Содержание к диссертации
Введение
1 Отечественный и зарубежный опыт создания электропоездов с асинхронным тяговым электроприводом (АТЭП) 11
1.1 Сравнительный анализ силовых схем электропоездов с АТЭП 11
1.2 Проблемные вопросы разработки статических преобразователей частоты АТЭП 25
1.3 Постановка задач исследований 36
Выводы 37
2 Снижение перенапряжений на коммутирующих приборах автономного инвертора тока (АИТ) на интервале восстановления их запирающих свойств 38
2.1 Экспериментальные исследования влияния дросселей насыщающихся на процессы выключения тиристоров АИТ 38
2.2 Математическое моделирование процессов в контуре искусственной коммутации тиристоров АИТ с дросселями насыщающимися 45
2.2.1 Модель тиристора 45
2.2.2 Модель дросселя насыщающегося 48
2.2.3 Модель контура коммутации тиристора 50
2.2.4 Компьютерная реализация математической модели контура коммутации тиристоров и проверка ее адекватности 51
2.2.5 Рекомендации по выбору параметров дросселей насыщающихся 55
2.3 Методика испытаний дросселей насыщающихся 57
2.4 Экспериментальные исследования процессов выключения диодов АИТ. 59
2.5 Методика определения максимального обратного напряжения на диодах АИТ и рекомендации по выбору их параметров 62
Выводы 66
3. Снижение перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования колесных пар управлением 67
3.1 Система автоматического регулирования АТЭП с АИТ 69
3.2 Разработка компьютерной модели АТЭП с АИТ 73
3.2.1 Компьютерная модель системы питания асинхронного тягового двигателя 73
3.2.2 Компьютерная модель асинхронного тягового двигателя 79
3.2.3 Компьютерная модель системы автоматического регулирования 83
3.2.4 Компьютерная модель движения колесных пар 85
3.2.5 Проверка адекватности компьютерной модели АТЭП 88
3.3 Повышение запаса вентильной прочности АИТ в режимах боксования колесных пар 92
3.3.1 Обоснование диапазона применения управления с параметрическим заданием потокосцепления ротора 92
3.3.2 Выбор параметров системы защиты от боксования колесных пар при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора 96
Выводы 103
4 Результаты испытаний электропоезда ЭНЗ 104
4.1 Имитация аварийных режимов в силовых цепях электропривода 105
4.2 Тягово-энергетические испытания 113
Выводы 120
Заключение 121
Литература 123
Приложения 132
- Проблемные вопросы разработки статических преобразователей частоты АТЭП
- Экспериментальные исследования влияния дросселей насыщающихся на процессы выключения тиристоров АИТ
- Система автоматического регулирования АТЭП с АИТ
- Имитация аварийных режимов в силовых цепях электропривода
Введение к работе
Развитие тягового привода электроподвижного состава железных дорог идет по пути широкого внедрения различных преобразовательных устройств, обеспечивающих наиболее эффективную передачу и преобразование электрической энергии, поступающей к тяговым двигателям. Современное развитие отечественной силовой электроники открывает возможность применения в тяговых приводах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, благодаря использованию преобразователей на силовых полупроводниковых приборах (СПП) большой установленной мощности без группового соединения.
Асинхронный тяговый двигатель (АТД) на электровозах и электропоездах нового поколения позволяет решать задачу улучшения показателей железных дорог. Достигнутое увеличение мощности АТД в 1,5 раза позволяет поднять расчетную скорость и частично силу тяги электропоездов. Полная унификация механического и электрического оборудования в сочетании с применением простых и надежных АТД и бесконтактного преобразовательного оборудования позволяет повысить надежность электропоездов, сократить сроки их технического обслуживания и ремонтных работ.
Повышенная надежность АТД из-за устранения коллекторно-щеточного узла полностью определяется самой конструкцией асинхронной машины. Как известно, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет только одну обмотку, выполненную с изоляцией. Поэтому АТД не требует периодических осмотров квалифицированными слесарями-мотористами. Его обслуживание сводится только к запрессовке масла.
В настоящее время железные дороги России располагают парком пригородных электропоездов (ЭП), содержащим около 14,5 тыс. вагонов, из них 73,6 % постоянного тока и 26,4 % переменного. Свыше 37 % ЭП эксплуатируются с просроченным сроком службы (28 лет): более 32 % постоянного тока и 50 % переменного тока.
