автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Бортовая система электроснабжения электровозов постоянного тока на основе статических преобразователей

ГГ6 од

1 ^ ТРАНСПОРТУ УКРА1НИ

ХАРКГВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМ1Я ЗАЛ1ЭНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

(ХарДАЗТ)

На правах рукопису

Чумак Валерий Викторович

УДК 629.423.3:621.3.024:621.314

БОРТОВА СИСТЕМА ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ЕЛЕКТГОВ031В ПОСПЙНОГО СТРУМУ НА ОСНОВ1 СТАТИЧНИХ ПЕРЕТВОЙОВАЧ1В

Спец1альн1сть: 05.22.07. Рухомий склад зал1зниць

та тяга по1зд1в

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацН на здобуття вченого стуленя кандидата техн1чних наук

Харк1в - 1997

Робота викокана на кафедр! " Системи електрично'1 тяги " в Харювськш державши академн зал!зничного транспорту ( ХарДАЗТ ).

Науковий кср1аник - доктор техшчних наук М.В. Панасенко

Офщшш опоненти - доктор техшчних наук, прсфесор О.М. СМнчук;

кандидат техшчних наук, доцент Г.К. Гетьман. ,

Провщне пщприемство - Харк1вський державний

пол^ехшчний уншерситет.

Захист дисертацп в'щбудеться 1997р.о год хв.

на засщаын! спешалпованоТ ради Д.02.15.01 при Харк'шськш держашпй академп зал)зничного транспорту за адресою: 310050, м. Хармв, площа Фейербаха, 7. 3 дисертащею можна ознайомитися в б1блюгеш академн. Автореферат роз1сланий

/¡уба&'С 1997р.

Вщгуки на автореферат в двох принарниках, що заверен! печаткою, просимо надсилати до спещал1зовашл ради академи.

Вчений секрктар спешалпованоУ ради, кандидат техшчних наук, доцейт

П.О. Яновський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ГОБОТИ

Актуальн1сть теми. Створення сучасного електрорухомого складу (ЕРС) для зал1зниць УкраЗСни ор1ентуеться на найбл-льш сучасн1 енергоошадн1 1 над1йн1 електротехн1чн1 системи I хх компоненти. Поява потужних високовсльтних двооперащйних тиристорхв СТО 1 транзистор1в ЮЗТ дае можливл-сть реал1зувати перетворення постз-йного струму контактно! мереж! (3000 В) у низьку напругу (нижче 100В) постхйного струму для живлення систем управл1ння заряду акумуляторнр1 батаре! ! т.1., а також перетзорювати цю енергаю у трьохфазну наггругу зшнного струму для живлення асинх-ронних допом1жних електродвигутв. Причому окрем1 канали живлення в бортовхй систеш. електропостачання повинн! бути 1зольован1 як один в1д одного, так ! в1д вхл.дно1 високовольтнох мереж!.

На шляху створення таких систем е ряд труднощ1в 1 обмежень, таких як необх1дн:1сть урахування коефщхенту запасу електрично! м1цност1 (не менше 3), проблематичнз-сть послхдовного з'еднання навл.ть двох двооперацхйних тиристор1в через швидкот1чн1сть кому-тацл_йних процесхв 1 та.

Кр1м того, пристро!, як1 забезпечують в управляемих модулях автономних перетворювачхв комутац:1ю двооперац1йних тиристор1в, мхстять у соб1 реактивн1 елементи, так1 як захисн1 конденсатори, струмообмежн! дросега, вхдв1д запасено! енергИ вз_д яких тра-диц1йним розсз-юванням у резисторах призводить до зниження к.к.д. перетворювача. Тому при розробц1 високоефективно! бортово! системи електропостачання електровоз!в пост1йного струму необх1дн1 нов1 схемотехн1чн! рл.шення як в частин1 загально! топологИ систем, так 1 в частина топологИ вентильних комутаторав автономиях перетворювач1в, реал1зуючих режим однор1дно1 комутац!! ключ1в, що дозволяс виконувати вмикання двооперац!йних тиристорхв при нульо-

вМ налруз1 на Лх снабберних (захисних) конденсаторах.

Таким чином, актуальными завданнями при створенн1 в Укра!н± електровоз1в пост1йного струму, яы. в1дпов1дають свл_товому р1вню, е виб!р 1 обгрунтування рационально! структури бортоьо! системи електропостачання, а також розробка 1 досл1дження-нап1впров1цни-кових перетворювач1в 1х канал1в эвивлення.

Ц1ль роботи - розробка 1 досл1дасення високоефективно! нап1в-провд.дниково! бортово! системи електропостачання електровоз1в по-ст1йного струму.

Для досягнення ц1е! мети необх:!дно вир!шити так1 завдання:

- виб!р 1 обгрунтування структури кап1впров1дниково! бортово! системи;

- розробка алгоритт.в управл1ння перетворювачами 1 високое-фективних схемних р1шень нап1впров1дникових перетворювач1в;

- розробка схеми 1 анал1з перех1дних процесхв демпфованого ЬС-фзльтра бортово! системи;

- розробка основ теорИ однородно! комутад!! вентильшга ко-ыутатор1в перетворювач1в;

- розробка структури 1 аналаз процес1в вимкнення управляемого ключа з двооперад1йним' тиристором для перетворювач1в з однородною комутандею.

