автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Вероятностные показатели и характеристики преобразовательных устройств подвижного состава переменного тока

На правах рукописи

005014581

Шур Светлана Яковлевна

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 [;!ДР ш

Москва 2012

005014581

Работа выполнена на кафедре «Электрическая тяга» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Иньков Юрий Моисеевич (МИИТ)

доктор технических наук, профессор Бадёр Михаил Петрович (МИИТ),

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Широченно Юрий Николаевич (ВНИИЖТ),

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Защита диссертации состоится «28» марта 2012 г. в 1310 час. на заседании диссертационного совета Д218.005.02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 4210

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

Автореферат разослан _2012 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Учёный секретарь

диссертационного совета, Д218.005.02 д. т. н., старший научный сотрудник Н. Н. Сидорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях наметившегося роста железнодорожных перевозок, в том числе, и пригородных, осуществляемыми электропоездами, особое значение приобретает наиболее полное использование параметров элементов и узлов электрооборудования электропоездов, заложенных при их расчёте и проектировании. При этом наиболее сложным электрооборудованием характеризуются электропоезда, эксплуатирующиеся на электрифицированных линиях переменного тока. Даже при применении на них тяговых двигателей пульсирующего тока обязательными элементами силового электрооборудования является тяговый ірансформатор и выпрямитель. Параметры этих узлов, как правило, носят случайный характер, что приводит к также случайному отклонению от номинальных значений характеристик и параметров тяговых электроприводов, в состав которых входят эти узлы.

Вероятностный анализ узлов тяговых электроприводов позволяет значительно расширить наши знания о характеристиках и показателях таких приводов и более обоснованно подходить к реализации максимальных (или наиболее рациональных) характеристик тяговых приводов электропоездов, составлению графиков их движения, определению тяговых характеристик и энергетических показателей электропоездов.

Поэтому тема диссертационной работы, в которой выполнен теоретико-вероятностный анализ элементов и узлов силового электрооборудования электропоезда ЭД9Э, представляется актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование случайных параметров элементов, комплектующих статические преобразователи электропоездов, и влияния отклонений этих параметров и возмущающих воздействий, имеющихся в системе тягового электроснабжения переменного тока, на выходные характеристики и показатели электропоездов. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: - уточнить статистические модели элементов тягового выпрямителя;

- провести вероятностный анализ коммутационных процессов, внешних и регулировочных характеристик выпрямителя;

- провести вероятностный анализ коммутационных процессов, внешних и регулировочных характеристик выпрямителя;

- провести вероятностный анализ энергетических показателей выпрямителя;

-оценить возможные отклонения тягово-энергетических показателей электропоезда от номинальных при разбросе параметров элементов преобразователя.

Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования. Использованы основные законы и методы расчёта линейных и нелинейных электрических цепей, положения математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проведены с применением современной измерительной техники с последующим использованием программ Ехеї, МаАсаё для обработки экспериментальных данных. Для получения характеристик и тягово-энергетических показателей полупроводникового преобразователяї в настоящей работе используется аналитический метод расчёта электромагнитных процессов в выпрямительно-инверторном преобразователе (ВИП).

Объектом исследования является тяговый выпрямитель типа ВИП-1000-У1 электропоезда типа ЭД9Э.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- уточнены вероятностные модели силовых тиристоров отечественного производства, которые входят в состав комплектующих выпрямителей электропоездов типа ЭД9Э;;

- .уточнены вероятностные модели тяговых трансформаторов моторных вагонов электропоездов;

- проведён анализ процесса коммутации в тяговом выпрямителе с учётом случайных параметров входящих в контур коммутации элементов;

- выполнен вероятностный расчёт внешних и регулировочных характеристик

тягового выпрямителя, а также его энергетических показателей.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована корректностью использования математических методов и подтверждена результатами обработки! статистических данных по параметрам и характеристикам полупроводниковых приборов и тяговых трансформаторов, полученных на представительных выборках по результатам испытаний.

Практическая ценность работы В результате выполненных исследований установлено, что случайные разбросы параметров элементов, комплектующих тяговые выпрямители электропоездов, а также тяговой сети, оказывают незначительное влияние на внешнюю и регулировочную характеристики ЭПС. Поэтому расчёт скоростной характеристики электропоезда можно производить по номинальным параметрам элементов трансформаторно-выпрямительного агрегата.

Типовые тягово-энергетические показатели изменяются не более чем на 0,2%. Разбросы значений параметров элементов силовой цепи (тяговой сети, трансформатора, полупроводниковых приборов ВИП) практически не оказывают влияния: на время хода, среднюю техническую скорость, расход электроэнергии на разгон и рекуперативное торможение (возврат энергии).

В то же время, продолжительность коммутационного процесса в бблышей степени зависит от параметров элементов, входящих в контур коммутации, в частности, тягового трансформатора! Поэтому к допускам на параметры тягового трансформатора необходимо при изготовлении предъявлять повышенные требования.

Установлено, что уменьшение напряжения в контактной сети до 19 кВ при существующей системе регулирования напряжения на тяговых электродвигателях (ТЭД) электропоезда типа ЭД9Э не позволяет обеспечить получение на ТЭД номинального напряжения, и тем самым реализовать номинальную скорость движения электропоезда.

Положения, выносимые на защиту: - анализ состояния вопроса;

- вероятностные модели силового полупроводникового прибора и тягового трансформатора;

- анализ коммутационных процессов. Применение компьютерной программы МаШСАО для определения продолжительности коммутации с учётом случайных значений параметров электрической цепи;

- вероятностный анализ внешних и регулировочных характеристик выпрямителя;

- вероятностный анализ коэффициента мощности и к. п. д. выпрямителя. Сравнительный анализ полученных результатов и номинальных энергетических показателей;

- оценка отклонения скоростной характеристики электропоезда из-за разброса параметров элементов преобразователя и тяговой сети;

- оценка влияния разброса параметров электрооборудования преобразовательной установки на типовые тягово-энергетические показатели ЭПС (время хода, среднюю техническую скорость, расход и возврат электроэнергии).

