автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности системы "Непосредственный преобразователь частоты - тяговый асинхронный двигатель"

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ Ру^ИТУ^ДНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ВЛАСОВ

Евгений Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ «НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ — ТЯГОВЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ»

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1993

Работа выполнена в Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ А. И. ХОЖАИНОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А. В. ГАМАЮНОВ; кандидат технических наук В. Т. СЕРБИИ

Ведущее предприятие — Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии.

Защита состоится 16 июня 1993 г. на заседании специализированного совета К-114.03.07 Петербургского института инженеров железнодорожного транспорта (190031, С.-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407)^ ¿'лГ*а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ответы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в совет института.

Автореферат разослан « У.^Г» мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент В. С. СМИРНОВ

Обцая характеристика работы

Актуальность тепы. Коренное улучшение работы автономных видов транспорта требует дальнейшего совершенствования конструкций и повшения энергетических показателей тяготе; электрических передач.

Последние достижения сялово'1 полупроводниковой техники открыли перспективу создания эффективного тягового асинхронного электропривода.

Исследования, представленные в данной работе, направлены на повышение онергетическо!'. а¡ЭДектнвностк тягового электропривода, включающего систему "непосредственны;-; преобразователь частоты - тяговый асинхронны'.; двигатель" /Ш1Ч-АА/.

Цель работы. Целью работы является разработка путей повышения энергетической эффективности систем "ШЧ-АЛ", га/еще Я перспективу использования в составе автономных тяговых электропередач транспортных объектов.

Задачи - исследования. Задачами исследования являются:

1. Теоретические исследования электромагнитных и электромеханических процессов в системе "НПЧ-АД" на математической модели.

2. Разработка методов расчета энергетических параметров системы на основе гармонического аналчза кривой выходного напряжения НПЧ.

3. Разработка принципа регулирования выходного напряжения ШЧ, обеспечивающего эффективность работы системы.

4. Создание экспериментального стенда, для проверки полученных теоретических результатов.

5. £орлулирование рекомендаций по использосанка частотно-регулируемого тягового электропривода, пигтолнсшого по данной системе.

Методика исследований. При рекекии теоретических задач использованн методы математического моделирования, численные методы рехения систем дифференциальных уравнений, основные положения теории электрических ыаккн и теории электропривода, метод переклкчакщихся фуккци":, гармонический анализ.

Моделирование электромагнитных процессов в системе проводилось на Ю" "Роботрон 1715". Экспериментальные исследования выполнены на лабораторном стенде.

- г -

Научная новизна работы.

1. Аналитически получены условия возникновения режима прерывистых токов в системе "НПЧ-АД".

2. Предложен катод расчета параметров системы "ШЧ-АА", работающей в регимах прерывистых и непрерывных токов.

Г;. Предлокена методика расчета спектра выходного напряжения НПЧ для различных рохинов его работы.

4. Доказана независимость энергетических показателей систем от угла регулирования в инверторном режиме.

5. Предложен метод определения угла регулирования для номинального резглма работы системы "НПЧ-АД".

Практическое значение работы.

1. Доказана конкурентноспособность систеш "НПЧ-АД" в составе тягового электропривода по отношению к другим системам

по технико-аконоютеским показателям.

2. Сформулированы требования к синхронному генератору, предназначенному для питания системы "НПЧ-АД" в тяговом электроприводе.

3. Определены пути совершенствования систеш управления преобразователя и повышения ее надежности.

4. Предложена конструкция датчика состояния тиристоров," позволяющая фиксировать зону инвертирования.

5. Создана программа цифровой математической модели"системы "НПЧ-АД".

6. Разработана экспериментальная установка для исследования электропривода по системе "НПЧ-АД".

Достоверность. Достоверность научных выводов и предложений подтвергдается удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследования, изложенные в диссертации, докладывались и обсуз-дались на Всесоюзной конференции "Энергетическая электроника на транспорте" /Севастополь, 1590 г./, на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов в ЖИЕТе -"Неделе науки - 90, 91".

Публикации. Основное содерааше - диссертации опубликовано • в ? печатных работах и изложено в 3 научно-технических отчетах /с номерами государственно;1, регистрации/.

Объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и трех приложений; содержит 105 страниц основного текста, 65 рисунков, список литературы из 128 наименовании и 12 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ- СО^РЖТ. РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определены направления исследований.

