автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка энергоэффективного инвертора для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью

005060269

МОСКАЛЕВ МАКСИМ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ИНВЕРТОРА ДЛЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА С УЛУЧШЕННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТЬЮ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

Москва-2013

005060269

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова

тельном учреждении высшего профессионального образования "Националып

исследовательский университет "МЭИ" на кафедре электрического транспорта.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

СЛЕПЦОВ Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" ГАМАЗИН Станислав Иванович

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник открытого акционерного общества «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (ОАО «АВЭКС») ИЛЬИНСКИЙ Александр Дмитриевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения», г. Санкт-Петербург

Защита состоится «21» июня 2013г. в «16» час. «00» мин. на заседании дис сертационного совета Д212.157.02 на базе ФГБОУ ВПО "Национальный исследо вательский университет "МЭИ" по адресу:

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13, ауд. М-611.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НР "МЭИ".

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим на правлять в адрес ученого совета университета по адресу: 111250, Москва, ул Красноказарменная, д. 14.

Автореферат разослан « го » мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.02 к.т.н., доцент

Сергей Александрович ЦЫРУК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из тенденций нескольких последних десятилетий является внедрение инновационных систем тяговых электроприводов (ТЭП) подвижного состава электрического транспорта на базе синхронных и индукторных машин (ИМ). Использование вентильно-индукторного привода (ВИЛ) на транспорте обусловлено его характерными достоинствами: высоким уровнем надежности и простотой конструкции ИМ, возможностью гибкого управления скоростью, относительно высоким моментом. ВИЛ находит свое применение в основном на городском электрическом транспорте (ТЭТ), электромобилях и гибридных автомобилях, что вызвано спецификой движения описанных транспортных средств: постоянными ускорениями и торможениями в плотном городском трафике.

Одной из особенностей ВИЛ является обязательное наличие инвертора, ключами которого коммутируются фазы ИМ по сигналу от датчика положения ротора. Присутствие инвертора вызвано дискретной структурой ИМ и необходимостью соответствующего регулирования тока фазных обмоток для поддержания постоянного момента на валу ИМ. Пульсации момента и акустический шум являются основными недостатками ВИП, и для их устранения требуется гибкое управление фазным током, возможное только при достаточно высокой частоте коммутации транзисторов инвертора. При этом максимальная частота коммутации ограничивается мощностью динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме переключения ключей при номинальном значении тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора. Такой режим работы инвертора средней мощности (от 1кВт до 100кВт) на частоте до 20кГц приводит к высокому уровню динамических потерь в инверторе и перенапряжений изоляции ИМ, а так же к ухудшению электромагнитной совместимости (ЭМС) ВИП.

Увеличение количества электронной техники на подвижном составе, а также оборудования вдоль тяговых линий приводит к ужесточению требований, предъявляемых к ЭМС силовых потребителей и преобразователей электрической энергии. Кондуктивные высокочастотные помехи увеличивают потери в силовой це-

пи: преобразователях энергии и з линиях электропередач, а индуктивные помехи, излучаемые оборудованием, могут вызывать неисправности в смежном электронном оборудовании.

Существует ряд способов улучшения ЭМС преобразователей с внешней сетью электроснабжения переменного напряжения: использование активных и пассивных фильтров, особые алгоритмы работы ключей инвертора и управляемого выпрямителя, конструирование усложненной магнитной системы ИМ и т.д. Однако эти методы не подходят для улучшения ЭМС непосредственно на подвижном составе автономных транспортных средств и ГЭТ и обладают низкой энергоэффективностью.

Решением проблемы улучшения ЭМС, снижения динамических потерь в инверторе и перенапряжений может являться применение квазирезонансного преобразователя (КРП) в цепи инвертора, обеспечивающего коммутацию силовых ключей в определенные моменты времени при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, а так же при низкой скорости роста напряжения du/dt на транзисторе.

Целью работы является исследование эффекта улучшения показателей ЭМС и уменьшения динамических потерь в силовых ключах тягового ВИЛ при питании от источника постоянного напряжения в результате применения КРП с ограничением напряжения на звене постоянного тока совместно с асимметричным мостом в качестве преобразователя для ИМ.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Исследование электромагнитных и электромеханических процессов в ИМ аналитическим способом, разработка математической модели ВИЛ.

2. Определение подходящей для применения в составе ТЭП схемы КРП и исследование электромагнитных процессов в нем.

3. Разработка имитационной модели ВИП с КРП в среде моделирования Mat-lab Simulink.

4. Определение энергетической эффективности применения КРП на основании расчета динамических, статических и дополнительных потерь.

>

I

5. Анализ гармонического состава потребляемого ВИП тока на основании полученного спектра Фурье.

6. Сравнение результатов исследования привода с КРП и без него, выработка рекомендаций по уменьшению электромагнитного влияния и потерь в ВИП.

Методика • исследования. При решении поставленных задач используется теория электрических цепей, методы дифференциального исчисления, спектральный анализ, математическое моделирование с использованием компьютерной программы MathCAD, имитационное моделирование с использованием приложения Simulink из пакета программ Matlab, расчеты и построения диаграмм с помощью MS Excel, создание 3D моделей в среде AutoCAD.

