Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы построения тяговых высоковольтных электротехнических комплексов транспортных средств 11
1.1. Анализ принципов построения тяговых высоковольтных электротехнических комплексов для железнодорожного транспорта постоянного тока 11
1.2. Анализ современного состояния в области силовых полупроводниковых приборов и выбор типа высоковольтного полупроводникового ключа статического преобразователя 38
1.3 Построение структурной схемы базового высоковольтного электротехнического комплекса для железнодорожного транспорта 48
2. Разработка математической модели бортового высоковольтного электротехнического комплекса 71
2.1. Выбор принципа описания рабочих процессов в бортовом электротехническом комплексе 71
2.2. Компьютерное моделирование силовой схемы электротехнического комплекса с коллекторными двигателями постоянного тока 75
2.3. Компьютерное моделирование силовой схемы электротехнического комплекса с асинхронными двигателями 91
3. Анализ рабочих процессов в бортовом электротехническом комплексе 103
3.1. Анализ результатов моделирования в электротехническом комплексе с тяговыми коллекторными двигателями 103
3.2. Анализ результатов моделирования в электротехническом комплексе с асинхронными двигателями 118
4. Результаты экспериментальных исследований рабочих процессов 134
4.1. Результаты испытания силовых электронных устройств бортового электротехнического комплекса 134
4.2. Тягово-энергетические испытания в установившихся режимах бортового электротехнического комплекса 144
4.3. Электрические испытания в переходных и аварийных режимах бортового электротехнического комплекса 162
4.4. Алгоритм проектирования бортового высоковольтного электротехнического комплекса 173
Заключение 180
Список используемых источников 183
Приложения 192
Приложение 1 193
- Анализ современного состояния в области силовых полупроводниковых приборов и выбор типа высоковольтного полупроводникового ключа статического преобразователя
- Компьютерное моделирование силовой схемы электротехнического комплекса с коллекторными двигателями постоянного тока
- Анализ результатов моделирования в электротехническом комплексе с асинхронными двигателями
- Электрические испытания в переходных и аварийных режимах бортового электротехнического комплекса
Введение к работе
Одним из перспективных направлений повышения технико - экономических показателей бортовых электротехнических комплексов является увеличение уровня входного питающего напряжения. В связи с этим на российских железных дорогах применяется контактная сеть постоянного тока с номинальным высоковольтным напряжением 3000 В . По той же причине, учитывая тенденции роста мощности бортовых потребителей электроэнергии аэро космических летательных аппаратов, считаются перспективными автономные электротехнические комплексы с высокочастотной однофазной распределительной сетью {20 кГц) и сравнительно высоким действующим значением магистрального напряжения 750В [1 ...4].
Другим направлением эффективного совершенствования технических и экономических характеристик бортовых электротехнических комплексов является внедрение современных достижений силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники. Особенно это относится к бортовым комплексам российских железных дорог, где до сих пор серийно используются только электромашинные высоковольтные преобразователи и высоковольтные контактно-резистивные пусковые тяговые устройства.
В настоящее время проектированием и разработкой статических полупроводниковых преобразователей для бортовых электротехнических комплексов применительно к железнодорожному транспорту занимаются многие известные организации и фирмы, в частности Сибирский филиал ВНИКТИ (г. Новосибирск), ВНИИЭ (г. Москва), ЗАО «Спецремонт» (г. Москва), АО «Электровыпрямитель» (г. Саранск), ООО «ТОМАК, ЛТД» (г, Москва), ВЭИ (г. Москва), МЭИ (г. Москва), МИИТ (г. Москва), Estel (Эстония), Siemens (Германия), ABB (Швейцария), Westinghouse Electric Corp. (США), Ansaldo Transporti (Италия), Hitachi (Япония) и др. Этой проблеме посвящены научные труды таких известных ученых, как В. Е. Розенфельд, В. П. Феоктистов, В. В. Литовченко, О. Г. Чаусов, С. И. Вольский, И. П, Исаев, В. Б. Петров, А. А. Кураев, Г. М. Мустафа, И. Я. Ранькис, Ю.К. Розанов, В. А. Чванов, Б. И. Гриншейн, Г. В. Ивенский, Ю. Ю. Чуверин, Р. Д. Тулупов, А. Б. Зильберг, А. Г. Титов, М. М. Акодис, В. А. Скибинский, Ю. И. Иньков, I. Smith (Великобритания), F. С. Lee (США), О. Wasynczuk (Индия), R. Hoft (США), Т.Мияшита (Япония), J. Biess (США), М. Winterling (Нидерланды), L, Fratelli (Италия) и т. д. Однако, несмотря на значительное число публикаций и выполненных работ, бортовые электротехнические комплексы с тяговыми полупроводниковыми преобразователями применительно к российскому железнодорожному транспорту до последнего времени не нашли применение. По существу, это связано со сложными условиями работы бортовых электротехнических комплексов на российских железных дорогах, которые имеют широкий диапазон изменения высоковольтного напряжения контактной сети с возможными импульсными бросками мгновенного значения, высокий уровень коммутационных помех, существенные ограничения в части амплитудных значений гармонических составляющих псофометрического тока, обусловленные применением релейных систем безопасности движения, и т. п . Во-вторых, из-за недостатка теоретических исследований и практической апробации современных полупроводниковых приборов в реальных высоковольтных электротехнических комплексах отечественного железнодорожного транспорта.
