автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Преобразователь для питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока

р Г Б ОД

2 1 ДНК

УДК 621.314.5:621.335.42

На правах рукописи

ИЗВАРИН Михаил Юльевич

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПИТАНИЯ БОРТОВЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальности: 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование 05.09.12. - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре "Электрическая тяга" Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ)

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор ИньковЮ.М. профессор Озеров М.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гамаюнов A.B.

кандидат технических наук Голубев П.Н.

Ведущее предприятие - Московский локомотиворемонтный завод (MJ1P3).

Защита диссертации состоится "7<Ъ " 199% г. в 1о часов

на заседании диссертационного совета К 114.03.07 в Петербургском государственном университете путей сообщения (ПГУПС) по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д.9, аудитория ¿Г-Уф

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " " 199% г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.С.Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях развития рыночной экономики снижение стоимости перевозок обуславливает необходимость повышения техннко - экономических характеристик подвижного состава.

Большую часть парка электропоездов железных дорог России составляют электросекции постоянного тока типов ЭР1 и ЭР2, выпущенные в 1950-х - 1970-х годах Рижским вагоностроительным заводом (РВЗ). С1983 года РВЗ выпускал электропоезда ЭР2Р и ЭР2Т. Несмотря на то, что Демиховским и Торжокским заводами налажен выпуск электропоездов, стоит вопрос о продолжении эксплуатации электропоездов, выпущенных РВЗ.

Важное место в общем комплексе электрооборудования электропоездов постоянного тока занимает бортовая система электроснабжения (БСЭ), предназначенная для питания цепей управления, осветительных приборов, системы вентиляции и кондиционирования воздуха в салонах и кабинах машиниста электропоездов, заряда аккумуляторных батареи, питания двигателей компрессоров электропоезда.

В настоящее время на электроподвнжном составе (ЭПС) постоянного тока широко применяются источники питания бортовых цепей, выполненные на базе электромашинных преобразователей. К недостаткам электромашинных преобразователей следует отнести сильный шум и вибрацию при работе, большие затраты на техническое обслуживание, а также неудовлетворительные массо - габаритные показатели, низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.) и высокую стоимость. Развитие силовой электроники позволяет создать статический преобразователь для БСЭ, не имеющий перечисленных недостатков.

Таким образом, создание БСЭ на основе полупроводниковых преобразователей как для модернизации эксплуатирующихся, так и для

оборудования вновь выпускаемых электропоездов постоянного тока является актуальной задачей.

Цель работы. Целыо настоящей диссертации является сравнительный анализ возможных структур силовых цепей преобразователей электроэнергии для БСЭ электропоездов постоянного тока и выбор наиболее рациональной структуры, анализ электромагнитных процессов в системе "источник питания - преобразователь - асинхронный электродвигатель - исполнительный механизм" и разработка методики расчета звеньев преобразователей бортовых цепей - автономных инверторов напряжения и непосредственных преобразователей частоты.

Методика исследований. Теоретические исследования заключались в использовании морфологического метода для системного анализа структурных схем преобразователей, методов и алгоритмов для расчета параметров элементов БСЭ, метода математического моделирования для анализа электромагнитных процессов в преобразователях. При определении энергетических показателей БСЭ по мгновенным значениям электрических величин применен метод, разработанный проф. А.Ф. Крогери-сом.

Практическая реализация программы системного анализа выполнена с использованием языка программирования Turbo Pascal, математическое моделирование проводилось с использованием пакета прикладных программ PSpice.

При проведении экспериментальных исследований опытного образца преобразователя электроэнергии для системы бортового электроснабжения использовались известные методы электрических измерений с использованием измерительных приборов и электронных осциллографов.

Научная новизна работы состоит в комплексном исследовании БСЭ электропоездов постоянного тока; применении метода математического моделирования с использованием пакетов прикладных про-

грамм и разработанных моделей элементов БСЭ для расчетов переходных н установившихся процессов в системе "источник питания - преобразователь - вспомогательные цепи электропоезда", а также для определения энергетических показателей системы; оценке влияния потерь электроэнергии на компоновку преобразователя с воздушным охлаждением.

Практическая ценность работы состоит в рациональном выборе и разработке методики расчета параметров элементов и разработке предложений по совершенствованию принципиальных схем и алгоритмов управления преобразователей БСЭ электропоездов постоянного тока на основе математического моделирования и экспериментов на опытной секции электропоезда ЭР2. В результате экспериментов были предложены изменения в принципиальной схеме и конструкции преобразователя, позволившие уменьшить его массу на 22 % и габариты на 30 %, а также повысить к.п.д. преобразователя до 0,85.

Реализация работы. Разработанные методы были использованы при создании и испытаниях макетного образца преобразователя для питания бортовых цепей электропоезда ЭР2 совместно с Московским локо-мотиворемонтным заводом (МЛРЗ) и Институтом силовой электроники (г.Саранск), при проектировании БСЭ на основе статических преобразователей для электропоезда ЭД4, а также при модернизации опытного образца преобразователя для питания бортовых цепей электропоезда ЭР2 на АО "Электровыпрямитель" (г. Саранск).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на кафедре ''Электрическая тяга" Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) (г. Москва, 1996), на б международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивострое-ния", 28-31 октября 1996г (г.Москва) и 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железлодо-

б

рожного транспорта". По результатам диссертации опубликованы 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами, основных результатов и выводов, списка литературы из 85 наименований и 3 приложений. Работа содержит страниц машинописного текста, таблиц, рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении кратко показана актуальность создания системы бортового электроснабжения на основе полупроводниковых статических преобразователей с целыо модернизации существующих электропоездов постоянного тока, разработки БСЭ для оборудования вновь строящихся электропоездов, а также сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен системный анализ структур БСЭ для электропоездов постоянного тока. Для этого с использованием метода морфологических массивов получены возможные сочетания элементов БСЭ и выполнен анализ структурных схем, полученных морфологическим методом, а также существующих схем БСЭ, применяющихся на отечественном и зарубежном подвижном составе. В результате анализа морфологического массива с использованием персональной ЭВМ получено 5 вариантов структур БСЭ электропоездов постоянного тока типа ЭР2 и 9 вариантов для электропоездов типа ЭР2.Т. Преобразователь для электропоездов железных дорог России должен иметь разделительно-изолирующий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку питающей сети и бортовых цепей.

Во второй главе выполнен анализ эксплуатационных режимов нагружения электрооборудования БСЭ и сформулированы требования к схемно-техническим и конструктивным принципам построения преобразователей. Проведенные исследования и расчеты показали, что

продолжительность включения (ПВ) полной нагрузки преобразователя невелика и составляет не более 50 % для электропоезда типа ЭР2 и не более 10 % для электропоезда типа ЭР2Т. Значительная разница между расчетной и реально развиваемой мощностью является'одной из особенностей БСЭ электропоездов постоянного тока.

Наилучшие показатели с точки зрения условий эксплуатации имеет преобразователь, выполненный с герметичной компоновкой. Максимальная температура стенок корпуса преобразователя в подвагонном исполнении не может быть больше 80°С. Поэтому, определив процесс конвективной теплопередачи с корпуса преобразователя в окружающую среду, можно рассчитать максимальные потери электроэнергии в цепях преобразователя.