Научная новизна полученных результатов

В рамках работы достигнуты следующие новые научные результаты:

1. Предложено схемно-техническое решение построения инвертора для ВИП с КРП, обеспечивающее уменьшение пульсаций момента на валу ИМ на скоростях, близких к номинальной скорости вращения.

2. Разработан алгоритм управления силовыми и вспомогательными ключами КРП на основе синхронизации тактов управления ключами инвертора с электромагнитными' процессами в преобразователе с реализацией режима ШИМ формы тока.

3. Доказано, что увеличение емкости конденсаторов, входящих в состав КРП, позволяет реализовать режим рекуперативного торможения без нарушения стабильности работы резонансного контура.

4. Разработана методика имитационного моделирования ВИП с КРП с возможностью исследования работы привода в различных режимах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Возможность использования КРП совместно с ВИП с реализацией генераторного режима и ШИМ формы тока.

2. Целесообразность применения КРП для уменьшения суммарных потерь в инверторе в режимах, близких к номинальному режиму при частоте коммутации более ЮкГц.

3. Имитационная модель для исследования процессов в КРП и ВИП, расчета потерь в транзисторах, переключаемых при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, проведения спектрального анализа.

4. Результаты моделирования работы КРП совместно с ВИП: электрические характеристики инвертора, механические характеристики ИМ.

Практическое значение полученных результатов

1. Доказано, что применение КРП, коммутируемого при нулевом напряжении, в цепи инвертора ИМ по сравнению с обычным ВИП:

— улучшает форму потребляемого приводом тока благодаря уменьшению амплитуды высших гармоник и их благоприятному распределению по спектру;

— позволяет уменьшить на 10% суммарные потери в приводе и в три раза снизить коммутационные потери в ключах асимметричного моста при частоте коммутации ЗОкГц;

— увеличивает надежность инвертора благодаря меньшей скорости роста тока и напряжения на силовых ключах и низком уровне коммутационных перенапряжений.

2. Разработанная в рамках работы имитационная модель КРП и обобщенной системы управления (СУ) ВИП может быть применена для исследования электромагнитных процессов преобразователя при его работе на различную нагрузку.

3. Создана программа расчета динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме мягкой коммутации при нулевом напряжении коллектор-эмиттер.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов имитационного моделирования с результатами теоретических расчетов, которые базируются на использовании методов математического моделирования и теории электрических цепей.

Внедрение результатов работы

Предложенный принцип коммутации был использован в созданном макетном образце импульсного генератора тока в рамках НИР «Генератор-12», проводимой ФГУП ВЭИ им. Ленина, г. Москва.

Апробаций работы

Результаты диссертационной работы были апробированы в НИОКР «Разработку модели резонансного преобразователя и адаптация его к двигателю» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2012».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры «Электрический транспорт» НИУ МЭИ, ХЫ Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2011); Ежегодной научно - технической конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (Москва, 2012); XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2012).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести печатных трудах, из них три публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы

Диссертация общим объемом 170 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (108 наименований) и четырех приложений. В работе 7 таблиц и 104 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика работы, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены существующие системы ТЭП, обоснована перспективность внедрения ВИЛ на автономномэлектрическом транспорте и ГЭТ.

Исследованы наиболее распространенные виды конструкций ИМ, сделан выбор схемы инвертора и конструктивного исполнения ИМ для дальнейшего исследования - наиболее подходящим для применения в ТЭП является ВИП с асимметричным мостом в качестве инвертора и ИМ с самовозбуждением (рисунок 1).

и тока источника питания, низким выброакустическим показателям.

Установлено, что основной причиной низкой ЭМС ВИП является высокая скорость роста тока и напряжения при коммутации силовых транзисторов. Проведен обзор основных способов уменьшения симметричных и асимметричных помех, перенапряжений, а так же технических решений по устранению пульсаций момента и улучшению виброакустических показателей.

Определены критерии оценки ЭМС, в работе анализируются спектры, полученные в результате быстрого преобразования Фурье, а так же спектральная плотность входного тока инвертора.

Во второй главе дано подробное описание процессов коммутации транзисторов при нулевом токе и напряжении коллектор-эмиттер, такой режим далее будем называть мягкой коммутацией. Режим переключения при номинальных значениях тока и напряжения называется режимом жесткой коммутации. Описаны модели ключей по способам коммутации, приведены графики, характеризующие траектории тока и напряжения при переключении и потери в ключах.

Рисунок 1

Определены основные достоинства и недостатки ВИП применительно к использованию на электрическом транспорте. Выявлено, что большинство особенностей ВИП приводит к ухудшению ЭМС, высоким пульсациям момента

Наибольшим энергетическим влиянием обладают воздействия, вызванные интерференционными токами, которые являются следствием жесткой коммутации ключей. Для снижения этого вида воздействия, а также перенапряжений и высоких динамических потерь в ЮВТ транзисторах традиционно применяются диссипативные снабберные цепочки, в которых рассеивается лишняя энергия. Также возможно формирование траектории формы тока транзистора с помощью управления затвором. Однако данные методы не увеличивают эффективность всего инвертора в целом и обладают низкой надежностью.

