Разработка устройства удаления гололеда с двойного контактного провода импульсно-резонансным методом на основе управляемого преобразователя

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Разработка устройства удаления гололеда с двойного контактного провода импульсно-резонансным методом на основе управляемого преобразователя

Специальность: 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Бунзя Андрей Вадимович

Екатеринбург - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Научные руководитель - доктор технических наук, доцент Галкин Александр Геннадиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бурков Анатолий Трофимович,

кандидат технических наук, доцент Смердин Александр Николаевич.

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС).

Защита состоится "14" декабря 2007 года в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения (УрГУПС) по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул.Колмогорова, 66, ауд. 283.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 13 " ноября 2007 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес Ученого совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.Р. Асадченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из проблем, серьезно ухудшающих токосъем и способствующих развитию автоколебаний, является отложение гололеда на контактном проводе (КП). Наличие гололеда приводит к увеличению стрелы провеса, а также к увеличению переходного сопротивления в точке контакта полоз токоприемника - КП. В настоящее время для удаления гололеда с КП применяют плавку гололеда, профилактический подогрев, вибропантографы, специальные гололедообивочные барабаны, антигололедную смазку, ручное удаление гололеда при помощи изолированных штанг и шестов.

Каждый из указанных методов имеет недостатки. При плавке гололеда расход электрической энергии небольшой, но велика опасность отжига проводов. При профилактическом подогреве опасность отжига проводов невелика, но высоки расходы электроэнергии.

Вибропантографы удаляют гололед локально, а потому имею низкую производительность. Кроме того, при движении локомотива в режиме тяги не исключается опасность пережога проводов из-за неполного удаления гололеда. Можно в качестве локомотива использовать локомотив с автономной тягой, но это также сопряжено с дополнительными расходами.

Гололедообивочные барабаны размещают на специально оборудованных дрезинах, их скорость и быстродействие ограничены, кроме того, существует опасность повреждения и деформации КП. Антигололедная смазка, из-за ее непрерывного удаления движущимися токоприемниками не нашла широкого применения. Ручные способы удаления гололеда обслуживающим персоналом при помощи шестов и изолированных штанг имеют крайне низкую производительность. Поэтому проблема удаления гололеда актуальна.

В 1999г. для повышения эффективности и скорости удаления гололёда с двойных проводов контактной сети был предложен импульсно-резонансный способ, согласно которому через контактные провода пропускают импульсы тока с частотой, близкой к механическому резонансу и амплитудой, достаточной для преодоления внешних и внутренних сил трения.

Под действием периодической силы Ампера провода начинают раскачиваться и ударяться друг о друга, что приводит к ускоренному разрушению гололёдных образований. При этом процессы взаимодействия проводов зависят от формы импульсов и их скважности.

Практическая реализация такого способа возможна с помощью управляемого преобразователя, подающего в провода силовые импульсы тока. Однако расчет по известным методикам формы импульса и параметров преобразователя, существенную часть времени работающего в переходных режимах, дает значительную погрешность, обусловленную допущениями, применяемыми при расчете мощных преобразователей.

Необходимость точного описания формы импульсов выпрямленного тока обеспечивает актуальность разработки математической модели преобразователя, позволяющей определить функции токов и напряжений с учетом конечных значений активных и индуктивных сопротивлений цепей переменного и постоянного токов.

Цель работы: разработка устройства удаления гололеда (УУГ) с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом (ИРМ) для снижения времени, сокращения энергозатрат и исключения отжига контактных проводов при удалении гололеда.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ способов удаления гололеда с проводов контактной сети;

2. Разработать математическую модель соударения контактных проводов;

3. Теоретически и экспериментально исследовать параметры процесса соударения контактных проводов, условия его возникновения и определить необходимые параметры источника питания;

4. Разработать алгоритм изменения частоты УУГ для участка контактной сети;

5. Разработать математическую модель управляемого трехфазного мостового преобразователя с учетом конечных значений активных и индуктивных сопротивлений цепи переменного тока и нагрузки;

6. Исследовать параметры переходного и установившегося режимов преобразователя;

7. Исследовать возможность получения импульсов выпрямленного тока заданной частоты и формы;