В общем виде мощность теплопередачи по закону Ныотона— Рихмана определяется по следующему выражению:

С> = а Б М , (1)

где Б- площадь поверхности, с которой происходит теплопередача;

а - коэффициент теплопередачи;

Д I - тепловой напор,

Для случая, когда охлаждение происходит за счет конвекции при стоящем электропоезде и максимальной температуре окружающего воздуха, равной +45°С, Ии • Ьж •

а=-^-, (2)

где: Ми -число подобия Нуссельта для среднего коэффициента

теплопередачи;

Хж - коэффициент теплопроводности;

Ьж -высота поверхности, у которой происходит конвекция. При размещении преобразователя под вагоном электропоезда а составляет 5,55 (Вт / м: • °С) .

Расчеты показали, что мощность потерь электроэнергии, выделяемая в объёме преобразователя, не должна превышать 1,371кВтдля од-нокорпусного исполнения с гладкими стенками и 2,71 кВт для двухкор-пусной конструкции с оребрением стенок. Таким образом, к.п.д. преобразователя электропоезда ЭР2 должен быть не менее 0,86 при номинальной мощности.

Третья глава посвящена анализу схемных решений входных преобразователей для источника питания бортовых цепей.

В настоящее время российской промышленностью освоено производство однооперационных тиристоров с частотой работы до 1 кГц, имеющих 32 и более высокие классы, в то время как низкие параметры отечественных GTO тиристоров и IGBT транзисторов затрудняют создание на их основе преобразователя с высоким входным напряжением. Поэтому в работе рассмотрены схемы автономных инверторов напряжения (АИН): на основе однооперационных тиристоров с резонансным контуром коммутации (рис.1); со встречно-параллельными вспомогательными тиристорами (бивентильная) (рис.2); схема с контуром коммутации Mc-Murray (рис.3); схема с трехуровневым регулированием напряжения на нагрузке на основе однооперационных тиристоров (рис.4); схема на основе GTO - тиристоров (рис. 5). Для расчетов электромагнитных процессов в диссертации использовался пакет прикладных программ PSpice. Для расчетов разработан ряд моделей, в частности модели системы управления и модели одно и двухоперационных тиристоров, не входящих в стандартную библиотеку пакета PSpice. С целью выбора входного преобразователя БСЭ были проведены сравнительные расчеты различных АИН для всех эксплуатационных режимов ( включение, номинальный режим, работа при отклонении напряжения в контактной сети, аварийные режимы). В результате исследований указанных схем АИН путем моделирования определено, что наилучшие показатели из перечисленных выше схем имеют резонансная и

Ьф

yí--rv-v-Ч-

Сф1

VS1

UniiT

С к Lk

-ТАЛ

Сф2 = =

-VD2

ZH

Рис. 1.

ипит

Zu

Рис. 2.

Ьф

ипит

Сф1

Сф2

VS1

Zu

VS2

VD1 VSkI

Lk Çk

VD2 VSk2

Vdol

VS1

VS2 \/VD2 VSk2

VS3 \//D3

VS4

D1

к

D4

VSKI к Ск

\ VSk3 Lk Ck-

\ VSk4

Рис. 4.

YD]

\VD2

"VD3

¥D4

трехуровневые. По сравнению с другими перечисленными схемами АМН, неудовлетворительные показатели применительно к работе в БСЭ имеют бивентильная схема и схема с контуром коммутации Мс-Миггау. Основные причины этого состоят в том, что бивентильная схема имеет склонность к значительному превышению напряжения на вспомогательных тиристорах при опрокидывании инвертора. Основным препятствием для внедрения схемы АИН с контуром коммутации Мс-Миггау является превышение (так называемая "накачка") напряжения на коммутирующем конденсаторе, зависящая от нагрузки на выходе АИН. При прочих равных условиях, предпочтительной для использования в системе бортового электроснабжения является схема с трехуровневым регулированием напряжения, позволяющая производить его стабилизацию при колебаниях в контактной сети и за счет этого снизить массу и габариты понижающего трансформатора.

В четвертой главе исследованы способы уменьшения потерь энергии в цепях АИН: рациональный выбор параметров контура коммутации; применение КТК в звене переменного тока; использование контура коммутации с регулируемым напряжением. Уменьшение потерь электроэнергии имеет важное значение при создании преобразователя с герметичной компоновкой. Рациональный выбор параметров контура коммутации резонансного АИН заключается в том, чтобы при необходимой коммутационной способности потери электроэнергии были минимальными. Обычно в контурах коммутации минимум определяется расчетной кратностью тока в контуре. Однако, для схемы (рис.1) путем расчетов было установлено, что для минимума потерь электроэнергии в контуре коммутации АИН угол включения составляет 91-92 эл.град., в то время как кратность тока имеет различное значение при изменении добротности от 5 до 50 (диаграмма зависимости дополнительных потерь дР от угла включения и добротности контура коммутации приве-

дена на рис.6). На основе этого явления разработана методика расчетов контуров коммутации.

Ток в контуре коммутации изменяется по закону:

^)=е-(юо,2<з)-с. (,№-2110 -1О.Г ) ипф^+ь.соБ (©о-!)) , (3) 2ЬСОо

где 1(1)- мгновенное значение тока в контуре коммутации;

СОо- собственная частота колебаний контура Ьк - Ск;

1о,11о- значения тока и напряжения коммутирующего конденсатора при включении плеча АИН;

С>-добротность контура коммутации.

Рис. 6.

Учитывая, что при оптимальном угле включения 0 опт

(18 о/тт;) • СО (Т- 1вкл) = ©опт« 90 эл.град. (4)

частота контура коммутации и несущая частота АИН жестко связаны, при этом

V Lk»Ck = ( 180 / 27Uf(360- 9опт)), (5)

где f- несущая частота АИН;

0опт - оптимальный угол включения АИН, эл. град.; Т - период собственных колебаний контура коммутации;

{л'.кл- момент времени включения плеча АИН. Поэтому для определения параметров контура коммутации достаточно знать его волновое сопротивление.

При подстановке (4) в (3) значение косинусоидальной составляющей тока коммутации становится равной нулю, и остается только синусоидальная. В этом случае, учитывая, что

1о = 1н шах *Ю, (6)

где 1н шах - максимальный ток нагрузки;

Ю- коэффициент коммутационной способности и ЬСОо = р - волновое сопротивление контура, при этом можно из уравнения (1) выразить р:

р= -7Г(ЗбО-0опт )/(180 *20) •((ип-ио)/21о), (7)

где ип- напряжение контактной сети;

О - добротность контура коммутации.

При работе АИН в квазиусгановившемся режиме значение 11о стремится к нулю при увеличении добротности контура. При добротно-стях <3= 10-50 значение 11о не превышает 5 % питающего и им можно пренебречь. Определение Ьк осуществляется решением совместно уравнений (5) и (7):

Ьк = ( 1*° )(2 ) е-/^((360-0<п, )/180) .((ип-ио)Ло), (8) (^би-Оопт) 2711

Как видно из рис.б, снижение потерь при таком выборе параметров Ьк и Ск невелико и составляет менее 10 % при изменении 0 от минимального до оптимального значения.

Основная причина больших потерь в контурах коммутации АИН состоит в том, что большую часть времени инвертор работает на неполную нагрузку, поэтому кратность тока поддерживается на неоправданно высоком уровне (от 30 до50). С целью снижения потерь электро-

Рис. 7.

