автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Полупроводниковые преобразователи частоты для регулируемого электропривода

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ 'КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ'

>ГБ ОД

. гу Арп 1 На правах рукописи

1 ;,) Ч'!»1;

ШААБАНЕ САМИ (Тунис)

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность! 05.09.03 - 'Электротехнические комплексы

н системы, включая их управление и регулирование'

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Киев-1995

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре теоретических основ электрод-техники Национального технического университета Украины "Киевского политехнического института*.

Научный руководитель - Действительный член Международной

академии электротехнических наук, лауреат Государственной премии Украины, доктор технических наук, профессор Виталий Иванович Сенько

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Николай Петрович Макаренко

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

старший научный сотрудник . Владимир Николаевич Исаков; кандидат технических наук, доцент Николай Валентинович Печеник

Ведущая организация - Харьковская Государственная академия железнодорожного транспорта

Защита состоится "11 " марта 1996г. в АГ часов на заседании специализированного совета К 01.02.04 при Национальном техническом университете Украины 'Киевский политехнический институт* /252056, г.Киев-56, проспект Победы, 37/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета .

Автореферат разослан *_

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент ' В.В.Прокопенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ускорение социально-экономического развития страны выдвигает задачу интенсификации всех отраслей народного хозяйства, в том числе и электротранспорта. Перед электротранспортом стоит задача увеличения провозной способности и повышения ритмичности перевозок, которые в значительнрй мере определяются техническим уровнем электропоездов. Существующий парк электропоездов уже сегодня не способен обслужить требуемые пассажиропотоки пригородных железнодорожных участков, которые в настоящее время составляют более 90% и имеют тенденцию к

дальнейшему увеличению. Использование на эксплуатируемых электропоездах в качестве тяговых двигателей электрических машин постоянного (пульсирующего) тока практически исчерпало свои возможности в части повышения единичной мощности, приходящейся на тяговую ось моторного вагона.

Совершенствование'тягового электропривода электропоездов в развитых странах мира идет по пути широкого внедрения силовой, и информационной электроники, что открывает новые возможности , для применения на перспективных электропоездах асинхронных: тяговых двигателей (АТД) с ко-роткозамкнутым ротором, имеющих ряд преимуществ перед коллекторными. Асинхронные тяговые двигатели по сравнению с коллекторными машинами при одних и тех' же массогабаритных показателях имеют мощность на 40+-50% выше. Коэффициент полезного действия АТД выше на 1.5+2%. Степень использования активных материалов (оценивается по их удельному расходу на единицу полезной мощности) у коллекторных Машин составляет 8+10кг/кВт, а у АТД - 1.5+ +Зкг/кВт. Простота конструкции, отсутствие коллекторно-щеточного узла определяют высокую надежность АТД и низкую стоимость технического обслуживания при эксплуатации, что особенно важно для пригородных электропоездов. Применение АТД позволяет также уменьшить массу материалов, необходимых дпя изготовления механической части электропоезда. В свою очередь, снижение массы тележки, сокращение ее базы, а также уменьшение ее момента инерции при высоких скоростях движения. Одно из важнейших достоинств АТД - его высокие

быстродействия - позволяет формировать жесткую ■тяговую характеристику и обеспечивает реализацию предельных по сцеплению сил тяги и торможения.

Более 70% пригородных железнодорожных перевозок осуществляется в настоящее время" на электрифицированных участках постоянного тока.

Тяговый привод электропоезда постоянного тока с АТД требует обязательного применения преобразователя параметров электрической энергии, поступающей из контактной, се-, ти. Главное место в проблеме применения АТД занимают выбор принципиальной схемы преобразователя энергии, а также обеспечение устойчивой и эффективной работы тяговых двигателей во всех режимах. В качестве преобразователей могут применяться преобразователи тока или напряжения.

