автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Регулируемый электропривод на базе тиристорного преобразователя с непосредственной связью для систем собственных нужд электровозов переменного тока

На правах рукописи

ПАРШИН АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА БАЗЕ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ СИСТЕМ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

-з-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Потребление электроэнергии системами собственных нужд (асинхронными электродвигателями вспомогательных машин с нагрузками вентиляторного, компрессорного и насосного типов) магистральных электровозов переменного тока достигает 18 % от общего количества электроэнергии, расходуемой натягу поездов. При этом доля, приходящаяся на нерегулируемые приводы вентиляторов охлаждения силового электрооборудования, составляет не менее 80 % от общих энергозатрат на собственные нужды. Это связано с особенностями системы питания асинхронных двигателей, влияющими на выбор их номинальной мощности, а так же с условиями их эксплуатации при низких температурах окружающей среды Целесообразность применения на электровозах переменного тока частотно-регулируемого привода для систем вентиляции достаточно полно обоснована многочисленными исследованиями ВНИИЖТа и ВЭлНИИ. Эффективность таких систем подтверждена обширным отечественным и зарубежным опытом.

Реализация частотного регулирования электроприводов с асинхронными двигателями на электровозах, как правило, связана с использованием двухзвенных преобразователей частоты на полностью управляемых ключах с выходным звеном - автономным инвертором напряжения. Однако применение таких преобразователей не всегда оправдано из-за высокой стоимости за счет заложенных в них избыточных регулировочных возможностей. В действительности, основной эффект от введения регулирования производительности вентиляторов, заключающийся в снижении потребляемой электроэнергии системами вспомогательных машин, можно получить при использовании ступенчатого регулирования. Этот способ реализован как на электровозах зарубежного производства, так и на новых отечественных электровозах ЭП10 и ЭП200, имеющих соответственно три и четыре ступени регулирования производительности вентиляторов.

Для осуществления ступенчатого регулирования частоты вращения асинхронных двигателей можно применить более простые средства регулирования - преобразователи частоты с непосредственной связью. Варианты двухступенчатых систем регулирования с использованием маловентильных тиристорных преобразователей напряжения, содержащих в силовой схеме четыре либо шесть тиристоров, нашли достаточно широкое распространение на электровозах, проходящих модернизацию по программе ОАО «РЖД» (электровозы серий ВЛ80 и ВЛ85), а так же на электровозах новых серий ЭП1 и 2ЭС5К. Питание вспомогательных машин этих электровозов осуществляется переменным напряжением частотой 50 Гц при номинальной скорости вращения и частотой 162/3 Гц - в режиме пониженной скорости вращения. По данным ВНИИЖТа и ВЭлНИИ, использование таких систем позволяет экономить до 14.5 % общего потребления электроэнергии элек-

РОС. НАЦИОНАЛ Ь БИБЛИОТЕКА

тровозом. Однако, наибольший экономический эффект данные двухступенчатые системы позволяют получить, как правило, в условиях недоиспользования тяговой мощности электровозов (при работе с пассажирскими и легковесными грузовыми поездами, следовании одиночным локомотивом, в условиях поездной обстановки с точным соблюдением графика движения и т.п.). Поэтому задача создания простых, а соответственно и недорогих, средств регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, обеспечивающих энергосберегающие режимы их работы в широком диапазоне использования тяговой мощности электровозов, является актуальной как для новых, так и для проходящих модернизацию электровозов переменного тока.

Целью настоящей работы является исследование и разработка частотно-регулируемого электропривода с расширенным диапазоном регулирования для систем собственных нужд электровозов переменного тока на базе маловентильного тиристорного преобразователя напряжения с естественной коммутацией тока.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. выполнен анализ систем собственных нужд электровозов переменного тока и обоснована целесообразность ступенчатого регулирования частоты вращения асинхронных двигателей для нагрузок вентиляторного типа с использованием тиристорных преобразователей напряжения;

2. на основе исследования возможных способов формирования вращающегося магнитного поля асинхронного двигателя, в условиях однофазного первичного источника питания, разработан электропривод на базе тиристорного преобразователя напряжения с расширенным диапазоном регулирования;

3. для теоретического исследования разработана математическая модель системы питания асинхронного двигателя, содержащая секционированный однофазный трансформатор - тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель - нагрузку и систему управления преобразователем;

4. выполнена техническая реализация разработанной системы частотного управления электроприводом вентилятора в виде лабораторного образца;

5. проведены теоретические и экспериментальные исследования разработанной системы электропривода.

Методы исследования. Сформулированные задачи решались с использованием базовых законов теоретических основ электротехники, теорий обобщенной электрической машины и полупроводниковых преобразователей, методов имитационного математического моделирования с реализацией в системе ЭЛТРАН (система моделирования устройств преобразовательной техники). Для экспериментальных исследований изготовлены макет разработанной системы вентиляторного электропривода и система измерения, состоящая из комплекта датчиков

токов и напряжений фирмы LEM. многофункционального устройства ввода/вывода N1 USB-6009 фирмы NATIONAL INSTRUMENTS и программного приложения N1 Data Logger. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований выполнен с использованием математического пакета MATHCAD.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. На основе анализа траекторий результирующего вектора тока статора асинхронного двигателя при питании от источника однофазного переменного напряжения, разработан алгоритм управления и схемная реализация тиристорного преобразователя напряжения с расширенным диапазоном регулирования частоты.

2. Разработана математическая модель системы однофазный трансформатор -тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель с нагрузкой вентиляторного типа, она реализована в виде компьютерной программы, позволяющей исследовать электромагнитные и механические процессы с расчетом обобщенных энергетических показателей.

3. Обоснован алгоритм управления разработанной системой электропривода и даны рекомендации по улучшению её энергетических характеристик.

На защиту выносятся также сравнительные результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы электропривода на имитационной модели и макетном образце.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанного тиристорного преобразователя напряжения на электровозах переменного тока, что обеспечивает существенную экономию электроэнергии, а также в создании необходимой расчетной базы для разработки новых систем электропривода с использованием вентильных преобразователей.

Реализация результатов работы с использованием предложенного способа формирования вращающегося магнитного поля асинхронного двигателя и разработанных алгоритмов управления тиристорным преобразователем напряжения выполнена на макетном образце вентиляторного электропривода на кафедре «Электрическая тяга» МИИТа.

Разработанная методика используется в учебном процессе по дисциплине "Электрооборудование электроподвижного состава".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: Ш-ей международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", 2000 г, Новочеркасск; Ш-ей

научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте"; 2000 г., Москва; Ш-ей научно-практической конференции "Безопасность движения поездов", 2002 г., Москва, а так же на научных семинарах и заседаниях кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2001-2005 г.г.

Публикации. По гзме диссертации опубликовано четыре печатные работы.

Объем работы. Диссертация содержит 179 страниц и включает следующие разделы: введение, главы 1-5, заключение, список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации, формулировке цели работы и постановке задачи исследования.

Первая глава посвящена аналитическому обзору систем собственных нужд отечественных и зарубежных электровозов переменного тока. Обоснована целесообразность ступенчатого регулирования частоты вращения асинхронных двигателей с применением тиристорных преобразователей напряжения.

Исследованию систем собственных нужд отечественных электровозов переменного тока посвящены труды O.A. Некрасова, Р.И. Мирошниченко, H.H. Горина, В.И. Бочарова, В.И. Рахманинова, H.A. Ротанова, И.В. Скогорева, В.Н. Ляпус-тина, А.М. Рутштейна и других ученых.