В связи с этим, создание бортового высоковольтного электротехнического комплекса с использованием тяговых полупроводниковых преобразователей, разработка схемотехнических решений и компьютерных моделей, исследование и анализ рабочих процессов, выработка алгоритма проектирования и рекомендаций для реализации разработанных теоретических положений, их практическое апробирование и опытно-промышленное освоение на новых подвижных объектах железной дороги, является актуальной и важной научно-технической задачей.
Представленная диссертационная работа способствует решению вышеописанных проблем, связанных с созданием перспективных бортовых электротехнических комплексов для электропоездов и электровозов постоянного тока нового поколения. Она выполнена в рамках научно - исследовательской работы «Исследование рабочих процессов в электромагнитных и электромеханических устройствах перспективных электротехнических комплексов транспортных средств» (2003 г.), проводимой Московским авиационным институтом (государственным техническим университетом), а также научно - исследовательских работ «Разработка и изготовление опытного образца системы импульсного регулирования тяговых двигателей для нового электропоезда пригородного сообщения» (2002 г.) и «Разработка и внедрение эффективных систем повышения безопасности движения поезда, в том числе внедрение системы импульсного регулирования тягового привода электропоезда постоянного тока, включая оптимизацию управлением поезда» (2002 г.), проводимых по заказу Министерства путей сообщения РФ.
Цель диссертационной работы - разработка принципов построения, методов проектирования, средств технической реализации и повышение технико-экономических показателей бортовых высоковольтных электротехнических комплексов электропоездов и электровозов постоянного тока.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
Анализ существующих и перспективных принципов построения тяговых высоковольтных электротехнических комплексов железнодорожного транспорта;
Обоснованию технических требований к силовому полупроводниковому ключу высоковольтного тягового преобразователя;
Определению принципов построения высоковольтного электротехнического комплекса для электропоездов постоянного тока с учетом обеспечения благоприятных условий функционирования силовых полупроводниковых приборов;
Выбор специализированной программы компьютерного моделирования рабочих процессов при совместном функционировании электронных и электромеханических устройств в электротехническом комплексе и разработка компьютерных моделей в среде выбранного пакета прикладных программ.
Компьютерное моделирование и анализ рабочих процессов в разработанном высоковольтном электротехническом комплексе;
Разработка обобщенного алгоритма проектирования предложенного бортового высоковольтного электротехнического комплекса;
Экспериментальная проверка на макетных и промышленных образцах, полученных расчетно-теоретических положений и результатов компьютерного моделирования.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использованы общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы и современные средства компьютерного моделирования с применением специализированного пакета прикладных программ CASPOC.
Достоверность теоретических положений, полученных результатов компьютерного моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями на макетных и опытно - промышленных образцах, разработанного высоковольтного электротехнического комплекса для концептуального электропоезда серии ЭМ2И. Весь комплекс теоретических исследований, при участии автора, был проверен на специально разработанном высоковольтном стенде кафедры «Электроэнергетические и электромеханические системы» Московского авиационного института, на штатном испытательном стенде предприятия ЗАО «Спецремонт» (г. Мытищи) и в «Испытательном центре железнодорожной техники» ВНИИЖТ МПС РФ (г. Щербинка).
Научная новизна: получены математические описания электромагнитных процессов и расчетные выражения для бортового высоковольтного электротехнического комплекса с полупроводниковым статическим преобразователем при различных способах регулирования скорости коллекторного двигателя; предложена структуризация совокупности ограничений (по максимальным пиковым значениям, максимальным длительным значениям, средним значениям мгновенного тока и напряжения, скоростями нарастания мгновенного тока и напряжения, длительности электромагнитного процесса) и алгоритм снижения потерь энергии при обеспечении благоприятных условий функционирования полупроводниковых приборов в установившихся, переходных и аварийных режимах работы высоковольтного электротехнического комплекса; разработаны и адаптированы к пакету программ визуального моделирования CASPOC компьютерные модели основных составляющих частей бортового электротехнического комплекса, включая высоковольтный импульсный регулятор, тяговый коллекторный двигатель, имитаторы механических нагрузок, трехфазный инвертор напряжения, трехфазный асинхронный двигатель и т. п.; предложены обобщенные критерия сравнения электрических параметров и качественных свойств высоковольтных полупроводниковых ключевых приборов различного типа; выявлены зависимости параметров рабочих процессов и потерь электрической энергии в разработанных снабберных и кламперных цепях при различных значениях входного высоковольтного напряжения, уровня нагрузки и параметров элементов разработанных цепей защиты.
