Влияние динамических процессов в транзисторах IGBT на ударные нагрузки в асинхронном тяговом приводе при аварийных и нестационарных режимах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНЗИСТОРАХ IGBT НА УДАРНЫЕ НАГРУЗКИ В АСИНХРОННОМ ТЯГОВОМ ПРИВОДЕ ПРИ АВАРИЙНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ

Г.А. Федяева, В.Н. Федяев

Аннотация

Выполнено компьютерное моделирование асинхронного тягового привода с применением наиболее точных моделей транзисторов. Показано влияние внутренних свойств транзисторов IGBT на максимальные динамические нагрузки электропривода тепловоза при аварийных и нестационарных режимах. Дана количественная оценка снижения динамических нагрузок.

Широкое применение в асинхронных тяговых электроприводах новых локомотивов находят автономные инверторы напряжения (АИН) на транзисторах IGBT. При математическом моделировании электропривода транзисторы часто заменяют идеальными ключами с малым сопротивлением в открытом состоянии, большим сопротивлением в закрытом состоянии и мгновенно переключающимися из одного состояния в другое [1,2].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Такая замена справедлива при расчете большинства процессов в электроприводе, однако не всегда подходит при моделировании аварийных и нестационарных режимов. Это связано с особенностями внутренней структуры IGBT-транзистора. В отличие от тиристора в характеристиках IGBT [2] явно виден участок насыщения (рис. 1), на котором ток транзистора ограничен (до наступления режима теплового пробоя). Это явление весьма важно, поскольку при аварийном открытом состоянии силовых ключей катодной и анодной групп одноименной фазы АИН оно может ограничить бросок тока в фазах асинхронного тягового двигателя (АТД) и ударный электромагнитный момент, который в случае сквозного короткого замыкания в инверторе через пробитые IGBT достиг бы 4 - 6 номинальных значений [3, 4].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чтобы проиллюстрировать эффект ограничения тока, рассмотрим процессы, происходящие в цепи, изображенной на рис. 2. Возьмем из библиотеки программного комплекса ORCAD [5] модель транзистора CM600HA-28H фирмы Mitsubishi, максимально учитывающую внутренние процессы в приборе, со следующими номинальными данными: V_ces = 1400В, I_c = 600А. При моделировании напряжение источника питания Ec линейно нарастает. Ток резистора R1, подключенного непосредственно к источнику питания, увеличивается пропорционально напряжению (рис. 3). Ток резистора R2, включенного через транзистор, нарастает до значения тока насыщения. На рис. 3 явно видно ограничение тока, протекающего через ветвь схемы, содержащую транзистор.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для исследования аварийных и нестационарных режимов в асинхронном тяговом приводе (АТП) тепловоза с учетом динамических процессов в IGBT была составлена модель в системе ORCAD 10.5, которая включает следующие элементы силовой цепи (рис. 4): синхронный генератор, представленный источником трехфазного напряжения с регулируемыми фазными эдс (E_Ga, E_Gb, E_Gc) и заданными внутренними активными сопротивлениями (R_G) и индуктивностями (L_G); трехфазный мостовой выпрямитель; индуктивный фильтр L_d R_d; АИН на IGBT-транзисторах VT1-VT6; емкостный фильтр C_ф с сопротивлением потерь R_ф, последовательно с которым условно включена эквивалентная индуктивность токоограничивающих реакторов и соединительных проводов Lэ; цепь реостатного торможения с сопротивлением Rн, включаемую через транзистор VT7, и асинхронный двигатель АТД.

В качестве тягового двигателя взят установленный на маневровом тепловозе ТЭМ 21 двигатель ДАТ305, имеющий следующие номинальные данные: Р_н = 305 кВт, f_н = 16,3 Гц, U_фн = 390 В, М_н = 9316 Нм, I_н = 327 А (параметры Т-образной схемы замещения: R_s = 0,068 Ом, L_s = 0,71 мГн, L = 24 мГн, R_r ^Р= 0,051 Ом, L_r ^Р= 0,57 мГн). В качестве силового ключа выбран рассмотренный ранее транзистор CM600HA-28H.

В моделируемой силовой схеме асинхронного тягового привода (рис. 4) динамические процессы в АТД рассчитываются на основе уравнений трехфазной обобщенной машины [6].

Напряжение на выходе АИН формируется системой управления по закону U/f = const с обратной связью по скорости локомотива и заданным абсолютным скольжением, причем частота напряжения регулируется инвертором, а амплитуда - источником питания. Закон управления транзисторами АИН - 180-градусный. Сигналы управления IGBT формируются таким образом, чтобы в нормальном режиме через 3 - 5 мкс после выключения одного из транзисторов фазы АИН включался другой. Это позволяет избежать возникновения сквозных токов.

Для моделирования нестационарных режимов необходимо дополнить модель электрической части уравнениями механической подсистемы. Причем в среде ORCAD механические величины, такие как электромагнитный момент и скорость, моделируются равными им по величине электрическими сигналами: напряжением и током соответственно. Упрощенная расчетная схема механической подсистемы, составленная для одной оси локомотива, принята двухмассовой. В первую массу включены следующие элементы: ротор, редуктор и колесная пара, - во вторую - локомотив и поезд. Учитываются только угловые колебания в продольной вертикальной плоскости по отношению к оси пути. Тяговое усилие от колес передается через контакт «колесо-рельс» на локомотив.

