автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Исследование электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока с асинхронным тяговым приводом

ШИРЯЕВ

Алексей Валерьевич

На правах рукописи

УДК 629.4.077-593

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1996

Работа выполнена в Петербургском государственном уни верситете путей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный работник транспорта РФ доктор технических наук, профессор Алексей Владимирович ПЛАКС

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Николай Павлович СЕМЕНОВ;

кандидат технических наук Сергей Николаевич ВАСИЛЬЕВ

Ведущее предприятие — АО Всероссийский научно-иссле довательский институт электровозостроения (ВЭлНИИ).

Защита состоится » апреля 1996 г. в . . ча<

на заседании диссертационного совета Д 114.03.02 при Петер бургском государственном университете путей сообщенш (190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уни верситета.

Автореферат разослан «т^г» марта 1996 г.

Ученый секретарь совета Д 114.03.02 кандидат технических наук

доцент Б. В. РУДАКОЬ

Подписано к печати 15.03.96 г. Усл. печ. л. 1,5. Формат 60Х841/16. Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 324.

- < ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Астувдыюсть. Целью применснпл асинхронного тягового привода ЯШЫС1СЯ сшекснис стоимости производства электровозов, увеЛИЧСННС скорости движения поездов и повышение надежности локомотивов за счет использования бесколлекторных тяговых имнин н бесконтактных систем управления.

О связи с прекрати тем производства грузовых злсктровозоа постоянного тока на Тбилисском электровозостроительном заводе, АО ВЭлНИТТ (г. Новочеркасск) разрабатывает электровоз Н20 с , есиихрошшм тяговым приводом (АТП). Анализ электромагнитных нро-цессов в силовой схеме этого электровоза осложняется необходимостью учета коммутации тиристоров автономного инвертора иапря-кхння (АИН), нелинейностью параметров асинхронного тягового двигателя (АТД), завнснмостыо этих параметров от выходной частоты инвертора, которая в процессе пуска изменяется в широких пределах, а ткзстсе сложностью алгоритма работы АИН.

Цель и зялячч пзЕот!.:. Целью настоящей работы является разработка мероприятий по обеспечению работоспособности асинхронного тягового привода электровоза постоянного тока с учетом влипни питающей сетн. Зга цель достигается решением следующих зпдач:

1. Рзлрабо-пся ыятеиаппеаеоН модели лпшхроиного тягового привода злеюрозеза Н20, изменение параметров АТД при пястотном пуске и зависимость формы напряжения на т.тог.о:! двигателе от от реализуемого режима тпги .

2. Разработка метода стабилизации коммутационной стойкости автономного инвертора напряжения электропоза с АТД во всем диапазоне изменения напряжения и тяговой сети.

3. Определение структуры и расчет параметров двухзвенного входного пт:ьтря электровоза постоянного тоха с АТД , позволяющего снизить меятазкгоге воздпЧствм па лтпппс езягзп и СЦБ при тех же массогг.баритшдх показателях.

4. Экспериментальная проверка сделанных рекомендаций на стенде

натурной мощности с асшкрошплм тяговым элсзародзигателгм НБ-609 н тирнсторпыы преобразователей частоты ТПЧ 1500/3.

Методика исследования. В работе использованы метода теории электрических цепей, электрических иашин, элсгарнчеосой тяга, члена ты с методы решения дифференциальных уравнений. Програмшше продукты разрабатывались на языке Си. Основные результаты моделирования подтверждены экспериментами ка макетной установке мощностью 35 кВт в лаборатории электрической таги ПГУПС ц на натурном стенде мощностью 1200 кВт в ВЭлНИИ.

Научная новкзиа.

1. Разработана математическая иодель щашхротгого тггового прнзода, позволяющая исследовать йаекгроиагштгые процессы в ашовой цепи электровоза постоянного тока при частотной пуске с учетом кшенешм параметров АТД, алгоритма уврааденш АИН в 1« пли к; ¡ля ыа тяговые показатели локомотива.

2. Разработана иатеиатичсскап модель автономного инвертора папряжешш, реализуемая на ПЭВМ широкого применения, позволяющая оценивать токи и напряжения во всех элементах асинхронного тягомго привода электровоза с частотным пуссои в выбрать алгоритм работ« преобразователя, обеспечивающий стабильные условна коммугашш тнрисгороа.

3. Предложен алгоритм безударного подключения асшпсрсшюго тягового двигателя к АИН, позволяющий снизить примерно в диа раза динамические усилия в тяговой передаче.

4. Установлена зависимость времени задержки открытия заряда« тиристоров, обеспечивающая необходимую коымучацнопнух» стойкости АИН при измеисшш нагрузки электровоза п напряжения в тягопой сети.

5. Обосноыша целесообразность прнксленнп на электровозе гтосгошшого гохл с ЛТД д.чух-'.",пп1ого входного фильтра, позволяющего но сргвимпно с одкозпенш.га снизить амплитуду пульсация входного тоха более, '¡ем я дад раза без существенного измепешш массы фильтра.