В настоящее время зарубежными фирмами созданы и успешно эксплуатируются на железных дорогах Западной Европы свыше 1000 единиц электроподвижного состава (ЭПС) различного назначения с АТД, регулирование режимов которых осуществляется при помощи полупроводниковых преобразователей на базе автономных инверторов напряжения (АЙН) и автономных инверторов тока (АИТ). -

Учитывая специфику АТП для электропоездов, возникает необходимость разработки и исследования' рациональных структур силовых цепей преобразовательного оборудования для нового поколения электропоездов с АТД.

На решение этих задач направлены работы,- проводимые на кафедре теоретических основ электротехники Киевского политехнического института в соответствии с координационным планом АН Украины по комплексной проблеме "Научные основы электроэнергетики" на 1991-1995г.г.

Поэтому разработка и исследование статических преоб-* • разойателы _лх установок для питания асинхронных тяговых двигателей поездов является актуальной задачей.

И ель работы - решение научной задачи выбора рациональной структуры силовых цепей автономных инверторов, разработка и создание на их основе статических прёобразо-вательных установок для питания асинхронных тяговых двигателей, а также .путей повыпГения коэффициента полезного действия автономных инверторов, предназначенных для эксплуатации на линиях постоянного тока.

Достижение поставленной цели потребовало решения еле-.

дующих задач!

1. Выявление особенностей АТП и определение требований, предъявляемых к преобразователям питания АТП электропоезда.

2. Обоснование построения, анализа и оптимизации структуры преобразователя частоты для питания АТД.

3. Разработка математической модели системы "контактная сеть постоянного тока" - статическая преобразовательная установка -. асинхронный тяговый двигатель и анализ .электромагнитных процессов в системе в квазиустано-вившихся режимах.

4. Анализ составляющих потерь в автономных инверторах при реализации заданных тяговых характеристиках электропоезда.

5. Обоснование применения методики разделения потерь для определения коэффициента полезного действия автономных инверторов в рабочем режиме.

6. Исследование возможностей повышения коэффициента полезного действия автономных инверторов путем рационального управления тиристорами и вывода элементной бгзы.

Метопы исследования. Решение перечисленных задач осуществлялось на основе использования общей теории электрических цепей, теории линейных дифференциальных уравнений. Были применены методы гармонического анализа, эквивалентного генератора, численного анализа, физического моделирования и структурного анализа. Исследования выполнены методом математического моделирования на ЭВМ. Достоверность; научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждена экспериментально при лабораторных испытаниях физической модели преобразователей частоты.

1. Исследованы особенности АТП на электроподвижном составе, позволившие определить требования к статическим преобразовательным установкам, обеспечивающим требуемые энергетические характеристики АТД в широком диапазоне применения частоты вращения и момента нагрузки.

2. Разработаны математические модели электрической части АТП, позволившие анализировать электромагнитные процессы в силовой цепи тягового привода электропоезда.

3. Определены максимальные нагрузки элементов силовых

цепей автономных инверторов различных структур, позволившие рассчитывать преобразовательные устройства ДТП.

4. Предложена методика анализа электромагнитных процессов, учитывающая специфику работы асинхронного тягового привода электропоезда, которая позволила проанализировать процессы в различных типах инверторов тока и определить области применения АИТ различных типов.

5. Разработана методика расчета потерь в автономном инверторе напряжения при реализации заданных тяговых характера ;тик электропоезда, позволившая определять коэффициент полезного действия автономного инвертора в автономном режиме.

6. Обоснована целесообразность снижения мощности потерь в автономных инверторах напряжения при реализации полной мощности за счет рационального управления тиристорами и выбора элементной базы.

Автор зашшает.

1. Принципы построения асинхронного тягового привода электропоездов постоянного тока для железнодорожного' транспорта, обеспечивающего улучшенные энергетические параметры преобразовательных установок и АТД.

2. Методику анализа электромагнитных процессов в силовой цепи тягового привода электропоезда.

3. Возможности снижения мощности потерь в автономных инверторах при реализации полной мощности за счет рационального управления тиристорами и выбора элементной базы.

• 4. Методику расчета составляющих потерь и коэффициента полезного действия автономных инверторов в автономном режиме.

