УДК 622.625.28-83 СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ

УДК 622.625.28-83
СТРУКТУРА УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ РУДНИЧНОГО
КОНТАКТНО – АККУМУЛЯТОРНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА
Шокарев Д.А.
Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградского
ул. Первомайская, 20, г. Кременчуг, 39600, Украина. seem@kdu.edu.ua
Приведено обоснование структуры тягового асинхронного электропривода рудничного контактно-аккумуляторного
электровоза с широтно-импульсной модуляцией напряжения питания и способ управления им. Выполнен анализ формы
кривой напряжения и тока при трапецеидальном законе управления. Проведен Анализ электромагнитных процессов в
тяговом асинхронном электроприводе базовой структуры инвертор напряжения – асинхронный двигатель
рудничного электовоза. Предложенный способ позволит снизить число коммутаций силовых транзисторов и,
следовательно, уменьшить уровень потерь электрической энергии в контуре преобразователя, а управление с
использованием асинхронной широтно-импульсной модуляции напряжения позволит существенно (вдвое)
уменьшить емкость конденсаторного фильтра. Доказано, что снижение коэффициента искажения выходного
напряжения автономного инвертора достигается в случае применения трапецеидальной огибающей его кривой.
Ключевые слова: шахтный электровоз, двигатель постоянного тока, тяговая аккумуляторная батарея, контактная сеть.
СТРУКТУРА УПРАВЛІННЯ ТЯГОВИМ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ РУДНИЧНОГО КОНТАКТНО АКУМУЛЯТОРНОГО ЕЛЕКТРОВОЗА
Шокарьов Д.А.
Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського
вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39600, Україна. Е-mail: seem@kdu.edu.ua
Наведено обгрунтування структури тягового асинхронного електроприводу рудникового контактно-акумуляторного
електровоза з широтно-імпульсною модуляцією напруги живлення і спосіб управління ним. Виконано аналіз форми кривої
напруги і струму при трапецеїдальних законі управління. Проведено Аналіз електромагнітних процесів у тяговому
асинхронному електроприводі базової структури інвертор напруги - асинхронний двигун рудничного електовоза.
Запропонований спосіб дозволить понизити число комутацій силових транзисторів і, отже, зменшити рівень втрат
електричної енергії в контурі перетворювача, а управління з використанням асинхронної широтно-імпульсної модуляції
напруги дозволить суттєво (удвічі) зменшити ємність конденсаторного фільтра. Доведено, що зниження коефіцієнта
спотворення вихідної напруги автономного інвертора досягається у випадку застосування трапецеїдальної огинаючої його
кривої.
Ключові слова: шахтний електровоз, двигун постійного струму, тягова акумуляторна батарея, контактна
мережа.
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В шахтах и
рудниках Украины эксплуатируется более 3,5
тысяч, двадцати различных типов контактных и
аккумуляторных электровозов. Практически все
эти
электровозы
оборудованы
неэнергоэффективными
видами
тяговых
электроприводов постоянного тока с контактнорезисторными
системами
управления
[1].
Современные тенденции развития электропривода
диктуют новые направления и перспективы
применения асинхронного частотно регулируемого
тягового электропривода.
МАТЕРИАЛЫ
И
РЕЗУЛЬТАТЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ.
В
последние
годы
в
отечественных шахтах и рудниках начали
появляться давно ожидаемые эксплуатационниками
экспериментальные образцы энергоэффективных
электровозов
с
IGBT-преобразователями
напряжения
питания
тяговых
асинхронных
двигателей (ТАД) [1,2]. Усилиями учёных и
машиностроителей на основе научных изысканий
возник и новый для отечественной горной
промышленности вид рудничного электровоза –
контактно-аккумуляторный,
[2]
получающий
питание как от контактной сети (КС) так и от
тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) [1,2].
Разработка энергоэффективной структуры тягового
асинхронного привода
(ТАП) контактно –
аккумуляторного электровоза и разработка структуры и
алгоритма управления им.
Объектом данного этапа исследований является
разработанная при участии авторов структура
тягового асинхронного электропривода рудничного
контактно-аккумуляторного электровоза [2].
