автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка статических преобразователей для питания нетяговых потребителей городского электротранспорта с отбором мощности от контактной сети

РГб ОА 2 О МАЙ 1937

ТРИФОНОВ

Борис Алексеевич

11а правах рукописи УДК 629.314.57

РАЗРАБОТКА СТАТИЧЕСКИХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА С ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ОТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор ХОЖАИНОВ Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ГАМАЮНОВ Александр Владимирович;

кандидат технических наук, доцент ТРЕНИХИН Валентин Васильевич

Ведущее предприятие — АО «Электросила».

Защита состоится ««?*"'?. » мая 1997 г. в 15 час 30 мин на заседании диссертационного совета К 114.03.07 Петербургского государственного университета путей сообщения (190031, С.-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5-407).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан » * . . 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент В. С. СМИРНОВ

Общая характеристика работы Актуальность работы

Переход к рыночной экономике породил много проблем как в социальной, так и экономической сферах нашей страны. Перед городским транспортом стоят основные задачи - увеличение провозной способности п повышение ритмичности его работы, решение которых на данном этапе развития экономики связано с большими трудностями. Так повышение тарифов на электроэнергию ставит работу как городского, так и железнодорожного транспорта в сложные условия.

Решение задачи успешной работы транспорта определяется, в основном, повышением его технического уровня, но, если вопросам технического состояния подвижного состава п систем электроснабжения уделяется должное внимание, что связано с большим количеством научно-технических работ, проводимых как в научно-исследовательских, так и учебных заведениях страны, то вопросам работы подразделений городского транспорта, обеспечивающих жизнедеятельность подвижного состава, уделяется относительно небольшое внимание, хотя доля потребления электроэнергии этими подразделениями составляет 20 %.

Таким образом, совершенствование работы вспомогательных подразделений может значительно снизить потребление электроэнергии городским транспортом в целом. Особенность работы этих подразделений заключается в том, что обслуживание как подвижного состава, так и систем электроснабжения осуществляется как в стационарных условиях (депо, мастерские), так и в условиях работы на линии.

Особого внимания требует, конечно, работа на линия, где питание различных обслуживающих механизмов осуществляется от переносных источников энергии.

В настоящее время службами городского транспорта применяются различные электромашинные преобразователи, где в качестве приводного двигателя используются либо двигатели внутреннего сгорания, либо электродвигатели. Применение первого вида преобразователей оправдано тогда, когда отсутствуют стационарные источники электроэнергии. Применение второго типа преобразователей на данном этапе экономически нецелесообразно. Таким образом, для городского транспорта возникла проблема в создании различных статических преобразователей средней

мощности (от 1 кВт до 20 кВт) с отбором энергии от контактного провода.

Цель работы.

Разработка и создание тиристорных преобразователей постоянно- переменного тока с питанием от контактной сети городского электротранспорта.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

•выбор схемы и разработка методики расчета основных характеристик преобразователя;

•проведение теоретических исследований режима работы инвертора; ,

•разработка и создание опытного образца преобразователя в системе городского электротранспорта.

Методика исследований.

В работе использованы методы теории электрических цепей, теории тригонометрических рядов Фурье, теории функции комплексного переменного. Прикладные программы для ПЭВМ разрабатывались на языке Бейсик. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории университета и в цехе путевых конструкций ГП Торэлекгротранс" г. Санкт-Петербурга на вагоне М4.

Научная новизна работы.

Разработана методика расчета основных характеристик преобразователя с учетом его реальных параметров.

Определены условия работы преобразователя в зависимости от соотношения параметров элементов схемы.

Разработана схема замещения преобразователя для к-ой гармоники тока нагрузки.

Предложена инженерная методика определения динамических характеристик преобразователя при его работе в колебательном режиме.

Практическое значение работы.

Разработанные методики расчета позволяют рассчитывать основные характеристики преобразователя как статические, так и динамические с учетом реальных параметров элементов его схемы.

Полученные результаты использованы при создании опытных преобразователей постоянно-переменного тока для питания

нетяговых потребителей в службах ГП Торэлектро гране" г. Санкт-Петербурга.

