автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Регулирование свойства импульсных преобразователей постоянного тока в системе электропитания транспортных средств

На правах рукописи

ЧАН БИНЬ АН

РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ СВОЙСТВА ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор В.П. Феоктистов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор А.Я. Калиниченко;

кандидат технических наук, доцент В.А. Шаров

Ведущее предприятие:

Отдел транспорта ВИНИТИ РАН

Защита диссертации состоится «_»

.2004 г. в.

час.

на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Отзывы на реферат, в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

СП. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы определяется широким распространением электрического подвижного состава с питанием от контактной сети постоянного тока. При этом возникают трудности с электропитанием бортовых нетяговых потребителей. Сейчас для этих целей используют электромашинные преобразователи; статические преобразователи на полупроводниковых приборах пока не достигли требуемых нормативов по надёжности и удельной мощности. Поэтому задача создания бортового полупроводникового преобразователя актуальна для новых и модернизируемых средств электротранспорта.

Целью настоящей работы является уточнение известных методов расчета импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей электроэнергии постоянного тока, особенно в части анализа квазистационарных периодических режимов. На этой основе должна быть решена задача, разработки методики расчета регулировочных и пульсационных характеристик для рассматриваемых схем импульсного регулирования. Целью: работы является также обоснование структурно-схемного решения для системы. электропитания - собственных нужд электроподвижного состава. постоянного тока на базе импульсного преобразователя индуктивно-конденсаторного типа.

Методы исследований базируются на алгебраизации исходной нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих квазистационарный процесс импульсного регулирования в индуктивно-конденсаторном преобразователе постоянного тока. Для чего предложен методологический подход с допущением о линейности изменения?

рос. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

тока в функции времени в характерных интервалах цикла импульсного регулирования.

Научная новизна заключается в обосновании и уточнении комплексной математической модели преобразователя постоянного тока с реализацией функций стабилизации или плавного регулирования выходных параметров электропитания. На этой базе получены обобщённые регулировочные и. пульсационные. характеристики исследуемой электропреобразовательной системы, что позволило обосновать расчётную методику для проектирования структурных и схемных решений для систем бортового электропитания электроподвижного состава постоянного тока.

Практическая ценность работы состоит в том, что обоснованы конкретные рекомендации по выполнению бортовых преобразовательных агрегатов для электропитания нетяговых потребителей электроподвижного состава постоянного тока на железнодорожном, промышленном и городском электротранспорте. Дана инженерная методика расчёта этих преобразователей на основе требований по стабильности выходного напряжения при учёте ограничений по его пульсациям.

Реализация работы выполнена путём передачи расчётных методик в ОАО АЭК «Динамо», в ЗАО «Спецремонт», Департаменту пригородных перевозок ОАО «РЖД», Демиховскому машиностроительному заводу, ГУП «Мосгортранс» и Московскому метрополитену.

Апробация работы выполнена путём её доклада на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа и на научно-технических конференциях и симпозиумах в 2000-2004 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объём работы. Диссертация содержит 123 страницы и включает следующие разделы: введение, главы 1-4, заключение, список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию концептуальных решений по статическим преобразователям для электропитания собственных нужд электроподвижного состава постоянного тока. Сформулированы основные критерии для такой разработки. Целесообразна разработка бортового преобразователя на базе двухтактного импульсного индуктивно-конденсаторного преобразователя с гальванической развязкой входных и выходных цепей и с подключением к нему вспомогательных вторичных преобразователей для. получения стабилизированных или регулируемых (для пуска асинхронных двигателей) напряжений постоянного и переменного тока низкого напряжения.

Обоснована концепция бортового источника (преобразователя постоянного тока) со структурным анализом и расчётом различных вариантов его исполнения.

Глава 1 содержит анализ базовых технических решений по электропитанию собственных нужд электроподвижного состава постоянного тока. Наиболее сложной является задача преобразования напряжения 3000 В для пригородных электропоездов, учитывая их большой эксплуатационный парк, массовое производство (до 600 вагонов в год), высокую мощность бортовых потребителей электроэнергии и разнообразие этих потребителей по параметрам электропитания, требованиям в части стабилизации и регулирования. Рекомендована структура бортового преобразовательного устройства по рис. 1. В табл. 1 обобщены параметры электропитания собственных нужд электроподвижного состава, работающего от контактной сети 3000 В (2400-4000 В).

*за-

Рис. 1. Рекомендуемая структура бортовой преобразовательной системы для ЭПС постоянного тока

Таблица 1

Параметры электропитания потребителей в системе собственных нужд

электроподвижного состава постоянного тока 3 кВ

Электровозы Электропоезда

№ Потребитель Номинал, Мощность, Номинал, Мощность,

В кВт В' кВт

1. Цепи управления =55 (стаб) 6-8 =110 (стаб) 1,5-2

2. Мотор-компрессор -3x380 28 -3x380 6

•3. Мотор-вентиляторы тягового оборудования -3x380 18 - -

4. Мотор-ветилягоры салонов, коцаиционеры -3x380 2 (кабина) 3x380 8-12

5. Освещение =55 4 -220 2

6. Обмотай возбуждения тяговых д вигателей =150 (рег) 50 =120 (рег) 18

Глава 2 содержит анализ структурных решений по электропитанию собственных нужд электропоездов постоянного тока. Электропоезд имеет разветвленную схему низковольтных потребителей электроэнергии: цепи управления и сигнализации, устройства вентиляции и освещения электропоезда, вспомогательное электрооборудование. В систему бортовых цепей входят и цепи питания мотор-компрессоров, являющихся источником сжатого воздуха тормозной системы, приводов дверей.вагонов, электропневматических тяговых аппаратов (силовые контроллеры, контакторы, токоприемники). Как правило, электродвигатель компрессора мощностью более 10 кВт на ЭПС постоянного тока выполняется на полное напряжение контактной сети, а для меньшей мощности - предусматривают питание пониженным напряжением. На электропоездах постоянного тока применяют исключительно источники питания бортовых цепей на базе электромашинных преобразователей. К их недостаткам следует отнести сильный шум и вибрацию при работе, необходимость обслуживания коллекторно-щёточного аппарата и изоляции. Стоимость вращающихся преобразователей достаточно высока (25-30 тыс. долл. США на один моторный вагон).

Развитие силовой полупроводниковой электроники позволяет решить эту проблему путем создания статического преобразователя, обеспечивающего высокую степень стабилизации напряжения, плавный регулируемый пуск вспомогательных электрических машин, как постоянного тока, так и асинхронных. Повышается степень защиты в аварийных режимах, можно получить большое количество гальванически развязанных каналов питания с различными уровнями напряжения, улучшают качество заряда аккумуляторной батареи. Статические преобразователи не вызывают вибраций кузова вагона; стоимость их в 1,5-2 раза ниже стоимости электромашинных- преобразователей. Статические преобразователи имеют ряд

недостатков (некоторое удорожание и усложнение их эксплуатации). К ним относятся значительно более сложное устройство преобразователя, требующее переподготовки персонала и снижающее при некачественном обслуживании надёжность, более жёсткие требования к качеству напряжения контактной сети при работе во внештатном режиме (при скачкообразных колебаниях напряжения в контактной сети), возникновение акустического шума при использовании некоторых типов дросселей или реакторов.