энергии была разработана схема источника питания бортовых цепей с контуром трансформаторной коммутации в звене переменного тока (рис.7). Контур трансформаторной коммутации (КТК), состоящий из конденсатора Сктк и реактора Ьктк, включается только при подключении потребителя большой мощности (например, при включении мотор-компрессора), а все остальное время коммутация плеч АИН осуществляется за счет основного контура коммутации Ск и Ьк , имеющего мощность 0,1 - 0,2 от номинальной. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы, приведены на рис.8. В момент включения тиристоров КТК ток нагрузки замещается током КТК, что ведет к его снижению в первичной обмотке трансформатора до тока основного контура коммутации и выключению линейных тиристоров.

Нестабильность напряжения в контактной сети также ведет к увеличению потерь в контуре коммутации. При работе напряжение на коммутирующем конденсаторе желательно поддерживать на уровне, обеспечивающим постоянство Ю, однако при этом требуется отслеживать ток нагрузки и напряжение в контактной сети. Понижение напряжения требует введения в схему АИН специальных энергообменах контуров. Повысить напряжение можно, используя режим с принудительным прерыванием процесса перезаряда коммутирующего конденсатора путем подключения контура коммутации к источнику питания, в результате чего возникает "накачка" напряжения. Из рассмотренных выше схем АИН только схема с контуром коммутации Мс-Миггау и трехуровневая могут работать в таком режиме. В работе рассмотрены варианты, при которых обеспечивается полная стабилизация напряжения на Ск, независимо от напряжения питания, частичная - при понижении напряжения питания относительно номинального и без стабилизации (кривые 1,2,3 соответственно на рис.9.) Применять такой режим имеет смысл, когда осуществляется частичная стабилизация напряжения на коммутирующем конденсаторе при понижении напряжения

Напряжение питания, В

Рис. 9.

контактной сети (кривая 2).

Врезультате исследований установлено, что минимальные потери электроэнергии имеет преобразователь с трехуровневым АИН и схема с контуром трансформаторной коммутации.

В пятой главе рассмотрены вторичные преобразователи, предназначенные для питания асинхронных двигателей вспомогательных электроприводов электропоезда. Наиболее мощным является асинхронный электродвигатель (АД) компрессора электропоездов типа ЭР2Т и ЭД4, для питания которого может использоваться непосредственный преобразователь частоты (рис. 10,а). Для использования при расчетах пакета РБрше разработаны две модели асинхронного электродвигателя типа МАК 160 Ь 6 , предназначенного для перспективного электропоезда ЭД4. Переходные процессы в АД, записанные в ортогональной системе координатных осей а и (3, описываются уравнениями: = 1Ла-11П1а;

= ' 112 *2а +Ч'2РС0вР; (9)

= . 1гр + у2а СОвр; МЭМ = 3/2 Ьт р А (1]/1а У|/2Р - Ц/1Р Ц/2а),

где и1а, и1р - проекции мгновенных значений фазного напряжения статора на а , р - оси ;

i la, iip , Í2a, Í2p - проекции мгновенных значений тока обмоток статора и ротора соответственно на a , р - оси;

А=1/ л/ LiL2-Lm2);

(йвр - угловая электрическая скорость ротора ;

р - число пар полюсов АД;

Мэм- электромагнитный момент АД.

Схема замещения для решения уравнений асинхронного электродвигателя, записанных в а, (5 осях,представлена на рис. 10,6. При этом для решения уравнений используются цепи с последовательно включенными источниками тока и конденсаторами, а напряжения фаз задаются источниками напряжения Еа-Ес. Для анализа переходных процессов в преобразователе используется модель, представляющая Т-образную схему замещения асинхронного электродвигателя с переменной э.д.с. ротора, зависящей от скольжения, с которым работает машина (рис. 10,в). В этом случае уравнения (9) записываются в реальных фазовых координатах, и э.д.с. ротора вычисляется по формуле

E2(N) = Ювр/л/з [ L2a(Í2(N+!) - Í2(N+2)) +Lm(Ím(N+I) -Ím(N+2))], (10)

где li(N+i), l2(N+2), lmfN+i), lm(N+i) - токи в ветвях схемы замещения;

СОпр - электрическая скорость ротора;

N - номер фазы, для которой производится расчет.

Такая модель требует значительно большего времени для расчетов, однако позволяет оценить влияние, которое оказывает нагрузка на преобразователь. Поэтому расчет производится в два этапа. Сначала производится расчет с использованием модели (рис. 10,6) до установившегося режима и определяются установившиеся токи и магнитные потоки двигателя (т.е. токи в ветвях схемы замещения), а затем производится расчет одного или нескольких периодов работы преобразователя с использованием второй модели АД (рис 10,в).

ги

52-12 _1_г. .

^Ж Ж. Ж

АД

а)

н й-

( 1—•—< 1—( 1—1

ЕГка- Е&с

в)

Ы о Ш

Ь2ст Я2

Ьт

Рис. 10.

в)

На рис. 11 приведены временные диаграммы фазных токов и напряжений двигателя при расчете совместно с моделью НПЧ, работающего по алгоритму с раздельным управлением, обеспечивающим ин-верторную коммутацию токов фаз и циклическое замыкание линейного тока по токосборным шинам.

Рис.11.

Шестая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям преобразователя для питания бортовых цепей электропоезда ЭР2, созданного совместными усилиями МИИТа, НПО Силовой электроники (г. Саранск) и МЛРЗ. Преобразователь был установлен на прицепном вагоне опытной электросекции ЭР2 116010-209003 и подвергнут всесторонним испытаниям. Схема вспомогательных цепей опытного электровагона приведена на рис. 12. Преобразователь состоит из АИН, понижающего трансформатора и двух управляемых выпрямителей (УВ): для питания мотор-компрессора напряжением 1500В и для питания цепей управления с напряжением 50В. Схема предусматривает возможность работы электросекции как с вращающимся преобразователем, так и со статическим, за счет установки в схеме дополнительных контакторов МК6 и МК7.

В результате испытаний было установлено:

- преобразователь обеспечивает работу всех потребителей в эксплуатационных режимах;

Принципиальная схема источника питания бортовых цепей опытной электросекции ЭР2- 116010-209003.

а -цепи вращающегося преобразователя б- цепи статического преобразователя

Рис. 12.

- преобразователь имеет достаточный запас коммутационной устойчивости, кратность тока изменяется от 4 до 30 в зависимости от нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате комплексного исследования системы бортового электроснабжения получены следующие выводы:

1. Определены структурные схемы преобразователей источника питания бортовых цепей, которые могут применятся на электропоездах железных дорог России:

- для модернизации электропоезда ЭР2 может использоваться схема с входным АИН и промежуточным трансформатором, либо с входным АИН и трансформатором для питания цепей с напряжением 50В и импульсным преобразователем для питания мотор-компрессора;

-для вновь создаваемого электропоезда ЭД4 и модернизации электропоездов ЭР2Ри ЭР2Т наиболее целесообразно использовать схему с входным АИН и промежуточным трансформатором; в качестве выходного преобразователя для питания бортовых цепей переменного тока могут использоваться НПЧ и трехфазный АИН с входным выпрямителем.