пряжения коллектор-эмиттер и при минимальном токе через транзистор в режиме мягкой коммутации. Для формирования требуемой формы напряжения на ключе необходимо использовать внешнюю цепь, которой может являться КРП.

Выполнен обзор существующих резонансных преобразователей, установлено, что большинство схем обладает одним из перечисленных недостатков: низкой надежностью, невозможностью реализовать ШИМ формы тока, невозможностью рекуперации в источник питания, сложностью работы в схеме асимметричного моста.

Анализ показал, что все же совместно с инвертором ВИЛ возможно использование КРП с ограничением напряжения на звене постоянного тока. КРП с пассивным ограничением напряжения обладает низкими массогабаритными характеристиками и высокой индуктивностью, поэтому в работе исследуется схема КРП с активным ограничением напряжения с дополнительным транзистором УТС и емкостью Сс (рисунок 3). Рекуперация обеспечивается путем перезаряда ограничивающего конденсатора Сс, который обладает достаточно большой емкостью, необходимой для стабильной работы схемы. Коммутация всех вспомогательных

UJ

а - включение; б -выключение Рисунок 2

U.I

's.

Наибольшим эффектом снижения динамических потерь обладает резонансный ключ (рисунок 2), при этом существенно снижается du/dt. В таком ключе переключение происходит при практически нулевом значении на-

транзисторов происходит в режиме нулевого тока или нулевого напряжения, а в схеме присутствует всего один дроссель в отличие от схемы с пассивным ограничением, где их три, что обуславливает относительно низкие дополнительные потери в резонансном контуре.

Помимо этого в схеме реализована возможность работы с асимметричным мостом благодаря установке параллельного транзистора Подключение обратных диодов верхнего транзистора УТ1 асимметричного моста к ограничительному конденсатору Сс позволит увеличить обратное напряжение, под которое попадает отключаемая фаза ИМ в режиме размагничивания. Возможен режим ШИМ, при котором несущая частота в несколько раз больше частоты колебаний резонансного контура.

/ \ I \

Л У \

/ \ / *

I- 1

0 1 2 3 4

Рисунок 3 - Принципиальная схема КРП с активным ограничением напряжения (слева) и качественные графики зависимости напряжения на звене постоянного тока иСг, тока дросселя г£г и управляющих импульсов вспомогательными ключами УТси УТ$ от времени (справа)

На основании решения дифференциальных уравнений состояния на каждом интервале работы схемы (таблица 1) получены выражения для критериев стабильной работы КРП:

1. Минимальная длительность интервала нулевого напряжения звена постоянного тока 1цсгжы определяется характеристиками используемых силовых полупроводниковых ключей, а именно временем полного перехода во включенное или отключенное состояние, которое принято равным 1мкс:

1мкс<^(/02-/01) + + + (1)

где 1о2 и /о; — конечное и начальное значение тока при коммутации ключа инвертора, 1т] и 1т2 - поправки уставок токоограничения для стабилизации работы контура.

2. Максимальная скорость роста и спада напряжения на звене постоянного тока \Юс/Ж, определяющая уровень перенапряжений и общую ЭМС инвертора, которая не должна превышать 1000 В/мкс:

ЮООВ/мкс > ^ = а)г 1и2ос£((102-!01)тах)2 (2)

тах у сг

ЮООВ/мкс = + (3)

Таблица 1- Последовательность работы КРП

№ Наименование интервала Характеристики Уравнение состояния

0. Интервал запаса энергии (/0-1]) Ток из источника питания протекает через X, и заряжает емкость Сг до момента достижения напряжения на звене постоянного тока 1/сг значения 1/сс сИт иВс-Ьг-^-иСг = 0

1. Интервал ограничения напряжения (О-/?) УИс проводит ток, в момент практически нулевого тока через него включается ¿к

2. Интервал спада напряжения «Из) Отключение при достижении тока через него рассчитанной на предыдущем цикле уставки ЛГг и перенаправление тока из ограничительного контура в резонансный контур ( ль, и0с-1г-£-исг = 0 1 -с ^ 1С'-Сг <11 V кг - кг -1т 2 = 0

3. Интервал нулевого напряжения (ь-и) Перенаправление тока из резонансного контура СГ-ЬТ в при практически нулевом токе через него включается ¿к

4. Интервал нарастания напряжения Отключение УТ$ при достижении тока через него заданной уставки ГГ¡, перенаправление тока из резонансного в ограничивающий контур 1 1 -с ^ V кг - ¿сг -102 = 0

По значениям минимальной длительности интервала нулевого напряжения и

максимальной скорости роста напряжения определены параметры резонансного контура £гиСг, а так же уставки токоограничения вспомогательных контуров:

4,4 мкФ < Сг, 2,1 мкГн <1Г< 2,1 мГн. При выбранных значениях £г=20мкГн и Сг=5мкФ длительность интервала нулевого напряжения и максимальная скорость

изменения напряжения составили: £4 —13=7,5 мкс, =73 В/мкс, —=

спад рост

26 В/мкс, что удовлетворяет заданным условиям.