В рамках принятой в начале 90-х годов правительством РФ "Государственной программы развития и повышения качества пригородных пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте" были предприняты срочные меры по организации и наращиванию выпуска предприятиями России вагонов электропоездов и комплектующего оборудования, изыскания возможностей для более рационального использования моторвагонного подвижного состава, модернизации и поддержания его работоспособности.
Предусмотрена поэтапная реализация комплекса мер:
увеличение закупок новых более производительных ЭП;
поддержание численности эксплуатируемого парка в переходный период развития мощностей заводов по изготовлению новых ЭП;
-повышение тягово-энергетических показателей эксплуатируемого парка ЭП, имеющего возраст не более 15 лет;
- уменьшение эксплуатационных расходов за счет увеличения межремонтных
сроков по обслуживанию ЭП и внедрения рациональных схем размещения,
специализации и кооперации ремонтных предприятий по дорогам.
В практике разработки и эксплуатации ЭП принято их условное разделение по типу тягового привода на четыре поколения. К первому поколению относятся ЭП со ступенчатым контакторно-реостатным регулированием напряжения на коллекторных тяговых двигателях. Второе поколение характеризуют применением плавного регулирования напряжения на коллекторных тяговых двигателях. К третьему и четвертому поколениям относят ЭП с асинхронными тяговыми двигателями.
В качестве статических преобразователей частоты в электропоездах третьего (ЭНЗ, ЭТ2А) и четвертого (ЭД6, "Сокол") поколений используют соответственно автономные инверторы тока и автономные инверторы напряжения (АИН). Традиционно в АИН в качестве коммутирующих приборов применяются закупаемые по импорту IGBT- транзисторы, GTO или IGCT - тиристо-
7 ры, в то время как в АИТ используются отечественные однооперационные тиристоры и диоды.
На сегодняшний день наиболее распространенным в асинхронных тяговых электроприводах (АТЭП) типом тиристорного преобразователя частоты является трехфазный АИТ с отсекающими диодами, который активно внедрялся зарубежными компаниями - Alsthom, Siemens, Skoda и др. В нашей стране также были созданы опытные образцы электропоездов с АИТ для сетей постоянного тока ЭТ2А и переменного ЭНЗ. Известно, что основной особенностью АИТ являются высокие перенапряжения на коммутирующих приборах, способные приводить к повреждению преобразователя. В период с 2000 по 2003 гг. проводились испытания опытных электропоездов ЭНЗ и ЭТ2А, при которых были зафиксированы многочисленные случаи выхода из строя тиристоров и диодов АИТ. Эти обстоятельства существенно замедлили запуск испытываемых ЭП в серийное производство.
Для полноценного использования асинхронных тяговых электроприводов с АИТ необходимо улучшение надежностных показателей тяговых преобразователей.
Целью работы является разработка способов и схемотехнических решений, обеспечивающих снижение перенапряжений на тиристорах и диодах АИТ.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
- экспериментальные исследования влияния параметров дросселей насыщаю
щихся (ДН) на процессы выключения тиристоров;
разработка математической модели контура искусственной коммутации тиристоров АИТ, позволяющей определять требуемые параметры ДН на этапе их проектирования;
разработка методики контрольных испытаний ДН;
экспериментальные исследования процессов восстановления запирающих свойств отсекающими диодами АИТ и формулировка рекомендаций по их выбору;
методика расчета максимального обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ;
- создание компьютерной модели электропривода тележки моторного вагона
ЭП переменного тока, позволяющей выполнять расчеты электромагнитных и электромеханических процессов в режимах боксования колесных пар (КП);
исследование на компьютерной модели влияния процессов боксования КП на уровень перенапряжений в АИТ;
разработка способа защиты от боксования КП, обеспечивающего минимальную потерю силы тяги на интервале работы защиты от боксования при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора;
экспериментальная проверка сохранения целостности коммутирующих приборов АИТ при имитации аварийных режимов.
Поставленные задачи решены в диссертационной работе с использованием экспериментальных исследований и компьютерного моделирования в среде Matlab.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также других полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов теории электропривода, теории электрических и магнитных цепей, теории автоматического управления; согласованием теоретических положений и результатов расчета с данными экспериментальных исследований, проведенных на электропоезде ЭНЗ; критическим обсуждением основных результатов работы с ведущими специалистами по силовой преобразовательной технике и АТЭП на научно-технических конференциях.
