Причины запрета рекуперации при пониженном напряжении в контактной сети
ю.и. ПОПОВ, канд. техн, наук, директор,
С.М. ГИЛЕВ, конструктор II категории отдела модернизации оборудования тягового и моторвагонного подвижного состава, Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства — филиал ОАО «РЖД» В Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства
ОАО «РЖД» (ПКБ ЦТ) поступают запросы о причине наличия в нормативных документах запрета на применение рекуперативного торможения на подвижном составе переменного тока при снижении напряжения в контактной сети ниже 19 кВ. В данной статье рассматриваются причины его существования, а именно, негативные процессы, которые возникают во время рекуперативного торможения при пониженном напряжении в контактной сети.
Причина № 1. Понижение напряжения в контактной сети
Следует отметить характерную особенность процесса рекуперации с инвертированием на электровозах переменного тока. Несмотря на то, что энергия от электровоза поступает в контактную сеть, напряжение на токоприемнике (в отличие от электровозов постоянного тока) снижается.
Во всех преобразователях (выпрямители, инверторы) токи проходят переменно через противоположные тиристорные плечи, при этом цепь тока не прерывается. После подключения очередных тиристоров оба плеча в течение некоторого времени работают одновременно. В это время, называемое временем перекрытия (временем коммутации либо углом коммутации), рабочая секция трансформатора оказывается замкнутой накоротко. Напряжение на секции трансформатора снижается. Под действием напряжения секции трансформатора в одной группе вентилей ток увеличивается, а в другой — снижается до нуля, что определяет конец коммутации.
Короткое замыкание в секции приводит к снижению напряжения в контактной сети икс во время коммутации (рис. 1), а значит, и его действующего значения.
Чем больше ток рекуперации, продолжительнее время коммутации и больше витков в секции вторичной обмотки, тем значительнее провал (снижение) напряжения с искажением синусоиды и больше снижение напряжения на токоприемнике.
Искажения формы напряжения от её синусоидальной формы (рис. 2) происходят по причине гармонических колебаний, накладывающихся на питающее напряжение синусоидальной либо уже искаженной формы из-за наличия разных потребителей и их различных режимов работы. Чем больше искажения формы синусоиды, тем меньше значение амплитудного напряжения и, соответственно, меньше значение действующего напряжения.
Величина амплитудного значения напряжения в моменте будет величиной случайной, так как зависит от множества факторов: величины гармоник; количества электровозов на участке и их режимов работы; удаленности электровоза от питающей подстанции и так далее.
На работу оборудования управления тиристорными преобразователями влияют искажения напряжения, сопровождающиеся многократным пересечением нулевых линий в каждый полупериод, особенно при увеличении нагрузки. Такие искажения могут наблюдаться как в режиме тяги, так и в режиме рекуперации. Они зависят от углов настройки оборудования и углов регулирования.
Искажение формы и снижение питающего напряжения контактной сети происходят из-за влияния коммутационных процессов в тяговом приводе, при этом, чем ниже питающее напряжение, тем больше оказывают влияние коммутационные процессы. Это приводит к возникновению двойных и ложных переходов питающего напряжения через нулевое значение, вследствие этого полупериоды оканчиваются либо раньше, либо позже перехода через ноль и вызывают сбои в работе оборудования в виде появления лишних импульсов управления (рис. 3).
Причина № 2. Возможность опрокидывания инвертора
Опрокидыванием инвертора называется случай, когда при инвертировании по какой-либо причине нарушается коммутация тиристоров, что приводит к резкому росту тока на вторичной обмотке трансформатора и тепловому пробою тиристоров. Рассмотрим такой случай на примере электровозов ВЛ80Р и ВЛ85. Рекуперация на них осуществляется благодаря применению выпрямительно-инверторных преобразователей ВИП-4000. Данный преобразователь в режиме электрического рекуперативного торможения работает по принципу зависимого инвертора (величина напряжения и его частота зависят от сети переменного тока, к которой он подключен).