Дополнительные расходы на эксплуатацию самого преобразователя будут компенсированы снижением затрат на неплановый ремонт вспомогательных машин из-за облегчения условий их работы. Так, например, значительное число повреждений мотор-компрессоров типа ЭК-7Б связано с их прямым пуском или с повреждениями динамоторов. Введение режима плавного пуска обеспечит сглаживание пиковых нагрузок мотор-компрессоров и увеличит их ресурс, а полная гальваническая развязка исключит появление в цепях вспомогательных машин повышенного напряжения и связанные с этим неисправности. Если электропоезд оборудован асинхронными вспомогательными машинами и имеет бортовые цепи переменного тока, то применение статических преобразователей позволит снизить установленную мощность бортовых цепей в результате применения плавного частотного пуска наиболее мощных машин (мотор-компрессоров). Наибольшую сложность при создании статического источника представляет конструкция входного преобразователя; он должен устойчиво работать при напряжении контактной сети 2200-4000 В, обеспечивая во всём диапазоне надежное питание потребителей. Возможность создания надёжного высоковольтного преобразователя определяется прежде всего классом выпускаемых полупроводниковых приборов. В России статические преобразователи собственных нужд на ЭПС начали применять

в 1977 г. на трамваях (номинальное напряжение контактной сети 550 В) и в 1979 г. - на метрополитене (номинальное напряжение 850 В) с появлением силовых тиристоров 10-12-го классов. Попытки применить эти приборы на магистральном железнодорожном транспорте окончились неудачей.

Потом было освоено производство тиристоров класса 32 с частотой 1 кГц; появилась реальная возможность создания преобразователя на основе однооперационных тиристоров. Однако наиболее перспективная элементная база для входного преобразователя - это полностью управляемые тиристоры ^ТО), силовые полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные силовые транзисторы (IGBT). Для создания преобразователя и при формировании его структурной схемы необходимо идентифицировать основные элементы электроснабжения бортовых цепей (рис. 2). В зависимости от конкретного технического решения системы она может содержать либо все указанные элементы, либо только часть их. Таким образом, структура преобразователя состоит максимум из пяти основных элементов; каждый из них имеет свойства, отражающие варианты возможных технических решений системы. Первый элемент, характеризующий основные параметры питающей сети, имеет только одно свойство, так как преобразователь

Рис. 2. Структура бортовых систем электроснабжения

предназначен для системы тягового электроснабжения напряжением 3 кВ постоянного тока. Элемент, определяющий тип входного преобразователя, имеет пять свойств, определяющих четыре типа наиболее подходящих к данной системе преобразователей либо отсутствие этого типа вообще: понижающий импульсный преобразователь постоянного тока (импульсный прерыватель), автономный инвертор напряжения, электромашинный делитель напряжения, электромашинный мотор-генератор, отсутствие входного преобразователя.' В качестве разделительно-изолирующего устройства использован понижающий трансформатор.

Тип: выходного преобразователя определяется; типом потребителей электроэнергии. Поэтому, например, для электропоездов типа ЭР2, имеющих мотор-компрессоры постоянного тока'1,5 кВ и систему бортовых цепей 50 В, используют преобразователи, имеющие постоянное напряжение на выходе, и указанный признак состоит из трёх свойств, отражающих два преобразователя подобного типа: выпрямителя или импульсного преобразователя, а также его отсутствие. Электропоезда следующего поколения, построенные. аналогично - схеме электропоезда ЭР2Т с. рекуперативно-резисторным торможением, имеют систему питания бортовых цепей постоянного тока с уровнями напряжения 50 В и 110 В и систему переменного трёхфазного тока 220 В. Поэтому к уже перечисленным выше преобразователям добавятся агрегаты, обеспечивающие переменное выходное напряжение: непосредственные преобразователи частоты, инверторы напряжения и тока.

На электропоездах ЭР2Р, ЭР2Т, ЭД2Т и ЭТ2 для мотор-компрессоров применяют 3-фазный асинхронный двигатель. Асинхронные двигатели применяют в системе отопления салонов, в связи с чем эти электропоезда должны иметь трёхфазные цепи 3*380 В 50 Гц. На электропоездах все

асинхронные машины работают по схеме прямого включения, что вызывает значительные пусковые перегрузки и существенно снижает ресурс оборудования. В связи с тем, что при анализе вариантов под «выходным преобразователем», подключенным непосредственно к нагрузке, понимают любой из известных преобразователей, в том числе и полупроводниковый, способный регулировать величину напряжения и его частоту, имеет смысл разделить потребители на две группы. К первой относят, потребители, не требующие особого режима при пуске (система освещения вагонов, маломощные вентиляторы салонов). В другую группу входят асинхронные электроприводы мощностью более 5 кВт, частотный пуск которых сулит существенную выгоду как по массе и габаритным размерам преобразователя, так и по ресурсу электропривода. Большинство вспомогательного электрооборудования электропоездов постоянного тока - это низковольтные потребители, размещённые в вагонах. Без экономичных и эффективных устройств для питания низковольтных потребителей невозможна нормальная эксплуатация электропоезда. Устройства для питания бортовых потребителей совместно с электрическими устройствами,- осуществляющими передачу электрической энергии к ним, принято называть бортовыми системами электроснабжения (БСЭ); их роль в обеспечении комфорта пассажиров постоянно растёт. В связи с этим проанализирован современный уровень БСЭ и намечены пути их совершенствования. В настоящее время эксплуатируются электропоезда 3 кВ нескольких типов. Большую часть парка составляют электросекции ЭР2, ЭР2Р и ЭР2Т выпуска РВЗ. С 1993 г. Торжокским вагоностроительным, а с 1994 т. - Демиховским машиностроительным заводами налажен выпуск электропоездов ЭТ2 и ЭД2Т, аналогичных ЭР2Т. Несмотря на то что постоянно наращивается; выпуск электропоездов, стоит вопрос о модернизации поездов ЭР2, кото-

рые пока ещё составляют основу парка и подвергаются капитальному ремонту с продлением ресурса (КРП) по предложению к.т.н. Амелина В.М. Поставленная проблема распадается на две части:

- создание источника для эксплуатируемого парка электропоездов с электромашинными преобразователями;

- создание принципиально нового источника на современной элементной базе для новых электропоездов.

Глава 3 содержит анализ зарубежных решений по системам бортового электроснабжения электропоездов постоянного тока; Такие электропоезда имеют много бортовых потребителей электроэнергии, которые нуждаются в стабилизированном и гальванически развязанном от потенциала контактной сети напряжении, величина которого меньше напряжения контактной сети. Здесь необходимы преобразователи для электроснабжения вспомогательных цепей постоянного и переменного тока. Применение силовых транзисторов IGBT в качестве элементной базы преобразователей позволяет существенно уменьшить размеры трансформаторов, сократить потери электроэнергии и затраты на охлаждение за счёт повышения рабочей частоты. Этого можно достигнуть повышением рабочей частоты входной части преобразователя и одновременно путём существенного уменьшения потерь на переключения. В отличие от обычных преобразователей при применении IGBT трансформатор устанавливают на входе системы. Входная ступень преобразователя работает на частоте около 20 кГц вне акустического диапазона слышимости, что гарантирует решение проблем экологии и снижает уровень шума от преобразователя. Структурные схемы преобразователей вспомогательных цепей на ЭПС, питающемся от контактной сети постоянного тока, приведены в диссертации; проанализированы технические решения, реализованные в странах Евросоюза.

В главе 4 обоснована целесообразность применения для питания собственных нужд электропоездов импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей (рис. 3) с последовательно включёнными накопителями - L и С, осуществляющими при помощи импульсного прерывателя ИП дозированную передачу энергии от первичного источника Е в нагрузку Н, которая рассматривается как источник тока 1н . Этим процессом управляют изменением коэффициента заполнения к импульсного цикла ИП, что обеспечит постоянство выходного напряжения Uc с помощью обратной

связи ОС. Для анализа преобразовательных структур введены допущения: на входе идеальный источник постоянного напряжения Е, на выходе конденсатор С конечной ёмкости, питающей нагрузку 1н = const.

Независимо от конкретного схемного исполнения преобразование осуществляется в соответствии с диаграммой iL{t) в нижней части рис. 3.