2. Определено влияние потерь электроэнергии на конструкцию и компоновку преобразователя:

-определено, что мощность теплопередачи в окружающую среду составляет 1,371кВт для однокорпусного исполнения и 2,71 кВт для двухкорпусного исполнения с оребрением стенок.

3. Проведен анализ электромагнитных процессов в цепях АИН:

-наиболее высокие показатели имеют схемы АИН с трехуровневым

регулированием напряжения на основе запираемых GTO тиристоров и однооперационных тиристоров с узлом коммутации;

-наиболее проста для реализации схема полумостового АИН с резонансным коммутирующим узлом;

-худшие показатели имеют схемы с контурами коммутации Мс-Миггау и с бивентильным узлом коммутации.

4. Разработаны предложения, позволяющие уменьшить потери электроэнергии в цепях входных АИН:

-в результате сравнительного анализа схем преобразователей для питания бортовых цепей выявлено, что наихудшей схемой для АИН является бивентильная, прежде всего из-за больших потерь в защитных цепях ;

-наилучшие показатели имеют схема с контуром трансформаторной коммутации и трехуровневая схема АИН, однако первая не имеет возможности регулирования напряжения на трансформаторе;

-применение трехуровневой схемы АИН снизит на 30-40% массу трансформатора;

-применение режима частичной стабилизации напряжения на коммутирующем конденсаторе снижает потери в контуре коммутации на 16% при номинальном напряжении в контактной сети.

5. Рассмотрена совместная работа выходного преобразователя и асинхронного вспомогательного электропривода мотор-компрессора:

-разработаны 2 математические модели АД для расчета с использованием пакета прикладных программ РБрке;

-использование НПЧ возможно в системе бортового электроснабжения электропоездов при использовании разработанного алгоритма управления с циклическим замыканием токов и инверторной коммутацией;

-к.п.д. асинхронного электродвигателя МАК 160 Ь 6 составляет при использовании НПЧ 0,86 против 0,91 при синусоидальном питании.

6. Проведены комплексные исследования опытного образца БСЭ, подтвердившие ее работоспособность.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Ширяев A.B., Изварин М.Ю. Разработка математической модели асинхронного частотно-регулируемого привода вспомогательных машин электровоза Н-11 /Молодые ученые, аспиранты и докторанты ПГУ ПС /. С.-Пб.: 1994,с.39-42.

2. Озеров М.И., Озеров В.И., Ротанов В.Н., Изварин М.Ю. Варченко

В.К., Чумак В.В. Системы управления непосредственными преобразователями частоты для питания электроприводов вспомогательных машин электроподвижного состава /Тезисы докладов первой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" 18-21 апреля 1994г., г.Москва/.-М.: 1994, МИИТ, с.76 .

3. Озеров М.И., Мурашкин В.А., Изварин М.Ю., Чирин С.И. Снижение потерь электроэнергии в преобразователях собственных нужд электропоездов постоянного тока / Оборудование электроподвижного состава. Межвузовский сборник научных трудов. С. 140-148/ "Депонированные научные работы ". Указатель ВИНИТИ.-М.:1996, Л°5 (293), с.55.

4. Васильев В.В., Ротанов В.Н., Изварин М.Ю., Симонов М.Д. Тебова-ния к системам управления вспомогательными электроприводами электропоездов постоянного тока /Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Журнал, № 3-4, 1996г /.-М.: 1996, с.82.

5. Озеров М.И., Ротанов В.Н., Амелин В.М., Изварин М.Ю., Мурашкин В.А. Преобразователь собственных нужд электропоездов постоянного тока ЭР2 с компенсатором реактивной мощности / Тезисы докладов 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта",г.Москва / М.: 1996, МПС- ■ МИИТ-с.131.

6. Зубов B.C., Озеров М.И. .Мурашкин В.А., Изварин М.Ю., Бурдасов Б.К. Преобразователь для питания бортовых цепей российского электропоезда ЭД-4. /Тезисы докладов 6 международной научно-

технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения", посвященной 100-летию МИИТа 28-31 октября 1996г./ М.: МИИТ, 1996г. -с.118.

7. Озеров М.И.,Ротанов В.Н., Изварин М.Ю., Бурдасов Б.К., Шестоперов Г.П., Амелин В.М. ,Лобков С.А. Система защиты тяговых двигателей электропоездов постоянного тока со статическими преобразователями собственных нужд в режиме электрического торможения - там же,

с. 104/.

8. Озеров М.И., Ротанов В.Н., Чекмарев А.П., Изварин М.Ю., Лобков С.А. Защита коммутирующих тиристоров при срыве инвертирования входного преобразователя. / Тезисы докладов второй межвузовской научно-методической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта"/М.: РГОТУПС, 1997.-е. 105.

9. Озеров М.И., Изварин М.Ю., Малютин В.А., Амелин В.М. /Электропривод вспомогательных машин электроподвижного состава. / Тезисы докладов научно-технической конференции с международным участием "Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств", г. Суздаль,.25.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПИТАНИЯ БОРТОВЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы, включая их

ИЗВАРИН Михаил Юльевш

управление и регулирование. 05.09.12. - Силовая электроника.

Печать офсетная Объем, печ. л. 1,3

Заказ № 93/

Подп.к печати 5.11.58 г. Форматбумаги 60x^1/16

Тираж 100 экз.

Типография пшс с-Петербург, 190031,Московский пр.,9

7

1. АНАЛИЗКТУРНЫХ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ БОРТОВЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. Морфологическая структура системы бортового электроснабжения электропоездов постоянного тока.

1.2. Анализ вариантов структурных схем для питания бортовых цепей электропоездов ЭР1 и ЭР2 (типа ЭР2).

1.3. Анализ вариантов структурных схем источника питания бортовых цепей электропоездов, оборудованных системой рекуперативно-реостатного торможения.

2. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В БСЭ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1 Анализ потребителей в системе БСЭ.

2.2. Расчет типовой нагрузки преобразователя в рамках разработки технических требований к источнику питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока без рекуперативного торможения (типа ЭР2).

2.3.Расчет типовой мощности преобразователя для питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока с рекуперативно-реостатным торможением (типа ЭР2Т).

2.4. Определение компоновки преобразователя с учетом минимально допустимого коэффициента полезного действия преобразователя бортовой системы электроснабжения электропоездов постоянного тока.

3. ВХОДНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ БОРТОВЫХ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1. Факторы, влияющие на выбор принципиальной схемы входного преобразователя.

3.2. Математическое моделирование электромагнитных процессов в цепях автономного инвертора напряжения.

3.3. Анализ электромагнитных процессов в схеме автономного полумостового инвертора напряжения на основе однооперационных тиристоров с резонансным колебательным контуром коммутации.

3.3.1. Сравнительные расчеты электромагнитных процессов в цепях автономного резонансного инвертора напряжения.

3.3.2. Расчет электромагнитных процессов в контуре коммутации АИН операторным методом.

3.3.3. Расчет переходных процессов в схеме автономного инвертора напряжения с использованием пакета прикладных программ "ЕЬТЯАЫ".

3.3.4. Расчет переходных процессов путем моделирования с использованием пакета Р8р1зе.

3.4. Схема полумостового однофазного автономного инвертора напряжения с принудительной коммутацией.

3.5. Схема полумостового инвертора напряжения с независимым контуром коммутации (схема Мак-Муррея).

