Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема стабилизации тягового напряжения городского электротранспорта и существующие методы стабилизации
1.1. Проблема стабилизации тягового напряжения городского электротранспорта 20
1.2. Особенности функционирования сериесного двигателя постоянного тока в тяговой сети городского электротранспорта .22
1.3. Существующие методы стабилизации тягового напряжения .25
1.3.1. Электромашинные инерционные накопители электроэнергии 25
1.3.2. Конденсаторные накопители электроэнергии .27
1.3.3. Сверхпроводниковые индуктивные накопители электроэнергии 27
1.3.4. Аккумуляторные накопители электроэнергии .29
1.3.5. Недостатки существующих методов стабилизации тягового напряжения 30
1.4. Современные полупроводниковые системы стабилизации напряжения .30
1.4.1. Современные силовые полупроводниковые приборы и блоки из них 30
1.4.2. Трансформаторно-полупроводниковые системы стабилизации напряжения 35
1.5. Высокочастотные трансформаторы и автотрансформаторы. Особенности их
конструктивного исполнения и проектирования .37
Выводы по главе 1 .39
Глава 2. Полупроводниково-автотрансформаторный метод стабилизации тягового напряжения
2.1. Разработка стабилизатора тягового напряжения 41
2.2. Выбор полупроводниковых элементов .47
2.3. Разработка блока управления 51
2.4. Сравнение разработанного в диссертации стабилизатора напряжения с известным вариантом 61
Выводы по главе 2 .66
Глава 3. Динамические процессы в системе стабилизации напряжения контактной сети
3.1. ССН как замкнутая система автоматического регулирования .67
3.2. Динамика процессов в тяговых электродвигателях 68
3.2.1. Передаточная функция исполнительного органа системы стабилизации тягового напряжения 70
3.3. Расчёт динамической устойчивости ССН 74
3.4. Компьютерная модель в системе OrCAD всего устройства 75
3.4.1. Широтно-импульсная стабилизация. .79
3.4.2. Нагрузочные характеристики 83
3.4.3. Регулировочные характеристики .84 Выводы по главе 3 85
Глава 4. Основы синтеза и проектирования системы стабилизации тягового напряжения
4.1. Выбор частоты магнитного потока в автотрансформаторе .87
4.2. Выбор оптимальной частоты инвертирования .91
4.3. Проектирование автотрансформатора 92
4.4. Выбор элементов блока управления 97
4.5. Выбор оптимальной частоты ССН 112
4.6. Расчёт конденсатора фильтра пульсаций выходного напряжения 116
4.7. Технико-экономический анализ .117
Основные выводы и результаты 122
Список литературы 125
- Особенности функционирования сериесного двигателя постоянного тока в тяговой сети городского электротранспорта
- Сравнение разработанного в диссертации стабилизатора напряжения с известным вариантом
- Передаточная функция исполнительного органа системы стабилизации тягового напряжения
- Проектирование автотрансформатора
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации предусматривает создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности, решение проблем снижения потерь при преобразовании, распределении и потреблении электроэнергии. Энергосбережение становится стратегическим направлением приоритетного развития многих областей промышленности и секторов экономики, в том числе и транспортной индустрии.
Одним из основных факторов, существенно ухудшающих качество работы электротранспорта, является колебание напряжения в контактных сетях в широких пределах. В первую очередь, существенные колебания напряжения объясняются очень большим потреблением подвижного состава тягового тока.
Энергопотребление трамваев и троллейбусов крайне неравномерно:
периоды характеризующиеся потреблением мощности до 200 кВА и
длительностью 10-20 секунд, сменяются движением накатом и торможением, в
течении которых потребление почти отсутствует. Тем не менее, требуемая
присоединительная мощность для обеспечения движения одного
трамвая/троллейбуса составляет приблизительно 200 кВА, т.е. по его максимальной мощности.
Статистика производства ремонтных работ в троллейбусном депо № 1 муниципального управления электротранспорта города Уфы показывает, что за 2011 год был произведен ремонт единиц силового оборудования троллейбусов приблизительно равный количеству подвижного состава, т.е., ежегодно каждый троллейбус проходит капитальный ремонт электрооборудования.