В третьей главе сформулированы основные допущения, принятые в математической и имитационной моделях: математическая модель ИМ построена для режима одиночной симметричной работы, а в имитационной модели в режиме с перекрытием фаз используются результаты расчета при одиночной коммутации после применения метода суперпозиции для зависимостей момента, создаваемых каждой фазой. Помимо этого магнитные связи между одновременно работающими фазами не учитываются, а магнитные системы каждой из фаз двигателя одинаковы. Фазные обмотки идентичны друг другу, вихревые токи и гистерезис в магнитной системе не учитываются, источник питающего напряжения идеален.

Большинство принятых допущений являются традиционными для математического моделирования и не оказывают серьезного влияния на результаты моделирования, а так же позволяют оценивать характеристики привода с использованием минимальных вычислительных ресурсов.

В работе решено применять модель полного насыщения ИМ, что обусловлено ее достаточной изученностью, а так же относительной простотой реализации на обычном домашнем ПК.

На основании уравнений электрических контуров, уравнения механического равновесия и уравнений электромагнитного взаимодействия получена математическая модель ИМ:

г^с м~мс)

£Дф = Ш.У) М=т(1,у)

Решение последних уравнений требует предварительных трудоемких полевых расчетов магнитной системы для различных токов и положений ротора с целью определения зависимости Ч'е = Ч*(1,у) и М = М(£,у). Для решения этой задачи обычно используются мощные программные продукты типа Апвув или БЕММ, требующие большой вычислительной мощности. Поэтому в работе применяются существующие зависимости потокосцепления и момента от тока и положения ротора, представленные в стандартной модели 8нпро\уег пакета ¡УМаЬ ЗшиИпк. Данная модель с успехом используется для теоретического исследования режимов работы ВИП и хорошо себя зарекомендовала. На основе зависимостей (4) создана структурная схема математической модели одной фазы ИМ, представленная на рисунке 4.

Структурная схема ИМ лежит в основе базовой имитационной модели ИМ в втиПпк, изображенной на рисунке 5.

Для проведения предварительных опытов были разработаны модели обычного ВИП и КРП, работающего на однофазный инвертор напряжения и статическую активно-индуктивную нагрузку. Данные необходимы для анализа стабильной работы КРП при коммутации ключей в режиме ШИМ, так как моделирование работы КРП совместно с ИМ требуют больших вычислительных мощностей и занимают продолжительное время, что вызвано нелинейностью исследуемых процессов.

Имитационная модель силовой части КРП с ВИП представлена на рисунке 6. В модели заданы следующие параметры: напряжение источника питания С/дс=240В, индуктивность £,.=20мкТн, емкость Сг=5мкФ, емкость Сс=500мкФ, начальное напряжение Сс составляет 48В, уставка отключения УТ$ равна 20А.

индукторная мшшна

......»

вывод сигаачо» язя

лостоянши графинов

элементы

ограничительного

конгуря

элемента -резонансного контура ■*'

источник /гашиш

(шпульсы. ипрамяюшж силовыми ключами

Рисунок 6 - Имитационная модель КРП в цепи инвертора при работе с ИМ

В четвертой главе приведены результаты имитационного моделирования, в котором применяется решатель ode23t, время выборкиГ^ составляет 10'7 с.

Как показали опыты, для удовлетворительной работы ШИМ совместно с КРП необходимо, что бы частота собственных колебаний контура была не менее чем в 5 раз больше несущей частоты ШИМ, что проиллюстрировано на рисунке 7. Присутствует задержка включения или выключения силового IGBT в случае, если команда на его коммутацию поступила в момент начала интервала ограничения напряжения звена постоянного тока. Задержка не превышает значения длительности этого интервалаи не сказывается на форме тока нагрузки.

Анализ механических характеристик в режиме поддержания тока фазы показывает, что применение жесткой коммутации фазы ИМ для формирования тока в ней приводит к уменьшению среднего момента на валу на 5% в зоне постоянства момента. В зоне постоянства мощности при большей скорости вращения разница между значениями среднего момента отсутствует.

При использовании схемы с КРП средний пусковой момент увеличился на 2,5% благодаря большей скоростью роста тока при повышенном максимальном напряжении фазы ИМ, определяемым К-Unc- При увеличении скорости вращения вала средний момент в схеме с КРП оказывается не меньше чем в схеме с обычным ВИП (рисунок 8).

га.ша'Е

Пульсации момента на высокой скорости вращения вала меньше в среднем на 10% и уменьшаются с увеличением скорости вращения выше номинальной, что достигается подключением обратных диодов асимметричного моста инвертора к конденсатору Сс ограничительного контура. Процесс отключения фазы в режиме ее

« ! 1

.......,-—1——-1——>—-- .....

................................. . .

