3.3 Підвищити точність вимірів витрати електроенергії
Для впровадження енергозберігаючих технологій, контролю дій машиніста й одержання найбільшого ефекту від сучасних принципів нормування й обліку електроенергії на тягу поїздів необхідні більш вдосконалені засоби виміру витрати електроенергії.
Як показує досвід, енергозберігаючі технології дозволяють заощаджувати не більше 8...10 % електроенергії в порівнянні з тим, що досягається режимними картами, системою обліку й нормування. Ефективність впровадження деяких технологій, як правило, перебуває на рівні 3...5 %. Інструментом, що дозволяє оцінити отриманий результат, є вимірник витрати електроенергії.
Існуючі прилади контролю розташовуються як на тягових підстанціях, так і на локомотивах. Ефективність впроваджених мір на дистанції або в депо можна оцінити, вимірявши споживання електроенергії на підстанції. Однак окремо витрата на тягу поїздів виміряється далеко не скрізь. Найчастіше його визначають як різницю між купленої електроенергії і проданої споживачам, у яких установлені лічильники. Такий підхід не дозволяє точно оцінити віддачу енергозберігаючих технологій в області тяги.
Більше достовірну картину могли б дати локомотивні лічильники. Однак по різних причинах вони не задовольняють цій вимозі. При низькій основній погрішності існуючих пристроїв контролю їхня додаткова погрішність (наприклад, від температурних змін, коливань струму, напруги) істотно перевищує припустимі межі. Погрішність вимірів при цьому може доходити до 8...10 %.
Лічильник зобов'язаний задовольняти наступним вимогам. Відповідно до нормативних документів в області метрології, вимірювальний прилад повинен мати точність, як мінімум в 3 рази перевищуючий досліджуваний процес, тобто 1...1,3 %.
У той же час, більш точно оцінити отриманий ефект неможливо в силу технічних причин. Існуючі еталонні датчики, якими повинні поверятися бортові дільники первинної напруги змінного струму (розраховані на напругу в діапазоні 10...50 кв, з достатньою шириною спектра й не вносять фазового зрушення), мають погрішністю 0,2...0,3 %. Вони можуть працювати тільки в стаціонарних умовах.
Согласно гОСТу, сумарна мінімальна погрішність датчика первинної напруги, що перевіряє цими еталонами, не може бути менше 0,6...0,9 %. Датчики струму також мають погрішність порядку 0,5...0,6 %, а неточність вимірів сучасних мікропроцесорних систем (з урахуванням додаткових погрішностей) досягає 0,4... ..0,6 %. Таким чином, сумарна погрішність виміру витрати електроенергії, яку можна стійко забезпечити бортовими апаратурами електрорухомого складу змінного
струму, — (0,92 + 0,62 + Q,62 ) 1/2= 1,23 %.
Взагалі, визначення витрати енергії на електровозах змінного струму досить умовно, тому що на них виміряються первинний струм трансформатора й напруга на одній з його вторинних обмоток. Це приводить до того, що при перемножуванні миттєвих значень струму й напруги (щоб одержати активну потужність - наприклад, по якому ведуть взаєморозрахунки з постачальником електроенергії), не враховується фазове зрушення, що виникає через індуктивність силового трансформатора реактора, що згладжує, і індуктивності тягових двигунів. Крім того, величина масштабного коефіцієнта 25 кв 220 B, закладеного в каналі виміру напруги існуючих лічильників, також викликає сумнів.
На (рисисунок 3.5) представлена спрощена схема заміщення силового трансформатора (а) і його векторна діаграма (б). Вони описують еквівалентні синусоїдальні процеси. Однак з їхньою допомогою можна проаналізувати вимірювальні схеми з погляду повноти охвата даних процесів.
Слід зазначити, що експериментальні дані використані винятково для вибору вимірювальної схеми. Їх не можна застосовувати як остаточні оцінки витрат енергії того або іншого режиму роботи електропоїзда. Для цієї мети повинні бути проведені самостійні повномасштабні експериментальні статистичні дослідження.
Як треба зі схеми заміщення й векторної діаграми, при перемножуванні миттєвих значень первинного струму й вторинної напруги власних потреб, що застосовується при традиційному способі визначення витрати енергії, з'являються два основних джерела систематичної погрішності: фазове зрушення напруги відносно U-i, що залежить від режиму роботи (номер ходової позиції, перехідних позицій, ослаблення поля тягових двигунів), і тяговий струм.
U1 і I1 — комплексні струм і напруга на вході трансформатора; In і Iф — комплексні струми галузей втрат n сталі намагнічування, провідність яких відповідно — gо й bo; Io — комплексна сума струмів In і Iф; Фт — вектор магнітного потоку в сердечнику; Е — е. р.с. первинної обмотки; Uф — складова прикладеного до первинної обмотки напруги, затрачувана на подолання е.р.с. Е; r і Xs — активного й реактивна (розсіювання) складові комплексного опору первинних і вторинних обмоток; т, сн, д— індекси в позначеннях складових параметрів вторинних обмоток — відповідно тягових, власних потреб і додаткової; XS'T = n2ХSт і гт= n2гт — наведені до первинного активна й реактивна складові комплексного опору вторинних тягових обмоток;
Z = n2Z — наведений опір навантаження; n — коефіцієнт трансформації; I2-= I2/n,
U2 = U2 n— наведені вторинні струм і напруження.
Рисунок 3.5 - Спрощена схема заміщення силового трансформатора (а) і його векторна діаграма (б).
Визначаючи витрату електроенергії, звичайно вимірюють активної, реактивну й сповненої енергії. Використають також коефіцієнт потужності, cosφ, коефіцієнт перекручувань. Паралельно звичайно фіксують діючі значення первинного струму й напруги.
Найбільшу зацікавленість представляє активна енергія, тому що розрахунки за витрачену енергію ведуться саме по ній. Заслуговує на увагу також і реактивна складова, що характеризує якість енергії в цілому.
Вимірювальна частина сучасних цифрових лічильників, таких як а фірми «ABB» або СЭТ-1 М.01.2 російського виробництва, виконана на основі аналого-цифрового перетворювача (АЦП) і сигнального процесора (ДСП).
АЦП вимірює миттєві значення величин, пропорційні фазним напругам і струмам, перетворює їх у цифровий код і передає по швидкісному послідовному каналі ДСП.
ДСП за миттєвим значенням напруг і струмів обчислює середні за період мережі значення: напруги, струми, активні, повну й реактивну потужності, коректує їх по амплітуді, куту й температурі.
На електпоїзді змінного струму ЕР9 випробували деякі вимірники витрати електроенергії. Щоб точно фіксувати споживання, був виготовлений еталонний активний скомпенсований дільник (робоча напруга 35 кв змінного струму). Його метрологічні випробування показали, що в стаціонарних умовах погрішність вимірів не перевищувала 0,3 % (для бортових умов застосування - 1 %), а частотний діапазон дільника склав 0... 100 кГц при нерівномірності характеристики 1 %. На цей дільник Держстандартом був виданий сертифікат твердження типу засобів вимірів.
Як прилади контролю споживання електроенергії використали три високоточних лічильники фірми «ABB» (погрішність -0,2 %, робочий діапазон частот - 20 Гц... 1 кГц). З їхньою допомогою з інтервалом в 3 з реєстрували через інтерфейс RS-485 діючі значення струму й напруги, а також активну й реактивну потужності одночасно на первинній і вторинній сторонах тягового трансформатора.
Перший лічильник фіксував первинний струм секції власним каліброваним датчиком струму, погрішність якого входить у сумарну погрішність приладу. Датчик струму був розрахований на діапазон зміни струму