Стабилизация тягового напряжения может существенно снизить
количество оборудования подвижного состава, которому требуется
капитальный или текущий ремонт, вследствии значительного колебания напряжения контактной сети (400750 В).
При повышении напряжения выше номинального происходят пробои
плавких предохранителей, пробои изоляции силовых кабелей, отключение
автоматов защиты цепей, возможны утечки тока на кузов подвижного состава,
что представляет угрозу для жизни пассажиров, входящих и выходящих из
транспортного средства пассажиров. При понижении напряжения ниже
номинального растёт ток в силовых цепях, происходит перегрев силового
электрооборудования, кабелей, силовых контактов, прожоги изоляции кабелей,
электрооборудования, искрение щёток тяговых и вспомогательных
электродвигателей, прожоги коллекторов, последующий выход из строя,
быстрый износ металлографитовых вставок токосъёмников из-за искрения, прожоги и обрыв проводов контактной сети, возгорания электротранспортного средства.
Все вышеперечисленные последствия нестабильности тягового
напряжения приводят к простоям подвижного состава, финансовым убыткам
предприятий горэлектротранспорта, значительным материальным затратам на
ремонт и восстановление узлов электрооборудования машинного парка.
Для решения проблем энергоснабжения тяговой сети электротранспорта
предлагается к рассмотрению автотрансформаторно-полупроводниковая
система стабилизации тягового напряжения городского электрического транспорта. Эта разработка по технологическим и инженерным критериям значительно превосходит традиционные решения в виде дополнительных подстанций, т.к. не требует капстроительства, позволяет не превышать установленный уровень мощности и экономить электроэнергию, существенно увеличить межремонтный пробег подвижного состава, сократить затраты на капитальный и текущий ремонт, уменьшить количество обслуживающего персонала и, как следствие, фонда заработной платы.
Степень разработанности темы исследования. Известные работы, опубликованные на различных этапах развития научно-технического прогресса, в разных научных школах, не содержат комплексного подхода в исследованиях по применению систем стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта (ГЭТ). Рассмотренный в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте проблемы внедрения системы стабилизации напряжения в системе электрического транспорта с учетом случайных факторов, оказывающих существенное влияние на процесс функционирования электроподвижного состава.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является создание автотрансформаторно-полупроводниковой системы стабилизации напряжения (ССН) городского электрического транспорта для уменьшения потерь энергии и повышения надёжности работы электроподвижного состава.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
разработать требования к ССН для тяговой подстанции (ТП) постоянного тока ГЭТ и выполнить анализ существующих методов стабилизации и сформулировать требования, предъявляемые к ним системой городского электрического транспорта (ГЭТ);
-
разработать систему стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта;
-
разработать математическую модель ССН и исследовать работу ССН в статическом и динамическом режимах;
-
разработать методику расчёта ССН;
-
исследовать технико-экономическую эффективность применения ССН в тяговых сетях горэлектротранспорта с расчётом экономии электроэнергии на единицу подвижного состава.
Научная новизна. В диссертации впервые решен ряд теоретических задач, посвященных проблемам использования системы стабилизации тягового напряжения (ССТН) в системе электроснабжения городского электрического транспорта.
-
Впервые предложен и осуществлён метод стабилизации постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсном управлении транзисторами мостового инвертора с последующей трансформацией напряжения автотрансформатором и его выпрямлении неуправляемым диодным мостом. Этот метод упрощает управление стабилизатором по сравнению со схемой с управляемым выпрямителем, снижает расчётную мощность трансформаторного оборудования.
-
Разработан алгоритм расчёта устойчивости системы стабилизации напряжения, питающей сериесные электродвигатели постоянного тока.
-
Разработана математическая модель комплекса стабилизатор напряжения городского электротранспорта тяговые электродвигатели в системе OrCAD 9.2, исследованы особенности стационарных режимов и переходных процессов в системе тягового электроснабжения (СТЭ) при использовании ССТН.
