автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование зонных преобразователей для электровозов на переменном токе

На правах рукописи

Джаборов Мехрубон Махмадкулович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о ИЮЛ 2014

Новосибирск - 2014

005550375

005550375

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Щуров Николай Иванович

Официальные оппоненты: Сальников Василий Герасимович

доктор технических наук, профессор, Новосибирская академия водного транспорта, профессор кафедры электроэнергетические системы и электротехника

Козляев Юрий Дмитриевич

кандидат технических наук, профессор Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, профессор кафедры радиотехнических устройств

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» г. Красноярск

Защита состоится « 25 » сентября 2014 года в «Ю00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета и на сайте http:www.nstu.ru.

Автореферат разослан «7,4» ЧгО1гУ20\4 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Нейман Владимир Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. Доля потребления электроэнергии железной дорогой России достаточно велика, она ежегодно составляет около 5...7 % от общей выработки. Распоряжением президента ОАО «Российские железные дороги» 11 февраля 2008 г была утверждена Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на перспективу до 2030 года. Одним из основных вопросов стратегии является повышение эффективности перевозочного процесса, достижение энергетической эффективности железнодорожного транспорта в целом, в том числе и на тягу поездов.

Около 25 тыс. км железных дорог в России электрифицировано по системе однофазного переменного тока промышленной частоты и электрификация на переменном токе продолжается. Более 20 % электровозов на переменном токе оборудованы преобразователями с однофазным зонно-фазовым регулированием (ОЗФР) для обеспечения плавности регулирования скорости тяговыми двигателями (ТЭД). Преобразователи ОЗФР нашли широкое применение на электровозах переменного тока серий ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1 и др.

Основным недостатком электровозов с ОЗФР на сегодняшний день является сравнительно низкие значения энергетических показателей, особенно коэффициента мощности %, среднее значение которого не превышает 0,8.

Изучению проблемы повышения энергетических показателей и путей ее решения посвящены работы ученых и исследователей, среди которых значительный вклад внесен Тихменевым Б.Н., Лисицыным А.Л., Плаксом A.B., Покровским C.B., Ермоленко Д.В., Яновым В.П., Бадером М.П., Тулуповым В.Д., Литовченко В.В, Барановым Л. А., Бурковым А. Т., Мамошиным P.P., Техманом Н.Б., Зиновьевым Г.С., Щуровым Н.И., Евдокимовым С.А. и др.

Одним из наиболее эффективных путей повышения энергетической эффективности грузовых электровозов на переменном токе является совершенствование ОЗФР, которое не сопряжено с дополнительным расходом материалов и не требует существенной переделки используемого трансформаторного оборудования.

Целью работы является повышение энергетических показателей однофазных зонно-фазовых регуляторов в системе управления тяговыми электродвигателями электровозов на переменном токе.

Задачи исследования:

1. Исследование и систематизация существующих схемных решений ОЗФР для управления ТЭД электровозов на переменном токе.

2. Определение способов повышения энергетических показателей ОЗФР с учетом особенностей коммутационных процессов.

3. Построение схемного решения и оценка эффективности усовершенствованного ОЗФР с применением методов структурного синтеза.

4. Проведение модельных и экспериментальных исследований ОЗФР для проверки достоверности теоретических положений и определения их энергетической эффективности.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретиче-

ских исследований положены методы теории электрических цепей, метод структурного синтеза, метод кусочно-линейного припасовывания и метод непосредственного интегрирования. Экспериментальные исследования проводились на имитационных моделях в среде МАТЬАВ/ БтиНпк, а так же на физической модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических исследований и сравнение двух ОЗФР, вентильные части которых образуют классическую мостовую и предлагаемую лестничную структуру.

2. Структурный и параметрический синтез ОЗФР с лестничным построением системы автоматического регулирования ТЭД электровоза на переменном токе.

3. Результаты, полученные на имитационной модели ОЗФР различных структур, позволяющие проводить исследования энергетических показателей электровоза во всех режимах работы.

4. Результаты экспериментальных исследований физических моделей ОЗФР.

Достоверность полученных результатов:

Подтверждена сопоставительными вычислительными экспериментами, проводившимися на базе специализированных компьютерных программ в среде МАТЬАВ/БтиПпк, а также сопоставлением теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований на физической модели ОЗФР электровоза серии ВЛ85.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен усовершенствованный вариант ОЗФР с лестничной структурой, исключающий образование двойных контуров коммутации, что способствует достижению наивысших энергетических показателей преобразователя.

2. Получены расчетные соотношения, определяющие коэффициент фазового сдвига основной гармоники напряжения относительно тока для всех зон регулирования ОЗФР.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработаны и предложены улучшенные схемные решения ОЗФР с лестничной структурой для управления ТЭД электровозов на переменном токе, которые могут быть применены без изменения существующих систем управления и не требующие существенной переделки силовой части полупроводникового преобразователя и трансформаторного оборудования. В случае использования четырех-зонного преобразователя с лестничной структурой, оснащенного предлагаемой системой управления, удается повысить значения коэффициента мощности в пределах 3...5 %, по сравнению с существующими ОЗФР.

