Особенности и параметры рабочих режимов ЛТЭД в системе линейного тягового электропривода БЭПС

Типичный график движения БЭПС по перегону между остановками состоит из пуска, разгона, движения с установившейся скоростью и торможения. Для его реализации система электроснабжения (СЭП) должна надежно обеспечивать электроэнергией как тяговое, так и нетяговое электрооборудование, а тяговые и тормозные характеристики БЭПС - строго соответствовать возможностям отдельных узлов линейного тягового электропривода (ЛТЭП). Это касается такого комплекса, как ЛТЭД - тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ). На рис. 4.1 видно обязательное наличие в системах ЛТЭП ЛТЭД как обязательного звена преобразования при тяге электрической энергии в механическую, а при рекуперативном торможении - механической энергии в электрическую. В ЛТЭП оно необходимо, прежде всего, для создания сил тяги и торможения, а в ряде тягово-левитационных систем обеспечивает также магнитную подвеску и направление движения.

Режимы работы ЛТЭД и Т'ПЧ взаимозависимы, поскольку для ТПЧ они определяются системой и режимами работы ЛТЭД, а структура и логика управления ТПЧ воздействуют на характер и степень нагрузки ЛТЭП. На рис. 4.2 представлены основные режимы работы ЛАТЭД при частотном управлении и показаны диаграммы соотношения частот и развиваемого усилия, соотношения мощностей, а также диаграммы баланса активных мощностей для режимов его работы.

Режим работы ЛАТЭП характеризуется величиной и направлением скорости перемещения магнитного поля VI относительно индуктора и реактивной шины, ТПЧ - частотой /з выходного напряжения. Звязь между щ и следующая:

®1=2тЛ- (4.1)

Аналогично (4.1) может быть выражена связь скорости абсолютного скольжения Уг с частотой выходного напряжения преобразователя управляемый выпрямитель; Тр - трансформатор; ЛЧ - преобразователь Частоты

Варианты схем системы электроснабжения Л'ГЭД

Рис. 4 1. Варианты схем системы электроснабжения Л'ГЭД: а~с пассивной путевой структурой; 6 - с активной путевой стп^ктуоой- в_пепсиоса преобразовательного оборудования с экипажа с ЭМП и ЛАТЭД- Ф_ Лильтп- Уй ~-

и скорости движения экипажа V с частотой движения

•о - 2т/-о.

На рис. 4.2 усилия, развиваемые ЛАТЭД, и частоты, характеризующие режим его работы, показаны одномерными векторами. При этом длина вектора | соответствует ее величине, а ^ї^?пЄНИЄ н^Равлению перемещении магнитного поля ЛАТЭД относительно статора (|г) и реактивной, шины |2, а также последней относительно индуктора П.

Иуска ПРИ « = Ь = 0 и ?2==?1- Развивае-

г 0 Усилие ^ не производит полезной механической равасхппуется наразвиваемая магнитным потоком мощность Рэм расходуется на электрические ПОТОНИ т* пра^типпгій тиІІ(5 тг>

Кроме того, потребляемая индЗ! реактивной шине Рэя2-ппипытир , '-мни индуктором мощность Рї идет и на покрытие электрических потерь В индектопнай обмотке Р л, Направление векторов частот и Г г,,,Л!» . 1

В двигательном режиме сумма веїтооак -Т Равви ваемая Р„„ преобразуется в Р »екторов - П- ыазвикрытие потерь В реактивной щИАЧРСТИЧГ,° РасхоВДе'гся на частот совпадает с мть.Л, "№ р .,а- Направление векторов

С Нап^лением вектора усилия Р.

Диаграммы, характеризующие режимы работы ЛАТЗД

Рис. 4.2. Диаграммы, характеризующие режимы работы ЛАТЗД:

/-6 - соотношение частот н развиваемого -усилия в процессе соответственно: пуска в ход, двигательного режима, идеализированного синхронного хода, генераторного режима; торможения постоянным током, противопключеиия, }'~6' - баланса мощностей для режимов, соответствующих 1-6

Для режима идеализированного синхронного хода ЛАТЭД без учета краевого эффекта ]и~/и /2 -0, а тяговое усилие не развивается, Рам -О, а Рі расходуется только на компенсацию потерь в обмотке индуктора.