Апробация работы проходила на Всемирном электротехническом конгрессе «ВЭЛК-2005» (Иньков Ю. М„ Шур С. Я. Учёт разброса параметров элементов энергетической цепи электроподвижного состава переменного тока // Материалы Всемирного электротехнического конгресса «ВЭЛК 2005», 2005. С. 183.), научно-практической конференции МИИТ «Безопасность движения поездов» в 2010 г. (Шур С. Я. Влияние разброса параметров элементов силовой цепи и отклонения напряжения в контактной сети на стабильность характеристик электропоездов // Безопасность движения поездов. Труды Одиннадцатой научно-практической конференции. - М. :МИИТ, 2010. С. У37-У38) и научно-практической конференции «Неделя науки - 2011» (Шур С. Я. Определение угла коммутации выпрямителя электроподвижного состава с учётом активного сопротивления контура коммутации и разбросов параметров элементов силовой цепи преобразователя // Труды научно-практической конференции «Неделя науки - 2011. Наука МИИТа - транспорту».. Часть 1 - М. 1: МИИТ, 2011. С. 111-68 - Ш-69).

Публикации. По материалам диссертации имеется 6 публикаций, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемых источников (103 наименования). Работа содержит 109 страниц печатного текста, 8 таблиц, 29 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе выполнен аналитический обзор работ по методам расчёта характеристик полупроводниковых преобразователей для тягового привода. Отмечен вклад известных авторов в теорию и практику применения полупроводниковых преобразователей на электроподвижном составе (ЭПС). Показано, что наряду с общепринятым при выполнении расчётов применением в качестве исходных данных номинальных или паспортных параметров элементов,, комплектующих систему, возможно использование случайных значений параметров, имеющих место в условиях эксплуатации, которые более полно отражают реальные области существования показателей и характеристик подвижного состава.

Выполнен обзор работ, основанных на вероятностном методе расчёта устройств ЭПС, в частности, полупроводниковых преобразователей. Основными направлениями исследований явились оценка влияния разбросов параметров элементов на стабильность выходных характеристик агрегатов, их надёжность, а также расчёт допусков параметров узлов, обеспечивающих нормальное функционирование устройств с заданной вероятностью. С учётом полученных результатов принято решение о целесообразности использования вероятностных методов при решении задачи определения стабильности внешних и регулировочных характеристик выпрямительно-инверторного преобразователя электропоездов.

При выборе объекта исследования рассмотрены все возможные

7

структурные схемы построения тягового привода, применяемые на электропоездах.

Вторая глава посвящена созданию статистических моделей элементов преобразователей ЭПС: силовых тиристоров иі тяговых трансформаторов. На основе анализа полученных статистических данных по параметрам прямых ветвей ВАХ тиристоров типа Т353-800і-28 в открытом состоянии для режимов в области номинальных нагрузок и проверки по критерию %2 Пирсона показано, что полупроводниковый прибор может быть охарактеризован математическими ожиданиями порогового напряжения и динамического сопротивления и их среднеквадратическими отклонениями Гауссовского закона распределения. Гистограммы распределения значений этих величин приведены на рисунке 1.

Построены предельно-статистические ВАХ прямой ветви тиристоров данного типа. Показано, что предельная характеристика, указанная в каталоге, является лишь одной из характеристик для конкретного прибора данного типа, обладающего предельным значением среднего падения напряжения в испытательном режиме. Кроме того, выполнен тепловой расчёт выпрямительной установки электропоезда. Установлено, что ошибка в определении мощности потерь от прямого тока детерминированным методом может составить 4,4 % из-за отклонения значений параметров полупроводниковых приборов от номинальных (паспортных) величин.

На основании полученных статистических данных создана вероятностная модель тягового трансформатора. Поскольку требуемого объёма статистических данных для представительной выборки по трансформаторам типа ОДЦЭ-2000/25 У1 не имеется, в основу статистической модели легли данные, полученные для трансформаторов типа ОДЦЭР-1600/25Б У1, гистограммы распределения значений параметров которых приведены на рисунке 2. Это допустимо потому, что завод, на котором производятся трансформаторы обоих типов, специализируется на их выпуске и в течение многих лет выпускает аналогичные тяговые трансформаторы для

электропоездов. Технологический процесс производства этих трансформаторов отработан и является стабильным, что тоже важно для статистики. Кроме того,

/(.хЛІ/Ом

УШ-УмОм

б) /(г ),1 Юм 1.0

0.443 0.462 0.481 0.499 0.518 „

Гт,мОм

= 0.47 мОм, с. = 0.016 мОм, р = 0.82

22 23 24 т„.Ом

т,а =23.00«, «г,в-0.430«, /> = 0.83

Рисунок 1 - Гистограммы распределения величин Рисунок 2 - Плотности распределения индуктивного

порогового напряжения (а) и динамического и активного сопротивлений короткого замыкания сопротивления (6) тиристоров типа ТЗ53-800-28 трансформаторов типа ОДЦЭР-1600/25Б У1

при изготовлении ОДЦЭ-2000/25 У1 никаких существенных изменений технологического процесса не произошло, поэтому можно с уверенностью считать, что статистические данные по параметрам и характеристикам трансформаторов типа СЩЦЭР-1600/25Б У1, положенные в основу составления модели тягового трансформатора, можно перенести и на трансформаторы типа ОДЦЭ-2000/25 У1.