—------ --|

——-- ----- : .: тшштш

Рисунок 9

Рисунок 8

размагничивания проиллюстрирован на рисунке 9.

Проведены опыты в режиме реверсивного и рекуперативного торможения, график, характеризующий генераторный режим при работе КРП с ИМ изображен на рисунке 10.

Анализ механических, электромеханических и временных характеристик ВИП с КРП и без него позволяет сделать вывод, Рисунок 10 что сравниваемые приводы об-

ладают схожими характеристиками, различие в показателях не превышает 12%, в среднем составляет 7%. Применение КРП не ухудшает свойства привода, более того, наблюдается большая эффективность в режиме рекуперации и меньшие пульсации на высокой скорости вращения вала ИМ.

В результате спектрального анализа потребляемого тока отмечено, что использование резонансной схемы приводит к появлению ярко выраженных кратных основной гармоник, с достаточно высокой магнитудой до 40% от магнитуды

основной частоты. Однако общее распределение гармоник в случае применения КРП благоприятнее, чем с применением схемы без преобразователя: отсутствует явно выраженное проявление субгармоник низкой частоты, при этом в зоне частот выше ЮкГц магнитуда гармоник меньше в 5-7 раз, за исключением явно выраженных максимумов, обусловленных резонансными процессами в преобразователе. Однако магнитуда этих гармоник не превышает магнитуду в случае инвертора без КРП (рисунок 11).

Рисунок 11

Применение КРП в цепи инвертора целесообразно при частоте коммутации выше ЮкГц при в режиме, близком к номинальному, то есть при максимально возможном токе. При работе с током много меньше номинального суммарные потери в инверторе с КРП оказываются выше, чем без него (рисунок 12).

400

200

а

о 2

— .....у 2—

и ЧР 4=

10

20

^емштег1'4

=3=С КРП 100 А Рстат -А-СКРП ЮОАРдоп.

КРП 100 А Рсумм =Ж=Без КРП 100А Рдин «О-Беэ КРП 100А Рстат

100

50

=ЕНС КРП 30 А Рстат -А-СКРП ЗОАРдоп. —К— С КРП 30 А Рсумм -*»Без КРП ЗОА Рдин =С=>Без КРП ЗОА Рстат

Рисунок 12

В пятой главе проведено сравнение массогабаритных показателей обычного ВИП и ВИП с КРП,сделан выбор транзисторов и охладителей силового инверто-раи вспомогательного контура. Предложена методика проектирования ВИП с КРП. Сравнительный чертеж ИМ, обычного инвертора и инвертора с КРП без режима рекуперации с применением ионисторов показан на рисунке 13.

В программе Бепше! проведен тепловой проверочный расчет транзисторных модулей. Доказано, что использование КРП позволяет снизить требования к охладителю ЮВТ и улучшить массогабаритные показатели привода. По результатам расчета с использованием данных имитационного моделирования, выявлено, что КПД инвертора с КРП в цепи инвертора практически не отличается (больше на 1,7%) от КПД обычного ВИП.

Показана возможность уменьшения на 30% объема элементов инвертора привода с КРП в цепи инвертора благодаря использованию менее производительной системы охлаждения, так как динамические потери в ключах инвертора существенно снижены. Это привело к незначительному увеличению на 11% температуры кристалла ЮВТ модуля в инверторе с КРП, однако максимальная температура сборки не превышает допустимую температуру модуля в 125 °С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении работы по исследованию возможности создания энергоэффективного инвертора для тягового ВИП с улучшенной ЭМС инвертора для электрического транспорта были получены следующие результаты: 1. Доказано, что применение КРП положительно сказывается на ЭМС привода: общее распределение гармоник в спектре потребляемого тока благоприятнее, субгармоники имеют в несколько раз меньшую амплитуду, чем в обычном инверторе. ,

Рисунок 13

2. Показана энергетическая целесообразность применения КРП в составе ТЭП при частоте коммутации выше ЮкГц в режимах, близких к номинальному: в несколько раз снижены динамические потери в силовых транзисторах, суммарные потери ниже, чем в обычном инверторе.

3. Увеличена надежность инвертора, которая определяется условиями работы силовых транзисторов: при меньших потерях на коммутацию удалось существенно снизить скорость изменения напряжения на силовых полупроводниковых элементах ниже значения ЮООВ/мкс при частоте коммутации ЗОкГц, при этом перенапряжения в силовой цепи уменьшены практически до нулевого значения.

4. Разработан алгоритм управления ВИП с КРП, обеспечивающий работу привода в основных режимах, в том числе рекуперативного торможения и ШИМ тока тяговой ИМ.

5. Получены механические характеристики ВИП с КРП не хуже, чем в обычном приводе, а при высоких скоростях удалось уменьшить пульсации момента на валу ИМ.

6. В результате эскизного проектирования уменьшен объем занимаемого инвертором оборудования на 30% за счет незначительного увеличения максимальной температуры транзистора и применением менее производительной системы охлаждения.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

трудах:

1. Москалев М.В. Моделирование тягового вентильно-индукторного привода для автономных транспортных средств/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов, А.И. Маматов// Электричество.- М.: Изд-во Знак, 2011.-№10. - С.31-35.