В генераторном режиме вектор частоты выходного напряже ния инвертора меньше вектора частоты движения |р на вел чину вектора частоты абсолютного скольжения |2. Векторы те мозного усилия Р и ^ имеют противоположные направления силу чего полезная механическая тормозная мощность, раз ваемая ЛАТЭД, имеет отрицательный знак. Такой же знак $ ет мощность статорной обмотки, что характеризует отдачу ктроэнергии в сеть. При торможении постоянным током 1 а Д1 ==-/2, вектор тормозной силы направлен против ве частоты Дг. В этом случае, как и в режиме идеализировг

синхронного хода, мощность Р\ расходуется на компенсацию потерь в обмотке индуктора, а мощность Рэм = 0 =

= ~ Рмх Рэл 2 ¦

В режиме противовклгонения частота fv>f\, а частота f2 равна сумме частот fv+fНаправление векторов частот Д и /2 совпадает с_ направлением вектора силы F. Развиваемая индуктором ' мощность Рi =

= Рэм+Р Эл 1, а Рэм = Рмх + Рэл2-

Для оценки перегрузочной способности ЛСТЭД, у которого сверхпроводящая обмотка возбуждения расположена на БЭПС, а якорная обмотка - в пути и секционирована на участки ограниченной длины и параметров ТПЧ, питающих якорную обмотку, необходим анализ его показателей при разгоне и номинальной скорости движения с учетом перехода стыков питаемых участков. Для единичного экипажа с тэ=40 т во взвешенном состоянии, движущегося на участке /=100 км с уклоном i - 0%о в режимах: разгон до у = 300 км/ч с а=1 м/с2 и далее - до v = 500 км/ч с а = 0,5 м/с2 = const; движение с уУСт = 500 км/ч, торможение с у = 500 км/ч до у = 0 и замедлением а~-1 м/с2, результаты расчета сил и их изменения показаны на рис. 4.3. При этом ускоряющие или замедляющие силы

Сила сопротивления движению складывается из аэродинамической и магнитной составляющих. При этом первая из них состоит из силы лобового сопротивления Ра и силы сопротивления бокового трения Рв и определяется по методам, изложенным в главе 6.

Общее сопротивление движению (кН)

Изменение мощности ЛСТЭД со СПОВ при движении экипажа по перегону

Рис. 4.4. Изменение мощности ЛСТЭД со СПОВ при движении экипажа по перегону

Путь, проходимый экипажем при разгоне,

^=?,-^2=3,5+ 12,3 = 15,8 км. (4.7)

В режиме установившегося движения Р-х-Рч, а ?'уст= = 500 км/ч=соп$1. ЛТЭД развивает Р2 -4983 кВт, а мощность Р1=5537 кВт. В режиме торможения РВ-{Р-ЕС-3. Если Рв создается ЛТЭД, то его мощность торможения

Я2 = Е'вг)-Ю-з кВт, а Р\ = Р^'п-

Время торможения (т= 138,9 с, а путь при торможении 9,645 км (рис. 4.3).

На рис. 4.4 видно, что на участках разгона имеет место линейное изменение мощности. При разгоне до и=300 км/ч потребление электроэнергии А 1 = 57,97 кВт-ч, а удельный расход, [Вт-к/(т-км)]:

На основе этого может быть определено энергопотребление БЭПС, состоявшегося из десяти экипажей и предназначенного для работы на межостановочных перегонах L= ЮО-л-ЗОО км в следующих режимах:

1) О^о^ЗОО км/ч, а = м/с2 и далее; 300^и^500 км/ч, а=0,5 м/с2;

2) о^500 км/ч, 0,2^а^1,2 M/c2 = const;

3) а=1 м/с2 = const до принятого значения мощности Рг, развиваемой ЛСТЭД, и далее с Pa = const, значение которой определяется коэффициентом кратности Kp==P2/Piy\

4) Рх=const, оцениваемой коэффициентом Kf = Ft/Fту.