Методи дослз-джень включають математичний апарат теоретично! электротехн±ки, а також ф1зичне моделювання процес!в в елект-ричних колах, до складу яких входять вентила.

Наукова новизна :

- обгрунтована рац!ональна структура високоефективно! бортово! системи електропостачання для електровоз1в постз-йного струму;

- розроблена структура силово! частини 1 алгоритм управл1ння вх1дного нап1вмостового :швертора напруги, який дозволяе одержати стаб1пьну вих1дну напругу при змд.н1 напруги живлення;

- розроблений алгоритм управлл.ння однофазно- трьохфазним пе-ретворювачем частоти з безпосередн1м зв'язком для канал1в живлен-ня асинхронних електродвигунхв вен|гилягор1в 1 компресор1в, що дало можливз-сть в1дмовитись В1Д гром1здких фазних роздлльних реак-тор1в 1 покраодоти форму вих1дно1 напруги;

- розроблен1 модиф1кован1 структури перетворювач1в канал1в живлення обмоток збудження тягових електродвигуи1в 1 к±л уп-равлд.ня, як1 дозволяють пол1пшити характеристики цих канал1в;

- розроблен! структури 1 зроблений аналгз перех!дних про-цес1в Г.С-фл.льтра з азтоматичним п1дключенням демпфуючого контуру при повторному дотику пантографа до контактного проводу, що доз-воляе обмежити величину перенапрупи на конденсатор! ф1льтра;

- розроблена методолог!я теорИ однор1дно1 комутацИ тирис-тор1в вентильних комутатор1в перетворювач1в, що дозвсдяе вл-дмови-тись в1д традиц1йних схем скидання енергИ снабберних конденса-тор1в при вмиканн1 тиристор1в;

- розроблен1 структури снабберних га.л управляемого ключа з Л1н1йним двоопераидйним тиристором в перетворювачах з однорд-дною комутандао.

Практична ц1нн1сть дисертац1йнох роботи полягае в такому:

1) запропонована схема високоефективно! бортово! системи -електропостачання для електровоза постл_йного струму;

2) запропонован! алгоритми упрашишня перетворювачами борто-во1 системи електропостачання електровозу постл.йного струму;

3) запропонована схема демпфованого вхл.дного ЬС-ф1льтра для бортово! системи електропостачання електровоза постойного струму;

4) запропоновано спостб реал1заид.1 режиму одноргщнол! кому-тац11 тиристорхв вентильного комутатора вхд-дного нап1вмодтового ¿.нвертора напруги для бортовох системи електропостачання електровоза пост1йного струму;

5) запропонована схема управляемого ключа з лд-н1йним двоопе-рац!йним тиристором 1 модиф1кованими снабберними калами для пе-ретворювач1в з однородною комутащею.

Автором особисто розро6лен1 1 виносяться на захист: методолог±я побудови структури високоефективно! бортовок система електропостачання електровоз!в постайного струму;

схеми 1 алгоритми управления нап1впров±дникових перетворю-вачхв бортово! системи електропостачання електровоз1в пост1Йногс струму;

схема вх1дного демпфованого ЬС-фхльтра бортово! система електропостачання електровоз1в пост1йного струму;

методология ново! класиф1кад11 виШ-В комутадИ тиристор!! вентильних комутатор1в статичних перетворювач1в;

схема управляемого ключа з л1н1йним двооперац!йним тиристором 1 модиф!кованим снабберним колом для вхл-дного перетворювача ; однор1дною комугац!ею.

Реал1заш-Я результат1в роботи зд!йснювалась шляхом створенн* лабораторного зразка 1 розробки техн1чного завдання на створенн? бортово! системи електропостачання для вантажних електровозх! пост1йного струму ДЕ1, переданих для застосування в дослцхно-конструкторських роботах ОКБ систем електрично! х шформацл-йнод електрон1ки при Харк1вськ1й державн1й академл.! зал1зничногс транспорту.

Апробация роботи. 0сновн1 результата, одержан! в дасер-таидйнгй робот!, допов!дались на:

конференд!! "Умови приеднання споживач!в до мереж1 енерго-систем", Москва, 1993 р.

1У М±жнародн!й науково-техн!чн!й конференд!! "Актуальна проблеми розвитку зал!зничного транспорту", Москва, МИТ, кв1те№ 1994 р.

57-1й науково-техн1чн1Й конференцИ кафедр Харк1всько! дер-кавно! академИ зал1зничного транспорту 1 фах1вц1в зал1зничного гранспорту з мллснародною участю, Харга.в, листопад, 1995 р.

МджнароднМ науково-техн1чн1й конференц1! "Силова елект-эон1ка в р1шенн1 проблем ресурсо- 1 енергозбереження", Крим, жов-гень 1996 р.

IX М1жнароднд_й конференцИ "Проблеми механ1зац1! зал1знично-го транспорту", Дн1пропетровськ, 1996 р.

Публ iKau.ii:

За матер1алами дисертацИ опубл1ковано 12 роб1т, у тому числг три у двох науково-техн1чних журналах.

Структура а обсяг роботи.