-
Разработана методика проектирования системы стабилизации напряжения для типовой тяговой подстанции, которая, в частности основана на методике расчёта силового автотрансформатора мощностью порядка мегаваттов, питаемого напряжением типа «меандр».
-
Впервые предложен метод стабилизации среднего напряжения участка контактной сети, основанный на многопостовых замерах разности потенциалов в нескольких его реперных точках.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны инженерные методы расчетов, позволяющие проектировать эффективные по энергетическим показателям системы стабилизации тягового напряжения (ССТН). Создана физическая модель электротранспортного средства и проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих в режимах разгона электротранспортного средства.
Практическая ценность разработанной системы стабилизации
заключается в решении актуальной комплексной задачи использования
системы стабилизации напряжения, направленной на повышение надёжности и
качества электроснабжения городского электротранспорта. Это подтверждается
вновь разработанной методикой технико-экономической оценки
эффективности применения ССТН в тяговых сетях постоянного тока городского электрического транспорта.
Существенное повышение качества электроэнергии, при снижении
нестабильности напряжения контактной сети 600+25%-30% до 600 3%,
позволит снизить энергопотребление в системе городского электрического транспорта (ГЭТ), благодаря чему только в муниципальном управлении электротранспорта города Уфы, по предварительным расчётам, предполагается сэкономить около 17 млн рублей в год. Статистика предприятия показывает, что количество силового электрооборудования подвижного состава, вышедших из строя по причине нестабильности напряжения тяговой сети, составляет 30-40% из всего количества ремонтов в год. Другими словами, стабилизация тягового напряжения может позволить сократить расходы на их ремонт примерно на 2 млн рублей в год, что подтверждается справкой из предприятия электротранспорта. Этот экономический эффект достигается снижением отказов в работе контактной сети, увеличением межремонтных пробегов подвижного состава, уменьшением случаев возгорания подвижного состава, уменьшением расходов и времени на ремонт подвижного состава. В настоящее время затраты на ремонт контактной сети составляют около 1,7 млн рублей в год есть перспективы для уменьшения количества ремонтного персонала и, соответственно, экономии фонда заработной платы.
Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на использовании современных методов компьютерного моделирования на базе пакетов прикладных программ OrCAD 9.2. В работе также использованы методы математического моделирования, методологические принципы исследования операций и математические методы обработки научных результатов.
Положения, выносимые на защиту
-
Обоснование, целесообразность, необходимость создания и внедрения системы стабилизации напряжения (ССН) тяговых подстанций городского электрического транспорта для снижения нестабильности напряжения контактной сети 600+25%-30% до 600 3%.
-
Полупроводниково-автотрансформаторная высокочастотная система стабилизации тягового напряжения, основанной ШИМ-инвертировании напряжения тяговой сети на частоте до 5 кГц.
-
Компьютерная графическая и программная модель системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта в системе OrCAD 9.2.
-
Результаты экспериментальных исследований энергопотребления транспортной системы и определение передаточных функций исполнительного органа системы стабилизации тягового напряжения.
-
Методика проектирования системы стабилизации напряжения, включающая методику проектирования импульсного высокочастотного силового автотрансформатора напряжением типа «меандр» и методику поиска оптимальной рабочей частоты ССН.
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты
выполненных НИР в рамках работ, направленных на исследование и развитие энергосберегающих технологий, позволили создать систему мониторинга потребления электроэнергии в различных подсистемах электрического транспорта. НИР нашли практическое применение в Муниципальном управлении электротранспорта (МУЭТ) г. Уфы. Материалы диссертации, касающиеся анализа и расчета и моделирования электромагнитных процессов в тяговых сетях используются для оптимизации работы тяговых подстанций.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на: Всероссийской конференции с элементами научной школы для
молодёжи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и
энергосбережения» 2-3 ноября 2010 года в г. Уфе; Всероссийской выставке
«Энергосбережение и энергоэффективность» в городском центре
энергосбережения и внедрения энергоэффективных технологий в г. Уфе, 11-15 октября 2010 года. В 2011 году опубликована статья «Voltage stabilizaition system in traction substation of urban electric transport» в № 2(82) журнала «Russian Electrical Ingineering».