2. Москалев М.В. Гибридный накопитель энергии для транспорта/ М.В. Москалев, М.Г. Колобов, В.И. Климов и др.// Электричество,- М.: Изд-во Знак, 2011.- №10. - С.26-30.

3. Москалев М.В. Моделирование вентильно-индукторного привода с использованием резонансного преобразователя в цепи инвертора/ М.В.

Москалев, М.А. Слепцов// Вестник МЭИ - М.: Изд-во МЭИ, 2013 - №2.- С.95-101.

4. Москалев М.В. Резонансный преобразователь для вентильно-индукторного привода/ М.В. Москалев, А.И. Маматов, М.А. Слепцов// Материалы конференции Федоровские чтения 2011.-М.: Изд-во МЭИ, 2011. - С. 145-146.

5. Москалев М.В. Резонансный преобразователь с активной цепью ограничения напряжения как решение вопроса электромагнитной совместимости вентиль-но-индукторного привода/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов// Труды ежегодной Научно - Технической Конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» М., 2012.

6. Москалев М.В. Инвертор для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов// Труды XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты».- Крым, Алушта, 2012 - С. 174176.

Подписано в печать 16.D&1H ак. т Тир. WD П.л. ш Полиграфический центр МЭИ Красноказарменнаяул, д.13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"

На правах рукописи

04201357986

МОСКАЛЕВ МАКСИМ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ИНВЕРТОРА ДЛЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА С УЛУЧШЕННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТЬЮ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор М. А. Слепцов

Москва, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.......................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

Глава 1 ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА......................................................................................................................12

1.1 Обзор систем тягового электропривода, конструкций индукторных машин и преобразователей для них...............................................................12

1.2 Особенности вентильно-индукторного привода и их влияние на электромагнитную совместимость................................................................25

1.3 Причины низкой электромагнитной совместимости.............................28

1.4 Обзор решений улучшения электромагнитной совместимости инвертора..........................................................................................................33

1.5 Выводы по главе 1.....................................................................................41

Глава 2 РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КАК РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ................................42

2.1 Теория переключения ключей.................................................................42

2.2 Анализ существующих схем резонансных преобразователей.............49

2.3 Описание работы квазирезонансного преобразователя........................62

2.4 Алгоритм управления коммутацией........................................................74

2.5 Выводы по главе 2.....................................................................................77

Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛИ.................78

3.1 Математическая модель............................................................................79

3.2 Система управления..................................................................................83

3.3 Имитационная модель...............................................................................85

3.4 Выводы по главе 3...................................................................................102

Глава 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ..........103

4.1 Предварительные опыты........................................................................103

4.2 Анализ характеристик привода..............................................................107

4.3 Спектральный анализ..............................................................................119

4.4 Методика расчета потерь при мягкой коммутации.............................121

4.5 Выводы по главе 4...................................................................................133

Глава 5 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА С КВАЗИРЕЗОНАНСНЫМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.............................................................................................134

5.1 Индукторная машина..............................................................................134

5.2 Инвертор...................................................................................................135

5.3 Элементы резонансного контура...........................................................140

5.4 Массогабаритные показатели................................................................147

5.5 Рекомендации по применению разработки..........................................153

5.6 Выводы по главе 5...................................................................................154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................155

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.....................157

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Каталоги производителей..............................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Результаты теплового расчета.......................................190

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Акт внедрения.................................................................194

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Письмо ФГУП ВЭИ........................................................195

ВВЕДЕНИЕ

Одной из тенденций нескольких последних десятилетий является внедрение инновационных систем ТЭП подвижного состава электрического транспорта на базе синхронных и ИМ. Использование ВИЛ на транспорте обусловлено его характерными достоинствами: высоким уровнем надежности и простотой конструкции ИМ, возможностью гибкого управления скоростью, относительно высоким моментом. ВИЛ находит свое применение в основном на ГЭТ, электромобилях и гибридных автомобилях, что вызвано спецификой движения описанных транспортных средств: постоянными ускорениями и торможениями в плотном городском трафике.

Одной из особенностей ВИЛ является обязательное наличие инвертора, ключами которого коммутируются фазы ИМ по команде СУ, формирующей ее по сигналам датчика положения ротора и датчиков тока. Присутствие инвертора вызвано дискретной структурой ИМ и необходимостью соответствующего регулирования тока обмоток для поддержания постоянного момента на валу ИМ. Пульсации момента и акустический шум являются одними из основных недостатков ВИП, и для их устранения требуется гибкое управление фазным током, возможное только при достаточно высокой частоте коммутации транзисторов инвертора. При этом максимальная частота коммутации ограничивается мощностью динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме переключения ключей при номинальном значении тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора. Такой режим называется жесткой коммутацией, и существенно ограничивает область безопасной работы силовых транзисторов. Режим жесткой коммутации ключей инвертора средней мощности (от 1кВт до 100кВт) на частоте до 20кГц приводит к высокому уровню динамических потерь в инверторе и перенапряжений изоляции ИМ, а так же к ухудшению ЭМС ВИП. Возможный перегрев транзисторов и высокий уровень перенапряжений снижает надежность инвертора, а наличие эффективного охладителя снижет массогабаритные показатели привода.