Практическая ценность работы: разработаны новые схемотехнические решения построения бортового высоковольтного электротехнического комплекса, подтвержденные патентами РФ на изобретение и обеспечивающие повышение технико - экономических показателей электропоездов постоянного тока; предложены компьютерные модели высоковольтного импульсного регулятора, тягового коллекторного двигателя, имитаторов механических нагрузок, трехфазного инвертора напряжения, асинхронного двигателя и т. п., позволяющие проводить совместное моделирование рабочих процессов в статических преобразователях и электромеханических устройствах бортового электротехнического комплекса при разомкнутых и замкнутых системах управления; выработан алгоритм проектирования элементов снабберных и кламперных защитных цепей высоковольтного импульсного регулятора напряжения, обеспечивающий при заданных ограничениях минимальные потери электрической энергии; разработан и изготовлен специализированный высоковольтный испытательный стенд, обеспечивающий проведение экспериментальных исследований высоковольтных тяговых импульсных регуляторов в диапазоне изменения входного напряжения питания от 100 до 5000 В; созданы и испытаны макетные и опытно - промышленные образцы разработанного высоковольтного электротехнического комплекса применительно к концептуальному электропоезду серии ЭМ2И, которые успешно прошли лабораторные, квалификационные и эксплуатационные испытания.
Социальная значимость работы. Социально-экономический эффект диссертационной работы заключается в создании новых высококвалифицированных рабочих мест и в повышении технического уровня работников железнодорожного транспорта. По существу, внедрение разработанных бортовых электротехнических комплексов на базе высоковольтных тиристоров, представляет собой не просто модернизацию электропоездов, но и подразумевает процесс обучения персонала депо в соответствии с современными мировыми достижениями науки, техники и технологии.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу серийного выпуска первых отечественных электротехнических комплексов с IGCT тиристорами для электропоездов постоянного тока ( акты внедрения в Приложение 1). В течение 2002 г. в полном объеме проведена разработка, подготовлен комплект конструкторской и эксплуатационной документации, и осуществлено опытно - промышленное освоение бортовых высоковольтных электротехнических комплексов на предприятии ЗАО «Спецремонт».
В настоящее время, разработанные электротехнические комплексы установлены на 4 электропоездах серии ЭМ2И. Которые с 2003 г. успешно эксплуатируются в депо «Домодедово». В конце 2004 г. объем выпуска высоковольтных электротехнических комплексов достигнет 5 шт. в месяц.
Проведенный экономическим отделом ЗАО «Спецремонт» совместно со специалистами Московской железной дороги анализ показывает, что внедрение разработанного высоковольтного электротехнического комплекса по сравнению существующим оборудованием обеспечивает снижение эксплуатационных расходов, более чем на ЪО % . Это достигается благодаря снижению затрат на электрическую энергию и уменьшением расходов, связанных с обслуживанием, текущим и капитальным ремонтом высоковольтных контакторов, быстродействующего выключателя, реостатного контролера и т. п. Фактический экономический эффект, за счет снижения эксплуатационных расходов, составляет 1.81 млн. руб. в год. Ожидаемый эффект от планируемого внедрения высоковольтных электротехнических комплексов к 2005 г. составит 21.7 млн. руб. Окупаемость серийного выпуска высоковольтных электротехнических комплексов при расчете в прогнозных ценах достигается на четвертом году.
Полученные в ходе выполнения диссертационной работы теоретические и практические результаты легли в основу проектирования высоковольтных электротехнических комплексов с IGCT тиристорами для скоростного электропоезда серии ЭМ6 и электровоза постоянного тока в соответствии с «Федеральной целевой программой по разработке и производству пассажирского подвижного состава нового поколения». Завершение данных разработок высоковольтных электротехнических комплексов запланировано на четвертый квартал 2005 г.
Следует отметить широкое внедрение разработанного трехфазного инвертора напряжения, входящего в состав бортового высоковольтного электротехнического комплекса. Помимо использования в составе электрооборудования концептуального электропоезда ЭМ2И данные инверторы применяются для питания асинхронных двигателей вспомогательных компрессоров на электропоездах серии ЭР2, ЭМ2 и ЭМ4 «Спутник». В настоящее время свыше 100 шт. трехфазных инверторов успешно эксплуатируются в депо «Апрелевка», «Пушкино», «Домодедово» и «Москва 2».
Апробация работы. Полученные теоретические положения и результаты компьютерного моделирования апробированы на 3 международных научно-технических симпозиумах («Power Conversion, PCIM-2001»/ Nuremberg, Germany, 2001 г., «Power Conversion, PCTM-2002»/ Nuremberg, Germany, 2002 г., «EPE'2003» /Toulouse, France, 2003 г.) и 5 отечественных научно-технических конференциях.