Основные научные результаты диссертационной работы:
Методика определения параметров ДН, позволяющих снизить коммутационные перенапряжения и потери в преобразователе, с использованием математической модели контура коммутации тиристоров АИТ.
Методика определения максимальной величины обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ с учетом перенапряжений на интервале восстановления их запирающих свойств.
Алгоритм управления АТП, обеспечивающий допустимый уровень перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования КП.
Способ защиты от боксования КП, обеспечивающий минимальную потерю силы тяги при движении электропоезда на участке с ухудшенными условиями сцепления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлено, что основными параметрами, определяющими эффективность работы дросселя в контуре коммутации тиристоров, являются время его пере-магничивания (время задержки) и заряд, прошедший через него за это время.
Разработана методика проектирования ДН, обеспечивающих требуемые параметры (время задержки и заряд за время задержки), при которых уровень коммутационных перенапряжений на тиристорах не превышает допустимых значений.
Установлена зависимость величины коммутационных перенапряжений на отсекающих диодах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств от параметров диодов, уточнена методика определения максимального обратного напряжения на диодах и даны рекомендации по их выбору.
Предложен алгоритм управления АТП, обеспечивающий безопасные условия работы тиристоров и диодов АИТ в режимах боксования КП.
Предложен способ защиты от боксования КП, основанный на использовании зависимости коэффициента снижения фазных токов АТД от ускорения КП, рассчитанной с учетом динамических свойств АТП.
Практическую ценность имеют:
Методика выбора параметров дросселей насыщающихся, позволяющая повысить надежностные и энергетические показатели АИТ.
Рекомендации по выбору параметров отсекающих диодов АИТ, обеспечивающие снижение коммутационных перенапряжений на интервале восстановления их запирающих свойств.
10 3. Алгоритм управления асинхронным тяговым электроприводом с АИТ,
обеспечивающий безопасные условия работы для тиристоров и диодов АИТ
в режимах боксования КП.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований внедрены на изготовленном на ООО "ПК НЭВЗ" электропоезде переменного тока типа ЭНЗ, испытания которого на обкатном кольце ООО "ПК НЭВЗ" и экспериментальном кольце "ВНИИЖТ" (г. Щербинка) подтвердили обоснованность и эффективность принятых технических решений.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
IV международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава", г. Новочеркасск, 17-19 июня 2003 г.
Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт 2005", г. Ростов-на-Дону, май 2005 г.
Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт 2006", г. Ростов-на-Дону, май 2006 г.
XVI международной научно-технической конференции "Проблемы развития рельсового транспорта", г. Луганск, 25-29 сентября 2006 г.
VII международной научно-практической конференции "Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы", г. Новочеркасск, октябрь 2006 г.
Проблемные вопросы разработки статических преобразователей частоты АТЭП
К настоящему времени отечественными и зарубежными специалистами предложены способы защиты АИТ от повышенного напряжения на коммутирующих конденсаторах [32-43]. Однако, проблемам, связанным с подавлением перенапряжений, вызванных спадом обратного тока, не уделялось достаточного внимания.
Одним из самых распространенных способов снижения перенапряжений на интервале восстановления вентильных свойств тиристоров и диодов является включение параллельно с коммутирующим прибором демпфирующей RC или RCD цепи [3, 45, 46]. Однако использование таких устройств с параметрами, которые необходимы для полного поглощения импульса перенапряжения, существенно ухудшают энергетические и массогабаритные показатели тягового преобразователя. Применение полупроводниковых ограничителей напряжения - варисторов также нецелесообразно, поскольку коммутирующие приборы работают в режимах с большим коэффициентом загрузки по напряжению, тогда как варисторы имеют пологую вольтамперную характеристику и выбираются не менее чем на двукратное значение от рабочего напряжение.
Снижение перенапряжений и ударной мощности на интервале восстановления запирающих свойств тиристора может быть достигнуто за счет использования ДН с правильно выбранными параметрами под конкретный тип тиристоров для наиболее тяжелого режима работы тягового преобразователя [46]. Первоначально параметры ДН выбирались с целью ограничения скорости нарастания тока при включении тиристора [47]. Однако для современных тиристоров за счет применения разветвленного управляющего электрода критическая скорость нарастания тока лежит в пределах от 100 А/мкс до 800 А/мкс [48-50], что существенно снижает требования к индуктивности ДН. Поэтому параметры ДН должен выбирать для режима выключения тиристора. В настоящее время существуют приближенные методы выбора этих параметров, недостаточно учитывающие характеристики тиристора [45,. 51]. В этой связи требуется проведение исследований процессов выключения тиристоров с целью снижения перенапряжений и ударной мощности путем выбора оптимальных параметров ДН.