8. Произвести испытания и оценить экономическую эффективность применения УУГ ИРМ.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием численной модели соударения проводов, построенной на базе метода конечных элементов, и численно-аналитической модели переходных процессов преобразователя, основанной на составлении и решении систем линейных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проведены с использованием методики математического планирования эксперимента и статистической обработки результатов исследований.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель раскачки и соударения контактных проводов под действием периодического электромагнитного взаимодействия с учетом неупругого характера ударов;

2. Исследовано влияние формы и скважности импульсов на процесс раскачки и соударения контактных проводов;

3. Разработан алгоритм изменения частоты импульсов тока, обеспечивающих соударения контактных проводов в петле, содержащей множество пролетов различной длины;

4. Разработана математическая модель управляемого трехфазного мостового преобразователя, учитывающая конечные значения активных и индуктивных сопротивлений цепи переменного и выпрямленного токов; получены аналитические выражения для расчета мгновенных, средних и действующих значений токов и напряжений преобразователя, а также коэффициентов Фурье указанных функций.

Практическая ценность работы. Разработана методика настройки УУГ ИРМ для конкретного участка контактной сети, обеспечивающая минимальное время удаления льда.

Разработана методика расчета преобразователя, позволяющая определить форму импульсов тока с учетом параметров петли контактной подвески и цепи переменного тока при заданном изменении углов регулирования.

Разработанное УУГ ИРМ, введенное в эксплуатацию на Свердловской железной дороге - филиале ОАО «РЖД», позволяет удалять гололед с контактных проводов, и, следовательно, защищает их от пережогов и возможных при гололеде автоколебаний. При этом, по сравнению с методом плавки, сокращается время удаления, исключается риск отжига, не требуется контроля процесса плавки, сокращаются энергозатраты.

На защиту выносится:

- математическая модель раскачки и соударения контактных проводов под действием периодического электромагнитного взаимодействия с учетом неупругого характера ударов, позволяющая учитывать форму импульсов тока, их скважность и изменение частоты;

- алгоритм изменения частоты импульсов тока, обеспечивающих соударения контактных проводов в петле, содержащей множество пролетов различной длины;

- математическая модель управляемого трехфазного мостового преобразователя, учитывающая конечные значения активных и индуктивных сопротивлений цепи переменного и выпрямленного токов;

- аналитические выражения для расчета мгновенных, средних и действующих значений токов и напряжений преобразователя, а также коэффициентов Фурье указанных функций.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТК «Фундаментально-прикладные исследования - транспорту», Екатеринбург, 1995-96г; Всероссийской НТК «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту - 2000», Екатеринбург, 2000 г.; V межвузовской НТК: «Молодые ученые - транспорту», Екатеринбург, 2004 г.; международной НТК: «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», Екатеринбург, 2006 г.

Результаты диссертационных исследований были доложены на совместном научном семинаре кафедр "Электрические машины", "Теоретические основы электротехники", "Электроснабжение транспорта" и "Электрическая тяга" УрГУПС.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 печатных работах: 1 статья в журнале из списка, утвержденного ВАК для обязательной публикации результатов диссертаций, 5 статей в сборниках научных работ и материалах научно-технических и научно-практических конференций, 1 депонированная статья, тезисы 7 докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 47 наименований. Содержание изложено на 185 машинописных страницах, в том числе включает 19 таблиц, 42 рисунка и приложения.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору А.В. Ефимову за поддержку и ценные советы, а также большую признательность профессору Р.Н. Урманову, под научным руководством которого разработаны разделы 3.2-3.6.

Первая глава посвящена обзору существующих традиционных мер по удалению гололеда с проводов контактной сети.

Проведен анализ эксплуатационной надежности. Рассмотрены параметры гололедно-изморозевых отложений.

Проведен анализ способов удаления гололеда с контактных проводов. Рассмотрены механические и химические способы борьбы с гололедом, профилактический подогрев и плавка гололеда методом короткого замыкания. Выявлены недостатки каждого способа.

Установлено, что наиболее эффективным направлением в создании устройства удаления гололеда является сочетание подплавки льда путем пропускания электрического тока по проводам с механическими ударными воздействиями на них.

