Підвищення ефективності електропередачі електротранспорту з використанням схем із змінною структурою у головному колі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство транспорту та зв'язку України

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту

імені академіка В. Лазаряна

УДК 621.315:621.314:621.382

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ електропоїздів

змінного струму ВИКОРИСТАННЯМ ЕЛЕКТРОПЕРЕДАЧІ

ЗІ ЗМІННОЮ СТРУКТУРОЮ

Спеціальність 05.22.09 - електротранспорт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ФАЛАЛЄЄВ МИКОЛА ІВАНОВИЧ

Дніпропетровськ - 2009



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі «Залізничний транспорт» Східноукраїнського національного університету імені В. Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, Басов Геннадій Григорович, Східноукраїнській національний університет імені В. Даля Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ, доцент кафедри «Залізничний транспорт».

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Андрієнко Петро Дмитрович, Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя, професор кафедри «Електричні апарати».

кандидат технічних наук, доцент Вісін Микола Григорович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України, м. Дніпропетровськ, доцент кафедри «Електрорухомий склад».

Захист відбудеться 18.06.2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.820.01 при Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. академіка В.А.Лазаряна, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Автореферат розісланий 16.05.2009 року.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Д 08.820.01,

доктор технічних наук, професор М. Б. Курган



АНОТАЦІЯ

Фалалєєв М.І. Підвищення ефективності електропередачі електротранспорту з використанням схем із змінною структурою у головному колі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 - електротранспорт. - Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ, 2009.

Дисертація присвячена питанням, направленим на подальший розвиток теорії вентильних електроприводів для електропередачі електротранспорту з двигунами постійного і змінного струму.

В результаті досліджень науково обґрунтовано можливість підвищення ефективності використання устаткування електропередачі приміського електротранспорту з використанням вентильних електроприводів із змінною структурою силової схеми за рахунок зменшення встановленої потужності і підвищення коефіцієнту корисної дії електропередачі.

Вперше одержано аналітичні залежності для визначення встановленої потужності устаткування джерела живлення від параметрів силового кола електропоїздів з двигуном постійного струму і змінною структурою вентильної частини схеми. Також вперше розроблено імітаційні моделі електропередачі з 4q-S перетворювачами і одержано раніше невідомі залежності струму рекуперації від параметрів схеми електропередачі.

Ключові слова: електропривод, змінна структура, ефективність використання, імітаційні моделі, аналітичні залежності, двигун постійного струму, алгоритм.

електропередача електротранспорт вентильний потужність



АННОТАЦИЯ

Фалалеев Н.И. Повышение эффективности электропередачи электротранспорта с использованием схем с переменной структурой в главной цепи. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.09 - электротранспорт. - Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, Днепропетровск, 2009.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности электропередачи электропоездов с использованием схем с переменной структурой в главной цепи и развития теории вентильных электроприводов для электропередачи электротранспорта с двигателями постоянного и переменного тока.

Полученные научные результаты представляют собой комплексное решение научно-технической задачи, которая состоит в установлении взаимосвязи параметров оборудования с требуемыми техническими характеристиками электропередачи.

В результате исследований научно обоснована возможность повышения эффективности использования электропоездов с использованием вентильных электроприводов с переменной структурой силовой схемы за счет уменьшения установленной мощности электрооборудования и повышения коэффициента полезного действия электропередачи.

Впервые получены аналитические зависимости установленной мощности оборудования: трансформатора и вентильной части схемы - от параметров якорной цепи для электропередачи с сериесными двигателями постоянного тока.

Проведены аналитические исследования работы 4q-S преобразователей в режимах выпрямления и рекуперации и выявлены особенности работы фильтров высших гармоник.

Получены приближенные аналитические выражения для определения пульсации напряжения на конденсаторе фильтра второй гармоники в функции допустимых пульсаций на фильтре звена постоянного тока, частоты модуляции и параметров входных фильтров высших гармоник.

Установлено, что относительная величина пульсаций напряжения на конденсаторе (тока в индуктивности) фильтра второй гармоники пропорциональна отношению частоты модуляции к частоте фильтра второй гармоники. Показано, что величина этих пульсаций в реальных схемах преобразователей может в 4-5,5 раз превышать амплитуду пульсаций напряжения на фильтре звена постоянного тока.

Получены приближенные аналитические выражения для определения амплитуды пульсаций входного тока 4q-S преобразователей в зависимости от амплитуды допустимых пульсаций на конденсаторе фильтра и параметров вторичной цепи трансформатора (L) и фильтра (С).

Проведен сравнительный анализ алгоритмов управления 4q-S преобразователем (синусоидальной ШИМ модуляцией и режим «прозрачного» преобразователя), который показал, что использование алгоритма «прозрачного» преобразователя обеспечивает в 1,14 раза больший ток рекуперации при одинаковых параметрах схемы и уменьшение установленной мощности реакторного оборудования и конденсаторного оборудования при одинаковом токе рекуперации.