По теме диссертации опубликовано 10 работ, в числе которых: 5 статей, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в зарубежном научном журнале, получено одно свидетельство на программу моделирования ССТН в системе OrCAD 9.2.
Методика выполнения исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на использовании современных методов компьютерного моделирования на базе пакетов прикладных программ OrCAD 9.2. В работе также использованы методы математического моделирования, методологические принципы исследования операций и математические методы обработки научных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Общий объем диссертации составляет 169 страниц основного текста, содержит список библиографических источников из 167 наименований.
Особенности функционирования сериесного двигателя постоянного тока в тяговой сети городского электротранспорта
Основные отличия тягового электродвигателя (ТЭД) от обычных электродвигателей большой мощности заключаются в условиях их функционирования и ограниченном пространстве для их размещения, что привело к специфичности их конструкций (ограниченные длина и диаметр, многогранные станины, специальные крепёжные устройства и т. д.). [47] Тяговые двигатели горэлектротранспорта эксплуатируются при сложных погодных условиях, при высокой влажности и пыли. Также, в отличии от электрических двигателей общего назначения, тяговые работают в самых различных режимах (повторно-кратковременных, кратковременных, с частыми пусками), сопровождаются широким изменением скорости вращения якоря и нагрузки по току (при трогании с места может в два раза превышать номинальное значение). В связи с тяжелыми условиями работы, жестких ограничений по габаритам, ТЭД относят к машинам предельного использования. [49] Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях. Из-за наличия коллектора двигатели постоянного тока сложнее машин переменного тока, уступают им в надежности и имеют более высокую стоимость. Статор состоит из станины 8 и главных полюсов 6. Станина 8 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины.
Статор состоит из станины 8 и главных полюсов 6. Станина 8 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментальной плите. Ротор состоит из якоря машины постоянного тока (рисунок 1.2), вала 1, сердечника 5 с обмоткой и коллектора 3.
Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях. Из-за наличия коллектора двигатели постоянного тока сложнее машин переменного тока, уступают им в надежности и имеют более высокую стоимость. Асинхронный ТЭД – применяется в новейших моделях троллейбусов, но для своей работы требует переменного напряжения (трёхфазного), которое получается в управляющем блоке сильноточной электроники при преобразовании постоянного напряжения контактной сети. Стоимость этого электронного блока может превосходить цену всех прочих механических компонентов троллейбуса, а надёжность, в ряде случаев, может оказаться недостаточной вследствие проблем электромагнитной несовместимости. [44]
Кроме основного режима, тяговые электрические двигатели постоянного тока могут работать и в реверсивном режиме, а также и в режиме генератора (при электрическом торможении и рекуперации).
Существенным моментом использования ТЭД является необходимость обеспечения плавного пуско-торможения двигателя для управления скоростью транспортного средства. С целью повысить КПД стали применять широтно импульсный ток и электронные схемы, которые обслуживаются микропроцессорами (например, MCS51). Для управления этими схемами (независимо от их устройства) используются контроллеры, управляемые человеком, определяющим нужную скорость электротранспорта. В двигателях постоянного и пульсирующего тока, остов выполняет функции массивного стального магнитопровода и корпуса – основной несущей и защитной части машины. Остовы четырехполюсных двигателей чаще имеют поперечное сечение магнитного ярма и выполняются гранеными. Это обеспечивает использование габаритного пространства до 90-95 %.
Обработка такого остова сложна, масса превышает массу цилиндрического остова. Технология производства цилиндрических остовов проще, точность изготовления более высока. Однако использование габаритного пространства при цилиндрической форме остова не превышает 75-80 %. На остове крепят главные, добавочные полюса, подшипниковые щиты и моторно-осевые подшипники (при опорно-осевом подвешивании двигателя). Для двигателей большой мощности все чаще принимают остовы цилиндрической формы. [49]
Для нагнетания воздуха используется специальный мотор-вентилятор, который установлен в кузове вагона.
