[02-2019] Применение IGBT-транзисторов повысит надежность работы отечественного моторвагонного подвижного состава

[Admin]

Применение IGBT-транзисторов повысит надежность работы отечественного моторвагонного подвижного состава

Представляем один из лучших проектов, получивший признание на Всероссийском молодежном конкурсе «Новое звено — 2018»

В.С. ИВАНОВ, аспирант, ассистент кафедры «Электроподвижной состав» Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС),

Устинов, аспирант ИрГУПС,

О.В. МЕЛЬНИЧЕНКО д-р техн, наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроподвижной состав» ИрГУПС,

А.О. ЛИНЬКОВ, канд. техн, наук, доцент ИрГУПС.

На сегодняшний день свыше 90 % моторвагонного подвижного состава (МВПС) переменного тока железных дорог нашей страны является морально устаревшим. Центральная Дирекция МВПС (ЦДМВ), отвечающая за эксплуатацию и ремонт электропоездов, несет значительные издержки. Они связаны с отказами технических средств электропоездов, особенно в зимнее время, снижающие привлекательность использования пассажирами данного вида транспорта и влияющие на сокращение пропускной способности участков дорог.

Более 10 лет существует ряд федеральных и отраслевых стратегических документов, направленных на развитие и совершенствование подвижного состава (ПС):

-- Указ Президента РФ от 01.12.2016 № 642 «О Стратегии научнотехнологического развития Российской Федерации»;

- распоряжение Правительства РФ от 28.07.2017 № 1632-р о программе «Цифровая экономика Российской Федерации»;

распоряжение ОАО «РЖД» от 11.02.2008 № 269р «Об энергетической стратегии ОАО "РЖД" на период до 2030 года»;

- распоряжение ОАО «РЖД» от 14.04.2018 № 7б9р «О стратегии научно-технологического развития холдинга "РЖД" на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года (Белая книга)»;

- распоряжение ОАО «РЖД» от 05.12.2017 № 1285 о концепции реализации комплексного научно-технического проекта «Цифровая железная дорога» и др.

Однако до сих пор во многих регионах Российской Федерации обновление электропоездов так и не происходит. Кроме того, у большей части эксплуатируемого МВПС переменного тока имеется проблема высоких затрат электроэнергии ввиду низкого коэффициента мощности, который является одним из основных показателей работы электропоезда, характеризующий качество и объем потребляемой им электроэнергии, а такой важный энерго- и ресурсосберегающий режим как рекуперативное торможение вообще отсутствует.

В настоящее время Демиховским машиностроительным заводом (ДМ3) было выпущено всего несколько десятков современных отечественных электропоездов серии ЭД9Э и ЭПЗД с комплектом силового электрооборудования, который позволяет МВПС осуществлять рекуперативное торможение. Данный комплект включает в себя тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) и выпрямительные установки возбуждения (ВУВ).

Однако за основу этих преобразователей было принято техническое решение, использованное на электровозе серии ВЛ80Р, серийный выпуск которых осуществлялся еще с 1973 г. Следовательно, коэффициенты мощности данных электропоездов в режимах тяги и рекуперативного торможения в максимальных его проявлениях составляют не более 0,84 и 0,6 соответственно. Это говорит о сохранении недопустимых в настоящее время потерь электрической энергии на тягу МВПС.
Как показывает полувековая практика применения силовых тиристоров электроподвижной состав (ЭПС) переменного тока, выполненный на их базе, имеет множество следующих основных недостатков:

- высокие затраты электроэнергии на тягу;

- значительные потери активной электроэнергии в системе тягового электроснабжения;

- искажения синусоидальных форм напряжения и тока контактной сети, снижающие надежность и ресурс работы всего электронного и электрического оборудования ЭПС;

- загрузка тяговой сети реактивной энергией, снижающая пропускную способность тягового участка;

- морально устаревшая тиристорная база преобразователей (полууправляемая), что затрудняет реализацию концепции «Цифровая железная дорога» и др.

Технических решений по устранению недостатков ЭПС, выполненных на тиристорных преобразователях, было множество, но на сегодняшний день ни одно так и не было внедрено серийно по различным причинам: габаритные размеры, стоимостная оценка, вопрос надёжности др. В настоящее время решение вышестоящих проблем возможно с использованием современных и передовых технологий в области силовой электроники и схемотехники.

С момента появления силовых IGBT-транзисторов имеется возможность проектирования новых ВИП на их базе, причем с сохранением массогабаритных показателей. Кроме того, силовые полностью управляемые транзисторы имеют и другие достоинства, такие как:

- легкость монтажа и удобство объединения с другими схемами преобразователя;

- минимизация паразитных индуктивностей в силовых цепях, благодаря чему в транзисторах снижаются всплески перенапряжений и коммутационные потери;

высокая стойкостью к du/dt, благодаря чему обеспечивается надежная работа транзисторов при предельных загрузках по току и напряжению;

- малое время спада тока при выключении;

- очень низкие и практически не зависящие от температуры остаточные токи, что особенно важно при работе транзисторов на высоких частотах;

высокие значения коммутируемых токов и напряжений и др.