Включенное (ВКЛ) и выключенное (ВЫКЛ) состояние ИП имеют длительность соответственно кТ и (\-к)Г. В интервале ВКЛ индуктивность L подключена к Е; её ток нарастает от /£тЬ до /¿'„щ., В интервале ВЫКЛ индуктивность L отключена от Е и подключена к конденсатору; ток. спадает от ¡¿„щ ДО /£т!л. Этот процесс повторяется периодически; он может быть охарактеризован средним значениям тока ^ и размахом пульсации Процесс передачи энергии из индуктивности L в конденсатор С определяется конкретным схемным решением преобразователя; он проанализирован ниже для трёх типов преобразователей.

Преобразователь с понижением напряжения (рис. 4, а) имеет два характерных интервала (рис. 4, б-г):

- при включенном ИП имеем контур «Е-Ь-С-Е» (ток ¡¡_ нарастает, E>UГ); '

- при выключенном ИП имеем контур «Ь-С-ОД-Ь» (ток спадает).

Известна методика расчета индуктивно-конденсаторных преобразователей без учета активных сопротивлений; она пригодна только для мощных преобразователей (более 100 кВт). Чтобы в преобразователях малой мощности обеспечить погрешность расчёта не выше ± (8+9%), нужно учитывать активное сопротивление R обмотки L. Для каждого из характерных интервалов можно записать дифференциальное уравнение

ь^-+ш1=Е-ис (ипвкл), ь^+= -ис (ИПВЫКЛ).

Для решения этих уравнений используем ранее сформулированные допущения: ток iL в пределах каждого из характерных интервалов периода Т меняется линейно в функции временив (рис. 4, б, в); мгновенные зна-

чения 4 и ис заменяем их средними значениями •• /Ь и и. Основанием для таких допущений является то, что рабочая частота преобразователя. / выше собственной частоты контура ЬС, так что короткие участки синусоид или экспонент можно заменить прямолинейными отрезками (рис. 4, в). С учетом этого входящие в дифференциальные уравнения производные могут быть представлены как

Л _ -А/,

Л. (1 -к)Т

(ИП ВЫКЛ).

Подставляя эти значения в исходные дифференциальные уравнения, а также заменяя мгновенные значения ¡Ь и ис на их средние за период Т значения 1Ь и и, получим систему линейных алгебраических уравнений

решение которой дает

С учетом того, что ток /„ . определяется нагрузкой преобразователя, а напряжение устанавливается его системой управления путем регулирования коэффициента к (параметры Я, Ь, Е, Т являются постоянными), последнее решение можно переписать в виде

к = ис*КК ,ис=Ек-1иЯ,

Соответствующие зависимости представлены на графиках рис. 4, д. Важно также определить пульсацию напряжения Шс на емкости С. Поскольку ток разряда емкости С, т.е. строго постоянен, то пульсация Аис, определяется только пульсацией тока iL, т.е. по превышению зарядного тока iL над разрядным током ^

По характеру изменения в функции к пульсация AUC полностью аналогична пульсации А/. - обе имеют максимум ппи к =0,5

А/ = — • АП г- ^ г» и . с« 321С ■

Преобразователь с повышением напряжения (рис. 5) рассчитывается аналогично на основе исходной системы дифференциальных уравнений

= Е (ИП ВКЛ), = Е~ис (ипВЫКЛ).

Е , /,. Е ч2 „ Е±1Я,

Ь = \—_± /(I——) -(1- " ),

2 ис у 21}с ис

и ы ВМ.1

Результи] с \-к2 ' I

ист I

А/т„ (при к =0,5); АС/с

41 С

Рис. 4. Преобразователь для понижения напряжения

Универсальный преобразователь (рис. 6), который позволяет регулировать напряжение как ниже, так и выше напряжения источника Е, описывается как

L^+RiL = Е (ИП ВКЛ), + RiL = ~UC (ИП ВЫКЛ).

Эти уравнения могут быть преобразованы в систему линейных алгебраических уравнений, решение которой имеет вид

Для упрощения инженерных расчётов полученное решение целесообразно переписать в виде (рис. 6, д)

_ (E+2Uc)±^E+2Ucf -4(E+UC)(UC + I„R) 2(E + UC)

Fie f p т

Ur = —----^-r, A/,=-(£+Uc)k( 1 - к).

c l-k (1 -kf 1 L CJ \ J

Обоснованы рекомендации по проектированию преобразователя. Для этого задают: номинальное напряжение источника Е и допустимые пределы его изменения (для контактной - сети железных дорог Е =3000 В, Emn =2200 В, Emax =4000 В); номинальные параметры по выходу преобразователя U и /„ ;; предельно допустимые пульсации выходного напряжения Д(/с,. При проектировании,преобразователя исходя из соотношения Uc/E выбирают тип преобразователя; определяют величину или необходимый диапазон изменения коэффициента к. При этом величину

в формуле для расчета к, рекомендуется задать согласно табл. 2; на

тип

од

А

К цепям тяговых <

двигателей ___ < £,

с. \/т

+

+

Б

Рис. 7. Включение импульсного преобразователя на электропоезде

следующем этапе нужно принять схемное решение (желательно типовое) по импульсному прерывателю ИП, определив тем самым необходимые для дальнейших расчетов частоту f или период Т; по приведенным в табл. 2 данным рассчитывают параметры Ь и Я.

В главе 5 для использования на электроподвижном составе постоянного тока рекомендуется преобразователь, обеспечивающий гальваническое разделение входных и выходных цепей, он позволяет получить любые напряжения постоянного тока. Для питания потребителей переменного тока в качестве второй ступени преобразования необходимо использовать автономные инверторы. Рассматриваемый преобразователь может быть использован в имеющихся структурах преобразования; конкретная схема его включения на электропоезде приведена на рис. 7. Защита преобразователя осуществляется отдельным быстродействующим выключателем БВ. Для исключения возможности появления высокого потенциала на выходах А-Б при пробое обратного диода ОД предусмотрено шунтирование выходного конденсатора Сн диодом ПД; он выполняет функции короткоза-мыкателя; нормально он обесточен.

Таблица 3

Размещение преобразовательных агрегатов в поезде ЭД4М

№ Вариант Мощность, кВт. • Максимальное число вагонов, питаемых от АПСН

1 АПСН на каждой секции М+П 16 Нормально-2 Режим резерва - 4

2 АПСН на каждом головном вагоне 100 (для максимальной длины поезда 12 вагонов) Нормально - до 6 Режим резерва - до 12

3 АПСН на каждом вагоне 9 1 (внутренний резерв)

С точки зрения практического исполнения особое значение имеет размещение преобразовательного агрегата на электропоезде. Варианты компоновки даны в табл. 3. С точки зрения стоимости и суммарных массо-габаритных показателей целесообразен вариант 2, но при этом увеличиваются затраты на поездные провода и на межкузовные электрические разъёмные соединения. Поэтому для практической реализации рекомендуется вариант 1. Недостаток варианта №2 связан с применением в перспективе переменного соотношения количества моторных и прицепных вагонов (М:П). Например, в поездах ЭД4МК местного сообщения целесообразно М:П=1:2, а в поездах для городских ж. д. (для Малого Кольца Московской ж. д.) планируется составность Г+4М+Г, т. е. М:П=2:1. Поэтому на перспективу должен быть рассмотрен и вариант №3, когда каждый вагон имеет свой преобразователь. Это позволяет исключить межвагонные электрические соединения (кроме цепей управления и шины 3 кВ). В заключение рассмотрены энергетические показатели агрегатов питания собственных нужд. Основным показателем преобразовательных установок является к.п.д. Г), вычисляемый по формуле (рис. 8, а)

Цр+З кВ

¿С-фильтр —► — LC импульсный преобразователь —► Нагрузка R

g) 0 10 20 30 40 50

Рис. 8. Схема (а) для расчёта к.п.д. и данные (б) для преобразователей разных типов: 1 - БЭВ1.2; 2 - ESTEL; 3 - агрегат по рис. 4.6 (А-50 кВт; Б-18 кВт)

и2-12.

П = ——-.

