Разработка математических моделей электрической части электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения и энергосберегающих алгоритмов управления его преобразователями с применением диодно-транзисторного разрядного плеча.

Одна из главных тенденций развития современной экономики России – растущая потребность в энергоресурсах. Актуальность развития энергоэффективных и энергосберегающих технологий подтверждается указами и распоряжениями в области научного и технологического развития как для страны в целом, так и для железнодорожной отрасли, среди которых главные: Указ Президента Российской Федерации от 01.11.2016 № 642 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»; Распоряжение ОАО «РЖД» от 14.04.2018 № 769р «Стратегия научно-технологического развития холдинга “РЖД” на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года»; Распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2537р «Энергетическая стратегия холдинга “РЖД” на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года». Все эти стратегические документы декларируют необходимость внедрения энергосберегающих технологий на железных дорогах. Наконец, долгосрочный план развития локомотивного парка России закладывает устойчивое снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов, кВт∙ч / 10 тыс. т-км, на 2,9 % с 2017 по 2025 гг. Свыше 80 % электроэнергии, потребляемой железнодорожным транспортом из общего энергобаланса страны, расходуется непосредственно на тягу поездов. Основным качественным показателем использования электрической энергии электровозом является коэффициент мощности Км. В тяговом режиме электровоз имеет Км не более 0,84, а в режиме рекуперативного торможения этот показатель особенно мал – не более 0,65, что означает существенное потребление электровозом реактивной мощности. Это приводит не только к потере энергии, подаваемой на тяговые двигатели в режиме тяги или возвращаемой в контактную сеть в режиме рекуперации, но и вызывает загрузку реактивной мощностью тяговой сети, что снижает пропускную способность железнодорожной линии и среднюю скорость движения поездов. С такими значениями Км современные отечественные электровозы не отвечают требованиям национальных стандартов, предъявляемых как к локомотивам (ГОСТ Р 55364-2012), так и к качеству электрической энергии (ГОСТ 32144-2013). Предлагаемый энергосберегающий способ управления преобразователями электроподвижного состава с новыми схемотехническими решениями обеспечит значительное уменьшение угла сдвига фаз между током и напряжением в первичной обмотке тягового трансформатора, в результате чего увеличится активная и уменьшится реактивная составляющие полной энергии переменного тока, возвращаемой электровозом в контактную сеть в режиме рекуперации. Дополнительно необходимо заметить, что технология шунтирующего плеча («девятое плечо») испытывается с начала 2000-х гг. и на сегодняшний день внедряется на строящихся электровозах серии 2(3, 4)ЭС5К (опытными машинами являлись ВЛ80Р № 1829 и 3ЭС5К № 879), однако подразумевает использование лишь неуправляемых диодов. В результате положительный эффект достигается только в режиме тяги электровоза, а в режиме рекуперативного торможения используется типовой алгоритм управления. Заявляемое же разрядное плечо состоит из последовательно соединённых диодов и IGBT-транзистора, благодаря полной управляемости которого организуется новый энергоэффективный процесс сетевой коммутации плеч преобразователя.