Дисертац1я складаеться 1з вступу, 5 глав, основних резуль-тат1в 1 висновк1в, списку л1тератури.

Робота викладена на 159 стор1нках машинописного тексту 1 м1стить 35 малюнк1в 1 4 таблиц!.

У вступ1 обгрунтована актуальн1сть теми 1 сформульована мета достджень, перел1чен1 основн1 результати роботи, приведен! поло- ■ ження, що виносяться на захист.

Перша глава присвячена анал1зу основних тип!в бортових систем електропостачання електровоз1в пост1йного струму, задачам, як1 вир1шуються перспективними системами електропостачання, !х складу 1 принципу дИ.

Низька ефективн1сть сер1йних електромашинних систем бортового електропостачання електровств пост1йного струму в основному сбумовлена застосуванням для приводу допом1жного устаткування (компресор1в, вентилятор1в, генератор1в) високовольтних колектор-них електродвигун1в, розрахованих на роботу безпосередньо в1д контактно! мереж!. При цьому, у зв'язку з широким д1апазоном зм1ни напруги у контактной мереяа. (в1д 2,2 до 4 кВ) потужн1сть

цих електродвигун1в збьльшуеться у 1,5 -г- 2 рази пор1вняно з роз рахунковим -номьнальним режимом, в результат! чого ! одержуа низью. масо-габаригн1, енертетичн! ! над!йносн1 показники таки: бортових систем електропостачання.

Кр1м того, електромашинн! системы,бортового електропостачання характеризуються п1двищеними р1внями: шуму ! вибрацИ, що зни жуе комфортабельн!сть робочого м!сця машиш.ста.

У м!ру розвитку силовод! нап!впров!дниково1 техн1ки розробни ками електровоз1в пост1йного струму 'були зроблен! спроби замш електромашинних перетворювач!в окремих канал!в ясивлення бортови систем електропостачання нап!впров1Дниковими перетворювачами Так, на електровоз! ВЛ15 п1дсистема каналу живлення обмоток збуд ження тягових електродвигун!в в режим! рекуперацИ виконана н. баз1 високовапьтного однофазного !нвертора напруги на одноопе рад1йних тиристорах. Однак, такий п!дх1д не вир!шус повн1ст: проблеми п1двищення ефективност! бортово! системи електропоста чання електровоз!в посаийного струму, тому що допом1жний електро роприв1д залишаеться колекторним.

Досягнення сучасно! силово! нап!впров!дниково! техники доз воляюгь перевести в русло практично! реал!зац1а створення борто воз! системи електропостачання електровоз!в постойного струм повн1стю на баз! статичних перетворювач!в. Це дозволяе вир!шиг завдання по пол1пшенню масо-габаритних, енергетичних ! над1йнос них показник1в як бортових систем електропостачання,, так ! до помгжних електропривод!в мотор-вентилятор1в ! мотор-компресор1 за рахунок використання асинхронних електродвигун1в з коротко замкнутим ротором.

Кр1м того, такий п!дх1д дозволить знизити витрати електро нерг!1 на вентилящю тягового електроустаткування за рахунок пе реходу на автоматичне регулювання подач! охолодауючого пов1тря

залежност! в1д навантаження ± температури навколишнього середови-щз. В свою чергу, застосування асинхронних електродвитун1в, не дивлячись на ц1лий ряд переваг, як-то мешп габарити, маса, варт1сть, п1двищена над1йн1сть, мешш. витрати на обслуговування, ставить ряд нових важливих вимог до бортово! системи електропос-тачання: пофазн1й симетрИ 1 синусо!цальност1 напруги, стабильность 11 величини в робочому режим!, можливост! регулювання вели-чини 1 частоти при пусках. Кр1м того, бортова система електропос-тачання повинна забезпечувати як узгодження напруги контактно! мереж! ! пор1вняно низько! напруги споживач1в, так 1 гальван!чне в!докремлення споживач!в м!ж собою ! контактною мережею.

Для вирл.шення завдання електромагн1тног0 сумвдення бортово! нап!впров!дниково! системи електропостачання електровозу пост!й-ного струму з контактною мережею на вход! бортово! системи електропостачання необх1дно використання фитьтруючого устаткування, яке забезпечувало б споживання !з контактно! мереж! пост!йного струму з заданим р!внем пульсац1й, а також забезпечувало б заданий р1вень пульсаций напруги на вход! нап!впров!дникового перет-ворювача бортово! системи електропостачання.

В1дпов!дно з вимогами 1 завданням, яке потребно вир1шити, ! була прийнята базова структура нап!впров!дниково! бортово! системи електропостачання електровоза пост!йного струму.

Бона мостить у соб1: вх1дний нап1вмостовий !нвертор напруги п1двищено! частоти на двооперащйних тиристорах з ф1ксуючими д1одами, який приеднуеться до контактно! мереж! через ЬС-ф!льтр; сиповий однофазний трансформатор з 8-ма вторинними обмотками; два управляемих тиристорних однофазних випрямляча для живлення двох пар обмоток збудження тягових електродвигун!в при рекуперац!!; управляемий тиристорний випрямляч для заряда акумуляторно! бата-ре!; неуправляемей д!одний випрямляч для живлення кш управл1ння,

сигнал!зац!1 1 зв'язку; три перетворювача частоти з беспосередн.гы зв'язком для живлення асинхронних двигун1в для вентилятор1в 1 компресора; перетворювача частоти для живлення електродвигуна кондиционера.