Для проведения анализа режимов пуска 1-4 должны быть составлены алгоритмы тяговых расчетов в зависимости от изменения параметров режимов разгона (L, a, Кр, Kf), в которых могут быть использованы соотношения, аналогичные (4.2) - (4.13) и дополнительные:

полная мощность, потребляемая ЛСТЭД из сети, кВ-A, Si = ;=Pi/cos ф;

/

/

коэффициент максимума активной потребляемой мощности, характеризующий заполнение графика нагрузки тяговой подстанции Км = Р\ тах/Рср-

Кривые /-3 на рис. 4.5 показывают влияние параметров режимов разгона 2-4 на время движения по перегону, а кривые 4-6 - коэффициента Км. Зависимости потребляемой при движении удельной энергии от длины перегона (сплошные кривые) и от времени движения в режимах разгона 1-4 (штриховые кривые) приведены на рис. 4.6.

Основным условием прохождения экипажем с ЛСТЭД стыков питаемых секций должно быть сохранение заданного тягового режима. Для этого необходимо уменьшение питающего напряжения Уф на предыдущем питаемом участке и увеличение на последующем, исходя и? допустимых ускорения и замедления а в процессе разгона и торможения экипажа или сохраиеиия постоянного действующего тока якоря /т при постоянной скорости движения V.

Специфика анализа режима перехода экипажем стыков питаемых участков состоит в необходимости поэтапного рассмотрения такого перехода и учета совместной работы двух участков. При этом характерными являются следующие этапы:

I - экипаж находится на предыдущем питаемом участке; последующий участок включен и работает в так называемом холостом режиме;

Рнс. 4.5. Зависимости коэффициентов Кр и Кр и ускорения а от времени движения БЭПС по перегону (1=100 км) и коэффициента Км;

/и -1 - режим 2 (при 0<t><500 км/ч; 0,2<о<1,2 м/с5 и далее при 30С<і>< 500 км/ч); 2 и 5 - режим 3 (при а - **1,4 w/c2=const до принятого значения мощности Р-іу развиваемой ЛСТЭД и далее с P2=constp значение которой определяется /Ср); 3 и 6 - режим 4 (при FT~ =const. оцениваемой KF)

Зависимости энергии Луд от ? и V,

Рис. 4,6, Зависимости энергии Луд от ? и V,

сплошные кривые от ? при массе /ип=400 т; штриховые от I при ?=100 км

4.1. Формулы для расчета технико-энергетических показателей ЛСТЭД номинальной скорости с учетом перехода стыков питаемых участков

II - экипаж переходит стык двух соседних питаемых участков;

III-экипаж находится на последующем питаемом участке, а предыдущий включен и работает в «холостом» режиме. Технико-энергетические показатели ЛСТЭД для этих зон при номинальной скорости движения определяются соотношениями, представленными в табл. 4.1 Г261 где Кс, /с- соответственно число

„ (ЭМст и ток контуров возбуждения на экипаже; ----производ ная коэффициента взаимоиндукции между контуром возбуждения и контурами якорной обмотки по координате вдоль направления движения; R, х - соответственно активное и индуктивное сопротивления фазы якорной обмотки на питаемом участке; t - время; /с - время перехода экипажем стыка питаемых участков.

В момент нахождения экипажа в зонах I, II и частично в зоне III электроснабжение получают одновременно две секции якорной обмотки. При этом суммарные энергетические показатели Л СТЭН

Суммарные значения КПД и cos ф при работе двух секций и более точные их средние значения, учитывающие время холостой работы питаемого участка определяются соотношениями:

где т]ц, cos фн - номинальные соответственно КПД и коэффициент мощности при условии движения с номинальной скоростью и питания только одного участка; t„, tB, t0, tc - время работы соответственно одного питаемого участка, предварительного включения последующего и отключения выходящего из работы питаемых участков, перехода экипажем стыка последних.

