Введение к работе
Актуальность проблемы. В энергетической программе и в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР иа 1986-90 годы и на период до 2000 года" указывается на необходимость значительного увеличения производства силовой преобразовательной техники, комплектных общепромышленных электроприводов (ЭП) с полупроводниковыми преобразователями, как средств, обеспечивающих повышение эффективности использования электрической энергии, технического уровня и интенсификации промышленного производства. Существенная роль отводится преобразовательной технике для таких особенно емких потребителей электрической энергии, какими являются железнодорожный и городской электрический транспорт. Помимо значительной экономии электроэнергии (до 20-25 %) их применение позволяет повысить провозную способность и комфортабельность транспортных средств.
Указанная задача актуальна для ЭП как с двигателями постоянного тока, так и в особенности при переходе на частотно-регулируемый ЭП переменного тока с простыми по конструкции, дешевыми х надежными в эксплуатации асинхронными двигателями (АД). Тем самым создаются дополнительные преимущества, обусловливаемые повышением надежности электрооборудования и коэффициента его использования, что особенно существенно для подвижного состава, а также сокращением малопроизводительного тяжелого труда по обслуживанию электрических машин.
К числу определяющих относится направление развития широкорв-гулируемых по частоте вращения общепромышленных и тяговых ЭП средней и большой мощности на базе автономных преобразователей постоянного напряжения с широтно-импульсным регулированием для ЭП постоянного тока и автономных инверторов напряжения с широтно-импульсным регулированием для ЭП переменного тока.
Имеющийся в мировой практике опыт применения указанных преобразователей показал необходимость системного подхода к. их созданию. Разработка современных ЭП переменного тока должна производиться при более тщательном и теоретически обоснованном учете влияния несинусоидальности кривой выходного напряжения автономных инверторов напряжения (АИН ) , в том числе с широтно-импульсным рв-гулчрованизм (ШИР) , проявляющегося в дополнительных потерях мощности в АД и пульсациях частоты его вращения. Требуется учет и обратного вовдействжя несинусоидальности напряжения двигателя на инвертор, сказывающегося на коммутируемых токах и коммутационных режимах работы. Иными словами, должны быть созданы теоретические и практические предпосылки для управления АД с KOHTpot-лируемыми показателями качества формы кривой выходного напряжения АИН.
Комплексный подход необходим и в принятии решений по схемотехнике автономных преобразователей с целью учета коммутационной способности узлов принудительной коммутации (УПК) , обеспечения в них баланса энергии при рациональном использовании вспомогательных цепей и минимальных коммутационных перенапряжениях на элементах, что особенно важно для преобразователей средней и большой мощности, питающихся от источников повышенного напряжения. Указанные факторы, а также использование принципа многофункциональности входящих компонентов служат предпосылками к синтезу более совершенных схем автономных преобразователей и созданию на их основе разработок с повышенными технико-экономическими показателями. Немаловажную роль играет на современном этапе и решение вопросов преемственности разработок при непрерывно совершенствуемой элементной базе силовых преобразователей, упрощающей задачи последующей модернизации.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с темами комплексных и подотраслевых планов Министерства электротехнической промышленности и постановлением СМ СССР J6 282 от 06.04.83 г., Приказом МЭТП » 304 от 18.05.83 г., Решением СМ СССР 1299р от 24.06.88 г., межвузовской целевой программой "Оптимум" по приказу МинВУЗа СССР Я358 от 26.05.86 г. и контрактом 38-70/1259-22 от 07.02.86 г. с фирмой "Энергоинвест" (СФРЮ) .
Цель работы: теоретическое обобщение и развитие концепций широтно-импульсного формирования и регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного и переменного тока для тягового ЭП городского электротранспорта. Для достижения этой цели ре -шались следующие конкретные задачи:
- сравнительный анализ и синтез алгоритмов переключения управляемых вентилей в инверторах напряжения исходя из совокупности показателей качества формы кривой выходного напряжения ;
- обобщение и развитие теории узлов принудительной коммутации автономных преобразователей ;
- анализ и синтез широтно-импульсннх автономных полупроводниковых преобразователей с высокими технико-экономическими показателями для ЭП постоянного и переменного тока, в частности, для тягового привода городского электротранспорта.
Методы исследования включают классические методы анализа электрических цепей, теории дифференциальных уравнений (кусочно-припасовочный, фазовой плоскости) , гармонического анализа, метода теории электрических машин, а также экспериментальные исследования на лабораторных макетах и реальных объектах. АВТОР выносит на зашиту:
1. Методы анализа и расчета нормализованных показателей качества формы кривой выходного напряжения АШ при работе на АД, учитывающие потери мощности и пульсации частоты вращения АД от высших гармонических.
2. Метод анализа и расчета предкоммутационных токов в АИН с ШИР, работающих в системе частотно-регулируемого ЭП.
3. Новые алгоритмы управления АИН с ШИР с улучшенными показателями качества формы кривой выходного напряжения.
4. Результаты комплексных исследований узлов принудительной коммутации автономных преобразователей для ЭП постоянного и переменного тока.
5. Результаты анализа и синтеза схем автономных преобразователей с широтно-импульсным регулированием, использованные при разработке тяговых ЭП постоянного и переменного тока для городского электрического транспорта (трамваи, троллейбусы, метрополитен).
Научная новизна работы.
