Гармоники тока в силовых цепях электровоза ВЛ-10 и их влияние на работу оборудования

Электрическая энергия для электровозов является ключевым ресурсом, обладающим уникальными свойствами. Её качество напрямую влияет на надёжность тяги и работу всех бортовых систем. Понятие качества электроэнергии (КЭ) на электровозе отличается от качества электроэнергии других приемников. Каждый электроприёмник электровоза – от тяговых двигателей до систем управления – предназначен для работы при строго определённых параметрах (напряжении, частоте, токе), поэтому для стабильной работы подвижного состава должно быть обеспечено требуемое КЭ.

Возросшие требования железнодорожного транспорта к эффективности и точности управления привели к широкому внедрению силовых полупроводниковых приборов. Современные активно используют тиристорные преобразователи, устройства плавного пуска и статические преобразователи. Однако эти же технологии, вытеснив устаревшие решения, изменили картину формы тока и напряжения в контактной сети. Твердотельные элементы, такие как полупроводниковые приборы, значительно изменили схемотехнику, но при этом возникла проблема с генерацией токовых гармоник. Это ухудшает качество электроэнергии и может вызывать помехи.

Гармоники – это синусоидальные волны, суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (то есть первая гармоника – 50 Гц, пятая гармоника – 250 Гц). Любая комплексная синусоида может быть представлена как сумма определенного количества гармоник, как четных, так и нечетных, с различными амплитудами. Любая несинусоидальная кривая может быть разложена в сумму ряда Фурье, на различные гармоники.

, (1)

Где – постоянная составляющая; – гармоники или гармонические составляющие k-гo порядка с амплитудой и начальной фазой ; n – номер последней из учитываемых высших гармоник [1].

Анализ спектрального состава гармонических искажений является ключевым методом исследования помех в силовых цепях электровозов. Его основная задача заключается в идентификации частотных составляющих, присутствующих в сигнале, помимо основной частоты, а также в определении их амплитуд и фаз. Это позволяет выявить гармоники, которые могут оказывать опасное или мешающее влияние на смежные системы, в частности, на устройства сигнализации, централизации и блокировки и автоматическую локомотивную сигнализацию.

Теоретической основой для такого анализа служит преобразование Фурье, которое базируется на принципе разложения сложного сигнала в бесконечный, но счетный ряд синусоидальных и косинусоидальных составляющих. Для практических расчетов, особенно при работе с цифровыми сигналами, используется дискретное преобразование Фурье, а его высокоэффективный алгоритм – быстрое преобразование Фурье. Эти методы позволяют перейти от временного представления сигнала к частотному, то есть получить его спектр.

Методика анализа предполагает несколько последовательных этапов. Первоначально производится запись аналогового сигнала, пропорционального току, протекающему в силовой цепи или в рельсах. Далее этот сигнал оцифровывается с определенной частотой дискретизации. Полученный цифровой массив данных подвергается спектральному анализу с помощью быстрого преобразования Фурье. Результатом этого анализа является набор гармонических составляющих, для каждой из которых известна частота, амплитуда и фаза. Эти данные архивируются и могут быть представлены в виде графиков спектра, что обеспечивает наглядность при идентификации проблемных гармоник [2, с. 33-38].

Гармонические искажения тока в тяговой сети возникают вследствие работы полупроводниковых преобразователей в приводах электровоза ВЛ10, в частности входных 4Q‑преобразователей. Эти устройства, обеспечивая высокую мощность, генерируют в сети высшие гармоники тока и напряжения, что вызывает дополнительные потери, снижение коэффициента мощности и потенциально влияет на работу другого оборудования.

Спектральный состав гармоник напрямую зависит от алгоритма управления силовыми ключами (IGBT-транзисторов) преобразователей. Исследования [1, 3] показывают, что ключевыми в спектре тока являются 3-я, 5-я, 7-я гармоники. Однако при использовании многочисленных параллельно работающих преобразователей с фазовым сдвигом тактирующих сигналов управления формируется широкий массив нечетных гармоник. Их центр тяжести смещается в область высокой частоты, равной , где – кратность частоты тактирования, N – число преобразователей, – частота сети.

Уровень искажений количественно оценивается коэффициентом нелинейных искажений (THD). Анализ [1] показал, что для снижения THD входного тока критически важно применение много канальных систем управления с фазовым сдвигом. Например, при шести параллельных преобразователях (N=6) и кратности частоты (=6) коэффициент THD тока составляет всего 0.0039, что свидетельствует о практически синусоидальной форме тока. В то же время THD напряжения сети остается на более высоком уровне (~0.0306), так как на него сильнее влияют импедансы питающей сети.

Таким образом, гармоники тока в силовых цепях электровоза ВЛ 10 существенно влияют на энергетические показатели оборудования. Для минимизации этого влияния необходима оптимизация алгоритмов управления преобразователями, в частности, использование фазового сдвига тактирующих сигналов и выбор оптимальной кратности частоты коммутации, что позволяет снизить уровень гармоник и повысить общую эффективность работы электровоза [3].

Данные гармонические составляющие не выполняют полезной работы, но вызывают существенные дополнительные потери в активных сопротивлениях обмоток ключевого оборудования. В первую очередь это касается тягового трансформатора, сглаживающих реакторов и обмоток самих тяговых электродвигателей. Эти потери выделяются в виде избыточного тепла, что приводит к повышению рабочей температуры критически важных узлов. Постоянный перегрев ускоряет процесс старения изоляции, снижает механическую прочность материалов и приводит к сокращению расчетного срока службы агрегатов, повышает вероятность внезапных отказов и увеличивает эксплуатационные расходы на техническое обслуживание и ремонт. Кроме того, сами потери снижают общий коэффициент полезного действия силовой установки электровоза.

Электровоз ВЛ 10 оснащен сложной сетью низковольтных цепей управления, защиты, диагностики и автоматического регулирования. Работа этой аппаратуры рассчитана на питание и измерение параметров синусоидального или выпрямленного тока с минимальным уровнем искажений. Наличие в силовой сети высокочастотных гармонических искажений формы кривых тока и напряжения создает серьезные помехи. Через цепи связи и электромагнитное поле эти помехи могут проникать в чувствительные электронные и релейные схемы. Это способно вызывать ложные срабатывания или отказы защитных реле, приводить к искажению данных, получаемых с измерительных трансформаторов тока и напряжения, и, как результат, формировать некорректные показания на пульте машиниста. Наиболее опасно нарушение работы систем автоматического регулирования (например, регулирования возбуждения или плавности пуска), что напрямую сказывается на устойчивости тягового режима и безопасности ведения поезда. Таким образом, гармоники дестабилизируют работу всего комплекса бортовой автоматики.

Процесс импульсного преобразования энергии в выпрямителях и, что особенно характерно для более современных систем управления, использование импульсных регуляторов в цепях тяговых двигателей приводят к возникновению не только дискретных гармоник, но и широкополосного спектра электромагнитных излучений. Эти высокочастотные помехи излучаются контактной сетью, токоприемником и силовыми кабелями локомотива. Они могут создавать значительные помехи в работе систем радиосвязи (поездной, станционной), а также вносить искажения в работу других бортовых электронных устройств. Таким образом, гармонические и импульсные искажения тока усложняют обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) железнодорожного подвижного состава с окружающей инфраструктурой и средствами связи [4].