2. Разработаны имитационные модели ОЗФР различных структур, которые позволяют исследовать режимы работы, оценивать и повышать их тягово-энергетические показатели, решая задачи энергосбережения.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» 29 - ноября, 2 - декабря 2012 г. НГТУ, (Новосибирск); XI международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроение» 2-4 октября 2012г. НГТУ, (Новосибирск);

XIV международной заочной научно-практической конференции. - М., Изд. «Международный центр науки и образования», 2013.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 -в изданиях, рецензируемых ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 100 наименований. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, включает 83 рисунка и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность задачи повышения энергетических показателей электровозов переменного тока, и определены направления данного исследования. Сформулирована цель, задачи исследований и пути их решения.

В первой главе рассмотрены краткие теоретические сведения и принципы работы регуляторов выходного напряжения для управления ТЭД электровозов, в роли которых используются управляемые и неуправляемые преобразователи, показаны особенности способов регулирования выходного напряжения.

Выявлены достоинства и недостатки амплитудного и фазового способов управления ТЭД. Показано, что достоинством амплитудного управления является достаточно высокий КПД и коэффициент мощности, достигающий значений 0,9....0,95 , а недостатком - неизбежная ступенчатость регулирования выходного напряжения, которая на ЭПС приводит к значительным толчкам тягового усилия и может способствовать буксованию колесных пар. Кроме того, наличие громоздких коммутационных аппаратов снижает общую надежность регуляторов, увеличивает объем профилактического обслуживания и приводит в конечном итоге к высоким эксплуатационным затратам.

Показано, что достоинством фазового управления является возможность плавного регулирования выходного напряжения при отсутствии колебаний пускового тока. Это позволяет исключить из силовых цепей громоздкие коммутационные аппараты, переключающие секции трансформатора. К недостаткам фазового регулирования относятся низкие значения коэффициента мощности при больших углах регулирования а и повышенная пульсация выпрямленного тока.

Предложено схемное решение по устранению выявленных недостатков амплитудного и фазового регулирования и показана целесообразность применения так называемых зонных преобразователей, которые получены путем объединения достоинств, принципов регулирования и схемных решений амплитудных и фазовых регуляторов.

Представлены особенности регулирования уровня выпрямленного напряжения зонных преобразователей для управления ТЭД электровозов переменного тока. Проанализированы способы построения схемных решений зонных преобразователей, как наиболее совершенных регуляторов. Установлено, что на сегодняшний день из известных схемных решений наибольшее распространение получила схема однофазного мостового четырехзонного преобразователя или мостового

ОЗФР, по которой собрано до 20 % электровозов серийВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5к, ЗЭС5к и др.

Электрическая схема ОЗФР с мостовой структурой состоит из трех секционированных мостов (рисунок 1) и трех секций вторичных обмоток трансформатора, напряжения на которых соотносятся как 2:1:1. Такое соотношение дает четыре зоны регулирования напряжения на выходе преобразователя в диапазонах 01/4, 1/4-1/2, 1/2-3/4, 3/4-1 от номинального значения.

Вместе с тем, и в мостовом ОЗФР не исключен основной недостаток - низкая величина коэффициента мощности, не превышающая в режиме тяги значений 0,7...0,8.

Поэтому в качестве объекта исследования был выбран указанный выше ОЗФР мостового исполнения для дальнейшего совершенствования схемного решения и повышения его энергетических показателей.

Во второй главе проведены исследования ОЗФР с мостовой структурой, а так же показаны характерные особенности коммутационных процессов для одно-зонных и многозонных режимов работы. Выявлены основные недостатки схемных решений и предложен способ их устранения.

Наиболее существенный «вклад» в снижение коэффициента мощности дает сдвиг по фазе между первыми гармониками тока и напряжения, вызванный образованием малых и больших контуров коммутации. При этом в классических ОЗФР малый контур является частью большого контура, что проводит к образованию двойного угла коммутации, как показано на рисунке 2.

Результаты проведенного анализа подтверждают, что вложения малых контуров в большие возникают во всех зонах регулирования, кроме первой. Это уменьшает рабочую часть периода регулирования преобразователя на 9... 12°, снижает коэффициент мощности и вызывает дополнительные искажения выпрямленного напряжения.

Одним из эффективных путей решения задачи повышения коэффициента мощности электровозов на переменном токе с плавным ОЗФР напряжения является совершенствование силовой части преобразователя.

Основная задача такого совершенствования решается путем разнесения контуров коммутации таким образом, чтобы исключить их вложения. Это реализуется в схемах с так называемой лестничной структурой, разработанных на кафедре электротехнических комплексов НГТУ при участии автора.

"~25кВ

}Г1

^Д^1 "ДЯУЗ ^Д!

Э\'3

№.га>

ДЭУ2 ДвУ4

ЭУ5

№2(3)

ДЭУ8

Рисунок 1 - Схема мостового ОЗФР на электровозах переменного тока

Рисунок 2 -Диаграмма выходного напряжения (/</ во второй зоне регулирования

мостового преобразователя

Лестничная структура ОЗФР позволяет выполнить схему четырехзонного преобразователя, не образующего двойного контура коммутации (рисунок 3,а). Достоинства приведенной лестничной структуры определяются симметричностью силовой части схемы и ее совместимостью с существующим оборудованием. В предложенной схеме вентильная часть ОЗФР электровозов серии ВЛ80Р упрощается, а трансформаторное оборудование подлежит несложной переделке. Помимо этого, становится более простым алгоритм управления тиристорами, который приведен на рисунке 3,6.