Первая глава посвяи;ена рассмотрению состояния исследуемо!! проблем.

Основным требованием, предъявляема.! к тяговому асинхронному электроприводу, является возможность реализации тяговой характеристики - зависимости тягового усилия от скорости движения транспортной установки. Исходя из этого <гормулируются требования н характеристикам тягового асинхронного двигателя /АД/ и технико-экономические требования к электроприводу в целом.

Сравнение различных систем асинхронных электроприводов по этим параметрам позволяет определить перспективные области их применения. Анализ производился для основных систем асинхронных электроприводов: "прозрачная" передача, электропривод со статическими преобразователями со звеном повышенно.'; частоты и со эвенок постоянного тока, а также электропривод с непосредственным преобразователем частоты. Для катдого типа электропередачи рассмотрены ее основные достоинства и недостатки, а таже опыт реализации тягового асшгхронного электропривода как на железнодорожном, так и на других видах транспорта.

Исследования по данной проблеме в Росси;";скоГ: Федерации проводились в НИ-ЕТе, Ш1Те, ПКИТе, КИКЗлектромаш и других организациях. Была доказана работоспособность асинхронного частотнорегулируемого привода на рельсовом электроподшешом составе. Последовательно создагллясь опытные локомотивы: электропоезд ЕР-9А, электровоз ЭДЬОА, тепловоз T2I20.

Лкткено проводятся теоретические исследования и конструктивные проработки систе:- по данно:". теме и за рубеком. В Кве-'-царии, СПА, 1РГ, фракции созданы, эксплуатируются и разрабатывается локомотппи, где в качестве тягового применен acraocpomító двигатель.

Выполненные исследования показывают, что для различны* систем асинхронного электропривода существуют свои перспективные области применения.

Так "прозрачная" передача - простейшая по силовой схеме, и обладающая самым высоким к.п.д. из рассматриваемых систей, имеет высокие эксплуатационные характеристики в номинальных режимах, эффективно используется в режимах торможения, но большие сложности возникают в ренине разгона подвижного состава. Эти сложности являются принципиально устранимыми, и перспективной областью для данной системы являются автономные пассажирские магистральные локомотивы.

Для других типов тепловозов перспективы имеет система с НГТЧ-преобразователем, имешдя по сравнению с другими системами со статическими преобразователям! к.п.д. выше на 3*4 %, меньший удельный объем и массу, более высокие возможности рекуперации энергии, более высокую надежность и другие. Основной недостаток системы с НГИ, связанный с невозможностью получения частоты вше сетевой, устраняется применением генератора повышенной частоты. Создание требуемого синхронного генератора с частотой 400-»600 Гц возможно, что подтверждается опытом эксплуатации корабельных систем с подобными машинами.

В результате анализа современного состояния исследуемой проблемы сделан вывод о перспективности тягового электропривода по системе "НПЧ-ЛД" для автономного транспортного объекта и сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются электромагнитные процессы, возникающее в системе "НПЧ-АД" при различных регимах работы.

Данные исследования основывались на методе математического моделирования, что обусловлено современным уровнем развития вычислительной техники.

Предварительно бил выполнен анализ различных НПЧ с целью определения перспективного типа для систем "ШЧ-Ай", в качестве которого бкл выбран НПЧ с естественно;; коммутацией, трехфаз-,но-трех;>азный, трехпульсный, с нулевыми вентильными группами с раздельным управлением, датчиком состояния вентилей, прямоугольна модулирующим напряжением. Для вобранного НГГЧ была построзна цифровая математическая модель.

При анализе алгоритма работы НПЧ особое внимание уделялось вагле'Ъ-ему устройству в системе управления - датчику состояния

тиристоров, основной функцией которого является фиксация зоны инвертирования. Приводится техническое решение создания данного датчика.

Функции НПЧ в рассматриваемо;: системе эле?гтропривода состоят в поочередном подключении фаз ЛД к питаюг'.еГ: сети трехфазного тока; в каждый момент времени работу такой системы конто Описать системой дифференциальных уравнений. Считая, что тиристоры НПЧ переключаются мгновенно, алгоритм его работы описывается системой: логических и алгебраических выра-тени-/. Таком образом, цифровая математическая модель системы электропривода "пПЧ-ДД" мо^.ет быть описана с помощью разрквнкх футгкцип на базе использования законов Кирхгофа для вентильных цепей.