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 19 печатных работах, в том числе 3 патентах и 2 заявках на патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и трех приложений. Основная часть диссертации содержит 191 страницу машинописного текста, включая 86 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 111 наименований, в том числе 36 на иностранных языках. Приложения имеют объем 12 страниц. Общий объем диссертационной работы составляет 204 страницы.
Анализ современного состояния в области силовых полупроводниковых приборов и выбор типа высоковольтного полупроводникового ключа статического преобразователя
В последнее десятилетие наблюдается резкий скачок в развитии силовой полупроводниковой элементной базы. Появление новых силовых полупроводниковых приборов обуславливается все возрастающими потребностями и требованиями в более экономичном преобразовании электрической энергии. Результатом такого бурного развития электронной промышленности и технологий стало появление с одной стороны принципиально разных по своей структуре, но с другой стороны одинаковых по принципу функционирования силовых полупроводниковых приборов:
(Gate turn-off thyristor) — запираемый тиристор; IGBT (Isolated gate bipolar transistor) - биполярный транзистор с изолированным затвором; IGCT (Integrated gate commutated thyristor) - полностью управляемый тиристор с интегрированным затвором; ЕТО (Emitter turn-off thyristor) - выключаемый тиристор с эмиттерным управлением. Наиболее важным этапом, особенно в проектировании бортовых высоковольтных электротехнических комплексов большой мощности, является выбор полупроводниковых ключевых приборов, которые собственно и осуществляют преобразование электрической энергии. От надежности и эффективности функционирования силовых ключевых элементов, как в номинальных режимах, так и в аварийных критических ситуациях зависят технико-экономические показатели и надежность работы всего электротехнического комплекса. В связи с этим рассматриваемому этапу уделено особое внимание. К сожалению, в настоящее время отсутствует серийный выпуск отечественных силовых полупроводниковых приборов типа IGВТ, 1GCT и ЕТО и, как следствие, не разработаны общие электрические параметры, характеризующие предельные и эксплуатационные свойства того или иного элемента. В тоже время существующие каталоги зарубежных фирм отражают много лишних данных о полупроводниковых приборах, которые иногда бывают неполными и даже ошибочными. В большинстве каталогов с рекламной целью показывают максимальное количество предельных электрических параметров, которые не являются типичными для реальных преобразовательных схем [18]. В связи с этим становится актуальной задача по выработке единых критериев сравнения электрических параметров, отражающих важнейшие свойства силовых полупроводниковых приборов, и позволяющих сделать правильный выбор того или иного силового элемента для конкретного преобразовательного устройства. С этой целью на базе комплексного анализа отечественных, зарубежных технических материалов и научных публикаций [17...36] выбраны 4 группы критерий, включающие электрические параметры и качественные свойства силовых полупроводниковых приборов. В основу групп заложены следующие критерии: — отражающие предельные эксплуатационные электрические условия функционирования приборов; — позволяющие оценить возможные тепловые потери прибора; — показывающие возможности увеличения предельно эксплуатационных электрических параметров с помощью простых схемотехнических решений; — раскрывающие необходимость построения защитных цепей, которые ограничивают скорость нарастания напряжения на закрытом приборе. К первой группе критерий отнесены следующие электрические параметры: максимальное значение постоянного напряжения (U c), при котором прибор может длительно функционировать без выхода из строя; максимальное действующее значение тока (Iav), при котором прибор может длительно функционировать без выхода из строя. Для большинства силовых полупроводниковых приборов параметр Urfc в 0.67 раз ниже максимально допустимого напряжения на закрытом элементе. Однако в каждом конкретном случае значение Urfc желательно уточнять у производителя. Параметр IfRMS обычно приводиться в паспортных данных силовых тиристоров. В отличие от тиристоров значение IjRMS для силовых ЮВТ транзисторов необходимо определять из следующей формулы: где км - коэффициент превышения максимального значения над действующим значением тока, протекающего через транзистор в рассматриваемой для данного случая схеме; /с - максимально допустимый длительный ток, протекающий через рассматриваемый транзистор. Вторая группа критерий содержит следующие электрические параметры: значение падения напряжения {Uf} на открытом приборе при протекании через него тока равным параметру IfRMS длительность времени (tdoff) задержки на выключение, значение которой равно интервалу времени между подачей импульса управления и началом процесса запирания полупроводникового прибора; длительность времени (t0ff) выключения, значение которой равно интервалу времени между началом процесса запирания прибора до момента уменьшения силового тока на 90 % от начальной величины; значение потерь (Еоп) электрической энергии на включение, которые выделяются в приборе во время перехода его из закрытого в открытое состояние; значение потерь {E0jf) электрической энергии на выключение, которые выделяются в приборе во время перехода его из открытого в закрытое