Зона У 5VI 8У2 5УЗ 5К5 5Кб 5Г7

<3 а: + • • о

- О • •

О г + О О •

т <-ч - • О О

<3 г + о О •

'А - • о о

ч а + о о о • о

•ч- - • о о о

О - открытый тиристор т. е. а=0 О - регулируемый тиристор т.е. офО б

Рисунок 3 - Схема лестничного ОЗФР -а и алгоритм управления тиристорами - б

В ходе проведения экспериментальных исследований автором было установлено, что лестничному преобразователю присуща меньшая, по сравнению с пре-

образователем с мостовой структурой, продолжительность коммутационных процессов.

Однако при управлении мощной активно-индуктивной нагрузкой, которой являются тяговые двигатели, требуется предусматривать пути прохождения тока /а для чего следует использовать либо дополнительный обратный диод, либо сочетание тиристоров, приведенных в проводящее состояние (например, 8У1+БУ2+5УЗ или ЯУЗ+ЗУб+ЯУТ), поскольку индуктивный характер нагрузки препятствует естественному закрытию регулирующих тиристоров (рисунок 4).

Рисунок 4 - Пути протекания токов по силовым цепям преобразователя с лестничной структурой

Рисунок 5 - Изменение топологии подключения тиристоров

Поэтому автором принято решение о дальнейшем совершенствовании схемного решения ОЗФР с лестничной структурой методом структурного синтеза та-

ким образом, чтобы предусмотреть естественные пути протекания тока для индуктивной нагрузки, не прибегая к дополнительным обратным диодам и не усложняя алгоритм управления тиристорами.

Задача совершенствования ОЗФР с лестничной структурой заключается в нахождении рациональных путей протекания тока при работе преобразователя на индуктивную нагрузку. Для этого схема была условно разделена на три участка — первую и вторую трехвентильные звезды и соединяющие их элементы, как показано на рисунке 5.

В результате исследований установлено, что в процессе регулирования ОЗФР в любой из трехвентильных звезд не следует открывать более одного тиристора, а центральные тиристоры целесообразно заменить на диоды УБ1, У02.

Включение элементов, соединяющих участки ОЗФР с лестничной структурой, должно выполняться с учетом наличия открытых диодов в каждой трехвентильной звезде и насчитывает несколько вариантов. В ходе анализа полученных структур найден оптимальный вариант, который обеспечивает естественные пути протекания тока с индуктивным характером нагрузки в любой момент времени.

Итоговое предложенное схемное решение усовершенствованного ОЗФР с учетом разработанных алгоритмов управления тиристорами для всех зон регулирования показано на рисунке 6.

БУ7

№.'2(3)

5

I

СР

№2(4) "

У02 ф8У6

Зона /м ЗГ1 5 V: да 5Гб 5Г7 $Г8

1-Зона + •

- •

2-Зона + • О

- • О

З-Зона + О •

- О •

4-Зона + О о •

- О О •

О - открытый тиристор т. е. а=0 • - регулируемый тиристор т.е. афО

а б

Рисунок 6 - Электрическая схема усовершенствованного ОЗФР с лестничной структурой — а и алгоритм управления тиристорами - б

В третьей главе работы выполнен анализ электромагнитных процессов для усовершенствованного ОЗФР с лестничной структурой.

Показано, что предлагаемый ОЗФР содержит естественные пути протекания тока при индуктивном характере нагрузки и обеспечивает разнесение контуров коммутации, благодаря чему исключается образование вложений одного контура коммутации в другой. В качестве примера на рисунке 7 приведены электрические схемы замещения ОЗФР для второй зоны регулирования, характеризующие особенности коммутационных процессов для разных временных интервалов.

ТУР1 \7SV2 вУ6

ЭУ4

-Ы-

Второй контур коммуташ Первый контур коммутации

112(1) + II 2(4)

1{ 2(2)+ 112(3)

Рисунок 7 - Схема замещения усовершенствованного ОЗФР для второй зоны регулирования - а и диаграмма выходного напряжения и ¿-б

Для всех зон регулирования проведен расчет коммутационных процессов и выведены уравнения для определения величин токов коммутации и длительности углов коммутации. Расчет выполнен по схемам замещения для каждой зоны регулирования. В качестве примера на рисунке 8 приведена расчетная схема для второй зоны регулирования.

_ ____ _____ 11-зот _

1-зона

вЮ) ' кХ1 Х2(2) 1 ¡(2(2) У \ €2(4) <~кХ1 112(4) Й

II и

\

Ш2(3

> У02

И)2 ИУ71 м

.те/

М

]_^к^оу

вэдс

Рисунок 8

- Расчетная схема для второй зоны усовершенствованного четырехзон-ного преобразователя с лестничной структурой

Выведено уравнение, определяющие коэффициент фазового сдвига основной гармоники напряжения относительно тока для всех зон регулирования ОЗФР

а

сое

й(1) =

(созу + 2»-1)

2п иа о !

(1)

где а — угол отпирания тиристоров; У^АЦ^ - суммарные коммутационные потери напряжения; и - номер зоны.

