автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Импульсное регулирование электродвигателей постоянного тока электропоездов в режимах тяги и электрического торможения

На правах рукописи

Ко Ко Хтет

ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ В РЕЖИМАХ ТЯГИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Москва - 2014

005554163

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Электропоезда и локомотивы».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Феоктистов Валерий Павлович

Федяева Галина Анатольевна, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский

государственный профессор;

технический университет»,

Ведущая организация:

Желгов Константин Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, Государственное Унитарное Предприятие «Московский метрополитен», электродепо «Выхино», заместитель главного инженера по технологической подготовке производства

Национальный исследовательский университет «МЭИ» ( Московский энергетический институт)

Защита диссертации состоится 3 декабря 2014 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, аудитория 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан <3 ОМпЛОгиЯЛО 14 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Сидорова Наталья Николаевна

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы связана с массовостью систем пассажирского электротранспорта, его энергоэкономичностью, надежностью тягового электропривода (ТЭП) и безопасностью перевозок. Переход от контакторно-реостатного регулирования к плавному бесконтактному расширяет возможности автоматизации и снижает шум ТЭП. Мотор-вагонные поезда с тяговыми двигателями постоянного тока являются наиболее выгодным вариантом пригородного и городского транспорта при пассажиропотоке 10-12 тыс. пассажиров в сутки. Они наиболее пригодны для городов Юго-Восточной Азии, где необходим надежный и дешевый городской транспорт. Поэтому практические выводы по данной диссертации могут быть использованы на этапе проектирования ТЭП для систем городского рельсового транспорта, в том числе наземного метро облегченного типа и скоростного трамвая.

Научная новизна работы заключается в обосновании и применении универсального метода анализа и расчета режимов работы тягового электропривода с исполнительными (тяговыми) электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения при широтно-импульсном регулировании выходного напряжения импульсного преобразователя постоянного напряжения. Предложенный метод позволяет учитывать реальные параметры тягового электродвигателя, в том числе, нелинейность магнитной характеристики и наличие вихревых токов. По единой методике рассмотрены все три возможных рабочих режима: тяга, рекуперативное и реостатное торможение. Универсальные формулы теоретической модели сведены в общую таблицу. Универсальность предлагаемого метода обеспечивается допущением о линейности изменения тока двигателя в функции времени в течение рабочего интервала и паузы каждого цикла импульсного регулирования. Обоснована возможность построения обобщенной расчетной модели на основе указанного допущения; показано, что эта модель позволяет выполнять анализ систем импульсного регулирования для любых структур импульсных преобразователей постоянного напряжения и режимов ТЭП (тяга, рекуперативное и реостатное торможение, регулирование потока возбуждения). Для этого реализуется следующая последовательность: запись дифференциальных уравнений по второму закону Кирхгофа, переход к линейным алгебраическим уравнениям, их решение и исследование полученных регулировочных и пульсационных характеристик.

Цель диссертационной работы заключается в обобщении известных методов расчета ТЭП с импульсными преобразователями постоянного напряжения и разработке на этой основе унифицированного метода для анализа квазистационарных процессов в электромагнитной системе тягового электропривода с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ исследований и разработок по системам импульсного регулирования для ТЭП.

2. Обобщить расчетные методики для всех режимов работы ТЭП.

3. Разработать универсальную теоретическую модель с учетом реальных параметров двигателя как объекта регулирования и новых полупроводниковых приборов.

4. Оценить целесообразность применения систем импульсного регулирования и новые возможности автоматизации электропоездов.

Степень разработанности. Проанализированы теоретические и практические разработки по ТЭП с импульсным регулированием, выполнено их обобщение, обоснованы расчетные допущения.

Методы исследования базируются на теории электрических цепей и правилах записи для них обыкновенных дифференциальных уравнений, составленных на основании второго закона Кирхгофа. Введено допущение о линейности изменения тока двигателя в функции времени в течение рабочего интервала и паузы каждого цикла импульсного регулирования. Это позволило свести исходную систему нелинейных дифференциальных уравнений к системе линейных алгебраических уравнений и получить в явном виде ее решение в форме аналитических соотношений определяющих регулировочные и пульсационные характеристики ТЭП. Такие характеристики получены для зоны регулирования ТЭП при нормальном (полном) потоке возбуждения двигателей {р = \) и для зоны уменьшенного потока возбуждения (0<1).

Достоверность научных положений и рекомендаций определяется корректностью применения методов записи и решения обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, согласно основным положениям высшей математики и теории электрических цепей.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный расчетно-аналитический аппарат может быть использован

4

при проектировании систем импульсного регулирования ТЭП для оценки пульсаций тока, построения регулировочной характеристики, определения быстродействия импульсного преобразователя (регулятора) и устойчивости его работы, при учете обратных связей.

