Совершенствование системы управления входным преобразователем двухсистемного электровоза с асин- хронными тяговыми двигателями

На правах рукописи
ШИРОЧЕНКО ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
Совершенствование системы управления входным
преобразователем двухсистемного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями
05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена на кафедре «Электрическая тяга» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский
государственный университет путей сообщения» (МИИТ).
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Литовченко Виктор Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Лукин Анатолий Владимирович («ММП-ИРБИС»)
кандидат технических наук
Евстафьев Андрей Михайлович (ПГУПС)
Ведущая организация -
Научно-исследовательский и проектноконструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте
(ОАО «НИИАС»)
Защита диссертации состоится «_____» ___________ 2010г. в __ часов на
заседании диссертационного совета Д 218.005.02 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г.Москва, ул. Образцова, 9, аудитория _______.
С
диссертацией
можно
ознакомиться
в
библиотеке
Московского гос-
ударственного университета путей сообщения (МИИТ).
Автореферат разослан «_____»___________ 2010г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью
учреждения, просим направлять по адресу совета университета.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, с.н.с.
Н.Н. Сидорова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из условий успешного развития экономики
Российской Федерации является наличие эффективной транспортной системы. В
транспортной системе России ведущим и организующим видом транспорта является
железнодорожный. Приоритетные направления его развития определены действующими государственными программами, которые предусматривают меры по интенсивной модернизации инфраструктуры и подвижного состава железных дорог.
В России в связи с наличием электрификации двух систем тока и с необходимостью увеличения участков работы ЭПС для повышения экономической эффективности необходим двухсистемный ЭПС. Создание таких локомотивов и локомотивов с бесколлекторными тяговыми двигателями, отвечающих современным требованиям и конкурентоспособным на рынке является одним из основных направлений в сфере локомотивостроения. Создание двухсистемного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым двигателем указано в «белой книге» ОАО «РЖД»
как результат работы в 2007-2011 годах.
Современный двухсистемный электровоз представляет собой сложный электротехнический комплекс, в состав которого входят асинхронные тяговые двигатели, трансформаторное, дроссельное и конденсаторное оборудование, полупроводниковые преобразователи и системы управления, которые должны обеспечивать получение заданных тяговых и тормозных характеристик во всех эксплуатационных
режимах. При этом наиболее важной задачей является создание способов и алгоритмов управления, обеспечивающих требуемые тягово-энергетические показатели
и электромагнитную совместимость электровоза с инфраструктурой в условиях изменяющихся параметров системы тягового электроснабжения, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.
Целью настоящей работы является усовершенствование системы управления входным преобразователем электровоза двойного питания с асинхронными тяговыми двигателями.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
3
-
выполнен анализ существующих систем управления входными преоб-
разователями электроподвижного состава переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями;
-
проведены теоретические исследования электромагнитных процессов в
силовых цепях входного преобразователя для установившихся режимов методом
численного интегрирования и спектральным методом;
-
выполнен синтез адаптивной к изменяющимся параметрам питающей
сети системы управления входным преобразователем;
-
выполнено имитационное моделирования процессов в системе «кон-
тактная сеть-входной преобразователь с системой управления-нагрузка» и определены электрические нагрузки элементов входного преобразователя.
Методы исследования. Для решения задач использованы следующие методы
исследования:
- численные и аналитические методы решения дифференциальных уравнений;
- метод спектрального анализа электрических цепей;
- методы математического моделирования;
-методы экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.
Разработана адаптивная к изменяющимся параметрам тягового электро-
снабжения система автоматического управления входным преобразователем.
2.
Уточнена математическая модель системы: «контактная сеть – тяговый
трансформатор электровоза – входной преобразователь с предложенной системой
управления – нагрузка».
3.