Вторая глава посвящена математическому моделированию процессов раскачки и соударения контактных проводов под действием их периодического электромагнитного взаимодействия. При моделировании использован математический аппарат метода конечных элементов (МКЭ). Особенностями применения МКЭ к расчету динамического взаимодействия контактных проводов являются:

1. перемещающиеся в пространстве и переменные во времени нагрузки;

2. нелинейные эффекты, вызванные ударами контактных проводов;

3. неупругий характер ударов.

Суть МКЭ в решаемой проблеме состоит в том, что система «контактный провод - контактный провод», имеющая бесконечно большое число степеней свободы заменяется дискретной моделью связанных между собой конечных элементов с конечным числом степеней свободы. Конечный элемент (отрезок провода) представлен в виде элементарной массы, связанной с соседними массами невесомыми, абсолютно жесткими, шарнирно соединенными стержнями.

Рассмотрим принцип записи уравнений, описывающих поведение конечного элемента контактного провода в горизонтальной плоскости. Обозначим:

m_i - масса i-го элемента контактного провода, кг;

i - номер элемента;

К - натяжение контактного провода, Н;

x_i - координата i-го элемента контактного провода в поперечном направлении, м;

l_i - координата i-го элемента контактного провода в продольном направлении, м;

r_вш - коэффициент внешнего вязкого трения;

P_вшi - сила внешнего вязкого трения i-го элемента, Н;

r_вн - коэффициент внутреннего вязкого трения;

P_внi - сила внутреннего вязкого трения i-го элемента, Н;

P_инi - сила инерции i-го элемента, Н;

I - сила тока контактного провода, А;

F_Ai - сила Ампера i-го элемента, Н.

В соответствии с принципом Даламбера запишем уравнение равновесия i-й элементарной массы (рис.1):

где

;

;

;

,

₀ = 410^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Рис.1. Силы, действующие на элемент контактного провода

Степень неупругости удара в математической модели учитывается коэффициентом восстановления скорости k_вс, определенным экспериментальным путем. Значение k_вс для контактных проводов МФ-100 при скоростях до удара 0,2ч1,3 м/с лежит в пределах 0,7ч0,65; для тех же контактных проводов с гололедом при толщине стенки льда b=5мм он составляет 0,5ч0,6 при тех же значениях скорости.

Средняя длительность удара, также определенная экспериментально, составила 150мкс, что существенно меньше периода импульса тока. Поэтому время удара при расчете положения элементов контактных проводов не учитывалось. После создания модели динамического взаимодействия проводов и отладки программы расчетов для ЭВМ было проведено сравнение результатов расчетов с экспериментом. Для соударений контактных проводов использовалась модель контактной подвески длиной 14,6м.

Для конечных элементов размером 1,8м при натяжении контактных проводов 2Ч2000Н расхождение расчетных величин с экспериментальными составило: для количества колебаний до первого удара - 4,6%, для максимального размаха - 6,2%, для частоты при соударениях - 1,7%. Расхождения могут быть обусловлены конечным числом элементов, рассмотрением перемещений проводов только в горизонтальной плоскости, а также несовершенством модели контактной подвески.

При проведении вычислительных экспериментов установлено значительное влияние формы импульса на скорость раскачки проводов. Для одного и того же максимального тока количество колебаний до первого удара минимально для прямоугольной формы импульса со скважностью 2.

Анализ результатов вычислений для различных коэффициентов заполнения импульсов утверждает целесообразность увеличения скважности для повышения энергетических показателей.

Для удаления льда на участке контактной сети со множеством пролетов с различными параметрами необходимо изменять частоту по определенному закону. Петля двухпутного участка контактной сети от тяговой подстанции до поста секционирования длиной 10км содержит около 300 пролетов различной длины от 35 до 75м. Кроме длины пролета на частоту собственных колебаний влияют и другие факторы: удельная нагрузка, зависящая от типа провода, количества и типа зажимов, толщина стенки льда и его структура, натяжение контактных проводов. На основании результатов вычислений, произведенных с помощью математической модели соударения проводов, для обеспечения стабильных соударений в каждом пролете был разработан алгоритм изменения частоты импульсов тока с учетом времени раскачки и необходимого для удаления льда количества ударов.