Uo-h

Однако, при расчете к. п. д. целесообразно использовать другой методологический подход, вычислив потери в преобразователе по формуле АР = АРФ + ДPjm + АРL+ АРс + АРоа,

где в правой части суммируются потери во входном. ¿С-фильтре, импульсном прерывателе ТИП, индуктивном и ёмкостном накопителях и в цепи обратного диода ОД. Каждая из указанных потерь может быть вычислена по известной методике. Расчеты выполнены для преобразователей • 50 кВт и 18 кВт. Расчётные кривые даны на рис. 8, б, где для сравнения

приведены экспериментальные кривые по двум серийным преобразователям мощностью 40 и 50 кВт на основе автономных инверторов напряжения с разделительными трансформаторами. Из сравнения кривых Т1{Р) видно, что предложенный индуктивно-конденсаторный импульсный преобразователь при номинальной мощности имеет к.п.д. хуже на 6-7%. Но при снижении мощности его к.п.д. остаётся более стабильным, чем у инверторных преобразователей/Это важно для применения на электропоездах, где значительную часть времени некоторые группы нагрузок выключены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для преобразования напряжения контактной сети постоянного тока целесообразны индуктивно-конденсаторные импульсные преобразователи. Исследованы три базовых типа этих преобразователей. Рассчитаны их регулировочные и пульсационные характеристики, на основе чего рекомендован преобразователь с включением накопительного конденсатора в цепь обратного диода, шунтирующего индуктивность. Такой преобразователь имеет приемлемые характеристики даже на частотах, обеспечиваемых тиристорами. Существенное улучшение массогабаритных показателей этих преобразователей может быть получено при переходе на силовые транзисторы JGBT с повышением рабочей частоты до 10-20 кГц, что обеспечивает существенное улучшение регулировочных свойств преобразовательной системы.

Уточнён, и адаптирован применительно к задаче анализа квазистационарных процессов импульсного регулирования в индуктивно-конденсаторных преобразователях классический метод расчёта. Обоснованы допущения, позволяющие перейти от дифференциальных уравнений 2-

го закона Кирхгофа к системе алгебраических уравнений для регулировочных и пульсационных характеристик преобразователей.

2.. Работоспособность и эффективность предложенных преобразовательных систем в условиях ЭПС в значительной степени зависит от построения соответствующих устройств автоматического регулирования. Это определяется чувствительностью наиболее ответственных потребителей, (асинхронные двигатели, люминесцентные лампы, цепи управления, электронная аппаратура) к колебаниям напряжения. Поэтому в структуре преобразователей предусмотрены соответствующие контура автоматического регулирования «по отклонению» с элементами,параметрического регулирования по возмущению.

3.. В недрение импульсных прерывателей на ЭПС постоянного тока обеспечивает снижение затрат по электропитанию собственных нужд примерно вдвое, а эксплуатационные и ремонтные затраты могут быть снижены. в 4-5 раз. Одновременно существенно улучшаются условия в части - комфорта для пассажиров в электропоездах.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Чан Бинь Ан. Расчёт электромагнитных процессов в системе импульсного регулирования с целью определения гармоник мешающего тока в рельсовых цепях. Труды 3-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», Москва, 28-29 марта 2002. - С. И-32.

2. Чан Бинь Ан. Экономическая эффективность применения полупроводниковых преобразователей в системе электроснабжения собственных нужд электровозов и электропоездов постоянного тока. Труды 3-й научно-практической конференции «Современные проблемы экономики и управления на железнодорожном транспорте», Москва, 2001. - С. У-42.

ЛИ 5 3 0 1

3. Семёнов И.В., Чан Бинь Ан. Электромагнитная совместимость преобразователей электроподвижного состава с системами регулирования движения поездов. Труды 4-й научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». Москва, 16-18 апреля 2003. С. ГУ-79.

4. Феоктистов В.П., Семёнов И.В., Чан Бинь Ан. Теория и методы расчёта импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей электроэнергии постоянного тока. - Вестник МИИТа, 2003, №9. - С. 37-45.

5. Чан Бинь, Ан. Расчёт импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей электроэнергии постоянного тока для транспортных средств. Сборник обзорной информации «Транспорт: наука, техника, управление», ВИНИТИ РАН, 2002, № 10. - С. 23-25.

6. Чан Бинь Ан. Расчёт импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей электрического напряжения постоянного тока по методу энергобаланса. - М.: МИИТ, Сборник трудов н/т конференции «Неделя науки 2003», 2003. - С. 186-187.

Регулировочные свойства импульсных преобразователей постоянного тока в системе электропитания транспортных средств

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

. ЧАН БИНЬ АН

Формат бумаги 60х90'/16

Подписано в печать-/#, 0%. Заказ -50 У.

Объём 1,5 п.л. Тираж 80 экз.

127994,Москва, ул. Образцова, 15. Типография МИИТа

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ БАЗОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ЭЛЕКТРОПИТАНИЮ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ОТ КОНТАКТНОГО СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Общие положения по электропитанию собственных нужд электропоездов.

1.2. Функции импульсных преобразователей в системе электропитания вспомогательных (бортовых) нагрузок мотор-вагонного электроподвижного состава.

1.3. Структурные схемы бортовых преобразовательных систем для электроподвижного состава постоянного тока.

1.4. Импульсные преобразователи электроэнергии классического типа импульсные преобразователи постоянного напряжения - ИППН).

1.4. Импульсные преобразователи электроэнергии классического типа (импульсные преобразователи постоянного напряжения - ИППН).

2. АНАЛИЗ КАЧЕСТВЕННЫХ СТРУКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ЭЛЕКТРОПИТАНИЮ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 3000 В.

2.1. Назначение систем бортового электроснабжения и возможности их реализации на базе полупроводниковых преобразователей.

2.2. Анализ структурных схем преобразователей для питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока.

2.3. Варианты структурных схем для питания бортовых цепей электропоездов типов ЭР1 и ЭР2.

2.4. Источники питания бортовых цепей электропоездов, оборудованных системой рекуперативно-резисторного торможения.

3. АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ЭЛЕКТРОПОЕЗДАМ ПОСТОЯННОГО ТОКА (СИСТЕМЫ БОРТОВОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ).

3.1. Сферы применения электрической тяги постоянного тока за рубежом

3.2. Полупроводниковые преобразователи для электропитания вспомогательных цепей пригородных электропоездов зарубежного производства.

3.3. Статический преобразователь вспомогательных цепей электропоезда серии 481/482 городской железной дороги Берлина.

3.4. Обобщение зарубежного опыта по преобразователям на силовых транзисторах.

4. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ И РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНЫХ ИНДУКТИВНО-КОНДЕНСАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1. Энергетические процессы в обобщённой схеме преобразователя.

4.2. Преобразователь с понижением входного напряжения.

4.3. Преобразователь с повышением входного напряжения.

4.4. Универсальный преобразователь.

Наиболее распространённой в мире является система электрической тяги постоянного тока. Обычно в этой системе используют питание электроподвижного состава от контактной сети (верхний контактный провод на железнодорожном, промышленном и городском электротранспорте, контактный рельс в метрополитене). Однако, перспективна также и автономная электрическая тяга с питанием от электрохимических аккумуляторов (электромобиль, контактно-аккумуляторные и аккумуляторные электровозы, электропогрузчики, электрокары, электроаккумуляторные рельсовые вагоны и платформы различного назначения).

Особую проблему здесь представляет электропитание собственных нужд соответствующего транспортного средства, т.е. бортовых потребителей и преобразователей электроэнергии, которые весьма разнообразны по назначению, потребляемой мощности и критериям в части безотказности и бесперебойности электроснабжения. Обобщённые данные для магистрального и пригородного электроподвижного состава даны в таблице В.1.