Получены результаты анализа электрических характеристик и энергети-
ческих показателей входного преобразователя с предложенной системой управления.
4.
Получены экспериментальные параметры и характеристики входного
преобразователя двухсистемного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями.
4
Практическая ценность работы Создана адаптивная система управления
входным преобразователем, учитывающая изменение параметров тягового энергоснабжения, которая обеспечивает необходимые для современного ЭПС энергетические показатели и показатели электромагнитной совместимости.
Предложен способ управления двумя и более преобразователями.
Создана математическая модель системы: «контактная сеть - тяговый трансформатор электровоза – входной преобразователь с предлагаемой системой управления – промежуточное звено постоянного напряжения – нагрузка», позволяющая
изучать процессы в указанной системе.
При помощи разработанной модели выполнен анализ электромагнитных процессов.
Достоверность полученных результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается:
–
корректностью принятых допущений и строгостью формальных преоб-
разований;
–
применением фундаментальных законов теории электрических цепей и
теории автоматического регулирования;
–
результатами испытаний, проведённых на экспериментальном кольце
ВНИИЖТ, г. Щербинка.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались: на IV-ой международной научной студенческой конференции "Trans-Mech-Art-Chem", 2006 г., Москва; на научнопрактической конференции "Наука МИИТа-Транспорту", 2007 г., Москва; на V-ой
международной научно-практической конференции "Trans-Mech-Art-Chem", 2008 г.,
Москва ; на девятой научно-практической конференции «Безопасность движения
поездов» , 2008, Москва, а так же на научных семинарах кафедры «Электрическая
тяга» МИИТа в 2006-2010 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из общей характеристики
работы, 5 глав, выводов, библиографического списка из 76 наименований и содержит 123 страницы основного текста, 3 таблицы и 58 рисунков.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Общая характеристика работы посвящена обоснованию актуальности темы диссертации, формулированию цели работы и постановке задачи исследования.
Первая глава посвящена аналитическому обзору существующих схем входных преобразователей для электроподвижного подвижного состава переменного тока и двухсистемного электроподвижного состава и существующим системам управления.
Теоретической базой для настоящего исследования явились труды таких отечественных ученых, как Б.Н. Тихменев, Л.М. Трахтман, В.Д. Тулупов, В.А. Кучумов, В.Б. Похель, Л.А. Мугинштейн, Ю.М. Иньков, Н.А. Ротанов, В.П. Феоктистов,
Р.Р Мамошин., А.Н.Савоськин, В.М. Антюхин, А.Л. Лозановский, Н.С.Назаров,
Б.И.Хомяков, Ю.А.Басов, С.В. Власьевский, Ю.М. Кулинич, Р.И. Мирошниченко и
другие. Эти исследования послужили научной основой для постановки задач данной
диссертационной работы.
Одной из основных проблем создания ЭПС переменного тока является повышение энергетических показателей, таких как КПД и коэффициент мощности.
Низкие значения коэффициента мощности указывают на большую величину реактивной мощности, приводят к снижению пропускной способности линий электропередачи, увеличению падения напряжения в тяговой сети и недоиспользованию
мощности всей системы тягового энергоснабжения. Кроме того, использование традиционных выпрямителей переменного напряжения, работающих на индуктивную
нагрузку, сопровождается значительными искажениями тока в питающей сети, что
ухудшает электромагнитную совместимость (ЭМС) электроподвижного состава с
системой энергоснабжения. Соответственно развитие входных преобразователей
было направление на улучшение энергетических характеристик и ЭМС.
Входные преобразователи классифицируются следующим образом: выпрямители с естественной коммутацией тока; выпрямители с принудительной коммутацией тока; выпрямители с поэтапной принудительной коммутацией тока; импульсные выпрямители с регулированием выходного напряжения (тока); четырёхквадрантный преобразователь.
6
Тяговый привод, включающий выпрямитель с естественной коммутацией
и АИН с ШИМ обеспечивает коэффициент мощности на уровне 0,8. Вместе с тем в
преобразователе частоты такого тягового привода потери на коммутацию тока в
АИН с ШИМ прямо пропорциональны количеству переключений и имеют более
высокий уровень по сравнению с АИН с амплитудным регулированием выходного
напряжения. Использование зонно-фазовых выпрямителей приводит к значительному уменьшению коэффициента мощности, снижению выпрямленного напряжения
за счет индуктивных потерь и значительному мешающему влиянию на линии связи
и устройства СЦБ. Для устранения указанных недостатков входные преобразователи