Выполнено сравнение значений параметров закона распределения индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформаторов, найденного экспериментальным путём и определённого по аналитической

зависимости, связывающей его с геометрическими размерами трансформатора. ПЬлученные результаты позволяют рекомендовать использование аналитического метода определения числовых характеристик закона распределения параметров трансформатора.

Предложенная модель трансформатора, использующая его статистические параметры, позволяет с большой степенью достоверности рассчитывать такие важные характеристики выпрямителя, как внешняя и регулировочная, и тем самым определять производительность исполнительных механизмов электроприводов, в частности тяговых электродвигателей, получающих питание от источников электроэнергии переменного напряжения или тока через выпрямительные установки.

В третьей главе проведён вероятностный анализ характеристик полупроводниковых преобразователей. Для этого с использованием метода статистических испытаний определены зависимости продолжительностей сетевой и фазовой коммутации от параметров режима работы и элементов цепи выпрямителя. При этом, поскольку вывод аналитической зависимости угла коммутации от указанных аргументов с учётом активного сопротивления контура коммутации затруднителен^ решение линейного неоднородного дифференциального уравнения выполняется с помощью встроенной функции компьютерной программы MathCAD РТС «root», которая находит корень на предварительно заданном интервале его возможных значений.

Уравнение коммутации в выпрямителе

где ар - угол регулирования тиристоров; у - продолжительность интервала фазовой коммутации;

- значение выходного тока выпрямителя; хк - индуктивное сопротивление трансформатора и питающей сети,

(1)

приведенные ко вторичной обмотке;

112а - действующее значение напряжения одной секции тяговой обмотки трансформатора,

справедливо при допущении об отсутствии в контуре короткого замыкания активного сопротивления. При учете последнего уравнение коммутации принимает вид:

БШ

у + а - аг щ -

-бш а

V К

в ="

л/2 ия

(2)

где г, - эквивалентное активное сопротивление контура короткого замыкания.

Зависимости продолжительностей сетевой и фазовой коммутации от параметров режима работы и элементов цепи выпрямителя найдены в графическом виде. Они представляют собой случайные функции, имеющие с вероятностями не менее 0,43 нормальный закон распределения. Отклонение углов коммутации от своих математических ожиданий достигает 7-9%.

Внешние и регулировочные характеристики тягового выпрямителя, изображённые на рисунке 3, также представляют собой случайные функции параметров комплектующих элементов электрической цепи.

а) и,, В 20001-

Рисунок 3 - Семейства внешних (а) и регулировочных (б) характеристик четырехзонного ВИП с учётом разбросов значений параметров элементов цепи

Гистограммы распределения потерь напряжения на элементах цепи четырёхзонного выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) приведены на рисунке 4. Путём разложения функции выпрямленного напряжения в ряд Тейлора определена степень влияния каждого аргумента на выходную характеристику. Сравнение полученных коэффициентов чувствительности показывает, что на I зоне регулирования, когда э. д. с. трансформатора мала, наибольшее влияние на внешнюю характеристику преобразователя оказывают пороговые напряжения полупроводниковых приборов, в то время как на высших зонах регулирования -параметры трансформатора, в первую очередь, индуктивное сопротивление его обмоток. Поэтому к допускам на параметры тягового трансформатора при изготовлении необходимо предъявлять повышенные требования.

В качестве примера приведён расчёт отклонения внешней характеристики от своего номинального значения на IV зоне регулирования в случае увеличения активного и индуктивного сопротивлений трансформатора и параметров полупроводниковых приборов на 10% при номинальном значении напряжения тяговой сети, а также при снижении его до 19 кВ. В первом случае отклонение напряжения приблизительно равно 15 В, в то время как при минимальном напряжении в тяговой сети оно составляет около 430 В.

Четвёртая глава посвящена вероятностному анализу энергетических показателей полупроводниковых преобразователей. Для определения влияния разброса параметров элементов силовой цепи преобразователя на коэффициент мощности построен график его зависимости от значения выпрямленного напряжения в относительных единицах (в долях от максимального выпрямленного напряжения на IV зоне регулирования) Л(и^а Шм). Коэффициент мощности выпрямителя при зонно-фазовом регулировании выходного напряжения на от-й зоне регулирования с учётом процессов коммутации находим по выражению

а) ДД(УД ив б) ДАОЛ \! В

Рисунок 4 - Гистограммы распределения потерь напряжения на элементах цепи ВИП при номинальном токе =480 А, а0 = 8°> ар=90°, икс = 25кВ

л,

иЛ<*,)

, О)

где ЦДар) - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения на выходе преобразователя от угла регулирования; С/, - напряжение сетевой обмотки трансформатора;

кт - коэффициент трансформации тягового трансформатора; а0 - угол задержки;

т - номер зоны регулирования выпрямленного напряжения; у„, уп - продолжительности интервалов сетевой коммутации. Для I зоны у, = О, поскольку коммутация осуществляется за один этап (у0);

у - продолжительность интервала фазовой коммутации. На рисунках 5 и 6 показаны зависимости коэффициента мощности четырёхзонного ВИП и гистограмма распределения его значений на IV зоне регулирования с учётом разброса значений параметров элементов цепи.