Рассмотрим процессы на интервале /6 восстановления запирающих свойств отсекающими диодами. Как видно из схемы на рис. 1.4 в контур коммутации отсекающих диодов входят обмотки двух параллельно включенных АТД, которые обладают индуктивным сопротивлением. Это обстоятельство неизбежно приведет к броску напряжения на диоде при спаде обратного тока восстановления. Для оценки уровней этих перенапряжений и факторов, влияющих на них, необходимо проведение исследований процессов восстановления запирающих свойств диода. Так как в настоящее время максимальное обратное напряжение на отсекающих диодах АИТ определяется без учета перенапряжений на интервале восстановления запирающих свойств [3, 26, 29], то требуется разработка методики определения максимального обратного напряжения на диоде с учетом этих процессов.
Наряду с наличием перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств опасность для преобразователя также представляют процессы боксования и юза КП, что было отмечено в процессе испытаний электропоезда ЭНЗ. В этой связи требуется проведение исследований влияния процессов боксования и юза КП на уровень перенапряжений на коммутирующих приборах АИТ. Известно, что максимальное напряжение на коммутирующих приборах АИТ зависит от режима работы АТД, который задается системой автоматического регулирования (САР). В этой связи с целью определения режимов работы АТД, представляющих опасность повышения напряжения на диодах и тиристорах АИТ рассмотрим процессы в АТЭП при боксовании КП для двух наиболее распространенных алгоритмов управления тяговым электроприводом с АИТ: управление с параметрическим заданием потокосцепления ротора и управление со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС АТД. При управлении АТД со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС системой управления формируются мягкие тяговые и тормозные характеристики. Это обстоятельство обуславливает интенсивное развития скольжения КП при срывах их сцепления с рельсами. Однако в этом случае обеспечивается ограничение линейного напряжения на заданном уровне без существенного изменения напряжений в системе АИТ-АТД в динамических и квазистационарных режимах работы электропривода. Таким образом, данный способ управления позволяет удерживать перенапряжения на коммутирующих приборах на уровне безопасных значений.
Альтернативой описанному способу является управление при параметрическом задании потокосцепления ротора. При этом можно использовать естественную жесткость механической характеристики АТД для ликвидации избыточного скольжения КП. В этом случае при боксовании частота тока статора АТД формируется АИТ по сигналу частоты вращения ротора небоксующей оси, что при срыве сцепления КП приводит к уменьшению частоты тока ротора и, как следствие, снижению момента на валу АТД и восстановлению сцепления. При таком способе управления уменьшение электромагнитного момента сопровождается увеличением напряжения на коммутирующих приборах, из-за роста линейного напряжения АТД и фазового сдвига.
Очевидно, что второй способ управления обеспечивает улучшение тяговых свойств ЭП по сравнению с первым, однако представляет опасность для коммутирующих приборов. В этой связи с целью обеспечения достаточного запаса по вентильной прочности коммутирующих приборов АИТ при сохранении высоких тяговых свойств в режимах боксования КП необходим рациональный синтез описанных алгоритмов управления АТЭП. Решения этой задачи требует разработки компьютерной модели АТЭП с АИТ, позволяющей получать мгновенные значения напряжений на коммутирующих приборах АИТ в режимах боксования КП.
Экспериментальные исследования влияния дросселей насыщающихся на процессы выключения тиристоров АИТ
Как было показано выше, максимальное напряжение на коммутирующих приборах АИТ зависит от режима работы АТД, который задается системой автоматического регулирования. В этой связи с целью определения режимов работы АТД, представляющих опасность повышения напряжения на диодах АИТ, в настоящей главе рассмотрены процессы в АТЭП при боксовании колесных пар для двух наиболее распространенных алгоритмов управления тяговым электроприводом с АИТ: управление с параметрическим заданием потокосцепления ротора и управление со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС АТД.