Разработана имитационная модель для исследования режимов работы 4q-S преобразователей при изменении параметров схемы и алгоритмов управления и проведены компьютерные исследования, в результате которых получены ранее неизвестные зависимости токов и напряжений для двух алгоритмов управления: синусоидальной ШИМ и сплошным импульсом ограниченной длительности (режим «прозрачного» преобразователя), определены приемлемые зоны изменения углов управления (б) ключами преобразователя.

Проведено исследование влияния напряжения в звене постоянного тока и индуктивности входного реактора на величину тока рекуперации. Установлено, что увеличение индуктивности входного реактора уменьшает ток рекуперации.

Проведен анализ электромагнитной совместимости 4q-S преобразователя с сетью для различных режимов работы и алгоритмов управления при наличии входных фильтров высших гармоник.

Сравнительным анализом установлено, что в случае применения одиночного 4q_S преобразователя наиболее приемлемым режимом является работа преобразователя с переменной структурой (раздельно работают выпрямитель в двигательном режиме, а инвертор в режиме «прозрачного» преобразователя) при рекуперации с установкой входного фильтра третьей гармоники.

Ключевые слова: электропривод, переменная структура, эффективность использования, имитационные модели, аналитические зависимости, двигатель постоянного тока, алгоритм.



ABSTRACT

NI Falaleev. Improving the efficiency with the use of electric power schemes with variable structure in the main chain. - The manuscript.

The dissertation for candidate degree in technical sciences by speciality 05.22.09 _ electric transport. - Dnepropetrovsk national university of railway transport named by academician V. Lazaryan, Dnepropetrovsk, 2009.

The thesis is focused on the issues for the subsequent development of the theory of electric drives valve for electric power engines with permanent and AC.

As a result, research scientifically justified the use of the opportunity to improve the efficiency of equipment suburban electric power using variable valve Electric power structure of the scheme by reducing the installed capacity and improve efficiency power.

For the first time received dependency analysis to determine the installed capacity of power supply equipment parameters and the power circuit electro-diesel engine DC and variable valve structure portion scheme.

Key words: driven, variable structure, efficiency, mathematical models, analytical dependence, DC engine, algorithm.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

У відповідності з «Державною програмою стратегічного розвитку залізниць України», а також з «Програмою оновлення тягового рухомого складу залізниць на період до 2020 р.», схваленою Науково-технічною радою Укрзалізниці 25 березня 2008 р., яка встановлює основні напрямки та обсяги розвитку залізничного рухомого складу на перспективу, перспективний рухомий склад залізниць України повинен мати показники, спрямовані на підвищення його продуктивності, економічності, швидкості руху, ресурсу, надійності, безпечності, комфорту, а також на зменшення питомої вартості та витрат на своє утримання і усунення негативного впливу на довкілля.

Для забезпечення високих техніко-економічних показників тягового рухомого складу сучасного та перспективного покоління необхідне широке використання в його конструкціях нових технічних рішень і матеріалів, що відповідають сучасним вимогам експлуатації.

Тому тема дисертації, яка націлена на підвищення ефективності електропоїздів змінного струму із змінною структурою силової схеми електроприводів на базі досягнень сучасної силової електроніки, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами

Науково-дослідна робота виконана згідно з Державною програмою "Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства", введеною в дію Постановою Кабінету Міністрів України від 2.06.1998 р. №769, та розробленою і затвердженою Укрзалізницею програмою: "Комплексна програма оновлення залізничного рухомого складу на 2006-2010 роки" (2006р.), а також у відповідності з планом науково-дослідних робіт Укрзалізниці за темою «Розробка і реалізація наукових основ енергоефективності рухомого складу залізниць і комплексу технічних рішень із удосконаленням системи випробувань» ДН-23-09, № 0108U000068, наказ МОН України № 1043 від 17.11.08г.

Мета і завдання дослідження

Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності електропоїздів змінного струму шляхом досліджень електромагнітних процесів в їх електропередачі і розробка рекомендацій по підвищенню ефективності використання електроустаткування електропоїздів.

Для досягнення поставленої мети в дисертації розв'язані такі основні задачі:

- аналіз стану досліджень і розробок у області електропередач для електротранспорту і, в першу чергу, електропоїздів;

- дослідження можливості підвищення ефективності електроустаткування електропередач на базі електроприводів постійного і змінного струму із змінною структурою силових схем, а також нових алгоритмів управління;

- дослідження особливостей роботи вентильних електроприводів електропередачі з 4q-S перетворювачами в режимах тяги і рекуперативного гальмування;

- розробка імітаційних моделей вентильних електроприводів і проведення досліджень режимів роботи за допомогою комп'ютерного моделювання;

- розробка рекомендацій по підвищенню ефективності електропередачі електропоїздів змінного струму.

Об'єкт дослідження

Об'єктом дослідження є електромагнітні процеси в елементах електроустаткування електропередачі електропоїздів змінного струму.

