автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Полупроводниково-резисторная система ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока

о

КАЛИНИН Михаил Владимирович

На правах рукописи

ПОЛУПРОВОДНИКОВО-РЕЗИСТОРНАЯ СИСТЕМА ОСЛАБЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

1 О ДЕК 2009

003487294

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС) на кафедре «Электрическая тяга».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

МАЗНЕВ Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ИНЬКОВ Юрий Моисеевич

кандидат технических наук, доцент ШАТНЕВ Олег Игоревич

Ведущее предприятие - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС)».

Защита состоится «25» декабря 2009 г. в «13» час «30» мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9. ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «25» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.А. КРУЧЕК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу 2020 года», разработанной Всероссийским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта, отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса и удельных затрат на энергопотребление в сфере тяги и улучшения тягово-энергетических характеристик локомотивов за счет модернизации эксплуатируемого парка тягового подвижного состава путем перехода на коммутационное электрооборудование на основе силовых полупроводниковых приборов.

В комплексной программе «Реорганизация и развитие отечественного локомотиво- и вагоностроения на период 2001-2010 гг.» предусматривается при создании нового и модернизации эксплуатируемого подвижного состава улучшение на 15-20% тяговых свойств, повышение коэффициента готовности за счет обеспечения высокой надежности и ремонтопригодности, снижение на 10-15% расхода электроэнергии.

Технические средства железнодорожного транспорта характеризуются высокой степенью физического износа, что обуславливает дополнительные затраты на эксплуатацию и ремонт электрического подвижного состава. Одной из причин неудовлетворительного технического состояния электровозного парка, ведущей к увеличению отказов тяговых двигателей на многих дорогах страны, является полная или частичная разукомплектованность локомотивов индуктивными шунтами. Например, в локомотивном депо Кандалакша Октябрьской железной дороги недостает 184 шунта для 23 электровозов переменного тока ВЛ80С (ВЛ80Т).

Применение электронных систем ослабления возбуждения электровозов переменного тока с коллекторными тяговыми двигателями пульсирующего тока позволяет:

- лучше реализовать использование мощности тяговых машин;

- снизить вероятность коммутационных перегрузок тяговых двигателей при возникновении нестационарных режимов работы за счет высокого быстродействия электронных ключей;

- достаточно просто согласовать схемы электровоза (силовую и управления);

- уменьшить стоимость устройства регулирования возбуждения.

Целью работы является обоснование целесообразности и возможности замены индуктивного шунта в системе ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока силовыми полупроводниковыми приборами.

Для решения поставленной задачи необходимо:

1. Произвести анализ существующих систем ослабления возбуждения электрического подвижного состава постоянного и переменного токов;

2. Обосновать вид полупроводникового прибора с учетом его параметров и степени влияния на характеристики электровоза в режиме ослабленного возбуждения;

3. Выполнить экспериментальные исследования нестационарных процессов в схеме электровоза с безындуктивными шунтами;

4. Разработать математическую модель для оценки особенностей систем ослабления возбуждения тяговых двигателей.

Методика исследований. В диссертационной работе использовались методы расчета электрических цепей, экспериментальные исследования и математическое моделирование с помощью компьютерных программ МаЛаЬ, втшИпк.

о

Достоверность основных теоретических положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований макетных образцов на лабораторном стенде, на испытательной станции локомотивного депо и на электровозе переменного тока в локомотивном депо Кандалакша Октябрьской железной дорога.