Мощность потерь в силовом полупроводниковом преобразователе определяется как сумма мощностей потерь в его элементах: в силовом трансформаторе, полупроводниковых приборах, в реакторах и конденсаторах силовых цепей, в соединительных кабелях (шинах) и переходных контактах силовых цепей, в ВС -цепочках, шунтирующих силовые вентили, в системе охлаждения преобразователя и в системе управления преобразователем

ДР,р = ДР,„ +&Ру +АРи. +АРа +ЛРЙС +ЛР„ + ДЯ(

(4)

где дРтр - мощность потерь в тяговом трансформаторе;

АР,, - мощность потерь в силовых полупроводниковых приборах;

Зависимость / построена без учёта углов коммутации. 2-е учётом коммутации и разброса значений параметров элементов цепи; падения напряжения неактивных сопротивлениях взяты при токе = 480 А

Рисунок 5 - Коэффициент мощности четырёхзонного выпрямителя

т),о.е.

= 0.794, <7д = 1.26 ■ Ю"3, р = 0.88

Рисунок 6 - Гистограмма распределения значение коэффициента мощности на IV зоне регулирования при ар =90°

ДРцг. - мощность потерь в реакторах и конденсаторах силовых цепей;

ДР„ - мощность потерь в соединительных кабелях и переходных контактах;

дРк - мощность потерь в шунтирующих ЯС -цепочках;

АР^ - мощность потерь в системе охлаждения преобразователя;

ЛРСУ - мощность потерь в системе управления преобразователем.

Все эти составляющие мощности потерь имеют случайный разброс значений относительно своих номинальных величин (математических ожиданий). Поэтому и сама мощность потерь в преобразователе будет являться случайной функцией, некоторым образом распределённой в пределах области своих значений. Расчёт ДР^ по формуле (4) можно выполнить в случае, если имеются достаточные по объёму выборки статистических данных по разбросу параметров элементов конкретного преобразователя.

В диссертации мощность потерь в преобразователе и его к. п. д. были определены с использованием внешних характеристик, полученных при условии отсутствия в цепи активного сопротивления и внешних характеристик, полученных с учё!гом активного сопротивления наряду с индуктивным. Разность этих двух внешних характеристик представляет собой дополнительные потери напряжения дг/я, вызванные активным сопротивлением цепи. Умножая дил на ток,, определяем мощность потерь которая будет иметь разброс своих значений, заключённых в области Графики ДРЛтт)(1,У для четырёх зон регулирования,

изображённые на рисунке 7, а, имеют форму параболы, что определяется квадратической зависимостью мощности потерь от тока.

К. п. д. выпрямителя определяется по формуле

IV зона

14,Л

о

200

400

600

800

Рисунок 7 - Потери мощности на активных сопротивлениях цепи (а); к. га. д. преобразователя на IV зоне регулирования с учётом разбросов значений параметров элементов цепи при аа = 8°, ар = 90°(б)

где Р^ - выходная («полезная») мощность выпрямителя, Рл =14иа;

Д- мощность потерь, включающая потери на активном сопротивлении цепи и магнитные потери трансформатора.

График к. п. д. преобразователя на IV зоне регулирования при ар = 90°, построенный с учётом разбросов значений параметров элементов цепи, показан на рисунке 7, б. Гистограмма распределения значений к, п. д. преобразователя с вероятностью 0,62 аппроксимируется нормальным законом, однако возможные случайные отклонения к. п. д. от математического ожидания невелики, что позволяет сделать вывод о незначительном влиянии разброса значений параметров элементов цепи преобразователя на значение к. п. д.

Скорость движения ЭПС в режиме тяги зависит от напряжения, подаваемого на зажимы тягового двигателя, суммарного сопротивления его обмоток, магнитного потока; возбуждения, постоянной тягового двигателя1 Все эти аргументы являются случайными.

Для оценки влияния разброса значений параметров элементов силовой цепи на скоростные характеристики с использованием элекгротяговых характеристик двигателя типа ТЭД-ЗУ1 электропоездов были построены зависимости скорости движения подвижного состава от выпрямленного тока для IV зоны регулирования. Поскольку анализ влияния на скорость поезда

отклонения параметров элементов цепи преобразователя проводился для режимов эксплуатации конкретного ЭПС, параметры тягового двигателя считались неизменными.

Выполненные расчёты показали, что скоростные характеристики являются случайными функциями, значения которых распределены по нормальному закону, параметры которого при ар-90°, 1ТД = 240А\ и номинальном напряжении в контактной сети равны ти = 71,59 км/ч, <га = 0,11 км/ч. Ш полученных данных можно сделать.вывод о том, что отклонение скоростной характеристики, вызванное случайным разбросом параметров элементов цепи, не превышает 0,5 % от рассчитанного при номинальных значениях.

Отклонение может иметь и значение напряжения в тяговой сети. Рассчитаем угол регулирования а'р, при котором можно достичь номинального значения напряжения на выходе выпрямителя при напряжении в тяговой сети

гДе и ют* ~ напряжение секции тяговойї обмотки трансформатора при номинальном напряжении тяговой сети £/„ = 25 кВ.

19 кВ:

(7)

при ар = 90°

6

ар - агссоэ — (2т -1) сое а0 .

19

(8)

Очевидно, что при а0= 8° на IV зоне регулирования (от = 4) выражение (8) не имеет смысла. Поэтому можно сделать вывод о том, что при понижении питающего напряжения до 19 кВ невозможно обеспечить напряжение на выходе ВИП, соответствующее середине IV зоны при номинальном напряжении в тяговой сети.

Уменьшение выходного напряжения преобразователя в этом случае приведёт к снижению скорости с 71,6 км/ч до 52,0 км/ч (при работе на IV зоне регулирования с сохранением угла регулирования, соответствующего номинальному режиму. 1ТД = 240 А ). Даже при уменьшении угла регулирования до ар - а0, скорость будет составлять 59,9 км/ч, что на 11,7 км/ч (16,3 %) меньше номинальной скорости движения ЭПС.