Практическая ценность. Приведенные в работе выводы, зависимости, графики обеспечили возможность обоснованного выбора структуры преобразователя частоты мо.торвагонного электроподвижного состава и его проектирования. Полученные результаты позволяют повысить технико-экономический, уровень электропоездов и могут быть использованы при разработке систем асинхронного электропривода не только на электроприводах, но и общепромышленного применения.

зультаты исследований нашли практическое применение при разработке полупроводниковых преобразователей частоты по договору №152 от 01.07.1994г. "Разработка преобразователя

для питания вспомогательных Цепей низковольтных транспортных средств", выполняемого кафедрой теоретических основ электротехники. Некоторые теоретические и практические результаты, полученные в работе, используются в учебных курсах КПП при подготовке специалистов по электроприводу и электромеханике.

Аппробация работы: основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах НАН Украины "Научные основы электроэнергетики*.

Основное содержание исследований опубликовано в 4-х научных работах. . ,

Структура и объем рдбпты: диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 150 страницах машинного текста, 89 рисунков, и 10 таблиц, списка литературы из 179 наименований и 2 приложений на 25 страницах. Общих объем работы составляет 289 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и сформулирована цель исследования, перечислёны основные результаты работы, приведены положения, выносимые на защиту,

R первом рйз,пепе приводятся основные исходные данные для исследований (выбрана составность электропоезда, приводятся расчетные тяговые и тормозные характеристики, определена необходимая мощность тяговых двигателей, приведены расчетные электромеханические характеристики АТД электропоезда) определяются требования,, предъявляемые к статическим преобразовательным установкам дпя питания тяговых двигателей электропоездов с АТД с учетом специфики работы СПУ на подвижном составе. Изложены результаты обзора и анализа структур силовых цепей АТП электроподвижного состава.отечественных.и зарубежных дорог.

На современном уровне развития производства полупроводниковых приборов возможен широкий выбор преобразователей электроэнергии. В каждом конкретном случае построение силовой цепи тягового привода электропоезда соответствует одноц из следующих структур АТП! одно-звенной, на базе автономного инвертора напряжения с широТно-импульсным регулированием выходного напряжения; двухзвенной, включающей в себя АИН й непосредственный преобразователь частоты

(НПЧ), либо импульсный прерыватель (ИП) и ДИН с амплитудным законом регулирования, либо ИП и. автономный• инвертор тока.

Несмотря на свойственные инверторам тока недостатки, заключающиеся в повышенных коммутационных перенапряжениях, статические преобразовательные установки на базе АКТ по сравнению с другими структурами обладают существенными преимуществами, которые позволяют считать целесообразным для питания АТД электропоезда выбор преобразователя энергии на _>снове автономных инверторов тока. В таких преобразователях возможно применение тиристоров с большими временами выключения, обладающих высоким (до 44) классом по напряжению, при установке которых в тяговых АИТ не требуется их последоваательного соединения. •

Кроме того, СПУ на базе инверторов тока обладают более высоким КПД, особенно в области низких частот, так как исключается необходимая в случае применения АИН ши-ротно-импульсная модуляция напряжения на зажимах АТД и, как следствие, уменьшаются потери мощности как в преобразователе, так и в двигателе. В статических, преобразователях с использованием АИТ легче протекают аварийные режимы, связанные с 'опрокидыванием* инвертора. В связи с тем, что инвертор тока на входе' имеет реактор с большей индуктивностью, то скорость нарастания аварийного тока через полупроводниковые приборы не превышает значений, соответствующих^ нормальному режиму.

Односторонняя проводимость Плеч инвертора тока исключает появление короткого замыкания АИТ. и, как следствие, возникновение инверсных моментов, отрицательно сказывающихся на механической части привода.