Достоверность рсзультатоо

расчета характеристик однофазных мостовых инверторов, определенных методом гармонического анализа, подтверждается удовлетворительной сходимостью с результатами экспериментальных измерений.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены на научно-технической конференции "Энергетическая электроника на транспорте" г. Севастополь, 1990 г.; научно-технической конференции ПГУПСа - "Неделя науки-95"; научно-технической конференции ПГУПСа - "Неделя науки-96".

Публикации.

По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (81 наименование), 3 приложений. Работа содержит 134 страницы, включая рисунки и таблицы.

Основное содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Показана необходимость применения для питания нетяговых потребителей городского электротранспорта статических преобразователей, имеющих высокие технико-экономические показатели. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В первой главе выполнен обзор и анализ нетяговых потребителей городского электротранспорта, мощность которых составляет от 0,25 до 2,1 кВт.

Питание нетяговых потребителей может осуществляться от контактного провода через соответствующий преобразователь, позволяющий получить на его выходе необходимый уровень напряжения, род тока, частоты и т.д.

Анализ преобразовательных структур показываег, что в настоящее время получили распространение как однозвенные, так и многозвенные преобразователи. Причем многозвенные структуры

позволяют значительно уменьшить массу электромагнитных элементов схемы за счет повышения частоты либо входного, либо выходного звена преобразователя.

Выбор схемы преобразователя осуществлен на основании сравнения потерь в полупроводниковых элементах схемы, которое показало, что наибольшее преимущество имеет схема однофазного мостового параллельного инвертора (рис. 1)

Однако надежность работы инвертора и качество выходного напряжения определится выбором величины таких параметров элементов схемы, как: индуктивность входного дросселя , емкость коммутирующего конденсатора С, величина сопротивления нагрузки Кн. Эти вопросы требуют решения. Таким образом, актуальным« являются задачи определения характеристик преобразователя с учетом реальных параметров его схемы.

Во второй главе разработана методика определения основных параметров инвертора на основе метода гармонического анализа.

Процессы, происходящие в схеме однофазного параллельного инвертора (рис. 1) описываются известной системой уравнений:

Í/.-V

dio dt

0 = '.Л.-7

'о =»„+',

(1)

Решение системы (1) справедливо только при 0 ¿ t ¿ Т/2. В момент Т/2 S I S Т происходит процесс коммутации тиристоров схемы, приводящий к изменению направлений тока конденсатора ic и токи нафузки ÍH.

Однако, умножая параметры системы (1), относящиеся к постоянному току (U„ и i.) на коммутационную функцию S, (рис. 16), можно получить систему уравнений (2), справедливую для любого момента времени t:

■R.

o ^K-K-^Kdt-U^

о

(2)

О-гу~у-\_

V.

V

¿1 юз

<с Р.

5)

*1

о -1

а

•о

г

т/1 т

№

г1

Т/л Т

Рис.1 Принципиальная схема инвертора (а) и временные диаграммы : б- коммутационной функции 4 в- входного напряжения $ И„ ', г- входного тока £ ¿0 .

Так как токи и напряжения на выходе инвертора имеют периодический характер, то решение системы (2) может быть представлено в виде гармонических рядов:

'« = 2 А«* "cos kcot + ' s'n kcot>

ос ac

'с = X ¡ut' COS kcot + £ /jct • sin ксЫ\

»»i

(3)

= Z Aot ■coskeüt +Z 'lot Sin 1 = 1 ы

где к = 1,3,5 - ...номера нечетных гармоник.

Входное напряжение с учетом коммутационной функции

можно записать как

п к

(За)

где к = 1,3,5 • ...