Системы собственных нужд электровозов переменного тока (BJI80, ВЛ85) являются ёмким потребителем электроэнергии из-за запаса по мощности применяемых асинхронных двигателей, необходимого для обеспечения их надежной работы при несимметричном и нестабильном питающем напряжении в условиях низких температур окружающей среды. В целом мощность приводных асинхронных двигателей завышена на 25 - 50 %, что приводит к значительному расходу электроэнергии системами собственных нужд. По данным ВНИИЖТа и ВЭлНИИ вспомогательные машины потребляют до 18 % всей расходуемой элеюровозом энергии. Основная доля этого расхода приходится на систему вентиляции силового электрооборудования электровозов (тяговых двигателей, выпрямительных установок, сглаживающих реакторов, главного трансформатора, балластных резисторов), причем мощность системы вентиляции рассчитана на максимальные нагрузки электрооборудования.

Вместе с тем, исследования, проведенные в условиях эксплуатации, свидетельствуют о том, что основная часть рабочего времени электровозов проходит лишь с частичным использованием мощности по тяге. Это дает возможность уменьшить расход охлаждающего воздуха, сохранив нормальный тепловой режим охлаждаемого оборудования. При этом потребление электроэнергии на при-

вод вентиляторов будет снижено пропорционально расходу воздуха в третьей степени.

п, % 18<ь

14 0 12.0 10 0

ВО----

6040 20

Г

г

0.0

р

0.1 02 0.3 04 05 06 07 О.в 00 10 11 12 13

1/1 НОМ

Рис. 1. Гистограмма токов тяговых электродвигателей электровозов ВЛ80 без учета режима выбега и стоянок (Московская железная дорога)

На рис.1 представлены результаты статистической обработки токов тяговых электродвигателей электровозов ВЛ80.

Приведенная гистограмма иллюстрирует частость временных интервалов я, в течение которых ток находился в пределах определенных диапазонов Л1, определяемую как

п (¿у 100%, (1)

¡общ

где А1 - рассматриваемый интервал изменения нагрузки; Ид - число раз появления тока в рассматриваемом диапазоне; & - время, в течение которого ток оставался в пределах рассматриваемого интервала, ¿1=30 с; ¡общ - общее время продолжительности работы электровоза под нагрузкой в течение поездки. Анализ статистических данных позволил сделать следующие выводы:

- частость тока, равного нулю, в отдельных поездках, составляет 20 - 40 %; поездки без стоянок и выбегов не реальны, однако, без учета этих режимов, они могут рассматриваться как предельные случаи в условиях конкретного участка железной дороги и массы поезда;

- величина среднего за поездку тока 1СР

I = 4=1-

1СР

общ

где 1к - величина тока в к-ом измерении

меньше номинального ¡ном (часового) на 26 %;

частость токов диапазона (1 0-1 3)1 ном не превышает 21 %. Токи этого диапазона наблюдаются только в условиях трогания и разгона поезда с места на расчетном подъеме;

- токи, меньшие 0 751,юм, при которых требуемая подача воздуха вентиляторами охлаждения находится в пределах О 5<2Н0М, наблюдаются достаточно часто, п(Л1)=57 %.

Данные статистического анализа во многом совпадают с результатами аналогичных исследований, проведенными учеными ВЭлНИИ и ВНИИЖТа ранее на Красноярской, Забайкальской и Северо-Кавказской железных дорогах и свидетельствуют о целесообразности регулирования производительности вентиляторов.

Это положение подтверждено так же и тяговыми расчетами ВНИИЖТа для поездов различной массы на наиболее тяжелом профиле пути с расчетным подъемом до 10 V Из результатов этих расчетов следует, что время работы вентиляторов в режиме уменьшенной подачи (пониженной частоты вращения) увеличивается по мере снижения массы поезда и уменьшается при снижении частоты вращения вентиляторов, составляя от 63 до 100 % полного времени хода поезда по участку.

Таким образом, проведенными теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана целесообразность осуществления регулирования производительности вентиляторов.

На зарубежном тяговом подвижном составе уже длительное время используются подобные системы регулирования. При этом приоритетным является ступенчатый способ регулирования производительности вентиляторов с величинами 2/3, '/2, и '/3 номинального значения подачи.

Для осуществления регулирования производительности вентиляторов на отечественных электровозах использовали две принципиально различные системы:

1) регулирование производительности вентиляторов с применением механических устройств, вариантами которого являются дросселирование потока воздуха, например, путем применения управляемых воздухозаборных жалюзи и установка осевого регулирующего аппарата с автоматическим изменением положения лопаток;

2) регулирование частоты вращения приводного электродвигателя с использованием преобразователей параметров электрической энергии. С этой целью рассматривались варианты: регулирование скольжения электродвигателей путем снижения питающего напряжения до 50-60 В, применение двухскоростных электродвигателей, регулирование скорости вращения электродвигателей с использованием статических преобразователей напряжения, использование обратного вращения вентиляторов для снижения его подачи.

Сравнительный технико-экономический анализ указанных систем регулирования производительности вентиляторов, критериями которого являлись расход электроэнергии, влияние устройства регулирования на эффективность очистки воздуха, его надежность и стоимость, показал, что наиболее экономичным способом является регулирование частоты вращения приводного электродвигателя с использованием статических преобразователей напряжения.

В современных условиях подавляющее большинство электроприводов с асинхронными двигателями на зарубежных электровозах переменного тока выполняется с применением двухзвенных преобразователей, содержащих входной преобразователь - выпрямитель и выходной - автономный инвертор напряжения (АИН) на базе ЮВТ-транзисторов. Электроприводы на их основе обеспечивают плавный пуск, длительную работу в рабочем диапазоне частот вращения асинхронных двигателей, а также частотное торможение и реверс привода. Следует отметить, что применительно к приводам с вентиляторной нагрузкой эти преобразователи обладают избыточными регулировочными возможностями, а их высокая стоимость является основным препятствием для массового использования как на локомотивах, так и на многих российских промышленных предприятиях. Еще одним, не менее важным фактором, является то, что использование АИН является необходимым условием для применения асинхронных двигателей в системах собственных нужд электровозов постоянного тока и двойного питания. Применительно же к электровозам переменного тока альтернативным, а возможно и более целесообразным, является использование преобразователей с непосредственной связью.

Подтверждением этому служат примеры реализации двухступенчатых систем регулирования производительности вентиляторов на базе тиристорных преобразователей напряжения. Простота конструкции, малые массогабаритные показатели и возможность использования недорогой элементной базы (тиристоров) позволяют в кратчайшие сроки модернизации оснастить эксплуатируемый парк электровозов регулируемой системой собственных нужд

Частоту вращения асинхронных двигателей данных систем изменяют, переходя от штатной схемы питания однофазным напряжением 50 Гц к питанию от ти-ристорного преобразователя напряжения (ТПН) трехфазным напряжением с частотой 162/3 Гц, при котором подача вентиляторов составляет '/3 номинальной величины. Двухступенчатые системы регулирования прошли всесторонние испытания, успешную эксплуатацию на электровозах различных типов и показали относительно высокую эффективность в плане снижения потребляемой электроэнергии системой вспомогательных машин. По результатам опытных поездок с грузовыми поездами различной массы и составности, время работы вентиляторов на пониженной частоте вращения составляет в среднем до 80 % общей продолжительности поездки, а экономия электрической энергии на тягу до 14.5 %.

Данные результаты не только подтверждают положение о необходимости и достаточности использования именно ступенчатого способа регулирования, но свидетельствуют о том, что при применении плавного регулирования частоты вращения существенной дополнительной экономии энергии может и не быть.

Однако, не усложняя конструкцию одной из этих систем, можно повысить её эффективность, расширив регулировочные возможности ТПН. При этом можно получить трехступенчатую систему регулирования производительности вентиляторов, в соответствии с чем величина подачи при пониженной частоте вращения вентиляторов будет увеличена до '/2 номинального значения.

Следует так же отметить дополнительное и существенное преимущество систем вспомогательных машин с применением ТПН перед системами с АИН, заключающееся в том, что в случае использования ТПН, электровоз, по сути, оснащен двумя независимыми системами питания вспомогательных машин: нерегулируемой - при питании от обмотки собственных нужд главного трансформатора и регулируемой - при комплексном питании от преобразователя и обмотки собственных нужд. При этом в случае отказа преобразователя вспомогательные машины работают как нерегулируемые, что позволит избежать браков, связанных с внезапными отказами оборудования в работе локомотивного хозяйства ОАО«РЖД».

