Розглянуто проблеми створення активних фільтрів тягової підстанції постійного струму. Показано, що найдоцільнішу схему фільтра розроблено у Московському інституті інженерів транспорту. Запропоновано вдосконалення пристрою на базі напівпровідникових технологій.

Розроблено засоби підвищення ефективності системи тягового електропостачання постійного струму напруги 3,3 кВ на базі бездросельних перетворювальних агрегатів тягових підстанцій, що складаються з фазорегульованих випрямлячів і реверсивних широтно-регульованих вольтододаткових перетворювачів на двоквадрантних двоопераційних ключах знакозмінної напруги (ДДКЗН) з вузлом короткочасного струмообмеження. Вперше розроблено швидкодіючу систему безконтактного захисту силового устаткування тягової підстанції за короткого замикання у тяговій мережі завдяки використанню паралельного вузла короткочасного струмообмеження. Розвинуто спосіб керування реверсивним вольтододатковим перетворювачем на ДДКЗН, що дозволяє знизити частоту перемикання ключів по відношенню до частоти широтно імпульсної модуляції. Створено аналітичну модель, на основі якої розроблено методику синтезу регуляторів вихідних параметрів, що дозволяє максимізувати коефіцієнти заглушення окремих гармонічних складових. Розроблено комп'ютерну модель, на якій проведено експерименти, що підтвердили ефективність заглушення гармонічних складових випрямленої напруги за зменшення маси фільтрового устаткування.

Викладено порівняльний аналіз роботи існуючих швидкодіючих вимикачів тягових підстанцій постійного струму. За критерії оцінки ефективності роботи фідерних автоматів обрано наступні показники: вимикаюча здатність, коефіцієнт обмеження струму короткого замикання і ампер-секундам струму, що вимикається. Детально описано фізичне розуміння кожного з показників. Приведено зведену таблицю вищезазначених показників, числові значення яких одержані в результаті обробки осцилограм. В свою чергу осцилограми були одержані експериментальними дослідженнями системи тягового електропостачання постійного струму за умов ДП "Придніпровська залізниця".

Предложены методологические подходы к учету надежности регулировочных устройств систем электроснабжения тяги поездов постоянного тока при регулировании их режимов.

Проанализирован процесс электропотребления электротранспорта на наличие признаков неактивной мощности в системе электрической тяги постоянного тока. Установлено, что регулирование в широком диапазоне тяговой мощности электротранспорта постоянного тока приводит к искажению как тягового тока, так и напряжения на токоприемнике, что в результате загружает тяговую сеть постоянного тока неактивной мощностью и увеличивает потери электроэнергии в ней.

Створено математичну модель електромагнітних процесів в системі електричної тяги постійного струму в режимі "відрив - піднімання" струмоприймача електрорухомої одиниці. Шляхом числового інтегрування системи диференційних рівнянь електромагнітного стану одержано перехідні процеси в силових колах тягових підстанцій та електровозу.

На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішено важливу науково-технічну проблему підвищення ефективності функціонування системи електричної тяги постійного струму в аварійних режимах її роботи. Вперше теоретично та експериментально встановлено явище лінійного зменшення переднього фронту часової залежності фідерної напруги в режимі короткого замикання і на його основі теоретично обгрунтовано новий принцип фідерного захисту. Розроблено нову мікропроцесорну систему захисту фідерів +3,3 кВ, яка володіє рядом переваг перед існуючими системами. Вперше запропоновано та обгрунтовано новий метод селективного розпізнавання підсистеми (тягова мережа чи електрорухомий склад) з коротким замиканням, який полягає у визначені в кінці перехідного процесу аварійного режиму рівня фідерної напруги з боку тягової мережі міжпідстанційної зони, так званої "залишкової напруги", розроблено нову інформаційну мікропроцесорну систему для прискорення та узгодження дій енерго- та поїзного диспетчерів в процесі визначення місця аварійного режиму. Розроблено математичні моделі аварійних електромагнітних процесів у нелінійній динамічній системі електричної тяги постійного струму, які враховують різні схеми живлення та секціонування тягової мережі, параметри швидкодіючих вимикачів та фільтруючих пристроїв тягових підстанцій, елементи силових тягових кіл електрорухомого складу, стадії горіння електричної дуги в дугогасних камерах швидкодіючих вимикачів, а також місце розташування на фідерній зоні і взаємний вплив двох електрорухомих одиниць. Показано, що за рахунок цього більш достовірно та точно визначаються миттєві та максимальні значення, тривалість та характер зміни, а також енергетичні та спектральні характеристики струмів і напруг в аварійних режимах роботи системи електричної тяги.