Предмет дослідження

Предметом дослідження є електромашинні комплекси електропередач електропоїздів змінного струму.

Методи дослідження

При розв'язання диференціальних рівнянь і чисельних методів розв'язання нелінійних диференціальних рівнянь застосовували методи математичного аналізу за допомогою ПЕОМ. Дослідження складних нелінійних електричних кіл з вентилями проводили методами математичного моделювання на ПЕОМ. Обробку експериментальних даних проведено на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів

В результаті досліджень отримано такі основні наукові результати:

- вперше одержано аналітичну залежність встановленої потужності устаткування джерела живлення від параметрів силового кола електропоїздів з двигуном постійного струму і випрямлячем із змінною структурою, що дозволяє зменшити потужність устаткування електропередачі;

- вперше розроблено імітаційну модель електропередачі з 4q-S перетворювачами і одержано раніше невідому залежність струму рекуперації від параметрів схеми електропередачі, що дозволило більш точно оцінювати необхідну потужність електропередачі;

- дістало подальший розвиток наукове обґрунтування можливості підвищення ефективності використання устаткування електропередачі електропоїздів з використанням вентильних електроприводів із змінною структурою силової схеми, що дозволяє зменшити встановлену потужність і поліпшити коефіцієнт корисної дії (ККД) електропередачі;

- встановлено закономірності роботи конденсаторного устаткування в електропередачі при використанні резонансних фільтрів постійного і змінного струму для фільтрації вищих гармонійних складових, що дозволяє поліпшити електромагнітну сумісність електропоїздів з мережею.

Практичне значення одержаних результатів

Доведено доцільність використання електропередачі для електропоїздів з двигунами постійного струму (ДПС) із змінною структурою силової схеми перетворювачів, яка дозволяє понизити встановлену потужність трансформатора і підвищити ККД електропередачі електропоїздів змінного струму в діапазоні швидкостей (0_0,5) Vном. Визначені залежності, що пов'язують струми і напруги елементів електропередачі з параметрами схеми живлення, дозволяють визначити режими роботи. Розроблені імітаційні моделі дозволяють проводити дослідження електромагнітних процесів в складних схемах електропередачі електропоїздів змінного струму, аналітичне дослідження яких неможливе.

Розроблені рекомендації полегшують побудову схем електропередачі і алгоритмів її управління для створення сучасних електропоїздів змінного струму.

Результати роботи були використані ВАТ «ХК «Луганськтепловоз» м. Луганськ при розробці технічних вимог до електропередачі електропоїздів змінного струму, а також ВАТ НДІ «Перетворювач» м. Запоріжжя при розробці високовольтних напівпровідникових перетворювачів для асинхронних електроприводів.

Особистий внесок здобувача

Автор самостійно сформулював мету та задачі досліджень, наукові положення. В публікаціях, де відображено основні результати дисертаційної роботи та які написано у співавторстві, автору належать:

[5] - постановка завдання, використання алгоритмів управління силовою схемою із змінною структурою; [2] - постановка завдання і методики розрахунку спектру паразитних полів при комутації струму навантаження швидкодіючими напівпровідниковими приладами; [3] - постановка завдання і методики визначення встановленої потужності трансформаторів, випрямлячів із змінною структурою силового кола, що працюють на серієсний двигун постійного струму; [6] - постановка завдання і дослідження впливу параметрів навантаження на енергетичні характеристики випрямляльно - інверторного устаткування; [4] - постановка завдання і дослідження на імітаційній моделі мостового випрямляча; [1] - запропоновано аналітичний вираз і проведено комп'ютерне дослідження особливостей 4q-S перетворювача в тяговому і рекуперативному режимах. Оцінено вплив комутаційних процесів на вибір параметрів устаткування схеми. Робота [1] - виконано автором самостійно.

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на:

- міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи», м. Кременчук, 2005р.;

- LXVI міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту», м. Дніпропетровськ, 2006р.;

- семінарі ВАТ НДІ «Перетворювач», м. Запоріжжя, 13.01.2005р.;

- науково-тематичному семінарі «Електричні комплекси та системи», Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, 13.10.2004р;

- XVIII міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы развития рельсового транспорта», м. Ялта, 2008 р.;

- міжкафедральних семінарах ДНУЗТ, м. Дніпропетровськ, 26.11.2007 р., та 22.04.2008 р.

Публікації

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 6 наукових працях, в фахових виданнях, які затверджено ВАК України.

Структура та обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, що викладено на 128 сторінках машинописного тексту і які містять 44 рисунків і 9 таблиць, переліку літературних джерел із 106 найменувань на 11 сторінках, 2 додатків на 14 сторінках. Ілюстрації (рисунки) і таблиці, які розміщені на окремих сторінках дисертації, займають 24 сторінки.

Повний об'єм дисертації складає 152 сторінки.



Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, потреба її дослідження і зв'язок з науковими програмами і планами. Сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, подано дані про апробацію основних положень роботи.