Устранение пульсаций электромагнитного момента двигателя при питании его от инвертора тока можно достичь при. менбнием АТД с двумя трехфазными обмотками, подключенными к двум АИТ, работающим со сдвигом по фазе на 30 эл.град. Это исключает необходимость применени широтно-импульсной модуляции тока в инверторе и позволяет снизить пульсации момента с (25+30)% до (8+12) %, что является вполне приемлемым для тягового двигателя электропоезда.^

Рассмотрен вопрос запуска АИТ, применение которых возможно на моторвагонном электроподвижном составе. Отмечается, что с этой точки, зрения наиболее предпочтительной

структурой инвертора является' АИТ с вынесенными узлами коммутации, так как не требуется специального устройства пуска его в работу. Запуск двухмостового инвертора тока можно осуществить посредством изменения алгоритма управления тиристорами- силовой цепи' АИТ. АИТ с отсекающими диодами требует специального устройстйа запуска.

Во втором разпепе посвящен разработке математической модели силовой цепи асинхронного тягового привода. Модель силовой цепи ДТП электропоезда составлялась на основе системного подхода. С этой точки зрения электрическая часть привода электропоезда с АТД, питающегося от контактной сети постоянного тока представляет собой систему, включающую в себя: входную цепь (контактная сеть, входной фильтр), входной преобразователь (импульсный прерыватель) , фильтр промежуточного звена, выходной преобразователь (автономные инверторы) и асинхронные тяговые двигатели.

Для каждого, звена тягового привода составлены свои дифференциальные уравнения электрического равновесия. Полученные дифференциальные уравнения затем . объединены уравнениями связи в единую систему уравнений, которую решают тем или иным способом.

В работе проведены исследования электромагнитных процессов в следующих структурах.инверторов тока: АИТ с отсекающими диодами; АИТ с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов; двухмостовой АИТ; АИТ с вынесенными узлами коммутации.

В разработанной модели контактная сеть представлена сосредоточенной ЛЬ-нагрузкой.

В статической преобразовательной установке электропоезда с АТД, предназначенного для эксплуатации на линиях постоянного тока, регулирование тока тяговых двигателей осуществляется импульсным прерывателем. Процесс регулирования тока на выходе ИП заключается в поочередном включении его линейного тирристора и обратного диода. В модели импульсного прерывателя коммутацию вентилей считаем мгновенной. С целью уменьшения погрешности при расчете п разработанной модели ИП ВАХ вентиля заменена кусочно-линейной аппроксимацией. При этом в модели учитывается динамическое сопротивление вентиля (путем увеличения сопротивления соответствующей цепи) и его пороговое напряжение

"■

(за счет внесения в цепь источника питания напряжения • равного сумме пороговых' напряжений последовательно соединенных вентилей).. Разработка математической модели . входного преобразователя сводится к составлению дифференциальных уравнений связи между входными и выходными параметрами (токами и напряжениями) импульсного прерывателя. Уравнения связи определяются с использованием логических Функций включения вентилей МП, т.е.

Ц*. - Екс - КьЛх ~ucix>'

где i„ ,С„ - параметры входной цепи; Е^ - напряжение контактной сети; «с« ~ ток входной цепи и напряжение на конденсаторе входного фильтра; Яф - параметры промежуточного фильтра; 1ф - выходной ток ИП; Vl,' V2 - логические, переменные вентилей; - напряжение на входе автономного инвертора.

Для описания работы асинхронного тягового двигател, питающегося от АИТ, при фиксированной частоте вращения ротора уравнения машины удобно записать через линейные напряжения АТД

АС п а с/ / 2V2 Л 2 <Й

где Л,, Л,, Ц, Lj,^ - параметры схемы замещения двигателя; iA, is, ic, им, ugc, uAC - соответственно фазные токи и линейные напряжения двигателя;Ч^, Ч^д - проекции потркосцепления ротора на оси е й fi Мишины; - электрическая уг-

и.

ловая скорость вращения ротора двигателя; сг= \-~~3i-

ь*1

Учитывая, что для двигателей, имеющих соединение статорных обмоток в "звезду*, ил+ия+ис = О, +

+ияс + илс = 0 » одно из трех уравнений, описывающих электромагнитные процессы в статоре в системе дифференциальных уравнений (2) можно исключить.