Таблица 1 - Основные расчетные соотношения усовершенствованного ОЗФР

Зоны Напряжения Токи Мощность

/Г=0.5-/„

I иа = 0.9■ Е\(11) =\.\\-иа, /£И) = 0.707 И(П) 1а.тах Рг=1.34-Р„

II т л,и,ш,iv „ т г /^(П)= 0.707 гш(1у) _ , 12 ~2с1> т1,ii,iii,iv _ г а.тах Рг=1.34-Р„

III и,=0.9-(Е[2 + Е[2[[+Е1), С/»'Г= 0.5*. Ц, = 0.707 -1л, ТШ(1Ч) _ г г1,ii,iii,iv _ т шах 1\=1с1/кТр. Рт = 1.225 -Рл

IV иа = 0.9 • (Е\ + Е\1 + + Е^), г л,ii,iii,iv п тт а. шах =0.5^-^ г1, ii, iii, iv г '2 ~1а-< л,ii,iii,iv _ т 1а.тах * с/» РТ=\Л\-РЫ

Примечание: индексы I, II, III, IV соответствуют номерам вторичных обмоток трансформатора

В работе получены выражения для определения составляющих величин падений напряжений на элементах ОЗФР, которые сведены в таблицу 2.

Это позволило сопоставить средние значения выпрямленного напряжения на выходе ОЗФР с мостовой и лестничной структурой соединения тиристоров:

ис1= ис/Оа ~ иМу - ис/ОЯ - ис10У (2)

где, иМа - среднее значение выпрямленного напряжения на холостом ходу с углом управления а; иМу, - индуктивное падение напряжения вследствие коммутации; ис1(Ш - падение напряжения на активных сопротивлениях обмоток трансформатора; ис/0у - падение напряжения на силовых тиристорах (диодах).

Таблица 2 - Составляющие падений напряжений на элементах усовершенствованного ОЗФР

с лестничной структурой

№ зоны <4*

I а «¿о сое — 1<1Хс1 £ к л 2 (ито +

II им{ И-СОБ—) п {2л * л 2 2 (ито + 1ГАТГ

III г 2 к л 2 2 2уъ (иТО

IV и,0( З + сов^) с!Хс1 £ к л 2 у2 2(ито +

Примечание.:у\ и уг - углы коммутации, возникающие при переключении с одного полупериода синусоиды на другой, уз - угол коммутации, при переходе на очередную зону регулирования, ит0, гг параметры аппроксимированной ВАХ диода (тиристора), 1рат - среднее значение тока диода (тиристора), 5 - количество последовательных тиристоров (диодов) в одном плече схемы выпрямителя, N¡1 - количество плеч выпрямителя, одновременно находящихся в контуре тока, поправочный коэффициент, учитывается влияние пульсации выпрямленного тока.

На основании полученных результатов установлено, что в ОЗФР мостового типа длительность периода коммутации только для первой зоны составляет 5...7 эл. град., а на последующих зонах - 10... 12 эл. град. В ОЗФР лестничного типа для всех зон, кроме четвертой, длительность коммутации вследствие наличия только одного контура протекания тока составляет 5.. .7 эл. град.

Поэтому среднее значение коэффициента мощности ОЗФР лестничного типа всего лишь на 4...5 % ниже теоретического максимума (=0,91), в то время как у ОЗФР мостового типа это значение оказывается на 8... 10 % ниже теоретического максимума, достигая только величины =0,8, что хорошо известно из опыта эксплуатации.

На рисунке 9 приведены зависимости коэффициента фазового сдвига от угла отпирания тиристоров а для каждой из четырех зон для ОЗФР с разными схемами исполнения.

Из приведенных зависимостей видно, что ОЗФР с лестничной структурой соединения тиристоров обладает более высокими энергетическими показателями,

поскольку на второй и третьей зоне он работает только с одним углом коммутации у1 по сравнению с ОЗФР с мостовой ст руктурой соединения тиристоров, у которого образуются двойные углы коммутации 71+72-

СОЗ(р1

1-зона

- Характеристики ОЗФР мостового типа,

работающего с двумя углами коммутации у1+у2

------ Характеристики ОЗФР лестничного

типа, работающего с одним углом коммутации у1

20 40 60 80 1 00 120 1 40 1 60 180

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента сдвига от угла открытия тиристоров

Выполнен расчет значений КПД для ОЗФР с мостовой и лестничной структурой, что позволило сравнить эффективность двух вариантов схем. В качестве примера были взяты параметры тягового однофазного трансформатора ОНДЦЭ-10000/25-82 и преобразователя ВИП - 4000 - УХЛ2.

КПД ОЗФР определяется выражением:

_Р±___6426_ _

7 =-а-=--(3)

^тр—ра + ЬРсПП 6510 + 51 • (АРтиристор) + ' ^Диод)

где, количество последовательных тиристоров и диодов в одном плече

ОЗФР. Значение мощности потерь в одном вентиле

ЬРтиристор = \,06Т^кВт,АРДиод = 0,935кВт.

Расчет потерь на вентилях ОЗФР показал, что значение КПД исследуемых вариантов схем существенно не меняется.

В четвертой главе описаны созданные имитационные модели в среде Бти-Нпк пакета МАТЬАВ для изучения особенностей работы четырехзонного ОЗФР с лестничной структурой и новым алгоритмом управления тиристорами. За основу в диссертационной работе принят ОЗФР для грузового электровоза серии ВЛ85на переменном токе. Он оснащен четырехзонным выпрямительно-инверторным преобразователем типа ВИП - 4000 - УХЛ2, работающим с тяговым трансформато-

ром типа ОНДЦЭ, параметры которых учтены при составлении моделей ОЗФР в среде БтиНпк, представленных на рисунке 10.