Научная новнзна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложен алгоритм управления электронным ключом в нестационарных режимах, позволяющий осуществить переход на нормальное возбуждение с отключением резистора, включенного параллельно обмотке возбуждения при достижении коэффициентом регулирования возбуждения минимальной заданной величины, что снижает вероятность возникновения кругового огня по коллектору при значительных бросках напряжения;

2. Показано, что применение безындуктивных шунтов на основе однооперационных тиристоров ограничено коммутационными параметрами (напряжение и емкость конденсатора) и соотношением падения напряжения на обмотке возбуждения тягового двигателя и порогового напряжения тиристора;

3. Для повышения коммутационной способности тиристорного ключа с одновременным поддержанием послекоммутационного напряжения на уровне э.д.с. вращения двигателя рекомендуется подключать конденсатор к обмотке якоря и шунтировать ее обратным диодом;

4. Сравнение систем регулирования возбуждения на основе индуктивного шунта и полупроводникового ключа показало преимущество последней по быстродействию, массе, габаритам и стоимости.

Практическая ценность. Разработан безындуктивный шунт на основе IGBT-модуля для электровозов переменного тока BJT80C, ВЛ80Т;

Рекомендованы в качестве перспективной элементной базы для безындуктивных шунтов электровозов переменного тока транзисторы типа MOSFET.

Реализация и внедрение результатов работы: разработан и изготовлен электронный шунт на IGBT модуле для электровозов переменного тока BJI80C (BJI80T).

Апробация работы: диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2007, 2008 и 2009 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее», Санкт-Петербург, ПГУПС в 2006, 2007, 2008, 2009 годах; международных симпозиумах «El'trans' 2007, 2009», СПб, ПГУПС, 2007, 2009; Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития». - Екатеринбург, УрГУПС, 2008; международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. -Хабаровск, ДВГУПС, 2008, международной конференции «Современные технологии - транспорту», СПб, ПГУПС, 2009.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, из них 1 публикация в издании, которое входит в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 163 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (113 наименований) и 5 приложений. В работе 34 таблицы и 105 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и практическая значимость, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности работы тяговых двигателей пульсирующего тока в режиме ослабленного возбуждения.

Регулирование возбуждения - средство более полного использования возможностей (свойств) тяговых двигателей, которое используется для изменения скорости электрического подвижного состава (ЭПС) при движении на естественных характеристиках двигателя, повышения плавности пуска (за счет ослабления возбуждения) на реостатных позициях, ликвидации боксования (юза) колесных пар либо увеличением ослабления возбуждения двигателя, связанного с боксующей осью, либо увеличением тока возбуждения двигателя, включенного последовательно и связанного с небоксующей осью, защиты тяговых двигателей в режиме рекуперации путем их быстрого размагничивания током якорей, протекающим по обмоткам возбуждения.

Процессам в силовых цепях электровозов в режимах ослабленного возбуждения уделяли большое внимание многие ученые, например, Трахтман JI.M., Тихменев Б.Н., Исаев И.П., Розенфельд В.Е., Феоктистов В.П., Иньков Ю.М., Курбасов A.C., Плакс A.B., Лозановский А.Л., Янов В.П., Сидоров H.H., Карш H.A., Некрасов В.И., Дядьков А.М, Вейцман Л.Ю., Сулейманов Р.Я., Бегагоин Э.И., Тулупов В.Д., Мазнев А.С и другие, а также следующие организации, научные институты, университеты, заводы: МГУПС (МИИТ), ВНИИЖТ, ВЭлНИИ, ПГУПС, УрГУПС, УО ВНИИЖТ, ДИИТ, РФ ВНИИВ, РВЗ, РЭЗ, МЭИ, «Динамо» и т.д.

На отечественных электровозах переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД) наибольшее распространение

получила контакторно-резисторная система регулирования возбуждения с использованием индуктивных шунтов для реализации ступенчатого изменения степени ослабления.

Целесообразность применения в системах ослабления возбуждения полупроводниковых элементов диктуются высокой стоимостью, габаритными показателями индуктивных шунтов, возможность замены которых при выходе из строя практически отсутствует.

Во второй главе выполнен обзор систем ослабления возбуждения тяговых двигателей ЭПС постоянного и переменного токов с использованием полупроводниковых элементов.

Улучшение стоимостных и габаритных показателей системы регулирования возбуждения тяговых двигателей возможно за счет использования полупроводниковых приборов в режиме ключа или импульсного преобразователя.

