автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Способы и средства снижения перенапряжений в автономных инверторах тока асинхронного тягового привода электропоезда

На правах рукописи □□ЗОВ1ЭВЗ

Кожемяка Николай Михайлович

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРАХ ТОКА АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2006

003061983

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском и про-ектно-конструкторском институте электровозостроения (ОАО «ВЭлНИИ»), г. Новочеркасск.

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Птах Геннадий Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Пахомин Сергей Александрович

кандидат технических наук Лещев Александр Иванович

Ведущая организация - филиал ФГУП ПКП "ИРИС", г. Новочеркасск.

Защита диссертации состоится 30 марта 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.01 в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ) по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ГСП-1, ул. Просвещения 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета, а с авторефератом диссертации на официальном сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан "2£>" февраля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор

Пятибратов Г.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие тягового привода электроподвижного состава железных дорог идет по пути широкого внедрения различных преобразовательных устройств, обеспечивающих наиболее эффективную передачу и преобразование электрической энергии, поступающей к тяговым двигателям. Современное развитие силовой электроники открывает возможность для применения в тяговых приводах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором благодаря использованию статических преобразователей частоты.

На сегодняшний день наиболее распространенными типами статических преобразователей частоты являются автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные инверторы тока (АИТ). В АИН широко используются полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (IGBT-транзисторы, GTO или IGCT - тиристоры), которые в основном закупаются по импорту. Разработчиками этих приборов даются рекомендации по обеспечению надежной работы модулей в составе преобразователей частоты. В качестве коммутирующих приборов АИТ применяют мощные тиристоры и диоды, серийное производство которых налажено в нашей стране. Наиболее распространенной схемой АИТ для питания асинхронных тяговых двигателей (АТД) является схема с отсекающими диодами и дросселями насыщающимися (ДН), которая использовалась в тяговых приводах зарубежными компаниями - Alsthom, Siemens, Skoda и др. В нашей стране также были созданы опытные образцы электропоездов (ЭП) нового поколения с АИТ для сетей постоянного тока ЭТ2А и переменного ЭНЗ. Известно, что особенностью АИТ является возникновение перенапряжений на коммутирующих приборах, которые при определенных условиях могут превышать предельно допустимые значения и приводить к повреждению преобразователя. Это подтвердили испытания опытных электропоездов ЭТ2А и ЭНЗ в период с 2000 по 2003 гг., при которых были зафиксированы многочисленные случаи выхода из строя тиристоров и диодов АИТ. Эти обстоятельства задержали ввод в эксплуатацию электропоездов нового поколения и накопление опыта их работы.

Целью работы является разработка способов и схемотехнических решений, обеспечивающих снижение перенапряжений на тиристорах и диодах АИТ.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

- экспериментальные исследования влияния параметров ДН на процессы выключения тиристоров;

- разработка математической модели контура искусственной коммутации тиристоров АИТ, позволяющей определять требуемые параметры ДН на этапе их проектирования;

- разработка методики контрольных испытаний ДН;

- экспериментальные исследования процессов восстановления запирающих свойств отсекающими диодами АИТ и формулировка рекомендаций по их выбору;

- методика расчета максимального обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ;

- создание компьютерной модели электропривода тележки моторного вагона ЭП переменного тока, позволяющей выполнять расчеты электромагнитных и электромеханических процессов в режимах боксования колесных пар (КП);

- исследование на компьютерной модели влияния процессов боксования КП на уровень перенапряжений в АИТ;

- разработка способа защиты от боксования КП, обеспечивающего минимальную потерю силы тяги на интервале работы защиты от боксования при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора;

- экспериментальная проверка сохранения целостности коммутирующих приборов АИТ при имитации аварийных режимов.

Поставленные задачи решены в диссертационной работе с использованием экспериментальных исследований и компьютерного моделирования в среде МайаЪ.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов теории электропривода, теории электрических и магнитных цепей, теории автоматического управления; согласованием теоретических положений и результатов расчета с данными экспериментальных исследований, проведенных на электропоезде ЭНЗ; критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами по силовой преобразовательной технике и асинхронному тяговому приводу (АТП) на научно-технических конференциях.

Основные научные результаты диссертационной работы:

1. Методика определения параметров ДН, позволяющих снизить коммутационные перенапряжения и потери в преобразователе, с использованием математической модели контура коммутации тиристоров АИТ.

2. Методика определения максимальной величины обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ с учетом перенапряжений на интервале восстановления их запирающих свойств.

3. Алгоритм управления АТП, обеспечивающий допустимый уровень перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования КП.

4. Способ защиты от боксования КП, обеспечивающий минимальную потерю силы тяги при движении электропоезда на участке с ухудшенными условиями сцепления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что основными параметрами, определяющими эффективность работы дросселя в кошуре коммутации тиристоров, являются время его пере-магничивания (время задержки) и заряд, прошедший через него за это время.

2. Разработана методика проектирования ДН, обеспечивающих требуемые параметры (время задержки и заряд за время задержки), при которых уровень коммутационных перенапряжений на тиристорах не превышает допустимых значений.

3. Установлена зависимость величины коммутационных перенапряжений на отсекающих диодах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств от параметров диодов, уточнена методика определения максимального обратного напряжения на диодах и даны рекомендации по их выбору.

4. Предложен алгоритм управления АТП, обеспечивающий безопасные условия работы тиристоров и диодов АИТ в режимах боксования КП.

5. Предложен способ защиты от боксования КП, основанный на использовании зависимости коэффициента снижения фазных токов АТД от ускорения КП, рассчитанной с учетом динамических свойств АТП.

Практическую ценность имеют:

1. Методика выбора параметров дросселей насыщающихся, позволяющая повысить надежностные и энергетические показатели АИТ.

2. Рекомендации по выбору параметров отсекающих диодов АИТ, обеспечивающие снижение коммутационных перенапряжений на интервале восстановления их запирающих свойств.

3. Алгоритм управления асинхронным тяговым электроприводом с АИТ, обеспечивающий безопасные условия работы для тиристоров и диодов АИТ в режимах боксования КП.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований внедрены на изготовленном на ООО "ПК НЭВЗ" электропоезде переменного тока типа ЭНЗ, испытания которого на обкатном кольце ООО "ПК НЭВЗ" и экспериментальном кольце "ВНИИЖТ" (г. Щербинка) подтвердили обоснованность и эффективность принятых технических решений.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• IV международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития элекгроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г.

• Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт 2005", г. Ростов-на-Дону, май 2005 г.

• Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт 2006", г. Ростов-на-Дону, май 2006 г.

• XVI международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта", г. Луганск, 25-29 сентября 2006 г.

• VII международной научно-практической конференции "Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы", г. Новочеркасск, октябрь 2006 г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 научных статьях и 5 материалах докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 144 страницах, содержит 55 рисунков, 8 таблиц и 85 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена решаемая научно-техническая проблема и обоснована актуальность диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор АТП электропоездов как в России, так и за рубежом, рассмотрены проблемные вопросы разработки статических преобразователей частоты.

Проведен обзор основных научных работ за последние годы, посвященных анализу процессов в АИТ. Значительный вклад в теорию и практику исследования проблем, связанных с разработкой АТП с АИТ внесли Иньков Ю.М., Литов-ченко В.В., Солодунов A.M., Ротанов В.Н., Коваливкер Г.Н., Шаров В.А., Наумов Б.М., Малютин В.А., Зорин В.Б., Van Damme M., Thomas Ph., Ctache A., Fuzesi E., Mrozek В., Barlik R. и др.

Отмечено, что в АИТ наиболее остро стоит проблема снижения уровня коммутационных перенапряжений на интервале восстановления полупроводниковыми приборами запирающих свойств. Перенапряжения возникают при спаде обратного тока из-за наличия индуктивных элементов в контурах коммутации полупроводниковых приборов. Решение этой проблемы потребовало проведения экспериментальных и теоретических исследований процессов выключения тиристоров и диодов АИТ.