Спецификой работы асинхронного двигателя; подключенного к АИТ, является его двухфазное питание. При этом в системе дифференциальных уравнений (2) в случае отключения той или иной фазы двигателя исключается еще одно из первых трех уравнений.

Для удобства выполнения расчетов кривую намагничивания задают в виде аппроксимирующей функции. При:принятых выше допущениях, а также пренебрегая гистерезисом магнитной цепи машины, в качестве аппроксимирующей функции можно выбрать гиперболическую зависимость ■£*(/„)

коэффициент насыщения двигателя; Р = + - намагничивающая сила обмотки ротора двигателя; - магнитные напряжения соответственно в воздушном зазоре и стали двигателя; 1а - ток холостого хода двигателя; /„, - составляющая намагничивающего тока, пропорциональная магнитному напряжению в воздушном зазоре двигателя.

Математическая модель асинхронного тягового двигателя обычно устанавливается для анализа квазиустановившихся электромагнитных процессов в силовой цепи привода, например, электропоезда, имеющего заданные рассчитанные тяговые, характеристики, для которого определены предельные электромеханические характеристики АД. Это обстоятельство позволяет рассчитать величину взаимной индуктивности обмоток ротора и статора двигателя для конкретного режима

где А =

" • В = ч* •

р I

номинальное потокосцепление АД; Кн = — я -Я-

работы АД и при анализе электромагнитных процессов в электрической части асинхронного тягового привода электропоезда для рассматриваемого квазиусгановшегося режима считать ее постоянной величиной.

Особенностью моделирования электромагнитных процессов в силовой цепи АТЦ с преобразователями на базе инверторов тока является необходимость учета коммутационных процессов в АИТ. '

Математическая модель силовой цепи асинхронного тягового привода представляет собой систему дифференциальных уравнений электрического равновесия ее звеньев для кахдой конкретной схемы замещения АИТ. Так, например, для инвертора с вынесенными узлами коммутации, на интервале коммутации фазных токов 1А и 1С АТД полная система дифференциальных уравнений модели силовой цепи ДТП электропоезда будет следующей ' •

Цх -^Г = Екс - Я-ьАх ~ ис ¡X '

с - / У1-

--1х ф '

Ч ^= - - и^ - Кф1ф\

а •*

= ' (4)

■Л л' г2 <Л 2 Л ПА

^ = + -

где первые два уравнения являются уравнениями электрического равновесия- входнбй цепи; третье - уравнением связи; шестое - девятое - уравнениями асинхронного двигателя; четвертое и пятое - уравнениями соответственно для коммутирующего конденсатора Ск и реактора .

Аналогичным образом формируется система дифференциальных уравнений электрического равновесия силовой' цепи АТП для других мгновенных -схем замещения' инвертора. При подключении реэисторно-емкостного ( Р^, С0 ) устройства ограничения перенапряжений УОП добавляются уравнения для

конденсатора Q - Có = ico и япя резистора - RqÍ¡¡0 = Uc0 . at

Моменты переходов от одной схемы АИТ к другой определяются условиями включения и выключения тиристоров инвертора . ...

Уравнения математической модели силовой цепи АТП электропоезда с другими структурами АЙТ составляются подобно выше рассмотренному.

Разработанная математическая модель силовой цепи асинхронного тягового привода электропоезда позволяет анализировать электромагнитные процессы в квазнустановив-шихся режимах при постоянной частоте вврадения ротора асинхронного двигателя.

Для решения дифференциальных уравнений системы тягового привода электропоезда на цифровой вычислительной машине применен численный метод Рунге-Кутта четвертого порядка с.переменным шагом интегрирования. Свойственная методу составляющая ошибки - погрешность определения переходов от одной мгновенной схемы замещения к другой, устраняется программным способом.

Третий раздел посвящен исследованию с помощью математических моделей электромагнитных процессов в силовой цепи автономный инверторов тока, имеющих различную структуру, а также расчету КПД инверторов тока.