У першому розділі розглянуто сучасний стан тягового електроприводу приміського електротранспорту з двигунами постійного і змінного струму.

Показано, що сучасні досягнення силової електроніки дозволяють істотно поліпшити використання встановленої потужності електроустаткування.

На базі узагальненої схеми електропередачі проаналізовано технічні вимоги до основних елементів електропередачі приміського транспорту і сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі наведено аналіз базових однофазних і багатофазних схем перетворювачів для електропередачі і розглянуто можливості реалізації нових безконтактних схем силових кіл перетворювачів із змінною структурою для реалізації електропередачі постійного і змінного струму.

Показано, що незважаючи на широке розповсюдження однофазних схем для тягових електроприводів постійного струму з серієсними двигунами, вони мають істотні недоліки:

а) збільшену габаритну потужність трансформатора. Для нульової схеми вона збільшується в 1,2 рази проти мостової схеми, без урахування збільшення габаритної потужності за рахунок конструктивного виконання великої кількості відпаювань;

б) важко реалізувати фильтро-компенсуючий пристрій (ФКП), оскільки величина гармонік залежить від рівня напруги використовуваних відпаювань. ФКП, розрахований для компенсації на відпаюванні з високим рівнем напруги, матиме надмірну потужність при роботі на інших відпаюваннях, що приведе до зсуву точки резонансу і збільшення втрат в ФКП;

в) збільшену встановлену потужність силових напівпровідникових приладів, які із-за конструктивних особливостей вибираються, як правило, одного номіналу;

г) збільшену кількість контактної апаратури.

Недоліки випрямляча для ФКП, виконаного на діодах з відносно високим коефіцієнтом зрушення , який в реальних схемах дорівнює 0,8_0,92, перекреслюють таку позитивну якість, як простота його схеми. Показано, що вказаних недоліків в значній мірі позбавлена схема з двозонним управлінням, де випрямляння здійснюється по мостовій схемі, що сприяє зниженню встановленої потужності трансформатора, зменшується кількість контактної апаратури. Використання тиристорів замість діодів дозволяє повністю виключити контактну апаратуру, але з'являється інша проблема - істотне зниження коефіцієнта потужності за рахунок зміни кута регулювання в межах зони. Ця обставина вимагає установки мінімум двох ФКП. Використання тиристорів дозволяє реалізувати режим рекуперації з використанням перемикача в колі головного струму.

Проведено аналіз електромеханічних характеристик серієсного двигуна який показав, що при пуску необхідно мати достатньо високу кратність перевантаження випрямляча по струму (2-3)I_н при достатньо низькій напрузі і відносно малий струм при високій швидкості. Найпростіше такий режим можливо одержати в комбінованій схемі, що використовує паралельне і послідовне з'єднання мостів (випрямлячі із змінною структурою). Для підтримки високого коефіцієнта потужності випрямлена напруга регулюється за допомогою трансформаторів з регулюванням напруги під навантаженням (РНН). В межах ступеня РНН регулювання напруги можна здійснити заміною діодних вентильних груп на тиристорні. Показано, що для приводів, які працюють з частими перемиканнями або при такому струмі, коли вартість вимикачів стає істотно вищою за вентильні ключі, значно зручніше використовувати схеми безконтактного перемикання, оскільки встановлена потужність трансформатора в межах роботи ступенів залишається незмінною, при цьому кожна напівобмотка має встановлену потужність

,

тобто удвічі меншу, ніж при використанні випрямляча з постійною структурою. Це істотно знижує собівартість трансформаторів. Для оцінки необхідної потужності трансформатора і випрямлячів з використанням серієсних двигунів одержано вираз:

, (1)

де I_я - струм якоря; R_d - активний опір якірного кола;

; ;

; ;

конструктивні постійні двигуна.

При збереженні постійної потужності вираз для визначення струму при перемиканні мостів має вигляд:

. (2)



Аналіз (2) показав, що для збереження постійної потужності двигуна при зміні напруги удвічі в порівнянні з реальними значеннями падіння напруги в діапазоні 0,05-0,1, випрямляч джерела живлення повинен забезпечити протікання струму в межах 2,22..2,5 I_н, що при паралельному з'єднанні мостів відповідає струму одного моста в межах 1,11..1,25 I_н. Отже, встановлена потужність трансформатора і випрямляча може бути зменшена в 1,2-1,4 рази, тобто, із збільшенням потужності приводу ефективність цієї схеми істотно зростає.

На рис. 1 приведено схему із змінною структурою для однофазного випрямляча, що дозволяє понизити встановлену потужність трансформатора. Проведено порівняльний аналіз схеми електропоїзда ЭР9т із схемою, приведеною якій показав, що застосування силової схеми з безконтактним перемиканням випрямних мостів з паралельного на послідовне включення дозволяє понизити в 1,2-1,4 рази встановлену потужність трансформатора, а також кількість контакторів у схемі електропоїзда ЭР9т при приблизно однакових габаритах вентильної частини.