Актуальность темы

Увеличение количества электронной техники на подвижном составе, а также оборудования вдоль тяговых линий приводит к ужесточению требований, предъявляемых к ЭМС силовых потребителей и преобразователей электрической энергии. Кондуктивные высокочастотные помехи увеличивают потери в силовой цепи: преобразователях энергии и в линиях электропередач, а индуктивные помехи, излучаемые оборудованием, могут вызывать неисправности в смежном электронном оборудовании.

Существует ряд способов улучшения ЭМС преобразователей с внешней сетью электроснабжения переменного напряжения: использование активных и пассивных фильтров, особые алгоритмы работы ключей инвертора и управляемого выпрямителя, конструирование усложненной магнитной системы ИМ и т.д. Однако эти методы не подходят для улучшения ЭМС непосредственно на подвижном составе автономных транспортных средств и ГЭТ и обладают низкой энергоэффективностью, обусловленной жесткой коммутацией.

Решением проблемы улучшения ЭМС, снижения динамических потерь в инверторе и перенапряжений может являться применение КРП в цепи инвертора, обеспечивающего коммутацию силовых ключей в определенные интервалы при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, а так же при низкой скорости роста напряжения du/dt на транзисторе. Такой режим называется мягкой коммутацией и обеспечивает меньшие динамические потери в полупроводниковых приборах.

Цель и задачи исследований

Целью диссертации является исследование эффекта улучшения показателей ЭМС и уменьшения динамических потерь в силовых ключах тягового ВИЛ при питании от источника постоянного напряжения в результате применения КРП с

ограничением напряжения на звене постоянного тока совместно с асимметричным мостом в качестве преобразователя для ИМ.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Исследование электромагнитных и электромеханических процессов в ИМ аналитическим способом для определения оптимальных режимов работы, пригодных для ТЭП.

2. Определение оптимальной схемы РП и исследование электромагнитных процессов для определения параметров элементов резонансного контура и алгоритмов управления преобразователем.

3. Разработка имитационной модели ИМ, силового инвертора и РП для исследования динамических характеристик обычного ВИЛ и ВИЛ с РП для уточнения теоретических результатов исследования.

4. Разработка методики расчета суммарных, динамических и статических потерь во всех элементах привода и преобразователя.

5. Получение спектра потребляемого ВИП тока, анализ гармонического состава, определение параметров ЭМС привода.

6. Сравнение результатов исследования обычного ВИП и ВИП с КРП, выработка рекомендаций по уменьшению ЭМВ и потерь в ВИП.

Объектом исследования является ВИП с КРП с активным ограничением напряжения и асимметричным мостом в качестве инвертора напряжения, коммутируемом при нулевом напряжении на полупроводниковых приборах.

Предметом исследований являются электромагнитные процессы в КРП, переключаемом при нулевом напряжении и работающего в составе инвертора ВИП; электромагнитные и механические характеристики ВИП с КРП, алгоритмы работы СУ ВИП и ключами КРП.

Научная новизна полученных результатов

В настоящее время имеется достаточное количество исследований, посвященных улучшению характеристик ВИЛ, в большинстве своем направленных на снижение пульсаций момента и улучшение виброакустических характеристик привода.

Применение КРП в составе ТЭП для уменьшения динамических потерь и улучшения ЭМС встречает ряд сложностей, таких как необходимость реализации режима рекуперативного торможения и обеспечения ШИМ регулирования фазного тока с учетом противоэдс машины.

В рамках работы достигнуты следующие новые научные результаты:

1. Предложено схемно-техническое решение построения инвертора для ВИП с КРП, обеспечивающее меньшие пульсации момента на валу ИМ на скоростях, близких к номинальной скорости вращения.

2. Разработан алгоритм управления силовыми инвертора и вспомогательными ключами КРП на основе синхронизации тактов управления ключами инвертора с электромагнитными процессами в КРП с реализацией режима ШИМ регулирования тока ИМ.

3. Доказано, что увеличение емкости конденсаторов, входящих в состав КРП, позволяет реализовать режим рекуперативного торможения без нарушения стабильности работы резонансного контура.

4. Разработана методика имитационного моделирования ВИП с КРП с возможностью исследования работы привода в различных режимах.

Практическое значение полученных результатов

1. Доказано, что применение КРП в цепи инвертора ИМ по сравнению с обычным ВИП:

— улучшает форму потребляемого приводом тока благодаря уменьшению амплитуды высших гармоник и их благоприятному распределению по спектру;

— позволяет уменьшить на 10% суммарные потери в приводе и в три раза снизить коммутационные потери в ключах асимметричного моста при частоте коммутации ЗОкГц;

— улучшает условия работы силовых ключей инвертора благодаря меньшей скорости роста тока и напряжения на них, уменьшает величину коммутационных перенапряжений.