Основной особенностью электрооборудования, предназначенного для электропоёздов постоянного тока с АТД, является уровень напряжения, хоторый определяется напряжением в контактной сети. Создание выходного преобразователя на такое высокое напряжение является достаточно сложной задачей, так как Требует последовательно соединения большого числа полупроводниковых приборов, применения высоковольтных конденсаторов. Поэтому представляется целесообразным дробление мощности выходного преобразователя, Одним из таких вариантой является изготовление АИТ в виде двух последовательно соединенных модулей, раждый из которых рассчитан на напряжение 1500 В.

Расчет электромагнитных нагрузок выходного преобразователя электропоезда в диссертации выполнен для одного модуля - автономного инвертора тока, питающего два асинхронных тяговых двигателя. Регулирование входного тока инвертора осуществляется входным импульсным-прерывателем.

Для сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследовании .в качестве нагрузки преобразователя использован асинхронный двигатель типа ЭТА-300. Расчеты выполнены для режимов работы привода, соответствующих предельным электромеханическим характеристикам АТД.

Анализ электромагнитных процессов в силовых цепях АИТ электропоезда позволил выявить тяжелые эксплуатационные режимы работы тягового электропривода, для которых были рассчитаны параметры .основных элементов силовой цепи инверторов тока. На основании полученных результатов были определены комплектующие элементы силовой цепи выходного преобразователя электропоезда и масса различных вариантов структур инверторов тока при использовании коммутирующих конденсаторов типа ПСК, ПЖ. Расчеты выполнены для следующих структур: АИТ с отсекающими диодами; АИТ с отсекающими диодами с устройством ограничения перенапряжений; АИТ с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов; двухмостовой АИТ; двухмостовой АИТ с УОП; АИТ с вынесенными узлами коммутации.

Результаты расчетов показали, что с точки зрения массы преобразовательной установки перспективного электропоезда с АТД, питающегося от контактной сети постоянного тока, при существующей элементной базе наиболее предпочтительной структурой силовых цепей обладает АИТ с • отсекающими диодами и устройством ограничения перенапряжений, масса которого (при установке конденсаторного типа ПЖ) на одну секцию составляет 4009 кг (3,34 кг/кВТ). Несколько' большую-массу имеет АИТ с отсекающими диодами (при соединении коммутирующих конденсаторов типа ПСК "звездой") -4030 кг (3,36 кг/кВт).

Применение конденсаторного оборудования с высокими удельными массогабаритными показателями значительно сникает массу преобразовательной установки электропоезда. Включение в силовую цепь АИТ конденсаторов, имеющих параметры, нппример,' аналогичные конденсаторам типа МР (ФРГ),, приводит к тому, что наиболее целесообразным выходным

.15

преобразователем будет АИТ с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов (масса инвертора равна 3250 кг или 2,7 кг/кВт).

В работе показано, что прменение АИТ с цепями ускоренного . перезаряда коммутирующих конденсаторов целесообразно при -значительных емкостях конденсаторов (более 600 мкф) , что приводит к снижению уровня перенапряжений на 13+15% или при расширении диапазона регулирования частоты тока статора тяговых двигателей на 20%.

В этой же главе работы выполнен расчет КПД инверторов тока. Наименьший КПД (96,8%) в номинальном режиме имеет

АИТ с отсекающими диодами без применения устройства ограничения перенапряжений, вследствие повышенной нагрузки его элементов по напряжению. Установка в таком инверторе устройства УОП повышает его КПД до 98,1% (при предположении активного, использования энергии коммутационных перенапряжений).

Двухмостовой АИТ с устройством ограничения перенапряжений и ЛИТ * с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов имеют примерно одинаковый КПД (97,6%). КПД двухмостового АИТ без УОП и АИТ с вынесенными узлами коммутации соответственно равны 97,2% и 97,1%.