Анализ электромагнитных процессов в тяговом
асинхронном электроприводе базовой структуры
инвертор напряжения – асинхронный двигатель
рудничного электовоза полученных в [2],
позволили сделать выводы, что в условиях,
характерных для рудничного электровозного
транспорта, реальные значения потерь энергии
значительны, а коэффициенты, характеризующие
несинусоидальность кривой напряжения на
асинхронном двигателе, имеют достаточные
несогласующие с соответствующим ГОСТом
значения. Таким образом, с целью повышения
энергоэффективности
тягового
комплекса,
существует необходимость
улучшения до
номинальных вышеупомянутых значений, что
может быть достигнуто выбором рациональной
структуры системы привода и способа управления
уровнем напряжения питания ТАД посредством
ШИМ.
Однако способ ШИМ напряжения питания ТАД
имеет свои негативные побочные эффекты в
направлении дополнительных, присущих этому
способу модуляции,
потерь электрической
энергии. Часть этих проблем, связанных с
применением
ШИМ напряжения, решается
применением альтернативной схемы тягового
электропривода упрощенно представленной на рис.
1. [4].
D(  )
напряжения по заданному закону. Действительно,
для формирования положительной полуволны
выходного
напряжения
задействованы
транзисторные модули DP и MP . Причем MP
включен постоянно в течении полуволны, а DP
модулирует. В результате мост имеет два
состояния.
Альтернативная
схема
преобразователя
позволяет простым образом формировать любую
кривую
выходного
напряжения,
используя
непосредственную ШИМ напряжения при полном
управлении, из которых образуются требуемые
синусоидальные или трапецеидальные огибающие
кривые.
В результате проведенного исследования в [3]
форм выходного напряжения преобразователя
можно сделать вывод, что следует отдать
предпочтение ШИМ напряжения питания тяговых
двигателей трапецеидальной а не синусоидальному
поскольку
она
обеспечивает
минимальные
коэффициенты искажения питающего напряжения
и высших гармоник. На рис. 2 приведены
максимальная трапецеидальная кривая ШИМ
напряжения при макс U mТ  U d и кривая тока
потребляемого однофазным мостом.
М(  )
Ud
CZ
UD
TD
VD
RD
UIA
DP
MN
DN
MP
A
UIB
M
B
C
UIC
Рисунок 1 – Упрощенная схема альтернативного
тягового асинхронного электропривода
Экономию электроэнергии дает снижение
IGB
динамических
потерь
мощности
в
транзисторах альтернативной схемы благодаря
методу непосредственного формирования ШИМ
Рисунок 2 – Диаграммы трапецеидального
напряжения и питающего тока моста при макс
U mТ  U d
На рис. 3. приведены трапецеидальное ШИМ
напряжения и потребляемый мостом ток при
пониженном ШИМ напряжении U mТ  U d .
Как видно из диаграмм токов скачкообразное
изменение
тока
потребляемого
I d
альтернативным преобразователем не более I mT ,
следовательно, вдвое меньше, чем в стандартном
трехфазном инверторе. Таким образом, емкость
входного
фильтрового
конденсатора
в
альтернативной схеме электропривода вдвое
меньше, чем в стандартной схеме.
Рисунок 3 – Диаграммы питающих токов
преобразователя при макс I m T
Более того, как видно из рис. 3 при макс
U mТ  U d на интервале  3 ... 2 3 не требуется
осуществлять ШИМ напряжения в однофазных
мостах. Таким образом, динамические потери
мощности в IGB транзисторных мостах снижаются
на треть по сравнению с предшествующим
U mТ  U d .
ВЫВОДЫ.
регулируемого
1.
Обоснованна
электропривода
структура
рудничного
электровоза, характеризующаяся: наличием в схеме
преобразователя шести однофазных инверторных
мостов, включением обмотки двигателя в
«разомкнутый треугольник».
2. Управление инверторными мостами блока
питания
тяговых
асинхронных
двигателей
осуществляется
способом
непосредственной
широтно-импульсная модуляции. Предложенный
способ позволит снизить число коммутаций
силовых транзисторов и, следовательно, уменьшить
уровень потерь электрической энергии в контуре
преобразователя, а управление с использованием
асинхронной широтно-импульсной модуляции
напряжения
позволит
существенно
(вдвое)
уменьшить емкость конденсаторного фильтра.