Особую сложность представляет преобразование высокого напряжения постоянного тока 3 кВ на железных дорогах или 600-800 В на городском электротранспорте, включая метро. Эта задача может быть решена на базе автономного инвертора (с однофазным или трёхфазным выходом) с последующим понижением напряжения с помощью трансформатора. Для уменьшения массы электрооборудования целесообразно повысить частоту инвертирования хотя бы до 400-800 Гц, но современные полупроводниковые приборы позволяют реализовать частоты инвертирования до 20 кГц.

Однако во всех указанных случаях имеем либо значительное повышение массы преобразователя - за счёт трансформатора (низкая частота), либо резкое снижение к.п.д. и соответственно рост коэффициента потерь (повышенные частоты). Последнее особенно характерно для преобразователей на силовых тран

Таблица В. 1.

Общеевропейские стандарты по электропитанию бортовых потребителей вагонов железнодорожного транспорта

Характеристики электропитания пассажирских вагонов Страна применения

Напряжение, В Частота, Гц Система тяги ном отклонение / J ном отклонение

1000 800. 1150, 730 кратковременно 16 2/з 15.17,5 15 кВ, 16 2/з Гц Австрия, Германия, Швейцария, Швеция, Норвегия

1500 1140.1650 50 48.51 25 кВ, 50 Гц Болгария, Венгрия, Франция, Югославия, Финляндия

1500 1000.1800 Постоянный ток = 1,5 кВ Дания, Нидерланды, Франция

3000 2000.3600 = 3 кв Бельгия, Италия, Испания, Польша, Чехия, Словакия

2200.4000* Страны СНГ и Балтии

3000 2200.3600 50 49.51 25 кВ, 50 Гц Страны СНГ и Балтии, Чехия, Словакия примечание: * - на участках с тепловозной тягой - выпрямленное напряжение с частотой пульсации свыше 600 Гц при минимальной частоте оборотов дизеля. зисторах с изолированной базой (JGBT). Для исключения указанной тупиковой ситуации предложен специальный конденсаторно-индуктивный безтрансфор-маторный импульсный преобразователь электроэнергии постоянного тока. Этот преобразователь работает в двухфазном режиме: в первой фазе преобразования энергия источника электропитания постоянного тока преобразуется в энергию, накапливаемую во входной индуктивности преобразователя в форме электрического тока;

- во второй фазе накопленная во входной индуктивности энергия тока постепенно переводится в энергию напряжения, накапливаемую в выходной ёмкости.

Рис. В.1. Классификация систем тягового и бортового электроснабжения

В процессе этого преобразования реализуется понижение напряжения источника (контактная сеть) с обеспечением принципа гарантированного гальванического разделения входных и выходных цепей без использования трансформатора.

В диссертации рассмотрены и детально исследованы три базовых варианта таких преобразователей и обоснованы сферы их применения.

Однако, предварительно целесообразно дать общий обзор по данной проблеме для контактного и аккумуляторного электротранспорта в целом.

Электропреобразовательные устройства для питания собственных нужд широко используются на транспортных средствах всех видов транспорта [1,5, 10, 13, 16, 19, 63]. Поскольку имеется четкая тенденция к росту установленной мощности бортового электрооборудования, то соответственно всё более значимой становится проблема экономичного (с минимальными потерями) его электропитания [4, 29, 39, 43], т. е. оптимального выполнения всей системы «источник электроэнергии - преобразователь - потребители». Кроме того, для бортовых источников важное значение имеют критерии обеспечения отказоустойчивости и минимума массы. Соответствующие системы для автономных и неав

Преобразователи системы электроснабжения для транспортных средств с питанием от контактной сети постоянного тока или от аккумулятора

Однозвенные

Двухзвенные

3000 В 1500 В 750 В НОВ 55 В

ИП

ИП ОАИ

110 В 55 В 24 В

220 В 50 Гц

ОАИ

55-3000 В) 220 В 50 Гц

ИП

АИ

3x380 В 50 Гц

АИ

55-3000 В) =

3*380 В 50 Гц

ОАИ

24 В 55 В ИОВ

Рис. В.2. Обобщённые структуры питания собственных нужд тономных транспортных средств можно разделить на две основные функциональные группы (см. рис. В.1):

- для питания тяговых электродвигателей на электротранспортных средствах (электровозы, электровагоны, тепловозы с электропередачей, троллейбусы, электромобили);

- для питания собственных нужд транспортных средств, которое обычно должно быть бесперебойным и поэтому предполагает основное питание от контактной сети или от первичного теплового двигателя (например дизель или газовая турбина) посредством отдельного валогенератора, а также резервное питание от аккумуляторной батареи.

При этом достаточно просто осуществляется преобразование электроэнергии в системе с источником переменного тока путем использования трансформаторов и при необходимости - выпрямителей (диодных и тиристорных). Однако, основную проблему представляет выполнение системы бортового электропитания при первичных источниках постоянного тока. Об этом свидетельствует, в частности, наличие разнообразных систем электропреобразования постоянного тока, основные из которых представлены на рис. В.2 в виде структурных схем [71]. В них используют импульсные преобразователи ИП [55, 67, 69], однофазные автономные ОАИ, автономные инверторы АИ с 3-фазным выходным напряжением [1, 6], а также выпрямители В [25, 29].

Ниже рассмотрена задача преобразования электроэнергии постоянного тока при помощи наиболее простых импульсных преобразователей с ключевым элементом на тиристоре или силовом транзисторе.

Проблема повышения или понижения напряжения от источников электроэнергии постоянного тока, включая задачи изменения величины регулирования и стабилизации напряжения, является весьма актуальной для транспортной электротехники. В качестве соответствующих источников электроэнергии могут использоваться аккумуляторные батареи 12-110 В, контактная сеть (метро - 750 В, железные дороги - 3000 В). Потребителями электроэнергии после её преобразования обычно являются различные виды бортового электрооборудования. Как правило, они требуют стабилизированного или регулируемого электропитания. При питании бортового электрооборудования от источника электроэнергии постоянного тока возможно также требование преобразования постоянного напряжения в переменное (инвертирование), например, для питания асинхронных или индукторных электродвигателей, люминесцентных ламп. Но и в этом случае целесообразна предварительная ступень преобразования постоянного напряжения в постоянное со стабилизацией выходного напряжения этой ступени, от которой питается инверторное звено преобразователя.

Известные схемы индуктивно-ёмкостных преобразователей напряжения источника Е представлены на рис. В.З, где: а) преобразователь универсального типа; б) преобразователь для повышения напряжения источника; в) преобразователь для понижения напряжения источника. а) в)

ИД Е

21Д « К тТФ

Рис. В.З. Индуктивно-конденсаторные преобразователи а - преобразователь универсального типа; б - преобразователь для повышения напряжения источника; в - преобразователь для понижения напряжения источника

Каждая из них содержит импульсный прерыватель ИП, который обычно выполнен на базе тиристорного или транзисторного ключа, но в расчётной схеме представлен идеальным контактом. Энергия от источника Е передаётся сначала во входную индуктивность L преобразователя - при этом происходит преобразование напряжения Е в ток iL. Затем эта энергия передаётся в выходной конденсатор С - при этом происходит преобразование тока iL в напряжение ис. В рассматриваемой расчётной схеме в качестве нагрузки преобразователя принят стабилизатор тока /н = const, хотя данная расчётная методика может быть использована и при других видах нагрузки, например в виде эквивалентного сопротивления.

В рассматриваемых преобразователях при квазистационарном режиме, который характеризуется постоянством рабочей частоты / и соответственно периода T = \/f импульсного прерывателя, принимаем также постоянными средние значения тока индуктивности IL, и напряжения Uc на конденсаторе.

Максимальные значения пульсаций тока ic и напряжения ис обозначим ML и A Uc.