3.6. Трехуровневая схема полумостового АИН на основе однооперационных тиристоров с принудительной коммутацией.

3.7. Трехуровневая схема с регулированием напряжения на нагрузке на основе полностью управляемых (вТО) тиристоров.

3.8. Выводы по главе 3.

4.1. Причины возникновения потерь электроэнергии в системе питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока.

4.2. Возможные пути повышения экономичности системы питания бортовых цепей и вспомогательных электроприводов.

4.3. Рациональный выбор параметров резонансного контура коммутации полумостового АИН.

4.4.Схемы преобразователей для питания бортовых цепей, имеющие уменьшенные потери электроэнергии.

4.4.1. Автономный инвертор напряжения с бивентильным контуром коммутации.

4.4.2. Преобразователь для питания бортовых цепей с резонансным автономным инвертором напряжения и контуром трансформаторной коммутации.I

4.5. Использование режима превышения напряжения (накопления энергии) для регулирования кратности тока коммутации АИН в зависимости от нагрузки и напряжения контактной сети.

4.6 Сравнение энергетических показателей систем для питания бортовых цепей электропоездов, имеющих различные преобразователи для питания собственных нужд электропоездов.

4.6.1 Оценка энергетических показателей схем БСЭ с различными АИН по мгновенной мощности.

4.6.2. Сравнительный анализ потерь электроэнергии в источниках питания бортовых цепей, имеющих различное схемное решение АИН и разный алгоритм управления ими.

4.7. Выводы по главе 4.

5.1. Варианты схемного решения вторичного преобразователя.

5.2.Математическая модель электропривода вспомогательных машин электропоездов.

5.2.1. Математическая модель асинхронного двигателя в системе, с записью уравнений двигателя в ортогональных а , р координатах.

5.2.2. Математическая модель асинхронного электродвигателя вспомогательных машин электропоезда, с записью уравнений в реальных фазовых координатах.

5.2.3. Расчет процессов во вспомогательном электроприводе с использованием пакетов прикладных программ.

5.2.4. Модель механической части электропривода.

5.3. Расчеты электромагнитных процессов во вспомогательном электроприводе двигателя компрессора при различных типах питания при прямом включение мотор-компрессора на источник питания синусоидального напряжения и при использовании непосредственного преобразователя частоты.

5.4. Выводы по главе 5.

6. ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОЙ СИСТЕМЫ БОРТОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

6.1 Цель и программа испытаний.

6.2. Испытания входного преобразователя.

6.2.1. Схема наладки и испытаний преобразователя.

6.2.2. Схема для наладки преобразователя. автономного инвертора напряжения.

6.3. Выводы по результатам испытаний.

В условиях развития рыночной экономики снижение стоимости перевозок, осуществляемых железнодорожным транспортом, невозможно без создания надежного и высокоэффективного подвижного состава, обладающего высокими технико-экономическими характеристиками. Основным видом тяги на железных дорогах России является электроподвижной состав, возможности совершенствования которого далеко не исчерпаны.

С увеличением населения городов возрастает роль железнодорожного транспорта, перевозящего пассажиров на сравнительно небольшие расстояния, не превышающие 150-200км при их следовании на работу и после работы , а также в зону отдыха. Наиболее приспособленными к выполнению такого рода работы являются электропоезда, составленные из отдельных электросекций, работающих по системе многих единиц.

Отдельная электросекция представляет автономную подвижную единицу, имеющую полный комплект электрооборудования. Важное место в общем комплексе электрооборудования современного и перспективного ЭПС, в том числе и электропоездов постоянного тока, занимают низковольтные потребители. Без экономичных и эффективных устройств для питания низковольтных потребителей, невозможна эксплуатация электропоезда. Устройство для питания бортовых потребителей, совместно с электрическими устройствами, осуществляющими передачу электрической энергии к ним, называются системой бортового электроснабжения. Иногда используется также устаревший термин - источник питания собственных нужд электрического подвижного состава (ЭПС). Совместно с остальным оборудованием электропоездов должны совершенствоваться также и системы бортового электроснабжения. В связи с этим, необходимо проанализировать современный уровень реализации бортовых систем электроснабжения (БСЭ) и наметить пути их совершенствования.

В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируются электропоезда нескольких типов , имеющие различный срок службы. Большую часть парка электропоездов железных дорог России составляют электросекции постоянного тока ЭР1 и ЭР2 выпущенные в 1950-х -1970-х годах Рижским вагоностроительным заводом (РВЗ). С1983 года РВЗ выпускал электропоезда ЭР2Р и ЭР2Т. В связи с распадом СССР с 1993 года Торжокским, а с 1994 и Демиховским вагоностроительными заводами налажен выпуск электропоездов, получивших обозначение ЭТ2 и ЭД2Т соответственно. Электрическая схема этих электропоездов практически не отличается от схемы электропоезда ЭР2Т. Несмотря на то, что оба завода постоянно наращивают мощности по выпуску электропоездов, стоит вопрос о продолжении эксплуатации электропоездов ЭР1 и ЭР2, составляющих основу существующего парка. Одной из проблем является модернизация системы питания бортовых электрических цепей электропоездов. Такая модернизация может проводиться в объеме капитально-восстановительного ремонта (КВР). Каждый электропоезд постоянного тока имеет разветвленную схему низковольтных потребителей электроэнергии. К низковольтным потребителям относятся прежде всего цепи управления электропоезда, разнообразные цепи сигнализации, устройства вентиляции и освещения электропоезда^ также прочее вспомогательное электрооборудование. В случае, когда на электропоезде предусмотрено рекуперативное или реостатное торможение, низковольтным потребителем может быть также и устройство (преобразователь) для питания полюсных обмоток тяговых двигателей, работающих в режиме независимого возбуждения.

В систему бортовых цепей входят и цепи питания мотор-компрессоров, являющихся источником сжатого воздуха тормозной системы, устройств привода автоматических дверей вагонов, пневматических сигналив и приводов электропневматических тяговых аппаратов (реостатные контроллеры, контакторы, токоприемники). Как правило, электродвигатель компрессора мощностью более 10 кВт на ЭПС постоянного тока выполняется на полное напряжение контактной сети, а меньшей мощности - предусматривает систему питания пониженным напряжением из экономических и массо-габаритных соображений.

В настоящее время на ЭПС постоянного тока наиболее широко применяются источники питания бортовых цепей, выполненные на базе электромашинных преобразователей. В этом случае энергия электрического тока высокого напряжения (контактной сети) преобразуется электродвигателем постоянного тока в механическую, а затем электрическую требуемого пониженного напряжения генератором постоянного тока (электропоезда типа ЭР1, ЭР2), либо трехфазным синхронным генератором (электропоезда типа ЭР22, ЭР2Р, ЭР2Т). Такие преобразователи тяжелы и громоздки прежде всего из-за того, что двигатели малой мощности, но с высоким входным напряжением имеют большой диаметр коллектора. Для снижения массы и габаритов, на электропоездах ЭР1 и ЭР2 применяют двухколлекторные двигатели (динамоторы), имеющие общую магнитную систему. Две изолированные обмотки, имеющие каждая свой коллектор, включаются последовательно. На валу динамо-тора устанавливается генератор цепей управления. Такая система позволяет, кроме снижения габаритов машины, разделить напряжение контактной сети и питать мотор-компрессор пониженным (половинным) напряжением, а цепи управления с напряжением 50В - от генератора управления. Более совершенны системы, имеющие высоковольтный двигатель постоянного тока в качестве приводного и трехфазный синхронный генератор, так как в этом случае можно использовать асинхронные двигатели вспомогательных машин и управляемые выпрямители для питания низковольтных цепей постоянного тока, однако и в этом случае система бортового электроснабжения остается сложной и громоздкой.