оснащают устройствами принудительной коммутации тиристорных плеч одного из
регулируемых мостов, появляется возможность управления как моментом включения вентилей, так и моментом их выключения, что позволяет осуществлять сдвиг
основной гармоники тока питающей сети относительно напряжения и регулировать
величину коэффициента мощности на входных зажимах выпрямителя. При последовательном включении выпрямителя с естественной коммутацией и выпрямителя с
принудительной коммутацией максимальный коэффициент мощности независимо
от соотношения индуктивностей на стороне постоянного тока и переменного тока
составляет 0,90 - 0,93 при двухконденсаторной принудительной коммутации и 0,95 0,96 при трёхконденсаторном узле.
Принцип импульсного регулирования состоит в том, чтобы посредством
многократного включения и выключения тиристорного ключа в пределах одной полуволны напряжения сети обеспечить формирование приблизительно синусоидальной полуволны потребляемого из сети тока. Коэффициент мощности такого импульсного выпрямителя в широком диапазоне нагрузок, составляет 0,98.
Четырехквадрантный тиристорный преобразователь представляет собой
импульсный выпрямитель, выполненный на основе управляемого однофазного моста со стабилизацией выходного напряжения. Каждое плечо моста состоит из тиристорного ключа с узлом принудительной коммутации (УПК) и диода, включённого
встречно-параллельно. Коэффициент мощности четырёхквадрантного преобразователя составляет 0,98. С развитием техники в качестве полупроводниковых ключей
7
стали применять запираемые тиристоры (GTO) и в настоящее время транзисторы с
изолированным затвором (IGBT).
На рисунке 1 представлена общая структурная схема тягового привода двухсистемного электровоза.
3 кВ
~25 кВ , 50Гц
k2
R1
k1
id1
i21
k2
r1
k3
k0
k4
1
k9 L1
2
k10
C2
L2
k11
k12
C
k5
11
12
id2
i22
u22
М
C
u21
М
r2
k6
k7 r3
k2
R2
k8
Рисунок 1 – Общая структурная схема тягового привода двухсистемного электровоза с АТД
На схеме, представленной на рисунке 1 цифрами 1 и 2 обозначены входные
4qs-преобразователи, которые при питании от постоянного тока используются как
тормозные переключатели, задействуют сопротивления R1 и R2 соответственно
вместо одного IGBT-модуля. Вторичные обмотки тягового трансформатора используются при питании на постоянном токе в качестве сетевых фильтров. Элементы L1,
L2 и C2 представляют из себя дроссели и конденсатор в составе резонансного фильтра, который настроен на частоту 100 Гц. Конденсаторы C- это промежуточные звенья постоянного напряжения, на которых входные преобразователи поддерживают
постоянное напряжение. Цифрами 11 и 12 обозначены выходные преобразователи,
8
представляющие из себя автономные инверторы напряжения (АИН) и осуществляющие регулирование АТД. Резисторы r1, r2, r2 используются в качестве ограничивающих ток при заряде конденсаторов С для первого и второго преобразователей и
С2 соответственно
Выполненный анализ входных преобразователей, их систем управления и
энергетических показателей, а также сформулированные требования к входному
преобразователю, основным из которых является поддержания постоянного стабилизированного напряжения на выходных зажимах преобразователя, позволили
предложить в качестве входного преобразователя 4QS-преобразователь, определить
цель работы и сформулировать задачи исследования.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям входного 4QSпреобразователя. Схема преобразователя (рисунок 2), на которой изображены:
трансформатор Т, к входными зажимами которого приложено напряжение контактной сети u1, а выходные через индуктивность L, обеспечивающую повышенное
напряжение короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора, подключены
к зажимам переменного тока транзисторного моста, к зажимам постоянного тока которого параллельно с резонансным фильтром L2C2, подключен конденсатор С. На
рисунке 3 представлена эквивалентная расчётная схема, принятая для теоретических
исследования. В эквивалентной схеме транзисторные ключи изображены идеальными ключами S1-S4, питающая сеть представлена в виде источника u1, индуктивные
сопротивления контактной сети и трансформатора учтены в эквивалентной индуктивности L1, к выходным зажимам преобразователя подключен конденсатор фильтра С1, а нагрузка представлена в виде источника постоянного напряжения Ud.
VT1
Т
L
VT3
VD1
VD3
L2
u1
VT2
VT4
VD2
С Ud
С2
VD4
Рисунок 2 – Принципиальная схема 4q-S преобразователя
9
S1
S3
L1
1
C1
u1
Ud
2
S2
S4
Рисунок 3 - Эквивалентная расчетная схема преобразователя
Преобразователь управляется методом широтно-импульсной модуляции
(ШИМ) по синусоидальному закону модулирующим напряжением uМ, с частотой fМ
и периодом TМ и высокочастотным сигналом несущей частоты uH треугольной формы, с частотой fН и периодом TН с кратностью ε, определяемой соотношением