Личный вклад соискателя заключается в уточнении и отработке математической модели тягового электропривода с импульсным преобразователем, обосновании базового допущения о линейном характере изменения тока на рабочем интервале и в паузе цикла импульсного регулирования, в выполнении проверочных расчетов для ТЭП моторного вагона электропоезда с двигателями постоянного тока 200-250 кВт при нескольких частотах импульсного цикла, в том числе при рабочей частоте 400-800 Гц.

Реализация результатов работы выполнена путем включения основных ее положений в научные отчеты кафедры "Электропоезда и локомотивы" МИИТа, выполненных для АЭК «Динамо», Демиховского машиностроительного завода (ДМЗ) и Московского локомотиворемонтного завода (МЛРЗ).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обобщенная методика расчета электромагнитных процессов в ТЭП с импульсным регулированием для различных режимов работы.

2. Методика расчета процессов при ослаблении возбуждения и анализ пульсаций тока.

3. Результаты расчета регулировочных и пульсационных характеристик.

Апробация работы выполнена путем проверки модели импульсного

регулирования для тяговых и тормозных режимов на учебном стенде в лаборатории кафедры «Электропоезда и локомотивы» МИИТа. Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом семинаре кафедры, на XII, XIII и XIV научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» в МИИТе.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них - 5 статьи в изданиях, аккредитованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает: введение, пять глав и заключение. Содержит 145 страницы печатного текста, 38 рисунков, 9 таблиц и список литературы, включающего 54 наименования.

Автор благодарит профессора Инькова Ю. М. и доцента Чуверина Ю. Ю. за ценные замечания при подготовке диссертации к защите.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы; приведены основные положения, которые выносятся на защиту, показана научная новизна и практическая значимость исследования.

В главе 1 «Аналитический обзор по тяговым электроприводам постоянного тока с импульсным регулированием и постановка задачи» показано, что бесконтактное импульсное регулирование заменяет традиционное контакторно-реостатное управление электродвигателями постоянного тока, обеспечивая при этом исключение пусковых реостатных потерь энергии при разгоне электропоезда; снижение тормозных потерь; замену релейно-контакторного оборудования бесконтактным, что обеспечивает возможность применения современных систем автоматического управления. При импульсном регулировании постоянное напряжение и источника электропитания, т. е. тяговой сети, преобразуют в прямоугольные импульсы.

Накоплен значительный опыт реализации импульсного регулирования на электропоездах ЭР2И, ЭР 12, ЭМ2И, ЭР200, на вагонах метро «Яуза», на наземном городском электротранспорте. Из зарубежных разработок заслуживают внимания электропоезда с напряжением в контактной сети 750В Берлинской городской железной дороги. Одно из первых применений импульсного регулирования связано с попыткой создания новой системы электрической тяги с повышенным напряжением 6 кВ (профессор Розенфельд В. Е. и его ученики). Развивалась и теория ТЭП с импульсным регулированием; нужно отметить работы, которые опубликовали профессора Глазенко Т. А., Розенфельд В. Е., Некрасов В. И., Хвостов В. С., Ефремов И. С., Рябцев Г.Г., Мазнев А. С., Феоктистов В. П., Калиниченко А. Я., Каменев А. В., Ранькис И. Я., Жиц М. 3., кандидаты техн. наук Бирзниекс Л.В., Хоменко А. И., Дорош В. П., Доценко А.П., Чаусов О.Г.

Практическая реализация тяговых электроприводов с безреостатным регулированием стала возможной при освоении серийного производства тиристоров. Новые возможности открывают силовые транзисторы ЮВТ. Завод «Электровыпрямитель» (г. Саранск) разработал ЮВТ-модули 6500 В 600 А; они позволяют решить проблемы ТЭП с учетом перспективных требований по энергоэкономичности и надежности. Таким образом, требуется обобщение выполненных научных и практических разработок применительно к мотор-вагонному электроподвижному составу постоянного

тока. Для этого проанализированы основные этапы развития электропоездов постоянного тока (таблица 1).

Таблица 1 - Этапы развития ТЭП постоянного тока

Развитие тяговых электроприводов электропоездов постоянного тока

Этап I Этап II Этап III

Коллекторный ТЭД постоянного тока последовательного возбуждения (мощность 100250 кВт) Асинхронный тяговый двигатель АТД (мощность 150-450 кВт)

Регулирование: 1. Реостат Я 2. Переключение группировок ТЭД (С-П) 3. Ослабление возбуждения ТЭД Регулирование: 1. ТИП-РН для регулирования напряжения на ТЭД 2. ТИП-ОВ для ослабления возбуждения Регулирование: Частотное с изменением напряжения и частоты

Рекомендация по использованию технического решения по этапам I, II, III

Продолжить эксплуатацию электропоездов до капитального ремонта Использовать при капитальном ремонте электропоездов с установкой ТИП-РН и ТИП-ОВ Использовать при проектировании и производстве новых электропоездов