Також показано, що при перемиканні структури силової схеми з послідовного з'єднання на паралельне і навпаки стрибком змінюється напруга випрямляча. Це необхідно компенсувати швидкодіючим регулятором напруги, або фазовим управлінням тиристорами. Доведено, що використання перемикання з паралельного з'єднання випрямних мостів на послідовне дозволяє, для електроприводів з серієсним двигуном, істотно понизити встановлену потужність трансформатора, а регулювання напруги можливо здійснювати при заміні діодних вентильних груп 1Vn і 2Vn на тиристорні.

Одержано аналітичну залежність встановленої потужності трансформатора і випрямляча від параметрів кола якоря серієсного двигуна. Встановлено, що із збільшенням потужності електропередачі зменшення встановленої потужності трансформатора наближається до теоретичної межі - кількості ступенів перемикання. Показано, що у разі використання серієсного тягового двигуна з відносним падінням напруги в колі постійного струму (0,05-0,1) U_ном встановлена потужність вентильних обмоток трансформатора зменшується в 1,2-1,4 рази і в діапазоні швидкостей від 0 до 0,5 V_ном відбувається зниження додаткових втрат в двигуні в 2 рази, а в RC-колах імпульсних перетворювачів в 4 рази при незмінній частоті модуляції.

Наведено приклади схем безконтактного перемикання мостів з паралельного з'єднання на послідовне і зроблено порівняльну оцінку із рядом існуючих схем електропередач електропоїздів змінного струму, яка показала їх істотні техніко-економічні переваги.

У третьому розділі наведено результати аналізу особливості роботи 4q-S перетворювача в електропередачі. Показано, що використання 4q-S перетворювачів для реалізації корекції коефіцієнта потужності особливо ефективно у разі потреби забезпечення рекуперації енергії в мережу. Разом з тим ефективність корекції коефіцієнта потужності істотно знижується при зменшенні навантаження нижче за половину номінальної. Крім того, цьому виду перетворення властивий істотний недолік - необхідність установки в первинному колі значної індуктивності.

Основним критерієм вибору вхідної індуктивності є максимальна величина випрямленої напруги при максимальному навантаженні і частоті модуляції ключів випрямляча, тому відзначено, що для задовільної роботи 4q-S перетворювача в режимі компенсації реактивної потужності випрямлена напруга, за оцінками окремих досліджень, повинна бути завищена на 20-50% проти номінального значення. Ця обставина приводить до збільшення встановленої потужності устаткування: трансформатора, реактора, конденсаторів, силових напівпровідникових приладів і до збільшення маси устаткування. Разом з тим, при проектуванні важливо визначити максимальне і діюче значення струмів в елементах схеми для правильного вибору їх параметрів. У свою чергу, миттєві і інтегральні показники струмів (напруги, потужностей і т.п.) залежать від алгоритму управління 4q-S перетворювачем. Найбільш поширеними алгоритмами є алгоритми, пов'язані з реалізацією різних законів управління широтно-імпульсною модуляцією, зокрема синусоїдальною модуляцією, що найбільш часто зустрічається. Менш часто використовується режим «прозорого» перетворювання, коли повністю керований ключ разом з основним діодом випрямляча в зоні його провідності (діода) утворюють двонаправлену провідність. Знак струму (випрямляння або рекуперація) визначається знаком різниці між напругою на вході і виході перетворювача. Проте, вживаючи специфічні режими роботи 4q-S перетворювача, можна знайти спрощені рішення, які можливо використовувати в попередніх оцінках. Для точнішого вирішення необхідно застосовувати імітаційні моделі з використанням засобів обчислювальної техніки.

Розглянуто особливості роботи 4q-S перетворювача у випрямному і інверторному режимах. Початкова розрахункова схема 4q-S перетворювача наведена на рис. 2. У випрямному режимі роботи 4q-S перетворювача активна потужність передається через діоди в навантаження. Вважаємо, що . Режим накачування повинен забезпечувати достатньо незначні пульсації на конденсаторі фільтру. Звичайно ця величина знаходиться в межах до 10 %.

L_s - індуктивність розсіяння, L_d - індуктивність ланки постійного струму,

R_d - активний опір ланки постійного струму, I_d - струм в ланці постійного струму.

Виходячи з балансу потужностей і вважаючи струм навантаження безперервним, у разі відсутності фільтру на вході випрямляча, амплітуду пульсацій вхідного струму випрямляча визначимо із співвідношення:

. (3)



, одержимо вираз для максимальної пульсації вхідного струму:

, (4)

де - хвилевий опір контура L_вх. - С₃.

Пульсації струму фільтру другої гармоніки визначимо, вважаючи що пульсація напруги конденсатора фільтру ланки постійного струму змінюється по приблизно синусоїдальному закону з періодом модулюючої частоти і амплітудою , а конденсатор С₃ вважаємо джерелом напруги. Початкове рівняння для визначення струму пульсацій має вигляд:

, (5)

де - активний опір контура фільтру другої гармоніки;

- початкова фаза включення.