Далее отражены результаты проведенных на основе разработанной методики и программы расчетов вычислительных экспериментов. Произведена оценка влияния натяжения контактных проводов, величины пропускаемого тока и длины пролета на частоту колебаний и скорость элементов проводов при ударах с гололедом и без. Определено необходимое значение тока для разрушения гололеда.

Для практической реализации было рассмотрено и опробовано несколько схемных решений УУГ:

1. Устройство, содержащее однофазный трансформатор, вторичная обмотка которого присоединена к петле контактной подвески, а первичная подключается к источнику переменного напряжения через тиристорный ключ. Блок управления тиристорным ключом позволяет подавать в контактную подвеску импульсы, сформированные переменным током промышленной частоты. Частота и длительность импульсов регулируется блоком управления;

2. Полууправляемый трехфазный мостовой преобразователь, выходные зажимы которого подключены к петле контактной подвески. Блок управления формирует импульсы постоянного тока заданной величины, частоты и длительности;

3. Управляемый трехфазный мостовой преобразователь с блоком управления, позволяющий формировать и подавать в подвеску импульсы постоянного тока заданной формы и частоты.

Все перечисленные схемные решения работоспособны. Первое устройство использовалось как макет УУГ ИРМ и приводило к раскачке и соударениям проводов МФ-100 модели контактной подвески длиной 14,6м с натяжением контактных проводов 2Ч2000Н. Исследования, проведенные с его помощью, позволили произвести проверку справедливости математической модели и определить основные характеристики соударений проводов. Однако при повышении тока контактного провода выше 140А работа установки становилась нестабильной, тиристорный ключ прекращал закрываться. Для натурных испытаний на полигоне контактной сети с реальной длиной пролетов и натяжением контактных проводов было использовано второе устройство как макет УУГ ИРМ мощностью 30кВА, позволяющим пропускать по контактным проводам токи в 250А.

Однако для действующего УУГ ИРМ была принята третья схема, как наиболее надежная по запиранию тиристоров, позволяющая более точно поддерживать заданную частоту и форму импульса, а также имеющая лучшие энергетические показатели.

Третья глава посвящена разработке математической модели трехфазного мостового управляемого преобразователя, используемого для формирования импульсов тока требуемой частоты и формы. При расчете мощных преобразователей, содержащих значительную индуктивность в цепи нагрузки, обычно пренебрегают активным сопротивлением цепи переменного тока; индуктивность цепи выпрямленного тока считают бесконечно большой. При этом выпрямленный ток принимают идеально сглаженным, характер коммутации - прямолинейным.

Параметры и характер работы преобразователя УУГ определяют ряд особенностей его расчета.

Трансформатор УУГ имеет небольшую мощность (400-1000кВА) и значительную долю активной составляющей напряжения короткого замыкания, что усиливает нелинейный характер коммутации;

УУГ имеет кратковременный режим работы импульсного характера, что позволяет в целях экономической целесообразности использовать трансформатор меньшей мощности (снизить расчетную мощность трансформатора). При этом в течение импульса трансформатор работает в режиме перегрузки, что приводит к увеличению длительности коммутации;

Нагрузкой преобразователя УУГ является петля контактной сети, обладающая активным сопротивлением и конечным значением индуктивности, определяющей величину пульсаций выпрямленного тока, а также характер нарастания и спадания импульса тока. Таким образом, учет величины индуктивности необходим при анализе формы импульсов тока.

При формировании преобразователем импульсов частотой 2-4Гц с коэффициентом заполнения меньше 0,5 переходный процесс занимает значительную долю длительности импульса. Поэтому учет переходного процесса необходим при определении параметров преобразователя.

В зависимости от параметров подвески преобразователь работает при различных и в том числе значительных углах регулирования тиристоров, при этом форма выпрямленного тока резко отличается от идеально сглаженной.

Перечисленные особенности преобразователя УУГ приводят к значительным погрешностям при его расчете с допущениями, правомерными для мощных преобразователей.