Проведен анализ процессов в АИТ в режимах боксования КП при управлении с параметрическим заданием потокосцепления ротора АТД и управлении со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС тягового двигателя. Установлено, что управление с параметрическим заданием потокосцепления ротора при использовании естественной жесткости механической характеристики АТД приводит к увеличению ЭДС тягового двигателя и угла сдвига между фазным током и напряжением и, как следствие, увеличению

напряжения на коммутирующих приборах, что с целью оценки допустимости уровней перенапряжений обусловило необходимость проведения исследований этих процессов.

Приведено описание объекта исследований диссертационной работы, которым является АТП электропоезда ЭНЗ. Фрагмент силовой схемы электропривода тележки моторного вагона представлен на рис. 1.

АИТ, подключенный через сглаживающий реактор Ь\ и быстродействующий выключатель QF\ к выходу двухзонного выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) (на схеме не показан), осуществляет питание двух параллельно включенных АТД А/1 и М2, каждый мощностью часового режима 350 кВт. Выключение тиристоров АИТ Г51-К56 производится с помощью коммутирующих конденсаторов С1-С6, которые отделены от нагрузки отсекающими диодами КШ-К£)6. Последовательно с тиристорами АИТ включены дроссели насыщающиеся ¿л предназначенные для улучшения условий коммутации тиристоров.

Сформулированы задачи исследований.

Вторая глава посвящена вопросам снижения перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств.

Для оценки влияния параметров ДН на величину перенапряжений на тиристорах проведены экспериментальные исследования процессов при их выключении.

Разработана компьютерная модель контура искусственной коммутации тиристоров, позволяющая определять требуемые параметры ДН на этапе проектирования тягового преобразователя. Предложена методика контрольных испытаний ДН.

Проведены экспериментальные исследования процессов выключения отсекающих диодов, на основе которых предложена методика определения максимального обратного напряжения на диоде.

Снижение величин обратного напряжения и ударной мощности тиристора, возникающих на интервале восстановления его запирающих свойств, может обеспечиваться ДН с правильно выбранными параметрами под конкретный тип тиристора. В этой связи на электропоезде ЭНЗ были проведены экспериментальные исследования влияния параметров ДН на процесс выключения тиристора Т553-800-42. Для этого в контур коммутации тиристора поочередно были включены ДН с различным числом витков iv и с кольцевыми сердечниками из различных материалов. На рис. 2 представлены осциллограммы тока /т, напряжения мт и ударной мощности Ру при выключении тиристора, полученные при реализации тяговым электроприводом предельной мощности на скоростях движения ЭП КЭп=110...120 км/ч.

В первом случае ДН, имея большой ток перемагничивания, насыщается примерно за 17 мкс при заряде за время задержки дз=4,09 мКл. Максимальное значение обратного тока тиристора составило 515 А, спад которого сопровождается возникновением обратного напряжения 3400 В и ударной мощности в обратном непроводящем состоянии тиристора (далее по тексту "ударная мощность") 1000 кВт. Включение в контур коммутации дросселя с сердечником из пермаллоя с малым током перемагничивания приводит к ухудшению качества процесса коммутации (б). Дроссель насыщается через 30 мкс, однако из-за малой величины заряда qs=0,3 мКл, прошедшего через него за это время, не происходит рассасывания избыточных зарядов в тиристоре, достаточного для начала восстановления запирающих свойств. Очевидно, что такой характер процессов недопустим, поскольку при коммутации тиристором тока на уровне уставки защиты 1500 А возможно превышение величиной обратного напряжения максимально-допустимого значения, которое для тиристоров Т553-800-42 составляет 4200 В.

а) 6)

Рисунок 2 - Процессы выключения тиристора: а - ДН с кольцевым сердечником 230x115x40, ст. 3425, и<=6; 6 - ДН с кольцевым сердечником 230x115x40, пермаллой, «=18

Для сравнения на рис.3, а приведен процесс выключения тиристора при использовании ДН с рекомендуемыми параметрами (/з=58 мкс, <73=2,97 мКл). Из рисунка видно, что максимальная величина обратного тока восстановления составляет 95 А, обратное напряжение 2520 В, а ударная мощность снижается в несколько раз и составляет 185 кВт. Следует отметить, что величина обратного напряжения на тиристоре в данном случае определяется в основном напряжением на коммутирующем конденсаторе, а перенапряжение, обусловленное спадом обратного тока, незначительно.

В результате экспериментальных исследований установлено, что основными величинами ДН, определяющими эффективность его работы в контуре коммутации тиристора являются время задержки /3 и заряд, за время задержки ¡73.

43 = 2,97 мКл

а)

1,5 т 1.0

X

о" 0,5 о

о

-0,5

£ -> i -1,5 £ -2

-2,5

<

1'т

12 <10 А Яу

Л4 кВт

Цо1 ЗА

1 ' 25 зов

д-х = 3.17 мКл

' О 20 40 60 80 100 120 140 б)

Рисунок 3 - Процесс выключения тиристора: ДН с кольцевым сердечником 230x115x80, сг.3425, №=11 а - эксперимент; б - расчет

Для выбора оптимальных параметров ДН на этапе проектирования преобразователя разработана математическая модель контура коммутации тиристора. Система уравнений, описывающая процессы в контуре коммутации тиристора имеет следующий вид:

с Л т т Л

Дт(0 =

0, при <

1<72(')<О,192ст;

4>д„п('т)> ПРИ

[<72(/)>0,1<72ст;

+ 4/0при

42(')<0,1<72ст;

<лт

а

<0,

где ис - напряжение на коммутирующем конденсаторе; ¿к - индуктивность кабелей в контуре коммутации; /?то - эквивалентное сопротивление тиристора в закрытом состоянии; Уд™('т) ~ динамическая вебер-амперная характеристика ДН; \}(0 и /о - потокосцепление и ток ДН в момент начала спада обратного тока тиристора; - индуктивность насыщения ДН; <71 ст, <у2ст- начальные заряды неосновных носителей в р- и «-базах, соответственно; (¡\(!), <?2(0 - изменение зарядов неосновных носителей в р- и и-базах, соответственно.

Проверка достоверности описанной модели, выполненная путем сравнения экспериментальных и расчетных осциллограмм процесса выключения тиристора с рекомендуемым ДН (рис.3), показала, что погрешность в расчетах мгновенных значений токов и напряжений не превышает 10 %. Использование предложенной модели позволяет на этапе проектирования тягового преобразователя определить требуемые параметры ДН, которые обеспечивают допустимый уровень коммутационных перенапряжений на тиристорах АИТ.

С целью проведения контроля характеристик ДН, которые могут ухудшаться в процессе транспортировки и изготовления при механических воздействиях, был разработан стенд для испытаний ДН, представляющий собой генератор одиночных импульсов напряжения с параметрами близкими к парамет-

Ли = 990 В

рам контура коммутации тиристоров АИТ. В процессе перемагничивания ДН на стенде регистрируются мгновенные значения тока через его обмотку, по которым определяются нормируемые значения времени задержки и заряда за время задержки.

По аналогии с процессом восстановления запирающих свойств тиристора спад обратного тока отсекающего диода при его выключении также вызывает возникновение перенапряжений. Для оценки уровней этих перенапряжений, а также факторов влияющих на них были проведены экспериментальные исследования процессов коммутации диодов в различных режимах работы тягового электропривода. По осциллограммам тока и напряжения диода при выключении (рис. 4) определялись начальный ток коммутации, амплитуда обратного тока, максимальное обратное напряжение, ско-

Рисунок 4 - Процесс в ыключения диода

рость спада обратного тока, коммутационное перенапряжение - Аи, эквивалентная индуктивность контура коммутации; время обратного восстановления - trr, заряд обратного восстановления - Qrr. Исследования показали, что с ростом начального тока практически пропорционально ему увеличиваются Дн, Qrr, эквивалентная индуктивность контура коммутации практически одинакова для всех режимов и соответствует индуктивности рассеяния фазы двигателя La, время обратного восстановления практически не изменяется. Исходя из этого определено выражение для расчета перенапряжений на интервале восстановления запирающих свойств диода

*d шах

аи~Ьо 2 ,

гг 1 ном

где Q'rr — заряд обратного восстановления при коммутации диодом его номинального тока /„„„.