fН ТМ

.
fМ Т Н
Диаграммы включения которых и графики модулирующего, несущего сигналов и напряжение на зажимах переменного тока преобразователя для кратности
коммутации ШИМ   5 представлены на рисунке 4.
По результатам исследований получено выражение для напряжения на зажимах переменного тока преобразователя

u1,2 t   U d sin  M t   U1,2 sin 2  1 M t
 0
где U1, 2 - амплитуда гармоники напряжения, соответствующая фиксированному
значению индекса  , определяется суммированием членов ряда:
U1,2 
2U d

J 2 1 2 m  m 


m  
m0
10
jm
 1m ,
 
где J n  m  - функция Бесселя первого рода порядка n от вещественного
2


аргумента m .
2
UM1
UH
U
UM2
2

0
t
S1
S2
S3
S4
U2
t
0
t1 t 2
t3
t 4t 5
t6t7
t8
t 9 t10
t11 t12
t13
t14 t15
t16t17
t18
t19 t 20 2
Рисунок 4– Графики модулирующего напряжения и высокочастотного сигнала несущей частоты, напряжение на зажимах переменного тока ( U 2 ) и диаграмма
включения ключей S1-S4
По полученному выражению были построены зависимости амплитуд гармоник напряжения от глубины модуляции  для   5 (рисунок 5).
Входной ток преобразователя определён в виде


i  I1max sin t      I1max sin 2n  1 t    ,
2

 0

где
I1max 
1
U12max  U d 2  2U1max U d cos – амплитуда основной гармоL1
ники входного тока, а ее фазовый сдвиг
 U1max
1 

,
 U d sin tg 
  arctg 
 - угол смещения модулирующего сигнала относительно сетевого напряжения.
11
U12/Ud
1
0.8
0.6
U12, ню=0
0.4
U12, ню=4,5
U12, ню=6
0.2
U12, ню=9
U12, ню=3
U12, ню=7
U12, ню=8
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Глубина модуляции
1
Рисунок 5 – Зависимости амплитуд гармоник от глубины модуляции

I1max
U 2 max
– амплитуды высших гармоник входного тока.