К недостаткам электромашинных преобразователей следует отнести сильный шум и вибрацию при работе, требование постоянного технического обслуживания коллекторно - щеточного аппарата. Стоимость вращающихся преобразователей очень высока и на сегодняшний день составляет примерно 25-30 тысяч долларов США.

Штатным преобразователем собственных нужд электросекции ЭР-2 является динамотор ДК-604в с генератором цепей управления. Имея большой срок эксплуатации > эти преобразователи много раз проходили капитальный ремонт с постоянно возрастающей стоимостью и снижением надежности. Из-за этого число их отказов при работе увеличивается ежегодно примерно на 8 - 10 %. По данным анализа ЦТ МПС , например, в 1993 году имели место 785 случаев повреждения динамоторов, а в 1994 году - уже 909. Необходимо отметить, что в целом при соблюдении условий эксплуатации динамотор с генератором управления представляют собой достаточно надежную, простую по управлению и ремонтопригодную (за исключением повреждений якоря), хотя и громоздкую, дорогую и шумную систему питания бортовых цепей электропоездов ЭР2. Развитие силовой полупроводниковой электроники позволяет решить проблему систем питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока путем создания специально приспособленного статического преобразователя.

Статические преобразователи для питания собственных нужд ЭПС обладают рядом достоинств по сравнению с электромашинными: Они могут обеспечить более высокую степень стабилизации напряжения в бортовых цепях; обеспечить плавный регулируемый пуск вспомогательных электрических машин как постоянного тока, так и асинхронных; повысить степень защиты вспомогательных электрических машин и бортовых цепей в различных аварийных режимах при работе; получить без существенного увеличения габаритов большое количество гальванически развязанных каналов питания с различными уровнями напряжения, улучшить условия заряда аккумуляторной батареи. Статические преобразователи не вызывают вибрации кузова вагона, покупная цена их значительно, в 1.5-2 раза ниже . В тоже время статические полупроводниковые преобразователи имеют ряд недостатков и особенностей, определяющих некоторое удорожание и усложнение эксплуатации. К ним относятся: значительно более сложное устройство, требующее переподготовки персонала и снижающее надежность при эксплуатации; более жесткие требования к качеству напряжения контактной сети при работе во внештатном режиме (при сильно повышенном или сниженном напряжении); при использовании некоторых типов дросселей или реакторов в схемах преобразователей, при работе возникает шум; имеют место значительные потери электроэнергии во вспомогательных и защитных цепях тиристоров (транзисторов). Следует заметить, что ни одна зарубежная фирма, специализирующаяся на производстве ЭПС, не выпускает в настоящее время электропоезда с электромашинными преобразователями. Эксплуатация ЭПС со статическими преобразователями представляется возможной и без переподготовки персонала, если эксплуатационные предприятия будут иметь достаточный запас резервных преобразователей или заменяемых полупроводниковых модулей. Дополнительные расходы на эксплуатацию самого преобразователя будут компенсированы за счет снижения затрат на внеплановый ремонт вспомогательных машин в результате улучшения условий их работы. Так, например, значительное число повреждений мотор - компрессоров типа ЭК-76 связаны с прямым пуском при работе или с повреждениями дина-моторов , не обеспечивающих гальванической развязки между цепями питания мотор- компрессоров и контактной сетью. Введение режима плавного пуска обеспечит снижение нагрузок двигателей компрессоров в этот период и увеличит срок их эксплуатации, а полная гальваническая развязка исключит возможность попадания повышенного напряжения и связанные с этим неисправности. Если электропоезд оборудован асинхронными вспомогательными машинами и имеет наряду с обычными еще и бортовые цепи переменного тока, применение статических преобразователей позволит снизить установленную мощность бортовых цепей в результате применения плавного частотного пуска наиболее мощных машин (мотор-компрессоров). Применение высокочастотных полупроводниковых приборов для формирования трехфазной системы дает возможность получить на выходе преобразователя систему напряжений, максимально приближенных к синусоидальным, при этом потери электроэнергии от воздействия высших гармонических составляющих напряжения сводятся к минимуму.

Наибольшую сложность при создании статического источника питания питания бортовых цепей представляет конструкция входного преобразователя, как правило инвертора напряжения. Предъявляемые к нему требования наиболее жесткие, так как он должен устойчиво работать при изменении входного напряжения от 2200 до 4000 В, обеспечивая во всем диапазоне питание потребителей с установленной мощностью . Возможность создания надежного высоковольтного инвертора напряжения определяется, прежде всего классом выпускаемых полупроводниковых приборов. В России преобразователи собственных нужд на ЭПС начали широко применяться в 1977 году на трамваях (номинальное напряжение контактной сети 550в) и в 1979 году на подвижном составе метрополитена ( номинальное напряжение 850в) с появлением силовых тиристоров 10-12 класса. Попытки применить эти приборы на железнодорожном транспорте [ 22,23 ] окончились неудачей прежде всего именно по причине низкого класса полупроводниковых приборов, что приводило к значительному увеличению их количества, удорожанию системы и снижению надежности.

К концу 80-х - началу 90-х годов российская промышленность освоила производство силовых однооперационных тиристоров 32 и более высоких классов с частотой работы до 1 кГц . Поэтому в настоящее время имеется реальная возможность создания преобразователя собственных нужд с входным инвертором, выполненным на основе одно-операционных тиристоров. Такие инверторы имеют ряд существенных недостатков, и прежде всего дополнительные потери в реакторах контуров коммутации. Наиболее перспективной элементной базой для входного преобразователя являются полностью управляемые двухопераци-онные тиристоры (ОТО), силовые полевые транзисторы (МОБРЕТ) и биполярные силовые транзисторы с полевым транзистором в цепи базы (ЕВТ), однако на настоящий момент их параметры, и прежде всего класс этих приборов, выпускаемых в России, не позволяют создать на их базе входной преобразователь, что не исключает возможности производства преобразователей в России и закупки приборов за границей.

Цель работы. Целью настоящей диссертации является сравнительный анализ возможных структур силовых цепей преобразователей электроэнергии для БСЭ электропоездов постоянного тока и выбор наиболее рациональной структуры, анализ электромагнитных процессов в системе "источник питания - преобразователь - асинхронный электродвигатель -исполнительный механизм" и разработка методики расчета звеньев преобразователей бортовых цепей - автономных инверторов напряжения и непосредственных преобразователей частоты.

Методика исследований. При выполнении работы поводились теоретические исследования, разработана методика расчета параметров преобразователей БСЭ и проведен эксперимент, подтверждающий выводы работы.

Теоретические исследования включали метод системного анализа структурных схем преобразователей, методы и алгоритмы расчета параметров элементов БСЭ, метод математического моделирования электромагнитных процессов в преобразователях. При определении энергетических показателей преобразователей по мгновенным значениям электри

Практическая реализация программы системного анализа выполнена с использованием языка программирования Turbo Pascal, математическое моделирование проводилось с использованием пакета прикладных программ PSpice.