Приведенное выражение показывает, что Дм существенно зависит от величины trr В этой связи в схемах асинхронных тяговых электроприводов с АИТ не рекомендуется использовать диоды со временем обратного восстановления менее 50 мкс при скорости спада прямого тока 2,5 А/мкс.

Анализ электромагнитных процессов в АТП с АИТ позволил уточнить ранее известную методику определения максимального обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ, дополнив ее учетом перенапряжений на интервале восстановления запирающих свойств диода.

Третья глава посвящена разработке алгоритма управления АТП, обеспечивающего допустимый уровень перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования КП.

Известно, что величины максимальных напряжений на коммутирующих приборах АИТ зависят от режима работы АТД, который задается системой автоматического регулирования. В процессе испытаний электропоезда ЭНЗ зафиксированы многочисленные случаи выхода из строя полупроводниковых приборов АИТ в режимах боксования КП, вследствие превышения напряжения на них выше допустимого значения.

Характер протекания процессов боксования в значительной степени определяется жесткостью тяговых характеристик и быстродействием привода. При управлении АТД со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС системой управления формируются мягкие тяговые и тормозные характеристики. Это обстоятельство обусловливает интенсивное развитие скольжения КП при срывах их сцепления с рельсами. Кроме того, в этом случае время регулирования электромагнитного момента достаточно велико и определяется электрической постоянной времени роторной цепи, что ухудшает эффективность функционирования системы защиты от боксования КП. Однако при этом обеспечивается ограничение линейного напряжения на заданном уровне без существенного изменения напряжений АТД, что позволяет удерживать перенапряжения на коммутирующих приборах на уровне безопасных значений при условии ограничения коммутируемого диодами тока устройствами токовой защиты.

Альтернативой описанному способу является управление при параметрическом задании потокосцепления ротора. При этом в качестве сигнала частоты вращения ротора целесообразно использовать сигнал минимальной (максимальной) из всех колесных пар моторного вагона частоты вращения ротора в режиме тяги (рекуперации), что позволяет использовать естественную жесткость механической характеристики АТД для ликвидации боксования КП. В этом случае постоянство частоты тока ротора поддерживается только в квазистационарных режимах, а при боксовании частота тока статора АТД формируется АИТ по сигналу частоты вращения ротора небоксующей оси, что при срыве сцепления КП приводит к уменьшению частоты тока ротора и как следствие снижению момента на валу АТД, связанного с боксующей КП. Уменьшение касательной силы тяги на ободе колес обеспечивает снижение скольжения КП, после чего происходит автоматическое восстановление заданного момента на валу АТД. При таком способе управления уменьшение электромагнитного момента сопро-

вождается увеличением напряжения на коммутирующих приборах из-за роста линейного напряжения АТД и угла сдвига между фазным током и напряжением.

Очевидно, что второй способ управления обеспечивает улучшение тяговых свойств ЭП по сравнению с первым, однако представляет опасность для коммутирующих приборов. В этой связи с целью обеспечения достаточного запаса по вентильной прочности коммутирующих приборов АИТ при сохранении высоких тяговых свойств в режимах боксования КП проведен структурный синтез описанных выше алгоритмов управления АТП.

Для определения допустимого диапазона использования управления с параметрическим заданием потокосцепления разработана компьютерная модель АТП с АИТ с использованием программного пакета МайаЬ и библиотеки стандартных функциональных блоков БипиНпк, позволяющая получать мгновенные значения напряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования КП. Законченные функциональные устройства модели объединены в подсистемы. Компьютерная модель АТП включает в себя следующие подсистемы: ВИП, сглаживающий реактор, АИТ, система автоматического регулирования, АТД, движения электропоезда и КП.

Модель ВИП представлена в виде регулируемого источника напряжения заданной формы без учета углов коммутации тиристоров. Модель сглаживающего реактора, учитывающая активное сопротивления обмотки и насыщение магнитопровода, представлена в виде управляемого источника напряжения.

В предыдущей главе установлено, что при правильно выбранных параметрах ДН перенапряжения на интервале восстановления тиристором запирающих свойств малы, а перенапряжения на диоде, обусловленные спадом обратного тока, в режимах работы АТД, близких к холостому ходу, не определяют запас по вентильной прочности диодов. В этой связи, при моделировании АИТ приняты следующие допущения: тиристоры моделируются полностью управляемыми ключами односторонней проводимости; параметры ДН не учитываются; времена включения и выключения тиристоров соответствуют одному расчетному такту модели; индуктивность монтажа не учитывается; активное и индуктивное сопротивления конденсаторов не учитывается.

Компьютерная модель АТД, учитывающая насыщение его магнитопровода, выполнена на основе математического описания электромагнитных процессов в асинхронной машине в системе координат, неподвижных относительно статора, при следующих допущениях: фазные обмотки симметричны и сдвинуты на 120 эл. град.; магнитодвижущие силы (МДС) обмотки и магнитные поля распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора; воздушный

зазор равномерен; потери в стали не учитываются; реальная распределенная обмотка заменена сосредоточенной, а ее МДС принята равной МДС реальной обмотки; намагничивающий ток синусоидален.

Для моделирования движения КП использована аппроксимированная аналитическими выражениями экспериментальная характеристика сцепления. Продольные и поперечные колебания в механической части привода не учитываются.

Сопоставление экспериментальных и расчетных осциллограмм (рис. 5) показало, что погрешность в определении мгновенных значений токов и напряжений не превышает 10 %.

Исследования влияния процессов боксования на уровень перенапряжений на коммутирующих приборах проводились при скачкообразном снижении начального значения коэффициента сцепления ДЧ'о как для одиночного, так и для синхронного боксования КП в тележке (рис. 6).

В первом случае снижение силы сцепления колесной пары ^ц приводит к незначительному росту линейной скорости движения бандажа по кругу качения КП Ккп. При этом снижается сила тяги боксующей оси Р2 , среднее значение которой на участке с ухудшенными условиями сцепления практически соответствует величине /"од. После восстановления сцепления сила тяги увеличивается до исходного значения. Следует отметить, что при одиночном боксовании колесной пары напряжение на коммутирующих приборах практически не изменяется, а максимальная величина скольжения КП не превысила 0,3 км/ч.

Одновременный срыв сцепления КП тележки приводит к более глубокому снижению силы тяги, которое сопровождается значительным увеличением максимального напряжения на диодах и тиристорах АИТ. Максимальная величина скольжения КП в этом случае не превысила 1 км/ч.

Для определения допустимого диапазона применения управления АТП с параметрическим заданием потокосцепления ротора АТД были получены зависимости ЬгТтах(^кп) и Цдтах(^кп) при синхронном боксовании КП в тележке, соответственно, для тиристоров и диодов (рис. 7).

Исходя из приведенной зависимости выбран допустимый диапазон использования указанного алгоритма от 0 до 40 км/ч при обеспечении запаса по вентильной прочности диодов типа ДЗ 53-800-60 не менее 17 % и тиристоров Т553-800-42 не менее 20 %. При скорости Уэп = 40 км/ч вступает в работу регулятор ЭДС АТД, обеспечивающий безопасный уровень напряжений на коммутирующих приборах АИТ на высоких скоростях движения.

а)

5 5 10

\ а.?