Досліджено ефект заглушення низькочастотних гармонік напруги контактної мережі з використанням тиристорного вольтододатка, що підключається послідовно з тяговим випрямлячем. Заглушення здійснюється по каналу регулювання основної координати випрямляча без застосування додаткових зворотних зв'язків з селективними ланками. Запропоновано для компенсації гармонік у широкому діапазоні частот застосувати комбінований активний фільтр паралельного типу. Розроблено активний фільтр з адаптивним зворотним зв'язком за коефіцієнтом підсилення, що забезпечує інваріантність змінної складової напруги чи струму на навантаженні до зміни режимів роботи живильної мережі та тягового навантаження. Розроблено імітаційну модель двоканальної замкненої структури автоматичного регулювання вихідної напруги тягової підстанції, яка підтверджує адекватність основних теоретичних висновків.

Досліджено розвиток теоретичних основ енергозбереження в системах електропостачання тяги поїздів постійного струму для підвищення енергетичної та економічної ефективності процесу перевезень. Розглянуто проблему енергозбереження в системах тяги поїздів постійного струму як комплексну, багаторівневу та багатофакторну проблему. Створено методологічні підходи до вибору енергозберігальних заходів у системах електропостачання тяги поїздів постійного струму. Удосконалено метод розрахунку систем тягового електропостачання на основі потоків відновлення для визначення втрат потужності й електроенергії в елементах тягових підстанцій. Розроблено метод визначення раціональних режимів систем тягового електропостачання постійного струму на основі генетичного алгоритму, визначено раціональні регламенти перемикань. Розроблено науково обгрунтовані методи визначення норм витрат електроенергії на потреби стаціонарних споживачів та на власні потреби тягових підстанцій, постів секціонування й пунктів паралельного з'єднання. Надано науково обгрунтовані рекомендації зі зниження небалансів електроенергії. Розроблено моделі та методи, що в сукупності складають теоретичні основи вирішення комплексних завдань енергозбереження, що виникають під час експлуатації систем електропостачання тяги поїздів постійного струму.

Досліджено баланс електричної енергії випрямляча тягової підстанції для вивчення фізики енергообмінного процесу та підвищення його ефективності. Вплив несиметрії зовнішньої мережі враховано співвідношенням вищих гармонік випрямленої напруги. Дослідження показали, як несиметрія первинної мережі впливає на перерозподіл потужностей у фазах і як змінюються коефіцієнти потужності одночасно в колах постійного та змінного струму.