При проведении экспериментальных исследований опытного образца преобразователя электроэнергии для системы бортового электроснабжения использовались известные методы электрических измерений с использованием измерительных приборов и электронных осциллографов.

Научная новизна работы состоит в комплексном исследовании БСЭ электропоездов постоянного тока; применении метода математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ и разработанных моделей элементов БСЭ для расчетов переходных и установившихся процессов в системе "источник питания - преобразователь -вспомогательные цепи электропоезда", а также для определения энергетических показателей системы; оценке влияния потерь электроэнергии на компоновку преобразователя с воздушным охлаждением.

Практическая ценность работы состоит в рациональном выборе и разработке методики расчета параметров элементов и разработке предложений по совершенствованию принципиальных схем преобразователей БСЭ электропоездов постоянного тока на основе математического моделирования и экспериментов на опытной секции электропоезда ЭР2. В результате экспериментов были предложены изменения в принципиальной схеме и конструкции преобразователя, позволившие уменьшить его массу на 22 % и габариты на 30 %, а также повысить к.п.д. преобразователя до 0,85.

Реализация работы. Разработанные методы были использованы при создании и испытаниях макетного образца преобразователя для питания бортовых цепей электропоезда ЭР2 совместно с Московским ло-комотиворемонтным заводом и Институтом силовой электроники (г.Саранск), при проектировании БСЭ на основе статических преобразователей для электропоезда ЭД-4, а также при модернизации опытного образца преобразователя для питания бортовых цепей электропоезда ЭР2 на АО "Электровыпрямитель" (г. Саранск).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на кафедре "Электрическая тяга" Московского Государственного Университета путей сообщения (МИИТ) (г. Москва, 1996), на 6 международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивострое-ния", посвященной 100-летию МИИТа 28-31 октября 1996г (г.Москва) и 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта". По результатам диссертации опубликованы 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами, основных результатов и выводов, списка литературы из 53 наименований и 3 приложений. Работа содержит^ 7 страниц машинописного текста, 15таблиц,66 рисунков.

б.ЗВыводы по результатам испытаний. Анализ кривых по рис. 6.7 и 6.8 показывает, что основную долю потерь электроэнергии составляют потери электроэнергии в цепях контура коммутации и в защитных Яш и Я-С цепях, не зависящие от нагрузки на выходе преобразователя. Эти потери имеют значительную величину и составляют для режима холостого хода преобразователя, т.е. только при работе АИН, величину 8100 Вт при входном напряжении 3400В. Значительные потери электроэнергии выделяемые в контуре коммутации и в защитных цепях, приводят к значительному снижению коэффициента полезного действия преобразователя, особенно в области малых нагрузок. Между тем в первой главе отмечено, что именно с нагрузкой в бортовых цепях, составляющих 10-20 % от номинальной, электропоезд работает наибольшее количество времени. Кривая к.п.д., построенная на рис.6.9., лежит значительно ниже, чем кривая минимально допустимого к.п.д. для варианта герметичного исполнения преобразователя, что гово

График зависимости потери во входном преобразователе (АИН) от входного напряжения

Входное напряжение 111,В

График зависимости потерь электроэнергии в цепях макетного образца преобразователя для питания бортовых цепей

Выходная мощность Р2,кВт

График зависимости к.п.д. макетного образца преобразователя и минимально допустимого из условия герметичного исполнения

Мощность на выходе преобразователя, кВт рит о невозможности применения для преобразователя, выполненного по такой структуре,герметичного исполнения без существенных изменений в схеме преобразователя, и потребует в этом случае принудительного охлаждения. В тоже время отмечено, что схема устойчиво работает во всех эксплуатационных режимах, допуская кратковременную перегрузку по току, и элементы преобразователя не выходят из строя при срабатывании защиты. Ряд режимов, возможных при работе преобразователя принят недопустимым, что отмечено в приложении 3 протокола испытаний, как элементы, требующие доработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате комплексного исследования системы бортового электроснабжения получены следующие выводы:

1. Определены структурные схемы преобразователей источника питания бортовых цепей, которые могут применятся на электропоездах железных дорог России:

- для модернизации электропоезда ЭР2 может использоваться схема с входным АИН и промежуточным трансформатором, либо с входным АИН и трансформатором для питания цепей с напряжением 50В и импульсным преобразователем для питания мотор-компрессора;

-для вновь создаваемого электропоезда ЭД4 и модернизации электропоездов ЭР2Ри ЭР2Т наиболее целесообразно использовать схему с входным АИН и промежуточным трансформатором; в качестве выходного преобразователя для питания бортовых цепей переменного тока могут использоваться НПЧ и трехфазный АИН с входным выпрямителем.

2. Определено влияние потерь электроэнергии на конструкцию и компоновку преобразователя:

-определено, что мощность теплопередачи в окружающую среду составляет 1,371кВт для однокорпусного исполнения и 2,71 кВт для двухкорпусного исполнения с оребрением стенок.

3. Проведен анализ электромагнитных процессов в цепях АИН:

-наиболее высокие показатели имеют схемы АИН с трехуровневым регулированием напряжения на основе запираемых СТО тиристоров и однооперационных тиристоров с узлом коммутации;

-наиболее проста для реализации схема полумостового АИН с резонансным коммутирующим узлом;

-худшие показатели имеют схемы с контурами коммутации Мс-Миггау и с бивентильным узлом коммутации.

4. Разработаны предложения, позволяющие уменьшить потери электроэнергии в цепях входных АИН:

-в результате сравнительного анализа схем преобразователей для питания бортовых цепей выявлено, что наихудшей схемой для АИН является бивентильная, прежде всего из-за больших потерь в защитных цепях;

-наилучшие показатели имеют схема с контуром трансформаторной коммутации и трехуровневая схема АИН, однако первая не имеет возможности регулирования напряжения на трансформаторе;

-применение трехуровневой схемы АИН снизит на 30-40% массу трансформатора;

-применение режима частичной стабилизации напряжения на коммутирующем конденсаторе снижает потери в контуре коммутации на 16% при номинальном напряжении в контактной сети.

5. Рассмотрена совместная работа выходного преобразователя и асинхронного вспомогательного электропривода мотор-компрессора:

-разработаны 2 математические модели АД для расчета с использованием пакета прикладных программ РБрке;

-использование НПЧ возможно в системе бортового электроснабжения электропоездов при использовании разработанного алгоритма управления с циклическим замыканием токов и инверторной коммутацией;

-к.п.д. асинхронного электродвигателя МАК 160 Ь 6 составляет при использовании НПЧ 0,86 против 0,91 при синусоидальном питании.

6. Проведены комплексные исследования опытного образца БСЭ, подтвердившие ее работоспособность.

1. Анализ электромагнитных процессов в тяговом электроприводе./ Ю.М. Иньков, З.М. Дубровский, Д.Л. Киржнер и др. // Электричество. -1986. -№13. с. 40-45

2. Автоматизация схемотехнического проектирования. /В.Н.Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко . М.: Радио и связь, 1987

3. Блихер А. Физика тиристоров: Пер. с англ. / под ред. И.В. Грехо-ва. Д.: Энергоиздат, 1981.