Друга глава присвячена розробц! алгоритм1в управл1ння 1 схе-мотехн1чних р1шень, як1 пол1пшують характеристики перетворювачгв бортово! системи електропостачання. ; Для вх1дного перетворювача бортово! системи електропостачання запропонований нап1впров1дни-ковий тиристорний !нвертор напруги з ф1ксуючими д1одами, який до-зволяе обмежити напругу на його тиристорах на р1вн1 половини напруги контактно! мереж! 1 тин самим без посл1Довного з'еднання нап1впров1дникових прилад1в забезпечити для цих елемент1Е потр!бний коеф1ц1снт запасу електрично! тривкост1. Розроблени£ алгоритм управл1ння вхтдним перетворювачем, при якому регулюетьс? величина паузи м1ж позитивною 1 негативною п1вхвилями вих!дно! напруги швертора в залежност1 в1д величини напруги у контактной мереж!, дае можлив!сть при незмл.нн1й частот! !нвертора одержата-незм±нну по вальтсекундам у п1впер1одах зм!нну напругу, яка прик-ладаеться до первинно! обмотки вих1дного трансформатора. При такому п1дход1 у канал! живлення к1л управл1ння, сигнал!зац!1 : зв'язку для одержання стабилизовано! напруги застосовуеться найп-рост±ша схема однофазного д1одного випрямляча, в каналах живленш обмоток збудження ! заряда акумуляторно! батаре! - найпростнп: схеми однофазних управляемих тиристорних випрямляч1в, як1 дозво-ляюгв зд!йснювати незалежне поканальне регулювання струму шляхо! зм1ни моменту вмикання тиристор1в.

Анал1з вгшиву частоти 1нвертування f на так! характеристик! вюидного трансформатора з магн!топроводом !з холоднокатано: стал1 товшяною Ан = 0.08-10~3м , як маса ! втрати, показуе, ад робоча частота !нвертора повинна вибиратися !з умови:

600 Гц « Г < 900 Гц

При однаков1й потужност1 це дае зменшення маси трансформатора у 4-5 раз!в пор1вняно з частотою 50Гц.

Для управл1нця' низьковальтними асинхронними алектродвигунами з короткозамкнутим ротором промислово! частоти мотор-компресор1в 1 мотор-вентилятор!в найб1льш доц1льним з точки зору масо-габа-ритних показникхв с застосування однофазно- трьохфазних перетво-рювач1в частоти з безпосередн1м зв'язком (БПЧ) на основ! нульових струмозб1рних груп на баз! однооперацайних тиристор1в з !х цикл1чним перемиканням по сигналу датчика струму навантаження. При такому управл1нн1 1з силово! схеми БПЧ виключаються струмооб-межн1 реактори, -маса яких пор1вняна з масою решто! частини силово! схеми БПЧ.

Суть запропонованого цикп1чного способу управлшня БПЧ поля-гае в тому, що кр1м робочо! серИ управляючих !мпульс1в, пл.д час. яких обмотки електродвигуна через в1дпов1н1 тиристори стру-мозб1рних груп БПЧ приеднуються до шин даерела живлення пхцвшце-но! частоти, на певному !нтервал1 модулючо! напруги на тиристори подаюгься додатков1 управляюч1 омпульси таким чином, щоб обмотки пвдмикалися через них т1льки до одще! з шин джерела живлення. Тим самим в п1вхвилях криво! вихз_дно1 напруги виключаються проти-полярн1 викиди напруги, що сприяе пол1пшенню гармон1чного складу напруги живлення асинхронних двигун1в.

Розроблений алгоритм управл1ння тиристорами БПЧ в робот1 описаний за допомогою апарату алгебри лотки, який добре поеднуеться з операц1ями лог1чних елемент1в системи управл1ння.

Пор!вняний анал1з гармон1чного складу виххцно! напруги БПЧ при традицД-йному фазовому способ! управл1ння ! при запропоновано-му 'способ! циклачного управл1ння показав, що при сп1вв1дношенн1 частот на вход1 ! виход1 БПЧ р1вному 6, перша гармон1ка при

цикл1чному управл1нн1 збхльшуеться на 50%, а п'ята знижуеться на 40% пор1вняно з фазовим управл1нням.

Для живлення малопотужного асинхронного електродвигуна кон-диц1онера рекомендована схема трьохфазного перетворювача частоти хз ступенем постз_йного струму 1 автономного хнвертора напруги на основ! неуправляемих (дЛодних) 1 управляемих оборотних (транзис-торних або тиристорних) модул1в.

Одним з найбл-льш раидональ них схемних рз_шень по пол1Ишенню характеристик каналгз живлення обмоток збудження тягових елект-родвигун1в в режим! рекуперацИ е схема живлення чотирьох посл!довно з'еднаних обмоток збудження в1д одн!ех вторинно! обмотки трансформатора !з середньою точкою через управляемий тирис-торний випрямляч. При цьому, для забезпечення регушовання струму в окремих парах обмоток збудаення хх сп!льна точка через дв1 пари зустр!чно-паралельно ув!мкнених тиристор1в приеднуеться до ви-вод1в п!вобмоток вториннох обмотки трансформатора. В идй схем! швидаасть змхни р1зниц1 струм!в в парах обмоток збудаення в 3 рази блльше, нхж у базов!й схем! бортово! системи електропоста-чання з роздальними каналами живлення пар обмоток збудження.