В ходе проведенных исследований получены мгновенные значения напряжений и токов для всех зон регулирования ОЗФР разных типов. Исследованы особенности переходных процессов для каждой зоны регулирования и получены экспериментальным путем энергетические характеристики ОЗФР.

На рисунке 11, а приведены кривые напряжений и токов тиристоров в процессе их коммутации для ОЗФР, работающего во второй зоне регулирования. Полученные результаты подтверждают основной недостаток ОЗФР мостового типа - создание ими двойного контура коммутации.

Эти же результаты подтверждают, что ОЗФР с лестничной структурой (рисунок 11,5) обеспечивают разнесение контуров коммутации, за счет чего исключается образование двойного угла коммутации (кроме четвертой зоны регулирования).

х Юе4 Мостовая схема хЮе4 Лестничная схема

Рисунок 11 - Кривые напряжений и токов во второй зоне регулирования ОЗФР: а- с мостовой структурой, б- с лестничной структурой

Рисунок 10 - Схема имитационной модели четырехзонного преобразователя с лестничной структурой

По результатам экспериментов для обоих вариантов схем ОЗФР построен график зависимости коэффициента мощности от среднего выпрямленного напряжения для всех зон регулирования при активно-индуктивной нагрузке (рисунок 12).

Таким образом, доказана экономичность работы четырехзонного ОЗФР лестничного типа и работоспособность схемы управления тиристорами. Результат исследования на имитационных моделях подтвердил, что коэффициент мощности увеличивается в среднем на 3...5% на второй и третьей зоне регулирования по сравнению с классической мостовой схемой. Это объясняется уменьшением задержки углов отпирания тиристоров за счет исключения двойного контура коммутации в ОЗФР с лестничной структурой соединения тиристоров.

Рисунок12 - Зависимости коэффициентов мощности четырехзонных преобразователей

В пятой главе проведено исследование выбранных схемных решений с помощью физических моделей. В программу экспериментов входило: определение работоспособности предложенного преобразователя, измерение параметров выпрямленного напряжения в режиме холостого хода, в режимах работы на активную и активно-индуктивную нагрузку, а также измерение энергетических показателей преобразователя. Результаты представлены в виде осциллограмм (табл.5).

В качестве активно-индуктивной нагрузки и противо-ЭДС использовался двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Экспериментально доказана возможность упрощения алгоритмов управления тиристорами при переходе на предложенную схему лестничного преобразователя, рекомендуемого для модернизации эксплуатируемого четырехзонного мостового преобразователя на электровозах ВЛ65, ВЛ80Р, ВЛ85, ЭП1. Предлагаемый вариант схемного решения ОЗФР имеет меньшее количество управляемых вентильных плеч по сравнению с известной мостовой схемой, что приводит к упрощению схемы управления, удешевлению и повышению надежности преобразователя.

Таблица 3 - Результаты экспериментов с активно-индуктивной нагрузкой (двигатель) для зонно-фазового преобразователя с лестничной структурой

Зоны

Форма Ц

Форма

Сравнение результатов экспериментов на физических моделях однофазного четырехзонного преобразователя с мостовой и лестничной структурой подтвердило, что лестничные схемы имеют более высокие значения коэффициента мощности, чем мостовые схемы преобразователей в среднем на 2 - 4 %.

В заключении сформированы следующие выводы по работе:

1. Проведена систематизация известных способов построения зонно-фазовых преобразователей и установлено, что в их основе лежат тиристорные мостовые схемы управляемых однофазных выпрямителей последовательного и параллельного типа.

2. Установлено, что в системах управления ТЭД электровозов на переменном токе наилучшими технико-экономическими показателями обладает 4-х зонный мостовой преобразователь параллельного типа, КПД которого достигает 0,98. Однако х такого преобразователя не превышает 0,8, что не удовлетворяет современным требованиям достижения энергетической эффективности.

3. Показано, что 4-х зонные преобразователи с мостовой структурой образуют двойной контур коммутации, приводящий к общей задержке времени отпирания тиристоров, что не только уменьшает рабочую часть периода преобразователя на 9-12е, но и ограничивает коэффициент мощности, который теоретически мог бы достигать значения 0,92.

4. Определен рациональный способ повышения х в зонно-фазовых преобразователях, который не требует дополнительной установленной мощности, поскольку он не связан с использованием компенсирующих устройств, а основан на со-

кращении продолжительности у в перспективных преобразователях путем исключения вложенных двойных контуров коммутации.

5. Предложено схемное решение усовершенствованного однофазного 4-х зонного преобразователя лестничного типа и новый алгоритм управления тиристорами, который не образует двойных контуров коммутации и рекомендовано взамен существующему мостовому зонно-фазовому преобразователю на электровозах типа BJI85.

6. Проведен анализ коммутационных процессов и получены основные расчетные соотношения, показывающие, что переход к усовершенствованному варианту преобразователя с лестничной структурой позволяет увеличить % электровозов на 4 - 5 %, и пропорционально этому снизить потребление реактивной энергии.

