Розвиток наукових основ систем електричної тяги метрополітенів
Loading...
Date
2011
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Abstract
UK: АНОТАЦІЯ. Дисертаційну роботу присвячено вирішенню науково – технічної проблеми – енергозбереження при експлуатації метрополітенів за рахунок вдосконалення систем електричної тяги метрополітенів.
У роботі запропоновані концепції побудови тягового електропостачання метрополітенів і тягових електроприводів вагонів на основі розподільної структури з повздовжньою високовольтною лінією постійного струму, наземними головними тяговими підстанціями глибокого вводу, розташованими по кінцям ліній метрополітену, підземних пунктів живлення тягової мережі напругою 1500 В.
Для підвищення безпеки руху поїздів розроблено схему електромашинного блоку вагонів із груповим однозонним управлінням тяговими двигунами, яка обмежує величину струмів короткого замикання двигунів при відмовах в інверторі і тим самим не допускає руйнівних ударних моментів на валах двигунів.
Проведено порівняльну оцінку трифазних і двофазних асинхронних тягових електроприводів з точку зору їх енергозбереження.
Вдосконалено методи моделювання пристроїв підсистем електричної тяги, що спрощують вирішення задач аналізу і синтезу параметрів пристроїв, а також задачі віртуальних експериментів щодо підтвердження теоретичних результатів роботи.
RU: АННОТАЦИЯ. Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы-энергосбережению при эксплуатации метрополитенов за счет совершенствования системы электрической тяги метрополитенов, учитывающая переход на распределительное тяговое электроснабжение с продольной высоковольтной линией питания постоянного тока и поезда смешанной структуры, которые формируются из вагонов с тяговыми асинхронными двигателями и безмоторными, что позволяет существенно повысить энергоэффективность и надежность системы электрической тяги метрополитенов. Исследования структуры и режимов роботы систем электрической тяги метрополитенов показали, что еще в недостаточной мере используются достижения научно-технического прогресса и внутренние резервы предприятий. Особенно это относится к проблеме энергоснабжения, поскольку расходы на оплату электроэнергии превышают 30 % в себестоимости пассажирских перевозок. В частности, тяговые подстанции имеют коэффициент полезного действия до 0,95, а коэффициент полезного действия тяговых электроприводов вагонов метро не превышает 0,80. В работе выполнена оценка технического совершенства подсистем электрической тяги, которые являются основой повышения уровня энергосбережения. Показано, что отечественные метрополитены, которые используют систему электрической тяги напряжением 825 В с подземными тяговыми подстанциями на базе шестипульсных диодных выпрямителей и поездов с тяговыми двигателями постоянного тока нуждаются в реконструкции, а также модернизации технических средств. Разработаны основы теории и проведено моделирование энергоэффективных двенадцатипульсных выпрямителей с вольтдобавкой – стабилизаторов напряжения для тяговых подстанций метрополитенов с продольной линией питания постоянного тока. Использование таких стабилизаторов напряжения позволяет при незначительном увеличении установленной мощности преобразовательного агрегата обеспечить стабилизацию напряжения на шинах тяговой подстанции во всем диапазоне колебаний напряжения питания при коэффициенте мощности сети питания не ниже 0,98. При этом переход на высшее выпрямленное напряжение, а именно 12 кВ, дает возможность поднять коэффициент полезного действия главных понижающих подстанций 0,955. Разработана методика анализа тяговых мостовых автономных инверторов напряжения с узлами однородной коммутации, которые обеспечивают „мягкую” коммутацию силовых ключей при синусоидальной широтно-импульсной модуляции исходного напряжения. Показано, что коэффициент полезного действия автономных инверторов напряжения на IGBT-модулях с „мягкой” коммутацией при частоте широтно-импульсной модуляции 3 кГц и напряжению питания 1500. На основе анализа силовой схемы преобразователя постоянного напряжения с промежуточным звеном однофазного тока повышенной частоты доработан алгоритм его функционирования, что обеспечивает „мягкую” коммутацию силовых ключей и дает возможность реализовать коэффициент полезного действия пунктов питания тяговой сети 0,955. Повышение уровня напряжения в тяговой сети до 1500 В позволяет улучшить энергетические показатели тягового электропривода. Использование на тяговой сети метрополитенов преобразователей постоянного напряжения с промежуточным звеном однофазного переменного тока повышенной частоты позволяет осуществлять наряду с функцией трансформации постоянного напряжения без генерации реактивной мощности, двусторонний обмен электроэнергией между продольной высоковольтной