В четвертом разделе проведено исследование рабочих электромагнитных процессов в автономном инверторе напряжения в зависимости от алгоритмов управления тиристорами, разработана методика определения рабочих потерь, проведено их исследование й зон анализ КПД.

Тип входного преобразователя и.промежуточного звена различных структур преобразования электрической энергии для питания АТД определяется, типом выходного преобразователя, в качестве которого кроме АИТ очнь часто используется АИЙ. Выбор варианта структурной схемы преобразователей для АТП электропоезда зависит от технико-экономических показателей, состояния и перстпектив развития промышленности по производству полупроводниковых приборов, конденсаторов и реакторного оборудования-.

Для сравнения различных схем АИТ И АИН по КПД, необходимо определить потери.в АИН. Так как потери'в АЙН в

основном определяются рабочими процессами, то в диссертационной работе получены выражения и кривые для токов и напряжений, позволяющие определять последний при различных длительностях открытого состояния рабочих тиристоров.

Выражения- и кривые, полученные при анализе рабочих процессов в АИН при различных длительностях открытого состояния рабочих тиристоров, позволяют определять токи и напряжения, необходимые для выбора элементов инвертора.

Разработана методика определения рабочих потерь в АИН, позволившая проанализировать потери при различных алгоритмах управления рабочими тиристорами.

Выполнена оценка снижения составляющих потерь при использовании элементной базы с перспективными параметрами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ , .

1. Для электропоезда с асинхронными тяговыми двигателями, питающегося от контактной сети постоянного тока, с точки зрения массогабаритных и стоимостных показателей наиболее рациональной преобразовательной установкой является двухзвенный преобразователь, включающий в себя импульсный прерыватель и автономный инвертор тока с отсекающими диодами при соединении коммутирующих конденсаторов "звездой".

2. На основании использования численных методов рас-' чета разработана математическая модель системы "контактная сеть постоянного тока - преобразовательная установка - асинхронный тяговый двигатель", с использованием которой выявлены расчетные 'нагрузки и выбраны параметры основных элементов инверторов тока.

3. Проведенные теоретические исследования и анализ квазиустановившихся электромагнитных процессов в силовых цепях АИТ показали, что при существующей элементной базе наименьшей удельной массой обладает инвертор тока с отсекающими диодами с устройством ограничения напряжений (3.34кг/кВт при установке конденсаторов типа ПК) и АИТ с отсекающими диодами при соединении коммутирующих конденсаторов "звездой" (З.Збкг/кВт при установке конденсаторов типа ПСК).

4. Применение конденсаторного оборудования с высокими удельными массогабарйтными показателями значительно' снижает массу преобразовательной установки электропоезда и наиболее целесообразной структурой силовой цепи в этом случае обладает АИТ с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов.

5. Применение АИТ с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов позволяет снизить уровень перенапряжений на элементах инверторов на 13+15% или расширить диапазон регулирования частоты тока статора асинхронного двигателя на 20%,

6. . Выполнен расчет коэффициента полезного действия различных структур инверторов тока, в результате которого установлено, что наибольший КПД имеет АИТ с отсекающими диодами с устройством ограничения перенапряжений при активном использовании энергии коммутационных перенапряжений (в'номинальном режиме 98.1%). При рассмотрении вариантов структур АИТ с цепями ускоренного перезаряда коммутирующих конденсаторов (97.6%).

7. Доказано, что алгоритмы управления главными тирис-.торами влияют на потери в АИН. Применение алгоритмов, которым соответствуют интервалы проводимости главных тиристоров и п, обеспечило снижение потерь в АИН при реализации полной, мощности до 1.3 раза по сравнению с алгоритмом, которому соответствует интервал проводимости

8. Разработана уточненная- методика расчета сотавлющих потерь в АИН, которая может, быть использована при разработке преобразователей частоты .новых типов электропоездов. .

9. Выполнена .оценка снижения составляющих потерь при использовании элементной базы - с перспективными параметрами. Показано, что применение тиристоров и диодов более высокого класса и с лучшими динамическими параметрами, коммутирующих Конденсаторов и дросселей с меньшими активными сопротивлениями, слабо зависящими от частоты снижает потеря в АИН при реализации полной мощности.до 2.7 раза, что позволяет уменьшить расход электроэнергии.