При разработке математической модели приняты следующие допущения:

- тиристоры идеальны, падением напряжения в них пренебрегаем;

- все активные и индуктивные сопротивления линейны;

- преобразователь является симметричным;

- намагничивающие токи трансформаторов не учитываются;

- собственные емкости элементов электрооборудования пренебрежимо малы.

Метод расчета электромагнитных процессов преобразователя основан на составлении и решении системы линейных дифференциальных уравнений для расчетных схем коммутационных и межкоммутационных промежутков времени. Решением уравнений в общем случае являются функции, содержащие синусоидальную и экспоненциальную составляющие.Начало коммутации определяется с учетом падения напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях цепи переменного тока. Угол естественного открытия вентиля и момент окончания коммутации определяются из трансцендентных уравнений численным методом с погрешностью 0,01эл.град. Поинтервальная повторяемость структуры расчетных схем приводит к идентичным решениям дифференциальных уравнений, отличающимся в течение переходного процесса только постоянными интегрирования. При наступлении квазиустановившегося режима постоянные интегрирования перестают меняться, углы естественного открытия и длительность коммутации остаются неизменными.

Для получения аналитических функций мгновенных значений токов и напряжений установившегося режима рассматривается переходный процесс при включении преобразователя до момента времени, когда переходные процессы, обусловленные коммутацией вентилей, идентично повторяются.

Используя выражения функций токов для установившегося режима, найдены аналитические соотношения для определения средних значений выпрямленного тока и напряжения. Для определения действующих значений получены аналитические выражения коэффициентов Фурье, а также формулы для непосредственного вычисления действующих значений выпрямленного тока, тока плеча и фазы преобразователя, выпрямленного напряжения и напряжения вентильной обмотки, а также падения напряжения в петле контактной сети, фидерах и фазе трансформатора.

Четвертая глава посвящена разработке и результатам испытаний макетного и опытного образцов УУГ ИРМ.

Экспериментальные исследования проводились на модели контактной подвески 2МФ100+М120, натянутой между стенами учебной аудитории №100 здания УрГУПС, и имеющей длину 14,6 м. Модель содержит стяжное устройство, позволяющее регулировать натяжение контактных проводов в небольших пределах, изоляторы, стяжные зажимы, позволяющие изменять величину зазора между контактными проводами, пружину, имитирующую упругость контактных проводов реального пролета. Контактные провода присоединены к несущему тросу двумя изолированными струнами. Среднее натяжение каждого контактно провода составляет 2кН.

Для подачи в контактную подвеску импульсов тока с частотой механического резонанса контактных проводов была изготовлена модель установки удаления гололеда. Анализ результатов экспериментальных исследований показал:

при пропускании по парным контактным проводам импульсного тока с частотой их собственных колебаний, происходит раскачка этих проводов, сопровождающаяся соударениями;

раскачка проводов до соударений производится с частотой собственных колебаний контактных проводов; при возникновении соударений частоту подаваемых импульсов следует увеличить на 1,5-2% для обеспечения стабильного характера соударений;

с увеличением зазора контактных проводов величина минимального тока, необходимого для соударений, возрастает. Так например, при прямоугольной форме импульсов со скважностью 2 для длины пролёта 14,6 м и натяжении контактных проводов 2 кН соударения были получены при минимальных значениях тока, приведенных в таблице 1;

необходимое число колебаний до начала соударений уменьшается с увеличением тока по закону, близкому к экспоненциальному; с увеличением зазора число колебаний до первого удара нелинейно возрастает.

Таблица1.

Минимальные значения токов раскачки при различных зазорах

d,--мм	30	35	40	45
Iк.пр , А	54	83	102	121

Данная модель позволила спрогнозировать поведение установки в реальных условиях. Была экспериментально доказана возможность раскачки парных контактных проводов и приведения их в соударения силами электромагнитного взаимодействия.

Дальнейшие исследования проводились в направлении разработки действующего макета установки для удаления гололёда и его испытания на рабочем полигоне контактной сети.