По мере прохождения экипажем стыка, когда под напряжением находятся два соседних питаемых участка, значения суммарных активной и полной мощностей, т]2 и cos ф2 не изменяются.

^гговые расчеты [37, 82] показали следующее:

ельная потребляемая энергия Луд= 110-М 15 Вт-ч/(тХ для Еп=100 км и 93-М01 Вт-ч/(т-км) для ?„==300 км; мощность, развиваемая ЛСТЭД со СПОВ при движении с г>уст=500 км/ч достигает 14,66 МВт, потребляемая из сети - 18,9 МВт, а полная - 21,5 МВт;

коэффициенты КР и Км изменяются в зависимости от параметров разгона соответственно в пределах 1-5,5 и 1-5,2;

на разгоне с а=сопз! рациональнее всего производить пуск с 0,5^а^0,7 м/с2, так как его уменьшение ведет к затягиванию процесса разгона, увеличивает время хода и снижает оср. Увеличение а свыше 0,7 м/с2 приводит к росту Км, т. е. увеличивает не только неравномерности заполнения графика нагрузки, но и удельное потребление электроэнергии;

при разгоне с рг^сопэ! рационален пуск с /СР=2. Его повышение приводит к росту Км, а снижение до ЛГР= 1,5 также затягивает движение по перегону и увеличивает Луд;

для разгона с Ет=сопз1 предпочтителен пуск с Кр=2-ь2,5; с увеличением Кр общее время хода по перегону /о уменьшается незначительно, а Км возрастает;

при уменьшении /Си резко замедляется движение по перегону;

наименьшее потребление электроэнергии при одинаковом /0 достигается в режиме пуска с а=сопэ1.

Работоспособность ЛСТЭД со сверхпроводящей обмоткой возбуждения в системе ЛТЭП, особенно в режиме пуска, зна-

К анализу режима пуска ЛСТЭД со СПОВ

Рис. 4.7. К анализу режима пуска ЛСТЭД со СПОВ:

а - схема питания от инвертора тока; б -зависимость потребляемого тока от скорости экипажа при естественной коммутации вентилей АИТ: в - начальное положение СПОВ экипажа относительно фазы <з статорной обмотки чительно зависит от структуры и логики работы ТПЧ. Это может быть подтверждено анализом условий успешного пуска ЛСТЭД при питании его от ТПЧ (рис. 4.7, а), выполненного по схеме инвертора тока (АИТ) с углом проводимости вентилей 120 эл. град [58].

Метод приведения к неподвижным осям аир, связанным со статором ЛСТЭД, позволяет установить связь мгновенных токов в осях с мгновенными фазными токами

ц 6т времени, который по окончании коммутации должен стать

/р=при угле у = 7о+ук. Ток /й можно определить по фор^ле [67]

где Ь = - Га ; ш = лто.

toZ-u

На рис. 4.7, б приведена зависимость тока la от скорости экипажа v, рассчитанная по (4.19) с различными у0 при условии yo+Yft = 270° и при следующих данных ЛСТЭД: индуктивность фазной обмотки статора La = 0,0145 Гн, первая гармоника взаимной индуктивности обмотки возбуждения и обмотки статора Mafd=0,0119 Гн, индуктивность обмотки возбуждения L{=3,23 Гн, сила тока в обмотке возбуждения /1 = 1000 А, активное сопротивление фазы статорной обмотки гд = 2,95 Ом, полюсное деление т=0,75 м, сила номинального тока путевой обмотки 1 = 512 А.

Из графиков по рис. 4.7, б следует, что в достаточно широких диапазонах скорости v и угла уо сила потребляемого тока мала и не обеспечит необходимых тяговых усилий, поэтому для нормальной работы ЛСТЭД необходима искусственная коммутация вентилей (время коммутации незначительно и им можно пренебречь).