. Дифференциальные уравнения в математической модели записали для схемы замещения АД, соответствуйте!'- уравнениям 1!ар:а-Горева в трехфазной системе координат, тк-ст:го связанно* с осями фаз статора. Разрывные функции для вентилей записаны с помош.ью логических выражений, вытекающих из алгоритма работа преобразователя, для каждого тиристора.

В приложении к работе приводится программа, реализующая данную математическую модель, написанная для ПЭВМ "Роботрон 1715" на языке Бэйсик Р .

В работе приведены данные расчетов, характеризующие электромагнитные процессы в системе при разгоне и в установившемся номинальном режиме.

Третья глава работы посвящена методике расчета энергетических показателей в системе "НПЧ-АД" на основе анализа спектра выходного напряжения преобразователя.

Основные задачи расчета сводятся к определению дополнительных моментов и потерь энергии от высших гармонических. Знакопеременные моменты возникают в результате взаимодействия вращающихся друг относительно друга пространственных волн индукции / в первую очередь от основной временной гармоники/ и м.д.с., созданными высшими временными гармониками тока ротора. Амплитуды и часть колебаний этих моментов определяются величиной тока ротора и порядком высшеГ; гарлоники. Для электроприводов с большими маховыми массами, каковыми и являются трансмиссии транспортных машин, влиянием знакопеременных моментов, как правило, можно пренебречь.

Таким образом, основная задача при расчете характеристик

- б

системы "НПЧ-АД" сводится к определению обусловленных несийусои-дальностью напряжения дополнительных потерь энергии, что позволяет уточнить снижение к.п.д. и увеличение тепловой напряженности двигателя.

Для получения исходных данных сначала исследуется работа НПЧ на активную нагрузку.

Анализ гармонического состава кривой выходного напряжения НПЧ уже приводился, однако полученные при этом выражения слишком громоздки н не приспособлены для инженерных расчетов.

В диссертационной работе предлагается метод расчета гармонического состава кривой выходного напряжения НПЧ, свободный от указанных недостатков.

Анализ кривой проводится при следующих допущениях:

- вентили идеальные;

- коммутация мгновенная;

- НПЧ собран по нулевой схеме и работает без уравнительных токов.

При работе на активную нагрузку кривая выходного напряжения имеет две ярко выраженные формы при угле регулирования , большем угла естественной коммутации и при .

Амплитуда К-ой гармоники 'Ок может быть определена "как

Ц -¿Ш • , /I/ -

а сдвиг фазы К-ой гармоники определяется через аргумент комплексного числа Сх

. л/

где С к находится из выражения. Здесь

. р - отношение входной н выходной частот;

Я- ;

А-Ъ'"*) i 9*'^') '

.X - интервал проводимости. Функция " определяется равенством

причем при Р'Л"

(*)*■ TT »а при «¿><3

¡я из

величина

находится из выражений

/f - I J'n ¿тГ /4/

iexf (- К •">))'v/s/, Л<?4

Полученные в результате гармонического анализа кривой выходного напряжения НПЧ соотношения не содержат громоздких тригонометрических сумм, затрудняющих.как аналитическое исследование кривой, так и процедуру вычислений. Величина действующего эна- • чения напряжения определяется выражением

гS'.nT / ¿¡:nS/cS -¿J 7/г Iii* — cos 2d -----

/ —^ ccesrjgi)}; /5/

I + s^^täl) (/ . €2L); * ><S

Полученные соотношения позволяют получить целый ряд выводов о соотношениях кегду различными величинами, влиящими на гармонический состав кривой выходного напряжения НПЧ, а также получить простые инженерные формулы при допущениях, что число фаз преобразователя /»7=3, для гармоник с малыми номерами / jT- / и при больших . P^S :

COSoi , ^ . 7Г

- * г es .

_ /б/

работы: рекимя прерывистых и непрерывных токов.

Произведенные расчеты позволили получить следующее аналитическое впра;.'.ение для предельного угла управления оСл/} реки- ■ ма копрерывних токов в йгсжции угла У нагрузки:

«V ?)] /12/

Зоны резяимов непрерывных и прерывистых токов представлены на рис.1.

Воз;.:о;лше диапазоны изменения углов управления в выпрямительном и инверторном режимах определяются неравенством

< </3- гГ /13/

На основании полученных результатов появилась возможность провести анализ кривой выходного напряжения ШН отдельна для Рудаков прерывистого и непрерывного тока.