Для каналу живлення кхл управл!ння, сигнал!зац!х ! зв'язку рекомендована схема- неуправляемого однофазного випрямляча з середньою точкою з шунтуванням його д!од1в зустр!чно~паралельнимя тиристорами. Таке схемотехн1чне рипення дозвсшяе вимкнути режим переривчастих струм!в при малих навантаженнях ! забезпечуе по-вернення енергах !з навантажень цього каналу у мережу.

Третя глава присвячена досл!дасенню режим!в роботи входного кола бортовох системи електропостачання електровоза постхйного струму, пов'язаних з короткочасними в1дривами пантографа вхд контактного провода.

Встановлено, що при вшсористанн! у вх!дному кол1 чисто

емк1сного ф!льтру при в1дрив1 1 повторному торканн1 пантографа до контактного провода збутися в!д великих {близьких до подв!йно! напруги у контактн!й мережа) перенапруги на конденсатор! ф1льтра без додаткових схемотехн1чних рнлень неможливо при будь-яких практично реалгзуемих значениях емкост1 фильтрового конденсатора Сф. Якщо ж у момент повторного торкання пантографа до контактного провода поспл-довно з конденсатором ф1льтра ув1мкнути резистор, то величина перенапругиДи = — (де исм - максимальна напруга на конденсатор! ф1льтра; Е - напруга з контактаай мереж!) буде зале-жати як в!д величини емкостх ф1льтра, так ! в1д величини опору резистора Яд.

Анал!з виразу для величини перенапруги на конденсатор! фхльтра при його заряд!, через резистор у самому несприятливому випадку, коли електровоз знаходиться посередин! д1лянки м1ж двома пхдсташиями

де £ - в!дстань м1ж двома п1дстанц1ями; / - питомий опхр корнтактно! мереж! ; Т- пост!йна часу 'контактно! мереж!, показуе, що для обмеження величини перенапруги на решали = 0,2 при емкост! ф!льтра близько 100 мкФ необидно вмикнути резистор опором 8-10 Ом.

На практиц1, у вх1дному кол! бортово! системи електропоста-чання установлюеться ЬС-ф1льтр, в якому конденсатор Сф забезпечуе заданий р1вень пульсацдй напруги на вход! нап!вмостового !нверто-ра, а !ндуктивн!сть Ьф - заданий равень пульсация струму в контактной мереж!.

Вмикання резистора Вд в коло заряда конденсатора ф!льтра не-

ли^ехр

\6Vpt

Сч>(р1 + 4£!д)г

обхздно тхльки при подач1 на вхл.д бортовох системи електропостачання напруги живлення Е, а при наявноог1 постойного контакту пантографа з контактним проводом резистор Ид лиш пог1ршуё енер-гетичн1 характеристики бортовох системи електропостачання. Щоб цьому запоб1гти, у робот! запропонована 1 проанал1зована схема демпфованого ЬС-фхльтра, в якому демпферне коло ±з посл1довно з'еднаних резистора Яд 1 дроселя насичення Дн приеднано паралель-но !ндутивностх 1ф. При малих пульсаш-ях напруги на !ндуктивност! Ьф, як1 мають м1сце у нормальних режимах роботи, дросель насичення Дн не насичений,х резистор Ид практично вхд1мкнутий в1д !ндук-тивност1 фхльтра Ьф. При в1дрив1 пантографа з послл-дуючою подачею напруги на вхл_д бортовох системи електропостачання напруга на !ндуктивност1 фхльтра Ьф стрибком зростае до напруги контактно! мереяа. Е, що призводить до насичення дроселя Дн, х резистор йд приеднуеться до !ндуктивност1 Ьф. Тим самим забезпечуеться зни-ження величини перенапрути на конденсатор! ф1льтра. Виконан1 роз-разунки показали, що для значень потокощеплення насичення дроселя Дн в межах 0.044 Вс < "У < 0.44 Вс обмеження перенапруги на конденсатор! Сф на рхвнх и = 0.2 досягаеться при величин! опору резистора Кц близько 10 Ом.

Четверта глава присвячена анал1зу режим±в комутац!! двоопе-рацхйних тиристорав, . розробц! основ теорИ ! реал!зац!х в схем! вх1дного нап!вмостового !нвертора напруги бортовох системи електропостачання електровоза пост1йного струму режиму однор1дно! ко-мутацИ.

Стосовно до двооперапдйного тиристора, його комутац!я е природного,- або пасивною, якщо в ход1 перемикання прштад не потраготяе в активний режим, який характеризуеться ненульовими значениями струму ! ! напруги и на Його структур! одночасно.