Розглянуто питання покращення якості електричної енергії тягової підстанції постійного струму шляхом застосування спеціальних замкнутих систем автоматичного регулювання для стабілізації та зменшення амплітуд гармонік вихідної напруги. Запропоновано застосування в складі випрямної установки вольтододатного перетворювача побудованого на базі випрямляча, управління яким для розширення смуги пропускання виконується за допомогою широтно - імпульсною модуляцією (ШІМ). Встановлено, що застосування ШІМ підвищує енергетичні характеристики вольтододатного перетворювача в порівнянні з фазовим керуванням. Одержано імпульсну модель вольтододатного перетворювача з ШІМ і аналітичні залежності, що описують його статичні та динамічні характеристики. Показано, що під дією пульсаційної складової вихідної напруги випрямляча вольтододатний перетворювач з ШІМ набуває властивості динамічної ланки зі змінними параметрами. В той же час, компенсаційна дія фактора пульсацій дозволяє описувати динамічні процеси, застосовуючи усереднені значення статичного коефіцієнта передачі та фактора пульсацій. Показано, що реалізація в замкнутій системі автоматичного регулювання вихідної напруги вольтододатного перетворювача з ШІМ умов процесу кінцевої тривалості дозволяє ефективно впливати на гармонійні складові, що лежать в її смузі пропускання. Запропонована адаптивна система активної фільтрації дозволяє одержати інваріантність величини пульсацій вихідної напруги випрямної установки до зовнішніх і внутрішніх збурень. Одержано вираз, що дозволяє визначати сталу часу \i LC \i0- фільтра за необхідною величиною заважаючої напруги. Розроблено імітаційні моделі, які дозволяють виконати проектування реальних підсистем випрямної установки.

Аварійні режими короткого замикання на електрорухомому складі є досить частим явищем і тому дослідження цього процесу в системі електричної тяги постійного струму є актуальною задачею. Особливо це стосується такого режиму як перекриття дахового ізолятора електровозу, оскільки в цьому випадку одночасно закорочується і тягова мережа, і сам рухомий склад. Цей режим супроводжується протіканням надструмів як в електровозі, так і в тяговій мережі і є надзвичайно небезпечним для обох підсистем. Мета роботи - дослідження електромагнітних процесів і особливостей протікання цього режиму. Виявлення найбільш інформаційних маркерів цього режиму, дозволить відрізнити його від інших аварійних режимів. Дослідження короткого замикання в тяговій мережі за наявності електровозів на фідерній зоні було виконано шляхом математичного моделювання. Створено схему заміщення розглядуваної системи і для неї записано систему рівнянь електромагнітного стану. За результатами моделювання було встановлено, що в аварійному режимі перекриття дахового ізолятора на електровозі напруга на ньому різко зменшується і тягові двигуни переходять в генераторний режим. Генераторний струм досягає уставки і захист електровозу спрацьовує. В розглядуваному режимі фідерні струми тягових пьідстанцьій спочатку різко зростають до небезпечних значень, а потім експоненціально зменшуються до певного усталеного значення. Комутаційні процеси зміни струмів обумовлюють різко динамічний характер коливань підстанційних напруг, максимальні значення яких суттєво перевищують номінальне значення. Застосування методів математичного моделювання дозволяє досліджувати процеси в такій складній системі якою є система електричної тяги постійного струму навіть з двома електровозами. За результатами досліджень визначені особливості протікання перехідних електромагнітних величин в системі.

Дослідження аварійних режимів короткого замикання в системі електричної тяги постійного струму і до сьогодні є актуальною задачею. Цей режим супроводжується протіканням надструмів і є надзвичайно небезпечним в такій потужній системі. Мета роботи - виявлення умов та механізму виникнення генераторних струмів і відповідно розробка заходів щодо зменшення їх впливу на протікання цього аварійного режиму. Дуже важливо оцінити величину і тривалість генераторних струмів в усіх режимах ведення електрорухомого складу постійного струму. Особливо це стосується режимів ослаблення поля, оскільки в шунтуючій вітці обмотки збудження присутній індуктивний елемент, який накопичує велику кількість електромагнітної енергії. Під час перехідного процесу ця енергія вивільняється через точку короткого замикання. При цьому збільшується нагрів елементів контактної мережі. Дослідження короткого замикання в тяговій мережі за наявності електровозів на фідерній зоні було виконано шляхом математичного моделювання. Для цього було створено схему заміщення розглядуваної системи і для неї записано систему рівнянь електромагнітного стану. За результатами моделювання було встановлено, що у випадку ведення поїзда при послабленому збудженні кількість електрики і теплоти, що протікає через точку короткого замикання, не просто спричинить нагрів контактного проводу, а викличе його механічне руйнування. Для уникнення такого негативного явища необхідно зменшити вплив індуктивного елементу шунтуючої вітки. Для вирішення цієї проблеми запропоновано використання запираючого діода в цій вітці. Використання такого заходу дозволяє значно зменшити тривалість і максимальне значення генераторного струму, що виділяє електровоз постійного струму. Отже зменшуються пошкодження елементів контактної мережі.