Вторая глава посвящена анализу регулировочных возможностей преобразователей частоты с непосредственной связью для питания собственных нужд электровозов переменного тока и разработке преобразователя с расширенным диапазоном регулирования.

Классическим преобразователем, позволяющим получить трехфазное напряжение в условиях однофазной питающей сети без усложнения трансформаторного оборудования является однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) (рис.2-а). Вариант системы с использованием НПЧ был реализован на одном из электровозов BJI80K. НПЧ обеспечивает симметричное трехфазное напряжение питания асинхронного двигателя (АД), однако распространения эта система не получила в виду сложной системы управления и склонности такого преобразователя к опрокидыванию при низких значениях costp .

Полновентильная схема НПЧ обеспечивает получение трехфазного напряжения с выходными частотами в соответствии с выражением

f~*=ll> (3)

Зк

где fL - частота напряжения сети на входе преобразователя (50 Гц);

к= 1,2, 3, ..., п - числа натурального ряда.

Создать работоспособные и относительно простые по конструктивному исполнению системы частотного регулирования АД позволяет использование мало-

а)

I

нпч

3 : з ^ 5 ^ 2 ' 2 ( 3 к

^ 3 ^ 2 ( 1 ( 1 \

6)

в)

г)

2^2

I

Рис. 2. Принципиальные схемы: а) однофазно-трехфазного НПЧ; б) шестивентильного ТПН САУВ электровозов ВЛ80С> р, ВЛ85; в) ПЧФ-139 электровоза ВЛ85 №114; г) ТПН с расширенным диапазоном регулирования

вентильных ТПН.

Работы в области систем ТПН - АД связаны с именами отечественных ученых: И.Я. Браславского, Л.П. Петрова, Т.А. Глазенко, В.И. Хрисанова, В.И. Капи-нос и других авторов. Практическая разработка, испытания и внедрение ТПН на ЭПС выполнены в ВЭлНИИ и ВНИИЖТе А.М.Рутштейном и В.Н. Михайловским. Реализованные в двухступенчатых системах регулирования производительности вентиляторов ТПН, обеспечивают те же ступени регулирования АД, что и однофазно-трехфазный НПЧ. Принципиальное же отличие данных преобразователей состоит в уменьшенном количестве силовых тиристоров и способе питания АД.

ТПН системы автоматизированного управления вентиляторами (САУВ) конструктивно содержит три пары встречно-параллельно включенных тиристоров (рис.2-6). Уменьшение в два раза, по сравнению с НПЧ, количества силовых ключей преобразователя, потребовало установки дополнительного специального трансформатора напряжения с тремя вторичными обмотками.

В отличие от САУВ система частотного регулирования приводных АД вентиляторов электровоза В Л 85 №114 не требует установки дополнительного оборудования, а количество вентилей в силовой схеме ТПН (ПЧФ-139 и его модификаций на электровозах ЭП1, ВЛ80М, 2ЭС5К) уменьшено до четырех (рис.2-в). Однако, такое схемное решение уже не позволяет формировать симметричное трехфазное напряжение для питания двигателей.

Питание АД в системе с четырехвентильным ТПН осуществляется в режиме двухфазной проводимости. При этом результирующий вектор тока статора АД, который определяется выражением

- 2 ,

Ч = + а'в + а У' <4>

где а = е -оператор поворота.

может занимать четыре фиксированных положения в пространстве, соответствующие направлениям: АС, С В, С А и ВС (рис.3).

Задав алгоритм управления тиристорами таким образом, чтобы результирующий вектор, поочередно занимая указанные положения, совершал поворот в пространстве, можно формировать вращающееся магнитное поле АД.

Приведенный на рис.2-в ТПН, с учетом изменения напряжения источника, позволяет осуществить полный оборот результирующего вектора за шесть полупериодов входного напряжения преобразователя, т.е. максимально возможная частота вращения поля АД составляет '/3 частоты входного напряжения.

В работе предложено выполнить расщепление фазы питающего напряжения на входе преобразователя, подключив одну из фаз двигателя к средней точке вторичной обмотки собственных нужд тягового трансформатора (т.к. обмотка конст-

руктибно выполнена секционированной) и изменить соответствующим образом схему включения тиристоров ТПН (рис.2-г). В этом случае появляется возможность обеспечить поворот результирующего вектора тока на 360° за четыре полупериода входного напряжения, т. е. увеличить частоту вращения поля АД до '/2 частоты входного напряжения.

А |

1 АС

IВС 4'

'х !\ г

1сл

Рис.3. Возможные положения результирующего вектора тока статора АД при питании от четырехвентильного ТПН

При этом преобразователь позволяет получить частоты выходного напряжения как по соотношению (3), так и в соответствии с выражением:

' £ (5)

Формирование электромеханических характеристик АД, при работе в системе с четырехвентильными ТПН основано на принципах векторно-импульсного управления, при котором процесс коммутации цепей двигателя необходимо вести с учетом определенных электромагнитных условий, обеспечивающих возникновение полуволн (импульсов) электромагнитного момента того же знака, что и основной момент, развиваемый АД. Отключение АД в конце импульса должно происходить до изменения знака электромагнитного момента.

Третья глава посвящена разработке математической модели системы электропривода содержащей секционированный однофазный трансформатор напряжения, ТПН и АД с вентиляторной нагрузкой.

Математическая модель трансформатора представлена электрической цепью с магнитосвязанными контурами, электромагнитные процессы в которых описываются следующей системой уравнений:

|м!--^|/|-Ид|-|/|=|и|, (6)

[ЬИ Ь12 Ьп )Кп Я12 К13матрицы взаимных индуктив-

т г г ' • , о о п - ностей и активных сопротив-ь,, Ь22 Ь23 ' \К\= К,, К„ К2,\

' | 1 лений соответствующих обмо-

Ь3, Ь32 Ь33\ Я3} К33 ток

гДе \М\ =

Матрицы токов и напряжений обмоток размера 3x1, т.е.

- 14т г /' =!// 12 /3| , Ы =|МУ щ\ , (7)

где Г - оператор транспонирования матриц.

Математическая модель преобразователя включает в себя блок полупроводниковых вентилей-ключей и блок управления ТПН (БУТПН). В соответствии с принятой методикой моделирования тиристор в силовой цепи преобразователя рассматривается как идеальный ключ, с соответствующей вольт-амперной характеристикой. БУТПН представляет собой систему импульсно-фазового управления преобразователем, предназначенную для изменения моментов включения тиристоров в функции входного управляющего сигнала.

Основой математического описания модели АД и нагрузки являются уравнения электрического и механического равновесия, а также уравнения преобразования электромагнитной энергии. При построении математической модели АД используется теория обобщенной асинхронной машины, уравнения которой в векторной форме во вращающейся системе координат имеют вид:

—

ш

- - (¡11/ц .. .—

и Я = Яя1к + }(о)к - а>к)уя

(8)

у/х = ¿.?(л + 1т1 Й

ч> к = + V*

где к¿5, Ц/ ,, мл, ¡я, результирующие векторы напряжения, токов

и потокосцеплений статора (индекс - 8) и ротора (индекс - Я); 1т - эквивалентная взаимная индуктивность статора и ротора; ¿.9 = Ь.ча + Ьт\ = Ьца + Ьт - полная индуктивность фаз статора и ротора, равная сумме индуктивностей от главного потока и потоков рассеяния;

6>к, щ - угловые скорости соответственно координатных осей и ротора двигателя.

Угловая скорость ротора АД определяется в результате решения уравнения движения электропривода

> - и м > (9)

- -у -мс'

гР ш

где Мс и 2Р - момент нагрузки на валу и число пар полюсов двигателя;

3 - приведенный момент инерции электропривода. Для вентиляторной нагрузки Мс-Мо+псо2 {М„ - начальный момент сопротивления).