состояние. Указанные параметры в установившемся режиме работы характеризуют статические потери мощности в силовом полупроводниковом приборе: и его динамические потери мощности на включение и выключение: uvs - текущее значение падение напряжения на открытом приборе при протекание через него тока на интервале времени от tj до І2 , ivs - текущее значение тока, протекающего через силовой прибор на интервале времени от tj до / / - значения частоты переключения прибора. Следует заметить, что значение потерь Еоп и E0jr электрической энергии на включение и выключение приводятся для случая, когда напряжение на закрытом приборе равно Urfc, а ток, протекающий через открытый прибор, равен ITRMS-Статические потери электрической энергии, которые выделяются на современных силовых полупроводниковых приборах в закрытом состоянии, имеют малые значения и ими можно пренебречь. К третьей группе отнесены следующие качественные свойства приборов: возможность без проблемного функционирования при последовательном соединении нескольких полупроводниковых элементов; возможность без проблемного функционирования при параллельном соединении нескольких полупроводниковых элементов. Данные факторы позволяют без усложнения электрической схемы использовать силовые полупроводниковые приборы в преобразовательных устройствах с меньшими, чем требуется, значениями U$с и IjRMS Четвертая группа характеризует возможность функционирования силового полупроводникового прибора без снабберных элементов. Данный фактор позволяет упростить схему преобразовательного устройства и заметно снизить суммарные потери мощности, особенно при преобразовании электрической энергии на повышенной частоте (свыше 400 Гц).
Компьютерное моделирование силовой схемы электротехнического комплекса с коллекторными двигателями постоянного тока
Существующие пакеты визуального компьютерного моделирования, в зависимости от используемого языка, подразделяются на три группы: пакеты блочного (структурного) моделирования, пакеты имитационного моделирования и пакеты, ориентированные на использование гибридного автомата.
Наиболее известными представителями первой группы являются компьютерные пакеты TUTSIM (1976, TutSim Inter.), EASY5 (1976, The Boeing Company), VisSim (1990, Visual Solutions, Incorporated) и MATLAB-SIMULINK (1991, The Mathworks Incorporated). Причем первые два пакета компьютерного моделирования работают только в режиме DOS и в настоящее время практически не применяются, не смотря на ряд достоинств, связанных с низкими требованиями к типу компьютера и объему памяти. В основу компьютерных пакетов первой группы заложен графический язык иерархических блок-схем. Каждый блок более высокого уровня иерархии состоит из набора стандартных или специализированных блоков, соединенных между собой функциональными однонаправленными связями. К достоинствам такого подхода относится простота создания модели и легкость изменения, как самой структуры модели, так и ее параметров.
Ко второй группе относятся компьютерные пакеты DesignLab (1997, MicroSim Corporation), Caspoc (2001, Controllab Products B. V.), Dymola (1993, Dynasim А. В.), MathCad (1986, MathSoft), которые используют объектно-ориентированные языки моделирования физических систем. При этом непрерывные части описываются с помощью алгебраических и дифференциальных уравнений, а дискретные компоненты задаются описанием дискретных событий, при возникновении которых переменным могут присваиваться новые значения. Такой подход является естественным при описании типовых блоков физических систем. К недостаткам следует отнести необходимость численного решения большого числа алгебраических уравнений.
Представителем третьей группы является отечественный пакет Model Vision Studium. В нем используется карта состояний при описании переключений между состояниями, а также описание непрерывных систем в виде системы алгебраических и дифференциальных уравнений.
При исследовании рабочих процессов в электротехнических комплексах с полупроводниковыми преобразователями широкое применение нашли компьютерные пакеты второй группы и, в частности, пакет прикладных программ Design Center 6.2 (дальнейшая модификация DesignLab 8.0, OrCAD 9.0) [59, 60, 66, 69, 74, 75]. Его интегрированная структурная среда позволяет не только проводить анализ динамического поведения различных электронных полупроводниковых устройств, исследовать вопросы устойчивости, осуществлять выбор конкретных физических параметров аналоговых, цифровых, цифро-аналоговых компонентов и т. п., но и внедрять принцип сквозного автоматизированного проектирования вплоть до подготовки стандартизованной электротехнической документации.
В прикладной пакет версии Design Center входят программы Schematics, PSpice & Basics, PSpice A_D & Basics+ и Probe. Программа Schematics является графическим редактором, который служит для графического ввода принципиальных электрических схем, для создания библиотечных символов различных элементов и устройств, а также для передачи функций управления другим программам (PSpice & Basics, PSpice AD & Basics+, Probe и т.п.). Программа PSpice & Basics позволяет осуществлять математическое моделирование электрических схем, содержащих аналоговые элементы. Программа PSpice A_D & Basics+ служит для математического моделирования аналого-цифровых устройств. Программа Probe позволяет осуществлять файловую обработку, документирование и отображение результатов математического моделирования в виде двухмерных графиков.