а •0,5

К .1,0

-1 5

•2,0

•15

•3 0

Г4 —/

VI у Д к

I, мс

30 35 « 45

6)

Рисунок 5 - Осциллограммы тока и напряжения диода АИТ при реализации тяговым электроприводом эпектропоезда ЭНЗ предельного тягового усилия на скорости 40 км/ч-а - эксперимент; б-расчет

в)

2,0 1,0

-1.0 -2,0

1.1 1 .1 1 1 1 11

№ .......... ИЛ1 1111ИШ II1 и пил ¡11 ни

>11 ш Л. |Щ ж ш 111 ЙИ1 111111 ш га

[ Т т т

[ I I у

1 т' т

1_[ _ 1 1 1

9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 ю,0 ' 10.0 10,1 10,2 10,3 10,4 10,5 10,6

1, с и с

д) е)

Рисунок 6 - Процессы в АТП при боксовании КП: а, в, д - одиночное боксование, б, г, г - синхронное боксование; а, 6 - силы тяги на ободах двух КП , Рг, сила сцепления боксующей КП FCц, скорость движения ЭП Рэп и линейная скорость движения бандажа по кругу качения Ккп; в, г - напряжение на диоде АИТ; д, е - напряжение на тиристоре АИТ

С целью повышения эффективности функционирования системы защиты от боксования КП при управлении со стабилизацией пото-косцепления ротора путем регулирования ЭДС тягового двигателя проведены исследования процессов развития и ликвидации скольжения КП при синхронном боксовании КП в тележке. Система защиты воздействует на задание фазного тока, снижая его с максимально возможным быстродействием при достижении величиной скольжения КП уровня уставки. Глубина зарегулирования определяется коэффициентом снижения фазных токов АТД Кс.

В процессе исследований определялись зависимости максимальной относительной величины скольжения КП V ск от коэффициента снижения фазных токов АТД при скачкообразных снижениях потенциального значения коэффициента сцепления на различную величину ДЧ'о. Также регистрировалась величина ускорения колесной пары агп в момент достижения уставки. Установлено, что наибольшее реализуемое значение силы тяги на интервале работы защиты от боксования обеспечивается при минимуме функционала А- Кс^ск- При этом значение коэффициента снижения фазных токов, при котором обеспечивается минимальная потеря силы тяги, находится в точках минимума функций А(КС) для различных условий сцепления (рис. 8). В связи с тем, что величина ДЧ'о не

Рисунок 7 - Зависимости максимальных значений напряжений на коммутирующих приборах АИТ от скорости движения ЭП в момент возникновения синхронного боксования КП

Рисунок 8 - Зависимости максимальной относительной величины скольжения КП V ск и функционала А от коэффициента снижения фазных токов АТД при различных условиях сцепления КП: 1 - Д%=5%; 2 - ДЧ'о =10%, 3 - Д % =20%; 4 - Д % =30%

может быть измерена, предлагается ее косвенное определение через величину ускорения КП в момент обнаружения боксования. Таким образом, для определения необходимой величины Кс в системе защиты от боксования используется зависимость Щящ) (рис. 9).

В четвертой главе приведены результаты испытаний электропоезда ЭНЗ проведенных в 2004 г. на экспериментальном кольце "ВНИИЖТ"

после доработки тягового электро- снижения фазных токов АТД от ускорения КП привода.

Одним из основных показателей функциональной работоспособности тягового электропривода является устойчивость алгоритма его работы и отсутствие отказов оборудования при опытном 5000 км пробеге электросекции ЭНЗ. Как следует из основных результатов опытного пробега, алгоритм работы тягового электропривода устойчив во всем диапазоне рабочих скоростей, отказов оборудования, в том числе силовых полупроводниковых приборов, не зафиксировано (отчет ФГУП "ВНИИЖТ" "Испытания опытного образца электропоезда переменного тока ЭНЗ с отечественным асинхронным тяговым приводом", декабрь 2004 г.).

С целью определения достаточности запаса вентильной прочности АИТ проведена экспериментальная проверка сохранения целостности коммутирующих приборов при имитации аварийных режимов. Для этого проводились опыты коротких замыканий, имитирующие пробой полупроводниковых приборов, при реализации ЭП предельной мощности на скорости около 60 км/ч. Испытания показали, что коммутация полупроводниковыми приборами тока на уровне уставки защиты не приводит к выходу из строя тиристоров и диодов АИТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены экспериментальные исследования влияния параметров ДН на процессы выключения тиристоров АИТ, в результате которых было установлено, что основными параметрами, характеризующими работу ДН в контуре коммутации тиристоров, являются время перемагничивания (время задержки) и заряд, прошедший через него за это время.

2. Разработана методика испытаний ДН, позволяющая в условиях лабораторного стенда определять время задержки и заряд за время задержки в режимах близких к реальной работе в контуре искусственной коммутации тиристоров АИТ.

/

3,5 4 4,5 5 5,5 6 6.5

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента

3. Разработана математическая модель контура искусственной коммутации тиристоров АИТ, позволяющая определять значения ударной мощности и максимального обратного напряжения на тиристоре с погрешностью не более 12 % и 10 %, соответственно, а также осуществлять выбор оптимальных параметров ДН на этапе проектирования тягового преобразователя.

4. Использование в АИТ электропоезда ЭНЗ дросселя насыщающегося, рекомендованного по результатам исследований, вместо первоначально установленного ДН позволило: более чем в 5 раз снизить ударную мощность; на 25 % снизить потери мощности в тиристорах АИТ на высоких скоростях движения ЭП; на 25% снизить максимальную величину обратного напряжения на тиристоре.

5. На основе результатов экспериментальных исследований предложена методика определения максимальной величины обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств.

6. Разработана компьютерная модель АТП, позволяющая путем совместного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы в АТД с учетом насыщения его магнитопровода, движения электропоезда, процессов скольжения колесных пар, рассчитывать мгновенные значения токов, напряжений, момента на валу АТД, скорости движения КП и электропоезда с погрешностью не более 10 %.

7. В результате расчетных исследований процессов боксования КП при алгоритме управления с использованием жесткости естественной механической характеристики установлено следующее:

- боксование одной КП в тележке не приводит к увеличению напряжения на коммутирующих приборах АИТ при обеспечении быстрой ликвидации скольжения КП;

- развитие одновременного боксования двух КП в тележке вызывает резкое увеличение напряжения на коммутирующих приборах АИТ при достаточно эффективном подавлении избыточного скольжения КП.

8. По результатам исследований процессов одновременного боксования двух КП в тележке при различных скоростях движения ЭП определен безопасный диапазон работы АТП (0...40 км/ч) при управлении с параметрическим заданием пото-косцепления ротора с использованием жесткости естественной механической характеристики АТД, обеспечивающий запас вентильной прочности отсекающих диодов не менее 17 % и тиристоров не менее 20 %.

9. Разработан способ защиты от боксования КП, позволяющий улучшить тяговые свойства АТП с АИТ при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора АТД путем регулирования ЭДС на скоростях движения ЭП выше 40 км/ч.

10. В результате экспериментальной проверю! сохранения целостности тиристоров и диодов АИТ в аварийных режимах работы АТП случаев выхода из строя

элементов электрооборудования, в том числе коммутирующих приборов, не зафиксировано, что обеспечивается достаточным запасом по вентильной прочности преобразователя.

11. Всесторонние испытания опытной моторвагонной секции ЭНЗ-001 переменного тока с АТП с рекуперативным торможением на обкатном кольце ООО "ПК НЭВЗ" и экспериментальном кольце "ВНИИЖТ" показали функциональную работоспособность электропривода.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кожемяка Н.М., Логинов И.Я. Система токовых защит электропоезда ЭНЗ с асинхронным тяговым электроприводом на основе автономного инвертора тока// Состояние и перспективы развития электроподвижного состава: Тез. докл. IV международной науч. техн. конф. 17-19 июня 2003 г. — Новочеркасск, 2003.-С. 88-89.

2. Кожемяка Н.М., Логинов И Я. Защита силового электрооборудования электропоезда ЭНЗ в аварийных режимах// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н -и. и проекгно-констр. ин-т электровозостроения. - 2004. - № 1. - С. 195-206.

3. Кожемяка Н.М., Александров А.Л. Имитационные модели силового оборудования для отработки аппаратуры управления тяговых приводов// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н.-и. и пректно-консгр. ин-т электровозостроения. -2004,-№2. -С. 57-70.

4. Кожемяка Н.М., Наумов Б.М. и др. Результаты испытаний электропоезда ЭНЗ-001 после доработки тягового электропривода// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения. - 2005. - № 1 (48).-С. 221-227.