Электромагнитный момент, в общем случае, определяется как векторное произведение потокосцепления и тока, т.е.

Мэм = ^Ц!ъ XII

(10)

Для проведения исследований в вентильном преобразователе и двигателе система уравнений математической модели АД преобразована к неподвижным относительно статора фазным координатным осям А, В, С (сок=0). Это связано с необходимостью контроля в процессе вычислений значений фазных токов статора для определения моментов коммутации вентилей. В то же время уравнения цепи ротора удобно представить в ортогональных осях а, Д Таким образом, уравнения электрического равновесия для короткозамкнутого АД, использующиеся при моделировании преобразованы к виду:

^ „

— Л?/.™ + <т£<.

сИ Л

п • г

"¡¡с = лЛс + о15 --- + еж

(И)

где

е = к ем ля

¿Ун

¿1

ечв - к я

е4Г —

. 7

2 Л

1 ¿Ч>Иа

2 Л

Гз< + —

2

ТД8

Ж

> 3

2 Ж

(12)

У На -°>ЯУЯ!

<1ц)

Л

л

л»

(13)

Здесь к3 = и кц = —

коэффициенты электромагнитной связи статора

и ротора соответственно; _ ~ приведенный коэффициент рассеяния.

¿ДГ-*5

Электромагнитный момент АД, в этом случае, определяется как:

МЭМ=~2 V/VRahp - Vupha) ■ (14)

Полная структурная схема математической модели системы электропривода на базе разработанного преобразователя представлена на рис.4 и содержит, применительно к среде моделирования «ЭЛТРАН», следующие блоки:

блок электрических цепей, включающий в себя трансформатор напряжения, тиристоры преобразователя и статорные обмотки АД, представленные в виде R-L-цепей и управляемых источников напряжения - ЭДС вращения eSB, esc, согласно (6 и 11);

- блок источника питания с е/ = , 2U,sina>ct;

- функциональный блок модели ротора АД, входными сигналами которого являются текущие значения токов iia и ii/3, поступающие из блока прямого преобразования координат ¡sa, ¡sb> 'sc ■ hcc hpи угловая частота вращения ротора

а выходными - электромагнитный момент АД Мэм и величины ЭДС eRa и eRp> которые после преобразования в блоке еЛа, eRp/ eSA, eiB, esc (блок обратного преобразования координат), образуют текущие значения ЭДС вращения соответствующих фаз АД;

- функциональный блок механики электропривода, реализующий заданный закон изменения момента нагрузки на валу двигателя; входной координатой блока является Мэм, выходной - i%;

- функциональный блок БУТПН, на вход которого поступают сигналы от датчиков напряжения сети U22* и линейных напряжений АД UAB и UBc, выходными являются сигналы включения тиристорных ключей ТПН Syh Sy2, SV}, SV4.

Математическая модель позволяет проводить исследования электромагнитных процессов для различных режимов: установившихся, переходных, аварийных и др.; оценивать влияние законов и алгоритмов управления на динамические качества электропривода и определять его энергетические показатели.

Четвертая глава посвящена исследованию принципов управления и их влияния на электромагнитные процессы в разработанной системе электропривода. Сформулированы принципы управления АД в системе с ТПН и предложен способ улучшения энергетических показателей.

Анализ электромагнитных процессов в системе ТПН-АД с использованием разработанной математической модели позволяет получить мгновенные значения токов и напряжений на элементах электрической схемы при различных законах управления. В качестве примера на рис.5 приведены кривые фазных токов и напряжений АД для одного из режимов с частотой 25 Гц. Формы кривых фазных токов, представляющих собой импульсы выпрямленного тока переменной полярности, резко отличается от синусоидальных. Кривые напряжения, напротив, имеют синусоидальную форму, обусловленную ЭДС вращения двигателя, с иска-

f

жениями в моменты действия импульсов тока.

Импульсный характер питания АД определяет значительные пульсации его электромагнитного момента. При этом частота пульсаций электромагнитного момента составляет 100 Гц, что с учетом инерционности приводного механизма -вентилятора, не оказывает влияния на изменение частоты вращения. Отклонение мгновенной частоты вращения ротора АД от среднего значения не превышают 0.6 % (рис.6).

Рис.5. Диаграммы фазных токов и напряжений АД в режиме выходной частоты ТПН 25 Гц

Мэм, Нм

е>к, рад/с

Рис.6. Электромагнитный момент и частота вращения ротора АД в режиме выходной частоты ТПН 25 Гц

Для получения энергетических показателей системы электропривода в работе выполнен расчет интегральных показателей: действующих значений напряжений и токов, потребляемой электроприводом активной и полной мощностей, полезной

мощности на валу АД, а так же КПД и коэффициента мощности.

Управление АД в системе с ТПН осуществляется изменением частоты выходного напряжения преобразователя & и величины приложенного к двигателю напряжения определяемой углом включения тиристоров. При заданной частоте изменение является единственным способом управления режимом работы АД. Анализ влияния величины напряжения на токовую нагрузку фаз двигателя показал (рис.7), что иесимметрия напряжения питания АД обусловливает несимметрию токовой нагрузки по фазам. Наиболее нагруженной, вследствие

одо-1——-----

0.» ОМ 0.10 0.1« О» ОЯ ОМ '[/,

Рис.7. Зависимости фазных токов и КПД АД типа АЭ92-402 от величины приложенного напряжения в режимах выходных частот разработанного ТПН: 25 Гц - а), 162/3 Гц - б) и 12.5 Гц - в) (ток и напряжение приведены в относительных единицах)

двухфазного характера питания АД, является фаза «С», подключенная к среднему выводу вторичной обмотки трансформатора. КПД АД в режимах выходных частот ТПН 25,16 73 и 12.5 Гц составляет соответственно не более 70,45 и 36 %, но при этом общие потери в двигателе в этих режимах снижаются в 2.56, 3.01 и 4.3 раза. В качестве примера для АД типа АЭ92-402, номинальная мощность на валу которого 40 кВт и КПД 85.5 % общие потери составляют 5.8 кВт; при пониженных частотах величина этих потерь равна 25 Гц - 2.27 кВт, 16 2/3 - 1.925 кВт, 12.5 Гц - 1.35 кВт. Коэффициент мощности АД находится в пределах 0.4 - 0.6.

Анализ гармонического состава кривых напряжений и токов (рис.8) свиде-

тельствует о широком спектре высших гармоник, амплитуды которых убывают с ростом порядкового номера. В спектрах отмечены значительные амплитуды нечетных гармоник 3, 5, 7, 9 и 11. Влияние остальных гармоник на энергетические процессы невелико и в целом не превышает 5%.

Проведенными исследованиями так же установлено, что при заданных алгоритмах получения выходных частот ТПН, изменение величины приложенного к АД напряжения в рассмотренном диапазоне (рис.7), оказывает существенное влияние только лишь на значение первой гармонической составляющей.

и11»-9(Г -

«5

6 " áf

¿a

-+ "í

-\±r.

30 IIKI IJ» 20U 250 J00 350 400 45U

/.Гц

i..

_L_-1 -

I) SU 1Ш) 1)0 200 2)0 ДО 350 40b 4)0 ЯЮ

/.Гц

oo

^ 4

1 il Í i . I i l

150 m J00 350 *IM> 45« 50ü

/,гц

-I—i-l

100 1W 200 2VI MI» ÍW too 4И МО

/.Гц

ч - --- — -

7»--- Ч_. - t -- — _

5»-- — — .. L..