_Э«®3"яи?1 Разработанная спсгсма асинхронного

тягово! о приводя электровоза постоянного тока испытала на натурном стенде стсмдс ВЭлНИИ мощностью 1200 кВт и реализована п проекте груз с го электровоза посто.тгтого тока с асинхронными тжгопымн двигателями Н20, разработанного ВЭлНИИ.

Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафелрм 'Электрическая тяга" ПГУПС в 1993, 1994 и 1995 годах. Оснозныг результаты работы доложены на пятьдесят второй п пятьдесят третьсЯ ияучио-техшгаескнх хопференшях ПГУПС (1592,1993), Г1-1 нежвузовскоЯ конференции (1994, ПГУПС), Ней международной научной конференции (Варшавская Политехи пса, 1995), а также на технических совещаниях отдела электровозов ВЭлНИИ (1993, 1994, 1995 г.).

Публикация. По результатам исследования опубликовало 3 печатные работы (в т.п. одна зарубежная) и получено 3 авторских свидетельства па изобретения.

Структура н обуем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения п содержит 93 стр. машинописного текста, 33 иллюстрации, 21 таблицу, а так же 4 приложения.

Библиографии. Список использованной литературы содержит 5? наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ввщгпнц отмечено, что одним из направлений развития эдежтроподвижного состава, является переход на бссколлехторные, в частости асинхронные тяговые двигатели. По сравнетпио с

- ч -

используемыми D настоящее время коллекторными тяговыми двигателями, АТД обладают следующими основными преимуществами: -снижение стоимости теговых двигателей, удешевление их производства.

- увеличение удельной мощности более, чем на 50%, при снижении расходов на их содержание;

- увеличение надежности и связи с отсутствие!.! щеточио-коллекторного узла;

К недостаткам асинхронного тягового привода следует отнести сложность силовою преобразователя, для регулирования величины и частоты тока с обмотках ЛТД, а текке системы управления таким преобразователем. В настоящее время в промышлепно развитых странах за рубежом достигнуты значительные успехи в серийном производстве н эксплуатации тягового подвижного состава с АТД. Так, мощность двигателя достигла 1600 кВт, налажен серийный выпуск преобразователей кок на однооперационных, тгл; н на полностью управляемых (GTO) ■пгрнсторах, освоено производство микропроцессорных снстеи управления.

Первые макетные образцы подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями и статическими преобразователями были созданы в СССР в конце 60х, начале 70х годов. Велик вклад отечественных ученых в решение проблем, связанных с применением асинхронных тяговых двигателей на подвижном составе (А.Е.Алексеев, Е.С.Аватков, А.С.Курбасов, Ю.М.Иньков, А.М.Солодунов, Н.А.Ротаноа, А.Н.Рогов, В.В.Лотовчснко и др.). Однако до настоящего времени roí один отечественный локомотив с бесколлехторными тяговыми двигателями не пошел в сершо. Среди причин можно отметить несоответствие параметров силовых полупроводниковых приборов условиям их работы, и как следствие неудовлетворительная надежность преобразователей, отсутствие компьютерной базы и систем автоматизированного проектирования, что приводило к увеличению времени и стоимости разработок, отсутствие микропроцессорных

систем управления и низкая надежность создаваемых аналоговых счегем. Частично эти проблемы существуют и в настоящее время.

• у -

Кроме этого, разработка и изготовление электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями для отечественных железных дорог связана с решением ряда специфических задач. В частности:

- вопросы элсктромапигшой совместимости с воздушными линиями связи (для ж.д. постоянного тока);

- обеспечение работоспособности с «игроком диапазоне изменения напряжения контактной сети;

- тяжелые климатические условия;

- утилизация рекуперированной энергии, п случае отсутствия соостветсгвутощего оборудования на тяговых подстанциях (для ж.д. постоянного тока).

В связи с прекращением выпуска электровозов постоянного тока в Тбилиси а!пу;шьш,™ является создание таких электровозов с АТД. При создании подвижного состава с ЛТД необходим новый подход к вопросам проектирования. Эго связано со значительным усложнением процессов в силовой цепи и систем автоматического регулирования, а гак же с высокой стоимостью современных полупроводниковых приборов, выход из строя которых в процессе экспериментальных исследований является неизбежным. Одним из путей сокращения времени и стоимости разработок является математическое моделирование. Возросшие в последнее время вычислительные возможности ПЭВМ и их доступность усилили интерес к данному направлению. Другим достоинством математических моделей является нх гибкость и возможность анализа работы схем как в рабочих, так и в аварийных режимах.