Для оценки влияния отклонения внешней характеристики ВИП на эксплуатационные показатели электропоезда в соответствии с Техническими требованиями, предъявляемыми к моторвагонному подвижному составу, были выполнены тяговые расчёты движения электропоезда по расчётному перегону и определены средняя техническая скорость, время хода, расходы электроэнергии на разгон и рекуперативное торможение (возврат энергии). Тяговые расчёты выполнены в двух вариантах: без учёта и с учётом разбросов параметров элементов системы «тяговая сеть - трансформатор - ВИП». Тягово-энергетические показатели сведены в таблицу 1.

Результаты сравнения показывают, что эти показатели изменяются не более, чем! на 0,2%, из чего, можно сделать вывод, что отклонение внешней характеристики преобразователя, вызванное разбросами значений параметров элементов силовой цепи (тяговой сети,, трансформатора, полупроводниковых приборов ВИП), практически не оказывает влияния на время хода, среднюю техническую скорость, расход электроэнергии. Полученные отклонения лежат в пределах допуска, принятого при технических расчётах. Основное влияние на отклонение тягово-энергетических показателей оказывает изменение напряжения в тяговой сети.

Поэтому при расчёте скоростной характеристики ЭПС, во многом

19

Показатель Без учёта разбросов параметров цепи; С учётом разбросов параметров, цепи

Время хода, с 182,88 183,20

Техническая скорость, км/ч 68,90 68,78

Расход электроэнергии в режиме тяги, кВт-ч (до скорости 100 км/ч) 96,011 96,21

Возврат электроэнергии в режиме рекуперации, кВтч 49,23 49,43

Общий расход электроэнергии, кВт-ч 50,28 50,28

Удельный расход электроэнергии, Вт-ч/т-км 23,85 23,85

определяющей время хода поезда и используемой для построения графика движения поездов, можно использовать внешнюю характеристику выпрямителя, построенную на основании номинальных параметров элементов (тяговой сети, трансформатора ЭПС, вентилей выпрямителя). Гораздо большее влияние на скоростную характеристику оказывает изменение напряжения в тяговой сети.

Выводы по работе. В результате выполненного в диссертационной работе комплекса экспериментальных и теоретических исследований, выполнена вероятностная оценка показателей и характеристик преобразовательных устройств электропоезда переменного тока, степени влияния на них разброса значений параметров; тяговой сети, трансформатора ЭПС и выпрямительно-инверторного преобразователя.

Основные научные и практические результаты, полученные в процессе решения поставленных задач, состоят в следующем:

полупроводниковый прибор может быть охарактеризован математическими ожиданиями порогового напряжения и динамического сопротивления и их среднеквадратическими отклонениями нормального закона

распределения. Тепловой расчёт выпрямительной установки электропоезда следует выполнять с учётом случайных значений параметров полупроводниковых приборов, так как погрешность в определении мощности потерь от прямого тока детерминированным методом может составить 4,4 %;

- создана статистическая модель тягового трансформатора на основании статистических данных, полученных для трансформаторов типа ОДЦЭР-1600/25Б У1. Выполнено сравнение значений параметров закона распределения индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформаторов типа ОДЦЭР-1600/25Б У1, найденного экспериментальным путём и определённого по аналитической зависимости, связывающей хк с геометрическими размерами трансформатора. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование аналитического метода определения числовых характеристик закона распределения параметров трансформатора;

- получено уравнение коммутации тока выпрямителя с учётом индуктивного и активного сопротивлений контура коммутации путём решения линейного неоднородного дифференциального уравнения;

- построены зависимости углов коммутации от параметров режима работы и элементов цепи выпрямителя, представляющие собой области, в пределах которых случайные величины продолжительностей интервалов коммутации распределены по нормальным законам с вероятностями не менее 0,43. Для этой цели использовался метод статистических испытаний, при этом в полученные аналитические выражения в качестве аргументов подставлялись выборки случайных значений параметров элементов системы;

- установлена, что углы коммутации на всём диапазоне изменения тока преобразователя имеют отклонение от 7 % до 9 % от своего математического ожидания. Продолжительность коммутации прямо пропорциональна активному сопротивлению контура коммутации;

- внешние и регулировочные характеристики определены с помощью метода статистических испытаний как случайные функции и представляют собой области, в пределах которых значения этих характеристик распределены

по нормальным законам. Анализ потерь напряжения показал, что за счёт разброса параметров элементов электрической цепи в условиях эксплуатации следует рассчитывать на их отклонение до 5,9 % от номинального значения. В то же время этот разброс потерь напряжения составляет незначительную долю от значения выходного напряжения преобразователя;

- определена степень влияния каждого параметра элементов системы на значение выпрямленного напряжения путем вычисления коэффициентов чувствительности случайной функции по каждому аргументу. Установлено,, что на I зоне регулирования, когда э. д. с. трансформатора мала,, наибольшее влияние на внешнюю характеристику преобразователя оказывают пороговые напряжения полупроводниковых приборов, в то время как на высших зонах регулирования - параметры трансформатора, в первую очередь, индуктивное сопротивление его обмоток. Поэтому к допускам на параметры тягового трансформатора необходимо при изготовлении предъявлять повышенные требования;

- вероятностный анализ регулировочной характеристики показал, что при построении системы управления ВИП необходимо учитывать отклонение значения напряжения при возможном разбросе параметров электрической цепи. Так, например, на IV зоне выпрямленное напряжение = 1500 в может быть получено при углах регулирования 100° <, ар <, 110°;