--- - _ -

f¡-- --- 1 -U-. 1.1. Р1н

E"

I- ■

H

4 i .|.i I. . I . I ■

50 >00 t*l Ш 250 100 ЯЯ1 400 450 JOO 0 JO 100 >50 200 230 300 >50 400 450 $00

/Гц fГц

Рис.8 Гармонический состав фазных напряжений и токов АД для режима 25 Гц выходного напряжения ТПН

Анализ зависимостей фазных токов от величины приложенного к АД напряжения, позволил выявить их экстремальный характер, особенно отчетливо выраженный на частотах 12.5 и 162/3 Гц. Это обстоятельство дает основание для использования в разработанном электроприводе системы экстремального управления, обеспечивающей минимальные потери в АД в установившихся режимах работы при пониженных частотах вращения.

Применительно к системам собственных нужд электровозов, когда нагрузка

на валу вспомогательных машин может существенно изменяться (в зависимости от температуры, давления, влажности окружающего воздуха), целесообразно применение системы экстремального управления поискового типа. Алгоритм управления может быть реализован замкнутой системой (рис.9), содержащей АД, ТПН, датчик знака приращения тока ДЗПТ и экстремальный регулятор ЭР.

Рис.9. Функциональная схема системы автоматической оптимизации

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных на макетном образце разработанной системы электропривода. Проведена верификация математической модели электропривода на основе сопоставления результатов моделирования и эксперимента.

Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен макет разработанной системы электропривода (рис.10-а), включающий в себя: преобразо-

Рис.10. Макет разработанной системы электропривода (а) и структура

системы измерений (б) при проведении экспериментальных '2 исследований

ватель с расширенным диапазоном регулирования /, силовая схема которого выполнена на оптотиристорах Т0125-12.5, однофазный трансформатор напряжения 2 с секционированной вторичной обмоткой (220 В / 2*220 В) и асинхронный ко-роткозамкнутый электродвигатель AOJ1-12/4 3 мощностью 180 Вт с напрессованным на вал осевым вентилятором. Система управления преобразователем реализует алгоритмы получения ступеней частоты 50, 25, 12.5, 6.25 и 3.125 Гц выходного напряжения. Изменение частот осуществляется дискретно переключателем 4. Регулятором 3 можно плавно изменять угол открытия тиристоров преобразователя от нуля до 180 град. эл.

В результате проведенного эксперимента получены диаграммы кривых напряжений и токов АД при питании от разработанного ТПН. Для проведения измерений использовались датчики токов LT100-S и напряжений CV3-1000 фирмы LEM (Швейцария). Сигналы с датчиков поступали на многофункциональное устройство ввода/вывода N1 USB-6009 фирмы National Insruments (США) и с него на персональный компьютер (рис. 10-6).

Верификация математической модели проведена на основе сопоставления мгновенных и действующих значений, а так же гармонического состава кривых фазных токов и напряжений АД, полученных экспериментально и на математической модели. При этом математическая модель макетного образца дополнена демпферными R-C цепями с параметрами аналогичными макету (Ri=100 Ом, С,=22 мкФ), включенными параллельно каждому тиристору преобразователя. Необходимость этого вызвана сопоставимостью рабочих токов двигателя и R-C цепей, проявляющемся в наличии затухающих послекоммутационных колебаний в кривых напряжения и тока.

Сравнение результатов моделирования и эксперимента (рис.11), свидетельствует о том, что величина относительной погрешности расчетных и экспериментальных данных находится в пределах 10 %, что позволяет говорить о приемлемой точности разработанной математической модели для инженерных расчетов.

Рис.11. Экспериментальные (сплошная линия) и расчетные (пунктирная линия) диаграммы напряжения и тока фазы «А» АД

-23-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке и исследовании объектно-ориентированного электропривода на базе тиристорного преобразователя напряжения. Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Анализ систем собственных нужд электровозов переменного тока показал, что повышенный расход электроэнергии (до 18 % от всего количества электроэнергии, расходуемой на тягу поездов) вспомогательными машинами обусловлен завышенной на 25-50 % установленной мощностью применяемых асинхронных двигателей.

2. Проведенные в условиях эксплуатации исследования свидетельствуют о том, что около 60 % времени работы электровоза под нагрузкой, величина тока тяговых электродвигателей (как лимитирующего по нагреву электрооборудования) не превышает 75 % номинального значения, при котором подача воздуха может быть уменьшена на 50 % от номинальной величины. Это указывает на целесообразность регулирования производительности вентиляторов.

3. Анализ систем собственных нужд зарубежных электровозов, а так же опыт эксплуатации двухступенчатых систем регулирования производительности вентиляторов на отечественных электровозах переменного тока показал, что для достижения основного экономического эффекта (экономии электроэнергии) достаточным является ступенчатое регулирование частоты вращения. Реализация такого способа на электровозах переменного тока возможна при применении простых средств регулирования - тиристорных преобразователей напряжения.

4. Разработан алгоритм формирования вращающегося магнитного поля асинхронного двигателя и схема тиристорного преобразователя напряжения, позволяющая в смежные полупериоды входного напряжения, осуществлять поворот результирующего вектора тока статора двигателя на 60 или 120 эл. град. Это дает возможность расширить диапазон регулирования, по сравнению с применяемыми в настоящее время тиристорными преобразователями напряжения, и, в результате, увеличить продолжительность энергоэкономичных режимов работы двигателей вспомогательных машин в более широком диапазоне изменения токовых нагрузок охлаждаемого оборудования.

5. Разработана математическая модель системы трансформатор - тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель - вентиляторная нагрузка для исследования переходных и установившихся процессов на стадии её проектирования. Сравнение результатов анализа электромагнитных процессов, полученных на экспериментальной установке и математической модели, свидетельствует о том, что величина относительной погрешности расчета не превышает 10 %.

6. Выявлено, что из-за несимметричного импульсного характера питания асинхронного двигателя в системе с тиристорным преобразователем напряжения, на-

ул- .Отй

-24- * ЛЗГ

грузка по фазам двигателя распределена неравномерно. При этом, в зависимости от выходной частоты преобразователя 25, 16 2/3 и 12.5 Гц, КПД асинхронного двигателя снижается до 70, 45 и 36 % соответственно. Одновременно со снижением КПД, пропорционально уменьшаются общие потери, что не приводит к превышению температуры нагрева обмоток двигателя выше допустимого значения. 7. В результате исследований режимов работы разработанного электропривода на пониженных ступенях равных '/2, '/3 и '/4 номинальной частоты вращения установлен экстремальный характер зависимости токовой нагрузки асинхронного двигателя от величины приложенного напряжения. Разработан и реализован алгоритм оптимального регулирования по минимуму тока асинхронного двигателя на ступенях пониженной частоты.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Литовченко В.В., Паршин А.Н. Энергосберегающая система собственных нужд электровозов переменного тока. Тезисы докладов III Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава". Новочеркасск, 2000, стр. 30-31.

2. Литовченко В.В. Паршин А.Н. Снижение расхода электроэнергии на собственные нужды электровозов переменного тока. Труды третьей научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте". М.: МИИТ, 2000, стр. 1У-26.

3. Паршин А.Н. Повышение надежности и экономичности систем вспомогательных машин электровозов переменного тока. Труды третьей научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". М.:МИИТ, 2002, стр. У-35.

4 Паршин А.Н. Нужны системы регулируемого привода вспомогательных машин. Локомотив №2, 2004, стр. 35.

Паршин Андрей Николаевич

Регулируемый электропривод на базе тиристорного преобразователя с непосредственной связью для систем собственных нужд электровозов переменного тока

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Подписано в печать - Л2.Формат Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Объем - $"

Тираж 80 экз. Заказ -

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

ВВЕДЕНИЕ.

1.АНАЛИЗ СИСТЕМ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1 .Условия работы вспомогательных машин электровозов.

1.2.Базовые технические решения по электропитанию систем вспомогательных машин отечественных электровозов.

1.3.Регулирование режимов работы вентиляторов охлаждения силового электрооборудования электровозов.

1 АСистемы регулируемого электропривода вспомогательных машин отечественных и зарубежных электровозов.

