Саблін Олег Ігорович. Підвищення ефективності електроспоживання електрорухомого складу постійного струму

brief description

Саблін Олег Ігорович. Підвищення ефективності електроспоживання електрорухомого складу постійного струму : Дис... канд. наук: 05.22.09 2009

Саблін О.І. Підвищення ефективності електроспоживання електрорухомого складу постійного струму. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 електротранспорт. Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ, 2009.
Дисертація присвячена підвищенню ефективності електроспоживання електрорухомого складу системи тяги постійного струму за рахунок зниження непродуктивних втрат електроенергії, визначених на основі досліджень балансу реальних електроенергетичних процесів, що протікають у силових тягових колах.
Досліджено імовірнісно-статистичні характеристики та спектральний склад напруги на струмоприймачі і тягового струму різних видів ЕРС постійного струму. Встановлено, що у випадкових процесах зміни напруги і тягового струму ЕРС містяться низькочастотні періодичні коливання (інтергармоніки).
Викладено теоретичні передумови та адаптовано до систем ЕРС постійного струму методи визначення складових повної потужності та коефіцієнта потужності, а також виконано їх чисельні розрахунки і прогнозування для електровозів та трамваїв. Встановлено, що коефіцієнт потужності ЕРС постійного струму менше одиниці.
Виконано чисельні розрахунки непродуктивних втрат електроенергії у силовому колі ЕРС та його коефіцієнта корисної дії (к.к.д.). Встановлено, що на значення к.к.д. впливає спотворення та низькочастотні періодичні коливання тягового струму. Запропоновано ряд заходів для покращення форми тягового струму ЕРС та зменшення непродуктивних втрат у його силовому колі, що і призводить до підвищення ефективності електроспоживання ЕРС постійного струму.

У дисертаційній роботі на основі теоретичних і експериментальних досліджень реальних електроенергетичних процесів, що протікають у силових тягових колах електрорухомого складу електричної тяги постійного струму, вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності використання і якості електричної енергії на електрифікованих ділянках магістрального залізничного і міського електротранспорту. Отримані результати в сукупності мають суттєве значення в області електричного транспорту і його електропостачання. Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертації полягають у наступному.

З загального обсягу споживаної електрифікованим залізничним транспортом електроенергії основна її частина, 80...84 %, використовується безпосередньо на електротягу поїздів, що вимагає, заради розв’язання задач енергозбереження, розробки і впровадження нових електросберігаючих технологій, які базуються на аналізі реальних електроенергетичних процесів, що протікають у системі тяги. У тож же час існуючі методи і критерії оцінки енергетичних показників електрорухомого складу постійного струму ґрунтуються, по-перше, на визначенні їх лише для усталеного режиму, по-друге, при цьому не враховуються стохастичні зміни напруги на струмоприймачі і тягового струму ЕРС, по-третє, не розглядаються питання непродуктивних втрат електроенергії і, нарешті, вважається, що ЕРС постійного струму не споживає неактивної потужності.
Напруга на струмоприймачіі тяговий струмЕРС постійного струму є стаціонарними неергодичними випадковими процесами з одномірним у перетині їхніх реалізацій розподілом за законом Гауса з функцією математичного сподівання для напругиВ і дисперсієюВ2. Випадкові коливання напруги знаходяться в межах 2230...3990 В при номінальному 3000 В для електровозів і 500...980 В при номінальному 550 В для трамваїв. Тяговий струм змінюється в діапазоні від нуля до 2500 А у електровозів і до 1050 А (на 2 вагони) у трамваїв; при цьому фактичні значення споживаних струмів зміщені в область їхніх малих значень, тобто, має місце недовикористання одиниць ЕРС за потужністю.
Спектральний аналіз випадкових процесів напруги на струмоприймачіі тягового струмунеможливий класичним методом Фур’є; для цієї мети необхідне використання запропонованих у даній дисертації методів, що базуються на прямому дискретному перетворенні Фур’є власне реалізаційіабо їх кореляційних функцій.
Амплітудні спектри процесів напругиі струмумають імовірнісний характер з розподілом за логарифмічно-нормальним законом, містять низькочастотні періодичні складові (інтергармоніки) у діапазоні частот 0,001...1,5 Гц при визначені їх по повній тривалості реалізацій,і в діапазоні 0,1...10 Гц при визначенні на ділянках, що відповідають тільки перехідним режимам роботи ЕРС. При цьому тяговий струм трамваїв містить інтергармоніки більш високих частот (чим електровозів) унаслідок більшої нестаціонарності зміни. Енергія інтергармонік зміннихіскладає до 15 % всієї енергії зазначених випадкових процесів для електровозів і до 25 % для трамваїв.
Електрорухомий склад постійного струму є потужним споживачем неактивної потужності, величина якої на досліджуваних ділянках Придніпровської залізниці у відсотках від повної потужності для електровозів ДЕ1 склала до 50 %. Ця потужність обумовлена двома складовими: потужністю накопичення в індуктивних елементах силового кола ЕРС і потужністю спотворення, викликаної спотвореннями напруги на струмоприймачі і тягового струму.
Визначення енергетичних показників ЕРС коефіцієнта потужності, втрат потужності, к.к.д. й тим самим оцінку ефективності електроспоживання ЕРС з урахуванням випадкового характеру зміни напруги на струмоприймачіі тягового струмунеобхідно здійснювати адаптованим у дисертації методом дискретного перетворення Фур’є процесіві.
З метою найбільш точної оцінки енергетичних процесів, що протікають у тягових колах ЕРС, варто розрізняти і тим самим визначати інтегральну(середню за поїздку) і миттєву(у будь-який момент часу електроспоживання) величини коефіцієнта потужності ЕРС. Фактичні значення обох величинелектрорухомого складу постійного струму помітно нижче 1 (одиниці). Зокрема , інтегральна величинаскладає: 0,75...0,87 у електровозів ДЕ1; 0,65...0,78 електровозів ВЛ8; 0,63...0,76 трамваїв. Миттєві значенняв трамваїв змінюються в діапазоні 0,5...0,98.
Різкозмінний характер напруги на струмоприймачі і тягового струму збільшує на (17...19) % середнє значення, при середньоквадратичному відхиленні (58...62) %, динамічної похибки лічильника електроенергії електродинамічної системи типу Д621, застосовуваного на електровозах постійного струму ЧС7, унаслідок чого його фактичні показання малодостовірні.