Система уравнений (2) может быть заменена двумя алгебраическими системами, составленными отдельно для косинусных и синусных коэффициентов рядов (3). Для косинусных коэффициентов 4

;Ц)(0)= К -ка}1ш

л

hot = Л нк + Лс*

(4)

Для синусных коэффициентов

4

■^U0=-Ld-k(oIm+I2llk-RH;

0 = 1 .R +-М--U '2"< » как'

huk = нк ^2ск

(5)

Совместное решение систем уравнений (4) и (5) дает выражение коэффициентов соответствующих гармонических рядов. Для тока ¡„

= 4 -/„(ОМ. •(/„

Для тока ¡с

_ 4^ ¿У/.ДД, • /„(0) + (/„ • шСД,3 ■ (1 - * У£,С) _ 4_ ксо'ЪСП, ■иа-ко>Ч.,СЛп1-10{Ъ)\\-к*с>>^С)

Для тока ^¡о

= 4 • Д, /„(О) + [/„ [аСД,2 •(! - ¿2а>%С) -

4 у-Л,-"„(о)-[^2

=

(6)

(7)

(8)

В выражения (6-8) входит величина ¡о(0) - значение тока ¡о в момент коммутации тиристора схемы.

Однако, в установившемся режиме среднее значение входного напряжения 11о равно среднему значению падения

напряжения в нагрузке

= (9)

п к=\ К Подставляя значение коэффициента Ьнж в (9), получаем

и 8 'Ьк'МкшЬУ+^^-к^Ь.сУ] (Ю)

-- М

Выражение (10) содержит в числителе и знаменателе ряды, имеющие "плохую" сходимость, т.е. для получения необходимо производить суммирование относительно большого числа гармоник.

Для определения суммы рядов числителя и знаменателя выражения (10) введем обобщенные относительные параметры.

л

а = •

и /»-

1

" ^ 2Л„ \ С И сумма ряда числителя определяется выражением

1 -к2

г „«

л а*

а знаменателя

4лт2

(И)

(12)

Для нахождения суммы ряда использована теория вычетов, при этом введена вспомогательная функция комплексного переменного Дг) (лг/2), где

К

2п

г2-(2/]2-\)+1

(13)

а а

На основании теоремы Коши, учитывая, что функция Г(г) -четная, сумма ряда определяется выражением

Л2

*=1 4 т

Т= Эщ

где к=1,3,5...; а,„ - полюса функции {{г), ш = 0,1,2,3,4.

Причем, полюс Эщ являются корнями уравнения (13). Корни уравнения (13) зависят от величины коэффициента Р: - при р >1

(14)

а „ г~1- а

К п

к

- при Р <1

(15)

-u-

*3.4=±f(Vl -P2

- при p = 1

a

z\,l=z*A=± — 'j <!7>

К

Таким образом, приР > 1

. 2 , 001 г ,аЬ и b • th — - a -th—

2 2

при р < 1

U0 Ifl^JshaP-jlf}' - l) ■ sinaVr^ ° 1 — shap-p

■ sin p1

при P = 1

U0 2sha + a (20)

'oW - ТБ---Z-

2 R¡{ sha-a

Анализ выражений (18-20) показывает, что режим прерывистого тока преобразователя возможен только при Р < 1, однако это условие является необходимым, но не достаточным. Достаточным же условием является то, что коэффициент а должен удовлетворять неравенству:

(2и +\)-п<а<>{п + ])-2к

Максимальное значенне коэффициента а зависит от частоты преобразователя и времени выключения t„ura применяемого типа тиристоров и равно

а =----(2|)

м 2f-t

J вЫК1

Получено выражение для действующего значения тока 1„ к-ой гармоники

Действ\ющее значение тока нагрузкнк-он гармоники равно

'т

u;j+{(oLd.¡n(o))2 k J (22)

■ V2 I [k(oL¡)Z + Rjr( 1 - kWLjCf

Выражение (22) схем замещения однофазного мостового иивентора относительно тока ¡„, которая представляется двумя источниками э.д.с.:

Р _

Л'к- л/2 " э ,дс' источника питания к-ой гармоники;

_ ^ " э д с'' обусловленная начальным током

¡о(0), сдвинутая относительно Еок на угол л/2 и двумя сопротивлениями, соединенными последовательно:

хц - индуктивное сопротивление входного дросселя к-ой гармоники;

= И,, + - эквивалентное активное сопротивление к-ой гармоники, где

К81 = (-1)Кнк2ю2ЬаС.