Различные устройства ослабления возбуждения возможно создавать благодаря широкому спектру электронных приборов, выбор которых регламентируется параметрами системы тягового привода.

Коллекторные тяговые двигатели электровозов переменного тока по сравнению с двигателями ЭПС постоянного тока отличаются большей мощностью, незначительной величиной сопротивления обмотки катушек главных полюсов и наличием резистора, обеспечивающего 95-97% степень ослабления возбуждения, что наряду с пульсациями токов, ограничивает возможность выбора полупроводниковых приборов, которые могут быть использованы в системах плавного пуска и регулирования возбуждения ТЭД.

Параметры электронных приборов оказывают существенное влияние на характеристики системы ослабления возбуждения тяговых двигателей.

Пороговое напряжение, равное 1,35В, увеличивает жесткость характеристик электровоза на 4-6%.

В третьей главе сделан анализ современной полупроводниковой базы и показана возможность их использования в системах регулирования возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока. В качестве ключевого элемента могут быть использованы однооперационные тиристоры SCR, управляемые тиристоры GTO, IGCT, IGBT модули и транзисторы MOSFET.

Рассмотрены устройства управления возбуждением тяговых двигателей на различной элементной базе, в частности, на однооперационном тиристоре (рис. 1).

Рис. 1. Система ослабления возбуждения тягового двигателя на тиристорах SCR

В режиме ослабленного возбуждения коэффициент регулирования возбуждения |3 будет определяться величинами сопротивлений резисторов Rm и Ro и падением напряжения на тиристоре.

7

Unix» 'кф '(rr

0)

^Г(ЛЭ) + 1ш 'кф •('г +Кш) + Raa-Ur,~1Ш)

где UnT0) - пороговое напряжение тиристора; гт- динамическое сопротивление тиристора; кф- коэффициент формы пульсирующего тока. В случае отрыва токоприемника от контактного провода произойдет снижение тока двигателей, ЭДС вращения и магнитного потока до нулевых значений, что приведет к запиранию тиристора VS1. При восстановлении контакта токоприемника с контактным проводом двигатель будет работать в режиме полного возбуждения с меньшим током якоря, что уменьшит токовую перегрузку ТЭД и улучшит потенциальные условия на коллекторе. По истечении времени задержки, предусмотренной системой управления, тиристор VS1 включится и двигатель перейдет в режим ослабленного возбуждения. Для ограничения послекоммутационного напряжения на конденсаторе при отрыве токоприемника параллельно якорю двигателя включен обратный диод VD.

При резком увеличение напряжения питания в режиме ослабленного возбуждения ток в шунтирующей цепи интенсивно нарастает, что приводит к уменьшению коэффициента регулирования возбуждения. При достижении тока (коэффициента ß) заданной величины, для коммутации главного ключа отпирается тиристор VS2.

В качестве ключевого элемента в системе ослабления возбуждения ТЭД были рассмотрены IGBT и MOSFET транзисторы. На рис. 2 и 3 приведены схема безындуктивного шунта на MOSFET транзисторах и алгоритм ее работы. Коэффициент регулирования возбуждения определяется

R - Д0 '(RPS{on) +Rw)

где -Кщздл _ , d , n >

здесь Ros^n) - прямое сопротивление транзистора.

Рис. 2. Схема электронного шунта на MOSFET транзисторах

Рис. 3. Алгоритм работы безындуктивного шунта 9

Для исключения интенсивного нарастания тока при нестационарном режиме по резистору 110, что может привести к снижению степени ослабления возбуждения, в схему введен транзистор УТ2.

На рис. 4, 5 приведены обобщенные характеристики электровоза в режиме ослабления возбуждения, позволяющие оценивать влияние полупроводниковых приборов на коэффициент регулирования возбуждения.