5. Кожемяка Н.М. Алгоритм управления асинхронным тяговым электроприводом электропоезда ЭНЗ. // Транспорт-2005: Тез. докл. Всерос. науч. прак. конф. 17-19 март 2005 г. - Ростов-н/Д, 2005. - С. 78.

6. Кожемяка Н.М., Наумов Б.М., Логинов ИЛ. Перенапряжения в автономном инверторе тока электропоезда ЭНЗ// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения. - 2005. - № 2 (49). - С. 58-76.

7. Кожемяка Н.М., Наумов Б.М., Логинов И.Я. Методика испытаний и нормы контролируемых параметров дросселей насыщающихся автономного инвертора тока// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н.-и. и пректно-констр. ин-т электровозостроения. - 2005. - № 2 (49). - С. 221-227.

8. ЭНЗ - электропоезд нового поколения/ Б.И. Хоменко, Б.М. Наумов, И.Я. Логинов, Н.М. Кожемяка// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения. - 2006. - № 1 (50). - С. 91-98.

//

9. Кожемяка Н.М. Исследование на компьютерной модели процессов боксо-вания колесных пар электропоезда переменного тока с асинхронным тяговым электроприводом// Транспорт-2006: Тез. докл. Всерос. науч. прак. конф. май 2006 г. - Ростов-н/Д, 2006. - С. 58-59.

10. Логинов И.Я., Кожемяка Н.М. Исследование процессов развития и ликвидации избыточного скольжения колесных пар электропоезда ЭНЗ// Вестник: Сб. науч. тр. ВЭлНИИ/ Всерос. н.-и. и проектно-констр. ин-т электровозостроения. - 2006. - № 2 (49). - С. 169-178.

11. Кожемяка Н.М., Наумов Б.М. ЭНЗ - электропоезд переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями // Проблемы развития рельсового транспорта: Тез. докл. XVI междунар. науч. техн. конф. 25-29 сентября 2006 г. - Луганск, 2006.-С. 61-64.

12. Кожемяка Н.М. Компьютерное моделирование коммутационных процессов в асинхронном тяговом электроприводе с автономным инвертором тока в режимах боксования колесных пар// Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы: Тез. докл. междунар. науч. практ. конф. октябрь 2006 г. - Новочеркасск, 2006. - С. 25-29.

13. Кожемяка Н.М., Птах Г.К. Математическое моделирование процессов в контуре искусственной коммутации тиристоров автономного инвертора тока// Электромеханика. - 2006. - № 5.- С. 28-32.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах: [1] -анализ аварийных режимов в силовых цепях электропривода; [2] - разработка математической модели; [3] - разработка аналоговой имитационной модели асинхронного двигателя; [4,8,11] - получение экспериментальных данных; [6] -анализ процессов в контуре коммутации тиристоров; [7] - разработка схемы испытательного стенда; [9,10] — разработка компьютерной модели тягового электропривода с АИТ; [13] - разработка математической модели тиристора и дросселя насыщающегося.

Подписано в печать 21.02.2007 г Формат 60x90 1/16 Бумага офсетная Печать оперативная Уч печ л. 1 Тираж 100 экз. Заказ № 47-4891

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) Участок оперативной полиграфии ЮРГТУ(НПИ) 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения. 132, тел 55-305

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ И ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ (АТЭП).

1.1 Сравнительный анализ силовых схем электропоездов с АТЭП.

1.2 Проблемные вопросы разработки статических преобразователей частоты АТЭП.

1.3 Постановка задач исследований.

Выводы.

2 СНИЖЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА КОММУТИРУЮЩИХ ПРИБОРАХ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА ТОКА (АИТ) НА ИНТЕРВАЛЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИХ ЗАПИРАЮЩИХ СВОЙСТВ.

2.1 Экспериментальные исследования влияния дросселей насыщающихся на процессы выключения тиристоров АИТ.

2.2 Математическое моделирование процессов в контуре искусственной коммутации тиристоров АИТ с дросселями насыщающимися.

2.2.1 Модель тиристора.

2.2.2 Модель дросселя насыщающегося.

2.2.3 Модель контура коммутации тиристора.

2.2.4 Компьютерная реализация математической модели контура коммутации тиристоров и проверка ее адекватности.

2.2.5 Рекомендации по выбору параметров дросселей насыщающихся.

2.3 Методика испытаний дросселей насыщающихся.

2.4 Экспериментальные исследования процессов выключения диодов АИТ.

2.5 Методика определения максимального обратного напряжения на диодах АИТ и рекомендации по выбору их параметров.

Выводы.

3 СНИЖЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА КОММУТИРУЮЩИХ ПРИБОРАХ АИТ В РЕЖИМАХ БОКСОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР УПРАВЛЕНИЕМ.

3.1 Система автоматического регулирования АТЭП с АИТ.

3.2 Разработка компьютерной модели АТЭП с АИТ.

3.2.1 Компьютерная модель системы питания асинхронного тягового двигателя.

3.2.2 Компьютерная модель асинхронного тягового двигателя.

3.2.3 Компьютерная модель системы автоматического регулирования.

3.2.4 Компьютерная модель движения колесных пар.

3.2.5 Проверка адекватности компьютерной модели АТЭП.

3.3 Повышение запаса вентильной прочности АИТ в режимах боксования колесных пар.

3.3.1 Обоснование диапазона применения управления с параметрическим заданием потокосцепления ротора.

3.3.2 Выбор параметров системы защиты от боксования колесных пар при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора.

Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ЭНЗ.

4.1 Имитация аварийных режимов в силовых цепях электропривода.

4.2 Тягово-энергетические испытания.

Выводы.

Развитие тягового привода электроподвижного состава железных дорог идет по пути широкого внедрения различных преобразовательных устройств, обеспечивающих наиболее эффективную передачу и преобразование электрической энергии, поступающей к тяговым двигателям. Современное развитие отечественной силовой электроники открывает возможность применения в тяговых приводах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, благодаря использованию преобразователей на силовых полупроводниковых приборах (СПП) большой установленной мощности без группового соединения.

Асинхронный тяговый двигатель (АТД) на электровозах и электропоездах нового поколения позволяет решать задачу улучшения показателей железных дорог. Достигнутое увеличение мощности АТД в 1,5 раза позволяет поднять расчетную скорость и частично силу тяги электропоездов. Полная унификация механического и электрического оборудования в сочетании с применением простых и надежных АТД и бесконтактного преобразовательного оборудования позволяет повысить надежность электропоездов, сократить сроки их технического обслуживания и ремонтных работ.

Повышенная надежность АТД из-за устранения коллекторно-щеточного узла полностью определяется самой конструкцией асинхронной машины. Как известно, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет только одну обмотку, выполненную с изоляцией. Поэтому АТД не требует периодических осмотров квалифицированными слесарями-мотористами. Его обслуживание сводится только к запрессовке масла.

В настоящее время железные дороги России располагают парком пригородных электропоездов (ЭП), содержащим около 14,5 тыс. вагонов, из них 73,6 % постоянного тока и 26,4 % переменного. Свыше 37 % ЭП эксплуатируются с просроченным сроком службы (28 лет): более 32 % постоянного тока и 50 % переменного тока.

В рамках принятой в начале 90-х годов правительством РФ "Государственной программы развития и повышения качества пригородных пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте" были предприняты срочные меры по организации и наращиванию выпуска предприятиями России вагонов электропоездов и комплектующего оборудования, изыскания возможностей для более рационального использования моторвагонного подвижного состава, модернизации и поддержания его работоспособности.

Предусмотрена поэтапная реализация комплекса мер:

- увеличение закупок новых более производительных ЭП;

- поддержание численности эксплуатируемого парка в переходный период развития мощностей заводов по изготовлению новых ЭП;

-повышение тягово-энергетических показателей эксплуатируемого парка ЭП, имеющего возраст не более 15 лет;

- уменьшение эксплуатационных расходов за счет увеличения межремонтных сроков по обслуживанию ЭП и внедрения рациональных схем размещения, специализации и кооперации ремонтных предприятий по дорогам.

