатационных расходов.
Один из основных путей решения поставленной задачи — экономия топливно-энергетических ресурсов путем повышения энергетических показателей эксплуатирующегося подвижного состава за счет их модернизации. В то же время перспективный электроподвижной состав должен отвечать современным требованиям не только по тяговым, но и по энергетическим характеристикам.
В настоящее время почти половину эксплуатируемых магистральных электровозов составляют электровозы переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями. При этом только 13% приходится на долю тиристорных электровозов с зонно-фазовым регулированием, таких, как грузовые ВЛ80Р и ВЛ85 и пассажирские ВЛ65. Эти электровозы имеют ряд преимуществ перед диодными электровозами (ВЛ60К, ВЛ80С и др.). Важнейшими из них являются: плавное регулирование выпрямленного напряжения и возможность возврата электроэнергии в систему электроснабжения при рекуперативном торможении [1, 2, 3]. Однако, существенным недостатком любого электровоза с коллекторными тяговыми двигателями являются большие габариты последних. К настоящему моменту все возможности повышения мощности электровозов переменного тока за счет применения более мощных двигателей исчерпаны. В утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации федеральной целевой программе [4] приоритет отдан электроподвижному составу (ЭПС) с тяговым приводом переменного тока и бесколлекторными тяговыми двигателями. Подобная ситуация складывается и с электропоездами. Уже построен и проходит наладочные испытания скоростной пассажирский электровоз ЭП200 с вентильными тяговыми двигателями, изготавливается опытный образец электропоезда ЭНЗ с асинхронными тяговыми двигателями.
Основными: энергетическими показателями электроподвижного состава переменного тока являются коэффициент полезного действия и коэффициент мощности на токоприемнике. По этим показателям диодные электровозы опережают тиристорные. Последние имеют пониженный коэффициент полезного действия за счет дополнительных потерь в преобразователе и повышенной пульсации выпрямленного тока. Помимо того, реализованный способ регулирования выпрямленного напряжения путем изменения угла открытия (регулирования) тиристоров может приводить к повышенному потреблению реактивной мощности и искажениям питающего напряжения. В наибольшей степени это проявляется при больших углах регулирования. Следствиями указанных недостатков являются повышенный удельный расход электрической энергии, дополнительная загрузка элементов тяговой сети и электровоза реактивными токами [5, 6, 7].
Для повышения энергетических показателей тиристорного ЭПС переменного тока применяются различные методы [8, 9]. Болыпинство из них направлено на повышение коэффициента полезного действия электровоза и сводятся в основном к повышению коэффициента полезного действия отдельных элементов силового электрооборудования и к снижению расхода энергии на собственные нужды путем регулирования скорости вращения мотор-вентиляторов. Коэффициент мощности в основном зависит от выбранного тягового привода и, в меньшей степени, от параметров тягового трансформатора. В настоящее время известен преобразователь, обеспечивающий коэффициент мощности, практически равный 1 во всех режимах работы — это четырехквадрантные преобразователи в сочетании с инверторами напряжения и асинхронными тяговыми двигателями. Электровозы с таким тяговым приводом производятся только за рубежом (Германия, Швейцария и др). Другой путь повышения коэффициента мощности электроподвижного состава переменного тока — применение емкостных компенсаторов на входе силовых преобразователей.
В настоящее время необходимый уровень коэффициента мощности системы электрической тяги переменного тока достигается применением стационарных устройств компенсации реактивной мощности (КРМ) [10, 11]. Указанные устройства располагаются, как правило, на тяговых подстанциях. Хотя этот способ достаточно надежен и экономически оправдывает себя, целесообразнее повышать коэффициент мощности самого ЭПС. Коэффициент мощности на токоприемнике является одной из основных энергетических характеристик ЭПС переменного тока и представляет собой отношение активной и полной потребляемой мощности. Такое решение будет эффективнее стационарных КРМ, если модернизированные преобразователи ЭПС будут проще и дешевле применяемых теперь и не вызовут затруднений в их размещении на ЭПС по массогабаритным показателям.
Работы по улучшению энергетических характеристик ЭПС переменного тока проводятся во ВНИИЖТе, ВЭлНИИ, МГУПСе, МЭИ и других научно-исследовательских организациях, а также за рубежом (Япония, Франция). Вопросами повышения коэффициента мощности ЭПС переменного тока и системы электрической тяги в целом в разное время занимались доктора технических наук А. В. Каменев, В. А. Кучумов, Р. Р. Мамошин, Б. А. Метелкин, Б. Н. Тихменев, В. Д. Тулупов, кандидаты технических наук Б. М. Бородулин, Л. А. Герман, А. Л. Лозановский, И. В. Павлов, Н. Н. Широченко.