Б режиме прерывистого тока наибольщую сложность представляет определение точки равенства нулю тока X* на каждом интервале проводимости. . X* определяется из выражения

¿9-а-гс^/п /¿><7 6*е¡уц

где &*<&+<*.-¥ при / ■ О

Данное уравнение не имеет аналитического решения и может быть решено только численно, что затрудняет анализ. В работе на.''дено приближенное аналитическое решение уравнения, позволяющее определить X* с относительной погрешностью, не превдааю-щей 5!« практичеони во всей исследуемой области,

Г,ля объективной оцекки гармонического состава различных кривых вводится коэффициент гармоник

'Ш

к к

Диализ кривой в рекиме непрерывных токов не мокет быть произведен аналитически » связи с тем, что алгоритм работы преобразователя 8 зависимости от точки обнуления тока изменяет, фор^у кривой выходного напряжения. .

При использовании данных соотношений точность з определении

величин близка к -4- .

у

Рассмотрен вопрос о питании активно-индуктивно" нагрузки напряжением прямоугольной формы, что соответствует идеальному выходное/ напряжению НПЧ, а такте реальному нал;;.-сг,знив при больших ]? .

Б диссертационной работе подучено аналитическое режете задачи -

^пз--Л -"<*«>;

•■Мч

------

Г

■ -«У

где у» ~~и~~ ~ безразмерны;'! ток, / - текущая перемен-

ная, ^ * <>¿'¿1 •

Определив значение X при ^ = 0, можно найти угол, на который ток отстает от напряжения

С учетом этого для действуюсрк значений тока и активно!! мощности получеш следущио выражения: ■

I- >• V1

J* -=- VI' /10/

Р-и^и-^- . /п/

Полученные выражения позволяют сделать вывод о том, что при питании актишо-ивдуктимюй нагрузки угол сдвига ^ая петду первыми гармониками тока и напряжения /нулешги значениями/, а такке коэффициент мощности, рассчикгзаешй как отношение активно!: мощности к произведению действующих значений тока и- напряжения, определяются различными соотношектиг..

, При работе реального преобразонателя на актиано-пидуктав-ную нагрузку процессы значительно сло:шее,. что ооуслазл:!пастся зависимостью формы кривой вводного найряг-енш НВД от характера нагрузки. При отои возможно гозшчгновеане. двух реяимо»

Такого рода задачи могут быть решены только численно. Для создания программы расчета всех величин в режиме непрерывных токов в диссертационной работе анализируются все возможные варианты. Рассмотрение полученных результатов показало, что действующее значение напряжения, коэффициент гармоник и коэффициент мощности Хм , определяемый как отношение активной мощности к произведению действующих значений тока и напряжения, практически не зависит от угла регулирования уЗ . Действующее значение напряжения также практически не зависит от угла у нагрузки и при У > /О практически неизменно. Коэффициент гармоник ■ Ur также практически не зависит от У и с росток

j) стремится к значению 0,9, хотя и не достигает его. Здесь следует отметить, что прямоугольник имеет - 0,9. Зависи-

мости в функции от Р имеют.ярко выраженное насыщение.

Интересна зависимость ' при различных вели-

чинах угла. У /рис.2/. Очевидно, что все кривые при различных углах У им^ют максимум , который зависит лишь от угла нагрузки и не зависит от Р , На основании вышеизложенного можно сделать выводы о том, что U , к?г и практически не зависят от углов регулирования в гаверторном режиме ^а , а при больших Ù - и от углов V нагрузки. Второй существенный вывод состоит в том, что ^ имеет максимум, на зависящий от отношений входной и выходкой частоты.

Анализ результатов исследований позволил перейти к рассмотрению вопроса о влиянии реальной формы кривой, выходного напряжения НПЧ на энергетические показатели системы "НПЧ-АД". Дет определения токов отдельных гармонических используется метод "гармонических двигателей".

Расчеты проводились для ?ягового двигателя большой мощности / = 1200 kRt/ и двигателя, установленного на экспери-ыенатльном стенде I =2,8 кВт/. Для определения энергетической эффективности' системы "НПЧ-АД" был введен обобщенный энергетический показатель, включающий в себя к.н.д. (р) и кн . Поскольку обе эти полкчиш безразмерные, определим его следующим образом

; , M

Ка ркс.З приведены зависимости -1'°*) для обоих двигателей. .