Поставленная задача соответствует этапу II и для ее решения принята

обобщенная структурная схема (рисунок 1). На базе этой схемы предлагается универсальная математическая модель, которая должна включать:

- математическое описание тягового электродвигателя (ТЭД) как объекта регулирования с учетом импульсного воздействия на него; фильтр ф2 выполняется как сглаживающий реактор и его можно включить в состав схемы замещения ТЭД;

- источник электропитания с ¿С-фильтром ф] можно рассматривать как идеальный источник с постоянным напряжением I/;

- импульсный прерыватель ТИП, который может быть представлен в модели как идеальный ключ или как ключ с учетом влияния контура искусственной коммутации. Перспективные решения ориентированы на транзисторы ЮВТ, основные результаты данной диссертации

7

базируются на представлении ТИП идеальным ключем с рабочей частотой / = 1/Т и коэффициентом заполнения к = т/Г. Влияние контура коммутации рассмотрено в главе 3;

контур автоматического регулирования тока ТЭД, содержащий пропорционально-интегральный регулятор СУ с задающим элементом ЗЭ и обратной связью ОС.

тяга-

-рекуперация

иг

Система импульсного регулирования

и 1=ЧТ »

Ф1

ТИП

4-И'"'

Фг

к,г

ЗЭ СУ

ОС

ТЭД

>г

Рисунок 1 - Система импульсного регулирования тягового электропривода Регулирование ТЭД реализуют изменением коэффициента к, причем в разработанной методике учтены все возможные варианты:

- широтно-импульсное регулирование ШИР (/ = const,т = var) наиболее приемлемо для ТЭП с питанием от контактной сети;

- частотно-импульсное регулирование ЧИР (г = соя«/,/ = уаг) имеет наиболее простую схемную реализацию при использовании однооперационных тиристоров. Первое применение ЧИР связано с реализацией электроподвижного состава 6 кВ, что рассмотрено в главе 3;

- комбинированное регулирование, когда стабилизируя среднее за период Т значение тока ТЭД, управляют ТИП соответственно линиям переключения /т,„ и 1тах, что обеспечивает постоянство размаха пульсаций тока. Такой принцип называют "релейное регулирование"; его целесообразно использовать в ТЭП с автономным источником электропитания (аккумуляторный электротранспорт). Обобщенная модель учитывает все режимы тягового электропривода:

пусковой режим (тяги), электрическое торможение (рекуперативное, реостатное, противовключением). Для реализации этих режимов необходимы высоковольтный ТИП, обеспечивающий взаимодействие ТЭД с тяговой сетью, и низковольтный ТИП для ослабления возбуждения ТЭД.

Глава 2 «Модель тягового электродвигателя для расчета систем импульсного регулирования» содержит обоснование математической модели в широком диапазоне изменения тягового тока, когда необходимо учитывать нелинейность магнитной характеристики сф[}в). Использована ее аппроксимация гиперболической зависимостью

сф-^Гв- О)

где А, В - постоянные коэффициенты аппроксимации.

Если рассматривать ТЭД как звено системы регулирования без учета пульсационных составляющих напряжения и и тока /, то переходный процесс в этом звене соответствует уравнению

<¥рД = Р') . . ./. ч ---1 + п = и-сф{1а)п, (2)

где (//(/), и - потокосцепление ТЭД и его частота вращения;

г - суммарное активное сопротивление обмоток ТЭД. В соответствии с (2) регулировочная характеристика ТЭД может быть вычислена по блок-схеме (рисунок 2, а). Она соответствует полному диапазону изменения входных воздействий и и у? и параметра я. Для небольших изменений входных воздействий при условно постоянном значении п эта модель может быть линеаризирована и представлена как передаточная функция

^ = О)

которая соответствует инерционному звену с коэффициентами усиления

(4)

и постоянной времени

(Ар1 + ву

к - — - (А/п + д) + Вп ' ар (АР1 + в)1 г + впр (5)

т = С{Ар1 + В)2

пВр + г(Ар! + В)2 ' ^

где Ь* - динамическая индуктивность ТЭД.

В качестве примера (рисунок 2, б представлены коэффициенты усиления для двигателя УРТ-110 при разных значениях параметра и. Эту модель можно использовать на прямолинейных участках магнитной

9

характеристики (1) и при небольших изменениях частоты вращения п. В рассмотренных моделях не учтены вихревые токи; эти модели применимы при относительно медленных процессах регулирования.