1.5.Системы регулируемого электропривода вспомогательных машин электровозов на базе тиристорных преобразователей с непосредственной связью.

1.6.Результаты анализа, постановка задач и выбор методов исследования.

2.АНАЛИЗ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ ЧАСТОТНОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В УСЛОВИЯХ ОДНОФАЗНОЙ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ И РАЗРАБОТКА ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ

РЕГУЛИРОВАНИЯ.

2.1.Однофазно-трехфазный непосредственный преобразователь частоты.

2.2.Тиристорные преобразователи напряжения в системах регулирования производительности вентиляторов электровозов. 62 2.3.Тиристорный преобразователь напряжения с расширенным диапазоном регулирования и особенности управления электроприводом на его основе.

3 .РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1.Обобщенная математическая модель электрических цепей с вентильными преобразователями.

3.2.Математическая модель трансформатора.

3.3.Математическая модель тиристорного преобразователя напряжения.

3.4.Математическая модель асинхронного электродвигателя.

4 .ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕ ПРИ ПИТАНИИ ОТ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ.

4.1.Анализ напряжений и токов асинхронного электродвигателя.

4.2.3аконы управления асинхронным электродвигателем.

4.3.Оптимизация энергетических характеристик в системе тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный электродвигатель.

5 .ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ -АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ.

5.1 .Экспериментальная установка для проведения исследований.

5.2.Программа исследований, методика проведения измерений и обработки экспериментальных данных.

5.3.Результаты исследований и верификация математической модели.

Потребление электроэнергии системами собственных нужд (асинхронными электродвигателями вспомогательных машин с нагрузками вентиляторного, компрессорного и насосного типов) магистральных электровозов переменного тока достигает 18 % от общего количества электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. При этом доля, приходящаяся на нерегулируемые приводы вентиляторов охлаждения силового электрооборудования, составляет не менее 80 % от общих энергозатрат на собственные нужды.

Основную проблему здесь представляет электропитание асинхронных двигателей. На всех отечественных электровозах питание двигателей вспомогательных машин осуществляется от вращающегося электромашинного или "конденсаторного" расщепителя фаз без стабилизации и симметрирования напряжения. Для обеспечения надежной работы привод-^ ных двигателей, при работе во всем диапазоне изменения питающего напряжения, их номинальную мощность приходится повышать на 25 - 50 %, что в конечном итоге приводит к значительному перерасходу электроэнергии.

Используя регулирование частоты вращения приводных асинхронных двигателей можно значительно снизить энергопотребление вентиляторов. Целесообразность применения на электровозах переменного тока частотно-регулируемого привода для систем вентиляции достаточно полно * обоснована многочисленными исследованиями ВНИИЖТа и ВЭлНИИ.

Эффективность таких систем подтверждена отечественным и зарубежным опытом.

Реализация частотного регулирования электроприводов с асинхронными двигателями на электровозах, как правило, связана с использованием двухзвенных преобразователей частоты на полностью управляемых ключах с выходным звеном - автономным инвертором напряжения.

Однако применение таких преобразователей не всегда оправдано из-за высокой стоимости за счет заложенных в них избыточных регулировочных возможностей. Основной эффект от введения регулирования производительности вентиляторов, заключающийся в снижении потребляемой электроэнергии системами вспомогательных машин, можно получить при использовании ступенчатого регулирования. Этот способ реализован как на электровозах зарубежного производства, так и на новых отечественных электровозах ЭП10 и ЭП200, имеющих соответственно три и четыре ступени регулирования производительности вентиляторов.

Для осуществления ступенчатого регулирования частоты вращения асинхронных двигателей можно применить более простые средства регулирования - преобразователи частоты с непосредственной связью. Варианты двухступенчатых систем регулирования с использованием маловентильных тиристорных преобразователей напряжения, содержащих в силовой схеме четыре либо шесть тиристоров, нашли применение на электровозах, проходящих модернизацию по программе ОАО «РЖД» (электровозы серий ВЛ80 и ВЛ85), а так же на электровозах новых серий ЭП1 и 2ЭС5К. Питание вспомогательных машин этих электровозов осуществляется переменным напряжением частотой 50 Гц при номинальной скорости Л вращения и частотой 16 /3 Гц - в режиме пониженной скорости вращения. По данным ВНИИЖТа и ВЭлНИИ, использование таких систем позволяет экономить до 14.5 % общего потребления электроэнергии электровозом. Однако, наибольший экономический эффект данные двухступенчатые системы позволяют получить, как правило, в условиях недоиспользования тяговой мощности электровозов (при работе с пассажирскими и легковесными грузовыми поездами, следовании одиночным локомотивом, в условиях поездной обстановки с точным соблюдением графика движения и т.п.).

Актуальность работы определяется широким распространением на отечественных электровозах переменного тока систем регулируемого электропривода вспомогательных машин на базе простых (в части схемного исполнения и элементной базы) тиристорных преобразователей напряжения.

Однако, не усложняя конструкцию одной из используемых двухступенчатых систем, можно повысить её эффективность, расширив регулировочные возможности преобразователя. При этом можно получить трехступенчатую систему регулирования производительности вентиляторов, обеспечивающую энергосберегающие режимы работы асинхронных двигателей вспомогательных машин в более широком диапазоне использования тяговой мощности электровозов.

Целью настоящей работы является исследование и разработка частотно-регулируемого электропривода с расширенным диапазоном регулирования для систем собственных нужд электровозов переменного тока на базе маловентильного тиристорного преобразователя напряжения с естественной коммутацией тока.

В этой связи работе ставятся следующие задачи:

- исследование регулировочных возможностей эксплуатируемых на электровозах переменного тока систем вспомогательных машин на базе тиристорных преобразователей напряжения и разработка преобразователя с расширенным диапазоном регулирования;

- исследование электромагнитных процессов в системе тиристор-ный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ТПН

АД);

- создание математической модели разрабатываемого электропривода;

- техническая реализация электропривода и проведение экспериментальных исследований.

Методы исследований. Сформулированные задачи решались с использованием базовых законов теоретических основ электротехники, теорий обобщенной электрической машины и полупроводниковых преобразователей, методов имитационного математического моделирования с реализацией в системе ЭЛТРАН (система моделирования устройств преобразовательной техники). Для экспериментальных исследований изготовлены макет разработанной системы электропривода вентилятора и система измерения, состоящая из комплекта датчиков токов и напряжений фирмы ф LEM, многофункционального устройства ввода/вывода N1 USB-6009 фирмы NATIONAL INSTRUMENTS и программного приложения N1 Data Logger.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований выполнен с использованием математического пакета MATHCAD.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. На основе анализа траекторий результирующего вектора тока статора асинхронного двигателя, при питании от источника однофазного переменного напряжения, разработан алгоритм управления и схемная реализация маловентильного тиристорного преобразователя напряжения с расширенным диапазоном регулирования частоты.

2. Разработана математическая модель системы однофазный трансформатор напряжения - тиристорный преобразователь напряжения -асинхронный двигатель с нагрузкой вентиляторного типа; она реализована в виде компьютерной программы, позволяющей исследовать электромагнитные и механические процессы с расчетом обобщенных энергетических показателей.

3. Обоснован алгоритм управления разработанной системой электропривода и даны рекомендации по улучшению её энергетических характеристик.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования разработанного тиристорного преобразователя напряжения на электровозах переменного тока, что обеспечивает существенную экономию электроэнергии, а также в создании необходимой расчетной базы для разработки новых систем электропривода с использованием вентильных преобразователей.

Реализация результатов работы с использованием предложенного способа формирования вращающегося магнитного поля асинхронного двигателя и разработанных алгоритмов управления тиристорного преобразователя напряжения выполнена на макетном образце вентиляторного электропривода на кафедре «Электрическая тяга» МИИТа.

