Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из тенденций нескольких последних десятилетий является внедрение инновационных систем тяговых электроприводов (ТЭП) подвижного состава электрического транспорта на базе синхронных и индукторных машин (ИМ). Использование вентильно-индукторного привода (ВИП) на транспорте обусловлено его характерными достоинствами: высоким уровнем надежности и простотой конструкции ИМ, возможностью гибкого управления скоростью, относительно высоким моментом. ВИП находит свое применение в основном на городском электрическом транспорте (ГЭТ), электромобилях и гибридных автомобилях, что вызвано спецификой движения описанных транспортных средств: постоянными ускорениями и торможениями в плотном городском трафике.
Одной из особенностей ВИП является обязательное наличие инвертора, ключами которого коммутируются фазы ИМ по сигналу от датчика положения ротора. Присутствие инвертора вызвано дискретной структурой ИМ и необходимостью соответствующего регулирования тока фазных обмоток для поддержания постоянного момента на валу ИМ. Пульсации момента и акустический шум являются основными недостатками ВИП, и для их устранения требуется гибкое управление фазным током, возможное только при достаточно высокой частоте коммутации транзисторов инвертора. При этом максимальная частота коммутации ограничивается мощностью динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме переключения ключей при номинальном значении тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора. Такой режим работы инвертора средней мощности (от 1кВт до 100кВт) на частоте до 20кГц приводит к высокому уровню динамических потерь в инверторе и перенапряжений изоляции ИМ, а так же к ухудшению электромагнитной совместимости (ЭМС) ВИП.
Увеличение количества электронной техники на подвижном составе, а также оборудования вдоль тяговых линий приводит к ужесточению требований, предъявляемых к ЭМС силовых потребителей и преобразователей электрической энергии. Кондуктивные высокочастотные помехи увеличивают потери в силовой це- пи: преобразователях энергии и в линиях электропередач, а индуктивные помехи, излучаемые оборудованием, могут вызывать неисправности в смежном электронном оборудовании.
Существует ряд способов улучшения ЭМС преобразователей с внешней сетью электроснабжения переменного напряжения: использование активных и пассивных фильтров, особые алгоритмы работы ключей инвертора и управляемого выпрямителя, конструирование усложненной магнитной системы ИМ и т.д. Однако эти методы не подходят для улучшения ЭМС непосредственно на подвижном составе автономных транспортных средств и ГЭТ и обладают низкой энергоэффективностью.
Решением проблемы улучшения ЭМС, снижения динамических потерь в инверторе и перенапряжений может являться применение квазирезонансного преобразователя (КРП) в цепи инвертора, обеспечивающего коммутацию силовых ключей в определенные моменты времени при нулевом напряжении коллектор- эмиттер, а так же при низкой скорости роста напряжения du/dt на транзисторе.
Целью работы является исследование эффекта улучшения показателей ЭМС и уменьшения динамических потерь в силовых ключах тягового ВИП при питании от источника постоянного напряжения в результате применения КРП с ограничением напряжения на звене постоянного тока совместно с асимметричным мостом в качестве преобразователя для ИМ.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
-
Исследование электромагнитных и электромеханических процессов в ИМ аналитическим способом, разработка математической модели ВИП.
-
Определение подходящей для применения в составе ТЭП схемы КРП и исследование электромагнитных процессов в нем.
-
Разработка имитационной модели ВИП с КРП в среде моделирования Matlab Simulink.
-
Определение энергетической эффективности применения КРП на основании расчета динамических, статических и дополнительных потерь.
-
Анализ гармонического состава потребляемого ВИП тока на основании полученного спектра Фурье.
-
Сравнение результатов исследования привода с КРП и без него, выработка рекомендаций по уменьшению электромагнитного влияния и потерь в ВИП.
Методика исследования. При решении поставленных задач используется теория электрических цепей, методы дифференциального исчисления, спектральный анализ, математическое моделирование с использованием компьютерной программы MathCAD, имитационное моделирование с использованием приложения Simulink из пакета программ Matlab, расчеты и построения диаграмм с помощью MS Excel, создание 3D моделей в среде AutoCAD.
Научная новизна полученных результатов
В рамках работы достигнуты следующие новые научные результаты:
-
-
Предложено схемно-техническое решение построения инвертора для ВИП с КРП, обеспечивающее уменьшение пульсаций момента на валу ИМ на скоростях, близких к номинальной скорости вращения.
-
Разработан алгоритм управления силовыми и вспомогательными ключами КРП на основе синхронизации тактов управления ключами инвертора с электромагнитными процессами в преобразователе с реализацией режима ШИМ формы тока.
-
Доказано, что увеличение емкости конденсаторов, входящих в состав КРП, позволяет реализовать режим рекуперативного торможения без нарушения стабильности работы резонансного контура.
-
Разработана методика имитационного моделирования ВИП с КРП с возможностью исследования работы привода в различных режимах.
Основные положения, выносимые на защиту
-
-
-
Возможность использования КРП совместно с ВИП с реализацией генераторного режима и ШИМ формы тока.
-
Целесообразность применения КРП для уменьшения суммарных потерь в инверторе в режимах, близких к номинальному режиму при частоте коммутации более 10кГц.
-
Имитационная модель для исследования процессов в КРП и ВИП, расчета потерь в транзисторах, переключаемых при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, проведения спектрального анализа.
-
Результаты моделирования работы КРП совместно с ВИП: электрические характеристики инвертора, механические характеристики ИМ.
Практическое значение полученных результатов
-
-
-
-
Доказано, что применение КРП, коммутируемого при нулевом напряжении, в цепи инвертора ИМ по сравнению с обычным ВИП:
улучшает форму потребляемого приводом тока благодаря уменьшению амплитуды высших гармоник и их благоприятному распределению по спектру;
позволяет уменьшить на 10% суммарные потери в приводе и в три раза снизить коммутационные потери в ключах асимметричного моста при частоте коммутации 30кГц;
увеличивает надежность инвертора благодаря меньшей скорости роста тока и напряжения на силовых ключах и низком уровне коммутационных перенапряжений.
-
Разработанная в рамках работы имитационная модель КРП и обобщенной системы управления (СУ) ВИП может быть применена для исследования электромагнитных процессов преобразователя при его работе на различную нагрузку.
-
Создана программа расчета динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме мягкой коммутации при нулевом напряжении коллектор-эмиттер.
Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов имитационного моделирования с результатами теоретических расчетов, которые базируются на использовании методов математического моделирования и теории электрических цепей.
Внедрение результатов работы
Предложенный принцип коммутации был использован в созданном макетном образце импульсного генератора тока в рамках НИР «Генератор-12», проводимой ФГУП ВЭИ им. Ленина, г. Москва.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были апробированы в НИОКР «Разработка модели резонансного преобразователя и адаптация его к двигателю» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2012».
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры «Электрический транспорт» НИУ МЭИ, XLI Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2011); Ежегодной научно - технической конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (Москва, 2012); XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2012).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести печатных трудах, из них три публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем работы
Диссертация общим объемом 170 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (108 наименований) и четырех приложений. В работе 7 таблиц и 104 рисунка.
Похожие диссертации на Разработка энергоэффективного инвертора для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью
-
-
-
-
-
-