а) б)

Рисунок 2 - Модель ТЭД (а) и коэффициенты усиления для линейной

модели (б)

Но при расчете процессов импульсного регулирования с учетом пульсационных составляющих влияние вихревых токов в магнитной системе ТЭД существенно, так что для решения поставленной задачи принята модель (рисунок 3, а), в которой эти токи учтены при помощи сопротивления /?<к; влияние Иск предложено учесть путем соответствующего снижения Ь ^ при

помощи коэффициента демпфирования Кд. Все индуктивности в цепи ТЭД можно заменить эквивалентной

ЫЬф+Ьо+К^, (7)

где Ьср - индуктивность сглаживающего реактора в цепи ТЭД;

- индуктивность намагничивания и рассеяния ТЭД.

а) к б)

4 д

I 1

''4 к

ЯЛ

и

1\ д

200 400 600 800 Рисунок 3 - Схема замещения ТЭД (а) и зависимость Кд(/) (б)

10

Г,Гц

Методика расчета Кд приведена в главе 2; для ТЭД электропоездов имеются результаты стендовых испытаний для частот/=100-800 Гц (рисунок 3, б). Из этих зависимостей следует, что с повышением частоты влияние вихревых токов усиливается, но затем значение К0 стабилизируется из-за действия поверхностного эффекта. Кривая 1 соответствует ТЭД 1500 В (электропоезда ЭР2, ЭМ2), а кривая 2 - ТЭД 750 В (ЭР2Р, ЭР2Т, ЭД2, ЭД4).

Таким образом, в обобщенной модели целесообразно использовать схему замещения ТЭД по рисунку 3, а. В тяговых электроприводах применяют последовательное соединение ТЭД, регулируемых совместно. В большинстве электропоездов 3 кВ соединяют по 4 ТЭД. Поэтому при соответствующих расчетах параметры г, I, е нужно умножать на 4 (в электропоездах ЭР12, ЭМ2И, а также в ТЭП вагонов метро) и на 2 в трамваях.

Глава 3 «Развитие систем импульсного регулирования электродвигателей постоянного тока» содержит анализ основных этапов и тенденций. Применительно к ТЭП такое развитие стало возможным после разработки силовых полупроводников - однооперационных тиристоров. Оно начиналось по нескольким направлениям. Первым из них считают реализацию электроподвижного состава постоянного тока 6 кВ\ был использован принцип частотно-импульсного регулирования (ЧИР), что позволило реализовать преобразователь с естественной коммутацией силовых тиристоров. Регулирование напряжения осуществлялось изменением частоты следования импульсов, генерируемых преобразователем. Однако, наличие пульсаций тока с частотой, которая изменяется в широких пределах, не обеспечивает электромагнитной совместимости тягового электропривода с системами ж.-д. автоматики. Поэтому преобразователи ЧИР могут быть использованы только в электротранспорте с питанием от аккумуляторных батарей и других автономных системах, например, в реостатном тормозе электровозов и электровагонов.

Второе направление связано с электропоездами, в которых импульсный преобразователь мог исключить пусковые и тормозные потери. Здесь использовали широтно-импульсное регулирование (ШИР) со стабилизированной частотой 400 Гц. В преобразователе блок главных тиристоров дополнен контуром искусственной коммутации с ЬКСК — цепочкой, вспомогательными тиристорами и диодами на полное напряжение источника. Такое схемное решение усложняет преобразователь

11

по сравнению с ЧИР, но обеспечивает электромагнитную совместимость. В первых импульсных преобразователях ТИП-1200/ЗП и ТИП-1320/ЗП для электропоездов ЭР2И и ЭР 12 использовали тиристоры с паспортным временем выключения 1вша = ЗООмкс. что ограничивало минимальную длительность выходного импульса

Tmin = kmin T*(l,4 + l,6)tellm. (8)

Это ограничение в последующем было смягчено по мере улучшения частотных свойств тиристоров, а потом - снято совсем после разработки транзисторов IGBT. Другая особенность тиристорных преобразователей связана с влиянием коммутирующего LKCK -контура на выходное напряжение. Это объясняется разрядом контура на цепь тягового двигателя, что может оказывать существенное влияние на внешние характеристики преобразователя в зоне малых нагрузок. Эти характеристики исследованы на начальном этапе практического применения импульсных преобразователей; результаты исследований отражены в диссертации для преобразователей ЧИР и ШИР. Однако, современное состояние силовой преобразовательной техники, в частности, освоение серийного производства транзисторов 6,5 кВ 1200 А, позволяет рассматривать ИП как идеальный ключ.

Аналитический обзор технических решений по выполнению ИП на тиристорах показывает, что на начальном этапе использовали групповое соединение тиристоров и диодов, что делало необходимым применение LC-цепочек и других элементов для равномерного распределения токов и напряжений; использовали многотактные и многофазные принципы построения ИП. При этом достигался эффект повышения частоты следования импульсов на входе и выходе ИП, что облегчает сглаживание пульсаций тока источника и нагрузки. Такое решение было оправдано ввиду ограниченных нагрузочных способностей первого поколения силовых полупроводников. По мере развития преобразовательной техники увеличивалась нагрузочная способность тиристоров и диодов по току и напряжению, были разработаны новые ключевые элементы - тиристоры GTO (gate turn off) и транзисторы IGBT. Это позволило упростить схемную реализацию большинства преобразователей для ТЭП. ИП для электропоездов 3 кВ можно выполнять на одном ключевом элементе - тиристоре или транзисторе. Это учтено в разрабатываемой расчетной модели.