При создании математической модели асинхронного тягового привода необходимо учитывать сложность, протекающих в нем электромагнитных процессов. В частности:

- иесипусоидалъность форм напряжений и токов; -нелинейность электрических цепей;

- сложность силового преобразователя и алгорт-мов управления им. Появление в последнее время универсальных моделирующих программ для анализа широко! о класса электронных усгроиств и 1рафическнх

пакетов позволяет значительно сокраппъ время построения математических моделей, и не требует привлечения профессиональных математиков и ггрограммистов. Применение программ анализа (называемых иногда пакетами моделирования), вместе с имеющимися разработками в области ыоделироншша электрических ыпшпп, полупроводниковых приборов, систем управления, делает возможным создание комплексной матемапмеской модели аашхрошюго тягового привода на базе ПЭВМ. Однако дня этого необходимо реппт, ряд задач, в частности:

1. Выбор [¡.поста прикладных программ.

2. Выбор или создшшс моделей специальных элемаггов АТП, не входящих в базовый пакет.

3. Проверка адекватности разработанной математической модели. Решению данных задач (расчет элемаггов входного фильтра, разработка способа стабилизации напряжения напряжения на коммутирующих конденсаторах) м построешпо модели силовой схемы грузового электровоза постояшого тока Н20, который разрабатывается в настоящее время в ВЭлНИИ, а также ее экспериментальной проверке посвящена данная работа.

В главе 1 выполнен сравнительный анализ различных программ анализа электрогаалх схем и графических пакетов. Упрощенная схема математической модели асинхронного тягового привода электровоза постоянного тока приведена на .рис.1. Создаш1е такой модели предъявляет следующие требования к используемым программны»! продуктам:

- возможность анализа схемы с числом узлов не менее 200;

- возможность задания различных функциональных зависимостей;

- наличие встроенных моделей СПП, или элементов, с использованием которых они м.б. созданы;

- возможность создание библиотек собствешшх моделей:

- возможность графической обработки выходных файлов с числом точек на один график более 10000;

- возможность изменения масштабов построенных графиков.

<J £

В результате сравнительного анализа были выбраны программа PSpice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), и графический постпроцессор Probe, предназначенный для вывода результатов моделирования, полученных с помощью программы PSpice.

Глава 2 посвящена разработке и экспериментальной проверке математической модели асинхронного тягового двигателя. Моделированию асинхронных двигателей посвящено много работ ( И.П.Ко-нылов, В.А.Винокуров О.П.Щедрин, К.П.Ковач, И.Рац, Я.Ю.Пармас, Сакае Ямамура, А.М.Солодунов, Ю.М.Иньков, Г.Н.КоваЯивкер, В.В.Лнтовчещсо Л.Н.Сорнн и другие). Используемая совместно с моделями электронных схем математическая модель асинхронного тягового двигателя должна удовлетворять следующим требованиям:

- модель АТД д.б. представлена электрической схемой замещешм, причем сложность функциональных зависимостей с учетом необходимости моделировшшя АИН к фильтра не должны превышать возможности выбранного пакета;

- модель должна работать с мгновенными величинами токов н напряжений, форма которых может быть произвольной;

- погрешность по мгновенным и действующим значениям токов н напряжений, а так же по среднему значению момента не должна превышать 10%.

Поскольку для исследования работы силовой цепи электровоза нет необходимости в определении реальных величин токов и напряжений в роторных цепях, то оказалось возможным использовать известную динамическую модель АД, полученную путем модернизации Г - образной схемы замещения асинхрошюй машины, и позволяющей вести расчет мгновенных значений статорных токов и момента при несипусондалъной форме питающего напряжения. В использованной модели АТД приняты следующие допущения: 1.11отсри в стали отсутствуют':

2. 1!лня1ше высших пространственных гармоник малинного поля н синхронных моментов на механическую характсрнсгнку ЛД не учитывался.

Ошибка моделирования электромагнитных irponeccos в АТД может бьгп. вызвала следующими основными причинами:

- вычислительной ошибкой зависящей от шага шггегрировппия;

- непостоянством параметров схемы замещения;

- незакончшшшмея nqjexoron.iM процессом при подключении АТД к источнику питания (при моделировании квазнустановившегосх рогата);

- принятыми допущениями.

С больишнетве случаев точность вычислении увеличивается с уменьшением шага интегрирования, однако при этом увеличиваются время расчетов, и размер выходных файлов, что усложняет их обработку графическими пакетами. С целью определения максимально допустимого шага итерирования были проведены расчеты кпазнустановнвшнхся режимов работы АТД при питании от источника синусоидального напряжения с разными значениями шага. Сравнетше проводилось по величине момента на валу АТД. Результаты расчетов рабочих режимов показали, что при шаге тггегрировашш 1/200 периода питающего напряжения, вычислительная ошибка составляет менее 1%, и дальнейшее уменьшение шага неоправданно. В случае моделирования режимов, близких к холостому ходу зиачещ1е шага интегрирования должно составлять (ШООН1/П). Результаты расчетов могут значительно расходиться с экспериментальными данными если не учитывать изменение параметров элементов схемы замещения