В практике разработки и эксплуатации ЭП принято их условное разделение по типу тягового привода на четыре поколения. К первому поколению относятся ЭП со ступенчатым контакторно-реостатным регулированием напряжения на коллекторных тяговых двигателях. Второе поколение характеризуют применением плавного регулирования напряжения на коллекторных тяговых двигателях. К третьему и четвертому поколениям относят ЭП с асинхронными тяговыми двигателями.

В качестве статических преобразователей частоты в электропоездах третьего (ЭНЗ, ЭТ2А) и четвертого (ЭД6, "Сокол") поколений используют соответственно автономные инверторы тока и автономные инверторы напряжения (АИН). Традиционно в АИН в качестве коммутирующих приборов применяются закупаемые по импорту ЮВТ- транзисторы, СТО или ЮСТ - тиристоры, в то время как в АИТ используются отечественные однооперационные тиристоры и диоды.

На сегодняшний день наиболее распространенным в асинхронных тяговых электроприводах (АТЭП) типом тиристорного преобразователя частоты является трехфазный АИТ с отсекающими диодами, который активно внедрялся зарубежными компаниями - Alsthom, Siemens, Skoda и др. В нашей стране также были созданы опытные образцы электропоездов с АИТ для сетей постоянного тока ЭТ2А и переменного ЭНЗ. Известно, что основной особенностью АИТ являются высокие перенапряжения на коммутирующих приборах, способные приводить к повреждению преобразователя. В период с 2000 по 2003 гг. проводились испытания опытных электропоездов ЭНЗ и ЭТ2А, при которых были зафиксированы многочисленные случаи выхода из строя тиристоров и диодов АИТ. Эти обстоятельства существенно замедлили запуск испытываемых ЭП в серийное производство.

Для полноценного использования асинхронных тяговых электроприводов с АИТ необходимо улучшение надежностных показателей тяговых преобразователей.

Целью работы является разработка способов и схемотехнических решений, обеспечивающих снижение перенапряжений на тиристорах и диодах АИТ.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

- экспериментальные исследования влияния параметров дросселей насыщающихся (ДН) на процессы выключения тиристоров;

- разработка математической модели контура искусственной коммутации тиристоров АИТ, позволяющей определять требуемые параметры ДН на этапе их проектирования;

- разработка методики контрольных испытаний ДН;

- экспериментальные исследования процессов восстановления запирающих свойств отсекающими диодами АИТ и формулировка рекомендаций по их выбору;

- методика расчета максимального обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ;

- создание компьютерной модели электропривода тележки моторного вагона ЭП переменного тока, позволяющей выполнять расчеты электромагнитных и электромеханических процессов в режимах боксования колесных пар (КП);

- исследование на компьютерной модели влияния процессов боксования КП на уровень перенапряжений в АИТ;

- разработка способа защиты от боксования КП, обеспечивающего минимальную потерю силы тяги на интервале работы защиты от боксования при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора;

- экспериментальная проверка сохранения целостности коммутирующих приборов АИТ при имитации аварийных режимов.

Поставленные задачи решены в диссертационной работе с использованием экспериментальных исследований и компьютерного моделирования в среде МайаЬ.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов теории электропривода, теории электрических и магнитных цепей, теории автоматического управления; согласованием теоретических положений и результатов расчета с данными экспериментальных исследований, проведенных на электропоезде ЭНЗ; критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами по силовой преобразовательной технике и АТЭП на научно-технических конференциях. Основные научные результаты диссертационной работы:

1. Методика определения параметров ДН, позволяющих снизить коммутационные перенапряжения и потери в преобразователе, с использованием математической модели контура коммутации тиристоров АИТ.

2. Методика определения максимальной величины обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ с учетом перенапряжений на интервале восстановления их запирающих свойств.

3. Алгоритм управления АТП, обеспечивающий допустимый уровень перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования КП.

4. Способ защиты от боксования КП, обеспечивающий минимальную потерю силы тяги при движении электропоезда на участке с ухудшенными условиями сцепления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что основными параметрами, определяющими эффективность работы дросселя в контуре коммутации тиристоров, являются время его пере-магничивания (время задержки) и заряд, прошедший через него за это время.

2. Разработана методика проектирования ДН, обеспечивающих требуемые параметры (время задержки и заряд за время задержки), при которых уровень коммутационных перенапряжений на тиристорах не превышает допустимых значений.

3. Установлена зависимость величины коммутационных перенапряжений на отсекающих диодах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств от параметров диодов, уточнена методика определения максимального обратного напряжения на диодах и даны рекомендации по их выбору.

4. Предложен алгоритм управления АТП, обеспечивающий безопасные условия работы тиристоров и диодов АИТ в режимах боксования КП.

5. Предложен способ защиты от боксования КП, основанный на использовании зависимости коэффициента снижения фазных токов АТД от ускорения КП, рассчитанной с учетом динамических свойств АТП.

Практическую ценность имеют:

1. Методика выбора параметров дросселей насыщающихся, позволяющая повысить надежностные и энергетические показатели АИТ.

2. Рекомендации по выбору параметров отсекающих диодов АИТ, обеспечивающие снижение коммутационных перенапряжений на интервале восстановления их запирающих свойств.

3. Алгоритм управления асинхронным тяговым электроприводом с АИТ, обеспечивающий безопасные условия работы для тиристоров и диодов АИТ в режимах боксования КП.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований внедрены на изготовленном на ООО "ПК НЭВЗ" электропоезде переменного тока типа ЭНЗ, испытания которого на обкатном кольце ООО "ПК НЭВЗ" и экспериментальном кольце "ВНИИЖТ" (г. Щербинка) подтвердили обоснованность и эффективность принятых технических решений.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• IV международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г.

• Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт 2005", г. Ростов-на-Дону, май 2005 г.

• Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт 2006", г. Ростов-на-Дону, май 2006 г.

• XVI международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта", г. Луганск, 25-29 сентября 2006 г.

• VII международной научно-практической конференции "Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы", г. Новочеркасск, октябрь 2006 г.

Выводы

1. В процессе испытаний системы токовых защит ЭП в аварийных режимах работы АТЭП случаев выхода из строя элементов электрооборудования, в том числе коммутирующих приборов АИТ, не зафиксировано, что обеспечивается достаточным запасом по вентильной прочности.

2. Всесторонние испытания опытной моторвагонной секции ЭНЗ переменного тока с асинхронным тяговым электроприводом и рекуперативным торможением показали функциональную работоспособность электропривода.

3. Сравнение энергетических показателей электропоезда ЭНЗ с серийным электропоездом ЭД9Т показало, что удельный расход электроэнергии у ЭНЗ меньше, чем у ЭД9Т:

- в расчетном режиме движения - на 24 %;

- в среднеэксплуатационном - на 29%.

121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведены экспериментальные исследования влияния параметров ДН на процессы выключения тиристоров АИТ, в результате которых было установлено, что основными параметрами, характеризующими работу ДН в контуре коммутации тиристоров, являются время перемагничивания (время задержки) и заряд, прошедший через него за это время.

2. Разработана методика испытаний ДН, позволяющая в условиях лабораторного стенда определять время задержки и заряд за время задержки в режимах близких к реальной работе в контуре искусственной коммутации тиристоров АИТ.

3. Разработана математическая модель контура искусственной коммутации тиристоров АИТ, позволяющая определять значения ударной мощности и максимального обратного напряжения на тиристоре с погрешностью не более 12 % и 10 %, соответственно, а также осуществлять выбор оптимальных параметров ДН на этапе проектирования тягового преобразователя.

4. Использование в АИТ электропоезда ЭНЗ дросселя насыщающегося, рекомендованного по результатам исследований, вместо первоначально установленного ДН позволило: более чем в 5 раз снизить ударную мощность; на 25 % снизить потери мощности в тиристорах АИТ на высоких скоростях движения ЭП; на 25% снизить максимальную величину обратного напряжения на тиристоре.

5. На основе результатов экспериментальных исследований предложена методика определения максимальной величины обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств.