Авторами предлагается заменить полууправляемую тиристорную базу ВИП и ВУВ на современную, полностью управляемую — транзисторную. Схема предлагаемого ВИП имеет аналогичное восьмиплечевое исполнение с добавлением дополнительного диодно-транзисторного разрядного плеча, а ВУВ выполнен на основе двухполупериодного диодного мостового выпрямителя с последовательно соединенным транзисторным плечом (рис.1). Такое схемотехническое решение дает возможность получить управляемый диодный мост для поддержания и регулирования токов возбуждения тяговых электродвигателей (ТЭД) в режиме рекуперативного торможения. Применение IGBT-транзисторов в силовой схеме электропоезда и предлагаемых способов их управления позволяет получить высокие коэффициенты мощности МВПС в режимах тяги и рекуперативного торможения, что существенно снизит расход электроэнергии и повысит надежность МВПС в эксплуатации.

Необходимо отметить, что такое решение можно применять не только на вновь выпускаемых электропоездах, а также производить модернизацию существующих. При этом цепь выпрямленного тока моторного вагона (МВ) остается неизменной. Перевод МВПС на новую транзисторную базу снизит стоимость его жизненного цикла благодаря значительному снижению потребления электрической энергии, количества неплановых ремонтов, трудоемкости их обслуживания и др.

Штатное и предлагаемое схемотехническое решение со способами его управления было выполнено на математической модели электропоезда серии ЭПЗД в режимах тяги и рекуперативного торможения.

В результате проведения математического моделирования тиристорной и транзисторной силовых схем электропоезда было доказано значительное превосходство схемотехнического решения с применением IGBT-транзисторов, со следующими результатами:

> повышение коэффициента мощности электропоезда в режиме тяги на 25 %, что скажется на значительном сокращении расхода электроэнергии на тягу МВПС (рис. 2, а);

> рост коэффициента мощности электропоезда в режиме рекуперативного торможения на 32 %, что скажется на увеличении возврата им электрической энергии в систему тягового электроснабжения (рис. 2, б);

> повышение эксплуатационной надёжности работы всего электронного и электрического оборудования не менее чем на 50 % (в том числе обеспечение устойчивого рекуперативного торможения);

> увеличение пропускной способности тягового участка благодаря снижению потребления электропоездами реактивной мощности из сети и обеспечению электромагнитной совместимости с системой тягового электроснабжения.

Авторы выражают особую благодарность специалистам Восточно-Сибирской дирекции МВПС — структурного подразделения Центральной дирекции моторвагоннного подвижного состава (ЦДМВ) — филиала ОАО «РЖД» за оказанную помощь в верификации математической модели моторного вагона.

На рис. 3 и 4 показаны результаты математического моделирования электромагнитных процессов при работе штатной и предлагаемой силовых схем электропоезда в режимах тяги и рекуперативного торможения на примере 3,5 зоны регулирования питающего напряжения (тиристорный выпрямительно-инверторный преобразователь МВПС осуществляет 4 зоны регулирования питающего напряжения, подаваемого на тяговые электродвигатели, рис. 5). На рис. 3 в, г и рис. 4 в, г изображены диаграммы тока iBMn и напряжения ивип, а также коэффициент мощности электропоезда Км.

Угол сдвига фаз (ср) между током i, и напряжением и, первичной обмотки тягового трансформатора при работе штатной силовой схемы имеет значительную величину (рис. 3, а и 4, а), что говорит о потреблении реактивной мощности (показана заштрихованной площадью), в отличие от работы транзисторной схемы МВПС, при которой данный угол практически сводится к нулю (рис. 3, б и 4, б).

По предварительной технико-экономической оценке применения предлагаемого проекта, годовой экономический эффект, приходящийся на один моторный вагон, только от снижения расхода электрической энергии составит 0,782 млн руб., а срок окупаемости не превысит 3,5 лет.

Дополнительный экономический эффект может быть получен и от других эффектообразующих составляющих:

- увеличения участковой скорости электропоезда;

- сокращения числа неплановых ремонтов;

- увеличения пропускной способности тягового участка благодаря снижению потребления электропоездами реактивной мощности из сети и обеспечению энергетической совместимости с системой тягового электроснабжения и др.

В сентябре 2018 г. проект под названием «Перспективная силовая схема электропоезда переменного тока с высокими энергетическими показателями» был представлен командой в составе специалистов Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) и Восточно-Сибирской дирекции моторвагонного подвижного состава на Всероссийском молодежном конкурсе «Новое звено — 2018», который проводится ежегодно ОАО «РЖД» (рис. 6). Из 1660 проектов, представленных на конкурсе, данный проект вошел в десятку лучших и был поддержан руководством Компании, а также Центральной дирекцией моторвагонного подвижного состава.

Анализируя состояние штатного моторвагонного подвижного состава и предлагаемого, можно сделать выводы о том, что схемотехническое решение для современных отечественных электропоездов переменного тока, выполненное на базе IGBT-транзисторов, является на сегодняшний день очень перспективным.

Коллектив авторов убежден, что скорейшая реализация данного проекта позволит Компании не только выйти на новый уровень эксплуатационной надежности работы отечественного моторвагонного подвижного состава, но и получить существенный экономический эффект. По предварительным расчетам, он может составить около 1 млрд руб. в год на весь парк МПВС переменного тока.