вслсдствнн вытеснения токов в обмотках и насыщения стали. Этому вопросу посвящены работы Я.Б.Данилешгча, В.В.Домбровского, Е.Я.¡вазовского, Н.Л.Фокина, И.П.Копылова, О.П.Штерна, Г.Н.Петровя, Д.А.Попова и ;ф. В настоящей работе параметры замещения были рассчитаны in рабочих характеристик и характеристик к.з., снятых при шпации АТД от источника синусоидального напряжения. Используя

экспериментально полученные значения Ik, cos фк (опыт к.з.) дня различных значении I'ф и П были получены суммарные активное сопротивление пс и индуктивносп. 1.к фазы АТД. Значения прнведен-пого мсгнпнот сопротивления ротора г2' были рассчитаны по формуле (I). лол\чснноП из нэисепюго выражения (2).

■ю-

Мп 2л П

г2'=-; (1)

р-иНк2

Мп =--(2)

2- п п^гг+ггЯ+схг+хг)2!

Значения пускового момента Мп определялись экспериментально. Зависимость г2'=Ц[2), приведена на рис.2. Увеличение активного сопротивлении г2' при значениях Г2<0.5 Гц связана с появлением в кривой тока третьей гариошпеи. Активное сопротивление статориой обмотки определена как разиосп. пс н г2". В ои:нч;;г от [4], где все параметры схемы замещения асинхронного двигателя, кроме г2' принимались постоянными в диссертации в иодст. ЛТД быин введены зависимости Ы,Ь2'=Г(П). Индуктивности рссссязшя статорной и роторной цепи (Ь1 и Ь2 ) рассчитаны из 1л; на основе их

соотношения для ро:з1ма поминальной иагрузхи, так как по результатам специально выполненных проверочных расчетов, можно сделать вывод о незначительном вшшош соотношений индуктиаиосгеЛ Ы и Ь2 на значения фазного тока и момента на валу, Если частота тока ротора больше 1 Гц, то значение индуктивности Ьк корректируется но экспериментальной зависимости 1,к=ЦП). Зпачигис 1лп было пршюто постоянным, и равным 13.83 мГн.

С целью проверки влияния изменения параметров схемы замещения на результаты математического моделирования были проведены расчеты рабочих характеристик АТД с постоянными параметрами схемы замещения н с использованием подученных зависимостей 1Л,Ь2=Г{11), г2'=Г(П). Сравнение этнх характернеппе с результатами эксперимента (рис.3), показал, что учет изменения параметров схсмы замещения значительно уменьшает погрешность моделировании. Следует отметить, что при использовании зависимости ЫДЛ=Г(11), если ожидаемое значение тока неизвестно, то задачу необходимо решать методом последовательных тгриближений.

При моделировании квазиустановнвшихся режимов а снстомс А1III-АТД, значительное время будет потрачено на расам переходного

-н-

r2'.m0nt

Pu С. 2.

и.ши

Рис. 3.

процесса. Известно (Г.Н.Петров, В.Л.Винокуров, Д.Л.Попов и др.), что при одновременном подключении всех фаз статорной обмотки к источнику питания на валу ЛД возншсают значительные броски вращающего момента, вызванные апериодической составляющей главного магнитного потока. В кривой фазного тока также присутствует постоянная составляющая, затухающая в течении времени Тперех.

Попытка сокращения времени расчета за счет увеличения шага ннтегрировшшя может привести к появлению значительных вычислительных ошибок в результатах. Время протекания

переходного процесса возрастает при увеличении относительного скольжения двигателя (Г.А.Сипаилов, Е.В.Кононенко, К.А.Хорьков). Расчеты, выполпашые для двигателя НБ-607 показали, что время протекания электромагнитного переходного процесса при относительном скольжении больше 0.9, увеличивается примерно в 20 раз по сравнению с номинальным скольжением 0.011. При частоте питающего напряжения менее 5 Гц время протекания переходного процесса увеличивается более, чем d 5 раз. Эгн особенности допошпггельно увеличивают затрату времени на расчет пусковых режимов электровоза с АТД.

Для уменьшения времени расчета переходного процесса были смоделированы различные методы (устройство безударного пуска, включение демпфирующих резисторов, плавное увеличение напряжения). Сравнение этих методов показало:

1. Экспоненциальное плавное повышение синусоидального напряжения с постоянной времени 0.1 с, позволяет сократить время выхода d кпаэнусгановнвшнйся режим примерно в 5 раз.

2. При питании АТД от АИН целесообразно моделировшше безударного включения АИН, которое рассмотрено в главе 3.