Развитие систем импульсного регулирования направлено на создание преобразователей для цепи питания двигателя от источника 3 кВ; необходим

и низковольтный преобразователь для ослабления возбуждения тягового двигателя. Такие преобразователи разрабатывались и внедрялись независимо от преобразователей для якорной цепи; они эксплуатируются на электровозах ЧС2Т. ЧС6. ЧС7. ЧС200 и на большинстве вагонов метро при реостатном регулировании напряжения. Примерами совместного применения преобразователей обоего назначения являются вагоны метро ЯУЗА, электропоезд ЭР200. Поэтому обобщенная математическая модель должна включать преобразователи обоих типов. Решение этой задачи облегчается тем, что при пуске и торможении эти преобразователи работают поочередно. При пуске сначала (зона 1) повышают напряжение на двигателях, а затем (зона 2) выполняют их ослабление возбуждения. В случае остановочного торможения (реостатного или рекуперативного) реализуют обратную последовательность. Хотя регулировочные свойства указанных преобразователей различаются, но их расчет может быть выполнен по единой методике, которая сформулирована в следующей главе.

В главе 4 «Математическая модель для расчета квазистационарных процессов импульсного регулирования» рассмотрено двухзонное регулирование тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения (рисунок 4). В зоне 1 поддерживают пусковой ток на уровне заданного значения 13 путем постепенного повышения напряжения на Пд двигателе при постоянном коэффициенте регулирования возбуждения /3 = 1, В следующей зоне 2 при постоянном напряжении на двигателе ид = ином постепенно снижают ¡3 до Рпйп ПРИ I = 13 • Далее разгон ТЭП осуществляется по естественной характеристике ОБ. Для реализации этого алгоритма необходимы два силовых исполнительных элемента:

- высоковольтный импульсный преобразователь ИП1 для регулирования в зоне 1, т. е. в диапазоне скоростей 0 < V <, Уе_пв;

- низковольтный импульсный преобразователь ИП2 для ослабления возбуждения в зоне 2, т.е. в диапазоне скоростей Уе_т <У< Уе_ов. Для комплексного расчета тягового электропривода с системой

стабилизации тока ТЭД (рисунок 4) необходимы регулировочные и пульсационные характеристики, т.е. зависимости средних значений токов 1д И /д, а также их пульсаций А1 д, Л1В (таблица 2).

Рисунок 4 - Двухзонное регулирование тягового электропривода Таблица 2. -Характеристики при двухзонном регулировании ТЭП

Зона регулирования Регулировочная характеристика Пульсационная характеристика

1 ид{к);1д(к) А1л Л1д(к);—^-(к) 1Д

2 1в{к)-,р(к) AI к 1в

Зона 1. Характерные эквивалентные схемы импульсного регулирования для режимов тяги, рекуперативного и реостатного торможения (рисунок 5) содержат ИП с постоянной частотой f = 1/Т, источник электропитания U, в состав которого входит фильтр и поэтому принимаем U = const, и ТЭД, представленный схемой замещения с компонентами:

• ЭДС § (будет представлена постоянной величиной Е для рассматриваемой скорости движения поезда V);

• Суммарное активное сопротивление г всех обмоток цепи ТЭД;

• Индуктивность I всех обмоток ТЭД. На рисунке (5, б) показано переключение обмоток возбуждения при переходе в режимы электрического торможения.

Все схемы (рисунок 5) для квазистационарного режима могут быть описаны идентичными дифференциальными уравнениями первого порядка и сведены к линейным алгебраическим уравнениям. На рисунке 6 показан линеаризированный электромагнитный процесс для одного периода Т. Он

содержит два интервала соответственно включенному ВКЛ и выключенному ВЫКЛсостояниям ИПдлительностью соответственно кТи (1-к)Т.

г I

Рисунок 5 - Схемы для тяги (а) и электрического торможения (б)

Рисунок 6 - Пульсации тока ТЭД при импульсном регулировании Принимаем следующие допущения: 1. В течение каждого из интервалов импульсного цикла считаем изменение тока линейным в функции времени / , так что на интервалах ВКЛ и ВЫКЛ имеем соответственно (Чд _ А1 <Нд _ А1

(¡1~кТ ' ~1Г~~(1-к)Г (9)'

причем в действительности изменение тока происходит по экспонентам, но при малых длительностях рассматриваемых интервалов линеаризация вполне допустима.