Разработанная методика используется в учебном процессе по дисциплине "Электрооборудование электроподвижного состава".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: Ш-ей международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", 2000 г, Новочеркасск; Ш-ей научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте"; 2000 г., Москва; Ш-ей научно-практической конференции "Безопасность движения поездов", 2002 г., Москва, а так же на научных семинарах и заседаниях кафедры «Электрическая тяга» МИИТа в 2001-2005 г.г.

Структура диссертации. Диссертация содержит 179 страниц и включает следующие разделы: введение, главы 1-5, заключение, список литературы из 97 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке и исследовании объектно-ориентированного электропривода на базе маловентильного тиристорного А преобразователя напряжения. Материалы работы позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Анализ систем собственных нужд электровозов переменного тока показал, что повышенный расход электроэнергии (до 18 % от всего количества электроэнергии, расходуемой на тягу поездов) вспомогательными машинами обусловлен завышенной на 25-50 % установленной мощностью применяемых асинхронных электродвигателей.

2. Проведенные в условиях эксплуатации исследования свидетельствуют о том, что около 60 % времени работы электровоза под нагрузкой, величина тока тяговых электродвигателей (как лимитирующего по нагреву электрооборудования) не превышает 75 % номинального значения, при котором подача воздуха может быть уменьшена на 50 % от номинальной величины. Это указывает на целесообразность регулирования производительности вентиляторов.

3. Анализ систем собственных нужд зарубежных электровозов, а так же опыт эксплуатации двухступенчатых систем регулирования производительности вентиляторов на отечественных электровозах переменного тока показал, что для достижения основного экономического эффекта щ- (экономии электроэнергии) достаточным является ступенчатое регулирование частоты вращения. Реализация такого способа на электровозах переменного тока возможна при применении простых средств регулирования - маловентильных тиристорных преобразователей напряжения.

4. Разработан алгоритм формирования вращающегося магнитного поля асинхронного электродвигателя и схема тиристорного преобразователя напряжения, позволяющая в смежные полупериоды входного напряжения, осуществлять поворот результирующего вектора тока статора на 60 или 120 эл. град. Это дает возможность расширить диапазон регулирования, по сравнению с применяемыми в настоящее время тиристорными преобразователями напряжения, и, в результате, увеличить продолжительность энергоэкономичных режимов работы двигателей в более широком диапазоне изменения токовых нагрузок охлаждаемого оборудования.

5. Разработана математическая модель системы трансформатор напряжения - тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный электродвигатель — вентиляторная нагрузка для исследования переходных и установившихся процессов на стадии её проектирования. Сравнение результатов анализа электромагнитных процессов, полученных на экспериментальной установке и математической модели, свидетельствует о том, что величина относительной погрешности расчета не превышает 10 %.

6. Выявлено, что из-за несимметричного импульсного характера питания асинхронного электродвигателя при питании от тиристорного преобразователя напряжения нагрузка по фазам двигателя распределена неравномерно. При этом, в зависимости от выходной частоты преобразователя 25, 16 2/3 и 12.5 Гц, КПД двигателя снижается до 70, 45 и 36 % соответственно. Одновременно со снижением КПД, пропорционально уменьшаются общие потери в двигателе, что не приводит к превышению температуры нагрева обмоток выше допустимого значения.

7. В результате исследований режимов работы разработанного электропривода на пониженных ступенях равных 1/2, '/з и '/4 номинальной частоты вращения установлен экстремальный характер зависимости токовой нагрузки асинхронного электродвигателя от величины приложенного напряжения. Разработан и реализован алгоритм оптимального регулирования по минимуму тока асинхронного электродвигателя на ступенях пониженной частоты.

1. Аранчий Г.В., Жемеров Г.Г. и др. Тиристорные преобразователичастоты для регулируемых электроприводов. М.: Энергия, 1968.

2. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат.Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с.

3. Бернштейн И.Я. Тиристорные преобразователи частоты без звена постоянного тока. М.: Энергия, 1968. - 89 с.

4. Бернштейн И.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев А.В., Сарбатов Р.С. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе / Под ред.Р.С. Сарбатова. - М: Энергия, 1980. - 328 с.

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учебник для вузов. Изд. 7-е, перераб. и доп. -М.: Высш. школа, 1978. - 528 с.

6. Бочаров В.И., Кодинцев И.Ф. и др. Магистральные электровозы: Общие характеристики. Механическая часть. - М.:Машиностроение, 1991. - 224 с.

7. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Наука, 1966.-327 с.

8. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока Л. Энергия, 1980. 256 с.

9. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985. 224 с.

10. Вериго М.Ф. Методическое пособие по применению математической статистики в обработке опытных данных. Учеб.пособие для студентов. - Новочеркасск, 1964.

11. Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. Учебник для вузов. - М.: Транспорт,1986.-511 с.171.

12. Волчек В.Л., Ойхман Е,Г. Цифровые устройства на микросхемах. М.: Энергия, 1975.-210 с.

13. Вотчинцев Г.М. Электромагнитные процессы в непосредственных преобразователях частоты, предназначенных для питаниявспомогательных цепей подвижного состава. Дисс. на соиск. учен,степ. канд. техн. наук. - М.: МИИТ, 1974.

14. Глазенко Т.А., Хрисанов В.И. Математическое моделирование тиристорного асинхронного электропривода с фазовымуправлением. Техническая электродинамика, М4,1982, с. 52-58.

15. Глинтерник СР. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. Л.: Наука, 1968. - 308 с.

16. Гнеденко Б.В., Хинчин А.Я. Элементарное введение в теорию вероятности.-Изд. 2-е. -М.: Наука, 1976, 165 с.

17. Грузов В.Л. Сабинин Ю.А. Асинхронные маломощные приводы со статическими преобразователями. М.: Энергия, 1970.

18. Грузов Н.Л. Методы математического исследования электрических машин. М.: Госэнергоиздат, 1953. — 264 с.

19. Дубровский З.М., Попов В.И., Тушканов Б.А. Грузовые электровозы переменного тока: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Транспорт, 1998. - 503 с.

20. Ефремов И.С, Калиниченко А.Я., Феоктистов В.П. Цифровые системы управления электрическим подвижным составом стиристорными импульсными регуляторами. -М.: Транспорт, 1988. -252 с.

21. Железные дороги мира JN» 10, 1997. Обзор зарубежных локомотивов. с.10-25.

22. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М.: Энергия, 1977. - 280 с.

23. Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. Тяговые электрические машины. Учебник для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт, 1991. - 343 с.172.

24. Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А., Горчаков Е.В. Тяговые электрические машины и трансформаторы. М.: Транспорт, 1979. -303 с.

25. Зимин Е.Н., Яковлев В.И. Автоматическое управление электроприводами. - М.: Высшая школа, 1965. - 467 с.

26. Зюбин В.Ф., Лабунцов В.А. Построение цифровых систем управления вентильными преобразователями постоянного тока. //Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника,ВЫП.15. —с.25-27.

27. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980.

28. Иньков Ю.М., Ротанов Н.А. и др.; Под. ред. Ю.М. Инькова. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижногосостава. М.: Транспорт, 1982-263 с.

29. Кириллов B.C., Матекин С. и др. Система охлаждения электровоза двойного питания ЭП10. Локомотив, Nsu, 2000. с. 25 - 27.

30. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

31. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1966, - 744 с.173.

32. Ковригин В.А. Учет ЭДС вращения нри расчете асинхронного электронривода с тиристорными регуляторами нанряжения.Электротехника, №5, 1980, с.24-28.

33. Копанев А.С., Кинжигазиев В.В. Особенности электрических схем электровоза ВЛ80М. Локомотив №10, 2002 г (стр. 24 - 27).

34. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов но спец. "Электромеханика". 2-е изд.,перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1994. - 318 с.

35. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

36. Копылов И.П. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1973.-400 с.

37. Кравчук В.В. Электровоз ВЛ65: особенности конструкции и электрических схем. Локомотив №5, 2000. с.18 - 23.