2  1L1
Было получено выражение для коэффициента мощности
Кm 
1


 Pном
1 

 4 6ном sin ном P 
2
 P 

и приведен график зависимости Km 
 при   5 ,  ном  1 ,  ном  45 (рисунок 6).
 Pном 
Km
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Рисунок 6 – График зависимости коэффициента мощности от
относительного значения мощностей
12
P
P
1 ном
Оценивая эффективность применения 4q-S преобразователя на ЭПС, следует
учитывать и тот факт, что преобразователь позволяет работать не только с нулевым,
но и с опережающим сдвигом по фазе. Для контактной сети переменного тока и всей
системы электроснабжения это эквивалентно подключению в месте нахождения
ЭПС компенсирующего устройства, что позволяет повысить коэффициент мощности не только на токоприемнике, но и всей системы энергоснабжения. Увеличение
коэффициента мощности системы энергоснабжения снижает токовую нагрузку контактной сети и, как следствие, уменьшает потери мощности в ней.
Третья глава посвящена разработке математической модели «контактная
сеть – тяговый трансформатор электровоза – входной преобразователь с предлагаемой системой управления – промежуточное звено постоянного напряжения –
нагрузка».
Исходя из задачи комплексного исследования энергетических показателей
электровоза, при разработке математической модели необходимо было учесть факторы, оказывающие влияние на электромагнитные процессы в силовых цепях двухсистемного электровоза с АТД. К таким факторам следует отнести:
- питание электровоза от контактной сети с реальными параметрами, что
проявляется в искажении формы кривой напряжения на токоприемнике и влиянии
параметров контактной сети на коммутационные процессы в выпрямителе;
- наличие многообмоточного тягового трансформатора с реальной конфигурацией магнитной цепи и расположением обмоток на стержнях;
- наличие в цепи выпрямленного тока активно-индуктивной нагрузки.
Для устройств преобразовательной техники возникает необходимость использовать более сложную теоретическую модель, которая позволяет отобразить как
непрерывные, так и дискретные свойства, присущие преобразователям.
Исходя из задач исследования, математическая модель системы «тяговая сеть
– электровоз» представлена моделями тяговой подстанции, контактной сети, тягового трансформатора электровоза, 4QS-преобразователя с предлагаемой системой
управления, нагрузки.
Схема замещения контактной сети имеет вид двух Т-образных четырехполюсников, соединенных каскадно, элементы которых определяют индуктивность, ак-
13
тивное сопротивление, емкость и поперечную проводимость контактной сети, а
также учитывают изменение параметров контактной сети, вызванное поверхностным эффектом.
Тяговая подстанция представлена в виде источника переменного синусоидального напряжения, активного сопротивления и индуктивности, приведенных к
напряжению контактной сети. Схема разработанной модели приведена на рисунке 7.
При моделировании 4QS-преобразователя полупроводниковые приборытранзисторные ключи рассматриваются как идеальные ключи, состояние которых
описывается логической функцией, принимающей значение «1» при замкнутом и
«0» при разомкнутом ключе.
Рисунок 7 – Схема модели «контактная сеть – тяговый трансформатор электровоза – входной преобразователь с предлагаемой системой управления – промежуточное звено постоянного напряжения – нагрузка»
Система управления 4q-S преобразователем (рисунок 8) выполнена в виде
трёхконтурной контурной системы автоматического регулирования (САР), поддерживающей заданные значения регулируемых величин. Основной величиной является напряжение звена постоянного напряжения Ud. Регулирование напряжения осу14
ществляет внешний контур, в который входит: датчик напряжения V, задающий
элемент ЗЭ, сумматор, с выхода которого поступает разница между значением с ЗЭ
U*d и действующим значением напряжения ud с датчика V и регулятор напряжения
РН, который выдаёт сигнал I*2max, амплитуду задаваемого тока. Дальше I*2max умножается на синусоидальный сигнал, поступающий с контура коррекции фазы, в который входят датчики фазы для сетевого напряжения и тока, сумматоры, регулятор
фазы и блок, формирующий синусоидальный сигнал. Сигнал i*2, получаемый с блока умножения, является задающим для внутреннего контура регулирования. В него
входят: датчик тока, сумматор, который выдаёт рассогласование Δi между i*2 и
фактическим током i2 измеряемым датчиком тока, регулятор тока РТ, который преобразует Δi в ΔU4qs и сумматор, на входах которого напряжение u2 и ΔU4qs, а на выходе заданное напряжение 4qs-преобразователя U*4qs. Дальше U*4qs преобразуется в
модулирующую функцию и поступает в блок, обеспечивающий управление ключами преобразователя методом ШИМ-модуляции.
Uc
φ*
φ
φU
Δφ
φI
РФ
U*d
ic
ic
ДФ
φ*с
ωt
ЗЭ
V
uc
uc
ДФ
1
Ктр
sin
sin (ωt + φс )
I*2max
Δud
РН
×
u2
i2
*
i 2*
i2
i2
μ*(t)
Δu4qS u*4qS
Δi
РТ
fM
>
<
÷
4q-S
ud
ud
V
Ud
Рисунок
8
–
функциональная
преобразователем
15
схема
системы
управления
4QS-
