Залізниці є одним з найбільших транспортних споживачів енергоресурсів. Щорічне споживання досягає 5-6% вироблюваної в країні електроенергії. З споживаних в рік близько 38 млрд. КВтџч електроенергії більш 80% витрачається на тягу поїздів.
Завдання зниження енергоємності перевізного процесу повинна вирішуватися комплексно - за рахунок вдосконалення системи тягового електропостачання і поліпшення енергетичних показників тягового рухомого складу. Особливо це актуально для залізниць, електрифікованих на змінному струмі, в зв'язку з введенням норм на показники якості електроенергії (ПКЕ) - ГОСТ 13109-97.
Найбільш важливими показниками якості електроенергії для залізниць змінного струму в точках загального приєднання (ТОП) є: коефіцієнти несиметрії напруги по зворотній послідовності, спотворення синусоїдальної форми кривих напруги і гармонійних складових напруги.
Як відомо, введені штрафні санкції за порушення норм з будь-якого ПКЕ у вигляді надбавок до тарифу, що досягають 10%. При порушенні норм за кількома показниками надбавки слід підсумувати. Застосування таких санкцій істотно впливає на економічний стан систем тягового електропостачання. У разі недотримання встановлених норм можливе застосування штрафних санкцій у вигляді надбавок до 20% від тарифу на електроенергію, що витрачається на тягу.
На залізних дорогахУкаіни, електрифікованих на змінному струмі, експлуатуються електровози, обладнані напівпровідниковими перетворювачами для харчування тягових двигунів, в тому числі близько 15% -випрямітельно-інверторними перетворювачами (ВІП) з зонно-фазовим регулюванням. Загальним недоліком всіх електровозів змінного струму є підвищене споживання реактивної потужності, що досягає 80% і більш активної потужності, спотворення форми струму в контактній мережі, які обумовлюють низькі значення коефіцієнта потужності, які не перевищують в експлуатації 0,8.
Наслідком підвищеного споживання реактивної потужності є додаткове навантаження тягової мережі та електрообладнання електровоза реактивним струмом і зростання технологічних втрат електроенергії в контактній мережі, які становлять близько 4% витрати електроенергії на тягу поїздів. Крім того, підвищення струмового навантаження супроводжується збільшенням темпу падіння напруги в контактній мережі з відповідним зниженням напруги на струмоприймачі електровоза і подальшим зростанням струму для реалізації, необхідної тягової потужності. Так, якщо при коефіцієнті потужності електровоза, що дорівнює 0,92, втрати електроенергії в контактній мережі складають близько 2,8% витрати електроенергії на тягу поїздів, то для значень коефіцієнта потужності, рівних 0,8 і 0,7, втрати в контактній мережі зростуть відповідно до 4 і 5,3%.
Крім підвищеного споживання реактивної потужності, електровози змінного струму генерують в систему тягового електропостачання додаткові гармоніки струму, викликаючи спотворення синусоїдальної форми кривих напруги і збільшуючи гармонійні складові напруги, що погіршує показники якості електроенергії в точках загального приєднання.
Поліпшення енергетичних показників системи тягового електропостачання змінного струму досягається за допомогою стаціонарних пристроїв компенсації реактивної потужності (КРП), що встановлюються на тягових підстанціях. Вони забезпечують компенсацію реактивної потужності, частково симетрування за струмами зворотної послідовності і фільтрацію гармонік тягового струму. При цьому знижується споживання реактивної потужності тільки з системи зовнішнього енергопостачання, а внутрішнє споживання реактивної потужності і пов'язаний з цим додаткові витрати електроенергії в тягової мережі зберігаються.
Для усунення цього недоліку доцільно застосування бортових пристроїв КРП з розміщенням їх безпосередньо на рухомому складі. Ці пристрої, що складаються з послідовно з'єднаних індуктивності і ємності, здатні не тільки компенсувати реактивну потужність, але і знижувати третю гармоніку струму (150 Гц) і наступні, що покращує форму струму в контактній мережі.
Схема підключення регульованого КРМ-Р
на електровозі ВЛ80р
Роботи зі створення бортових КРМ для вітчизняного електрорухомого складу виконувалися ВЕлНІІ і ВНИИЖТом з початку 1980-х років. Були виготовлені і випробувані макетні зразки КРМ на електровозах та електропоїздах. Випробування показали, що бортові пристрої КРМ ефективно підвищують коефіцієнт потужності електровозів в режимах тяги і рекуперативного гальмування. Так, при потужності компенсатора 520 кВАр на одну випрямними установку середнє значення коефіцієнта потужності збільшується з 0,84 до 0,92 при номінальному навантаженні, що відповідає майже дворазового зменшення реактивної потужності, споживаної з тягової мережі. Однак відхилення навантаження електровоза від номінальної призводить до зменшення коефіцієнта потужності і знижує ефективність застосування КРМ.
Це пов'язано з тим, що при зміні режиму роботи електровоза змінюється споживана реактивна потужність. При постійній ж реактивної потужності пристрою КРМ це призводить або до недокомпенсації, або до перекомпенсації реактивної потужності електровоза, що викликає небажане збільшення струмового навантаження системи електропостачання. Тому для забезпечення високих значень коефіцієнта потужності електровоза у всіх експлуатаційних режимах необхідно застосування регульованого пристрою КРМ (КРМ-Р).
Регулювати величину реактивної потужності КРМ можна зміною ємності конденсаторів або напругою на конденсаторах. В умовах ЕРС, коли вторинна обмотка тягового трансформатора має проміжні висновки, можна здійснити поетапне регулювання реактивної потужності компенсатора шляхом підключення його до різних отпайки тягової обмотки.
Дослідний зразок КРМ-Р був встановлений на одній секції електровоза ВЛ80ТК №1338 в ході капітального ремонту на ВАТ «НВО« НЕВЗ ». Наявність на секції електровоза двох модулів КРМ-Р забезпечує отримання чотирьох ступенів реактивної потужності в залежності від схеми підключення модулів до висновків тягової обмотки.
Після проведення пуско-налагоджувальних робіт електровоз переданий в депо Батайськ Північно-Кавказької дороги для проведення експлуатаційного пробігу в 5 тис. Км. Для порівняльної оцінки енергетичних показників обидві секції електровоза обладнані спеціальними електронними лічильниками електричної енергії, які дозволяли фіксувати споживання активної та реактивної енергії. За час випробувань виконано 25 поїздок з поїздами різної ваги від 1 144 до 5 640 т. Загальний пробіг електровоза склав 5822 км.
Аналіз результатів випробувань показав, що споживання реактивної енергії секцією, обладнаної КРМ, склало 70% від реактивної енергії, спожитої секцією електровоза без КРМ. При цьому в окремих поїздках зниження споживання реактивної енергії досягало 40% і більше. Повернення реактивної енергії в контактну мережу не перевищив 1% спожитої, що вказує на відсутність явища перекомпенсації реактивної потужності.
Зниження споживання реактивної енергії призводить до зниження струмового навантаження тягового енергопостачання. Усереднена за весь пробіг величина струму секції електровоза з КРМ виявилася менше на 12% в порівнянні з секцією без КРМ. Зменшення струму за рахунок застосування КРМ-Р дозволяє знизити втрати в контактній мережі приблизно на 20-25%, що в залежності від умов тягового електропостачання скорочує на 0,8-1% витрата електроенергії на тягу поїздів.
Приймальна комісія ВАТ «РЖД» розглянула результати експлуатаційного пробігу електровоза і рекомендувала обладнати настановної партією КРМ-Р п'ять електровозів ВЛ80ТК.