Достоинством рассматриваемого прикладного пакета программ Design Center является наличие большой библиотеки математических моделей реальных приборов (диодов, транзисторов, тиристоров, операционных усилителей, цифровых интегральных схем, магнитных сердечников и т. п.).
При существующих достоинствах Design Center в области компьютерного моделирования электронных устройств, данный программный продукт нельзя непосредственно использовать при исследовании рабочих процессов совместно с электромеханическими устройствами. Для решения данной проблемы применяют принцип электромеханических аналогий, при котором механические переменные и постоянные заменяются аналогичными по физике явлений электрическими переменными и постоянными. В частности, электромагнитный момент электромеханического устройства и момент нагрузки, приведенного к ротору, замещают источником напряжения, момент инерции ротора и момент инерции нагрузки, приведенного к ротору, замещают одно-обмоточным реактором, а скорость ротора - переменной тока, который протекает по синтезируемой электрической схеме замещения. Соответственно, всем перечисленным аналогам составленной электрической схемы присваивают абсолютные численные значения соответствующих механических постоянных и переменных электромеханического устройства, представленных в системе измерений СИ. При таком подходе используемый пакет прикладных программ Design Center универсально адаптируется к моделированию электротехнических комплексов, функционально объединяющих статические преобразователи, электромеханические устройства и цифро-аналоговые системы управления. Однако опыт работы с Design Center выявил проблемы сходимости и как следствие высокие затраты машинного времени при компьютерном моделировании электротехнических комплексов, имеющих в своем составе устройства с существенно разными постоянными времени. Особенно это обнаруживается при наличии высоких скоростей нарастания тока или напряжения на элементах электрической цепи, а также при использовании замкнутых систем управления.
С учетом сохранения адекватности моделей при снятии или введения допущений, устойчивости к изменениям параметров, способности к модификации схемы и совместимости с другими типами моделей для решения поставленных задач выбран сравнительно новый пакет прикладных программ CASPOC [64, 72, 76. ..78].
В основу данного программного продукта в отличие от Design Center заложена мультиуровневая программная среда. Первый уровень образуется CASPOC-моделями, которые отражают математические соотношения. Второй уровень составляют CASPOC-модели активных и пассивных элементов электрических схем, различные электромеханические и механические устройства. Третий, так называемый системный уровень, предназначен для программирования функций управления и регулирования, включая даже применение других программных продуктов.
Анализ результатов моделирования в электротехническом комплексе с асинхронными двигателями
В первом варианте снижается ускорение разгона электропоезда и, соответственно, повышается время движения между остановками. Во втором варианте существенно возрастает масса сглаживающего реактора. Применение третьего варианта ограничено величиной допустимых коммутационных потерь в полупроводниковых ключевых приборах, которые значительно возрастают с ростом частоты переключения.
В качестве примера, для рассматриваемого режима работы на рис. 3.3 приведена кривая мгновенного значения напряжения на силовом ключе импульсного регулятора. При этом в наихудшем случае наибольшая скорость нарастания напряжения на ключевом приборе равна 1268 В/мкс. Фрагмент кривой мгновенного значения напряжения для данного случая приведен на рис. 3.4.
При переходе электропоезда к электродинамическому торможению посредством тягового переключателя и силового реверсора происходит перевод коллекторного двигателя в генераторный режим. Поскольку тяговый двигатель имеет высокие обороты якоря, то его возбуждение и соответственно ЭДС якорной обмотки быстро возрастает. При этом максимальное значение напряжения определяется значением угловой скорости вращения якоря двигателя и значением активного сопротивления тормозных резисторов. В качестве примера, на рис. 3.5 представлена кривая мгновенного значения выходного напряжения тягового двигателя в режиме электродинамического торможения. Как видно из представленной кривой, максимальное значение выходного напряжения на двигателе достигает уровня 2115 В.
Затем вследствие снижения угловой скорости якоря наступает плавное уменьшение выходного напряжения на двигателе. Кинетическая энергия движения электропоезда с помощью тяговых двигателей преобразуется в электрическую энергию, которая в виде тепла рассеивается в тормозных резисторах. В момент времени, когда якорный ток двигателя достигает значение заданной уставки, система управления импульсным регулятором начинает вырабатывать управляющие сигналы для силовых ключевых приборов. При этом функционирование силовых ключей (ЮСТ тиристоров), которые в открытом состоянии шунтируют тормозные резисторы, обеспечивает стабилизацию заданного среднего уровня якорного тока и, соответственно, поддержание требуемого тормозного ускорения электропоезда. В рассматриваемом примере (рис. 3.5) силовые IGCT тиристоры начинают шунтировать тормозные резисторы, когда якорный ток тягового двигателя в генераторном режиме достигает уровня 100 А. Данному моменту времени соответствует выходное напряжение двигателя примерно равное 1000 В,
В свою очередь функционирование IGCT тиристоров вызывает появления пульсаций выходного напряжения двигателя. Относительное максимальное значение по отношению к среднему значению выходного напряжения двигателя амплитуда пульсаций имеет в конце электродинамического торможения, а абсолютное максимальное значение - в начале функционирования ЮСТ тиристоров. В рассматриваемом примере амплитуда достигает максимального значения 40 В. При этом максимальные значения напряжения на закрытом силовом ключе импульсного регулятора полностью совпадает с максимальными значениями выходного напряжения на двигателе, функционирующем в генераторном режиме.