Применительно к исследуемым процессам нагрузка для входного преобразователя моделируются в виде электрической цепи, содержащей эквивалентный источник ЭДС, активное сопротивление и индуктивность.
В четвёртой главе с использованием разработанной модели выполнены расчеты электромагнитных процессов в системе: «контактная сеть – тяговый трансформатор электровоза – входной преобразователь с предлагаемой системой управления – промежуточное звено постоянного напряжения – нагрузка», определены
энергетические показатели и выполнена оценка электромагнитной совместимости
входного преобразователя.
Расчёты выполнены для различных вариантов управления и в качестве примера приведены для трёх из них: кратность коммутации ШИМ 5, несущие сигналы
обоих преобразователей смещены по фазе; кратность коммутации ШИМ 9, несущие
сигналы обоих преобразователей совпадают по фазе; кратность коммутации ШИМ
9, несущие сигналы обоих преобразователей смещены по фазе.
Как показали результаты анализа лучшей электромагнитной совместимости с
сетью и более высоким значениям коэффициента мощности (при работе 2-х преобразователей на полную мощность в модели получается 0,9996) обладает преобразователь с третьим вариантом управления.
На рисунках 9 и 10 представлены кривые электрических характеристик, полученных на модели.
Рисунок 9 – Кривые напряжения и тока контактной сети.
16
Напряж. тр-ра, В
ток нагрузки, А
ток тр-ра, А
Рисунок 10 – Кривые напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора для
первого преобразователя, напряжения промежуточного звена постоянного напряжения и тока нагрузки.
Результаты гармонического анализа кривых сетевого напряжения и тока, полученных при моделировании приведены на рисунках 11 и 12.
Спектральный состав напряжения контактной сети при кратности коммутации ШИМ 9 со смещением несущих
сигналов
Амплитуда, В
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200 1300
1400
1500 1600
1700
1800 1900
2000
2100
2200
Частота, Гц
Рисунок 11 – Гармонический состав напряжения контактной сети для управления
способом ШИМ кратностью коммутации 9 со смещение несущих сигналов относительно друг друга
17
Спектральный состав тока контактной сети при кратности коммутации ШИМ 9 со смещением несущих сигналов
Амплитуда, А
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
Частота, Гц
Рисунок 12 – Гармонический состав тока контактной сети для управления способом
ШИМ кратностью коммутации 9 со смещение несущих сигналов относительно друг
друга
Качество регулирования преобразователем оценивалось в следующих переходных режимах: уменьшение напряжения тяговой подстанции скачком до 19 кВ и
изменение его обратно; повышение напряжения тяговой подстанции скачком до 29
кВ и изменение обратно; уменьшение мощности нагрузки скачком до 0,25 номинальной; увеличение мощности нагрузки скачком от 0,25 до номинальной.
Для оценки качество регулирования анализировались кривые стабилизируемого напряжения звена постоянного напряжения и тока сети при всех описанных
выше режимах. Отклонение в напряжении составляет меньше 1%, ток сети стабильно поддерживался в заданном виде, с учётом гармоник показанных на рисунке 12.
Главным показателем для оценки эффективности работы преобразователя с
усовершенствованной системой управления являлся коэффициент мощности. Он
менялся только на моментах перехода от одного режима к другому (когда ухудшалась форма кривой напряжения сети), при переключении на пониженное напряжение сети (19 кВ) коэффициент мощности снизился до 0,97.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных процессов в силовых цепях двухсистемного электровоза и их сравнение с результатами, полученными с помощью имитационного моделирования.
Экспериментальные исследования проводились автором на электровозе ЭП10
№012 во время испытаний электровоза на экспериментальном кольце ВНИИЖТ (г.
Щербинка).
18
Схема установки датчиков при проведении измерений на электровозе представлена на рисунке 13.
Х
А
a1
x1
а1
x1
ДН2
ДН1
ДТ2
ДТ1
4QS1
4QS2
C2
L2
ДТ3
C
ДН3
АИН
АТД
2
АТД
1
Рисунок 13 – Расположения датчиков в силовой схеме электровоза
19
На рисунке 14 показан фрагмент записи электрических характеристик в программе Power Graph с помощью измерительной платы АЦП E-440 (14 бит) фирмы
Lcard, которая оцифровывала сигналы с датчиков тока LT 1000, датчиков тока LT
4000 , датчиков напряжения LV 100 производства ТвеLEM класса точности 0,1.
Рисунок 14 – Пример измерения с помощью программы Power Graph
Спектральный анализ был произведён с помощью того же виртуального прибора, созданного в LabVIEW (National Instruments), что и спектральный анализ кривых, полученных на модели (рисунок 15). Сравнение экспериментальных и теоретических результатов было произведено при соответствующем режиме управления на
модели режиму управления на электровозе. Диаграммы распределения гармоник в
кривых полученных на электровозе и модели имеют одинаковую картину. Существуют небольшие расхождения в значениях амплитуд, которые объясняются различными параметрами тягового электроснабжения и неточным совпадением управления (рисунок 16).