2. ЭДС е считаем постоянной, поскольку при пульсирующем токе возбуждения ТЭД его магнитный поток практически полностью сглажен из-за действия вихревых токов, т.е. принимаем е = Е.

3. Падение напряжения на активном сопротивлении г из-за небольших пульсаций А/ в цепи ТЭД можно считать приблизительно пропорциональным среднему току I, т.е. п = /7.

Расчетная процедура представлена в виде этапов в таблице 3: Этап I сводится к записи исходных дифференциальных уравнений по второму закону Кирхгофа для каждого интервала импульсного цикла ВКП и ВЫКЛ.

Этап II заключается в преобразовании этих уравнений в линейные алгебраические на основе допущений 1-3.

Этап III. Путем решения алгебраических уравнений, полученных на этапе II, получаем выражения для расчета / и А1.

Формулы для среднего значения пускового или тормозного тока показывают, что его регулирование возможно в любом диапазоне (0< к < 1). Однако, для рекуперативного торможения устойчивость обеспечивается при условии {е - /г) < и, что имеет место только в зоне средних и низких скоростей электропоезда. В зоне высоких скоростей обеспечить устойчивость можно снижением Е путем ослабления возбуждения ТЭД или введением в цепь ТЭД дополнительного резистора, т.е. увеличением г_за счёт внешнего фактора. Второй способ сопряжен со значительным увеличением Е, так что необходима предварительная проверка потенциальных условий на коллекторе ТЭД. Ослабление возбуждения более предпочтительно; поэтому оно всегда используется в схемах электрического торможения. При этом в системе регулирования кроме ограничений по току / и по напряжению итах=3800 В на токоприемнике учитывают также ограничение по соотношению токов возбуждения и якоря ТЭД: должно бьггь 1В/1Я £ /?„,„. Заданное значение тормозной силы по мере замедления электропоезда сохраняется обычно до 6-8 км/ч. Для торможения до остановки необходим переход на пневматическое торможение; возможно и электрическое торможение в режиме противовключения ТЭД.

Таблица 3. - Расчет регулировочных и пульсационных характеристик

уравнения

ИП

Исходные дифференциальные уравнения (Этап!)

Алгебраические уравнения (Этап И)

Решение (Этап III)

ВКЛ

ВЫКЛ

ВКЛ

ВЫКЛ

/ =

А1 =

Тяга

л

Рекуперация

Я-торможение

/— + п = Е Ш

1— + г1 = Г/-£] кТ

-I , А'.+Г1 = Ё

. г-

1 — + п = Е Л

/— + « = £ Л

■ и

1 — + {г + Я\ = Е Л г

кТ

М

+ г1 = Е-1/

(ик-Е)/1

иТк{1-к)/1

А1

('-кУг

+ (г + й)/ = Е

Е/(я(1-к)+г)

ЕТ1(1 - к)/1([1 -к)+г/ й)

Более серьёзная проблема связана с пульсациями тока ТЭД. Обычно при / = 400 или 800 Гц собственной индуктивности ТЭД недостаточно для сглаживания пульсаций тока; тогда последовательно в цепь ТЭД вводят сглаживающий реактор. Его индуктивность рассчитывают на основе предельно допустимой амплитуды пульсаций АТдоп по формуле:

1*-{4А1ш1т)-1. (Ю)

Пульсации являются лимитирующим фактором в системе импульсного регулирования; зависимости М (к) для схем пуска и рекуперации имеют максимум при к =0,5, а в схеме реостатного торможения максимум смещен к к « 1. В последнем случае желательно по мере снижения скорости снижать значение Я (достаточно 1 -г- 2 ступени). Кардинальное решение проблемы достигается повышением частоты ИП, что возможно на базе силовых транзисторов ГСВТ . При / = 1 + 1,5 кГц уже нет необходимости в сглаживающем реакторе.

Таким образом, импульсное регулирование позволяет существенно улучшить тягово-энергетические характеристики электропоездов постоянного тока за счёт практически полного исключения пусковых и тормозных потерь. При этом пульсации тока должны быть ограничены на

предельно допустимом уровне введением дополнительной индуктивности или повышением частоты.

Зона 2. Принципы ослабления возбуждения при помощи импульсных преобразователей хорошо отработаны, и характерные схемные решения представлены на рисунке 7, где показаны также диаграммы электромагнитных процессов.