линией питания и тяговой сетью. Научно обоснована целесообразность однозонного управления тяговыми асинхронными двигателями вагона, что позволяет уменьшить массо-габаритные показатели электрооборудования тягового электропривода повышенной мощности, и уменьшить расходы электроэнергии на тягу за счет сокращения времени разгона и торможения. Обоснована структура блока электромагнитной совместимости тягового асинхронного электропривода вагона с тяговой сетью в установившихся переходных режимах. При этом новым элементом силовой схемы блока электромагнитной совместимости в сравнении с традиционной силовой схемой есть активный фильтр последовательного типа, который обеспечивает уменьшение массы фильтрового оборудования в 3,5 разы . Разработана методика расчета и схемные решения защиты от токов короткого замыкания тяговых асинхронных двигателей вагонов, которые при отказах в инверторе напряжения типа „пробой ключа” или несанкционированное срабатывание тиристорного короткозамыкателя решают задачу ограничения на уровне номинального пускового момента, ударных тормозных моментов на валах тяговых асинхронных двигателей. Улучшение технико-экономических показателей подсистем электрической тяги метрополитенов возможно за счет перехода на электроснабжение с продольной высоковольтной линией постоянного тока 12 кВ, выпрямителей-стабилизаторов напряжения, питания тяговой сети повышенным напряжением 1500 В, а относительно поездов, перехода к асинхронному электроприводу повышенной мощности, с однозонной характеристикой управления.
EN: ABSTRACT. The thesis is devoted to the decision scientifically - technical problem – resource saving during maintenance of undergrounds due to development of undergrounds electric traction system. Conceptions of undergrounds energy supply construction and power electrodrive by the basis of distributive structure with the direct-current longitudinal high-voltage line, deep enter surface main hauling substations, located by the ends of undergrounds lines, underground points of hauling network feed by voltage 1500 V are offered in the thesis. For the increase of trains motion safety the scheme of vehicles electric machine block with a group power engines onearea management is developed, which limits the size of engines short circuit currents at refuses in a negator and shuts out destructive shock moments on the engines billows. Comparative estimation of three-phase and diphase asynchronous power engine from their energy-savings point of view is conducted. The methods of electric traction subsystems devices design, which simplify the decision of analysis tasks and devices parameters synthesis, and also tasks of virtual experiments for improve theoretical job performances are developed.
RU: АННОТАЦИЯ. Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы-энергосбережению при эксплуатации метрополитенов за счет совершенствования системы электрической тяги метрополитенов, учитывающая переход на распределительное тяговое электроснабжение с продольной высоковольтной линией питания постоянного тока и поезда смешанной структуры, которые формируются из вагонов с тяговыми асинхронными двигателями и безмоторными, что позволяет существенно повысить энергоэффективность и надежность системы электрической тяги метрополитенов. Исследования структуры и режимов роботы систем электрической тяги метрополитенов показали, что еще в недостаточной мере используются достижения научно-технического прогресса и внутренние резервы предприятий. Особенно это относится к проблеме энергоснабжения, поскольку расходы на оплату электроэнергии превышают 30 % в себестоимости пассажирских перевозок. В частности, тяговые подстанции имеют коэффициент полезного действия до 0,95, а коэффициент полезного действия тяговых электроприводов вагонов метро не превышает 0,80. В работе выполнена оценка технического совершенства подсистем электрической тяги, которые являются основой повышения уровня энергосбережения. Показано, что отечественные метрополитены, которые используют систему электрической тяги напряжением 825 В с подземными тяговыми подстанциями на базе шестипульсных диодных выпрямителей и поездов с тяговыми двигателями постоянного тока нуждаются в реконструкции, а также модернизации технических средств. Разработаны основы теории и проведено моделирование энергоэффективных двенадцатипульсных выпрямителей с вольтдобавкой – стабилизаторов напряжения для тяговых подстанций метрополитенов с продольной линией питания постоянного тока. Использование таких стабилизаторов напряжения позволяет при незначительном увеличении установленной мощности преобразовательного агрегата обеспечить стабилизацию напряжения на шинах тяговой подстанции во всем диапазоне колебаний напряжения питания при коэффициенте мощности сети