В некоторых зарубежных странах стабилизация тягового напряжения осуществляется электромашинными инерционными накопителями электроэнергии – маховиками. [164] На рисунке 1.3 приведена принципиальная схема системы тягового электроснабжения постоянного тока с подключённым к ней инерционным накопителем энергии. На тяговой подстанции установлены нерегулируемые выпрямители, получающие питание через трансформатор от трехфазной сети. [110]
Сравнение разработанного в диссертации стабилизатора напряжения с известным вариантом
В [19] рассматривалась ещё одна схема силовой части полупроводниково-трансформаторного стабилизатора – рисунок 2.30.
Стабилизатор состоит из двух транзисторных мостовых инверторов и
, вольтодобавочных трансформаторов и и регулируемых выпрямителей и . Рисунок 2.30 Схема силовой части трансформаторно-полупроводникового стабилизатора с вольтодобавкой и вольтовычитанием Первичные обмотки трансформаторов и подключены соответственно к выходным диагоналям инверторов и , вход которых питается выходным напряжением тяговой подстанции . Инверторы и подают на вход трансформаторов переменное напряжение той же частоты, что и инвертор разработанного нами стабилизатора. Выходные обмотки трансформаторов питают мостовые вырямители регуляторы и . Эти выпрямители выполнены из двух транзисторов и двух диодов каждый и соединены своими диагоналями встречно-параллельно. Напряжение этих диагоналей служит вольтодобавкой к напряжению тяговой подстанции . Поскольку выпрямители и включены параллельно, они рассчитываются на максимальное значение = - = 180 В. Следовательно, расчётные мощности выпрямителей и одинаковы и равны
Эту мощность следует разделить на две части – мощность транзисторов и мощность диодов : , суммарная расчётная мощность транзисторов стабилизатора рис. 2.20 равны Суммарная расчётная мощность трансформаторов и равна Суммарная расчётная мощность = 180 . (2.8) Для нашей схемы (рис. 2.1) расчётная мощность транзисторов – это мощность инверторного моста и равна Расчётная мощность автотрансформатора равна Расчётная мощность диодов стабилизатора рис. 2.1 равна расчётной мощности выпрямительного моста Сравнивая (2.9) с (2.6), (2.10) с (2.7), (2.11) с (2.5), заключаем, что у разработанной нами схемы такая же расчётная мощность трансформаторного оборудования, что и у прототипа. Однако у прототипа она разбита на два трансформатора, что по известному закону роста приводит к увеличению роста активных материалов, габаритному объёму и потерям пропорционально расчётной мощности в степени . Следовательно, отношение всех этих величин у трансформаторов прототипа к таковым у нашего автотрансформатора равно
Другими словами, у прототипа потери в трансформаторном оборудовании, стоимость активных материалов и габаритных объёмов на 19% больше, чем в нашей ССН. Суммарная мощность транзисторов прототипа меньше, чем в нашем стабилизаторе, на =15%. Однако, учитывая, что общее число транзисторов у прототипа в 3 раза больше, чем у нашего стабилизатора, а также непропорциональный мощности рост стоимости транзистора, следует признать, что и этот компонент прототипа уступает в стоимостном выражении нашему.
В частности, 4 транзистора IGBT напряжением 1700 В и током 2400 А в модульном исполнении стоят 432500=130000 рублей, а 8 транзисторов IGBT напряжением 1000 В и током 1000 А – 825000=200000 руб. Если к этому добавить 4 транзистора на 500 В и 2400 А – 420000=80000 руб. Получим разницу: 200000+80000-130000=150000 руб.
Что касается диодов, то прототип имеет более, чем трёхкратную экономию по расчётной мощности. Однако, стоимость диодов составляет всего несколько процентов (4-6%) от общей стоимости стабилизатора. Поэтому экономия на диодах ничтожно мало влияет на общую стоимость оборудования.