7. Разработаны и созданы математические и физические модели, на основании которых подтверждена достоверность результатов теоретических исследований и энергетическая эффективность предложенного однофазного 4-х зонного преобразователя лестничного типа.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1.Джаборов М.М. Совершенствование четырехзонного выпрямителя с лестничной структурой для электровозов переменного тока / М.М. Джаборов, Н.И. Щуров, C.B. Мятеж // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. -2013,-№6.-С 73-77.

2. Джаборов М.М. Совершенствование зонных выпрямителей / М.М. Джаборов, C.B. Мятеж, Н.И. Щуров // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2012. - №6. - С 40 - 45.

3. Джаборов М.М. Исследование коммутационных процессов и определение коэффициента мощности четырехзонных преобразователей в среде matlab/simulink / М.М. Джаборов, C.B. Мятеж, O.JI. Волкова // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. №2 (72). С. 121 - 129.

4. Евдокимов С.А. Выпрямители для систем распределенного электроснабжения железных дорог постоянным током / С.А. Евдокимов, Н.И. Щуров, C.B. Мятеж, М.М. Джаборов, A.A. Степанов // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. №2 (68). - С. 117 - 124.

5. Джаборов М.М. Четырехзонный выпрямитель лестничного типа для электровозов переменного тока / М.М. Джаборов, C.B. Мятеж, O.JI. Волкова // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука Технологии Инновации». Новосибирск: НГТУ, 2012. - С. 349 - 350.

6. Джаборов М.М. Исследование четырехзонного выпрямителя с лестничной структурой для электрического транспорта / М.М. Джаборов, C.B. Мятеж // Сборник статей по материалам XIII—XIV международной заочной научно-практической конференции. — М., Изд. «Международный центр науки и образования», 2013. - С. 126 - 130.

7. Джаборов М.М. Преобразователи системы распределенного электроснабжения с улучшенной электромагнитной совместимостью / М.М. Джаборов, С.А. Евдокимов, Щуров Н.И., A.A. Степанов // Материалы XI Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: Т.7. Новосибирск: НГТУ, 2012. - С. 130 - 134.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Тел./факс (383) 346-08-57 Формат 60 х 84/16. Объем 1.25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 812. Подписано в печать 19.06.2014 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

0420146058^

ДЖАБОРОВ МЕХРУБОНМАХМАДКУЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени

Кандидат технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Н. И. Щуров

Новосибирск - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ТЭД ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ............................................. 12

1.1. Схемотехнические построения систем управления с амплитудным регулированием.................................................................. 14

1.2. Схемотехнические построения систем управления с фазовым регулированием ................................................................... 19

1.3. Систематизация средств и способов управления ТЭД электровозов переменного тока.......................................................... 26

Выводы по первой главе......................................................... 31

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХЗОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ................................................................................... 33

2.1. Однофазная нулевая и мостовая схема выпрямителя................... 35

2.2. Энергетические соотношения однофазных нулевых и мостовых схем выпрямители............................................................... 39

2.3. Исследование режимов работы зонно-фазовых выпрямителей мостового типа...................................................................... 47

2.4 Совершенствование схемных решений и алгоритмов работы зонно-фазовых выпрямителей................................................... 63

Выводы по второй главе.......................................................... 70

ГЛАВА 3. ЧЕТЫРЕХЗОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЛЕСТНИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ.................................................................................................... 72

3.1. Описание усовершенствованного варианта четырехзонного преобразователя с лестничной структурой........................................... 72

3.2. Анализ режимов работы усовершенствованного четырехзонного преобразователя с лестничной структурой................................. 74

3.3. Особенности создания контуров коммутации в схеме усовершенствованного преобразователя с лестничной структурой............. 83

3.4 Анализ преобразователя с учетом коммутационных токов в пере-

ходных режимах................................................................ 88

3.5. Внешние характеристики и энергетические показатели............... 108

Выводы по третий главе......................................................... 123

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ИММИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ЧЕТЫРЕХЗОН-НОГО ПЕРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ПРОГРАММЕ МАТЬАВ^тиИпк.......... 124

4.1. Пакет визуального программирования та^аЬ/зшшНпк................... 124

4.2. Имитационные модели выпрямителей с учетом реальных параметров электровоза.............................................................. 124

4.3. Модельное исследование коммутационных процессов и энергетических характеристик мостового и лестничного четырехзонного преобразователя в среде та^аЬ/зигшИпк.................................. 129

4.3.1 Результаты имитационного моделирования четырехзонного преобразователя с мостовой структурой.............................. 129

4.3.2 Результаты имитационного моделирования четырехзонного преобразователя с лестничной структурой........................... 136

4.4. Энергетические характеристики зонно-фазовых преобразователей. 141 Выводы по четвертой главе.................................................... 143

ГЛАВА 5. ПОСТРОЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЯГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ЛЕСТНИЧНОГО ТИПА....................... 145

5.1 Описание физической модели................................................ 145

5.2 Программа экспериментов.................................................... 149

5.3 Результаты экспериментов.................................................... 155

Выводы по четвертой главе.................................................. 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 165

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................... 167

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................ 177

г

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационного исследования. Доля потребления электроэнергии железной дорогой России достаточно велика, она ежегодно составляет около 5...7 % от общей выработки. Распоряжением президента ОАО «Российские железные дороги» 11 февраля 2008 г была утверждена Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на перспективу до 2030 года. Одним из основных вопросов стратегии является повышение эффективности перевозочного процесса, достижение энергетической эффективности железнодорожного транспорта в целом, в том числе и на тягу поездов.