На рис. 4.7, в показано, что в начальный момент времени положение обмотки относительно фазы а было таким, что пото-косцепление фам=0, переходя из положительной области в отрицательную. Начальное положение сверхпроводящей обмотки возбуждения относительно фазы а можно выразить в радианах, если задаться любой постоянной частотой ы и построить временную диаграмму изменений потокосцепления фа/d и тока /я для этой частоты. Тогда можно определить фазовый сдвиг между потокосцеплением фа/d и первой гармоникой тока. Этот фазовый сдвиг равен углу уо, если считать, что потокосцепле-ние опережает ток на положительный угол. Аналогичные рассуждения можно провести относительно любой другой фазы.

На основе (4.14) относительно i и ф можно получить ЭМС, развиваемую ЛСТЭД:

FA = ^- = nMafdifk cos(v+Vi),

х где для к и Yl необходимо составить матрицу, отражающую порядок чередования фаз ЛСТЭД, приведенный ниже.

Частота коммутации вентилей может меняться, например, по закону /=(3а/т)т, где а - ускорение экипажа, либо в зависимости от положения экипажа.

Для низких скоростей V справедливо принять, что 6=сопз1:, /'а=0, а уравнение движения экипажа при запуске с а=сопзі

где Мэ - масса экипажа.

Решая систему уравнений (4.20), можно определить, будет ли успешным пуск экипажа при некоторых выбранных значениях начального угла у0, Ь и а.

На рис. 4.8, а представлены зависимости силы, развиваемой ЛСТЭД, и скорости экипажа от времени при трогании его с места, для варианта ЛСТЭД со следующими данными: т= = 0,65 м; МДС в сверхпроводящей обмотке возбуждения; = = 500 кА; максимальная взаимоиндуктивность первой гармоники между обмоткой возбуждения и фазной обмоткой Мвц1= = 0,02395 Гн, сила То = 50000 Н, у0=20 м/с, Мэ=40 т, а=

Кривые Кд и V при грогании экипажа с ЛСТЭД

Рис. 4.8. Кривые Кд и V при грогании экипажа с ЛСТЭД:

а - при начальном токе /о“ И50 А и начальном угле уо=245 эл. град: б - с обратной связью по положению экипажа при /=800 А и различных у0: /- огибающие пульсации тяговой силы; 2 - скорость; 3, 4 - электромагнитнаи сила; 5, б - скорость экипажа при у0 соответственно 210 Н 270 эл» град м/с2 и различные значения угла у0 и тока 1й=1ъ-\-къРэдп, где коэффициент ?0 подбирался таким, чтобы разность между максимальной силой Т'д и силой торможения Рэдп была постоянной для обеспечения разгона с постоянным ускорением;

р 2^о

эдп v/v0+v0/v

Как показали расчеты [67], при запуске экипажа с синхронным режимом работы ЛТЭД с уменьшением угла у0 и начального тока /о уменьшаются частота и амплитуда колебаний скорости экипажа, но одновременно снижается его устойчивость. В значительной степени повысить устойчивость ЛТЭД можно введением обратной связи по положению, т. е. подавать импульс на очередной тиристор после того, как экипаж пройдет расстояние т/3. При начальном угле у0= (240±30) эл.град. среднее значение тяговой силы за период пульсаций максимально и ЛТЭД разгоняется практически без колебаний скорости. Задаваясь различными значениями тока, молено обеспечить различные ускорения экипажа. Наименьшие пульсации достигаются при пуске с начальным углом уо = 210 эл. град (см. рис. 4.8, б).

На основе изложенного можно рассчитать электромеханические переходные процессы при трогании экипажа с места.

Сравнительный анализ показателей и путей совершенствования ЛТЭД | Транспорт с магнитным подвесом | Способы регулирования скорости, частоты и напряжения