Напруга є одним з параметрів режиму тягової електричної мережі та впливає на енергетичні показники її функціонування. Особливостями передачі електроенергії по тяговій мережі є зміна положення споживачів і зміна режимів їх роботи, обмеження, що накладаються поїздами один на одного залежно від їх взаємного розташування, а також обмеження пов'язані, загалом, із забезпеченням перевізного процесу. Рівень напруги на шинах тягової підстанції і, отже, на струмоприймачах електровозів, залежить не лише від зміни тягового навантаження, але і від зміни навантаження районних споживачів і живлячої енергосистеми, при цьому характер чинників, що впливають на напругу, є нелінійним і нестаціонарним. При цьому рівень напруги, як показник якості функціонування системи тягового електропостачання, повинен розглядатися як деякий параметр, що оптимізує передачу і споживання електроенергії для електрорухомого складу. У зв'язку з цим регулювання напруги в тяговій мережі завжди було одним з важливих практичних завдань. На сьогоднішній день способи управління режимом напруги в системі тягового електропостачання можуть бути розділені на три групи: місцеве управління, зонне управління та централізоване управління. Їх застосування передбачає досягнення загального оптимуму. Розвиток сучасної обчислювальної техніки надає можливість реєстрації параметрів режимів роботи мереж за допомогою більш точних та швидкодіючих приладів, а також використовувати для їх обробки сучасні і швидкодіючі засоби мікропроцесорної і комп'ютерної техніки. Це дозволяє більше продуктивно використовувати одержані результати для коригування параметрів режимів їх роботи. За умов виконуваних на сьогодні заходів по енергозбереженню питання оптимального керування режимом напруги мають особливу актуальність. Для оптимального управління режимами роботи тягових мереж необхідно виконувати аналіз функціонування їх в реальному часі. Однією із складових цього процесу є оцінка закону розподілу напруги на шинах тягової підстанції, як одного з головних параметрів режиму.

Одержано структурну схему, механізм енергоперетворення якої є подібним до реальної системи. Дана схема є основою експериментальної установки, побудованої, надалі, для дослідження електромагнітної сумісності АТЕП у структурі системи тягового електропостачання постійного струму. Встановлено подібність одержаної структурної схеми до реальної системи з визначенням механізму розрахунку масштабних відношень. У процесі встановлення подібності запропоновано спрощену методику визначення масштабних відношень для нелінійних систем, які мають у своїй структурі однакові складові, але різні граничні параметри. Експериментальне дослідження електромагнітної сумісності АТЕП у структурі системи тягового електропостачання постійного струму з використанням елементів теорії подібності дозволить одержати більш адекватні результати і, як наслідок, створити передумови подальшого покращання процесу сукупного функціонування суміжних систем електрифікованих залізниць.

Спектральний аналіз тягових напруг і струмів є основою для оцінки енергетики електромагнітних процесів в системах електричної тяги, зокрема, постійного струму. Останнє обумовлено тим, що система постійного струму такою не є в наслідок нестаціонарного випадкового характеру зміни тягових напруги і струму. Неперіодичний стохастичний характер зміни напруги і струму викликає для дослідження їх спектрального складу застосування імовірнісних методів, що грунтуються на спектрально-кореляційній теорії випадкових процесів. Викладені теоретичні передумови і отримані співвідношення зв'язку енергетичного спектру випадкового процесу з його кореляційною функцією. Наведено результати чисельних розрахунків спектрів тягових напруг і струмів реально діючих підсистем електричного транспорту: фідерної напруги на тяговій підстанції; струмів в режимах тяги і рекуперації електровозів відповідно ДЕ 1 і ВЛ 8; напруги на струмоприймачі міського трамваю. Встановлено, що енергетичні спектри випадкових процесів тягових і рекуперативних напруг і струмів мають імовірнісний характер, залежний від технологічних факторів роботи системи, а енергія випадкового процесу чисельно більша в режимі тяги, ніж в режимах рекуперативного гальмування.