В начале электродинамического режима кривая мгновенного тока (рис. 3.6), протекающего по цепи двигателя, имеет аналогичный характер с кривой мгновенного выходного напряжения. Сначала якорный ток быстро растет до максимального значения 203 А, а затем по мере уменьшения скорости вращения ротора снижается. После снижения якорного тока до заданного значения 100 А, начинают функционировать силовые тиристоры. Система управления импульсного регулятора постепенно увеличивает длительность открытого состояния силовых тиристоров так, чтобы происходила стабилизация якорного тока на требуемом среднем уровне. В приведенном примере этот уровень соответствует 150 А. При этом амплитуда пульсаций якорного тока двигателя принимает максимальное значение в начале функционирования силовых тиристоров импульсного регулятора. В рассматриваемом примере она достигает 33 А (рис. 3.7). После достижения максимально допустимой длительности открытого состояния силовых тиристоров по мере уменьшения скорости вращения ротора происходит снижение среднего значения якорного тока. Когда скорость электропоезда уменьшается до заданного уровня (ниже 5-7 км/час), силовые тиристоры полностью закрываются, и вырабатывается сигнал на переход в режим электропневмагического торможения.
В ходе исследования рабочих процессов в рассматриваемом электротехническом комплексе были выявлены следующие закономерности: При повышении мощности механической нагрузки тяговых двигателей происходит существенное повышение потерь электрической энергии в кламперных и снабберных цепях импульсного регулятора. В тоже время с ростом напряжения контактной сети, проявляется тенденция к ухудшению условий функционирования силовых ключевых приборов (IGCT тиристоров). Соответственно, особое внимание необходимо уделять анализу рабочих процессов при максимальном напряжении контактной сети и максимальной механической нагрузке тяговых двигателей.
С ростом значения индуктивности L кламперного реактора максимальное значение импульсного напряжения (Uvs) на закрытых силовых тиристорах повышается (рис. 3.8). Это происходит за счет передачи в снабберные конденсаторы части электромагнитной энергии, накопленной, как в кламперном реакторе, так и в индуктивности рассеивания питающих проводов. Снижение максимального напряжения достигается за счет повышения емкости снабберных цепей и уменьшения значения активного сопротивления кламперного резистора. В свою очередь значение индуктивности кламперного реактора незначительно влияет на максимальное значение скорости роста напряжения (dU/dt) на закрытом тиристоре. С повышением индуктивности кламперного реактора, происходит небольшое увеличение скорости нарастания напряжения на закрытых тиристорах.
С защитной точки зрения при коротком замыкании силового обратного диода импульсного регулятора рационально иметь максимально возможное значение индуктивности кламперного реактора. В этом случае индуктивность кламперного реактора ограничивает скорость нарастания аварийного тока, что позволяет осуществлять аварийное закрытие силовых тиристоров при сравнительно малых значениях тока короткого замыкания. Чем выше значение индуктивности кламперного реактора, тем меньше значение аварийного тока короткого замыкания.
С энергетической точки зрения рационально иметь минимально возможное значение индуктивности кламперного реактора. Это обусловлено тем, что большая часть электромагнитной энергии, накопленной в кламперном реакторе, выделяется в кламперном резисторе в виде тепла. Чем выше индуктивность кламперного реактора, тем больше электрической энергии выделяется в кламперном резисторе.
Электрические испытания в переходных и аварийных режимах бортового электротехнического комплекса
Предложенный алгоритм проектирований рассматриваемого бортового высоковольтного электротехнического комплекса, основанный на использование приведенных материалов и полученных результатов диссертационной работы, содержит следующие этапы.
Этап №1. Формирование общего технического задания на разработку бортового высоковольтного электротехнического комплекса. На данном этапе определяются входные и выходные параметры разрабатываемого электротехнического комплекса, а также основные технические требования и условия его функционирования. Правильно и четко сформулированные технические требования и параметры электротехнического комплекса - залог положительного результата проектирования.