- коэффициент мощности полупроводникового преобразователя и его к. п. д. также являются случайными функциями, распределёнными по нормальным законам. Влияние на их значения разброса параметров электрооборудования преобразовательной установки несущественно. Этот разброс практически не оказывает влияния на типовые тягово-энергетические показатели ЭПС - время хода, среднюю техническую скорость, расход электроэнергии на разгон и рекуперативное торможение (возврат энергии). Основное влияние на отклонение тягово-энергетических показателей оказывает изменение напряжения в контактной сети;

- при расчёте скоростной характеристики ЭПС, во многом определяющей

22

время хода поезда и используемой для построения графика движения поездов, можно использовать внешнюю характеристику выпрямителя, построенную на основании номинальных параметров элементов (тяговой сети, трансформатора ЭПС, вентилей выпрямителя). При понижении напряжения в контактной сети до 19 кВ невозможно обеспечить номинальное напряжение на выходе ВИП, соответствующее середине IV зоны регулирования. При уменьшении угла регулирования до ар = а0, скорость будет на 11,7 км/ч (16,3 %) меньше номинальной расчётной скорости движения ЭПС. В таких условиях увеличивается время движения поезда, что не позволяет обеспечил, заданный график движения.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1 Иньков Ю. М., Орехов А. В., Шур С. Я. Статистическая модель трансформатора выпрямительных установок // Практическая силовая электроника. М.: ММП-Ирбис, 2004. № 13. С. 2-8.

2 Шур С. Я. Вероятностный расчёт потерь мощности в тяговом выпрямителе электропоезда // Электроника и электрооборудование транспорта. Московская обл., п. Томилино, 2007. № 4. С. 42-44.

3 Шур С. Я. Влияние разброса параметров элементов силовой цепи преобразовательной установки на характеристики электропоезда // Электроника и электрооборудование транспорта. Московская обл., п. Томилино, 2011. № 1. С. 26-28.

ЧД

ШУР Светлана Яковлевна

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 -Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 2012 г. Заказ №УЛ2. Формат 60x90/1 б Тираж 80 экз.

Усл.-печ. л. - 1,5.

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9, УПЦ ГИ МИИТ

61 12-5/1669

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ (МИИТ)_______

ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

На правах рукописи

ШУР СВЕТЛАНА ЯКОВЛЕВНА

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Ю. М. Иньков

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Состояние вопроса, постановка задачи и выбор метода исследования 8

1.1 Аналитический обзор работ по методам расчёта характеристик полупроводниковых преобразователей для тягового привода 8

1.2 Вероятностный метод расчёта характеристик полупроводниковых преобразователей 15

1.3 Общее описание структуры ТЭП электропоездов 18

1.4 Методы исследования 22

2 Статистические модели элементов тягового выпрямителя 26

2.1 Статистическая модель силового полупроводникового прибора 30

2.2 Статистическая модель тягового трансформатора 40

3 Вероятностный анализ характеристик полупроводниковых преобразователей 57

3.1 Анализ коммутационного процесса 58

3.2 Анализ внешних характеристик 100

3.3 Анализ регулировочных характеристик 110

4 Вероятностный анализ энергетических показателей полупроводниковых преобразователей 119

4.1 Анализ коэффициента мощности 121

4.2 Анализ мощности потерь в преобразователе и оценка его к.п.д. 124

4.3 Оценка влияния разброса значений параметров элементов силовой цепи на тягово-энергетические показатели

электропоезда 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 142

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование разнообразных систем электрической тяги в первую очередь связано с модернизацией, а в ряде случаев и с полной заменой существующего оборудования как устройств тягового электроснабжения, так и электрического подвижного состава (ЭПС).

Особенностью совершенствования электрооборудования ЭПС является постоянно растущая доля в нём электронных устройств.

Внедрение на ЭПС устройств силовой и информационной электроники, обеспечивая повышение, в первую очередь, энергетических показателей ЭПС, поставило перед разработчиками и эксплуатационниками новые задачи, связанные с обеспечением эксплуатационной надёжности этих устройств и безусловного выполнения графиков движения поездов.

Необходимо отметить, что статические (полупроводниковые) преобразователи электрической энергии характеризуются, как правило, отклонениями своих характеристик и показателей, таких, как внешняя и регулировочная характеристики, коэффициент полезного действия (к. п. д.) и коэффициент мощности от расчётных (номинальных) значений. Это объясняется тем обстоятельством, что параметры и характеристики элементов, комплектующих полупроводниковые преобразователи, являются случайными величинами, имеющими иногда значительный разброс относительно своих номинальных значений.

Наличие такого разброса приводит к тому, что рассчитанные по номинальным значениям параметров комплектующих элементов характеристики и показатели полупроводниковых преобразователей будут отличаться от таковых, реализованных при изготовлении преобразователей.

То же самое можно сказать и о системе тягового электроснабжения, которая помимо случайных величин сопротивлений тяговой сети характеризуется ещё и значительными, и во многом случайными отклонениями напряжения в контактном проводе от номинальных значений.

Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных созданию и исследованию режимов работы статических преобразователей ЭПС, в них практически не учитывается случайный характер параметров комплектующих преобразователи элементов и возмущающих воздействий (имеется ввиду, в первую очередь, система тягового электроснабжения).

Поэтому целью диссертационной работы явилось исследование случайных параметров элементов, комплектующих статические преобразователи ЭПС, а также возмущающих воздействий, имеющихся в системе тягового электроснабжения переменного тока, и их влияния на выходные характеристики и показатели ЭПС.

В качестве объекта исследования был выбран тяговый преобразователь типа ВИП-1000-У1, устанавливаемый на электропоезде типа ЭД9Э.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- разработать вероятностные модели элементов тягового выпрямителя;

- провести вероятностный анализ коммутационных процессов, а также внешних и регулировочных характеристик выпрямителя;

- провести вероятностный анализ энергетических показателей выпрямителя;

- оценить возможные отклонения тягово-энергетических показателей электропоезда от номинальных при разбросе параметров элементов преобразователя.