Глава 3 посвящена математическому моделированию автономного инвертора напряжения вместе с системой управления, и экспериментальной проверке модели асинхронного тягового привода. По времени протекания электромагнитные процессы в АИН можно разделить на три группы:

1. Процессы протекающие несколько микросекунд (включение пгристоров, замещение тока в полупроводниковых приборах);

2. Процессы протекающие неасолько миллисекунд (коммутация TirpitcropoB, формирование кривой выходного напряжештя);

3. Процессы, премя протека>шя которых измеряется в секундах (разгон поезда);

Их совместное нсследовшше, хотя и является принципиально возможным, но приведет к весьма значительным затратам машинного времени. Поэтому, при имеющихся в настоящее время возможностях вычислительной техники, целесообразно раздельное изучение вышеперечисленных процессов. Разработанная математическая модель АИН орненпгрована на нсследовшше процессов второй группы, так как именно они определяют формы токов и напряжений п элементах ТПЧ. Для этой цели, применительно к пакету PSpice была разработала модель тиристора, которая представляет из себя последовательное соединение диода И управляемого напряжением ключа с токовый самоподхватом [6]. Ключ замкнут в случае выполнения хотя бы одного из двух условий:

- наличие сигнала управления необходимой амплитуды;

- протекание по ключу прямого тока больше тока удержания.

Модель имеет следующие основные отличия от работы реального тиристора:

- время включения и выключения равно шагу интегрирования;

- не предусмотрено моделзгроваиие пробоя тиристоров;

- не предусмотрено изменение параметров тиристора от температуры. Простота предложенной схемы замещения тиристора позволила создать математическую модель асинхронного привода в рамках возможностей ПЭВМ широкого применения и выбранного пакета моделирования без упрощения схемы инвертора.

Оценено влияние шага нитрирования па результаты математического моделирования при питании АТД напряжением ступенчатой формы. Результаты расчетов показали, что при пине итерирования менее 1/300 периода несущей частоты вычислительнач ошибка не нреni.iiiiat-i

- п ■

5%. При увеличении шаха изменяются не только значения токов и напряжений, но и их форма.

В связи с существенными различиями алгоритмов управления АНН в различных режимах его работы предложена обобщенная математическая модель системы управления (СУ) АПН использующая последовательно соединенные источники напряжения, описываемые простейшими периодическими импульсными функциями. На основе обобщенной модели реализованы три модели системы управления АПН для режимов 180-градусного управления, и щиротио-нмиульсиого регулирования (ШИР) с кратностями несущей частоты Е=6, и Е>6, отличающиеся параметрами импульсов, периодом повторяемости алгоритма. Для режима работь; АНН в режимах ШИР с краткостью Е>6, базовым является алгоритм Е=12. Для получения других алгоритмов управления каждый из интервалов базового алгоритма Твых/6 необходимо повторить ЕЛ 2 раз. Для упрощения

математической модели некоторые из источников импульсного напряжения используются одновременно в нескольких каналах управления. Это позволило уменьшить на 40°/о число используемых источников импульсного напряжения для тиристоров переключателей фаз (ПФ). На рнс.4 показан принцип формирования сигнала управления для тиристора (Е=12). Математическая модель

формирует алгоритм управления по следующим исходным данным: П - выходная частота АИН; Е - кратность выходного напряжения; X - коэффициент заполнения, 1x1 - и4 - времена задержек.

Программа рассчитывает время начала (Ли), длительность плоской части (1н) и период повторения (Тповг) имнульсоп всех источников п соответствии с выбpaJПlьш алгоритмом н исходными данными. В таблице1 приведены расчетные формулы для трех последовательно соединенных источников импульсного напряжения (УК6А, УК6В, УОб), моделирующих канал управления тиристором УЭб, для алгоритма управления Е>6.

Таблица 1.

Импульсный источник I !ачало переднего фрощ-а Длительность плоской части Период повторения

УК.6А ((1 /П)/1£) -X ((г/ПУЕ) (1-Х) (2/(1 )/Е

УК6В 0 ((1/П)Л£)-Д. (2 тук

У156 (6/П)(1/12) (5/12) (1/ПИ(1'ПУЕ) (1-Х ) 1/П

Запуск математической модели ТПЧ аналогичен запуску реального ЛИН и состоит 1Ь трех этапов:

- заряд фильтровых конденсаторов;

- заряд коммутирующих конденсаторов;

- включение тиристоров переключателей фаз.

Заряд конденсаторов фильтра моделируется путем задщшя начальных условий, а заряд коммутирующих конденсаторов за счет зад грязи подключения нагрузки. Для этого между моделями АИН н АТД г.ключены три ключа (ЗА, ЭВ, 8С), которые замыкаются не раньше, чем через один период выходной часто™. Наличие дщшых ключей является обязательным условней надежного запуска модели АИН, поскольку алгоритм управления полностью реализуется начиная со второго периода выходной частоты.