Упрощенная схема электрической цепи электровоза с контактной сетью, кривая напряжения и принципиальная схема инвертора приведены на рис. 4,а, 4,6 и 4,в соответственно. Для лучшего понимания причин возникновения опрокидывания инвертора рассмотрим принцип работы зависимого инвертора.
С момента t0 и в любой момент до t2 открыты вентили 1 и 3, а вентили 2 и 4 закрыты (рис. 5). Под действием напряжения тягового электродвигателя в генераторном режиме и2 ток рекуперации iPEK через обмотку трансформатора течет против напряжения трансформатора ит, так как u2 > ur
Вентили 2 и 4 открываются в момент t2. В течение короткого интервала времени t2 — t3 открыты все 4 вентиля (рис. 6). В это время шины «+» и «-» накоротко замкнуты двумя парами вентилей. Но благодаря наличию напряжения ит ток вентилей не успевает возрасти до опасного значения. Напряжение ит в верхнем контуре (обмотка трансформатора, вентиль 1, шина «+», вентиль 2, обмотка трансформатора) способствует резкому уменьшению тока вентиля 1 и столь же резкому увеличению тока вентиля 2. Напряжение ит перераспределяет токи между одновременно открытыми вентилями, поэтому данный процесс и называется коммутацией.
После уменьшения токов вентилей 1 и 3 до нуля (момент t3) они запираются, и в работе остаются только вентили 2 и 4 (рис. 7). В интервале t3 — t4 уменьшающееся напряжение ит направлено в ту же сторону, что и напряжение и2, и ток от суммарного напряжения быстро возрастает. В момент t4 напряжение ит = 0, а затем, изменив направление, быстро возрастает. Ток под действием напряжения и2 продолжает протекать против напряжения ит, среднее значение которого меньше напряжения и2.
Момент t2 открытия вентилей 1 и 3 отсчитывают от точки перехода напряжения ит через ноль. Интервал от момента t2 до момента t4 в угловом измерении носит название угола опережения б:
б = у + s,
где у — угол коммутации;
S — угол запаса, необходимый для восстановления запирающих свойств вентиля (тиристора).
В момент t5, как и в любой другой до t6, открыты вентили 2 и 4 (рис. 8,а). К концу второго полупериода в момент t6 открываются вентили 1 и 3, и опять в течение интервала времени t6 —17 открыты все четыре вентиля и происходит очередная коммутация (рис. 8,6). Токи вентилей 2 и 4 под действием напряжения ит резко уменьшаются, а вентилей 1 и 3 — увеличиваются. В интервале t7 — t8 ток под действием суммарного напряжения uT + и2 быстро возрастает (рис. 8,в). Затем, после того как напряжение ит в момент t8 сменит полярность, в цепях инвертора повторяются те же процессы, что и в начале.
При падении напряжения в контактной сети до уровня 19 кВ может произойти опрокидывание инвертора по причине того, что при уменьшении напряжения на вторичной обмотке тягового трансформатора увеличивается угол коммутации тиристора у, из-за чего уменьшается угол запаса тиристора 6 (рис. 9). В таком режиме скорость оборудования может быть недостаточна для отработки угла опережения тиристора [3, из-за чего тиристор может не успеть закрыться до момента времени п (полупериод кривой переменного тока) и в следующем полупериоде от п до 2п (полный период кривой переменного тока) все тиристоры будут открыты. Это приведет к резкому росту тока на вторичной обмотке трансформатора, возможному короткому замыканию и тепловому пробою тиристоров.
Дополнительно было проведено моделирование нахождения двух электровозов в различных точках межпод-станционной зоны при номинальном и пониженном напряжениях в контактной сети. При этом один электровоз находится в режиме тяги, а второй в режиме рекуперации.
При нахождении электровоза № 1, работающего в режиме рекуперации, около тяговой подстанции и электровоза № 2 (в режиме тяги) на расстоянии 15 км от электровоза № 1 при снижении напряжения в контактной сети до 19 кВ угол коммутации у увеличивается, а угол запаса инвертора 8 уменьшается с 27 электрических градусов до 9 (рис. 10). Такое значение угла 8 ниже допустимого по условиям работы САУ угла запаса инвертора и из-за этого возникает угроза опрокидывания инвертора.