Рис.4. Зависимость коэффициента ослабления от тока

Рк кгс

Рис. 5. Тяговые характеристики электровоза ВЛ80С 10

Современные силовые электронные ключи с пороговым напряжением 0,9... 1,7В увеличивают жесткость штатных характеристик электровозов переменного тока в режиме ослабления возбуждения на 34%. Повышение порогового напряжения сопровождается ростом зависимости коэффициента регулирования возбуждения от тока якоря. Благодаря своим особенностям (незначительное прямое сопротивление в проводящем состоянии, равномерное распределение тока при параллельном включении) MOSFET транзисторы могут быть использованы на электровозах переменного тока с двигателями, имеющими малое падение напряжения при токах 100... 1200А, не оказывая практически влияния на величину коэффициента регулирования возбуждения.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. Испытания были проведены на лабораторном стенде, испытательной станции и на электровозе BJI80T.

Экспериментальные исследования на испытательной станции локомотивного депо, показали, что использование однооперационного тиристора в схеме безындуктивного шунта существенно влияет на величину коэффициента регулирования возбуждения. При токах 220...590А коэффициент ß составит 0,71. ..0,77.

На лабораторном стенде и в условиях эксплуатации электровоза переменного тока BJI80T электронный шунт на IGBT-модуле показал свою работоспособность.

Восстановление контакта между токоприемником и контактным проводом, как наиболее опасный нестационарный режим работы электровоза, был рассчитан и промоделирован с помощью современных прикладных программ MatLab, Simulink.

Выпрямленное пульсирующее напряжение и2 (г) = и1т ■ 8т{ах + у) разложим в ряд Фурье

к 2 3

где иг„ - амплитудное значение выпрямленного напряжения;

цг- начальная фаза.

Ток двигателя определяется выражением

Л . ,, „ йФ (4)

1 =--^--5ш(2й>/ + и/) +--Ш- • (1 - е8'),

ъ-п-г-ю-ь к ■ - 7

где 2р- число пар полюсов тягового двигателя;

ст- коэффициент рассеивания магнитного потока главных

полюсов;

5 = у - коэффициент затухания;

ли

и^ - среднее выпрямленное напряжение; г - сумма всех омических сопротивлений в цепи; Ь - сумма индуктивность, входящих в контур протекания тока. Су - конструктивная постоянная двигателя; V - скорость движения электровоза; Ф - магнитный поток; \мв - число витков обмотки возбуждения. Компьютерное моделирование восстановления контакта между токоприемником и контактным проводом показало, что с выключением режима ослабления возбуждения броски тока уменьшаются на 22% , а с дополнительным отключением шунтирующего резистора на 26% (рис.6).

При существующем уровне цен стоимость электронного шунта на 3540% меньше стоимости штатного индуктивного шунта. Использование

12

безындуктивных шунтов обеспечивает ежегодную экономию в размере 25 тыс. руб. на один электровоз.

1.А

5000 4000 3000 2000 ЮОО

Г

/ ^Чц^

7................................................. ...................................-

...................................:....................................;...........'......................- " 0,5 1 -с

Рис. 6. Диаграмма протекания тока якоря при восстановлении напряжения

питания тягового двигателя (скорость 73 км/ч): а - ослабленное возбуждение 43%, б - нормальное возбуждение, в - полное возбуждение с отключением шунтирующего резистора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы получены следующие результаты и сформулированы выводы:

I. На основании анализа систем ослабления возбуждения тяговых двигателей пульсирующего тока показана необходимость разработки безындуктивных шунтов на полупроводниковой базе.

2. Произведены исследования электронных шунтов, выполненных на различной элементной базе - на однооперационном тиристоре, IGBT-модуле, MOSFET транзисторе, которые показали возможность совершенствования систем ослабления возбуждения по массогабаритным и стоимостным показателям. Снижение массы и стоимости достигается примерно на 35-40%.

3. При использовании однооперационного тиристора в качестве ключевого элемента для повышения коммутационной способности предложена схема с параллельным подключением конденсатора к обмотке якоря. Для исключения коммутационных перенапряжений якорь тягового двигателя рекомендуется шунтировать диодом.