Стохастичний характер тягового навантаження, внаслідок безупинного регулювання в широкому діапазоні потужності ЕРС, викликає зниження його к.к.д. до значень ~ 0,737, що істотно нижче паспортних величин, приведених для усталеного режиму роботи.
У процесі експлуатації (руху) при зміні режиму роботи змінюється також і к.к.д. ЕРС, тому для більш точної оцінки енергоефективності електроспоживання ЕРС необхідно розглядати к.к.д. як миттєву функцію. Миттєві значення к.к.д. ЕРС протягом поїздки змінюються в широкому діапазоні: 0,21...0,88. Низькі значення к.к.д. ЕРС у процесі роботи обумовлені реостатними пусками, буксуванням колісних пар при разгонах ЕРС, їхнім проковзуванням при русі, усіма видами основних і додаткових втрат електроенергії в ТЕД.
Загальні електричні втрати енергіїв активних опорах обмоток тягових двигунів електровозів складають у середньому 6,1...7,2 % від витраченої двигунами енергії на тягу, у яких частку 26,86...34,28 % займають непродуктивні втрати. Останні втрати є сумою двох складових: втрат від неактивної складової тягового струму, обумовленої спотворенням форми споживаного струмувідносно форми прикладеної напруги(складають 12...14 % від), і втрат від періодичних низькочастотних технологічних коливань (інтергармонік) споживаного струму (складають 10...22 % від). У тягових двигунах трамваїв загальні електричні втратидосягають 6,7...8,1 %, а в них близько 43 % складають непродуктивні втрати: 16 % від загальних втрат електричні втрати від неактивного струму і ~ 27 % втрати від інтергармонік.
Підвищення ефективності електроспоживання ЕРС в експлуатації можливо на підставі наступних заходів: розробка оптимальних за критерієм втрат потужності і коефіцієнта потужності режимних карт ведення поїздів; компенсація неактивної складової тягового струму ЕРС; компенсація низькочастотних періодичних коливань (інтергармонік) тягового струму ЕРС; стабілізація змінного тягового навантаження ЕРС на основі застосування автономних накопичувачів електроенергії; зменшення надлишкової потужності ЕРС за допомогою раціонального регулювання його встановленої потужності шляхом оперативного вимикання необхідної кількості ТЕД.
Повна компенсація неактивної потужності ЕРС можлива вмиканням паралельно тяговому колу ЕРС конденсатора, закон зміни ємності якого визначається змінами напруги на струмоприймачі і тягового струму ЕРС, а також їх похідними у даний і наступний моменти часу. Для усунення інтергармонік, які стійко виявляються у випадковому процесі тягового струму, необхідне застосування пасивних режекторних- фільтрів, налаштованих на відповідні частоти.
Найбільш практично можливими раціональними методами підвищення ефективності електроспоживання ЕРС постійного струму є розробка оптимальних за критерієм величини втрат потужностіі коефіцієнта потужностірежимних карт ведення поїздів і оперативне регулювання встановленої потужності ЕРС шляхом виведення з режиму тяги певної кількості тягових двигунів. Зокрема встановлено, що використання другого методу дозволяє підвищити коефіцієнт потужності електровоза ВЛ8 на 9 %, що, у свою чергу, призводить до зниження втрат електроенергії і підвищенню к.к.д. на 2 %.