2. Разработанная в рамках работы имитационная модель КРП и обобщенной системы управления (СУ) ВИП может быть применена для исследования электромагнитных процессов преобразователя при его работе на различную нагрузку.

3. Создана программа расчета динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме мягкой коммутации при нулевом напряжении коллектор-эмиттер.

4. Предложенный принцип коммутации был использован в созданном макетном образце импульсного генератора тока в рамках НИР «Генератор-12», проводимой ФГУП ВЭИ им. Ленина. КРП используется для предотвращения перегрева силовых ЮВТ.

Методика исследования

При решении поставленных задач используется теория электрических цепей, методы дифференциального исчисления, спектральный анализ, математическое моделирование с использованием компьютерной программы МаЛСАО, имитационное моделирование с использованием приложения 8ипи1тк из пакета про-

грамм Matlab, расчеты и построения диаграмм с помощью MS Excel, создание 3D моделей в среде AutoCAD.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Возможность использования КРП совместно с ВИП с реализацией генераторного режима и ШИМ формы тока.

2. Целесообразность применения КРП для уменьшения суммарных потерь в инверторе в режимах, близких к номинальному режиму при частоте коммутации более 1 ОкГц.

3. Имитационная модель для исследования процессов в КРП и ВИП, расчета потерь в транзисторах, переключаемых при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, проведения спектрального анализа.

4. Результаты моделирования работы КРП совместно с ВИП: электрические характеристики инвертора, механические характеристики ИМ.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были апробированы в НИОКР «Разработка модели резонансного преобразователя и адаптация его к двигателю» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2012» в соответствии с протоколом от «21» февраля 2012г. заседания Экспертного совета Программы и решением конкурсной комиссии Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере от "27" марта 2012 г.

Результаты диссертационной работы использованы при создании макетного образца импульсного генератора на напряжение до 3 кВ и ток до 3 кА в рамках

НИР «Генератор-12» в виде конструктивных решений при создании силового коммутатора на основе ГСВТ в соответствии с актом внедрения (см. прил.З).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. ХЫ Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2011);

2. Ежегодной Научно - Технической Конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (Москва, 2012);

3. XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2012).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести печатных трудах, из них три публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Москалев М.В. Моделирование тягового вентильно-индукторного привода для автономных транспортных средств/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов, А.И. Маматов// Электричество-М.: Изд-во Знак, 2011.-№10. -С.31-35.

2. Москалев М.В. Гибридный накопитель энергии для транспорта/ М.В. Москалев, М.Г. Колобов, В.И. Климов и др.// Электричество - М.: Изд-во Знак, 2011.- № 10. - С.26-30.

3. Москалев М.В. Моделирование вентильно-индукторного привода с использованием резонансного преобразователя в цепи инвертора/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов// Вестник МЭИ - М.: Изд-во МЭИ, 2013 - №2-С.95-101.

4. Москалев М.В. Резонансный преобразователь для вентильно-индукторного привода/ М.В. Москалев, А.И. Маматов, М.А. Слепцов// Материалы конференции Федоровские чтения 2011.- М.: Изд-во МЭИ, 2011. - С.145-146.

5. Москалев М.В. Резонансный преобразователь с активной цепью ограничения напряжения как решение вопроса электромагнитной совместимости вентильно-индукторного привода/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов// Труды ежегодной Научно - Технической Конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ»М., 2012;

6. Москалев М.В. Инвертор для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью/ М.В. Москалев, М.А. Слепцов// Труды XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты».-Крым, Алушта, 2012.-С. 174-176.

Структура и объем работы

Диссертация общим объемом 170 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (108 наименований) и четырех приложений. В работе 7 таблиц и 104 рисунка.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО

ПРИВОДА

1.1 Обзор систем тягового электропривода, конструкций индукторных

машин и преобразователей для них

В настоящее время на электрическом транспорте используются несколько систем ТЭП: постоянного тока, с асинхронными и синхронными машинами, а также ВИЛ. Интерес к использованию ВИЛ на транспорте в последнее время обусловлен его характерными особенностями: высоким уровнем надежности и простотой конструкции ИМ, возможностью гибкого управления скоростью, относительно высоким моментом на валу ИМ. Поэтому ВИП находит свое применение в основном на ГЭТ, электромобилях и гибридных автомобилях, что вызвано спецификой движения описанных транспортных средств: постоянными ускорениями и торможениями в плотном городском трафике [48].

Основными отличительными требованиями, предъявляемыми к ТЭП, всегда являлись необходимость рекуперативного торможения, высокий пусковой и тормозной момент, возможность работы в различных климатических условиях, высокая гибкость регулирования в широком диапазоне скорости и момента [14, 36]. На данный момент различают несколько систем ТЭП, обеспечивающих выполнение всех этих условий при ужесточающихся требованиях к надежности и простоте обслуживания привода. Рассмотрим основные особенности используемых на электрическом транспорте систем ТЭП.

1. П