Надалі для простоти аналізу вважаємо або , які визначають граничні значення струмів і напруги.

Вирішуючи диференціальне рівняння (5) одержимо вираз для напруги на конденсаторі фільтру С2:

або з урахуванням прийнятих раніше допущень

.

Диференціюючи вираз (6) одержимо:

(7)

де або

;

Аналіз (6) і (7) показує, що складові вказаних рівнянь містять вимушену складову, яка відповідає сталому режиму



а також вільні складові, амплітуда яких затухає згідно із законом і які мають частоту власних коливань контуру.

Аналіз вільних складових напруги на конденсаторі показує, що складова не може викликати перенапружень, оскільки величина добутку може змінюватися в межах одиниці, що може привести до збільшення напруги на . Складова у зв'язку з малим значенням величини втрат в контурі мала і при в = 0 перетворюється на нуль.

Третя складова може досягати великих значень при великому співвідношенні . При частоті модуляції у діапазоні від 300 до 450 Гц і частоті контуру 100 Гц це співвідношення може знаходитися в межах 3-4,5. Таким чином, амплітуда змінної складової на конденсаторі може збільшуватися в 4-5,5 рази проти сталого значення амплітуди пульсацій. Проводячи аналогічний аналіз виразу (7) для струму конденсатора С₂, можна зробити висновок, що значні струми можуть бути викликані відповідною складовою , але при значно меншій власній частоті контуру в порівнянні з модулюючою частотою . Це припущення теоретичне і для контуру воно не підтверджується, оскільки .

При правильно вибраних параметрах, співвідношення між ємністю і індуктивністю вхідного фільтру визначається співвідношенням:



, (8)

з якого виходить, що залежно від кратності частот фільтру до основної гармоніки відношення знаходиться в межах від до ?. Менші значення відповідають частоті фільтру другої гармоніки. Таким чином, установка фільтрів високого порядку не приводить до порушення умови

Режими компенсації реактивної потужності за допомогою 4q-S перетворювача здійснюються алгоритмами, що забезпечують модуляцію напруги 4q-S перетворювача по певному закону, що надає, як правило, синусоїдальну форму вхідному струму, проте, електромагнітні режими при рекуперації в 4q-S перетворювачі, що працює з алгоритмом, який забезпечує режим «прозорого» перетворювача, практично не розглядалися. Розглянуто електромагнітні процеси в 4q-S перетворювачі для алгоритму, що забезпечує режим «прозорого» перетворювача.

При цьому зроблено наступні припущення. Напруга в ланці постійного струму (на конденсаторі фільтру) постійна. Напруга підтримується постійною за рахунок енергії рекуперації двигуна. Пульсацією на конденсаторах фільтру нехтуємо. Тоді рівняння електричної рівноваги для кола струму у вхідному колі (струму рекуперації) має вигляд:

(9)

,

де в - кут включення ключа. Рішення рівняння для струму має вигляд:



;; .

Рішення (9) у відносних одиницях прийме вигляд:

(10)

де ; .

Максимального значення струму рекуперації набудемо при і інтервалі провідності, який дорівнює р:

. (11)

Порівнюючи значення максимального струму рекуперації по (11) із значенням амплітуди вхідного струму при широтно-імпульсній модуляції у відповідності з відомими рекомендаціями, маємо:

, (12)

при рівних значеннях і , напруга в ланці постійного струму (вважаючи ) з обліком (11) має значення:

. (13)



Цей вираз показує, що алгоритм управління, який забезпечує роботу 4q-S перетворювача в режимі «прозорого» при однаковій встановленій потужності, забезпечує більший на 14 % струм рекуперації в порівнянні з алгоритмом широтно-імпульсної модуляції, а при рівному струмі рекуперації встановлена потужність трансформаторного устаткування зменшується в 1,14 рази, а конденсаторного устаткування в 1,3 рази.

У четвертому розділі виконано розробку імітаційній моделі 4q-S перетворювача і виконано комп'ютерні дослідження електромагнітних процесів у випрямному і рекуперативному режимах роботи стосовно електропередачі електропоїзда змінного струму при різних алгоритмах управління. Отримано наступні результати:

- одержано підтвердження допущень, прийнятих при аналізі особливостей електромагнітних процесів в 4q-S перетворювачі, у третьому розділі;

- одержано раніше невідомі залежності струмів і напруги для двох алгоритмів управління (синусоїдальної ШІМ і суцільним імпульсом обмеженої тривалості), визначено прийнятні зони зміни кутів управління керованих ключів;

- проведено дослідження впливу на ЕДС інвертора (напруга в ланці постійного струму) і індуктивності вхідного реактора на величину струму рекуперації і амплітуд струму в обмотках трансформатора;

- проведено аналіз сумісності 4q-S перетворювача з мережею при використанні вказаних вище алгоритмів для режимів випрямляння і рекуперації з вхідними фільтрами вищих гармонік і без них.