Ключи (ЗА, Я В, БС) выполняют так же фунхиню устройства безударного включения. Известно (Н.Ф.Голованов, М.П.Обуховсхий, Л.П.Петров, А-А.Поскробко, Р.Г.Похюров, П.Ф.Спераисмсй), что при подключении АД к источнику трехфазного синусоидального напряжения 1^>еход>юм 1фоцссс практически огсутстнчет, если дне фазы включить при максимальном значении соответствующего линейного напряжения, а третью - при максимальном значении соответствующего фазного напряжения (например фазы А к Л через 60 эл.град., а фазу С чq^eэ 150 зллрад.). В диссер!ании показано, что при питании АТД от АИН ио.ислочежк- двух фаз измгнчп форму соответстпумшею линейного напряжения. 15 ном случае при подключении фа! А и В асинхронного дшителч 'и-рез М1 з-ирлд. ;! фазы С через !50 эл.град., как к при

-а-

прямом включении наблюдаются значительные броски фазных токов и вращающего момента. Для безударного пуска тягового двигателя от ЛИН предложено фазы А н В подключать через 120 зл.1рад., а фазу С -через 210 или 390 эл. град (углы отсчитываются от момента времени, когда напряжение на фазе А изменеиило бы полярность, при условии подключения псех статорных обмоток двигателя к выходу АИН). С учетом необходимости задержки подключения нагрузки на одаш период выходной частоты время замыкания ключей определяется по следующим формулам:

tBK.3(SA.,SB)=(4/3)(l/n); (3)

tBKa(SC)=(25/12)(l/n). (4)

Полученные расчетным путем кривые момента на валу АТД при прямой и безударном включении приведены на рис.5, из которого видно, что в случае безударного включения динамические усилия в тяговой передаче при подключении двигателя значительно уменьшаются. Одновременно уменьшаются бросок фазных токов и время выхода в квазнусгановившлйся режим.

Моделирование электромагшгшых процессов в элементах АТП за одну секунду реального времени на ПЭВМ Pentiura-75 MHz, с шагом интегрирования 5 мке требует около 10 часов. Для решения некоторых задач (определение фазных напряжений и токов, расчет входных

фильтров), где ис требуется определение токов и напряжений конкретных и/п приборов разработана упрощенная модель АНН, состоящая из семи ключей и обратного диодного моста. Шесть ключей, работающих по алгоритму 180-градусного управленца формируют кривые выходных напряжении АИН, а седьмой выполняет функшао входного импульсного регулятора. Время счета при использовании упрощенной модели АИН уменьшается примерно » 15 раз. Расхождение результатов моделирования полученных с помощью полной и упрощенной моделей не превышает 2%.

Экспериментальная проверка результатов математического моделирования проводилась на сгсцде натурной мощности В'.ЗлШШ. В качестве нагрузки автономного инвертора напряжения TI14-1500/3,

Puc. 4.

M.kHM

Time.c

Puc 5

изготовленного для проектируемого .электровоза с ЛТД - П20, использовался асинхронный тяговый двигатель ПБ-607. Эксперименты проводились при:

-входном напряжении Ь'Ци - 510 В,

-выходной частоте ЛИН Г1 = 8.4 - 72.5 Гц (0.18 - 1.61)Пном; -абсолютном скольжении П2 = 0.65 - 3.1 Гц (1.31 - 6.26)Г2ном; - кратности выходного напряжения АНН К = 6 - 24; -действующем значении фазного тока 1ф = 100 - 200 А (0.2 - 0.4)1ном.

Расхождения результатов расчета квазнустановившегося режима и эксперимента не превышают:

-по мгновенным значениям фазного тока............. 12.9%;

-по средним значишям входного тока АНН.......... 10.6"/«;

-по средним значениям входного напряжения АПН.... 2.6 "/• .

В главе 4 рассматривается применение созданной математической модгчн АТП для решения задач, направленных на обеспечение работоспособности электровоза постоянного тока с ЛТД с учетом влияния питающей сети. К таким задачам относятся:

1. Разработка метода стабилизации напряжения на коммутирующих конденсаторах АИН.

2. Расчет его входных фильтров АНН.

Тяговый преобразователь с емкостной коммутацией должен быть работоспособным при изменении напряжения в контактной сети (1.:а), в пределах 2200 - 4000 В. Если параметры ;-;о<пуров коммутации АИН рассчитаны на напряжение 2,2 кВ, то при напряжпин с коигшлтюй сети, 4 кВ, амплитуда Тока перезаряда коммутирующего конденсатора возрастет почти в два раза (пропорционально н.'шряжению пмтшошей сети), а потерн в контуре коммутации увеличатся с 4 рала

(пропорционально квадрату тока перезаряда). Это вызывает усиленный нагрез коммутирующих реакторов и полупроводниковых ¡трнборог. входных импульсных регуляторов АИН, н потребует увеличения массы и габаритов преобразователя, а также возрастания расхода :ш~рши на вентиляцию. Одним из способов уменьшения ноге;)., в контуре

коммутации является стабилизация напряжения на коммутирующих конденсаторах. При этом возможны два решения:

[.Дополнительный отбор энергии с коммутирующего конденсатора при повышении ис1 более 2,2 кВ (стабилизация иадфяжения на минимальном уровне);

2. Применение контуров коммутации, рассчитанных на питающее напряжение выше 4 кВ, с реализацией режима раскачки напряжения на Ос при снижении иск ниже этого уровня (стабилизация напряжения на максимальном уровне).