Сила тяги и тяговый момент определяются через сцепной вес и коэффициент сцепления. На скорость ротора АТД, определяющую динамические нагрузки в нормальных и нестационарных режимах, влияет скорость продольного проскальзывания колеса относительно рельса. Ввиду сложности физических процессов в контакте «колесо - рельс» современная теория не дает возможности получить полную характеристику сцепления. В отечественной практике наибольшее признание получили результаты экспериментальных исследований Н.Н. Меншутина, согласно которым можно представить связь между коэффициентом сцепления, выраженным в относительных единицах,

К = /₀ , (1)

и скоростью проскальзывания колеса в продольном направлении, выраженной в процентах,

, (2)

в виде нелинейной зависимости (характеристики сцепления). Причем вид этой характеристики, задаваемый таблично, при моделировании может варьироваться в зависимости от состояния рельсов, например для сухих рельсов вводится характеристика с явно выраженным, а для влажных - с неявно выраженным максимумом.

В уравнениях (1), (2) - коэффициент сцепления (КС) колеса с рельсом; ₀ - потенциальный коэффициент сцепления; V_к - линейная скорость колеса. напряжение привод транзистор асинхронный

Коэффициент сцепления определяется через потенциальный коэффициент сцепления по формуле = К₀. Зная КС, находим силу тяги ведущей оси тележки

F_т= П_сц

и тяговый момент, равный моменту сил сопротивления в контакте «колесо - рельс»,

М_т= П_сц(D_к/2),

где П_сц - сцепной вес локомотива.

Потенциальный коэффициент сцепления ₀ зависит от состояния контактных поверхностей, скорости движения и других факторов. Значения ₀ в зависимости от скорости движения задаются таблично с интерполяцией в промежуточных точках. Для моделирования влияния остальных факторов (наезд на масляное пятно, подсыпка песка) ₀ можно варьировать.

Моделирование электромеханических процессов при ухудшении условий сцепления показывает, что буксование не переходит в разносное, но наблюдаются колебания. Это обусловлено жесткостью естественных механических характеристик АТД, формируемых при срыве сцепления системой управления. Амплитуды токов IGBT при этом увеличиваются кратковременно, не превышая 650 А, и транзисторы работают на линейном участке выходной характеристики (рис. 1) аналогично идеальным ключам и не попадают в зону насыщения.

Насыщение IGBT наблюдается при моделировании аварийного режима опрокидывания инвертора (одновременного открытого состояния транзисторов анодной и катодной групп одноименной фазы). Вследствие насыщения токи в стойках IGBT ограничиваются, и токи фаз АТД превышают амплитуду номинального режима не более чем в 1,5 раза, тормозной момент на валу двигателя составляет 1,4 номинального (рис. 5). Разумеется, такой режим возможен только при повышенном теплоотводе, исключающем тепловой пробой транзисторов. Если использовать в модели вместо транзисторов IGBT идеальные ключи, приняв сопротивление ключа в открытом состоянии равным 0,01 Ом, в закрытом - 10⁶ Ом, то при такой же аварии ударные токи превышают номинальные в 3,7 раза, ударный тормозной момент составляет 4,8 номинального значения (рис. 6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Результаты моделирования динамических процессов в АТП при опрокидывании АИН на транзисторах CM600HA-28H

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Результаты моделирования динамических процессов в АТП при опрокидывании АИН на идеальных ключах

В результате анализа аварийных и нестационарных режимов в тяговом приводе тепловоза с учетом свойств IGBT:

1. Разработана модель асинхронного тягового привода тепловоза в системе ORCAD 10.5, позволяющая выполнять расчет аварийных и нестационарных режимов работы привода.

2. Установлено, что при срыве сцепления IGBT работают аналогично идеальным ключам, но при опрокидывании инвертора IGBT-транзисторы до наступления режима теплового пробоя ограничивают сквозные токи в АИН и токи фаз двигателя, что при отсутствии теплового пробоя приводит к снижению ударного электромагнитного момента в 3,5 раза.

Список литературы

Бахвалов, Ю.А. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом/ Ю.А. Бахвалов, А.А. Зарифьян; под ред. Е.М. Плохова. - М.: Транспорт, 2001.-286 с.

http://www.mitsubishichips.com

Ротанов, Н.А. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями/ под ред. Н.А. Ротанова. - М.: Транспорт, 1991. - 336 с.

Михальченко, Г.С. Моделирование переходных режимов в асинхронном тяговом приводе локомотивов/ Г.С. Михальченко, Г.А. Федяева, А.И. Власов //Вестник ВНИИЖТ. - 2003.- № 4. - С. 42-47.

Разевиг, В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2/ Д.В. Разевиг. - М.: Солон-Р, 2003.-528 с.

Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин/ И.П. Копылов. - М.: Высш. шк., 2001. - 327 с.

Размещено на Allbest.ru