Якщо ж активний режим в ход1 перемикання тиристора виникае,

го комутацдя двооперащ-йного тиристора е примусовою, або активною. Енергетичний б1к коыугад1йного процесу двооперац1йного тиристора пов'язаний 13 швидк1стю•зм1ни миттевого опору г =и/1 його нап1впров1дпиково1 структури, м1рою якого е потужнхсть Б. При природной комутацИ двооперацз.йного тиристора змл.на огору прилада прот1кае при вл.дсутност1 струму 1 напруги, 1, таким чином, по-тужн!сть комутац!! дор1внюе нулю. При примусов!й комутац!! знак потужност! Б зм1нюеться в залежност1 в1д того вмикаеться (Б<0), або вимикаеться (Б>0) двооперац1йний тиристор. Яюцо процес кому-

тац1! розглядати узагальнено як процесс зм1.ни миттевого опору

/

елементу схеми, то властив1стю примусово! комутац!! будуть во-лод1ти 1 реактивн! елементи снабберного кола двооперац1йного тиристора, тобто дросел! генерують комутац1йну потужшегь вмикання (Э<0), а конденсатори - комутац1йну потужн1сть вимикання (Б>0). Потужн1сть комутац!! пщлягае закону збереження п

тобто, якщо одним елементом ключа в даний момент часу генеруеться потужшеть комутацИ одного знаку, то 1ншими елементами ключа в цей же момент часу повинна' створюватись потушисть !ншого знаку, причому в р!вн!й к1лькост1. При заданому значенн1 потужност1 ко-мутац11 Б, енергоспоживання елементу управляемого ключа тим мен-ше, чим менше час знаходження комутуючого елемента в активному режим!, тобто чим бтльше його швидкод1я.'

Якщо розглядати вентильний комутатор !нвертора як су-кут-исть управляемых тиристорних ключ1в, виконуючих перемикаюч! функц1!, то в схем! комутатора можлив1 два види комутацИ:

- першого роду, тобто шляхом зб1лыиення опору ключа, який зак1нчуе проводити струм (3>0);

- другого роду, тобто шляхом зменшення опору ключа, вступаю-чого в дд.ю (Б<0) .

В:1дсутнл.сть примусового вмикання ключа при комутаид! першого роду означае неможлив1сть розряду конденсатор1в снаббера на двоо-перац1йн1 тиристори. Тому в1дпадае необх1дн1сть в обладнанн1 об-мёжень розрядного струму конденсатор1в снабберних к!л. Енерг1я, запасена в -конденсаторах снабберних клл ключа, який вмикаеться, переходить в конденсатори снабберних к±л ключ1в, як! вимикакнъся. При комутацИ другого роду в !ндуктивних снабберах досить вико-ристати лише дросел1, тому що при д!й комутац!! не виникае при-мусове вимкнення ключ!в !з швидким перериванням струму в дросе-лях, що призводило б до визволення запабено! в них енергИ. Тому, яйцо у. вентильному комутатор! послл.довно в!дбуваеться кому-тац1я кгют1в т1льки першого або т!льки другого род1в, то в схем! !нвертора реал!зуеться однор1дна комутац!я. Якщо ж вони чергують-ся, то комутац!я буде неоднор1дною.

Отже, реал!зуючи однор1дну комутащю у вх!дному нап!вмосто-вому !нвертор1 напрути бортово! системи електропостачання за ра-хунок т!льки першого роду комутац!! кгаоч1в,' нам не потр!бно розс!ювати або повертати енерг!ю, запасену в емк!сних снабберах двооперац!йних тагристор!в. Тим самим ми. спрощуемо схему управляемого ключа ! п!двишуемо к.к.д. !нвертора. В робот! розглянуто також спос1б забезпечення режиму однор!дно1 комутацИ у вентильному комутатор! вх!дного нагавмостового !нвертора напруги, який дозваляе реал!зувати цей режим при широкому д1апазона зм!ни струму навантажень бортово! системи електропостачання.

Цей спос1б заснований на забезпеченн! режиму перезаряду кон-денсатор1в снабберних к1л за рахунок намагн!чуючого струму вих1дного трансформатора при малих струмах навантаження.

П'ята глава присвячена розробц! схем снабберних к!л управ-

ляемих ключ1в входного нап1вмостового инвертора напруги, реал1зу-ючого режим однородно!.комутадИ, ох особливостям роботи, а також анал1зу процес1в у силовш схем1 управляемих ключ1в при примусо-вому вимкненн! л1н1йного двоопераидйного тиристора.

Застосування чисто емк1сних снабберних к!л в ключах для вен-тильних комутатор1в, реал1зуючих однор!дну комутаидю за рахупок т1льки примусового вимкнення ключ!в забезпечуе працездатнхсть швертора т!льки у його сталому режим!. Для обемження ж розряду снабберних, а також ф1льтрових конденсаторов при пускових 1 авар1йних режимах в схему ключа посл!довно з л1н1йним тиристором уводиться л!ншний дросель, шунтований д!одом. В сталому режим! роботи ключа енергая л!н!йного дроселя не розсгшеться 1 не повер-тяеться джерелу живлення, а замикасться у контуро "л1н!йний дросель - шунтуючий д1од". У перех1дних режимах, пов'язаних з р1зким зб1льшенням струму понад струм' навантаження, лхнойнкй дросель грае роль обмежувача швидкост! наростання струму через л1н1йний тиристор ключа. В робот! розглянут! також схемн! модифакац1! снабберних к1л управляемых ключ1в для вентильних комутатор1в 1нв'ерторхв, реал1зуючих режим однор1дно1 комутац!! тхльки за ра-хунок примусового вимкнення ключ1в.