Определено выражение для действующего значения тока нагрузки 1„. Полученные выражения показывают, что коэффициент Р определяет и режим работы преобразователя:

- при р>1 - апериодический режим, при Р<1 - колебательный. Кроме того, при р<1 величина напряжения в нагрузке может превышать величину напряжения источника питания 1)о. Условием, определяющим это, является

ФУЛ

и0

>1.

Построенные зависимости коэффициента нелинейных искажений к„ от величины сопротивления Я„ нагрузки (рис. 2) показывают, что его величина обратно пропорциональна значению коэффициента а. Таким образом, зная значение параметра нагрузки, можно определить форму выходного напряжения.

Полученные выражения для среднего значения входного тока 1о также показывают, что величина 1о определяется значениями коэффициента р. Если при р>1 величина тока 1о незначительно зависит от параметров элементов схемы преобразователя (рис. 3), то при р<1 происходит резкое изменение его о коэффициента а. Если (2п+1) я (4п+3у2 я возрастает среднее значение тока 1о , что необходимо учитывать при выборе типа полупроводникового прибора по току.

-<ъ

m ом

0.92 0.9

о

S)

0.9

o.t

0.7

as as 0Л û.i ал t.t

в

Рис.2

ta

toa

га

L- 0.075 Гн 2. Lj'O.Hïb i Lj* O.OliSГц

Jo

40

¿oa

ш

400

SU

sa Oí

JL

sea Un

Зависимость k„ от величины сопротивления нагрузки а-при^>1 , б-при_£«1.

Рис.З ^аьисимость среднего значения тока 1С от Р при условии, чтс: а-/>>■)' ; 5

D третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с определением динамических параметров преобразователя.

Получены выражения, определяющие время ^ьол

действия

обратного напряжения, приложенного к тиристорам схемы в MOMeirr коммутации.

При (5>1 величина времени 1вшл. равна

, ^ 1п2 (23)

a-f-b

Определение времени tíbnL1 при Р<1 связано с решением уравнения u«(t) = 0, но выражение мгновенного значения напряжения u„(t) при Р<1 определяется сложной показательно-тригонометрической зависимостью, что затрудняет вычисление 1„дЛ в практических расчетах. Однако анализ зависимости u„(t) при Р<1 показал, что величина напряжения меняется почти по линейному закону (рис. 4). Таким образом, определение времен выключения при Р<1 возможно по данным напряжения нагрузки U„ н скорости нарастания прямого напряжения dU/dt в момент времени t = 0.

, 1 Vr^-.vW+/42/,(0R-l)sinaVr^ (24)

' М гр. ^Г^". /о(о)Л, • Sha/} + (2/о(0)Я, -1)• sin а^-р1

Кроме того, в данной главе получены выражения дли определения напряжения на коммутирующем конденсаторе в момент коммутации, позволяющие оценить работу узла при изменяющейся нагрузке.

Получены выражения, определяющие скорость нарастания прямого тока, позволяющие выбрать тиристоры и по динамическим параметрам.

В четвертой главе приводятся результаты

экспериментального исследования процессов лабораторного макет статического преобразователя.

Экспериментальная установка содержит: ре[улируемый источник постоянного тока и однофазный мостовой инвертор. Исследования были направлены на проверку разработанных методов расчета преобразователя.

В главе дается описание способов измерения основных параметров преобразователя

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтверждает правильность предложенных методов расчета преобразователя

- ib"

Рис.4 Выходное напряжение однофазного м^стопого ИН?Орт< Û " L¿*cen 1/, С • сот i • 6 - L¿w cant, Q^w conii ; ¿ - P ' , í.

Резульгаты экспериментальных исследований показали удовлетворительную сходимость с результатами теоретических исследований. Расхождения не превышают 8 %.

Заключение

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1.Выбор схемы преобразователя рекомендуется определять на основании сравнения потерь в элементах схемы. Анализ схем показал, что для однофазной нагрузки наиболее предпочтительна схема однофазного параллельного инвертора, а для трехфазной -мостового инвертора с общим узлом коммутации.

2.Предложена методика определения основных параметров инвертора с использованием метода гармонического анализа, основанного на замене системы шггегро-дифференциальных уравнений системой алгебраических уравнений, состоящей из коэффициентов гармонических рядов.