3 Доказано, что снижение коэффициента
искажения выходного напряжения автономного
инвертора достигается в случае применения
трапецеидальной
огибающей
его
кривой.
Предложен алгоритм вычисления интервалов
проводимости
силовых
транзисторов,
осуществляющую модуляцию, что позволяет
снизить уровни потерь энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Системы управления шахтным электровозным
транспортом /О.Н. Синчук, Э.С. Гузов, Н.И. Шулин, П.К.
Саворский / - К.: Техніка, 1985, - 198 с.
2. Шокарев
Д.А.
Энергоэффективный
тяговый
электротехнический
комплекс
двухсистемного рудничного електровоза / Е.И.
Скапа, И.О. Синчук // журнал «Електротехнічні та
комп’ютерні системи» – 2011. – № 03(79). – C.145–
147.
3. Шокарев Д.А., Скапа Є.І. Тяговий
асинхронний
електропривод.
Патент. №67134
Україна МПК (2012.01) Н02М7/00 В61С 9/00
заявник та патентоутримувач Кременчуцький
національний
університет
імені
Михайла
Остроградського. —
№ u 2011 05247;
Заявл.26.04.2011; Опубл. 10.02.2012, Бюл. № 3,
2012р
4. Шокарев Д.А., Скапа Є.І. Спосіб
формування трапеціїдальної широтно-імпульсної
модуляції напруги інвертора Патент №67170
Україна, МПК (2012.01) Н02М7/00 В61С 9/00
заявник та патентоутримувач Кременчуцький
національний
університет
імені
Михайла
Остроградського. —
№ u 2011 07144;
Заявл.20.06.2011; Опубл. 10.02.2012, Бюл. № 3,
2012р.
THE STRUCTURE OF DRIVE ELECTRIC MINE CONTACT - BATTERY ELECTRIC LOCOMOTIVES
Shokarev D.
Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University
vul. Pershotravneva, 20, Kremenchuk, 39600, Ukraine. E-mail: seem@kdu.edu.ua
The substantiation of the structure of asynchronous electric traction mine contact and battery electric pulse width modulation power
supply and a control method thereof. The analysis of the waveform of the voltage and current for trapezoidal control law. The analysis of
electromagnetic processes in traction induction motor drives the basic structure of a voltage inverter - induction motor elektovoza mine.
The proposed method will reduce the switching frequency of the power transistors, and therefore reduce the rate of loss of electrical
energy in the circuit converter, and control using asynchronous pulse-width modulation voltage will significantly (twice) to reduce the
capacity of the capacitor filter. It is proved that a decline in the output voltage distortion autonomous inverter is achieved in the case of a
trapezoidal envelope his curve.
Key words: mining electric locomotive, DC motor, pulling the battery, the contact network.
REFERENCES
1. O. Sinchuk, E. Guzov, N. Shulin, P. Savorsky.
Control system of mine-electric transport [Reference
book of power engineering specialist of coal mine] K.: Tecnik, 1985, - 198 p.
2. D. Shokarev, E. Skapa, I. Sinchuk, Energyefficient linear electro-technical complex of the dualsystem mine electric transport. Journal «Electrical and
computer systems» - 2011. - №03(79). - p.145 - 147.
3. D. Shokarev, E. Skapa. Linear asynchronous
electric drive. The patent. № 67134 Ukraine (IPC
2012.01) Н02М7/00 В61С 9/00 The applicant
Kremenchug Mikhail Ostrogradsky national University
- №. u 2011 05247; З.26.04.2011; Publ. 10.02.2012,
Byull. №3, 2012
4. D. Shokarev, E. Skapa. The way formation of
keystone pulse-width modulation of voltage of the
inverter. The patent №67170 Ukraine, the IPC
(2012.01) Н02М7/00 В61С 9/00 - The applicant
Kremenchug Mikhail Ostrogradsky national University
№ u 2011 07144; 20.06.2011; Publ. 10.02.2012, Byull.
№3, 2012.