Характер протекания процессов боксования и юза в значительной степени определяется жесткостью тяговых характеристик и быстродействием привода [52]. При управлении АТД со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС системой управления формируются мягкие тяговые и тормозные характеристики. Это обстоятельство обуславливает интенсивное развития скольжения КП при срывах их сцепления с рельсами. Кроме того, при таком алгоритме управления время регулирования электромагнитного момента достаточно велико и определяется электрической постоянной времени роторной цепи [52, 53], что ухудшает эффективность функционирования подсистемы защиты от боксования и юза КП. Однако в этом случае обеспечивается ограничение линейного напряжения на заданном уровне без существенного изменения напряжений в системе АИТ-АТД в динамических и квазистационарных режимах работы электропривода. Таким образом, данный способ управления позволяет удерживать перенапряжения на коммутирующих приборах на уровне безопасных значений при условии ограничения коммутируемого диодами тока устройствами токовой защиты.
Альтернативой описанному способу является управление при параметрическом задании потокосцепления ротора. При этом в качестве сигнала частоты вращения ротора целесообразно использовать сигнал минимальной (максимальной) из всех коленных пар моторного вагона частоты вращения ротора в режиме тяги (рекуперации), что позволяет использовать естественную жесткость механической характеристики АТД для ликвидации избыточного скольжения КП. При таком способе абсолютное скольжение задается в функции от фазного тока и в зоне постоянства силы тяги также является постоянным. Строго говоря, постоянство абсолютного скольжения поддерживается при таком управлении только в квазистационарных режимах, а при боксовании частота тока статора АТД формируется АИТ по сигналу частоты вращения ротора небоксующей оси, что при срыве сцепления КП приводит к уменьшению частоты тока ротора и как следствие снижение момента на валу АТД, связанного с боксующей КП. Уменьшение касательной силы тяги на ободе колес обеспечивает снижение скольжения колесных пар, после чего происходит автоматическое восстановление заданного момента на валу АТД. При таком способе управления уменьшение электромагнитного момента сопровождается увеличением напряжения на коммутирующих приборах, из-за роста линейного напряжения АТД и фазового сдвига.
Очевидно, что второй способ управления обеспечивает улучшение тяговых свойств ЭП по сравнению с первым, однако представляет опасность для коммутирующих приборов. В этой связи с целью обеспечения допустимого напряжения на коммутирующих приборах АИТ при сохранении высоких тяговых свойств в режимах боксования КП проведен структурный синтез описанных способов управления АТЭП.
К настоящему времени существует более сорока возможных вариантов систем автоматического регулирования асинхронным двигателем [73]. Из них можно выделить три способа, которые получили наиболее широкое применение в АТЭП: векторное управление с автоматическим поддержанием потокосцеп-ления ротора; управление при параметрическом задании постоянства магнитного потока; управление со стабилизацией потокосцепления ротора путем регулирования ЭДС асинхронного двигателя.
Известно, что системы векторного управления АТЭП с автоматическим поддержанием потокосцепления ротора имеют высокие динамические свойства, а именно: время регулирования момента на валу АТД порядка нескольких миллисекунд при питание асинхронного двигателя от АИН с высокочастотной ШИМ [74]. Это достигается раздельным регулированием потокосцепления ротора и момента АТД. Сигналы обратных связей регуляторов вычисляются путем решения системы из двух дифференциальных уравнений описывающих процессы в АТД в связанной со статором системе координат по измеренным сигналам фазных токов и частоты вращения ротора. Однако в [52] показано, что в АТЭП с автономным инвертором тока время регулирования момента АТД лимитируется быстродействием входного преобразователя. При питании АИТ от тиристорного ВИП формирование управляющего воздействия производится каждый полупериод сетевого напряжения, то есть один раз в 10 мс, что с учетом большой индуктивности сглаживающего реактора не позволяет полностью реализовать возможности векторного управления. Это обстоятельство обуславливает нецелесообразность применения в АТЭП с автономным инвертором тока и ВИП сложной и требовательной к производительности микропроцессоров системы векторного управления.