1. Проведено обобщение принципов реализации широтно-импульсных способов формирования и регулирования выходного напряжения АИН. Выделены алгоритмы переключения (АЛ ) управляемых ключей в АИН с ШИР, предпочтительные для практического использования. Разработана система параметров, характеризующих ШИР в АИН.
2. Разработана система количественных критериев для оценки качества формы кривой выходного напряжения АИН, предназначенных для ЭП переменного тока.
3. Для АИН с ШИР получены универсальные нормализованные зависимости, характеризующие потери мощности в АД, пульсации частоты вращения и значения предкоммутационного тока, удобные для практического использования. Проведен сравнительный анализ видов ШИР по данным критериям, даны им количественная оценка и выявлены пути практической реализации.
4. Созданы новые способы ШИР в АИН, защищенные 4-я авторскими свидетельствами, обладающие повышенными показателями качества формы кривой выходного напряжения. Проведен их сравнительный анализ, намечены пути применения.
5. Проведено обобщение основных положений теории УПК автономных преобразователей. Разработан ряд положений теории, отражающих коммутационную способность УПК, баланс энергии и средств его обеспечения,влияние УПК на характеристики и показатели преобразователей.
6. Обобщены принципы построения автономных преобразователей с ши-ротнс—импульсным регулированием. На основе их анализа и синтеза разработаны схемы преобразователей, защищенные шестью авторскими свидетельствами, с повышенными технико-экономическими показателями для электроприводов постоянного и переменного тока.
Практические результаты и внедрение.
1. Разработана инженерная методика количественной оценки показателей качества, обеспечивающих обоснованный подход к выбору формы кривой выходного напряжения АИН для частотно-управляемого ЭП с АД.
2. На основании разработанных показателей качества выявлена специфика существующих видов ШИР в АИН и даны рекомендации для их раци-ональното использования.
3. Создана инженерная методика синтеза алгоритма управления АИН с ШИР для частотно-регулируемого ЭП с АД.
4. Разработана инженерная методика определения предкоммутационных токов в АИН с ШИР при частотном управлении АД, необходимых для расчета параметров элементов УПК.
5. Синтезированы алгоритмы переключения управляемых ключей,обеспечивающие в АИН с ШИР кривые выходного напряжения повышенного качества.
6. Разработаны инженерные методики расчета параметров элементов УПК и регулировочных параметров широтно-импульсных преобразователей постоянного и переменного напряжения.
7. Разработаны оригинальные схемы автономных широтно-импульсных преобразователей для ЭП постоянного и переменного тока с повышенными технико-экономическими показателями, допускающие применение различных типов современных силовых управляемых полупроводниковых приборов.
Основные научные и практические результаты использованы в работах по созданию новой техники для городского электрического транспорта, проводимых кафедрой промышленной электроники МЭИ совместно с ВНИПТИ НПО "динамо" (г. Москва) и СКГБ ТЭ (г. Набережные Челны), в частности, в разработке тяговых электроприводов с ши-ротно-импульными автономными преобразователями постоянного и переменного тока.
Комплекс работ автора по разработке алгоритмов управления АНН с ШИР, определению предкоммутационных токов, анализу коммутационных режимов, определению параметров элементов УЖ инверторов и преобразователей реостатного торможения, а также их схемотехнических разработок использованы при создании тяговых электроприводов с АД экспериментального троллейбуса, опытного трехвагонного электропоезда метро, а также шарнирно-сочлененных шестиосных трамвайных вагонов ЗРГЗГ. Теоретические и практические результаты по технике автономных широтно-импульсных преобразователей постоянного напряжения вошли в разрабоку ЭИ с тяговыми двигателями постоянного тока троллейбусов новой серии ЗИУ-6202.
Результаты исследований широтно-импульсных автономных преобразователей использованы в постановке и чтении лекционного курса "Автономные преобразователи" для студентов специальности 20.05 (промышленная электроника) в МЭИ, а также при написании соответствующих разделов учебного пособия "Автономные инверторы и преобразователи частоты" (изд. МЭЙ, 1982 г., 6,5 п.л.) по указанному курсу и учеоника /3 / для студентов электроэнергетических и электромеханических специальностей ВУЗов..
Работы автора, по вопросам теории У11К автономных преобразователей нашли отражение в учебной, научной и справочной литературе отечественных и зарубежных изданий.
Публикация и апробация работы. Основное содержание диссертации изложено в 49 печатных работах, в том числе в 2-х монографиях, учебнике, 33 статьях и 13 описаниях к авторским свидетельствам. Две статьи изданы в зарубежных журналах. Всего по вопросам преобразовательной техники автор имеет 66 печатных публикаций.
Результаты работы докладывались в период 1967-1990 г.г. на 15 всесоюзных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях по преобразовательной технике, общепромышленному и тяговому электроприводам.
В целом работа обсуждалась и получила одобрение в 1987-1990 г.г. на секциях научно-технических Советов ВНИИЭлектропривод (г. Москва), Института электродинамики АН УССР (г. Киев), а также на заседаниях кафедр промышленной электроники МЭИ и электротехники ЛИТМС (г. Ленин:-ад).
Система тягового ЭП троллейбуса с разработанной автором схемой импульсного преобразователя удостоена Золотой медали на Международной выставке ИНТЕРБЫТМАШ (г.Москва ).