0собливост1 роботи чисто емк1сних снабберних к!л при однородна комутацИ розглянут! стосовно до нап1вмосюво1 схеми вх1дного ¿нвертора напруги. Показано, що сумарна емк!сть снаббер-ного конденсатора вимикаючогося ключа водносно фактично встанов-ленгй в схем1 ключа зболыиуеться у 1.5 раза, що сприяе зниженню швидкост1 наростання прямо! напруги на вимикаемому л1н1йному тиристор! ключа. У прац1 проанал1зована робота емк1сних снаббер!-1их к1л вх1дного нап1вмостового !нвертора напруги при зм1н1 струму навантаження, а також проанал1зована робота !ндуктивног'о снаббера в режим! обмеження швидкост! наростання прямого струму в л1н1йому

тиристорх ключа при його выиканн1.

Перех1дний процес вимикання управляемого ключа в схема пе-ретворювача, реал1эуючого режим однор1дно1 комутацИ, розглянуто на приклада. вх1дного нап1вмостового !нвертора напруги. Встановле-но, шр в снабберних колах !снуе режим ксливального дозаряду кон-денсатор1в снабберних к1л за рахунок енергИ, запасено! в !ндук-тивност! з'еднуючих пров!дник1в. Для зменшення величини перенап-руги на снабберних конденсаторах, необх1дно максимально зменшува-тл довжину з'еднуючих пров!дник1в.

В прайд виконана оц1нка залежност! комутаидйних втрат при вимиканн! двоопераи!йних тиристор1в в1д прямого спаду напруги на них. Одержан! як!сн! залежност! добрё погоджуються з експеримен-тальними результатами зарублжних досл1дник!в.

ВИСНОВКИ

Виконан! в робот! теоретичн! 1 практична досл!дження по роз— робд! високоефективно! нашвпровхдниково! бортово! систёми елект-ропостачання електровоз1в постгйного струму дозволяють зробити так! основн1 висновки:

1. Запропонована структура ! схема бортово! системи електро-постачання, яка дозволяв забезпечити низьковальтних допом!жних спсживач1в електровоза постхйного струму електроенерг1ею потр!бно! якост! при зм!н1 в широких межах (2.2 кВг4,0 кВ) напруги контактно! мереж!;

2. Розроблений алгоритм управл!ння вхадним автономним швер-тором напруги, який дозволяе одержати напругу на двоопераидйних тиристорах, не переб1льшуючу половину напруги контактно! мереж!;

3. Розроблений алгоритм управл1ння перетворювачем частоти з безпосередн1м зв'язком для живлення допом!жних 3-х фазних асинх-

ронних електродвигуьав, дозволяючий вш<лючити застосування стру-мообмежуючих реактор1в, а таксок покрашити гармон1чний склад вих1дно! напруги;

4. Запропонована схема управляемого випрямляча з п1двищеними динамочними якостями для живлення обмоток збудження тягових електродвигутв в режим! рекуперативного гальмування;

5. Розроблена схема демпфованого вх1дного ЬС-ф1льтра, доз-, воляюча автоматично без уведення контакторних пристро!в обмежува-ти на допустимому р1вн1 перенапруту на конденсатор! ф1льтра при в!дривах 1 повторних дотиках пантографа електровоза до контактного провода;

6. Розроблен1 основи теор1! однородно! комутац!! двоопе-рац!йних тиристоров вентильних комутатор1в !нвертор!в ! запропо-нований спос!.б 1! реал1зац1! стосовно до входного швертора напруги;

7. Розроблена схема управляемого ключа з л1нл.йним двооле-рад1йним тиристором ! модерн1зованими снабберними колами для вен-тильних комутатор!в !нвертор!в напрути з однор!дною комутад1ею;

8. Одержана можлив!сть практично! реал!зад1! високоефектив-но! бортово! системи електропостачання для грузових електровоз1в пост1йного струму ДЭ1 - перших вз.тчизняних електровоз!в Украони.

0сновн1 положения дисертацИ опубл1кован1 в роботах:

1.Озеров В.И., Озеров М.И., Роганов В.Н., Чумак В.В. Применение НПЧ в тяговых электроприводах. Электротехника N5.М.,1993.

2.Варченко В.К., Иньков Ю.М., Озеров М.И., Озеров В.И., Чумак В.В. Локомотивный источник питания для централизованного электроснабжения загонов пассажирских поездов. Электротехника N5, М.1993.

3.Гончаров Ю.П.,Панасенко Н.В.,Семененко А.И.,Чумак В.В.

Применение силовых, демпфированных фильтров в преобразователя? бортовых систем электроснабжения транспортных средств. Информаци-онно-управлякщие системы на железнодорожном транспорте. 1996, N6, с.19-20, Харьков, ХарГАЖТ.

4.Чумак В.В. "Цифровая система управления трехфазным автономным инвертором напряжения". "Депонированные научные работы". 1986 N 1.

5.Инькоз Ю.М., Озеров .М.И., Чумак В.В. "Система питания вспомогательных цепей электровозов постоянного тока". Материалы конференции "Условия присоединения потребителей к сети энергосистем" .Москва, 1993.