10. Результаты исследований и рекомендаций диссертационной работы использованы в учебном процессе и могут быть использованы при разработке АИТ и АИН новых типов электропоездов.

Основные положения диссертации отражены в следующих

работах:

1. О выборе нулевого обобщенного вектора напряжения для алгоритма ШИМ в трехфазном инверторе с нейтральной точкой / В.И. Сенько, Шаабане Сами, С.А. Лебеденко и др.// Депонир. в ГНТБ Украины, №1362 - Ук. 94.- 14с. .

Предложен алгоритм ШИМ трехфазного инвертора, позволивший уменьшить потери в ключах инвертора в рабочем режиме и тем самым увеличить КПД инвертора*.

2. Сенько В.И., Шаабане Сами. Математическая модель асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты. Депонир. в ГНТВ Украины, №1912 - Ук94.- 6с.

Предложена модель двигателя при питании.от автономного инвертора тока.

3. Математическая модель автономного инвертора тока. /Шаабане Сами, Сенько Е.В., Кондрак Кутейба// Депонир. в ГКТВ Украины, К2144 - Ук95. - 17с.

Разработана модель автономного инвертора тока, питающего асинхронный тяговый двигатель. ■ ■

4. Анализ установившихся процессов работы инверторов повышенной частоты./Шаабане Сами, Сенько Е.В., Кондрак Кутейба, Вен Риад// Депонир. в ГКТВ Украины, №2605 -Ук95.- 34с.

Проведен анализ электромагнитных процессов в автономном параллельном инверторе тока и построены зависимости основных параметров при изменении добротности нагрузочного контура.

Соискатель

Ь ТШаабане Сами

А.—

19

ANNOTATION

Shaabane Sami. The Semiconductor Frequency Converters for the Controlled Electric-Drive.

The dissertation on competing the scientific degree of a Candidate of Technical Sciences on speciality 05.09.03"Electrical Engineering Complexes and Systems" including their control and regulation. The National Technical University of Ukraine "KPl", Kiev, 1996.

4 scientific papers based on the. theoretical researches and computation experiments aiming at the developing the mathematical models of the electrical part of the squirrel-cage electrical drives and permitting to make the analysis processes in the power part and computing the conversion units with their efficiency are defended. The recommendations for using the autonomous current and voltage converters on the newly designed trains are given.

АНОТАЦ1Я

Шаабане CaMi. Нап1впров1дников1 перетворювач! частоти для регульованого електроприводу.

Дисертац1я на здобуття наукового ступеня кандидата техн1чних наук за спец1альн1стзо 05.09.03 - електротех-Hi4Hi комплекси i системи, включаючи 1х улравл!ння i ре-гулювання. Нац1ональний техн!чний ун!верситет Укра1ни •КП1", Ки1в, 1996.

Захищаеться 4 науков! npani, у яких на ochobI тёоре-тичних досл!джень та обчислювальних експеримент1в розроб-лено математичн! модел! електрично! частини асинхронного тягового приводу, що дозволяс провадити анал!з процес1в у силов1й частин1 та розрахунок перетворювальних пристроХв з огинкою IX коеф!д1ента корисно! д!1, подано рекомен-дацИ щодо використання автономних 1нвертор1в струму та напруги на електропо!здах нових тип!в.

Ключов1 слова: математична модель, 1нвертор струму, 1нвертор напруги, асинхронний двигун.

П1дп. да друку Ц.Л.$Г Формат 60х84'/16. Пап1р друк. № г . Друк офсетний. Умови. друк. арк. < <Р Умовн. фар6о-в1дб. < ^ Обл1к.-вид. арк. & Тираж )ОС . Зам. № •Г-Л'Др,

Ф1рма «В1ПОЛ». 2*12151, К и!», вул. Волнкська, 60.