Следует также учесть, что значительное увеличение числа элементов существенно снижает надёжность устройства. Число отказов, согласно общей методике расчёта надёжности [104], пропорционально числу элементов. Следовательно, увеличение числа трансформаторов в 2 раза приводит к росту отказов в 2 раза, увеличение транзисторов в 3 раза приводит к росту отказов в 3 раза. Следует к этому добавить, что и система управления инверторами прототипа и его выпрямительными мостами значительно сложнее и содержит гораздо больше элементов микроэлектроники, чем у нашего стабилизатора. Отсюда следует, что степень надёжности прототипа по крайней мере в два раза (по числу отказов за период эксплуатации) уступает нашему стабилизатору.
В заключении параграфа приведём предварительный расчёт экономического эффекта от внедрения предложенного ССН на предприятиях МУЭТ г. Уфы.
1. Снижение расхода электроэнергии вследствии увеличения тока пуска и торможения ТЭД подвижного состава ориентировочно на 20%. В настоящее время расходы МУЭТ на электроэнергию составляет свыше 100 млн. рублей в год. Следовательно, экономия порядка 20 млн. руб.
2. Снижение затрат на ремонт силового электрооборудования подвижного состава и энергохозяйства. В настоящее время стоимость ремонтных работ электрооборудования подвижного состава, тяговых подстанций, контактной сети в целом по МУЭТ составляет около 10 млн. рублей в год.
3. Снижение потерь от простоя трамваев и троллейбусов, уменьшение количества ДТП.
Передаточная функция исполнительного органа системы стабилизации тягового напряжения
Согласно рисунка 2.4, исполнительный орган системы стабилизации напряжения состоит из силового инвертора Z1 – Z4, повышающего автотрансформатора L1 – L2, выпрямителя D1 – D4 и тяговых двигателей – . Напряжение, подаваемое с исполнительного органа на датчик , согласно рисунка 2.25 связано с выходным напряжением выпрямителя U соотношением = =U-i (3.2) где – усреднённое сопротивление тяговой сети от ССН до реперных точек, – усреднённое напряжение двигателей. Поскольку быстродействие всех элементов исполнительного органа на несколько порядков выше быстродействия тяговых двигателей, принимаем величину U не изменяющейся во времени. Поэтому, передаточная функция исполнительного органа сводится к передаточной функции самого тягового двигателя. В свою очередь, напряжение – сопротивление якорной цепи, включающее в себя сопротивления:
1) обмотки возбуждения ,
2) обмотки якорной цепи,
3) щёточных контактов,
4) регулировочного реостата ; Проектирование электронной аппаратуры представляет собой итерационный процесс, состоящий из этапов функционального проектирования, разработки принципиальной схемы, печатной платы, её изготовления, проведения испытаний, доработки по их результатам принципиальной или функциональной схемы, внесения изменений в печатную плату и т.д. Основу системы составляет программа PSpice.
Модель автотрансформатора строилась на базе модели сердечника. Модель сердечника строится по шаблону, созданному на основании модели Джилса-Атертона [5]. Исходными данными для построения модели являются:
1) Величина зазора, Gap (сантиметры);
2) Площадь поперечного сечения сердечника, Area (квадратные сантиметры);
3) Длина средней линии сердечника, Path (сантиметры);
4) Коэффициент заполнения сердечника, Pack (безразмерная величина). Кроме этого, для построения модели сердечника необходимо задать петлю гистерезиса для материала сердечника.
На рисунке 3.5 приняты следующие обозначения:
1) Нс (Эрстед) – напряжённость электромагнитного поля сердечника при индукции равной нулю;
2) Br (Гаусс) – индукция в сердечнике при напряжённости электромагнитного поля равной нулю;
3) Hm (Эрстед) – напряжённость электромагнитного поля сердечника при индукции равной индукции насыщения;
4) Bm (Гаусс) – индукция насыщения.