Способ стабилизации выходного напряжения за счет дополнительного отбора энергии с коммутирующих конденсаторов рассматривался в ¡1,2,3] . Ею применение нрпводш к значительному усложнению схемы преобразователя и необходимости установки блока отбора мощности (в простейшем случае резистор;. При этом потери энергии не уменьшаются а гд,[носятся из контура коммутации в блок отбора мощности (НОМ). Известны схемы АПН с БОМ (А.М.Рогов, А.С.Мазнев, К.Н.Суслова). К преимуществам способа следует отнесш улучшение потенциальных условий работы полупроводниковых приборов и возможность уменьшения массогабарнтных показателей коитура коммутации. В диссертации исследовался способ стабилизации напряжения коммутирующих конденсаторов АПН на уровне не ниже 4 кВ. Это может быть достшпуто путем реализации активного режима работы коммутирующего устройства (КУ). Перевод КУ в активный режим производится за счет задания меньшего, чем Тк времени задержки импульсов управления ятя тиристоров V? 17, УЗ 18 относшелыю импульсов язя У515, УЙ16 соопчтстиеши».

При пассивном режиме работы КУ (если импульсы управления на зарядные шристоры УХ 17, подаются с задержкой относительно

импульсов .XI« 15, \'Я1(> на время, большее, чем собственное время перезаряда коммутирующею конденсатора - Тк), напряжение нл коммутирующем конденсаторе будет выше напряжения кошактнон сети. Разноси. напряжении .М =1 а-к-1'(I увеличнвасгся с ростом тока, коммутируемо! о входными импульсными регуляторами. При этом

коэффициент коммутационной стойкости уменьшается. По результатам расчетов можно рекомендован. следующую' эмпирическую формулу для определения напряжения на Ск при иасснином режиме работы КУ:

Uck=U(I+2.2 idmax+2.34 10"3 I<l2max (5)

Определение зависимости времени задержки импульсов управления на зарядные тиристоры для КУ преобразователя ТПЧ-1500/3 производилось на математической модели. Параметры контура коммутации ТПЧ-150Ш:

Ск = 40 мкФ; 1л: = 2S0 мкГи. Результаты математического моделирования и испытании активного режима работы КУ, проведенные на стенде ВЭлНИИ (преобразователь -ТПЧ-1500/3, тяговый двигатель НБ-609) показали:

1. Стабилизация напряжения на коммутирующем конденсаторе возможна на уровне, больше фактического с учетом накачки током нагрузки.

2. Напряжение на коммутирующих конденсаторах без учета накачкн током нагрузки равно:

иск=Ш(к(Тк-и)+1) (6), где:

(i - время ¡мке] задержки подачи импульсов управления на зарядные тиристоры, (tz <Тк,Тк=314мкс).

к- - коэффициент. Для контура коммутации ТПЧ-1500/3 к-0.0.1 Зависимость разности напряжения AlJ=licK-Ud от времени задержки tz, при различных амплитудах входного тока ЛИН приведены на рис.6.

3. Время задержки подачи управляющих импульсов на зарядные тиристоры с целью стабилизации напряжения на Ск, зависит от напряжения в питающей септ Ud, и равно:

ti=TK4(UcrAJd)-l>(l/K) (8), где:

Uct - значение стабилизированного напряжения на конденсаторе.

4. Расхождение экспериментальных и расчетных значений папряже1шя на коммутирующих конденсаторах составляет не более 10%.

-г\ -

5. Применение активного ремсима работы зарядных тиристоров позволит стабшнгпгрова'п. коммутационную стойкость АИН во всем диапазоне изменения напряжения » контактной сети и тока нагрузки.

Проанализированы пути снижения массы и габаритов входного фильтра АПН, которые соизмеримы с самим преобразователем. Предварительные расчеты показали, что при мощности АТД 1000 кВт н пульсациях входного тока 100 мА, масса входного фильтра составит около 800 кг на двнгагеш.. Одним из возможных путей снижения пульсации тока, потребляемого из сети является замена одпоэвешюго входного фильтра двухзвеиным |5|.

Для проверки математической модели были проведет! расчеты с параметрами натурного стенда ВЭлНИИ. Однозвенный входной фильтр сгенда состоиг из 17 паралсльно включенных ковденсаторов ФЖ емкостью 300 мкФ , и реактора, индуктивностью 4.4 мГн. Сравнение результатов моделирования с данными чкепернмента показало, 'по их расхождение не превышает 15% , что позволяет использовать

разработанную математическую модель для q>aEнeння различных вариантов входного фильтра АИН.