питания не ниже 0,98. При этом переход на высшее выпрямленное напряжение, а именно 12 кВ, дает возможность поднять коэффициент полезного действия главных понижающих подстанций 0,955. Разработана методика анализа тяговых мостовых автономных инверторов напряжения с узлами однородной коммутации, которые обеспечивают „мягкую” коммутацию силовых ключей при синусоидальной широтно-импульсной модуляции исходного напряжения. Показано, что коэффициент полезного действия автономных инверторов напряжения на IGBT-модулях с „мягкой” коммутацией при частоте широтно-импульсной модуляции 3 кГц и напряжению питания 1500. На основе анализа силовой схемы преобразователя постоянного напряжения с промежуточным звеном однофазного тока повышенной частоты доработан алгоритм его функционирования, что обеспечивает „мягкую” коммутацию силовых ключей и дает возможность реализовать коэффициент полезного действия пунктов питания тяговой сети 0,955. Повышение уровня напряжения в тяговой сети до 1500 В позволяет улучшить энергетические показатели тягового электропривода. Использование на тяговой сети метрополитенов преобразователей постоянного напряжения с промежуточным звеном однофазного переменного тока повышенной частоты позволяет осуществлять наряду с функцией трансформации постоянного напряжения без генерации реактивной мощности, двусторонний обмен электроэнергией между продольной высоковольтной линией питания и тяговой сетью. Научно обоснована целесообразность однозонного управления тяговыми асинхронными двигателями вагона, что позволяет уменьшить массо-габаритные показатели электрооборудования тягового электропривода повышенной мощности, и уменьшить расходы электроэнергии на тягу за счет сокращения времени разгона и торможения. Обоснована структура блока электромагнитной совместимости тягового асинхронного электропривода вагона с тяговой сетью в установившихся переходных режимах. При этом новым элементом силовой схемы блока электромагнитной совместимости в сравнении с традиционной силовой схемой есть активный фильтр последовательного типа, который обеспечивает уменьшение массы фильтрового оборудования в 3,5 разы . Разработана методика расчета и схемные решения защиты от токов короткого замыкания тяговых асинхронных двигателей вагонов, которые при отказах в инверторе напряжения типа „пробой ключа” или несанкционированное срабатывание тиристорного короткозамыкателя решают задачу ограничения на уровне номинального пускового момента, ударных тормозных моментов на валах тяговых асинхронных двигателей. Улучшение технико-экономических показателей подсистем электрической тяги метрополитенов возможно за счет перехода на электроснабжение с продольной высоковольтной линией постоянного тока 12 кВ, выпрямителей-стабилизаторов напряжения, питания тяговой сети повышенным напряжением 1500 В, а относительно поездов, перехода к асинхронному электроприводу повышенной мощности, с однозонной характеристикой управления.
EN: ABSTRACT. The thesis is devoted to the decision scientifically - technical problem – resource saving during maintenance of undergrounds due to development of undergrounds electric traction system. Conceptions of undergrounds energy supply construction and power electrodrive by the basis of distributive structure with the direct-current longitudinal high-voltage line, deep enter surface main hauling substations, located by the ends of undergrounds lines, underground points of hauling network feed by voltage 1500 V are offered in the thesis. For the increase of trains motion safety the scheme of vehicles electric machine block with a group power engines onearea management is developed, which limits the size of engines short circuit currents at refuses in a negator and shuts out destructive shock moments on the engines billows. Comparative estimation of three-phase and diphase asynchronous power engine from their energy-savings point of view is conducted. The methods of electric traction subsystems devices design, which simplify the decision of analysis tasks and devices parameters synthesis, and also tasks of virtual experiments for improve theoretical job performances are developed.
Description
Захист – 26 травня 2011 р., Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Keywords
енергозбереження, метрополітен, електрична тяга, тягова підстанція, асинхронний двигун, випрямляч, автономний інвертор напруги, энергосбережение, метрополитен, электрическая тяга, тяговая подстанция, асинхронный двигатель, выпрямитель, автономный инвертор напряжения, energy-savings, underground, electric traction, asynchronous engine, power substation
Citation
Хворост М. В. Розвиток наукових основ систем електричної тяги метрополітенів : авторф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.09. Дніпропетровськ, 2011. 42 с.