Известные публикации, посвященные теоретико-вероятностным методам анализа и расчёта статических преобразователей электроэнергии [1, 2], а также электрических двигателей [3], свидетельствуют о том, что существующие случайные разбросы параметров элементов статических преобразователей и электрических двигателей могут оказывать влияние на эксплуатационные характеристики и показатели электроприводов, использующих эти преобразователи и двигатели. Однако в них нет никаких конкретных данных о степени этого влияния и необходимости его учёта для конкретных

электроприводов, в частности, тяговых.

Настоящая работа в некоторой степени претендует на оценку влияния разброса параметров элементов статических преобразователей ЭПС и режимов их работы на характеристики и показатели ЭПС как сложного электротехнического комплекса.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней:

- уточнены вероятностные модели силовых тиристоров типа Т353-800-28, комплектующих выпрямители типа ВИЛ-1000-У 1 электропоезда типа ЭД9Э;

- уточнены вероятностные модели тяговых трансформаторов электропоездов;

- проведён анализ процесса коммутации в тяговом выпрямителе с учётом случайных параметров входящих в контур коммутации элементов;

- выполнен вероятностный расчёт внешних и регулировочных характеристик тягового выпрямителя, а также его энергетических показателей.

Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования. Использованы основные законы и методы расчёта линейных и нелинейных электрических цепей, положения математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проведены с применением современной измерительной техники с последующим использованием программ Ехе§|? МаШсас! для обработки экспериментальных данных. Для получения характеристик и тягово-энергетических показателей полупроводникового преобразователя в настоящей работе используется аналитический метод расчёта электромагнитных процессов в выпрямительно-инверторном преобразователе (ВИЛ).

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами обработки статистических данных по параметрам и характеристикам полупроводниковых приборов и тяговых трансформаторов, полученных на представительных выборках.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате её выполнения установлено, что случайные разбросы параметров элементов,

комплектующих тяговые выпрямители ЭПС, а также тяговой сети, оказывают незначительное влияние (0,4 % на IV зоне регулирования выпрямленного напряжения при токе 480 А) на внешнюю и регулировочную характеристики ЭПС. Поэтому расчёт скоростной характеристики ЭПС можно производить по номинальным параметрам элементов выпрямителя.

В то же время, продолжительность коммутационного процесса в большей степени зависит от параметров элементов, входящих в контур коммутации, в частности, тягового трансформатора. Поэтому к допускам на параметры тягового трансформатора необходимо при изготовлении предъявлять повышенные требования.

Установлено, что уменьшение напряжения в контактной сети до 19 кВ при существующей системе регулирования напряжения на тяговых электродвигателях (ТЭД) электропоезда типа ЭД9Э не позволяет обеспечить получение на ТЭД номинального напряжения, и тем самым реализовать номинальную скорость движения электропоезда.

Апробация работы проходила на Всемирном электротехническом конгрессе «ВЭЛК-2005» (Иньков Ю. М., Шур С. Я. Учёт разброса параметров элементов энергетической цепи электроподвижного состава переменного тока. Материалы Всемирного электротехнического конгресса «ВЭЛК 2005», с. 183), научно-практической конференции МИИТ «Безопасность движения поездов» в 2010 г. (Шур С. Я. Влияние разброса параметров элементов силовой цепи и отклонения напряжения в контактной сети на стабильность характеристик электропоездов // Безопасность движения поездов. Труды Одиннадцатой научно-практической конференции. - М. : МИИТ, 2010. С. У37-У38) и научно-практической конференции «Неделя науки - 2011» (Шур С. Я. Определение угла коммутации выпрямителя электроподвижного состава с учётом активного сопротивления контура коммутации и разбросов параметров элементов силовой цепи преобразователя // Труды научно-практической конференции «Неделя науки-2011. ШукаМИИТа-тршспорту» Часть 1 -М 1:МИИГ,2011.С.Ш-68-Ш-69).

Список работ, опубликованных по материалам диссертации в

изданиях, рекомендованных ВАК России:

1 Иньков Ю. М., Орехов А. В., Шур С. Я. Статистическая модель трансформатора выпрямительных установок // Практическая силовая электроника. М.: ММП-Ирбис, 2004. № 13. С. 2-8.

2 Шур С. Я. Вероятностный расчёт потерь мощности в тяговом выпрямителе электропоезда // Электроника и электрооборудование транспорта. Московская обл., п. Томилино, 2007. № 4. С. 42-44.

3 Шур С. Я. Влияние разброса параметров элементов силовой цепи преобразовательной установки на характеристики электропоезда // Электроника и электрооборудование транспорта. Московская обл., п. Томилино, 2011. № 1. С. 26-28.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемых источников (103 наименования). Работа содержит 109 страниц печатного текста, 8 таблиц, 29 рисунков.

Положения, выносимые на защиту:

- анализ состояния вопроса;

- вероятностные модели силового полупроводникового прибора и тягового трансформатора;

- анализ коммутационных процессов. Применение компьютерной программы МаШСАБ для определения продолжительности коммутации с учётом случайных значений параметров электрической цепи;

- вероятностный анализ внешних и регулировочных характеристик выпрямителя;

- вероятностный анализ коэффициента мощности и к. п. д. выпрямителя. Сравнительный анализ полученных результатов и номинальных энергетических показателей;

- оценка отклонения скоростной характеристики электропоезда из-за разброса параметров элементов преобразователя и тяговой сети;

- оценка влияния разброса параметров электрооборудования преобразовательной установки на типовые тягово-энергетические показатели ЭПС (время хода, среднюю техническую скорость, расход и возврат электроэнергии).

