Эффективность системы электрической тяги поездов на постоянном токе высокого напряжения
Ключевые слова:
эффективность энергетического обеспечения, активная мощность, сопротивление, спектральный анализ, гармонические составляющие, эффективное напряжение, электрическая тягаАннотация
Повышение эффективности энергетического обеспечения электрической тяги поездов позволяет реализовать перспективные приоритетные направления развития холдинга ОАО «РЖД». Для выявления причин, сдерживающих увеличение провозной и пропускной способности железной дороги, в статье использованы новые энергетические характеристики элементов электроэнергетической системы, которые основаны на уточненном законе сохранения энергии в электромагнитном поле с применением математического моделирования и FFT-спектрального анализа. Расчетами доказано, что эффективное напряжение в сети переменного несинусоидального тока снижается из-за падения напряжения на реактивных сопротивлениях в силовой электрической цепи и является основной причиной, которая снижает энергетическую эффективность электрической тяги, ограничивает массу поездов и скорость их вождения. С применением электрической тяги на постоянном токе высокого напряжения обеспечивается симметричная нагрузка трехфазной системы тягового электроснабжения, устраняются реактивные сопротивления в тяговой силовой электрической цепи и повышаются динамические и энергетические показатели системы. Предложенными техническими решениями и математическим моделированием в среде Simulink программы «Matlab» показана возможность повышения коэффициента полезного действия электрической тяги на постоянном токе напряжением 37,1 кВ с асинхронными трехфазными тяговыми двигателями на 15,6 % по сравнению с электрической тягой на переменном токе напряжением 27,5 кВ, скорости движения поездов – на 31,5 %. Уровень напряжения в середине межподстанционной зоны позволяет работать грузовым трехсекционным электровозам в номинальном режиме для тяги трех соединенных поездов, а скорость движения поездов может ограничиваться только допустимым током в проводах контактной подвески. В процессе выполнения исследований по частотному управлению режимом пуска и регулирования скорости асинхронных трехфазных тяговых электродвигателей разработаны способы управления входным электрическим сопротивлением электропривода, коэффициентом модуляции и глубиной модуляции трехфазного напряжения для ограничения ускорения, обеспечения надежного сцепления колес с рельсами и исключения автоколебаний в электромеханической системе тяги поезда.
Библиографические ссылки
Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года. М. : Министерство образования и науки РФ, 2014. 244 с.
Рябченок Н.Л., Алексеева Т.Л., Астраханцев Л.А. Новые возможности повышения эффективности образовательного процесса в учебных заведениях высшего образования // Современные проблемы профессионального образования: опыт и пути решения : материалы III Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. Иркутск : ИГУ, 2018. С. 837–843.
Аржанников Б.А. Тяговое электроснабжение постоянного тока скоростного и тяжеловесного движения поездов. Екатеринбург : Урал. гос. ун-т путей сообщ., 2012. 207 с.
Салита Е.Ю., Ковалева Т.В., Комякова Т.В. Обоснование внедрения двенадцатипульсовых выпрямителей последовательного типа в системе электроснабжения метрополитена // Изв. Транссиба. 2020. № 1 (41). С. 11–20.
Бурков А.Т. Электроника и преобразовательная техника. М. : УМЦ по образованию на ж.-д. трансп, 2015. Т. 2. 307 с.
Чернов Ю.А. Электроснабжение железных дорог. М. : УМЦ по образованию на ж.-д. трансп, 2016. 406 с.
Преобразователь выпрямительно-инверторный ВИП-1000-У1 : руководство по эксплуатации ИЕАЛ.435411.046 РЭ. Саранск : ОАО «Электровыпрямитель», 2008. 35 с.
Тайгелькеттер И., Ширенгер Д. Мощный преобразователь на IGBT-транзисторах для применения на железнодорожном подвижном составе. Мюнхен : Siemens AG, 2000. 5 с.
Литовченко В.В. 4gS-четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока // Изв. вузов. Электромеханика. 2000. № 3. С. 64–73.
Маевский О.А. Энергетические характеристики вентильных преобразователей. М. : Энергия, 1978. 320 с.
Akagi H., Watanabe E., Aredes M. Instantaneous power theory and applications to power conditioning. The power engineering: Handbook. New York : Wiley, 2007. 379 p.
Francesco V., Luigi I. Dynamic and Control of Switched Electronic Systems // Advanced Perspectives for Modeling, Simulation and Control of Power Converters. London : Springer Nature, 2012. 492 p.
Poynting J.H. On the Transfer of Energy in the Electromagnetic Field // Philosactions of the Royal Society. T. 175. London, 1884. Р. 343−361.
Демирчан К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В. Теоретические основы электротехники. СПб. : Питер, 2009. Т. 2. 431 с.
Уточненный закон сохранения энергии / Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, К.П. Якобчук и др. URL: http://www.rusnauka.com/42_PRNT_2015/Tecnic/5_202603.doc.htm (дата обращения 10.04.2020).
Инновационные перспективы тягового электроподвижного состава / А.В. Воротилкин, Н.Л. Михальчук, Н.Л. Рябченок и др. // Мир транспорта. 2015. Т. 13, № 6. С. 62–76.
Энергетическая эффективность в электрических цепях с полупроводниковыми приборами / Т.Л. Алексеева, Н.Л. Рябченок, Л.А. Астраханцев и др. // Вестник ЮУрГУ. Сер. Энергетика. 2020. Т. 20, № 2. С. 89–98. DOI: 10.14529/power200208.
Рябченок Н.Л. Энергетическая эффективность тягового привода магистральных электровозов / Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева и др. // Изв. Транссиба. 2020. № 1 (41). С. 29–41.