Рассмотрение полученных результатов дает возможность выбрать такую величину угла для номинального режима работы, при которой э - максимален.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям энергетических характеристик системы "НЩ-АД".

Эксперименталвный стенд, созданный для проведения исследований, состоит из высокочастотного генератора /БСПЧ-25-1000/ 1/ср = 230 В, /с ' " Гц, двух асинхронных двигателей /АК-51-4/, сочлененных с двумя машинами постоянного тока /П-41/, и двух непосредственных преобразователей частоты. В состав стенда входят следующие приборы: вольтметры, амперметры и ваттметры электродинамической системы, экранированные, переносные, с классом точности 0,2 /Д 50152, Д 50141 и Д 50161/;

электронные частотомеры /Ф 5041/; .

электронные тахометры ЛЦ ЗМ/;

двухлучевые осциллографы /С1-91/; •

шлейфные осциллографы ЛП15А.

Экспериментальные исследования проводились методами как непосредственного, так и косвенных измерений. .

В процессе экспериментальных исследований проводились измерения как энергетических, параметров системы /результаты приведены на рис.4/, так и других интересущих величин. На рис.5, например,. приведены осциллограммы тока и напряжения одной фазы асинхронного двигателя в установившемся режиме.

В результате проведенных экспериментальных исследований были подтверждены теоретические выводы и результаты расчета. Расхождение теоретических и экспериментальных результатов не превышает 10^.

ЗАКЖЧЕНИЕ.

На основание проведенных теоретических и экспериментальных исследовании ког.яо сделать слрдувв^е выводы: .

1. По техюшо-экономичесхим показателям система "НПЧ-АД" является перспективно* для'использования в составе автономного тягового электропривода^

2. Разработанная ппогража цифрового математического моделирования электропривода системы "НПЧ-АД" обеспечивает, эдеквагнэе отображение электрошгштних и электромеханических процессов, происходящих в системе.

рис. $

3. Полученные аналитические выражения позволяют определить условия возникновения режима прерывистых токов в системе "МЧАЛ".

4. Предложен метод расчета энергетических параметров системы "ШЧ-АД" в рагтичных режимах работы.

5. Определены зависимости между различными величинами в электроприводе по , системе "НГК-АД".

6. Для повышения энергетической эффективности работы тягового электропривода предложен способ, основанный на выборе угла регулирования тиристоров, обеспечивающий работу НОТ при номинальном режиме с ыаксималышм энергетическим коэффициентом.

7. Предложены рекомендации по проектированию узлов системы тягового электропривода •-

8. Разработана экспериментальная установка для исследования энергетическгзс характеристик электропривода по системе "ШЧ-АД".

9. Экспериментальными исследованиями подтверждены результаты теоретических выводов и расчетов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующее работах:

1. Байко A.B., Власов Е.В., Трифонов Б.А-. Анализ спектра выходного напряжения преобразователя с непосредственной связью // Известия ВУЗов. Электромеханика. - 1990. - JU2. - С.94-97.

2. Байко A.B., Власов Е.В., Трифонов Б.А. Исследование выходного напряжения преобразователя с непосредственной связью / В кн.: Вопросы реконструкции электрической тяги - Л.: ЛИСТ. 1989.

3. Власов Е.В. Цифровая математическая модель электропривода транспортного объекта. Доп. ЦНИИТЕИ №. Реф. в РЖ ВИНИТИ "Гелезнодорсхзшй транспорт" - 1991. - Р2. - Реф.2В38.

4. Власоз Е.В., Трифонов Б.А. Датчик состояния тиристоров. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Энергетическая электроника на транспорте". Севастополь. IS90.

5. Байко A.B., Власов Е.В., Трифонов Б.А. Расчет гармонического состава кривой выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Энергетическая электроника на транспорта". Севастополь. I9S0.'

6. Трифонов Б.А., Власов Е.В. Датчик состояния тиристоров в НПЧ-преобразователе / В кн.: Повышение надежности и эффективности полупроводниковых преобразователей в устройствах электрических железных дорог. - СПб.: ПИКТ, 1992.

7. Власов Е.В. Математическая модель электропривода с непосредственным преобразователем частоты / В кн.: Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на

Подписано к печам II.05.93 г. Неоплатно. Печать офсетная Бумага для множит.апп. Формат 60x84- I/I6 Объем 1,12 п.л. Тирах 100 экз. Заказ te

РШШМТа С^Петербург,Московский пр.,9.