Загальний аналіз показав, що 4q-S перетворювач у вказаних режимах працює як джерело реактивної потужності і має обмежену потужність рекуперації. Оскільки для здійснення прийнятного гальмівного моменту струм рекуперативного гальмування повинен бути більше або рівний струму номінальному, необхідно вжити заходи для його збільшення, оскільки вхідний струм має при рекуперації переривистий, або глибоко пульсуючий характер, тому індуктивність вхідного реактора L3 істотно обмежує струм рекуперації.



Висновки

На основі проведених експериментальних та теоретичних досліджень у дисертаційній роботі вирішена важлива науково-технічна задача підвищення ефективності електропоїздів змінного струму із змінною структурою електроприводів, яка полягає у встановленні взаємозв'язку параметрів устаткування з необхідними технічними характеристиками електропередачі електропоїздів змінного струму і дозволяє підвищити ефективність використання устаткування електропередачі із змінною структурою силової схеми за рахунок зменшення встановленої потужності устаткування і підвищення ККД електропередачі. Основні наукові результати та висновки дисертації полягають у наступному:

1. За два останні десятиліття локомотиви, що експлуатуються на Україні, не одержали серйозних технічних удосконалень і характеризуються показниками, які застаріли по багатьох технологічних і експлуатаційних параметрах. Тому актуальною стає задача підвищення експлуатаційних характеристик при модернізації і створенні нових локомотивів.

2. Не зважаючи на численні дослідження впливу вентильних приводів і перетворювачів на живлячу мережу (коефіцієнт зрушення, коефіцієнт спотворення, які характеризують коефіцієнт потужності, комутаційні провали в напрузі живлячої мережі), кожна нова схема електроприводу, з урахуванням різноманіття конфігурацій перетворювачів і параметрів живлячої мережі, вимагає детального дослідження з метою виявлення специфічних режимів і підвищення ефективності як електроприводу в цілому, так і використання його електроустаткування.

3. Найменш дослідженими є електропередачі, що використовують силові схеми із змінною структурою вентильних перетворювачів. Аналіз схем вентильних перетворювачів для електроприводів із змінною структурою силового кола показав перспективність їх застосування. Використання перемикання з паралельного з'єднання випрямних мостів на послідовне дозволяє для електроприводів з серієсним двигуном істотно понизити встановлену потужність трансформатора.

4. За допомогою методів комп'ютерного моделювання і розроблених імітаційних моделей з'явилася можливість проводити дослідження досить складних схем з повнішим обліком параметрів схеми електроприводу (перетворювача).

5. Показано, що:

- у разі використання серієсного тягового двигуна з відносним падінням напруги в колі постійного струму (0,05-0,1)Uном встановлена потужність вентильних обмоток трансформатора можливо зменшити в 1,2-1,4 рази;

- у діапазоні швидкостей від 0 до 0,5 Vном за рахунок зниження напруги відбувається зниження додаткових втрат в двигуні в 2 рази, в R-C-колі імпульсних перетворювачів в 4 рази;

6. Поліпшити ефективність потужних електроприводів можливо створенням систем вентильного електроприводу із змінною структурою, не тільки зміною вентильної частини, але і зміною алгоритмів управління перетворювача.

7. Розроблено розрахункову схему імітаційної моделі 4q_S перетворювача і виконано комп'ютерні дослідження електромагнітних процесів у випрямному і рекуперативному режимах роботи стосовно електропередачі електропоїзда змінного струму. З її допомогою отримано наступні результати:

- проведено дослідження впливу на ЕДС інвертора (напруга в ланці постійного струму) і індуктивності вхідного реактора на величину струму рекуперації і амплітуд струму в обмотках трансформатора;

- отримано раніше невідомі залежності струмів і напруги для двох алгоритмів управління (синусоїдальною ШІМ і суцільним імпульсом обмеженої тривалості), визначено прийнятні зони зміни кутів управління керованих ключів;

- проведено аналіз сумісності 4q-S перетворювача з мережею для різних режимів (випрямлення і рекуперація) з вхідними фільтрами вищих гармонік і без них;

- проведено порівняльний аналіз алгоритмів і режимів роботи 4q-S перетворювача, в результаті якого показано перевагу режиму «прозорого» перетворювача, що забезпечує підвищення ефективності використання устаткування електропередачі за рахунок використання режиму роботи із змінною структурою силової схеми і використання вхідних фільтрів третьої гармоніки.

8. Зроблена порівняльна оцінка схем безконтактного перемикання мостів з паралельного з'єднання на послідовне з рядом існуючих схем електропередач електропоїздів змінного струму показала їх істотні техніко-економічні переваги.

9. Одержані аналітичні залежності встановленої потужності трансформатора і вентильної частини схеми від параметрів якірного кола для електропередачі з серієсними двигунами постійного струму показали, що для електропередачі з серієсним двигуном при падінні напруги в якірному колі до (0,05-0,1)Uном встановлена потужність трансформатора зменшується в 1,2-1,4 рази, а відносна встановлена потужність напівпровідникових приладів в 1,33 рази.