6. Разработана компьютерная модель тягового асинхронного электропривода, позволяющая путем совместного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы в АТД с учетом насыщения его магнитопро-вода, движения электропоезда, процессов скольжения колесных пар, рассчитывать мгновенные значения токов, напряжений, момента на валу АТД, скорости движения КП и электропоезда с погрешностью не более 10 %.

7. В результате расчетных исследований процессов боксования КП при алгоритме управления с использованием жесткости естественной механической характеристики установлено следующее:

- боксование одной КП в тележке не приводит к увеличению напряжения на коммутирующих приборах АИТ при обеспечении быстрой ликвидации скольжения КП;

- развитие одновременного боксования двух КП в тележке вызывает резкое увеличение напряжения на коммутирующих приборах АИТ при достаточно эффективном подавлении избыточного скольжения КП.

8. По результатам исследований процессов одновременного боксования двух КП в тележке при различных скоростях движения ЭП определен безопасный диапазон работы АТП (0.40 км/ч) при управлении с параметрическим заданием пото-косцепления ротора с использованием жесткости естественной механической характеристики АТД, обеспечивающий запас вентильной прочности отсекающих диодов не менее 17 % и тиристоров не менее 20 %.

9. Разработан способ защиты от боксования КП, позволяющий улучшить тяговые свойства АТП с АИТ при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора АТД путем регулирования ЭДС на скоростях движения ЭП выше 40 км/ч.

10. В результате экспериментальной проверки сохранения целостности тиристоров и диодов АИТ в аварийных режимах работы АТП случаев выхода из строя элементов электрооборудования, в том числе коммутирующих приборов, не зафиксировано, что обеспечивается достаточным запасом по вентильной прочности преобразователя.

11. Всесторонние испытания опытной моторвагонной секции ЭНЗ-001 переменного тока с АТП с рекуперативным торможением на обкатном кольце ООО "ПК НЭВЗ" и экспериментальном кольце "ВНИИЖТ" показали функциональную работоспособность электропривода.

123

1. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи. - М.: Транспорт, 2001.-315 с.

2. Анализ построения тягового и вспомогательного оборудования современного ЭПС/ Малютин В. А., Литовченко В.В., Грибанов П.Ф., Талья Ю.И. // Электрическая тяга на рубеже веков. М.: Интекст, 2000. - С.58-65.

3. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков, В.В. Литовченко; под ред. Н.А. Ро-танова. М.: Транспорт, 1991 - 336 с.

4. Иньков Ю. М., Литовченко В. В. и др. Тяговый электропривод перспективных электропоездов// Электротехника 1990.-№ 1- С. 65-69.

5. Усольцев А.А., Лукичёв Д.В. Особенности работы асинхронного коротко-замкнутого двигателя при питании от источника тока//Электротехника-2004. -№ 1.-С. 35-40

6. Гомола Г.Г., Назаров О.Н., Хомяков Б.И. Тяговый электропривод отечественных электропоездов: состояние и перспективы развития// Электросила. -2002.- №41 С. 17-21.

7. Устройство и работа тягового привода электропоезда ЭД6 / В.В. Литовченко, В.А. Шаров, О.Б. Баранцев, Е.В. Корзина//Локомотив. 2001. -№9.-С. 12-14.

8. Инверторы тока в тяговых приводах //Ж. д. мира. - 1993- №5. - С. 67-69.

9. Ctache Andre. Presentation de motrices a moteurs asynchrones et d'un tracteur ambivalent par la Regie autonome des Transports parisiens// Rev. gen. chemins fer.- 1986.-Jan.-C. 52-54.

10. Palik F. Elektricka lokomotiva III. generace typu 85EO // Zlezn. techn. 1988. 18. - №2. - C. 80-84.

11. Rajhaty Gyula. A MAV negyreszes aszinkronmotoros motorvonatanak villa-mos berendezese//Elektrotechnika (Magy.). 1989. - №11. - C. 401-407.

12. Фолк В. Электровоз "Шкода" 85Е с асинхронным приводом// Пробл. создания подвиж. состава с асинхрон. тягов, двигателями: Тез. докл. 2 Меж-дунар. науч.-техн. конф. 5-7 февр. 1990 г. Рига, 1990. - С. 7-9.

13. Штибен Г. А. Перспективы совершенствования тягового привода вагонов метрополитена//Метро. 1997 - № 1-2. - С. 42-43.

14. Тиристорный преобразователь вагона метро на переменном токе//Дни науки НГТУ-96: Тез. докл. студ. конф. Новосиб. гос. техн. ун-та (итоги науч. работы студ. за 1995-1996). Новосибирск. - 1996. - С. 45.

15. Scholtis Gerhard. Second génération of locomotives with thyristorcontrolled three-phase drives//Rail Eng. Int. 1985. - №1, C. 27-30.

16. Ковтун A. В., Лысов H. В. Тиристорный преобразователь электропоезда ЭТ-2А с асинхронным тяговым приводом// Исследования и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте. -2002.-№23.-С. 255-258

17. Heinz Hartwig, Scholtis Gerhard. Drehstromantriebe fur nordamerikanische Stadtbahnwagen// Elek. Bahnen. 1986. - №4. - C. 127-130.

18. Van Damme M., Thomas Ph. L'onduleur de courant en traction electrique asynchrone //ACEC. 1987. - №3, C. 8-11.

19. Bauart Köln. Stadtbahnwagen B80D //Verkehr und Techn. 1988. - №1. -C. 14-16.

20. Bednarik B. Entwicklung von elektrischen Triebfahrzeugen in Drehstroman-triebstechnik bei der CSD//Schienenfahrzeuge. 1989. - №4. - C. 172-174.

21. Перихт Майош. Венгерский электропоезд с асинхронными тяговыми двигателями// Вестн. ВНИИ ж.-д. трансп. 1990. - № 5. - С. 33-35.

22. Кожемяка Н.М., Наумов Б.М. ЭНЗ электропоезд переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями// Проблемы развития рельсового транспорта: Тез. докл. XVI международной науч.-техн. конф. 25-29 сентября 2006 г. - Луганск, 2006. - С. 61-64.

23. Лувишис А.Л. Современные пригородные электропоезда. Три поколения двухэтажных поездов Парижа// Локомотив. 1996. - №1. - С. 26-32.

24. Кучумов В. А. О тяговом асинхронном электроприводе с автономным инвертором тока Вестн. ВНИИ ж.-д. трансп. 1989, N6, с. 22-25.

25. Аранчий Г.В., Жемеров Г.Г., Эпштейн И.И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. -М.: Энергия, 1968. - 123 с.

26. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. М.: Энергия, - 1978. - 208 с.

27. Бернштейн А.Я и др. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. М.: Энергия, 1980. 302 с.

28. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями/ A.M. Солодунов, Ю.М. Иньков, Г.Н. Коваливкер, В.В. Литовченко. Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.

29. ГОСТ 20332-84. Тиристоры. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. М.: Изд-во стандартов, 1985. - 43 с.

30. Лабунцов В.А., Тугов Н.М. Динамические режимы эксплуатации мощных тиристоров. -М.: Энергия, 1977. 192 с.

31. Verfahren und Einrichtung zum Schutz eines Stromrichters / Skarpetowski Grzegorz, Schaer Roland, Medricky Karel. № P3601160.6; Заявл. 17.01.86; Опубл. 23.07.87. BBC AG Brown.

32. Fuzesi E. Analyse der Kommutations-Uberspannung des Parallelinverters// 4 Power Electron. Conf. 19-24 Oct. 1981. Budapest, 1981. - C. 191-199.

33. Current source inverter commutation-spike-voltage protection circuit including over-current and over-voltage protection: Пат. 4437133 США/ Rueckert Barry J. № 381265; Заявл. 24.05.82; Опубл. 13.03.84. - НПК 361/33.

34. Серветник В. А., Артюхов И. И., Томашевский Ю. Б. Быстродействующая защита автономного инвертора тока с контролем коммутационной устойчивости. Саратов., 1986. -. Деп. в Информэлектро 20.05.86 N383-3T.

