Дослідження шляхів покращення енергетичної ефективності електрорухомого складу постійного струму

1.

Український державний університет залізничного транспорту
Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки
Роботу виконав студент
Калій Володимир Володимирович
ДОСЛІДЖЕННЯ ШЛЯХІВ ПОКРАЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ
ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Спеціальність 273 – Залізничний транспорт
Дипломний проект на здобуття освітньо-кваліфікаційного рівня
магістр
Науковий керівник:
Плахтій Олександр Андрійович
Кандидат технічних наук
2021
1

2.

Український державний університет залізничного транспорту
Механіко-енергетичний факультет
Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки
ІЛЮСТРАЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ
до кваліфікаційної роботи
ДОСЛІДЖЕННЯ ШЛЯХІВ МОДЕРНІЗАЦІЇ ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ
ЗАЛІЗНИЦЬ УКРАЇНИ
Розробив студент групи 213-ЛЛГ-Д20
спеціальності 273 «Залізничний транспорт»
Виконав
Керівник проекту:
Нормоконтроль:
Завідувач кафедри:
_____________ В.В. Калій
______________ О.А. Плахтій
______________ В.П. Нерубацький
______________ М.М. Бабаєв
2021
2

3.

Слайд 2 – Актуальність теми
На сьогоднішній день в Україні гостро стоїть питання зростання вартості електроенергії.
Укрзалізниця є потужним споживачем електроенергії у масштабах цілої держави. У той же час
близько
75%
електроенергії,
спожитої
Укрзалізницею,
витрачається
на
тягові
потреби
електрорухомого складу.
Одним із провідних шляхів покращення енергоефективності систем тягового електроспоживання
є ефективне використання електричної енергії в режимі тяги електричного рухомого складу. Проте на
значній частині електрорухомого складу постійного струму України використовуються морально
застарілі системи керування тяговими двигунами, а саме реостатно-контакторна система керування.
До останнього часу, основною проблемою, що заважала широкому застосуванню асинхронного
тягового привода на локомотивах, була відсутність надійної системи живлення і керування тяговими
асинхронними двигунами. Це пов’язано з тим, що елементна база напівпровідникових ключів була не
досить розвинута для застосування її у тягових інверторах. Але у наш час елементна база силових
транзисторів вже досить розвинута для створення надійних та відносно недорогих тягових
автономних інверторів напруги, що живлять тягові двигуни.
У зв'язку з вищесказаним, актуальною задачею є дослідження та розробка новітніх
енергоефективних систем керування тяговим асинхронним електроприводом.
3

4.

Слайд 3 – Параметри електровозу постійного струму 2ЕС-10
Найменування
Значення
Номінальна напруга контактної мережі (постійна), кВ
3,0
Конструкційна швидкість, не меньш, км/ч
120
Максимальна швидкість при експлуатации, не менее, км/ч
120
Колія, мм
1520
Осьова формула
2(20-20)
Маса службова с 0,7 запасу песку, т
200±2
Статичне навантаження від осі колісної пари на рейки, не більш, кН
249±4,9
Номінальный діаметр нового колеса по кругу катання, мм
1250
Висота осі автосцепки от головки рейки, мм
до 1080
Максимальна потужність на ободі колеса в режимі тяги при напрузі 3,3 кВ контактній 8800
мережі, кВт, не меньш
Потужність довготривалого режиму тяги на ободі колеса при напрузі 3 кВ контактній 7600
мережі, кВт, не меньш
Зовнішній вигляд електровоза 2ЕС10
Сила тяги довготривалого режиму, кН, не меньш
480
Швидкість довготривалого режиму, км/ч, не больш
57
Максимальна сила тяги на ободі колеса при зрушування, кН, не меньш
752
Максимальна сила тяги на ободі колеса при швидкості 120 км/ч, кН, не менш
216
Максимальна гальмівна сила на ободі колеса при рекуперативному та реостатному 500
гальмуванні одиночного локомотива, а також двух електровозів з’эднаниъ по системі
багатьох одиниць, кН, не больш
Коефіцієнт корисної дії в довготривалому режимі (напруга конактної мережі 3 кВ) без 87,5
Габаритні розміри електровоза 2ЕС-10
врахування допоміжних машин, % не меньше
4

5.

Слайд 4 – Креслення компановки обладнання електровозу
5

6.