10. Аналітичні дослідження роботи 4q-S перетворювачів в режимах випрямляння і рекуперації дозволили виявити особливості роботи фільтрів вищих гармонік і одержати наближені аналітичні вирази для визначення:

- пульсації напруги на конденсаторі фільтру другої гармоніки у функції допустимих пульсацій на фільтрі ланки постійного струму, частоти модуляції і параметрів вхідних фільтрів вищих гармонік;

- амплітуди пульсацій вхідного струму 4q-S перетворювачів залежно від амплітуди допустимих пульсацій на конденсаторі фільтру і параметрів вторинного кола трансформатора (L) і фільтру (С).

Встановлено, що відносна величина пульсацій напруги на конденсаторі (струму в індуктивності) фільтру другої гармоніки пропорційна відношенню частоти модуляції до частоти фільтру другої гармоніки. Показано, що величина цих пульсацій в реальних схемах перетворювачів може в 4-5,5 рази перевищувати амплітуду пульсацій напруги на фільтрі ланки постійного струму.

Порівняльний аналіз алгоритмів управління 4q-S перетворювачем (синусоїдальною модуляцією ШІМ і режим «прозорого» перетворювача) показав, що використання алгоритму «прозорого» перетворювача забезпечує на 14 % більший струм рекуперації при однакових параметрах схеми і зменшення встановленої потужності реакторного устаткування в 1,14 рази, а конденсаторного устаткування в 1,3 рази при однаковому струмі рекуперації.

11. Аналіз електромагнітної сумісності 4q-S перетворювача з мережею для різних режимів роботи, алгоритмів управління і наявності вхідних фільтрів вищих гармонік показав, що у разі застосування одиночного 4q-S перетворювача найбільш прийнятним режимом є робота перетворювача із змінною структурою (роздільно працюють випрямляч в двигунному режимі, а інвертор (4q-S) в режимі «прозорого» перетворювача) при рекуперації з установкою вхідного фільтру третьої гармоніки.

12. Проведено дослідження впливу напруги в зоні постійного струму (ЕРС інвертора) і індуктивності вхідного реактора на величину струму рекуперації. Встановлено, що збільшення індуктивності вхідного реактора зменшує струм рекуперації.

13. Необхідність компенсації вищих гармонічних зв'язана, перш за все, з особливістю роботи 4q-S перетворювача при навантаженнях нижче 0,5 Iном, коли коефіцієнт спотворення струму або напруги різко знижується, а коефіцієнт потужності змінюється в межах від 0,1 до 0,8. Цей режим роботи випрямляча характерний при розгоні електропоїзда і його роботі при швидкостях нижче 0,5 . Оскільки електропоїзди працюють в режимі частих пусків і зупинок, то вплив цих режимів стає істотним і вимагає свого рішення. Тобто необхідність використання фильтро-компенсуючего пристрою викликана вимогою забезпечення коефіцієнта потужності і коефіцієнта спотворення в живлячій мережі з метою зниження перешкод в лініях зв'язку і сигналізації, а також втрат в живлячій мережі.

14. Науково обґрунтовано можливість підвищення ефективності використання устаткування електропередачі приміського електротранспорту з використанням електроприводів із змінною структурою силової схеми за рахунок зменшення встановленої потужності устаткування і підвищення ККД електропередачі.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Фалалеев Н.И. Особенности электромагнитных процессов в 4q-S преобразователе при питании от однофазного источника / Фалалеев Н.И // Електротехніка та електроенергетика, 2006. - №2. - С.19-22.

2. Басов Г.Г. О паразитных электромагнитных полях на тяговом подвижном составе / Басов Г.Г., Фалалеев Н.И. // Залізничний транспорт України, 2004. - №2. - С.28_30.

3. Басов Г.Г. Повышение эффективности электропередачи с использованием вентильных преобразователей с переменной структурой силовой цепи / Басов Г.Г., Фалалеев Н.И. // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, 2007. - Вип. 14. - С.28_29.

4. Немыкина О.В. Влияние пульсаций напряжения на фильтре на входные энергетические характеристики 4q-S преобразователя / Немыкина О.В., Фалалеев Н.И. // Електротехніка та електроенергетика, 2004. - №1. - С.46-53.

5. Басов Г.Г. Некоторые вопросы повышения эффективности электропередачи пригородного подвижного состава / Басов Г.Г., Фалалеев Н.И., Немыкина О.В. // Електротехніка та електроенергетика, 2003. - №1. - С.51-53.

6. Немыкина О.В. Исследование влияния параметров нагрузки на энергетические характеристики выпрямительно_инверторной установки для питания частотно-регулируемых электроприводов / Немыкина О.В., Русаков И.Н., Фалалеев Н.И. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету, 2004. - Вип. 3 (26). - С.90_96.

Размещено на Allbest.ru

...