35. Устройство за защита на тиристорите на паралелен инвертор на ток от пренапряжения: A.c. 36911 НРБ./Попов Евгений Иванов, Карамански Пани Андреев. N 63394 Заявл. 12.12.83; Опубл. 27.02.85.

36. Буранов С. А., Климов А. А. Быстродействующая индикация опрокидывания инвертора// Вопр. преобраз. техн. и частот, электропривода. -1987.-С. 19-22.

37. Лазарев Г. Б. Процессы "идеальной" коммутации в автономном инверторе тока, подключенном к асинхронному двигателю//Пробл. преобраз. техн.: Тез. докл. 4 Всес. науч.-техн. конф. сент. 1987 г. Киев, 1987, С. 160-161.

38. Mrozek В. Analiza procesu komutacji w ukladzie falownik pradu-silnik klat-kowy //Pr. Inst, elektrotechn. 1980. - №113. - C. 81-91.

39. Barlik Roman, Tunia Henryk. Tyrystorowe falowniki pradu о komutacji cen-tralnej//Arch. elektrotechn. 1989. - №1-4. - C. 153-169.

40. Способ защиты нагрузки от перенапряжений при внутренних повреждениях автономного инвертора тока: A.c. 1457055 СССР/ Г.Г. Адамия, В.И.

41. Кузькин, А.Д. Новиков N 4128293/24-07; Заявл. 07.08.86; Опубл. 07.02.89. - Бюл. №5

42. Лабунцов В.А., Смирнов В.П. Расчет элементов, облегчающих работу тиристоров при конденсаторной коммутации //Электротехника. 1969. -№2.-С. 58-60.

43. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках /М.И. Абрамович, В.М. Бабайков, В.Е. Либер и др. -М.:Энергоатомиздат, 1992 432с.

44. Чебоковский О.Г. и др Силовые полупроводниковые приборы: Справочник/ О.Г. Чебоковский, Л.Г. Моисеев.,Р.П. Недошивин. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1985 г. -400с.

45. Чибиркин В. В., Елисеев В. В., Гейфман Е. М. Перспективы развития силовых полупроводниковых приборов на ОАО "Электровыпрямитель" //Светотехника, электротехника, энергетика: Тез. докл. Всерос. науч. техн. конф. 2003 г. - Саранск, 2003 - С. 33-36.

46. Чебоковский О.Г., Сафонов A.A., Братушева Л.А. Тиристоры триодные, не проводящие в обратном направлении, типа ТЗ53-800 // Электротехника СССР. 1986.-12 с.

47. Tlumivka, zejmena pro omezeni strmosti narustu proudu tyristory mustkove zapojenych invertoru proudu: A.c. 222481 ЧССР// Stefl Milan. № PV404381; Заявл. 01.06.81; Опубл. 01.10.85.

48. Петров П.Ю. Быстродействующая система управления тяговым электроприводом для улучшения сцепных свойств электроподвижного состава сасинхронными тяговыми двигателями: Автореферат дис. . канд. техн. наук. М., 1998 г.-23 с.

49. Колпахчьян П.Г. Методология комплексного моделирования и способы управления асинхронным тяговым приводом магистральных электровозов. Автореферат дис. . докт. техн. наук. Новочеркасск, 2006 г. - 36 с.

50. Федяева Г. А., Федяев В.Н. Математическое моделирование электромеханических процессов в асинхронном тяговом приводе тепловоза ТЭМ21// сб. науч. тр.// ВНИИЖТ. 2005. - №5.- С. 39-45.

51. Электромагнитные процессы в автономном инверторе тока/ Иньков Ю.М., Киржнер Д.Л., Литовченко В.В., Ротанов В.Н., Шаров В.А., Ягунов И.Г. -Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт. 1989. - №3. - С. 157-162.

52. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. -М.: Транспорт, 1965.-268 с.

53. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом/ Ю.А.Бахвалов, А.А. Зарифьян, В.Н. Кашников, П.Г. Колпахчьян, Е.М. Плохов, В.П. Янов. М.: Транспорт, 2001. - 286 с.

54. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). Москва.: СК Пресс, 1996. - 272 с.

55. Bowers J.S., Neinhaus Н.Е. Модель мощного тиристора, позволяющая расширить область применения машинного проектирования // Электроника. 1997. - № 8.- С. 33-40.

56. Чахмахсазян Е.А., Мозговой Т.П., Силин В.Д. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем. -М: Радио и связь, 1985. 144 с.

57. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи а электроприводах постоянного тока. М.: Энергия, 1973. - 304 с.

58. Тогатов В.В. Исследование процесса восстановления р-п-р-п структуры // Изв. АН СССР. Радиотехника и электроникаю. - 1972. - т. XVII. - № 3.-С. 587-591.

59. Управляемые полупроводниковые вентили: Принципы действия и области применения р-п-р-п устройств / Джентри Ф., Гутцвиллер Ф., Го-лоньяк Н., фон Застров Э. - М.: Мир, 1967. - 456 с.

60. Лекоргийе Ж. Управляемые электрические вентили и их применение. -М.: Энергия, 1971.-504 с.

61. Ильин В.Н. Машинное проектирование электронных схем. М.: Энергия, 1972.-280 с.

62. Кузьмин В.А. Тиристоры малой и средней мощности. М.: Советское радио, 1971.- 184 с.

63. Пирогов А.И., Шамаев Ю.М. Магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса: Статические и динамические характеристики, методика измерений и контроля, основы расчета цепей, содержащих сердечники с ППГ. М - Л.: Энергия, 1964. - 176 с.

64. Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М.: Наука, 1974. - 768 с.

65. ГОСТ 21427.1-83 (СТ СЭВ 102-85), ГОСТ 21427.2-83 (СТ СЭВ 101-85), ГОСТ 21427.4-78. Сталь электротехническая тонколистовая. М.: Изд. стандартов, 1991. - 64 с.

66. Pavithran К. N., Parimelalagan R., Rao G. Sridhara, Holtz J. Optimum design of an induction motor for operation with current source inverters// IEE Proc. -1987. 134.-№1.-C. 38-44.

67. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. -М.: КОРОНА принт, 2001.- 320 с.

68. Колпахчьян П.Г. Адаптивное управление асинхронным тяговым приводом магистральных электровозов. Ростов н/Д.: Изд-во журн. "Изв. вузов. Сев. кав. регион", 2006. - 131с.

69. Зорин В.Б., Куракин В.В.и др. Силовая преобразовательная установка и система автоматического регулирования тягового электропривода электропоезда ЭНЗ//С6. науч. тр. Электровозостроение:/0АО ВЭлНИИ. -2000-т. 42.-С. 69-75.

70. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1998 г. - 172 с.

71. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования- М.: Изд Наука, 1975.-768 с.

72. Сипайлов Г.A. JTooc A.B. Математическое моделирование электрических машин.-М.: Высш. школа, 1980 176 с.

73. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин.-М. :Высш. шк., 1994.-318 с.

74. Павленко А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов. М.: Машиностроение, 1991. - 192 с.

75. Правила тяговых расчётов для поездной работы. М.: Траспорт, 1985. - 288 с.

76. Меншутин H.H. Исследование скольжения колёсной пары электровоза при реализации силы тяги в эксплуатационных условиях // Тр. ин-та/ ВНИИЖТ- 1960.-вып. 188.-С. 113-132.

77. Хоменко Б.И., Аваков В.А., Винниченко Н.Ф. Математическая модель характеристики сцепления колесной пары локомотива // Межвуз. сб. тр.

78. Полупроводниковая техника в устройствах электрических железных дорог"/ ЛИИЖТ. 1983. - С. 17-23 с.

79. Математическое моделирование динамики электровозов/ А.Г. Ники-тенко, Е.М. Плохов, A.A. Зарифьян, Б.И. Хоменко.- М.: Высшая школа. 1998.-274 с.

80. Н.М. Кожемяка, Б.М. Наумов и др. Результаты испытаний электропоезда ЭНЗ-001 после доработки тягового электропривода// Вестник: науч. изд. / ОАО "Всерос. н-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения (ОАО "ВЭлНИИ"). 2005.-№1- С. 91-98.