Поскольку в практически реализуемых преобразователях рассматриваемого типа обычно имеем

AIL <<IL, AUс «Uс, то вводим допущение, согласно которому изменение мгновенных значений iL(t) и uc{t) в течение характерных интервалов в цикле регулирования ИП считаем линейными, как показано на временных диаграммах в нижней части рис. В.З. Это допущение будет необходимо для расчёта пульсаций. Расчёт же средних значений проводим по методу энергобаланса, т. е. равенства значений энергии, потребляемой в течение периода Т от источника Е и отдаваемой в течение этого же времени в нагрузку. При этом рассматриваем обобщённый цикл регулирования с коэффициентом заполнения к, который равен отношению длительности х включенного состояния ИП к периоду, т. е. так что период Т содержит интервал включенного состояния ИП длительностью кТ и интервал выключенного состояния ИП длительностью (l - к)Т, что соответствует двум фазам преобразования, указанным выше.

Исходные уравнения энергобаланса для всех показанных на рис. В.З преобразователей сведены в таблице В.2. Там же дано их решение, позволяющее выразить выходное напряжение Uc в функции коэффициента заполнения импульсного цикла к.

Таким образом, предложенный метод позволяет получить приемлемые для инженерной практики расчётные выражения упрощённого типа (см. таблицу В.2).

Анализ результирующих выражений в этой таблице позволяет оценить основные регулировочные качества преобразователей по рис. В.З, а именно:

Таблица В.2

Расчёт преобразователей методом энергобаланса

Схема* Исходное уравнение энергобаланса (потребление от источника Е равно отдаче в конденсатор С) Uc=f{k) Пределы регулирования Uc а EILkT = UcIL(\-k)T Uc= k E c 1 -k 0<Uc <oo б EILT = UcIL{\-k)T Uc= 1 E c \ — k E<Uc <oo в EILkT = UcILT Uc = kE 0 <UC<E

Примечание: * - буква обозначения схемы соответствует букве на рис. В.З.

- преобразователь по рис. В.З, а позволяет регулировать выходное напряжение как ниже, так и выше напряжения источника электропитания Е;

- преобразователь по рис. В.З, б обеспечивает регулирование только выше напряжения источника, т. е. он является повышающим напряжение;

- преобразователь по рис. В.З, в даёт возможность только понижать напряжение источника электропитания, т. е. является понижающим.

Таким образом, проведённый предварительно аналитический обзор позволяет сделать вывод о том, что в рамках поставленной задачи в качестве бортовых преобразователей для транспортных средств при наличии первичного источника постоянного тока целесообразно использовать импульсные индуктивно-конденсаторные преобразователи рассмотренных типов.

При этом инженерную методику для предварительного расчёта преобразователя для конкретных условий выполнения бортового источника электропитания целесообразно выполнять рассмотренным в данной статье методом энергобаланса, используя результирующие выражения по таблице В.2. Этот же принцип целесообразно положить в основу соответствующей математической модели для анализа квазистационарных режимов преобразования и для исследования регулировочных свойств индуктивно-конденсаторных преобразователей.

Актуальность проблемы определяется широким распространением электрического подвижного состава с питанием от контактной сети постоянного тока (на железнодорожном, промышленном и городском транспорте). При этом возникают значительные трудности с электропитанием от контактной сети 600-3000 В постоянного тока бортовых потребителей, входящих в состав собственных нужд электровоза, электропоезда, вагона метро, трамвая, троллейбуса. Сейчас для этих целей используют исключительно электромашинные преобразователи типа динамотор или мотор-генераторный агрегат. Опытные статические преобразователи на полупроводниковых приборах пока не достигли по своим параметрам требуемых нормативов по надёжности, отказоустойчивости и удельной мощности.

Поэтому задача создания бортового полупроводникового преобразователя для электропитания собственных нужд электроподвижного состава постоянного тока является весьма актуальной как для новых, так и для модернизируемых средств электротранспорта (электровозы, электропоезда пригородного сообщения, метро, трамвай, троллейбус), а в перспективе и для принципиального нового электротранспорта (электромобили, электротракторы и т.п.).

Целью настоящей работы является уточнение методов расчёта полупроводниковых индуктивно-конденсаторных преобразователей с управляемыми ключевыми элементами на базе тиристоров. Это уточнение при вновь введённых и обоснованных допущениях касается обобщённого анализа квазипериодических режимов широтно-импульсного регулирования, на основе чего поставлена и решена задача расчёта универсальных регулировочных и пульса-ционных характеристик для процессов импульсного регулирования. Это должно обеспечить систему универсальных характеристик бортового преобразователя для всего возможного набора исходных параметров преобразователя высокого напряжения постоянного тока при необходимых требованиях по стабильности и регулировочным свойствам системы электропитания собственных нужд.

Для этого предполагается разработать соответствующие математические модели, прямо и косвенно учитывающие специфические особенности, в том числе нелинейности объекта регулирования и требования гальванической развязки высоко- и низковольтных электрических цепей.

В конечном итоге должно быть получено универсальное решения для структурного и схемного исполнения системы электропитания собственных нужд электроподвижного состава постоянного тока.

Методы исследований базируются на алгебраизации исходной нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих квазистационарный процесс импульсного регулирования в индуктивно-конденсаторном преобразователе постоянного тока. Для указанной алгебраизации, составляющей основу данной математической модели, являющейся основным инструментом исследования, предложены методологические подходы к основам исследований, заключающиеся в предложении о линейности изменения тока в функции времени в пределах, характерных интервалов фаз цикла импульсного регулирования в системах типа «включено - выключено» (допущение Глазенко Т.А. - Феоктистова В.П.). Это допущение является общепринятым для расчёта систем импульсного регулирования.

Научная новизна работы заключается в обосновании и уточнении комплексной математической модели преобразователя высокого напряжения постоянного тока в низкое напряжение с одновременной реализацией функций стабилизации или регулирования. На базе этой модели получены обобщённые регулировочные и пульсационные характеристики исследуемой электропреобразовательной системы. Эти характеристики позволяют обосновать расчётные методики для проектирования и уточнения структурных и схемных решений для систем бортового электропитания.

Практическая ценность работы состоит в том, что обоснованы конкретные рекомендации по выполнению бортовых преобразовательных агрегатов для электропитания нетяговых (бортовых) потребителей электроподвижного состава постоянного тока на железнодорожном, промышленном и городском электротранспорте постоянного тока. Дана инженерная методика расчёта этих преобразователей на основе исходных требований по стабильности выходного напряжения при учёте ограничений по пульсациям его уровня.

Реализация работы выполнена путём передачи расчётных методик в ОАО АЭК «Динамо», в ЗАО «Спецремонт», Департаменту пригородных перевозок ОАО «РЖД», Демиховскому машиностроительному заводу, ГУЛ «Мос-гортранс» и Московскому метрополитену для использования на новом и модернизированном электроподвижном составе постоянного тока 600-3000 В.

Апробация работы выполнена путём её доклада на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа, а также на научно-технических конференциях и симпозиумах в 2000-2004 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объём работы. Диссертация содержит 123 страницы и включает следующие разделы: введение, главы 1-4, заключение, список литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Электропитание бортовых потребителей электроэнергии на подвижном составе постоянного тока целесообразно осуществлять при помощи статических преобразователей, выполненных с применением импульсных прерывателей постоянного тока, обеспечивающих гальваническое разделение высоковольтных входных цепей от низковольтных потребителей постоянного и переменного тока. Для обоснования номинальной мощности преобразовательной установки, её многозвенной структуры и необходимых регулировочных свойств выполнена классификация бортовых потребителей и для каждой функциональной группы сформулированы требования по стабилизации или по пределам регулирования параметров электропитания.