1 Состояние вопроса, постановка задачи и выбор метода исследования 1.1 Аналитический обзор работ по методам расчёта характеристик полупроводниковых преобразователей для тягового привода

Теоретическому анализу и разработке методов расчёта разного вида статических преобразователей посвящено много работ отечественных и зарубежных учёных и инженеров. Начало исследования таких схем было положено выдающимися электротехниками-радиофизиками академиками В. Ф. Миткевичем и Н. Д. Папалекси. В создании теории установившихся электромагнитных процессов в преобразователях видное место занимают труды К. А. Круга, М. П. Костенко, Л. Р. Неймана, Н. Н. Щедрина, И. Л. Каганова, А. В. Поссе, Ю. Г. Толстова, И. Л. Каганова, Ю. М. Инькова, Ю. К. Розанова, М. А. Чернышёва, М. Г. Шехтмана, Г. И. Бабата, Я. М. Червоненкиса, А. М. Утевского, И. М. Чиженко [4-16].

В [17] рассматриваются теория работы, характеристики и расчёт схем выпрямителей, инверторов и различных типов преобразователей частоты. Приведены основы теории вентильных двигателей. Наиболее подробно рассмотрено влияние на характеристики точки включения дросселей на стороне переменного тока.

Ценным в книге является примененный автором метод наложения при исследовании сложных процессов в работе многофазных схем и доведения расчетов до построения обобщённых диаграмм, соответствующих различным режимам работы схем применительно к возможным вариантам распределения индуктивностей по звеньям цепи. В монографии изучено влияние преобразовательных схем на коэффициент мощности сети, предложен способ улучшения коэффициента сдвига с помощью вынужденной коммутации анодных токов.

Работа П. А. Ровинского и В. А. Тикана [18] посвящена исследованию электромагнитных процессов в непосредственном преобразователе частоты (НПЧ) без уравнительных реакторов. При анализе принимаются допущения:

- коммутация тока с вентиля на вентиль происходит мгновенно;

- форма кривой первичного напряжения синусоидальная;

- падение напряжения в вентилях и активных сопротивлениях преобразователя равно нулю.

Рассмотрена работа однофазного преобразователя частоты с нулевым проводом на активную и активно-индуктивную нагрузку. Отмечена особенность работы НПЧ с непосредственной связью без уравнительных реакторов. При допущении, что вентиль вступающей в работу группы включается в момент отключения последнего проводящего вентиля группы, выходящей из работы (т.е. ширина отпирающих импульсов взаимно-обратных групп вентилей <рп= 0), выведены соотношения между величинами входной и выходной частот. Кривая выходного напряжения преобразователя разложена в ряд Фурье, приведены коэффициенты ряда Фурье для различных значений <рп. Отмечено, что для избежания громоздкости вычислений можно заменить кривые реального напряжения напряжениями трапецеидальной или прямоугольной формы, что равносильно допущению беконечно большого числа фаз первичной сети. В этом случае коэффициенты ряда Фурье имеют вид:

- для трапеции

я ат

(

бш ат эш 32 + р- вт 3ат вт ЪЭ2 + эт 5ат эт 592 +...

(1-1)

- для прямоугольника

сое—вшА +-со8^-8тЗ«9, +-со8^-8т5<9, +... V 2 2 3 2 2 5 2 2 )

(1.2)

где а - амплитуда трапеции и прямоугольника (IIт); аТ - проекция боковой стороны трапеции на ось «9;

<рп - угол перерыва;

«92 - текущая координата угла по низкой частоте.

В указанной работе предложены способы улучшения гармонического состава кривой выходного напряжения в рассматриваемом преобразователе. Это может быть достигнуто введением фильтра на выходе, изменением угла перерыва и введением переменного в течение времени работы группы вентилей угла регулирования. Авторами найден необходимый для этого закон изменения угла регулирования. Кроме того, в работе рассмотрен вопрос равномерности загрузки вентилей преобразователя в зависимости от:

- числа элементарных коммутируемых контуров при выпрямлении щ;

- первичной частоты /,;

- вторичной частоты /2;

- формы кривой выходного напряжения (<рл =0, (рп ф 0);

- длительности управляющих импульсов.

Анализ установившихся режимов преобразователя в работе произведён на основании метода, предложенного в [6]. Для расчёта нормальных установившихся режимов в мостовой схеме при углах коммутации до 30-40° и допущении прямолинейной коммутации более простой метод приведён в [19], где составлена система дифференциальных уравнений, описывающая работу преобразователя на любом интервале времени (пренебрегая падением напряжения на вентиле).

В более поздней работе [20] С. Р. Глинтерник уделяет основное внимание компенсированным преобразователям, в которых конденсаторы включены в главную цепь параллельно через реакторы или последовательно с трансформаторами. Здесь выявлен ряд специфических свойств и особенностей таких преобразователей, дополнена и обобщена существовавшая на тот момент теория электромагнитных процессов в некомпенсированных преобразователях. Расчёт нормальных установившихся режимов преобразователей и их энергетических характеристик выполнен методом, основанным на линеаризации процессов коммутации тока в преобразователях.

10

Существенный вклад в развитие преобразовательной техники, силовых электронных преобразователей электроэнергии был внесен сотрудниками кафедры «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Московского авиационного института (ныне Государственный технический университет «МАИ») А. И. Бертиновым, Д. А. Бутом, С. И. Вольским, Г. А. Дубенским, О. И. Хасаевым, Д. Б. Кофманом, Ю. И. Кованом и др. Ими были проанализированы известные и предложены новые способы построения статических преобразователей с по