38. Кравчук В.В., Дениско Н.П., Янов В.П. Обоснование применения на электровозах ВЛ80С регулируемой системы вентиляции.Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ). - 2001. -Т.43.-340С. 39. Кривицкий CO., Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. М.: Энергия, 1970.152 с.

40. Литовченко В.В. Исследование электромагнитных процессов в силовых цепях элёктроподвижного состава переменного тока сасинхронными тяговыми двигателями. Дисс. на соиск. учен. степ,канд. техн. наук, М.: МИИТ, 1974.

41. Литовченко В.В., Назаров О.С., Ротанов Н.А. и др. Системы управления полупроводниковых преобразователей подвижногосостава. -М.: Информэлектро, 1977. - 51 с.174.

42. Лутитзе Ш.И., Михневич Г.В., Тафт В.А. Введение в динамику асинхронных машин и машинно-нолунроводниковых систем. М.:Наука, 1973.

43. Михайловский В.Н., Исаев В.Ф. и др. Система САУВ для электровоза ВЛ80С. Локомотив №10, 2003 г (стр. 25 - 29).

44. Михайловский В.Н., Чернохлебов В.Е. и др. Автоматизированное регулирование скорости мотор-вентиляторов. Железнодорожныйтранспорт N«9, 2005 г.

45. Некрасов О.А. Лисицын А.Л. и др. Режимы работы магистральных электровозов. М.: Транспорт, 1983.-231 с.

46. Некрасов О.А., Каптелкин В.А., Перцовский A.M. О расходе электроэнергии вспомогательными машинами электровозов. ТрудыВНИИЖТ,вып.514, 1974.

47. Некрасов О.А., Мирошниченко Р.И. Условия работы вспомогательных машин по напряжению. - Труды ВНИИЖТ, 1966,вьш.312,с.76-97.

48. Некрасов О.А., Рутштейн A.M. Вспомогательные машины электровозов переменного тока. - М.: Транспорт, 1988. - 223 с.

49. Озеров В.И. Качественный анализ алгоритмов управления непосредственных преобразователей частоты. Труды МИИТа, 1978,вып. 585, с.92-100.

50. Петров Л.Н. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. - М . : Энергоиздат, 1981,184 с.

51. Петров Л.П., Андрющенко О.А. и др. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. — М.:Энергоатомиздат, 1986. - 200 с : ил.

52. Петров Л.П., Ладензон В.А. и др. Асинхронный электропривод с тиристорными коммутаторами. - М . : Энергия, 1970. - 128 с.175.

53. Петров Л.П., Ладензон В.А. и др. Моделирование асинхронных электроприводов с тиристорным управлением. М.: Энергия, 1977.200 с.

54. Пехотский И.В., Колпахчьян П.Г. и др. Вопросы частотного пуска мотор-компрессора с асинхронным двигателем.Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ). - 2003. -Т.45.-425С. 55. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями. М.: Энергия, 1975.-264 с.

56. Подопросветов А.В., Морошкин Б.П. Пассажирский электровоз ЭП200. Локомотив №8, 2002. с. 32-34

57. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. М.: МПС РФ, 2000. - 190 с.176.

58. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М.: Транспорт, 1985.287 с.

59. Растригин А.А. Системы экстремального управления. — М. Наука, 1974.-632 с.

60. Ребрик Б.Н., Нестеров A.M. Снижать расход энергии на вентиляцию оборудования электровозов. Локомотив №3, 1996.

61. Режко Н.А., Лобов А.В., Турулев В.М. Вспомогательный асинхронный электропривод электровозов переменного тока.Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ). - 2002. -Т.44.-336С. 62. Ровинский П.А., Тикан В.А. Вентильные преобразователи частоты без звена постоянного тока. М.: Наука, 1965. - 75 с.

63. Ротанов Н.А., Захарченко Д.Д. и др. Проектирование систем управления электроподвижным составом. - М.: Транспорт, 1986. -327 с.

64. Рутштейн А. М. Регулируемый вспомогательный электропривод электровоза ЭП1. Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос.н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО«ВЭлНИИ).- 1998. - Т.40. 65. Рутштейн A.M. Выбор схемы вспомогательного электропривода электровоза ЭП200. Тезисы докладов 3-ей междунар. науч.-техн.конф. «Состояние и перспективы развития электроподвижногосостава». - Новочеркасск, 2000.

66. Рутштейн A.M., Щупак А.А., Бабин А.А. Опытный электровоз ВЛ85. Электрическая и тепловозная тяга №1, 1991.

67. Сабинин Ю.А., Грузов В.Л. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы.-Л.: Энергоатомиздат, 1985, -128 с.177.

68. Савоськин А.Н., Баранов Л.А. и др. Автоматизация электроподвижного состава: Учебник для вузов ж.-д. трансп. Подред. Савоськина А.Н. М.: Транспорт, 1990, - 311 с.

69. Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. 328 с.

70. Сарваров А.С. Энергосберегающий электропривод вентиляторных механизмов по системе НПЧ-АД с программным формированиемнапряжения: Дис.... докт. техн. наук. - Магнитогорск, 2002. — 328 с.

71. Сиротин А.А. Автоматическое управление электроприводами. - М.: Энергия, 1969.-560 с.

72. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С. и др.Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока свентильными преобразователями. — М.: Энергоатомиздат, 1983. 256с.

73. Скогорев И.В., Резников В.И. и др. Оценка нагрева тяговых двигателей электровозов переменного тока в условиях эксплуатации.Труды Рост. Ин-т ж.-д. транспорта, 1984, вып. 176, с. 71-78.

74. Скогорев И.В., Федюков Ю.А.. Статистический анализ нагрузки тягового электрооборудования в эксплуатации.Электровозостроение / Всесоюз. н.-и. проектно-конструкт. и технол.ин-т электровозостроения. Новочеркасск, 1986. Т.27. с. 19-29.

75. Смирнов В.П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза. Монография. - Иркутск:Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2003. - 328 с.

76. Соколов М.М., Петров Л.П. и др. Электромагнитные процессы в асинхронном электроприводе. М.: Энергия, 1967. - 198 с.

77. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель- поездам. Под общ. ред. Тищенко А.И. Т.2. М.: Транспорт, 1976, 376с.178.

78. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1980. - 417 с.

79. Тихомиров П.Н. Расчет трансформаторов. М.: Энергия, 1976. - 544 с.

80. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах неременного тока. Л.: Энергия, 1980. - 344 с.

81. Украинский Э.В.. Совершенствование вспомогательных электрических машин электроподвижного состава.Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО «Всерос. н.-и. и нроектно-конструкт. ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ). - 2003. -Т.45.-425С.

82. Федотов Ю.Б. Математическое моделирование вентильных преобразователей. Учеб. пособие. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та,1994.-92 с.

83. Хрисанов В.И. Математическая модель асинхронных машин в фазных осях статора. "Электротехника" №7, 2004. с. 23-31.

84. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. - М.: Энергия, 1979. — 619 с.

85. Шрейнер Р.Т. Задачи экстремального частотного управления асинхронными электроприводами. Асинхронный тиристорныйэлектропривод. - Свердловск: Урал, политех, ин-т, 1971. с. 92-96

86. Шрейнер Р.Т., Дмитренко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штиинца, 1982. 234 с.

87. Шрейнер Р.Т., Поляков В.П. Экстремальное частотное управление асинхронными двигателями // Электротехника. 1973. JVb9. с. 10-13.179.

88. Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. М.: Энергия, 1972. - 200 с.

89. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.А. Оптимизация частотно- управляемого асинхронного электропривода по минимуму тока //Электричество. 1970. JVro9. с. 23-26.

90. Volker Distelrath, Aubert Martin. The S252 Dual-System AC Electric 1.ocomotive with Three-Phase Drive for Spanish Railways. ElektrischeBahnen№5, 1990.

91. Schlapfer P. Elektrische Lokomotiven 460. Elektrische Bahnen JNr29, 1992.