2., Для бортовой системы, предназначенной для преобразования высокого напряжения постоянного тока на электропоездах и электровозах при питании от контактной сети постоянного тока, целесообразно использовать индуктивно-конденсаторные импульсные преобразователи. Исследованы три базовых типа этих преобразователей; для них рассчитаны регулировочные и пульсационные характеристики, на основе чего для практического применения на электроподвижном составе постоянного тока рекомендован преобразователь с включением накопительного конденсатора в цепь обратного диода, шунтирующего индуктивность. Такой преобразователь имеет приемлемые характеристики даже на частотах 400-500 Гц, обеспечиваемых современными тиристорными с паспортным временем восстановления запирающих свойств 100-150 мкс. Однако, существенное улучшение массогабаритных показателей этих преобразователей может быть получено при переходе на силовые транзисторы JGBT путём повышения рабочей частоты импульсного прерывателя до 10-20 кГц. При этом обеспечивается также существенное улучшение регулировочных свойств преобразовательной системы, включая быстродействие, особенно при резких скачках напряжения контактной сети.

3. Уточнён и адаптирован применительно к задаче анализа квазистационарных процессов импульсного регулирования в индуктивно-конденсаторных преобразователях метод расчёта, базирующийся на следующих допущениях:

- процесс изменения индуктивности и напряжения на конденсаторе в течение характерных интервалов импульсного цикла (включено — выключено) предполагается линейным в функции времени;

- мгновенные значения тока и напряжения для всех реактивных элементов импульсного преобразователя в пределах каждого характерного интервала импульсного цикла условно принимаются равными их средним значениям за соответствующий характерный интервал.

Эти допущения позволяют перейти от системы дифференциальных уравнений, соответствующих 2-му закону Кирхгофа, к системе линеаризованных алгебраических уравнений. Их решение методом подстановки и взаимного исключения неизвестных даёт возможность перейти к явным функциональным зависимостям в обобщённой форме для регулировочных и пульсационных характеристик преобразователей всех рассмотренных типов.

4. Работоспособность и эффективность предложенных преобразовательных систем в условиях электрического подвижного состава в значительной степени зависит от построения соответствующих устройств автоматического регулирования. Это определяется чувствительностью наиболее ответственных потребителей электроэнергии (асинхронные двигатели, люминесцентные лампы, цепи управления, электронная аппаратура) к колебаниям напряжения. Поэтому в структуре преобразователей должны быть предусмотрены соответствующие контура автоматического регулирования «по отклонению» с элементами параметрического регулирования по возмущению.

5. Внедрение полупроводниковых преобразователей на базе импульсных прерывателей целесообразно и экономически эффективно на всех видах электроподвижного состава с питанием от контактной сети постоянного тока (на железных дорогах - 3 кВ, в метро и на наземном городском электротранспорте). При этом исключаются сложные и неэкономичные системы электромашинного преобразования (динамоторы, мотор-генераторные преобразователи), а высоковольтные вспомогательные коллекторные машины постоянного тока можно заменить на трёхфазные асинхронные двигатели общепромышленного исполнения. Это обеспечивает снижение затрат по электропитанию собственных нужд примерно вдвое, а эксплуатационные и ремонтные затраты в течение жизненного цикла электроподвижного состава могут быть снижены в 4-5 раз. Одновременно существенно улучшаются условия в части комфорта для пассажиров в моторвагонных электропоездах по причине исключения электромашинных преобразователей и генерируемого ими акустического шума и вибраций.

1. Амелиен В.М., Озеров М.И. и др. Электропоезда. М.: Транспорт, 2000.-347 с.

2. Башарнн А.В. Расчёт динамики и синтез нелинейных систем управления. М.-Л.: ГЭИ, 1960. - 299 с.

3. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М.: Энергия, 1974.-255 с.

4. Болотин З.М., Иванов О.П., Калымулин Ю.М. Электрическое и комбинированное отопление пассажирских вагонов. М.: Транспорт, 1989.-238 с.

5. Браташ В.А. Дриженко А.Ю. Тяговые агрегаты на железнодорожном транспорте глубоких карьеров. М.: Недра, 1989. - 161 с.

6. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. М.: Транспорт, 1999.-464 с.

7. Бут Д.А. Электром5еханические преобразователи энергии. М.: МАИ, 1976.-346 с.

8. Виленкин А.Г. Импульсные транзисторные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1972 - 103 с.

9. Винокуров В.А. Основы преобразования энергии в электромеханических системах. М.: МИИТ, 2001. - 102 с.

10. Высоковольтный статический преобразователь электроэнергии для централизованной системы электроснабжения пассажирских вагонов и собственных нужд электропоездов. Техническая документация фирмы ESTEL PLUSS AS. Таллин, 2003 - 34 с.

11. Гаврилов Я.И., Мнацаканов В.А. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями. М.: Транспорт, 1986. - 228 с.

12. Гандур абдула Широтно-импульсные преобразователи повышенной точности. Дисс. к.т.н. / Киевский политехнический институт, Киев, 1991.- 168 с.

13. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973. - 304 с.

14. Городской пассажирский транспорт. АН СССР (под ред. Н.И. Вещевой). Л.: Наука, 1988. - 272 с.

15. Гусев Л.А. определение периодических режимов в системах автоматического регулирования, содержащих нелинейный элемент с кусочно-линейной характеристикой. // Автоматика и телемеханика, 1958, 19,№110.-С. 58-64.

16. Давыдов Ю.М. Исследование Рэлей-Тейлоровской неустойчивости. — Владивосток: ДО АН СССР, 1991. 82 с.

17. Доан Минь Чи. Энергопотребление электропоездов метро при различных системах управления и обоснование возможностей энергосбережения: Автореферат дисс. к.т.н.: 05.09.03 / МГУ ПС (МИИТ). -М.: 1997.-24 с.

18. Добрынин Л.А., Шитов В.А. Макромоделирование сложных преобразователей // Электро, 2002, №6. С. 9-15.

19. Дружинин Г.В. Анализ эрготехнических систем. М.: Энергоатомиз-дат, 1984.-161 с.

20. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчёт электрооборудования подвижного состава ГЭТ. М.: Высшая школа, 1976. - 480 с.

21. Жусубалиев Ж.Т., Колоколов Ю.В. Бифуркации и хаос в релейных и широтно-импульсных системах автоматического управления, (посвящается памяти Баушева B.C.) М.: Машиностроение, 2001. - 120 с.

22. Зайцев А.И., Зайцев А.П. Импульсное регулирование тока в активно-индуктивной нагрузке. Томск: Известия ТПИ, 1965, Том 153. - С. 2014-2066.

23. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.-928 с.

24. Иньков Ю.М., Мостовяк И.В., Розенберг Б.М. Прямые операционные методы анализа периодических прерываемых электрических цепей. -Киев: Наукова думка, 1991. 212 с.

25. Исаев И.П., Иньков Ю.М., Феоктистов В.П. Цифровые системы управления для тиристорных преобразователей подвижного состава. Труды МИИТ, 1975, вып. 451. -С. 41-45.

26. Каган В.Г., Кочубиевский А.И., Шурыгин В.М. Нелинейные системы с тиристорами. М.: Энергия, 1968. - 96 с.

27. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Ч. I—III. — М.: Госэнергоиздат, 1956.

28. Казанцев Ю.М. Теория и проектирование импульсных преобразователей силовых электронных систем космических аппаратов. Автореферат дисс. к.т.н. / ТПИ, Томск, 2002.

29. Калиничев В.П. Метрополитены. М.: Транспорт, 1988. - 280 с.

30. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1965. - 704 с.

31. Кано Хидэо Работы фирмы Hitachi по созданию электрооборудования для подвижного состава РЖД. Материалы международного симпозиума 23-26 октября 2001 г., ПГУПС, С.-Петербург, 2002. С. 182185.

32. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Высшая школа, 2000. - 542 с.

33. Ковтун А.В., Лысов Н.В. Электропоезд ЭТ2А с асинхронным тяговым приводом. // Локомотив, 2002, №10. С. 31-32.

34. Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей. Известия АН СССР. Сер. матем. наук, 1941, т. 5, вып. 1.

35. Колпахчьян Г.И. Электрическая тяга и преобразователи // Локомотив,2000,№11.-С. 32-38.