Кроме этого, задаётся значение первоначального намагничивания (Initial Perm). Обмотки трансформатора характеризуются не величиной индуктивности, а количеством витков, коэффициент трансформации между обмотками определяется как соотношение количества витков. Модели диодов D1 – D4 и операционных усилителей U1A – U4A, используемые в цепи управления модели инвертора, не требуют высокой точности моделирования переходных процессов, т. к. они работают в режиме компаратора, сигнал на выходе которого 0 или 1. Поэтому, модели диодов и ОУ выбраны исходя из требований уровня сигналов по току, напряжению и частоте. В качестве моделей генераторов V1, V5, V9, V13 используется программируемый генератор импульсов VPULSE из библиотеки SOURCE. При создании модели ССН, для генераторов указывается период сигнала PER, длительность импульса PW, время задержки TD, начальный и конечный уровень сигнала V1 и V2, длительность переднего и заднего фронтов TR и TF. Модели источников постоянного VDC тока тоже взяты из стандартной библиотеки SOURCE, задаётся только уровень напряжения.
Также, при моделировании ССН, используется модель псевдоидеального ключа Sbreak из библиотеки BREAKOUT. При подаче на вход ключа напряжения более 1 В, выходные контакты замыкаются. = 1 Ом. Модель диодного мостового выпрямителя строится на базе модели диода из стандартной библиотеки DIOD системы OrCAD. Модели транзисторов Z1 – Z4 (СМ600НА-12Н) взяты из стандартной библиотеки IGBT пакета OrCAD 9.2. На рисунке 3.6 представлены данные PSpice-модели СМ600НА-12Н. [15,17] На рисунке 3.7 показаны диаграммы напряжений при работе системы стабилизации в различных режимах. Управление транзисторами Z1 – Z4 осуществляется четырёхканальным широтно-импульсным модулятором на базе операционных усилителей U1A – U4A и ключей S1 – S4. Работа всех каналов ШИМ идентична, поэтому рассмотрим только один из них (канал управления Z1). Управление транзисторами Z1 – Z4 осуществляется четырёхканальным широтно-импульсным модулятором на базе операционных усилителей U1A – U4A а) б) и ключей S1 – S4. Работа всех каналов ШИМ идентична, поэтому рассмотрим только один из них (канал управления Z1).
Проектирование автотрансформатора
В основе проектирования ИТ – заданные параметры импульса на нагрузке, электромагнитные параметры генератора, соединительных цепей и нагрузки. Эти исходные данные удобно разделить на две части, характеризующие первичную и вторичную цепь ИТ, и представить в следующем виде:
1. Частота сети f, кГц.
2. Напряжения первичной обмотки: 1) минимальное напряжение м , В;
2) номинальное напряжение M, В;
3) максимальное напряжение м , В.
3. Напряжения вторичной обмотки:
1) минимальное напряжение м , В;
2) номинальное напряжение м , В;
3) максимальное напряжение м , В.
4. Номинальная выходная мощность S, кВА.
5. Предельные значения тока во вторичной обмотке: т мо А.
6. Коэффициент мощности нагрузки при любых допустимых значениях тока нагрузки COS .
7. Продолжительность времени включения.
8. Условия охлаждения.
9. Температура окружающей среды, .
10. Индукция насыщения , Тл.
11. Коэффициент конструкции.
Драйвер управления IGBT является промежуточным согласующим устройством между процессором (схемой управления) и силовыми ключами. Драйвер предназначен для выполнения двух основных функций:
1. Формирование сигнала управления на затворе IGBT в соответствии с командами процессора. 2. Диагностика состояния (наличие или отсутствие тока перегрузки), своевременное выключение транзистора и передача сигнала об аварии IGBT на процессор.
Для автоматизации процесса выбора драйвера специалисты компании SEMIKRON разработали простую программу DriverSEL, позволяющую определить все необходимые параметры и произвести выбор соответствующего драйвера. Программа DriverSEL доступна для свободного пользования на сайте компании http://www.semikron.com/. [21]
Наиболее функционально полными являются драйверы фирм Semikron (серии SKHI) и CT Concept (типов Standart или SCALE). Драйверы CT Concept серии Standart и драйверы SKHI выполнены в виде печатных плат с разъемами для подключения к системе управления и управляемым транзисторам с установленными на них необходимыми элементами и с возможностью установки настроечных элементов потребителем. По своим функциональным и параметрическим особенностям изделия близки.