а)

'ш Вщ

а ^ОФ' = const

1Г

ов

«4

11 л

ип

к

НП \ Вкл. Выклл Вкл. .Выкл. ип 1 Вкл. Вынуг. Вкл. Выкл. I

Рисунок 7 - Регулирование коэффициента ослабления возбуждения

Р = /в // (а - вариант с одним ИП; б - вариант с двумя ИП) Их расчет предложено выполнять на основе предложенной теоретической модели; объектом анализа являются обмотки возбуждения ОВ вместе с подключенными к ним ИП, Яд. Принято допущение о том, что ток якорной обмотки Я идеально сглажен. Это позволяет, используя ранее принятое допущение о линейном изменении мгновенных значений тока возбуждения в функции времени (рисунок 6), описать процесс ослабления возбуждения двумя дифференциальными уравнениями для

разных состояний ИП (аналогично этапу 1 в таблице 3). Их решение осуществляется на основе допущения о линейности /в(/); результирующие характеристики приведены в таблице 4 и на рисунке 8.

Таблица 4. - Характеристики для схем по рисунку 7 [Лд = о)

Схема № А1в ¡в

Рис. 7,а Г "1 -1 Гв +1 кгвТ ¡в

Рис. 7,6 1-к Гв +1 К т гвЯшк(1-к)Г

—- Схема с одним ИП

----Схема с двумя ИП

Рисунок 8 - Регулировочные (а) и пульсационные (б) характеристики На основе их анализа выполнено сравнение рассматриваемых схем: - схема по рисунку 7,а имеет нелинейную регулировочную характеристику, а более сложная схема по рисунку 7,6 - линейную;

- введение Яд позволяет снизить пульсации; при соответствующем выборе Яд обеспечивается работа ТЭТ! при /?т/п с постоянно включенным ИП, что позволяет снизить пульсационные потери;

- любая из рассматриваемых схем обеспечивает плавное регулирование Р и позволяет исключить аномальные переходные процессы.

Ещё один вариант регулирования ТЭП можно реализовать на базе схемы (рисунок 9,а), в которой цепь шунтирования ОВ содержит индуктивный шунт ИШ, постоянный резистор Я и ИП. Если ИП работает с коэффициентом заполнения к, то эквивалентное сопротивление в цепи шунтирования равно

Пш =Пиш +(1~к)Я, (11)

а коэффициент ослабления возбуждения

Га

о _ 1в_ _ Кш I Г„ + К

ш

ИП

Рисунок 9 - Регулирование р в схеме с индуктивным шунтом Наличие ИШ позволяет сгладить пульсации ¡в и облегчает протекание переходных процессов при скачках напряжения V. Расчет, выполненный на базе предложенной теоретической модели для контура, содержащего ОВ, Я, ИП, ИШ, позволил получить выражение для пульсационной характеристики в виде

41в_ = кТ{г-Яиш(1-11р)) 'в {1В+ЬИШ) '

Регулировочная (12) и пульсационная (13) характеристики ТЭП электропоезда ЭД4М, модернизированного по данной схеме, показаны на рисунке 9,6. Регулировочная характеристика близка к линейной, а пульсации меньше, чем в схемах по рисунку 7.

Рассмотренная теоретическая модель позволяет выполнить расчет силовой части ТЭП с целью ограничения пульсаций, а на основе регулировочных характеристик можно перейти к обоснованию структуры и расчету системы авторегулирования.

Глава 5 «Автоматизация тяговых электроприводов с импульсным регулированием и рекомендации по практическому использованию» содержит развитие концепции по комплексному регулированию ТЭП. Эта система (рисунок 10) в качестве исполнительных элементов содержит преобразователи ИП1-ИП2 (см. рисунок 4). Во внутреннем контуре реализуется регулирование тока, а во внешнем - скорости; их значения задают при помощи ЗТ и ЗС Этот принцип использован при проектировании САР электропоезда ЭМ2И, проверочный расчет ее выполнен в диссертации при учете регулировочных характеристик (глава 4). В процессе этого расчета разработаны предложения по усовершенствованию характеристик функционального элемент ФЭ и пропорционально-интегрального регулятора ПИР.

Рисунок 10 - Двухконтурная САР тягового электропривода Указанный расчет дополнен анализом устойчивости ТЭП при электрическом торможении. Установлено критическое значение скорости,

ниже которого можно использовать режим импульсного регулирования (рисунок 5,6), а выше - традиционную схему с независимым возбуждением.

Рассмотрены результаты практической эксплуатации электропоездов постоянного тока с импульсным регулированием. Согласно отчетным данным Московской ж. д. и результатам испытаний, за счет исключения пусковых потерь возможно снижение энергозатрат на 11%. Экономия на тормозных потерях зависит от вероятности приема энергии рекуперации; максимально можно вернуть в тяговую сеть до 18% потребляемой энергии. Реально рекомендуется для экономических расчетов принять 8-9%. При действующих тарифах на электроэнергию затраты на модернизацию электропоездов эксплуатируемого парка окупаются, как показано в расчетах по технико-экономическому обоснованию электропоезда ЭМ2И, не более, чем за 3 года.