Около 25 тыс. км железных дорог в России электрифицировано по системе однофазного переменного тока промышленной частоты и электрификация на переменном токе продолжается. Более 20 % электровозов на переменном токе оборудованы преобразователями с однофазным зонно-фазовым регулированием (ОЗФР) для обеспечения плавности регулирования скорости тяговыми двигателями. Преобразователи ОЗФР нашли широкое применение на электровозах переменного тока серий ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1 и др.

Основным недостатком электровозов с ОЗФР на сегодняшний день является сравнительно низкие значения энергетических показателей, особенно коэффициента мощности х, среднее значение которого не превышает 0,8.

Изучению проблемы повышения энергетических показателей и путей ее решения посвящены работы ученых и исследователей, среди которых значительный вклад внесен Тихменевым Б.Н., Лисицыным А.Л., Плаксом A.B., Покровским C.B., Ермоленко Д.В., Яновым В.П., Бадером М.П., Тулуповым В.Д., Литовченко В.В, Барановым Л. А., Бурковым А. Т., Мамошиным P.P., Техманом Н.Б., Зиновьевым Г.С., Щуровым Н.И., Евдокимовым С.А. и др.

Одним из наиболее эффективных путей повышения энергетической эффективности грузовых электровозов на переменном токе является совершенствование ОЗФР, которое не сопряжено с дополнительным расходом материалов и не требует существенной переделки используемого трансформаторного оборудования.

Целью работы является повышение энергетических показателей ОЗФР в системе управления тяговыми электродвигателями (ТЭД) электровозов на переменном токе.

Задачи исследования:

1. Исследование и систематизация существующих схемных решений ОЗФР для управления ТЭД электровозов на переменном токе.

2. Определение способов повышения энергетических показателей ОЗФР с учетом особенностей коммутационных процессов.

3. Построение схемного решения и оценка эффективности усовершенствованного ОЗФР с применением методов структурного синтеза.

4. Проведение модельных и экспериментальных исследований ОЗФР для проверки достоверности теоретических положений и определения их энергетической эффективности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен усовершенствованный вариант ОЗФР с лестничной структурой, исключающий образование двойных контуров коммутации, что способствует достижению наивысших энергетических показателей преобразователя.

2. Получены расчетные соотношения, определяющие коэффициент фазового сдвига основной гармоники напряжения относительно тока для всех зон регулирования ОЗФР.

Практическая ценность результатов работы:

1. Разработаны и предложены улучшенные схемные решения ОЗФР с лестничной структурой для управления ТЭД электровозов на переменном токе, которые могут быть применены без изменения существующих систем управления и не требующие существенной переделки силовой части полупроводникового преобразователя и трансформаторного оборудования. В случае использования четырех-зонного преобразователя с лестничной структурой, оснащенного предлагаемой системой управления, удается повысить значения коэффициента мощности в пределах 3...5 %, по сравнению с существующими ОЗФР.

2. Разработаны имитационные модели ОЗФР различных структур, которые позволяют исследовать режимы работы, оценивать и повышать их тягово-энергетические показатели, решая задачи энергосбережения.

Методы исследований:

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических исследований положены методы теории электрических цепей, метод структурного синтеза, метод кусочно-линейного припасовывания и метод непосредственного интегрирования. Экспериментальные исследования проводились на имитационных моделях в среде МАТЬАВ/ 8тшНпк, а так же на физической модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических исследований и сравнение двух ОЗФР, вентильные части которых образуют классическую мостовую и предлагаемую лестничную структуру.

2. Структурный и параметрический синтез ОЗФР с лестничным построением системы автоматического регулирования ТЭД электровоза на переменном токе.

3. Результаты, полученные на имитационной модели ОЗФР различных структур, позволяющие проводить исследования тягово-энергетических показателей электровоза во всех режимах работы.

4. Результаты экспериментальных исследований физических моделей ОЗФР.

Внедрение (использование) научных результатов:

Научные результаты, связанные с разработкой энергосберегающих технологий для грузовых электровозов, работающих на переменном токе, легли в основу создания методики проектирования усовершенствованных преобразователей в системе электроснабжения на переменном токе напряжением 25 кВ, которая предложена для предприятий железнодорожного транспорта.

Выполненные в работе исследования нашли отражение в учебном процессе кафедры "Электротехнические комплексы" НГТУ:

1. В учебном пособии «Электроснабжение транспортных объектов» и «Системы электроснабжения электрического транспорта на постоянном токе», в учебно-методическом пособии «Моделирование систем электрического транспорта для магистрантов по направлению 140400 - Электроэнергетика и электротехника»;

2. При чтении лекций по курсам: "Электроснабжение электрического транспорта", "Преобразовательная техника на электрическом транспорте" для студентов 3, 4 и 5 курсов;

3. В студенческих научно-исследовательских работах, при выполнении курсовых и дипломных работ.

Материалы данной работы используются аспирантами кафедры "Электротехнические комплексы" при подготовке научно-исследовательских работ.

Достоверность полученных результатов:

Подтверждена сопоставительными вычислительными экспериментами, проводившимися на базе специализированных компьютерных программ в среде МАТЬАВ/81тиНпк, а также сопоставлением теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований на физической модели ОЗФР электровоза серии ВЛ85.