4. Исследования систем ослабления возбуждения показали, что применение MOSFET транзисторов позволяет получить характеристики аналогичные штатным (расхождение менее 3%) и реализовать одинаковые с серийным электровозом регулировочные свойства.

5. Экономический эффект от внедрения разработанной системы ослабления возбуждения тяговых двигателей составляет 24 тыс. руб. на один электровоз.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

публикация в издании, которое входит в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России:

Совершенствование систем регулирования возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока [Текст]/ A.C. Мазнев, A.M. Евстафьев, М.В. Калинин// Научно-технический журнал «Транспорт Урала», №1(20)/2009, Екатеринбург, 2009. - с. 63-67.

публикации в других изданиях, не входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России:

1. Современная система регулирования скорости электроподвижного состава [Текст]/ A.C. Мазнев, А.М. Евстафьев, М.В. Калинин и др.// Известия Петербургского университета путей сообщения, выпуск I(б), СПб, ПГУПС, 2006. - с. 35-38.

2. Полупроводниковая система ослабления возбуждения тяговых двигателей электропоездов постоянного тока [Текст]/ A.C. Мазнев, A.M. Евстафьев, М.В. Калинин и др.// Материалы научно-технической конференции «Шаг в будущее» (неделя науки 2006), СПб, 2006. - с. 56-58.

3. Устройство для регулирования скорости электроподвижного состава/ A.C. Мазнев, А.М. Евстафьев, М.В. Калинин// Патент на полезную модель №57212 RU, В60 LI5/08, Бюл. №28, 2006.

4. Многодвигательный электропривод/ A.C. Мазнев, A.M. Евстафьев, М.В. Калинин// Патент на полезную модель №60037 RU, Бюл. №1,2007.

5. Разработка системы совмещенного регулирования тяговых двигателей электропоезда постоянного тока [Текст]/ A.C. Мазнев, A.M. Евстафьев, М.В. Калинин и др.// Материалы научно-технической конференции «Шаг в будущее» (неделя науки 2007), СПб, 2007. - с. 46.

6. Разработка системы ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока [Текст]/ А. М. Евстафьев, М.В. Калинин// Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте. Тезисы докладов на четвертом международном симпозиуме «El'trans' 2007». СПб, 2007. - с. 78.

7. Система регулирования возбуждения тяговых двигателей электровоза переменного тока [Текст]/ М.В. Калинин, Г.А. Епифанов, Е.А. Лысенко// Материалы межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (неделя науки-2008). СПб, ПГУПС, 2008. - с. 119-121.

8. Тяговый электропривод/ A.C. Мазнев, A.M. Евстафьев, М.В. Калинин// Патент на полезную модель №76295 RU, B60L15/08, Бюл. №26, 2008.

9. Современные устройства регулирования возбуждения тяговых двигателей постоянного тока [Текст]/ М.В. Калинин// Вестник Института тяги и подвижного состава «Подвижной состав 21 века»: материалы международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. -Хабаровск, ДВГУПС, 2008, - с.26.

10. Электронная система ослабления возбуждения тяговых двигателей постоянного тока [Текст]/ М.В. Калинин// Материалы межвузовской научно-технической конференции Студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (неделя науки-2009). СПб, ПГУПС, 2009.-с. 122-125.

11. Электронные системы ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока [Текст]/ М.В. Калинин// Известия Петербургского университета путей сообщения, выпуск 2, СПб, ПГ'УПС, 2009.-с. 18-29.

12. Использование полупроводниковых приборов в устройствах регулирования возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока [Текст]/ М.В. Калинин// Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте. Тезисы докладов на пятом международном симпозиуме «El'trans' 2009». СПб, 2009. - с. 55.

Подписано к печати 23.11.09 г. Печ.л. -1,0 п.л.

Печать - ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз._Заказ JV"a 926__

CP ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9