Известны несколько путей решения этой проблемы: система им-пульсно-фазового регулирования РИФ, секторное регулирование напряжения тиристорных преобразователей, применение емкостных КРМ на входе преобразователей ЭПС [12].
Система РИФ была создана в СССР в начале 80-х годов. Принципиальная особенность ее заключается в использовании колебательного процесса в контуре, состоящем из индуктивности цепи переменного тока и емкости входного фильтра [13]. Указанная система была реализована на электровозе ВЛ80Р и электропоезде ЭР29. Однако при испытаниях наблюдалась неустойчивая работа преобразователей РИФ, в связи с чем нормальная работа оказалась невозможна и исследования системы РИФ были прекращены.
Секторное или зонное регулирование напряжения тиристорных преобразователей является действенным методом повышения коэффициента мощности ЭПС [8, 9]. Оно заключается в применении вместо одного выпрямительного моста двух или более с соответствующим секционированием вторичной обмотки тягового трансформатора. Угол отпирания тиристоров регулируется в заданных пределах при работе на каждой зоне регулирования. При включении в работу очередной зоны, предыдущая начинает работать в режиме неуправляемого моста, т. е. импульс управления приходит на тиристоры в момент появления на них потенциальных условий. Чем больше зон регулирования, тем выше уровень значений коэффициента мощности во всем диапазоне регулирования. В настоящее время все тиристорные электровозы переменного тока, эксплуатирующиеся на железных дорогах России (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65) выполнены с зонно-фазовым регулированием. Они имеют четыре зоны регулирования. Выпрямитель-но-инверторные преобразователи этих электровозов включают в себя три параллельно соединенных моста. Недостатком такой системы регулирования является существенно большее количество тиристоров и сопутствующего оборудования. Это приводит к значительному увеличению массогабаритных показателей и стоимости ВИП и электровоза в целом. Существует еще одна особенность зонно-фазового регулирования: значение коэффициента мощности на конце последней зоны регулирования, т. е. при минимальном угле регулирования, практически не зависит от числа зон регулирования. По принятой в настоящее время методике, в технических условиях на электровоз нормируется именно этот показатель при номинальном токе электровоза, и применение зонно-фазового регулирования не позволяет его повысить.
Последний из указанных способов — подключение емкостных КРМ на вход преобразователей ЭПС — применен на ряде электровозов и электропоездов за рубежом — во Франции, Японии [14, 15]. На первый взгляд он представляет собой перенос стационарных КРМ на борт ЭПС, и поэтому должен уступать в экономичности. Причина этого в том, что не весь ЭПС в данный момент времени используется на линии — часть его находится в ремонте, отстое, резерве, и общая установленная мощность компенсирующих устройств в случае размещения их на борту должна быть больше, нежели при стационарном размещении. Однако, применение бортовых КРМ позволяет упростить преобразователи ЭПС и снизить установленную мощность стационарных компенсирующих установок [16,17]. Емкостные устройства КРМ в виде ХС-цепей, подключенных ко вторичной обмотке тягоу вого трансформатора (т.е. на вход преобразователя), могут быть выполнены в однозвенном и двухзвенном варианте.
К настоящему моменту КРМ были установлены на двух отечественных электровозах BJI85−023 и ВЛ85−155. Первый был оборудован в 1987 г. силами ВНИИЖТ при участии ВЭлНИИ. КРМ каждого вы-прямительно-инверторного преобразователя включал в себя четыре параллельно соединенных конденсатора и дроссель, подключенные на ¾ вторичной обмотки тягового трансформатора. Испытания показали, что КРМ является эффективным средством повышения коэффициента мощности электровозов переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения. На основании благоприятных результатов испытаний макетных образцов компенсированных преобразователей на электровозе ВЛ85−023, в 1990 г. был спроектирован и построен НЭВЗом электровоз ВЛ85−155 с КРМ. Схема КРМ, алгоритмы работы и принципы управления нового электровоза были аналогичны предшествующему. Изменения затронули параметры, систему управления, места подключения КРМ к обмоткам тягового трансформатора, конструкцию, компоновку и расположение элементов КРМ на электровозе. Было принято решение подключить компенсатор на полное напряжение вторичной обмотки тягового трансформатора. При использовании того же, что и на электровозе ВЛ85−023, типа конденсаторов их необходимо было соединять по два последовательно. Компенсатор с четырьмя (два последовательно, два параллельно соединенными) конденсаторами оказался малоэффективен, потому что конденсаторы были недогружены по напряжению, т. е. использовались не на полную мощность. Число банок конденсаторов было увеличено до шести (три параллельных цепи по два конденсатора в каждой). По результатам испытаний этого электровоза было проведено сравнение энергетических показателей двух электровозов с КРМ. Энергетические показатели электровоза ВЛ85−155 оказались ниже, чем на электровозе ВЛ85−023, несмотря на большую установленную.