Увеличение длительности протекания такого тока свыше 2 мин приведет к преждевременному старению изоляции с последующим отказом тягового электродвигателя, а также может привести к юзу колесных пар локомотива.
Вспомогательные электрические машины
Напряжение вспомогательных машин электровозов зависит от напряжения трансформатора, нагрузок тяговых и вспомогательных двигателей, условий эксплуатации и пр.
Минимальным напряжение питания вспомогательных машин будет при напряжении контактной сети 19 кВ и работе электровоза на высшей позиции регулирования с максимальным током тяговых двигателей, всех включенных вспомогательных машинах и пуске мотор-компрес-соров.
Величину Ьном обычно условно принимают на пять процентов выше номиналь-ного, т.е. ьном= 1,05.
Величина ЛЬ зависит от нагрузки вспомогательной обмотки трансформатора, т.е. от нагрузки и параметров работающих двигателей, параметров расщепителей и симметрирующих конденсаторов, а также свойств пускаемых двигателей компрессоров. Данная величина условно принимается равной пяти процентам, т.е. ЛЬ = 0,05.
Величина АЬ0Т представляет собой потерю ЭДС холостого хода вспомогательной обмотки трансформатора при тяговой нагрузке, когда вследствие активного и реактивного сопротивлений обмотки высшего напряжения магнитный поток транс
форматора снижается при нагрузке обмоток, питающих тяговые двигатели. Данная величина определяется опытным путем для каждого электровоза. Данную величину так же условно принимают равной пяти процентам, т.е. ЛЬ0Т = 0,05.
С учетом вышеизложенного получим:
bmin = 1 /°5 X 19/25 - 0,05 - 0,05 = 0,7.
Номинальное напряжение асинхронных вспомогательных машин, равное 380 В, при данных условиях напряжения питания составит:
Umjn = 380x0,7 = 250 В.
Рабочий диапазон напряжений для асинхронного электродвигателя, применяемого в приводе главного компрессора и центробежных вентиляторов АЭ92-402, а также расщепителя фаз НБ-455А, составляет 280 — 470 В.
При минимальном напряжении возможно опрокидывание асинхронных вспомогательных машин, которое заключается в невозможности их запуска, что особенно критично при запуске мотор-компрессора.
Заключение
Применение рекуперативного торможения при снижении напряжения в контактной сети до 19 кВ и ниже не допускается по следующим причинам:
- > искажение формы и снижение питающего напряжения контактной сети из-за влияния коммутационных процессов в тяговом приводе, что приводит к возникновению двойных переходов через нулевое значение, а в других режимах при синусоидальной форме полупериоды оканчиваются либо раньше, либо позже перехода через ноль, что приводит к сбоям в работе оборудования в виде появления лишних импульсов управления;
- > возможное опрокидывание инвертора с последующим ростом тока на вторичной обмотке трансформатора и тепловым пробоем тиристоров;
- > нарушение допускаемых режимов эксплуатации тяговых электродвигателей, которое приводит к преждевременному старению изоляции и ухудшению условий коммутации;
- > возникновение процесса опрокидывания асинхронных вспомогательных машин, которое приводит к невозможности их запуска.
Все вышеуказанные причины не позволяют применять рекуперативное торможение при напряжении в контактной сети ниже 19 кВ.
Библиография
1. Быстрицкий Х.Я., Дубровский З.М., Ребрик Б.Н. «Устройство и работа электровозов переменного тока. Учебник для техн. ж.-д. трансп.» — 4-е издание, переработанное и дополненное — М.: Транспорт, 1982. — 456 с.
2. Капустин Л.Д., Копанев А.С., Лозановский А.Л. «Надежность и эффективность электровозов ВЛ80Р в эск-плуатации» — М.: Транспорт, 1986. — 240 с.
3. Капустин Л.Д., Копанев A.C., Лозановский А.Л. «Особенности устройства и эксплуатации электровозов ВЛ80Р» — М.: Транспорт, 1979. — 175 с.
