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

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^?п^ЄНИЄ н^Равлению перемещении магнитного поля ЛАТЭД относительно статора (|_г) и реактивной, шины |₂, а также последней относительно индуктора П.

^{Иуска П}Р^И « = Ь = 0 и ?₂==?1- Развивае-

^{г 0} У^силие ^ ^не производит полезной механической равасхппуется на^{развиваемая} магнитным потоком мощность Р_эм расходуется на электрические ПОТОНИ т* пра^типпгій _тиІІ(5 тг>

Кроме того, потребляемая индЗ! реактивной шине Р_эя2-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 щ_ИА^ЧР^СТИЧГ,° Р^асхоВД^е'^{гся на} частот совпадает с мть.Л, "^{№ р} .,а- Направление векторов

^{С Нап}^лением вектора усилия Р.

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, Р_ам -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 f_v>f\, а частота f₂ равна сумме частот f_v+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 т_э=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 у_УСт = 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 Р_а и силы сопротивления бокового трения Р_в и определяется по методам, изложенным в главе 6.

Общее сопротивление движению (кН)

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 Р_В-{Р-Е_С)Ю^-3. Если Р_в 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) Р_х=const, оцениваемой коэффициентом Kf = F_t/F_ту.

Для проведения анализа режимов пуска 1-4 должны быть составлены алгоритмы тяговых расчетов в зависимости от изменения параметров режимов разгона (L, a, К_р, 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 К_м. 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 К_р и ускорения а от времени движения БЭПС по перегону (1=100 км) и коэффициента К_м;

/и -1 - режим 2 (при 0<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=const_p значение которой определяется /С_р); 3 и 6 - режим 4 (при F_T~ =const. оцениваемой K_F)

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

сплошные кривые от ? при массе /и_п=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 ф_н - номинальные соответственно КПД и коэффициент мощности при условии движения с номинальной скоростью и питания только одного участка; t„, t_B, t₀, t_c - 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 Л_уд= 110-М 15 Вт-ч/(тХ для Е_п=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 К_Р 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 о_ср. 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 /С_Р=2. Его повышение приводит к росту Км, а снижение до ЛГ_Р= 1,5 также затягивает движение по перегону и увеличивает Л_уд;

для разгона с Е_т=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-

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+у_к. 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 L_a = 0,0145 Гн, первая гармоника взаимной индуктивности обмотки возбуждения и обмотки статора M_afd=0,0119 Гн, индуктивность обмотки возбуждения L{=3,23 Гн, сила тока в обмотке возбуждения /1 = 1000 А, активное сопротивление фазы статорной обмотки г_д = 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:

F_A = ^- = nM_afdi_fk 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 М_э - 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 М_вц1= = 0,02395 Гн, сила То = 50000 Н, у₀=20 м/с, М_э=40 т, а=

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-\-къР_эдп, где коэффициент ?₀ подбирался таким, чтобы разность между максимальной силой Т'д и силой торможения Р_эдп 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 у_о = 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⇒