Макет устройства удаления гололеда импульсно-резонансным методом (УУГ ИРМ) был выполнен на базе трехфазного сварочного аппарата постоянного тока Etronithy-600 мощностью 30 кВА, содержащего трансформатор, полууправляемый трехфазный мостовой выпрямитель, блок управления и реактор в цепи выпрямленного тока. Дополнительно в разрез цепи управления тиристорами выпрямителя включено трехфазное твердотельное оптореле переменного тока 5П36.30ТМА1-20-8, входные зажимы которого присоединены к выходу генератора сигналов специальной формы Г6-28, способному изменять частоту выходных сигналов. Благодаря установленному трехфазному ключу, шунтирующему оптореле, макет УУГ ИРМ может работать в двух режимах: импульсном, при котором с помощью генератора Г6-28 обеспечивается необходимая для раскачки и соударений контактных проводов частота прямоугольных импульсов силового тока (до 550 А), и непрерывном, дающим возможность установить и зафиксировать нужное значение тока. В силовую цепь выпрямленного тока дополнительно включены токоограничивающие резисторы и шунт для возможности определения силы и формы тока с помощью милливольтметра и осциллографа.

В 2005г. на полигоне контактной сети ЭЧК были успешно проведены натурные испытания действующего макета УУГ ИРМ. В пролете контактной подвески типа МСМ70+2МФ100 длиной 65 м было установлено натяжение контактных проводов, равное 7 кН на провод, и зазор между осями контактных проводов, равный 55 мм. Пролет содержал 9 струн с врезанными изоляторами; износ контактного провода, оцениваемый высотой сечения, составлял 8 мм. При включении макета УУГ ИРМ в импульсном режиме по контактным проводам протекал ток в виде импульсов прямоугольной формы с частотой 1,27 Гц, равной частоте их механического резонанса.

Зафиксировано, что при токе контактного провода 160А контактные провода раскачивались и приходили в стабильные соударения спустя 4 импульса тока, т.е. через 3,2 секунды после включения УУГ ИРМ в импульсном режиме. Размах колебаний в середине пролета составлял 68 мм между осями контактных проводов. При токе контактного провода 250А соударения возникли на 2 импульсе. Размах колебаний составил 72 мм.

Таким образом, успешно проведенные натурные испытания доказали возможность раскачки парных контактных проводов и приведения их в соударения в одном пролете реальной контактной подвески, а также подтвердили закономерности, полученные на моделях УУГ и контактной подвески. гололед провод вибропантограф преобразователь

Действующий макет УУГ ИРМ прошел также натурные испытания на полигоне контактной сети железнодорожного техникума в зимних условиях. В пролете контактной подвески типа МСМ70+2МФ100 длиной 23 м было установлено предельно допустимое для полигона натяжение контактных проводов, равное 4,5 кН на провод, и зазор между осями контактных проводов, равный 55 мм. Пролет содержал 2 струны с врезанными изоляторами; износ контактного провода, оцениваемый высотой сечения, составлял 8 мм. После 4-минутной подплавки льда током 500А на провод гололед был удален ИРМ способом в течение 4,5 минут (рис.2).

Рис.2. Процесс удаления гололеда

Были разработаны технические требования на изготовление опытного образца УУГ ИРМ, представляющего собой отдельное устройство, устанавливаемое на тяговой подстанции, содержащее трансформатор, блок силовых тиристоров и микроконтроллер. Последний должен определять и задавать величину углов открытия тиристоров, обеспечивая частоту импульсов тока, подаваемых в контактную сеть. Частота импульсов должна плавно изменяется в пределах резонансных частот всех пролетов перегона с задержками на резонансной частоте каждого пролета.

Опытный образец, изготовленный ОАО «Российская Электротехническая Компания», способен приводить в соударения двойные контактные провода подвески типа М120+2МФ100+2А185 на двухпутном участке длиной до 10 км, при этом средняя плотность тока в подвеске не превышает 2 А/мм². Опытный образец устройства содержит силовой трансформатор ТМ-400/10-0,4 и блок управления и формирования силовых импульсов в виде управляемого трехфазного мостового выпрямителя ПТ-2000/600-УХЛ4 с системой защиты и управления с помощью микроконтроллера.