Проаналізовано динамічні процеси комбінованого активного фільтра послідовного типу зі зворотним зв’язком за напругою навантаження, що застосовується для покращання якості електричної енергії на виході тягової підстанції постійного струму. Досліджені процеси в комбінованому фільтрі запропонованої схеми вказують на доцільність його застосування як фільтрувального засобу в системах тягового електропостачання постійного струму.

The article analyzes the dynamic processes of combined active filter series type of feedback voltage load, which is used to improve the quality of electrical energy output DC traction substation. Investigation of the process in a combined filter proposed scheme point to the feasibility of its use as a filter aid in traction power supply systems of direct current.

Проанализированы динамические процессы комбинированного активного фильтра последовательного типа с обратной связью по напряжению нагрузки, который применяется для улучшения качества электрической энергии на выходе тяговой подстанции постоянного тока. Исследованые процессы в комбинированном фильтре предложенной схемы указывают на целесообразность его применения в качестве фильтрующего средства в системах тягового электроснабжения постоянного тока.

Наведено результати експериментального дослідження ефективності роботи інверторних підстанцій системи тягового електропостачання постійного струму в режимі рекуперації енергії. Встановлено, що інвертування надлишкової енергії рекуперації поїздів не забезпечує її оптимального розподілення та належного режиму напруги в тяговій мережі, що потребує розробки відповідних організаційних і технічних заходів з боку організації руху поїздів та тягового електропостачання. Показники якості енергії рекуперації на приєднаннях 35 кВ тягових підстанцій знаходяться в межах гранично-допустимих значень, встановлених стандартом.

Режим напруги в тяговій мережі залежить від багатьох факторів та визначає експлуатаційні характеристики електрифікованої ділянки. Проведеними експериментальними дослідженнями встановлено, що рівні напруги, як на шинах тягових підстанцій, так і на струмоприймачах електровозів, коливаються в значних межах і перевищують нормовані показники, встановлені для швидкісного руху. Для підвищення енергетичної ефективності функціонування системи тягового електропостачання постійного струму за швидкісного рузху та зменшення коливань напруги запропоновано застосування у розподіленій системі живлення тягової мережі батарейних систем нагромадження електричної енергії, побудованих на сучасних літієвих батареях.

Впровадження швидкісного, високошвидкісного пасажирського руху та великовагового вантажного руху поїздів зумовлено необхідністю забезпечення конкурентоспроможності залізничного транспорту з іншими видами. Детального і комплексного порівняльного аналізу якості функціонування існуючих систем електрифікації донині не виконано. Відомий досвід переведення електрифікованих ділянок постійного струму при впровадженні швидкісного руху на змінний з урахуванням очікуваного співвідношення витрат і корисного ефекту не має достатніх підстав. Поставлено завдання аналізу енергетичних показників споживання електричної енергії в існуючих нині системах електрифікації залізниць та пропонованій системі постійного струму 24 кВ, що дозволить точніше і більш зважено підходити до вибору системи. Дослідження проводились на підставі методики розрахунку миттєвих схем з використанням аналітичних функцій опору, з врахуванням режиму стабілізації електрорухомим складом споживаної потужності, та до уваги приймалось, що швидкісні поїзди внаслідок великого опору руху споживають максимальний струм незалежно від профілю практично весь час руху ділянкою. Одержані результати розрахунків вказують на те, що система тягового електропостачання постійного струму 24 кВ має найкращі показники по режиму напруги в тяговій мережі та забезпечує найменші втрати потужності в тяговій мережі за інших рівних умов.