Номенклатура драйверов SKHI приведена в таблице 4.4. SK HI 2 2 H4 – система обозначений. 1 2 3 4 5 1. Обозначение производителя Semikron. 2. Тип драйвера HI – гибридный, IC – интегральный. 3. Количество выходных каналов управления: 1 – один канал; 2 – два канала (полумост); 3 – 6 каналов (полный 3-фазный мост). 4. Поколение: 1 – первое, 2 – второе. 5. Дополнительные опции По результатам расчетов можно произвести выбор наиболее оптимального драйвера, необходимого для управления силовым модулем. На рисунке 4.4 приведена структурная схема двухканального драйвера SCHI 24R для IGBT модулей. По всем характеристикам этот драйвер подходит для использования в системе управления ССТН.
Рисунок 4.4 Структурная схема двухканального драйвера SCHI 24R Основные особенности драйверов семейства SKHI SEMIKRON:
1) высокая стойкость к переходным перенапряжениям dU/dt (до 75 кВ/мкс);
2) низкий уровень помех, наводимых на схему управления;
3) высокое напряжение изоляции (до 4 кВ);
4) высокий выходной ток (до 30 А);
5) возможность регулирования времени задержки переключения tdt, уровня напряжения срабатывания защиты DESAT, сопротивлений цепи затвора RGon/off;
6) встроенные изолированные источники питания;
7) возможность подключения волоконно-оптической линии связи (SKHI26F, SKHI27F);
8) уровень входных сигналов TTL/CMOS.
Кроме управления переключением силового модуля второй по значимости функцией драйвера является защита от аварийных режимов. Драйверы SKHI осуществляют следующие защитные и сервисные функции:
1) защиту от сквозного тока и формирование времени задержки переключения транзисторов полумоста;
2) фильтрацию коротких импульсов;
3) нормирование фронтов входных сигналов;
4) защиту от падения напряжения источников питания (UVLO);
5) защиту от перегрузки по току и короткого замыкания;
6) защиту от перегрева (SKAI 100).
Драйверы интеллектуальных модулей SEMIKRON выполняют все функции, необходимые для безопасной работы модуля, производя постоянный мониторинг выходного тока, напряжения силовой шины питания и температуры модуля. Они имеют аналоговые выходы, сигналы на которых пропорциональны току, температуре модуля и напряжению силовой шины питания. Эти сигналы поступают на управляющий процессор и могут быть использованы для анализа состояния системы. Для гальванической развязки входных цепей в драйверах SEMIKRON используются импульсные трансформаторы. Изоляция выполняется в соответствии с требованиями стандарта EN50178. Напряжение изоляции конкретного модуля зависит от предельного рабочего напряжения. В драйверах модулей SKiiP реализована идеология защиты, названная OCP (Over Current Protection), при которой анализируются два сигнала: сигнал датчика тока фазы и напряжение насыщения VCEsat. Устройства защиты SKiiP различают два пороговых значения тока – ток перегрузки (100% Ic), начиная с которого производится анализ неисправности, и ток КЗ (120% Ic), при котором происходит отключение. После возникновения состояния перегрузки напряжение на затворе снижается, что приводит к ограничению тока коллектора. Затем, если состояние перегрузки не прекращается в течение 3–5 мкс, напряжение на затворе снижается до нуля. При этом снижение напряжения на затворе производится по aопределенному закону для уменьшения значения di/dt и снижения переходного перенапряжения при выключении. Траектория выключения выбирается так, чтобы напряжение на коллекторе силового транзистора никогда не превышало предельного значения VCES.
IGBT модули серии NF представляют 5-ое поколение модулей Mitsubishi. Они предназначены для высоковольтной коммутации в составе силовых приводов асинхронных двигателей и высокочастотных преобразователей.