6.Иньков Ю.М., Озеров М.И., Малюгин В.А., Чумак В.В. "Кон цепция развития электроприводов вспомогательных машин электрово зов". Тезисы докладов 1 Международной научно-технической конфе решдаи "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспор та".Москва, МИИГ. 18-21 апреля 1994.

Т.Озеров В.И., Озеров М.И., Ротанов В.Н., Изварин М.Ю., Вар ченко В.К., Чумак В.В. "Системы управления НПЧ для питания элект роприводов вспомогательных машин электроподвижного состава". Те зисы докладов 1 Международной научно-технической конференции "Ак туальные проблемы развития железнодорожного транспорта" .Москва МИИТ. 18-21 апреля 1994.

8.Чумак В.В.,Озеров М.И., Озеров В.И., Ротанов В.Н., Каблу кова Е.А. "Проблемы создания электроприводов вспомогательных мг шин магистральных электровозов". Материалы IV Международной науч но-технической конференции "Проблемы развития локомотивострое кия",Крым, 19-24 апреля 1993.

Э.Чумак В.В. До питания про переналруги на входному фл.льт£ електровозгв при в!дрив1 пантографа. Тези доповл.дей 57 науке во-техн±чно1 конференцИ кафедр Харкхвсько! державно! академ:

загизничного транспорту та спешалхст1в зал1зничного транспорту за м1жнародною участю, Харкав, 21-23 листопада 1995.

Ю.Чумак В.В.Бортова система електроживлення для електровоза постойного струму. Тези доповадей 57 науково-техн1чно! конферен-цИ кафедр Харк1всько1 державнох академИ зал1зничного транспорту та спещалхстав зал1зничного транспорту за можнародною участю, Харк1в, 21-23 листопада 1995.

11.Гончаров Ю.П., Панасенко Н.В., Семененко А.И., Маслов В.Н.., Чумак В.В. К вопросу о классификации видов коммутации в полупроводниковых преобразователях и энергетических характеристиках коммутационного процесса. Материалы международной научно-технической конференции. Силовая электроника в решении проблем энерго-и ресурсосбережения.Харьков, 1996.

12.Браташ В.А., Чумак В.В. Основы концепции развития электровозостроения в Украине. Тезисы докладов IX Международной конференции "Проблемы механизации железнодорожного транспорта".г.Днепропетровск, 1996.

В працях, опубл1кованих в сп1вавторств1 дисертанту належить: в роботах [2,5,б,12]- розробка структури високоефективно! бортово! системи електропостачання та XI схемних р!шень;

в роботах [1,7,8] - розробка алгоритм1в управл1ння вххцним хнвертором напруги 1 БПЧ;

в робот1 [3] обгрунтована необх1дн1сть вх:1дного демпфовано-по ЬС-фхльтра 1 запропонована схема вмикання демпфуючого кола;

в робот1 [11] запропонована методолог1я ново! класифхкацИ сомутацИ тиристор1в 1 розроблен1 модафЛкован! снабберн1 кола для <ишн1в з однор!дною ксмутацНею.

АННОТАЦИЯ

Чумак В.В. Бортовая система электроснабжения электровозов постоянного тока на'основе статических преобразователей.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов. Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, г.Харьков, 1997.

Зашишдется работа по разработке структурыи алгоритмов управления бортовой системы электроснабжения электровозов постоянного тока. Результатом работы является создание такой системь электроснабжения, которая позволяет обеспечить низковольтные вспомогательные потребители электровоза электроэнергией требуемого качества при колебаниях напряжения контактной сети, а также заменить вспомогательные высоковольтные коллекторные двигателг трехфазными асинхронными с короткозамкнушм ротором.

Разработаны основы теории однородной коммутации двухопераци онных тиристоров вентильных коммутаторов инверторов и лредложе способ ее реализации применительно к входному инвертору напряже ния. Использование результатов работы позволит обеспечить высоко эффективную работу бортовой системы электроснабжения.

Ключевые слова: двухоперационный тиристор, инвертор напря жения, вентильный преобразователь, бортовая система электроснаС жения, коммутация.

ANNOTATION

Chumak V.V. The onboard system of electric power supply for le direct current electric locomotives on the basis of the static inverters.

The thesis for a candidate of the technical sciences degree ider speciality 05.22.07 - rolling stock of the railways and raction of trains. Kharkov State Academy of the Railway ransport, city of Kharkov, 1997.

It is defended the work on the elaboration of the structure id algorithms of the control of the electric power supply onboard ^stem for the direct current electric locomotives. The result of le work is the creation of such a system of electric power supply lich allows to provide low-voltage auxilliary loads of an _ectrie locomotive with electric power of the required quality ule the voltage oscillations and also to replace the auxilliary .gh-voltage collector motors by three-phase asynchronic ones with juirrel-cage rotor.

There have been worked out the grounds of the theory of >mogeneous commutation of the GTO thyristors of the commutator of le inverters and there has been offered a method of it's alization as applied to an input inverter of voltage. The usage the work's results will allow to provide highly effective eration of the electric power supply onboard system.

Key words: GTO thyristor, voltage inverter, converter, board system of the electric power supply, commutation.