20
Рисунок 15 – Анализ всего записанного файла разгона до 116 км/ч
Спектральный состав напряжения вторичной обмотки трансформатора
1600
1400
1200
В
,
а1000
д
у
т
и 800
л
п
м
А 600
400
200
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Частота, Гц
Рисунок 16 – Пример сопоставления результатов спектрального анализа
21
При помощи полученных данных спектрального анализа были построены зависимости амплитуд гармоник от глубины модуляции для электровоза ЭП10. На
рисунке 17 приведены зависимости амплитуд гармоник от глубины модуляции для
электровоза ЭП10-012 и полученные расчётным путём в главе 2.
U12/Ud
Зависимости амплитуд гармоник от глубины модуляции
1
0.8
0.6
0.4
Uню, 450Гц
U12, ню=4,5
U12, ню=6
0.2
Uню, 850Гц
U12, ню=9
Uню, 650Гц
U12, ню=3
U12, ню=7
Uню,350Гц
U12, ню=8
Uню, 750Гц
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Глубина модуляции
1
Рисунок 17 – Зависимости амплитуд гармоник от глубины модуляции для электровоза ЭП10 и полученные расчётным путём
Результаты экспериментальных исследований показали, что разработанная
математическая модель адекватно отражает электромагнитные процессы в силовых
цепях электровоза и может быть рекомендована для применения в исследовательских и проектных работах.
Расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований для действующих значений токов и напряжений на элементах схемы четырёхквадрантного преобразователя меньше 7%.
22
Основные результаты и выводы
1.
В качестве входного преобразователя для электровозов двойного питания с
асинхронными тяговыми двигателями целесообразно использовать четырёхквадрантный преобразователь, обеспечивающий коэффициент мощности электровоза
более 0,95 во всем диапазоне изменения нагрузки и параметров системы тягового
электроснабжения.
2.
Адаптивная к изменяющимся параметрам системы тягового электроснабжения
система управления четырёхквадрантным преобразователь должна быть выполнена
в виде трёхконтурной системы автоматического регулирования с внешним контуром
регулирования напряжения промежуточного звена постоянного напряжения, внутренним подчинённым контуром регулирования тока четырёхквадрантного преобразователя и корректирующим контуром регулирования фазы заданного тока.
3.
Система управления должна быть выполнена синхронной с широтноимпульсной модуляцией, частота несущего сигнала должна быть нечётнократная
частоте модулирующего сигнала.
4.
Разработанная математическая модель «контактная сеть-тяговый трансформатор электровоза-входной преобразователь с адаптивной системой автоматического
управления-нагрузка» в приложении Simulink системы компьютерного моделирования Matlab, позволяет определить и проанализировать характеристики и параметры
входного преобразователя и оценить влияние изменения параметров тягового электроснабжения на работу преобразователя.
5.
Адекватность разработанной модели подтверждена совпадением теоретических результатов и экспериментальных исследований, выполненных применительно
ко входному преобразователю электровоза ЭП10. Расхождение между результатами
теоретических и экспериментальных исследований для действующих значений токов и напряжений на элементах схемы четырёхквадрантного преобразователя меньше 7%.
23
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1. Широченко Ю.Н. Пульсации тока и напряжения на входе инвертора напряжения, тезисы "Trans-Mech-Chem"// Труды IV Международной студенческой конференции – М.:МИИТ, 2006.-210 с.
2. Широченко Ю.Н., Охотников Н.С. Предельные тяговые характеристики перспективных электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, тезисы // Труды
научно-практической конференции Неделя науки – 2007 "Наука МИИТа – транспорту, часть 2."– М.:МИИТ, 2007
3. Широченко Ю.Н. Повышение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока, тезисы "Trans-Mech-Chem"// Труды V Международной научно-практической конференции – М.:МИИТ, 2008-293 с
4. Широченко Ю.Н. Улучшение энергетических показателей электроподвижного
состава переменного тока, тезисы «Безопасность движения поездов»// Труды девятой научно-практической конференции – М.:МИИТ, 2008, с. V4-V5.
5. Широченко Ю.Н., Литовченко В.В. Расчёт предельных характеристик для
электровозов. Мир транспорта 3 (27) 2009, с. 58-65.
6. Широченко Ю.Н., Входные преобразователи современного электроподвижного состава переменного тока // Научно – технический журнал «Электроника и электрооборудование транспорта»: Московская обл., п. Томилино, 2010, №1, с. 15-18.
Широченко Юрий Николаевич
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВХОДНЫМ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЭЛЕКТРОВОЗА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С
АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Подписано в печать
Формат бумаги 60х90 1/16
Заказ
Тираж 80 экз.
Усл. печ. л. 1,5
127994, Москва, ул.Образцова, 9. УПЦ ГИ МИИТ
24