Уо мощность конденсаторов (750 кВАр на один ВИП на электровозе ВЛ85−155 против 500 кВАр на электровозе ВЛ85−023). Это можно объяснить недоиспользованием конденсаторов по мощности вследствие уменьшенного напряжения на них. Коэффициент мощности электровоза ВЛ85−155 в часовом и длительном режимах тяги практически не превышал значения 0,9 и имел существенно заниженные значения в началах зон регулирования.
Актуальность проблемы повышения коэффициента мощности возросла с утверждением Прейскуранта 09−01 «Тарифы на электрическую и тепловую энергию», введенного в действие с 01.01.1991 г. [18]. Прейскурантом установлена оплата потребляемой реактивной энергии, причем существенно большая при превышении определенной нормы[19]. В настоящее время применение бортовых устройств КРМ заложено в технические задания на новые пассажирские электровозы и электропоезда (например, ЭП200 с вентильными тяговыми двигателями, ЭП1 с коллекторными тяговыми двигателями, электропоезд ЭНЗс асинхронными тяговыми двигателями). Перечисленный ЭПС имеет различный тип тягового привода. Однако в его составе везде присутствует выпрямительно-инверторный преобразователь, который регулируется посредством изменения угла отпирания тиристоров. На ЭП200 и ЭНЗ эти преобразователи выполнены двухзонными. Обеспечение требуемого уровня коэффициента мощности на токоприемнике ЭПС в указанных случаях возможно только при использовании бортовых КРМ.
Целью работы является комплексное теоретическое и экспериментальное исследование путей повышения эффективности работы различных вариантов бортовых устройств КРМ ЭПС переменного тока. Рассмотрена теория работы однозвенного и двухзвенного компенсаторов. Разработана методика определения оптимальных параметров КРМ для любого типа ЭПС переменного тока с тиристорными преобразователями и зонно-фазовым регулированием.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫВОДЫ.
1. Проведенные теоретические исследования процессов в системе электрической тяги переменного тока при подключении различных типов компенсаторов реактивной мощности (однозвенного и двухзвенного) позволили создать методику определения параметров КРМ и сравнить эффективность их применения. Исследования выполнены в общем виде и в результате получены расчетные формулы для определения параметров двухзвенного и однозвенного компенсаторов.
2. Установлено, что оптимальной является та емкость конденсатора, при которой реактивная мощность этого конденсатора используется наиболее полно во всем диапазоне нагрузки ЭПС и при различном удалении от тяговой подстанции.
3. Установлены расчетные режимы для выбора реактивной мощности конденсаторов КРМ: при однозвенном компенсаторе расчетным может быть либо режим холостого хода ЭПС, либо режим номинальной нагрузки электровоза при работе выпрямителя с минимальным углом открытия тиристоров. В обоих случаях предполагается размещение электровоза на наибольшем удалении от тяговой подстанции.
• при двухзвенном компенсаторе расчетным является режим номинальной нагрузки электровоза при работе выпрямителя с минимальным углом открытия тиристоров при размещении электровоза вблизи тяговой подстанции.
3. Эксперименты на опытном электропоезде с асинхронными тяговыми двигателями проведены при однозвенном КРМ с емкостью 370 и 740 мкФ и индуктивным сопротивлением тяговой сети от 4,5 до 16,5 Ом. Применение компенсатора позволило повысить коэффициент мощности на токоприемнике электропоезда в режиме тяги при номинальном токе до 0,88, что соответствует техническим условиям (коэффициент мощности без КРМ в том же режиме составил 0,81).
4. Результаты испытаний были использованы при разработке технических требований к пассажирскому электровозу ЭП200 и электропоезду ЭНЗ. Опытный образец указанного электровоза изготовлен и проходит наладочные испытания. Электропоезд ЭНЗ в настоящее время изготавливается на НЭВЗе.
5. Повышение эффективности двухзвенного КРМ в сравнении с однозвенным сильнее всего проявляется при работе электровоза вдали от тяговой подстанции. Увеличение коэффициента мощности при однозвенном компенсаторе от 8 до 17%, при двухзвенным с той же суммарной емкостью — от 15 до 20%.
6. Применение бортовых КРМ снижает уровень гармоник в тяговой сети и. повышает соъ (р. При этом снижаются потери и одновременно улучшается работа релейной защиты, облегчается ее настройка.
7. Принудительное воздушное охлаждение является эффективным средством снижения температуры корпуса и пакета конденсаторов, допускающим по условиям нагрева повышение приложенного к ним напряжения с соответствующим увеличением используемой мощности. Применение конденсаторов в КРМ на электровозах переменного тока без принудительного охлаждения потребует снижения напряжения на них существенно ниже номинального. Для обеспечения требуемой реактивной мощности необходимо будет увеличить вес и объем батареи КРМ.
Sf.