Рассматривалось влияние магнитной связи реакторов и соотношение параметров звеньев фильтра на пульсации входного токз. Анализируя полученные данные можно сделать следующие выводы: 1. При использовании двухзвешюго входного фильтра целесообразно иримсиение реакторов без маппгпюй связи.

Изменение соотношения индуктивностей фильтровых реакторов незначительно влияет на величину пульсаций входного тока.

3. При условии СТ'1 + С1'2=со[Ы, п}льсации входного тока имеют минимум при отношении С1:1/С1;2 близком к 3.25 (рнс.7).

4. Применение двухзненного фильтра с параметрами 1.Р1=1.}72, С1-'1/С1'2 = 3.25 позволяет без существенного изменения общей массы анпнть амплитуду т лье.шип вчодного тока более, чем в два разя, 1/рн пом в ближайшей г инвертору ячейке необходимо использовать конденсаторы, допиг.зьчгше 20-и процентные пульсации напряжения.

AUck

Inrnax, A

Рис. 6.

tz, MKC

<ШЛ.Я

um

3100

aioo

гооо Cl, »x"P

— dlLl

Рис. г

dUc2

dUc2.%

4000

-зз-

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..

1. Использование асинхронного т;;го»ого привода на электровозах постоянного тока имеет известные преимущества, но требует обеспечение работоспособности силового электрооборудования с учетом нелинейности параметров, изменения частоты и формы питающего напряжения, а тагаке условий коммутации пгрнстороа преобразователя. 2. Разработана математическая модель асинхронного тягового привода электровоза постоянного тока, позволяющая исследовать электромяг-шггные процессы в силовой цепи при различных плторггшах управления ЛШI с возможностью изменения электрической схемы привода. Разработанныме модели тиристора и системы управления АИН позволяют уменьшить вычислительные затраты н реализовать математическую модель асинхронного тягового привода на ПЭВМ широкого применения.

3. Установлено, что anropi гга безударного подюпочмпи асинхронпого двигателя к АИН отличается от известного алгоритма для трехфазного синусоидального. источника пнтшшя. Применение предложенного «втором алгоритма позволяет уменьшить бросок выходного тока автономного инвертора напряжения и вращающего момента примерно в два раза, что аппкает динамические нагрузки в тяговом приводе.

4. Работоспособность входных преобразователей электровоза во seen диапазоне изменения напряженна в тяговой сети обеспечивается активным зарядом и сгабнлтгзацией напряжения па их коммутирующих конденсаторах.

5. С не: 11,20 уменьшения мешающих воздействий на лнннн евгзи и СЦБ железно!! дорош рекомендовано применение днухзяа того входного фильтра, который позволяет, по сравнешсо с однозвекным, снизить пульсации входного тока более, чем в два раза без существенного нзмснегшя массогабарптных показателей. При применении длухзвенного фильтра возможно использовать реакторы равной индуктивности без нашитой связи. Соотношение емкостеЛ конденсаторов первого и второго звена должно быть близким 3.2S.

-116. Адекватность математической модели асинхронного тягового привода электровоза постоянного тока н эффективность способа стабилизации напряжения на коммутирующих конденсаторах путем реализации активного режима работы зарядных тиристоров проверена иа стенде натурной мощности ВЭлНИИ. Погрешность амплитудных и средних значений токов и напряжений не превышает 15%.

7. Предложения о структуре, параметрах и алгоритме работы асинхронного тягового привода приняты ВЭлНИИ при разработке проекта электровоза постоянного тока с асинхронными тяговыми дзигателямн Н20.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Авт.свил, СССР N1517106. Устройство для регулирования частоты врашения тягового электродвигателя. Маэпев A.C., Ширяев A.B. Бюлл. N39, 1989.

2. Авт.свид. СССР N1545319. Электропривод постоянного тока. Мазиев A.C., Ш1гряев A.B., Рогов А.Н., Шевцов Ю.А. Бюлл. N7, 1990.

3. Авт.свнд. СССР N1814185. Электропривод постоянного тока. Мазиев A.C., Ширяев A.B. Бюлл. N17, 1993.

4. Ширяев A.B., Изварш! M.IO. Разработка математической модели асинхронного частотно - регулируемого пргаода кспомогательных мюгош электровоза постоянного тозса НИ. // Тезнсы и доклада П межвузовской конференции ПГУПС, 1994.

5. Ширяев A.B. Сравнение одиозвашого и даухзпкотого входного фильтра автономного инвертора напряжения дна эласгроподаишого состава с асинхрошилми тяговыми двигателями. ¡1 ССоршв; научных трудов ПГУПС, 1995.

6. A.V.Plaks, A.V.Shiroev. Mathematics] rnoddling of thyiistors in main power circuits of electric locomotives. // Second Intenintiorud Scientific Conference Modern supply systems ami drives for clectric traction. Warsaw, 1995.