УУГ ИРМ является аппаратно-программным комплексом, благодаря чему обеспечивается максимальная гибкость рабочих параметров установки. Аппаратная часть (преобразователь, трансформатор и силовые цепи) может быть унифицированной при серийном изготовлении устройства. Алгоритм работы, частота импульсов, их форма и скважность задается микроконтроллером под управлением специальной программы. Для создания устойчивых соударений в пролетах разной длины программное обеспечение реализует автоматический перебор частот в широком диапазоне от 0,8 Гц до 2,8 Гц.

Во время эксплуатационных испытаний петля контактной сети образовывалась на действующем двухпутном участке Свердловской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» с подвеской типа М120+2МФ100+2А185 длиной 8,5 км - от тяговой подстанции до поста секционирования. Петля контактной сети содержала 18 анкерных участков, из них 12 анкерных участков перегона и 6 анкерных участков станционных путей. Петля состояла из 260 пролетов главного пути и 22 пролетов боковых путей длиной от 46м до 76м, износ контактных проводов 15%. В состав петли входили 18 средних анкеровок, 14 сопряжений, 2 из которых - изолированные с защитой от пережогов, 8 воздушных стрелок.

В общей сложности была проведена серия из семи крупных экспериментов; работа установки проверялась в автоматическом и ручном режиме при токе установки в импульсе 700А, 1000А, 1400А, 1650А. Во время испытаний произведена видеозапись соударений контактных проводов на характерных участках: в промежуточном пролете (рис. 3), пролете средней анкеровки, пролетах, содержащих воздушные стрелки, пролете неизолированного сопряжения анкерных участков, а также пролете изолированного сопряжения, оборудованного защитой от пережогов. Продолжительность соударений составляла 40-50 с, число ударов достигало 70-80.

Рис.3. Соударения в промежуточном пролете

Таким образом, все проведенные испытания полностью подтверждают работоспособность УУГ ИРМ. Раскачка контактных проводов и их стабильные соударения с амплитудой, достаточной для удаления гололеда, имели место во всех пролетах выбранного участка контактной сети.

Определена технико-экономическая эффективность внедрения УУГ ИРМ. Основной экономический эффект заключается в снижении потребления электроэнергии при удалении гололеда, сокращении времени удаления до 10 минут, и, соответственно сокращении времени внепланового простоя поездов, а также в исключении риска отжига контактных проводов во время удаления гололеда. УУГ ИРМ позволяет сократить расход энергии на 21000 кВтч на 100 км двухпутного участка при каждом удалении гололеда. Расчетный экономический эффект составляет 68,46 тысяч рублей в год на одно устройство.

Опытный образец УУГ ИРМ введен в эксплуатацию, устройство удаления гололеда импульсно-резонансным методом включено в план обновления ОАО «РЖД» 2007 г.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проанализированы способы удаления гололеда с проводов контактной сети. Установлено, что наиболее эффективным направлением в создании устройства удаления гололеда является сочетание подплавки льда путем пропускания электрического тока по проводам с механическими ударными воздействиями на них.

2. На базе расчетов и численной модели на основе метода конечных элементов, разработана методика, позволившая исследовать механизм раскачки и соударения парных контактных проводов с учетом неупругого характера ударов и оценить при этом ударные характеристики в различных точках подвески.

3. С помощью вычислительных экспериментов показано существенное влияние формы и скважности импульсов на процесс раскачки и соударений контактных проводов.

4. По результатам численного моделирования и экспериментальных исследований установлены необходимые значения тока для удаления льда в зависимости от натяжения контактных проводов, их износа, зазора между их осями и величины гололедных образований.

5. Получена функция изменения частоты импульсов тока для обеспечения необходимого количества соударений контактных проводов в подвеске, содержащей множество пролетов различной долины.

6. На базе численно-аналитического метода расчета электромагнитных процессов в трехфазном мостовом преобразователе разработана методика расчета, позволяющая определить форму импульсов тока с учетом параметров петли контактной подвески и цепи переменного тока при заданном изменении углов регулирования.

7. Получены уточненные средние и действующие значения токов и напряжений преобразователя, позволяющие производить выбор параметров УУГ ИРМ.

8. Разработаны технические требования, проведены натурные и эксплуатационные испытания опытного образца УУГ ИРМ, разработаны рекомендации по его практическому применению.