Система автоматического регулирования АТЭП с АИТ
Эксплуатационная надежность электропоездов во многом зависит от системы защит электрооборудования, предотвращающей или ограничивающей нарушение нормальных режимов работы. Основные требования, предъявляемые к системе токовых защит электропоезда следующие: ограничение токов в силовых цепях электропривода на уровне безопасных значений; обеспечение селективности в работе защитных устройств; отсутствие ложных срабатываний; простота и надежность; повреждение одного из силовых элементов тягового привода не должно приводить к выходу из строя других элементов. Сформулированным требованиям удовлетворяет система, включающая в себя следующие виды защит элементов силовой схемы (рис. 1.4): - электронная; - выключатели быстродействующие в звене постоянного тока; - главный выключатель (ГВ) QF1 срабатывающий от реле перегрузки тяговой обмотки трансформатора или по сигналу от трансформатора тока в первичной обмотке силового трансформатора.
Работа электронной защиты и ВБ. Аварийные токи в силовых цепях электропривода ограничиваются в первую очередь электронной защитой, которая работает по следующему алгоритму. По сигналу от датчика тока, включенного в звене постоянного тока, пропорциональному уставке срабатывания, поступает команда на формирование системой управления в инверторе тока «стойки», то есть включения двух тиристорных плеч, закорачивающих источник тока. Следует отметить, что образование «стойки» при достижении током уровня уставки происходит практически мгновенно (примерно 5 мкс), так как к тиристору, находящемуся в проводящем состоянии, добавляется последовательно включенный тиристор, а с остальных тиристоров снимаются импульсы управления. Одновременно с формированием «стойки» в АИТ в выпрямитель-но-инверторном преобразователе в режиме рекуперативного торможения также образуется «стойка», а в тяге ВИЛ переводится в инверторный режим с максимальной противо-ЭДС трансформатора и энергия, запасенная в сглаживающем реакторе рассеивается на сетевой источник.
Уставка срабатывания электронной защиты 1500 А выбирается исходя из максимальной нагрузки в звене постоянного тока, определяемой фазным током тягового двигателя на предельной позиции КМ и максимальной пульсацией выпрямленного тока. Следует также отметить, что уставка электронной защиты должна выбираться с минимально возможным значением при отсутствии ложных срабатываний во всем диапазоне рабочих характеристик ЭП. Необходимость этого заключается в том, что тиристоры и диоды АИТ коммутируют нарастающий ток до срабатывания защиты с образованием «стойки» в АИТ. И чем больший ток допускается этой защитой, тем тяжелее протекают процессы коммутации силовых полупроводниковых приборов. На рис. 4.1 представлены осциллограммы, иллюстрирующие работу электронной защиты. Как видно из рисунка, при достижении током уровня уставки система управления формирует импульс на включение тиристора VS2, который совместно с VS1 образует цепь для разряда электромагнитной энергии сглаживающего реактора. При достижении током 1700 А начинается его уменьшение связанное с изменением полярности напряжения щ, то есть с переходом ВИЛ в инверторный режим. Максимальное значение тока на интервале работы токовой защиты зависит как от интенсивности его нарастания, так и от фазы напряжения в контактной сети в момент достижения уровня уставки.
В случае отказа (не срабатывания) электронной защиты аварийные токи в цепях электропривода тележки ограничиваются ВБ, уставка срабатывания которого для обеспечения селективности принята 1700 А. Следует отметить, что основная задача электронной защиты состоит в запрете коммутаций тиристорами АИТ аварийного тока, при которых возможны перенапряжения на интервале восстановления запирающих свойств, превышающие уровень класса коммутирующих приборов.
С целью оценки эффективности работы электронной защиты и ВБ и достаточности запаса вентильной прочности коммутирующих приборов проведены испытания электропоезда ЭНЗ при имитации пробоя силовых полупроводниковых приборов короткозамыкателем. Режимы короткого замыкания проводили в наихудших режимах работы ЭП с точки зрения токовой загрузки и величины напряжений АТД. «Пробой» тиристора АИТ. На рис. 4.2 представлены осциллограммы токов и напряжений в силовых цепях электропривода при имитации пробоя тиристора VS1 АИТ в режиме тяги на предельной позиции контроллера машиниста контроллера машиниста на скорости 60 км/ч. Пробой тиристорного плеча вызвал сбой работы АИТ и нарастание фазных токов тяговых двигателей (рис 4.2, в). Это явление, в свою очередь, обусловило аварийное нарастание выпрямленного тока и привело к срабатыванию электронной защиты. Последняя обеспечила перевод ВИПа в инверторный режим, в результате которого начался процесс гашения выпрямленного тока. Одновременно при достижении током id уровня уставки срабатывания ВБ начался процесс его отключения, который завершился во второй половине интервала времени t= 1,33...1,34 с. Полная длительность аварийного процесса составила немногим более 0,02 с. Электропривод второй тележки продолжил работу в штатном режиме.