Этап №2. Формирование частных технических требований и условий функционирования каждого отдельного компонента электротехнического комплекса. Применительно к железнодорожному транспорту, по всем требованиям, не оговоренным в общем техническом задании, каждый компонент должен соответствовать требованиям ГОСТ 9219, «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей», «Правилам устройства электроустановок», «Нормам испытания электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей». Также должны быть учтены рекомендации МЭК «Предельные температуры, допустимые при эксплуатации элементов электрического оборудования тягового подвижного состава (публикация 563)», «Правила для резисторов, используемых в силовых цепях электроподвижного состава (публикация 322)», «Правила на электронное оборудование, используемое на железнодорожном транспорте (публикация 571) с учетом дополнений 571-1.. .571-3».
Этап №3. Разработка электрической схемы, расчет параметров и выбор составляющих элементов входного фильтра А1 (рис. 1.14). Входной фильтр является промежуточным звеном между источником электроэнергии (контактной сетью) и потребителями (тяговыми двигателями). Именно он обеспечивает требуемый уровень пульсаций тока в контактном проводе, который не оказывает мешающего влияния на приемные катушки систем автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН), кабельные линии связи, рельсовые цепи и устройства сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Этап №4. Расчет параметров сглаживающего реактора (L3, L4, рис. 1.14) с учетом допустимого уровня пульсаций якорного тока и заданной величины скорости нарастания аварийного тока, протекающего при коротком замыкании в обмотках тяговых двигателей. Этап №5. Расчет параметров и выбор тормозных силовых резисторов (A3 и А5, рис. 1,14) с учетом допустимого максимального значения тока, протекающего по якорным обмоткам в режиме «электродинамического торможения», и требуемого уровня тормозного момента, развиваемого тяговыми двигателями. Этап №6. Расчет параметров и выбор типа силового 1GCT тиристора (VS1, VS2, рис. 1.17), антипараллельного диода (VD3, VD5), силового обратного диода (VD7, VD8), силового тормозного диода (VD9, VD10) и уравнительных резисторов (R9, RIO, R15, R16 и R21, R22). При выборе типа силового 1GCT тиристора рационально использовать предложенные в главе 1 сравнительные критерии. Этап №7. Расчет параметров и выбор элементов кламперных защитных цепей (LI, R1...RS, VD1 и VD2, рис. 1.37), входного конденсатора (С1 и С2) и блока варисторов с учетом возможности возникновения «глухого» короткого замыкания на выходе силового IGCT тиристора (VS2, рис. 1.17). Этап №8. Расчет параметров и выбор элементов снабберных защитных цепочек (VD4, R11...R14, СЗ и VD6, R17...R20, С4, рис. 1.17) с учетом заданного максимального значения тока, протекающего по якорным обмоткам тяговых двигателей в режиме «тяга», и возможности возникновения «глухого» короткого замыкания на выходе силового IGCT тиристора (VS2, рис. 1.17). Этап №9, Расчет параметров и выбор сглаживающего конденсатора (С5...С8, рис. 1.17) с учетом заданного максимального значения тока, протекающего по якорным обмоткам в режиме «электродинамического торможения», и индуктивности выбранных тормозных резисторов (A3 и А5, рис. 1.14). Этап №10. Проектирование вторичного источника питания (ВИП, рис. 1.17) и блока контроля сигналов (БКС), который контролирует достоверность и правильность поступающих управляющих сигналов на IGCT тиристоры. Особое внимание следует уделить схемотехническому обеспечению надежной гальванической развязки между высоковольтными и низковольтными цепями. Этап №11. Разработка алгоритма функционирования и принципиальной схемы системы управления рассматриваемого высоковольтного электротехнического комплекса. Система управления является "мозгом" всего электротехнического комплекса, который объединяет его силовые, защитные и информационные компоненты. При составлении алгоритма функционирования системы управления особое внимание следует уделить правильному выбору входных и выходных сигналов, а также формированию режимов «блокировка» и «выход из строя» силовых цепей разработанного электротехнического комплекса. Этап №12. Расчет параметров и выбор резисторов (R4, R8, рис. 1.14) ослабления магнитного поля тяговых двигателей с учетом допустимого значения межламельного напряжения при максимальной скорости электропоезда. Этап №13. Разработка электрической схемы, расчет параметров и выбор элементов вспомогательных источников питания (А4, А7, рис. 1,14) с учетом требуемого значения тока возбуждения тяговых коллекторных двигателей при переходе в режим электродинамического торможения. Этап 14. Проектирование информационных элементов защиты, к которым относятся (рис. 1.14): дифференциальное реле (QD1) с измерительными токовыми шунтами (RSI, RS2), предназначенное для определения замыкания любой точки силовой схемы на корпус электропоезда; датчики тока (ВИ, В12), предназначенные для измерения якорного тока; реле буксования (РБ1, РБ2), предназначенные для формирования электрического сигнала при возникновении проскальзывания колесных пар в режиме «тяги» электропоезда и юза колесной пары в режиме «электродинамического торможения».