9. Произведена оценка экономического эффекта от внедрения УУГ ИРМ. По сравнению с удалением гололеда методом плавки УУГ ИРМ позволяет сократить расход энергии на 21000кВтч на 100км двухпутного участка при каждом удалении гололеда. Расчетный экономический эффект составляет 68,5 тысяч рублей в год на одно устройство.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Бунзя А.В. Разработка и испытание устройства удаления гололеда с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом // Транспорт Урала. - 2007. - 1(12). - С. 105-112 (входит в перечень ВАК России)

2. Бунзя А.В. Влияние параметров преобразовательного трансформатора и сглаживающего реактора на внешние характеристики трехфазного мостового преобразователя. Сборник научных трудов: «Повышение надежности работы устройств электроснабжения железных дорог» // УрГУПС.- Екатеринбург, 2000.- Вып. 13(95).- С. 163-175.

3. Бунзя А.В. К определению гармонических составляющих токов и напряжений трехфазного мостового преобразователя // Труды V межвузовской НТК: «Молодые ученые - транспорту» .- Екатеринбург: УрГУПС, 2004.- Ч.1.- С. 5-15.

4. Бунзя А.В. Влияние индуктивности сглаживающего реактора на полную внешнюю характеристику трехфазного мостового преобразователя // Труды Всероссийской НТК, «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту - 2000».- Екатеринбург:УрГУПС, 2000.- Ч.1- С. 275-277.

5. Бунзя А.В. Влияние параметров сглаживающего реактора на гармонический состав токов и напряжений управляемого трехфазного мостового преобразователя / Тезисы доклада НТК, (посвященной 120-летию свердловской железной дороги). -Екатеринбург: УрГАПС, 1998.-С. 92-93.

6. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Бунзя А.В., Кондрышов М.В. Исследование способа удаления гололеда с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом на модели. Деп. в ВИНИТИ.- Екатеринбург, 03.08.2004, №1347-В2004.

7. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Бунзя А.В., Вербицкий В.А., Пятецкий И.А., Баракшин В.Н., Шуравин С.В. Результаты эксплуатационных испытаний устройства удаления гололеда с двойных контактных проводов импульсно-резонансным методом // Материалы международной НТК, «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России». - Екатеринбург: УрГУПС, 2006.- С. 147-148.

8. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. К расчету процессов в трехфазном мостовом преобразователе / Сборник научных трудов: «Энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте».- Екатеринбург: УрГАПС, 1995.- Вып. 3(85).- С. 3-15.

9. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. К расчету мгновенных значений и высших гармонических токов трехфазного мостового преобразователя / Сборник научных трудов: «Наука и транспорт сегодня: проблемы и решения».- Екатеринбург: УрГАПС, 1996.- Вып. 5(87).- С. 59-67.

10. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. Аналитический расчет мгновенных значений токов и углов коммутаций 6-ти пульсового преобразователя / Материалы конференции: «Железнодорожный транспорт сегодня и завтра».- Екатеринбург: УрГАПС, 1999.- Ч.2.- С. 166-177.

11. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. Уточненные внешние характеристики трехфазного мостового преобразователя // Труды Всероссийской НТК, «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту - 2000».- Екатеринбург: УрГУПС, 2000.- Ч.1- С. 278-279.

12. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. Особенности режимов трехфазного мостового преобразователя. Тезисы докладов НТК (посвященной презентации УрГАПС) «Фундаментально-прикладные исследования - транспорту» .-Екатеринбург: УрГАПС, 1995.-Ч.1-С. 37.

13. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. К расчету мгновенных и средних значений токов и напряжений трехфазного мостового выпрямителя / Тезисы докладов НТК (посвященной 40-летию УрГАПС) «Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту».-Екатеринбург: УрГАПС, 1996.-Ч.1-С. 43-44.

14. Урманов Р.Н., Бунзя А.В. Работа трехфазного мостового преобразователя в режимах горения диодов группами по 4 и 3 / Тезисы доклада НТК, (посвященной 120-летию свердловской железной дороги). -Екатеринбург: УрГАПС, 1998.-С. 101-102.

Размещено на Allbest.ru