Слайд 5 - Аналіз базового тягового електроприводу
Недоліками реостатно-контакторної системи керування є нераціональна витрата
електроенергії, яка йде на нагрів пускогальмівних реостатів без здійснення корисної
роботи.
Недоліком двигуна постійного струму є: висока собівартість; необхідність
профілактичного обслуговування колекторно-щіткових вузлів; низькі показники
надійності через зношення колектора.
Обґрунтування доцільності модернізації
Впровадження асинхронних тягових двигунів на магістральних електровозах
дозволить:
- підвищити надійність електровоза за рахунок використання простішого по
конструкції асинхронного двигуна;
- знизити працеємність обслуговування та збільшити міжремонтні пробіги;
У якості джерела живлення ТАД виступає автономний інвертор напруги, який має
значно вищий ККД у порівнянні з РКСК.
Перелічені переваги не залишають сумнівів в доцільності широкого упровадження
системи АІН-АД електричній тязі.
6

7.

Слайд 5 - Структура системи АІН-АД
Сучасний електрорухомий склад (ЕРС) є досить складною електромеханічної системою. Це
пов'язано з тим, що все більша частина ЕРС переходить з реостатно-контактних систем керування
з колекторними двигунами постійного струму на асинхронний електропривод з автономними
інверторами напруги. Ускладнення системи тягового електроприводу в свою чергу загострює
питання електромагнітної сумісності тягових перетворювачів ЕРС з мережею живлення.
АІН1
QF
VD1
Rt1
М1
Cf1
М2
C1
АІН2
VD2
Rt2
М3
Cf2
М4
7

8.

Слайд 6 - Аналіз дво- та трирівневого інвертора напруги
Дворівневий АІН
Трирівневий АІН
ККД та синусоїдальність вихідного струму АІН в значній мірі залежать від
обраного алгоритму модуляції в системі керування. Проведено аналіз режимів
однократної модуляції, односторонньої та двосторонньої ШІМ.
8

9.

Слайд 8 – Matlab модель системи АІН-АД
9

10.

Слайд 9 – Результати моделювання тягового
інвертору в режимі одноразової модуляції
а - форма вихідної фазної напруги інвертора;
б - форма вихідного фазного струму інвертора
в - форма вхідного струму інвертора

11.

Слайд 10 – Результати гармонійного аналізу
Фур'є-аналіз вхідного струму АІН
Фур'є-аналіз фазного вихідного струму АІН
Таким чином, можна зробити висновок, що актуальною проблемою асинхронного тягового
електроприводу є значна емісія вищих гармонік спожитих струмів до тягової контактної мережі.
11
11

12.

Слайд 11 - Результати розрахунку втрат в IGBT
транзисторів CM750HG-130R
Параметр IGBT ключа
Значення
Номінальна напруга, кВ
IGBT транзистор CM750HG-130R
Рвих Рвх Рст ат Рдин Ракт
Рвх
Рвх
4,2
Номінальний струм, що комутується, А
1200
Значення максимального імпульсного струму ключа, А
2100
Час наростання струму, мкс
0,2
Час зниження струму, мкс
0,42
99
98,5
98
97,5
97
Однократна модуляція
Одностороння
модуляція 1кГц
Одностороння
модуляція 2кГц
Двухстороння
модуляція 1кГц
Двухстороння
модуляція 2кГц
12

13.

13
Слайд 12 – Результати моделювання та розрахунків
Показник
Коефіцієнт гармонійних спотворень
вихідного струму АІН
Амплітуда першої гармоніки вихідного
струму АІН
Коефіцієнт пульсації вхідного струму АІН
Однократна
модуляція
19,84
1 сторШІМ
1кГц
17,2
2 сторШІМ
1кГц
14,69
1 сторШІМ
2кГц
7,67
2 сторШІМ
2кГц
7,6
942,6
677,9
680,3
678,8
683,4
17,48
21,4
68,86
66,72
66,65
5,33
10,84
25,75
21,37
20,12
0,3
98,9
0,52
98,7
0,53
98,5
0,63
97,9
0,66
97,8
без компенсації
Коефіцієнт пульсації вхідного струму АІН
в режимі компенсації
Втрати в IGBT, кВт
ККД інвертора, %

14.

Слайд 13 – Висновки до аналізу систем керування АІН
При дослідженні розглянутих дво- та трирівневих АІН з різними системами
керування було зроблено наступні висновки:
1) двостороння ШІМ у порівнянні з односторонньою ШІМ забезпечує
покращені показники якості вихідного та вхідного струму;
2) алгоритми компенсації вищих гармонік вхідного струму ЕРС в значній
мірі знижують коефіцієнт пульсації вихідного струму дво- та трирівневих
АІН в режимах однократної модуляції та ШІМ;
3) в режимі однократної модуляції дво- та трирівневі АІН дають найбільшу
амплітуду першої гармоніки вихідного струму, що зумовлює можливість АІН
передавати найбільшу кількість потужності.
4) що найкращі показники мають структури тягових електроприводів
інверторами АІН в режимі однократної модуляції в режимі в режимі
компенсації вищих гармонік вхідного струму.
14

15.

Дякую за увагу!
15