36. Крайцберг М.И., Шикуть Э.В. Импульсные методы регулирования цепей постоянного тока с помощью тиристоров. М.: Энергия, 1969. -90 с.

37. Кулебакин B.C. к теории автоматических вибрационных регуляторов для электрических машин. // Теоретическая и экспериментальная электротехника, 1937, №4.

38. Курбасов А.С. Эффективность системы электрической тяги постоянного тока 6 кВ // Железнодорожный транспорт, 2002, №11. С. 32-38.

39. Литовченко В.В., Шаров В.А., Баранцев О.В., Корзина Е.В. Устройство и работа тягового привода электропоезда ЭД6 // Локомотив,2001, №9; 2002, №7; 2002, №8.

40. Лувишис А.Л. Применение силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором в преобразователях зарубежного ТПС // ЦНИИ ТЭИ МПС Железнодорожный транспорт. Серия: Локомотивы и локомотивное хозяйство. Вып. 4, 1999. С. 1-62.

41. Мамошин P.P., Мишин Г.А. Электросбережение на электроподвижном составе. Труды 1-го Международного симпозиума «Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте». М.: МИИТ, 1997. С. 48.

42. Морс Ф.М., Фешбах Г Методы теоретической физики. Т. 1-2. — М.: НИЛ, 1960-1961.-916 е., 896 с.

43. Нагорский В.Д. Управление двигателями постоянного тока с помощью импульсов повышенной частоты. Известия АН СССР, ОТН, серия «Автоматика и энергетика», 1960, №2.

44. Назаров О.Н. Электропоезда постоянного и переменного тока пригородного и местного сообщения. Состояние разработок и перспективы совершенствования. Доклад на секции локомотивного хозяйства МПС РФ. 30.09.03. Изд. ХОЗУ МПС РФ, 2003. 17 с.

45. Нгуен Куант Тхиеу Городской солнцемобиль. Дисс. к.т.н. М., МАИ, 2000.

46. Неймарк Ю.И., Ланда П.С. Стохастические колебания. М.: Наука, 1987.-216 с.

47. Некрасов В.И. Пульсация токов при многофазном импульсном преобразователе напряжения. М.: Электричество, 1974, №6. - С. 47-50

48. Никифоров А.В. Разработка и обоснование системы нормативных показателей ЭКОТРАНС: Отчёт о НИР/МГУ ПС (МИИТ); Каф. «Электрическая тяга». М., 1991. - 30 с.

49. Пазойский Ю.О. Организация пригородных перевозок на железнодорожном транспорте. М.: МИИТ, 1999. - 193 с.

50. Петленко Б.И., Иньков Ю.М. и др. Электротехника и электроника. -М.: Академия, 2003. 320 с.

51. Плакс А.В. и др. Применение импульсного регулирования напряжения на тяговых двигателях электровозов постоянного тока // Труды ВЭЛНИИ. Новочеркасск, 1989, т. 30. - С. 82-83.

52. Ранькис И.Оптимизация параметров тиристорных систем импульсного регулирования тягового электропривода. Рига: «Зинатне», 1985. -183 с.

53. Рскин Л.Н. Стабилизированные автономные инверторы на тиристорах для питания сети потребителей. М.: Энергия, 1972. - 121 с.

54. Розенвассер Е.Н. Колебания нелинейных систем. М.: Наука, 1969. -266 с.

55. Розенфельд В.Е., Исаев И.П. Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М.: Транспорт, 1983. - 347 с.

56. Рябцев Г.Г. Повышение точности контроля систем импульсного регулирования тяговых электродвигателей // Сб. науч. тр. / МИИТ, 1983, вып. 738: Оборудование и эксплуатация ЭПС. С. 182-187.

57. Савоськин А.Н. и др. Автоматизация ЭПС. М.: Транспорт, 1995. — 356 с.

58. Сандлер А.С. Импульсное регулирование напряжения тиристорами. — М.: Электричество, 1966, №7. С. 28-39.

59. Семененко А.И. Улучшение характеристик бортовых систем питания ЭПС. Дисс. к.т.н. Харькрв, ХИИТ, 2003. - 209 с.

60. Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления. Под ред. Е.А. Сонковского. Минск: Вышэйшая школа, 1973. - 584 с.

61. Такеути Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей. JL: Энергия, 1973. - 1979 с.

62. Тихменёв Б.Н. Трахтман Л.М. Подвижной состав электрических железных дорог. М.: Транспорт, 1980. - 472 с.

63. Трахтман Л.М. Устойчивость системы широтно-импульсного управления тяговыми электродвигателями. М.: Электричество, 1976, №2. С. 70-74.

64. Ту Ю.Т. Цифровые и импульсные системы автоматического управления. М.: Машгиз, 1964. - 508 с.

65. У заре В.Я., Феоктистов В.П. Анализ систем импульсного регулирования электрических машин постоянного тока на основе метода фазовой плоскости. Известия АН Латв. ССР, серия Физических им технических наук, 1982, №6. - С. 64-68.

66. Феоктистов В.П., Семёнов И.В., Чан Бинь Ан Теория и методы расчёта импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей электроэнергии постоянного тока. Вестник МИИТа, 2003, №9. - С. 3745.

67. Феоктистов В.П. и др. Синтез схем ЭПС с импульсным регулированием. Сб. науч. тр. МИИТ, 1981, вып. 692. С. 14-24.

68. Феоктистов В.П. Системы регулирования режимов работы электропоездов постоянного тока с импульсными преобразователями. Дисс. д.т.н., М., МИИТ, 1982. 358 с.

69. Цукалов П.В. Просвирин Б.К. Эксплуатация электропоездов: Справочник. М.: Транспорт, 1994. - 383 с.

70. Чан Бинь Ан Расчёт импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей электроэнергии постоянного тока для транспортных средств. Сборник обзорной информации «Транспорт: наука, техника, управление», ВИНИТИ РАН, 2002, № 10. С. 23-25.

71. Шёнфельд Р., Хабигер Э. Автоматизированные электроприводы. JL: Энергоатомиздат, 1985.

72. Шварц JI. Математические методы для физических наук. М.: Мир, 1965.-412 с.

73. Шипачёв B.C. Математический анализ. М.: Высшая школа, 1999. -176 с.

74. Щербаков В.Г. Создание нового ЭПС // Транспорт: наука, техника, управление. ВИНИТИ РАН, 1997, №12. С. 12-14.

75. Чертов А.Г. Международная система единиц измерений. М.: Высшая школа, 1967. - 288 с.

76. Электрические железные дороги. Под ред. Плакса А.В. и Пупынина В.Н. М.: Транспорт, 1993. - 280 с.

77. Электротехника и электроника. М.: Энергоатомиздат, под ред. В.Г. Герасимова в 3-х кн. 1996-98 г.г.

78. Blaufuss К. Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren durch Strom-stosse. Arhiv fur Elektrotechnik, 1940, №10.

79. Bordnetzumrichter mit Heatpipe-Ktihlung. Elektrische Bahnen, 1999, v.97, №10, s. 350.

80. Btihler H. Einfiihrung in die Theorie geregelter Gleichstromantrie^T^'^ Basel-Stuttgart: Birkhauser, 1992, Bd. 2,498 s.

81. Franclin P.W. Theory of the d.c. motor controller by power pulses. IEEE Transaction, 1972, v. 91.

82. Knau U. Новые разработки в области устройств электроснабжения пассажирских вагонов. Glasers Annalen, 1994, №7, s. 356-362 (сокращённый перевод в журнале «Железные дороги мира», 1996, №2, С. 54—58).

83. Lee Yim-Shu, Cheng Y.C. Computer aided analysis of electronic DC-DC transformers. IEEE Trans.Jnd. Electron., 1988, 35, №1, s. 148-152.

84. Sachs K. Die elektrische Triebfahrzeuge. Schweizarische Elektrotech-nische Verein, Bern, 1953, v. 1-3, 1953-54.