Заключение

1. Эксплуатируемые электропоезда постоянного тока целесообразно модернизировать в процессе их капитального ремонта путем применения систем импульсного регулирования, что обеспечивает экономию электроэнергии и возможность применения современных систем автоматики при сохранении тяговых электродвигателей постоянного тока. В перспективе для новых электропоездов рекомендован привод с асинхронными двигателями, что соответствует мировому уровню.

2. Предложенная математическая модель системы импульсного регулирования включает схему замещения тягового двигателя: в ней учтены нелинейность магнитной характеристики и демпфирующее действие вихревых токов. Коэффициент демпфирования соответствует степени снижения индуктивности в функции частоты импульсного преобразователя.

3. Начальный этап развития систем импульсного регулирования основан на использовании однооперационных тиристоров, что требовало учета влияния контура емкостной коммутации на характеристики преобразователя и привода в целом. На данном этапе в качестве ключевых элементов целесообразны силовые транзисторы ЮВТ, которые в математической модели представлены как идеальные переключатели.

4. Анализ регулировочных и пульсационных характеристик системы импульсного регулирования рекомендовано выполнять на базе разработанной универсальной математической модели. Она предполагает решение уравнений Кирхгофа для квазистационарного импульсного

режима на основе введенных допущений и позволяет выполнять расчет тяговых электроприводов при пуске и торможении. Установлены условия максимума пульсаций тока, что облегчает расчеты по их сглаживанию.

5. Импульсное регулирование целесообразно также использовать для плавного ослабления возбуждения тяговых двигателей. Расчеты регулировочных и пульсационных характеристик этого режима выполнены на основе предложенной математической модели для разных вариантов подключения импульсного преобразователя к обмоткам возбуждения. На основе этого обоснованы пути сглаживания пульсаций тока возбуждения.

6. Автоматизацию тягового электропривода с импульсным регулированием целесообразно выполнять на базе двухконтурной системы подчиненного регулирования путем задания тока и скорости. Исполнительными элементами системы являются импульсные преобразователи для регулирования напряжения и ослабления возбуждения тяговых двигателей. Такая система удовлетворяет требованиям экономичного управления поездом и может быть дополнена типовым устройством автоведения.

7. Концепция дальнейшего развития тяговых электроприводов электропоездов постоянного тока включает переход на бесколлекторные двигатели с автономными инверторами на транзисторах ЮВТ, применение микропроцессорных систем управления.

Основные положения диссертации опубликованы в работах Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Феоктистов В. П. Тяговый электродвигатель постоянного тока как звено системы автоматического регулирования электропоезда [Текст] / В. П. Феоктистов, С. С. Борисенков, Ко Ко Хтет // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2012. - № 4. - С.27-29.

2. Феоктистов В. П. Сглаживание пульсаций входного тока в преобразователях с импульсной модуляцией [Текст] / В. П. Феоктистов, В. Н. Ротанов, Ко Ко Хтет // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2014. -№ 1. —С.33-34.

3. Феоктистов В. П. Устойчивость рекуперативного торможения в тяговом электроприводе с импульсным регулированием [Текст] / В. П. Феоктистов, С. С. Борисенков, Ко Ко Хтет // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2014. - № 2. - С.22-23.

4. Феоктистов В. П. Автоматизация тяговых электроприводов мотор-вагонных электропоездов постоянного тока [Текст] / В. П. Феоктистов, Ю.

\

Ю. Чуверин, Ко Ко Хтег // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2014. -№ з. _ С.23-25.

5. Феоктистов В. П. Импульсно-резисторное регулирование тяговых электродвигателей [Текст] / В. П. Феоктистов, Ю. Ю. Чуверин, Ко Ко Хтет // Мир транспорта - 2014. - № 5. - С. 60-65.

Публикации в прочих изданиях:

1. Феоктистов В. П. Эквивалентная схема замещения тягового электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения для расчета электромагнитных процессов при импульсном регулировании [Текст] / В. П. Феоктистов, Ко Ко Хтет // Вестник МИИТа. - 2012. - № 25. -С. 3-10.

2. Ко Ко Хтет. Развитие электрооборудования электропоездов постоянного тока на базе перспективных технологий[Текст] / Ко Ко Хтет // Неделя науки-2012 «Наука МИИТа-транспорту»: труды научн. -практ. конф.; М.: МГУПС(МИИТ). - 2012. - С Ш-90.

3. Ко Ко Хтет. Модернизация мотор-вагонных электропоездов постоянного тока (аспекта экономики и безопасности) [Текст] / Ко Ко Хтет //Безопасность движения поездов : труды научн. -практ. конф.; М.: МГУПС(МИИТ). - 2012 - С VI-11.

Ко Ко Хтет

ИМПУЛЬСНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ В РЕЖИМАХ ТЯГИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОРМОЖЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать У,/О, /У, Заказ № 998 Формат 60x90/16 Тираж 80 экз. Усп. печ. л. - 1,5

127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, УПЦ ГИ МИИТ