Имитация аварийных режимов в силовых цепях электропривода
В процессе испытаний системы токовых защит ЭП в аварийных режимах работы АТЭП случаев выхода из строя элементов электрооборудования, в том числе коммутирующих приборов АИТ, не зафиксировано, что обеспечивается достаточным запасом по вентильной прочности.
Всесторонние испытания опытной моторвагонной секции ЭНЗ переменного тока с асинхронным тяговым электроприводом и рекуперативным торможением показали функциональную работоспособность электропривода.
Сравнение энергетических показателей электропоезда ЭНЗ с серийным электропоездом ЭД9Т показало, что удельный расход электроэнергии у ЭНЗ меньше, чем у ЭД9Т: - в расчетном режиме движения - на 24 %; - в среднеэксплуатационном - на 29%. 1. Проведены экспериментальные исследования влияния параметров ДН на процессы выключения тиристоров АИТ, в результате которых было установлено, что основными параметрами, характеризующими работу ДН в контуре коммутации тиристоров, являются время перемагничивания (время задержки) и заряд, прошедший через него за это время. 2. Разработана методика испытаний ДН, позволяющая в условиях лабораторного стенда определять время задержки и заряд за время задержки в режимах близких к реальной работе в контуре искусственной коммутации тиристоров АИТ. 3. Разработана математическая модель контура искусственной коммутации тиристоров АИТ, позволяющая определять значения ударной мощности и максимального обратного напряжения на тиристоре с погрешностью не более 12 % и 10 %, соответственно, а также осуществлять выбор оптимальных параметров ДН на этапе проектирования тягового преобразователя. 4. Использование в АИТ электропоезда ЭНЗ дросселя насыщающегося, рекомендованного по результатам исследований, вместо первоначально установленного ДН позволило: более чем в 5 раз снизить ударную мощность; на 25 % снизить потери мощности в тиристорах АИТ на высоких скоростях движения ЭП; на 25% снизить максимальную величину обратного напряжения на тиристоре. 5. На основе результатов экспериментальных исследований предложена методика определения максимальной величины обратного напряжения на отсекающих диодах АИТ на интервале восстановления их запирающих свойств. 6. Разработана компьютерная модель тягового асинхронного электропривода, позволяющая путем совместного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы в АТД с учетом насыщения его магнитопро-вода, движения электропоезда, процессов скольжения колесных пар, рассчитывать мгновенные значения токов, напряжений, момента на валу АТД, скорости движения КП и электропоезда с погрешностью не более 10 %. 7. В результате расчетных исследований процессов боксования КП при алго ритме управления с использованием жесткости естественной механической харак теристики установлено следующее: - боксование одной КП в тележке не приводит к увеличению напряжения на коммутирующих приборах АИТ при обеспечении быстрой ликвидации скольжения КП; - развитие одновременного боксования двух КП в тележке вызывает резкое увеличение напряжения на коммутирующих приборах АИТ при достаточно эффективном подавлении избыточного скольжения КП. 8. По результатам исследований процессов одновременного боксования двух КП в тележке при различных скоростях движения ЭП определен безопасный диапазон работы АТП (0...40 км/ч) при управлении с параметрическим заданием пото-косцепления ротора с использованием жесткости естественной механической характеристики АТД, обеспечивающий запас вентильной прочности отсекающих диодов не менее 17 % и тиристоров не менее 20 %. 9. Разработан способ защиты от боксования КП, позволяющий улучшить тяговые свойства АТП с АИТ при управлении со стабилизацией потокосцепления ротора АТД путем регулирования ЭДС на скоростях движения ЭП выше 40 км/ч. 10. В результате экспериментальной проверки сохранения целостности тиристоров и диодов АИТ в аварийных режимах работы АТП случаев выхода из строя элементов электрооборудования, в том числе коммутирующих приборов, не зафиксировано, что обеспечивается достаточным запасом по вентильной прочности преобразователя. 11. Всесторонние испытания опытной моторвагонной секции ЭНЗ-001 переменного тока с АТП с рекуперативным торможением на обкатном кольце ООО "ПК НЭВЗ" и экспериментальном кольце "ВНИИЖТ" показали функциональную работоспособность электропривода.