4. Бирзй^кс JI.B. Импульсные преобразователи постоянного тока.-М.: Энергия, 1974, 255 с.

5. Бурков А.Т. Управление электроэнергетическими процессами локомотивов с асинхронным приводом (Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн. наук)-Л.: ЛИИЖТ, 1972.

6. Быков A.B. О формировании обобщенных показателей качества систем электропитания. /Известия вузов СССР. Электромеханика.- 1985. -№7- с.109-112.

7. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969.-280 с.

8. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.

9. Глазенко Т.А., СиницынВ.А., Герман-Галкин С.Г. Тиристорные

10. Широтно- импульсные преобразователи с регулируемым запасомэнергии в коммутирующих контурах. / Электричество, 1975.-№7.- с. 3337.

11. Горев A.A. Основные уравнения неустановившегося режима синхронной машины. В кн. : Избранные труды по вопросам устойчивости электрических систем. M.-JI. : Госэнергоиздат, 1960.

12. Демирчян К.С. Реактивная или обменная мощность? Изв. АН

13. СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с. 66-72.

14. Евсеев Ю.А. Полупроводниковые приборы для мощных высоковольтных преобразовательных устройств.-М.: Энергия, 1978

15. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью.- М.: Энергия, 1977.

16. Забродин Ю.С. Промышленная электроника- М.: Высшая школа, 1986. -496с.

17. Иньков Ю.М. Вентильные преобразователи частоты с непосредственной связью. М.: Информэлектро, 1974. - 64с.

18. Иньков Ю.М., Литовченко В.В. Выходные преобразовательныеустройства подвижного состава с АТД. /Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника -М.: 1983., №3-с.8-13

19. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.

20. Крогерис А.Ф., Рашевиц К.К., Трейманис Э.П. Оценка энергетических процессов в линейных цепях с несинусоидальными токами и напряжениями по мгновенным мощностям. Изв. АН Латв. ССР. Сер. физ. и техн. наук, 1985, №6, с. 65-76

21. Крогерис А.Ф., Рашевиц К.К., Трейманис Э.П. Оценка энергетических показателей в нелинейных цепях по мгновенным мощностям.-Изв. АН Латв. ССР. Сер. физ. и техн. наук, 1966, №4 с. 88-96.

22. Крогерис А.Ф., Трейманис Э.П. Ортогональные составляющиекажущейся мощности в несимметричных несинусоидальных системах. / Изв. АН Латв. ССР. Сер. физ. и техн. наук, 1983, №3, с. 72-82.

23. Кощеев Л.Г., Власов В.В. Тиристорный преобразователь для питания цепей управления электровозов постоянного тока. / Вестник ВНИИЖТ. -1976.- №4.- с. 18-21

24. Кощеев Л.Г., Власов В.В. Тиристорный преобразователь для питания двигателей компрессоров, цепей управления и освещения салонов электропоездов постоянного тока ЭР1, ЭР2. / Сб. трудов ЦНИИ МПС,- М.: Транспорт, 1976.- Вып. 563. с. 43-54

25. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины.-Л.: Энегрия, 1974. -696с.

26. Копылов И.П. Математическое моделирование электрическихмашин- М.: Высшая школа, 1987.-284с.

27. Мартин Ф. Моделирование на вычислительных машинах. Перевод с английского, под ред. И.Н.Коваленко. М.: Советское радио, 1972. -288 с.

28. Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. М.: Советскоерадио, 1977г., -118с.

29. Оптимизация коммутирующего контура в тиристорных импульсных преобразователях для электрической тяги. /В кн.: современные задачи преобразовательной техники. -Киев: АН.УССР-1975 . -т.2- с 6271.

30. О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник 2-е издание, перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400с.

31. Одрин В.М., Картавов С.С. Морфологический анализ систем.

32. Построение морфологических таблиц. -Киев: Наукова думка , 1977-148 с.

33. Озеров М.И., Изварин М.Ю., Мурашкин В.А., Чирин С.И. Снижение потерь электроэнергии в преобразователях собственных нужд электропоездов пост, тока / Сб ст., депонирован ЦНИИТЭИ / -М.: Деп. ЦНИИТЭИ, 1996.

34. Основы автоматического регулирования и управления. /Под редакцией Пономарева В.М. и Литвинова А.П. -М.: Высшая школа, 1974.-439с.

35. Оценка энергетических процессов по мгновенной электрической мощности / А.Ф. Крогерис, К.К. Рашевиц, Э.П. Трейманис, Я.К.Шинка.-Изв. АН Латв. ССР. Сер. физ и техн. наук, 1985, №6, с.53-64

36. Потери энергии в устройствах импульсного регулирования напряжения. / Рогов А.Н., Мазнев A.C., Шевцов Ю.А., Суслова К.Н./ Известия вузов. Электромеханика.-1989., №8.- с.77-83

37. Половинкин А.И. Методические рекомендации по составлениюалгоритмов решения на вычислительных машинах конструкторско-изобретательских задач / Автоматика, издание АН УССР.-1969. -№3 с.66-81.

38. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава / Ю.М. Иньков, H.A. Ротанов, В.П. Феоктистов, О.Г. Чау-сов; под ред. Ю.М. Инькова.- М.: Транспорт, 1982 263 с.

39. Ранькис И.Я. Оптимизация параметров тиристорных систем импульсного регулирования тягового электропривода. Рига: Зинатне, 1985.- 183 с.

40. Рабинерсон А.А, Ашкинази Г.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия ,1976., 180с.

41. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PS-pice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Выпуски 1 4.-М.: Радио и связь- 1992.

42. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. -М.:Транспорт, 1983 328

43. Создание электропоезда ЕТР 500 для эксплуатации на высокоскоростных железнодорожных магистралях (Италия). Ж.Д. транспорт за рубежом. Серия "Подвижной состав". Локомотивы и вагонное хозяйство. Экспресс-информация . -М.: 1989 ., №7.

44. Ситник Н.Х., Чернов С.С. Коммутационные узлы для электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателя-ми.(Электротехническая промышленность. Серия: Тяговое и подъемно-транспртное оборудование) 1981. вып.1 (73). - с. 23-26.

45. Солодунов A.M., ИньковЮ.М., Коваливкер Г.Н., Литов-ченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. -Рига: Зинатне- 1991. 351 с.

46. Сипайлов Г.А. и др. Электрические машины (специальный курс). -М.: Высш. шк., 1987. 287с.

47. Ситник Н.Х. Силовая полупроводниковая техника.-М.: Энергия, 1968. 320с.

48. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Черыков H.A. , Лабунцов В.А. Полупроводниковые приборы.- М.: Энергоатомиздат, 1990-576с.

49. Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи.-М.: Радио и связь, 1983.-284с.

50. Ширяев A.B., Изварин М.Ю. Разработка математической модели асинхронного частотно-регулируемого провода вспомогательных машин электровоза Н-11. / Сборник: Молодые ученые, аспиранты и докторанты ПГУ ПС /. С.Пб.: Изд. ПГУПС , 1994. - с.39-42

51. Ширяев A.B. Исследование электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока с асинхронным тяговым приводом. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техн. наук С.Пб.: ПГУПС, 1996.-34с.

52. Электропоезда. /Рубчинский З.М., Соколов С.Ч., и др. -М.: Транспорт, 1983 . -412с.