Апробация работы:

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» 29 - ноября, 2 - декабря 2012 г. НГТУ, (Новосибирск); XI международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроение» 2—4 октября 2012г. НГТУ, (Новосибирск); XIV международной заочной научно-практической конференции. - М., Изд. «Международный центр науки и образования», 2013.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 -в изданиях, рецензируемых ВАК.

Конкретное личное участие автора в получении результатов научных исследований, изложенных в диссертации

Автором выполнен обзор и анализ существующих ОЗФР, выявлены основные принципы построения, преимущества и недостатки этих преобразователей.

Автором разработано и предложено новое схемное решение усовершенствованного ОЗФР лестничного типа и новый алгоритм управления тиристорами, который обладает лучшими энергетическими показателями и рекомендован взамен существующему мостовому ОЗФР на электровозах типа ВЛ85.

В общем виде автором получены основные расчетные соотношения, а так же уравнения для расчета напряжений, токов и мощностей на входе и выходе ОЗФР лестничного типа.

Автором обоснована эффективность внедрения в практику усовершенствованного ОЗФР с лестничной структурой для электровозов, работающих на переменном токе. Проведен анализ коммутационных процессов и установлено, что переход к усовершенствованному варианту преобразователя позволяет увеличить коэффициент мощности электровозов на 3 — 5 % и пропорционально этому снизить потребление реактивной энергии.

Автором самостоятельно спроектирован и изготовлен макетный образец ОЗФР для проведения экспериментов, подтвердивших достоверность основных теоретических положений.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 100 наименований. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, включает 83 рисунка и 14 таблиц.

В первой главе рассмотрены теоретические сведения и принципы работы регуляторов выходного напряжения для управления ТЭД электровозов. В роли регуляторов используются управляемые и неуправляемые выпрямители, для которых показаны особенности изменения выходного напряжения при амплитудном и фазном регулировании, проанализированы достоинства и недостатки каждого способа.

Электровозы, использующие мостовой ОЗФР обладают плавным набором скорости в режиме тяги среди других электровозов, однако они имеют недостаточно оптимальное значение энергетических показателей, особенно коэффициента мощности. В номинальном режиме работы этих электровозов коэффициент мощности (х) ОЗФР не превышает 0,8. Это объясняется действием вынужденной задержки используемой схеме четырехзонного преобразователя с мостовой вентильной структурой, в которой наличие одновременно двух контуров коммутации (малого и большого), приводит к сдвигу энергетического центра выпрямленного напряжения относительно тока в выходных и входных цепях.

Низкие значения коэффициента мощности свидетельствуют о повышенном потреблении реактивной мощности и искажении формы питающего тока. В этом случае тяговая сеть и электрооборудование электровозов нагружается дополнительным реактивным током, что приводит к увеличенному расходу электроэнергии на тягу поездов.

Одним из эффективных путей решения проблемы и повышения энергетической эффективности грузовых электровозов работающих на переменном токе является совершенствование ОЗФР. Прежде всего, необходимо рассовместить коммутационные контуры (большие и малые контуры), чтобы исключить возникновение двойных углов коммутации, что в целом приведет к повышению коэффициента мощности.

Во второй главе выполнен подробный анализ электромагнитных процессов в четырехзонных ОЗФР с мостовой структурой, которые использованы в опытных электровозах серии ВЛ85 и ВЛ80р, работающих на переменном токе. Особые внимание уделено коммутации токов тиристоров в этих схемах.

В ходе выполненных исследований процессов коммутации токов в четырехзонных ОЗФР с мостовой структурой выявлен основой недостаток и установлено, что общая продолжительностью коммутационного процесса, неоправданно увеличена и составляет порядка ~2у.

Результаты этих исследований показывают, что дальнейшее повышение коэффициента мощности электровозов на переменном токе должно идти по пути

уменьшения величины нерегулируемого минимального угла открытия тиристоров ОЗФР.

Для устранения выявленных недостатки автор предлагает использовать нового четырехзонного ОЗФР с так называемой лестничной структурой. В работе приведено описание такого преобразователя, показан принцип построения схемного решения, составлены алгоритм управления тиристорами для каждой работой зоны в отдельности. Четырехзонный ОЗФР с лестничной структурой обеспечит рас-совмещение контуров коммутации из-за особого «лестничного» построения вентильной части, при этом будет уменьшена общая продолжительность угол коммутации и улучшены энергетические показатели.

В третьей главе диссертации приведен подробный анализ режимов работы предложенного ОЗФР с лестничной структурой. Выполнен анализ токов коммутации, когда большие и малые контуры рассовмещены, а также проведен исследование энергетических характеристик предложенного схем преобразователя.

В результате автором аналитическим путем получены необходимые расчетные выражения, определяющие токи, напряжения и мощности на входе и выходе ОЗФР, определены уравнения внешней характеристики и энергетические показатели.

Таким образом, в диссертационной работе автором доказана эффективность применения нового ОЗФР с лестничной структурой. Установлено, что в предложенной схеме коэффициент мощности % окажется выше в среднем на 4% по сравнению с обычными мостовыми ОЗФР.

В четвертой главе приведено исследование ОЗФР с помощью имитационной модели. Доказала работоспособность предложенного схемного решения алгоритма управления тиристорами четыре