3. Полученные выражения определяют зависимости характеристик инвертора от реальных параметров схемы (Ь,, С, Яд) и безразмерного коэффициента р. При Р > 1 инвертор работает в апериодическом режиме, а при р < I - в колебательном.

4.Установлено, что режим прерывистых токов наступает при Р < 1, причем критерием определения такого режима является выражение для тока ¡г,(0) в момент коммутации, величина которого зависит от безразмерного коэффициента а.

5.Предложена схема замещения однофазного параллельного инвертора для к-ой гармоники тока нагрузки ¡„, которая представляет собой последовательное соединение:

•двух источников энергии: основного с напряжением Ц) и

дополнительного, вызванного током ¡о(0);

•двух эквивалентных активных и индуктивных

сопротивлений данной гармоники.

6.Получены выражения для построения входных и внешних характеристик инвертора при различных значениях параметров схемы. Установлено влияние параметров и С на форму выходного напряжения преобразователя. Все это позволяет не только выбрать полупроводниковые приборы схемы, но и учесть качество напряжения, получаемого на выходе преобразователя.

7.Получены выражения для определения времени "выключения схемы" при р > 1 и р < I. Установлены приближенные зависимости для определения времени выключения по значениям

напряжения U„ и скорости нарастания напряжения d U„/d t в момент времени t=0 (момент коммутации).

8.Получены выражения напряжения на коммутирующем конденсаторе Uc в момент коммутации (t = 0), позволяющие оценить надежность работы коммутационного узла с учетом реальных параметров схемы и осуществить выбор оптимальной величины емкости конденсатора С.

9.Разработаны и созданы опытные образцы преобразователей для питания нетяговых потребителей от контактного провода городского электротранспорта.

Проведенные испытания преобразователя показали, что расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 8%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Крутяков Е.В., Трифонов Б. А. Схема замещения однофазного параллельного инвертора. Вопросы теории и расчета мощных электромашинно-тиристорных комплексов: Сб. научных трудов-Л. ВНИИэлектромаш, 1979-с. 159-164.

2.Крутяков Е.В., Трифонов Б.А., Филимонов А.Г. Исследование выходного напряжения однофазного мостового инвертора. Полупроводниковая техника в устройствах электрифицированных железных дорог: Сб. научных трудов - JI.: ЛИИЖТ, 1983.-е.

3.Коропальцев Г.И., Тимофеев Б. А., Трифонов Б. А. Полупроводниковый преобразователь постоянно-переменного тока для обогрева стрелочных переводов. Повышение эффективности и надежности полупроводниковой преобразовательной техники в устройствах электрических железных дорог: Сб. научных трудов -Л.: ЛИИЖТ, 1987.-C.45-49.

4.Коропальцев Г.И., Трифонов Б.А., Филимонов А.Г. Статический преобразователь постоянно-переменного тока для питания путейского инструмента. Повышение эффективности и надежности полупроводниковой преобразовательной техники в устройствах железных дорог: Сб. научных трудов - Л.: ЛИИЖТ, 1987.-С.49-51

5.Байко A.B., Власов Е.В., Трифонов Б.А. Расчет гармонического состава кривой выходного напряжени;: непосредственного преобразователя частоты. Тезисы докладов на конференции "Электрическая электроника на транспорте". -Севастополь, 1990. - с.

6.Трифопов Б.А. Схема замещения однофазного параллельного инвертора с активно-индуктивной нагрузкой. Повышение эффективности полупроводниковой преобразовательной техники в устройствах электрических железных дорог: - Л.: ЛИИЖТ, 1992.-с.74-78.

7.Трифонов Б.А., Власов Е.В., Милютин В.А. Преобразователь напряжения для питания системы обогрева стрелочных переводов. Повышение эффективности и надежности полупроводниковой преобразовательной техники в устройствах электрических железных дорог: Санкт-Петербург - ПГУПС, 1995,-с.47-49.

Подписано к печати 16.(Ж97г. Усл. печ. листов - 1,2 Печать офсетная. Бумага для множит.апп. Формат 60x6*» 1/16 Тираж 100 экз. Заказ ЧМ.

Тип. ПГУПС 190031,С-Петврб/рг, Московский пр..9