Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор систем регулирования возбуждения тяговых двигателей электроподвижного состава
1.1. Системы регулирования ослабления возбуждения 6
1.2. Сравнение систем регулирования возбуждения 15
ГЛАВА 2. Системы регулирования возбуждения тяговых двигателей
2.1. Способы и устройства регулирования возбуждения тяговых двигателей
2.2. Импульсное регулирование возбуждения тяговых двигателей 24
2.3. Функциональная и структурная схемы тиристорного шунта 27
2.4. Особенности построения схем полупроводниковых безындуктивных шунтов
2.5. Оценка влияния полупроводникового прибора в схеме безындуктивного шунта на характеристики тяговых двигателей
2.6. Особенности импульсного регулирования возбуждения в режиме электрического торможения
2.7. Выводы 68
ГЛАВА 3. Система плавного регулирования ослабления возбуждения тяговых двигателей
3.1. Особенности плавного регулирования ослабления возбуждения для улучшения использования мощности тяговых двигателей
3.2. Функциональная схема и алгоритм работы устройства плавного регулирования ослабления возбуждения тяговых двигателей
3.3. Исследование работы схемы плавного регулирования ослабления возбуждения на электронной модели
3.4. Математическое моделирование параметров схемы плавного регулирования ослабления возбуждения
3.5. Экспериментальное исследование схемы плавного регулирования ослабления возбуждения
3.6. Интегрированная система управления тяговым двигателем 92
3.7. Схемы защиты силовых ключей 96
3.8. Выводы 102
ГЛАВА 4. Системы регулирования скорости электропоездов постоянного тока 103
4.1. Особенности эксплуатации систем регулирования скорости электропоездов постоянного тока
4.2. Система регулирования скорости электропоездов постоянного тока коммутацией обмоток возбуждения
4.3. Экспериментальное исследование схемы коммутации обмоток возбуждения
4.4. Реализация технических решений систем регулирования скорости электропоездов постоянного тока
4.5. Выводы 133
Заключение 134
Список литературы
- Сравнение систем регулирования возбуждения
- Импульсное регулирование возбуждения тяговых двигателей
- Функциональная схема и алгоритм работы устройства плавного регулирования ослабления возбуждения тяговых двигателей
- Система регулирования скорости электропоездов постоянного тока коммутацией обмоток возбуждения
Введение к работе
Принятая ОАО РЖД программа «Создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 годах» предусматривает два основных направления: капитальный ремонт с продлением срока службы (КРП) и строительство нового подвижного состава. Проектируемый электроподвижной состав (ЭПС) должен обеспечивать снижение расхода электроэнергии и цветных металлов за счет совершенствования тягового электропривода. Капитальный ремонт с продлением срока службы позволяет модернизировать подвижной состав, увеличивая срок эксплуатации отработавшего нормативный ресурс ЭПС на 10 - 15 лет[1].
Аналогичная программа принята Октябрьской железной дорогой. В приписном парке дороги находится 1164 секций электропоездов, основную часть приписного парка составляют электропоезда серии ЭР2. В период с 2004-2007 годы выработают нормативный срок службы: 503 секции ЭР2 и 186 электровозов серии ВЛ10, что составляет 74% и 70% приписного парка соответственно [2]. В указанный период планируется приобретать по 10 новых электропоездов и проводить капитальный ремонт с продлением срока службы 30 электропоездам в год, поэтому затраты на КРП приобретают решающее значение в выполнении программы. Стоимость капитального ремонта с продлением срока службы составляет до 40 % от цены нового электропоезда. Применение полупроводниковых приборов в силовых схемах нового и модернизируемого при производстве КРП электроподвижного состава позволит повысить надежность тягового электропривода, расширить диапазон регулирования скорости, снизить потери мощности [3, 4].
Целью работы является поиск новых технических решений тягового электропривода, улучшающих технические характеристики электроподвижного состава с электронными системами ослабления возбуждения тяговых двигателей. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
выполнить анализ систем регулирования возбуждения тяговых двигателей электроподвижного состава и определить требования к алгоритмам управления учитывающих условия эксплуатации;
разработать новые системы ослабления возбуждения тяговых двигателей с использованием современных полупроводниковых приборов;
оценить качество переходных процессов в предлагаемых системах ослабления возбуждения.
выявить влияния полупроводниковых приборов на характеристики тяговых двигателей при ослабленном возбуждении.
Влияние характеристик полупроводниковых приборов в электронных системах ослабления возбуждения тяговых двигателей электроподвижного состава на показатели качества функционирования выполнено методами теории электрических цепей с помощью программ математического моделирования Mat Lab, Multisim (EWB).
Сравнение систем регулирования возбуждения
На рис. 1.5 приведена классификация систем регулирования возбуждения, в основу, которой положен способ возбуждения. Классификации показывает, что большим разнообразием отличаются системы регулирования с последовательным возбуждением тягового двигателя.
Увеличение мощности электровозов и приближение к предельному использованию сцепного веса повышает актуальность проблемы индивидуального регулирования тяговых двигателей. Существуют причины, которые подтверждают необходимость такого регулирования, заключающиеся в расхождении скоростных характеристик, диаметров колес, омического сопротивления обмоток тяговых двигателей и резисторов, шунтирующих обмотки возбуждения. Совершенствование систем управления ЭПС идет по пути развития: - плавного регулирования возбуждения; - индивидуального регулирования мощности в зависимости от величины скольжения колесной пары; - индивидуальной защиты от боксования и юза.
В качестве примера можно привести систему последовательно-независимого возбуждения, в которой осуществляется подпитка обмотки возбуждения двигателя, связанного с боксующей колесной парой, через индивидуальные мостовые выпрямители от специального трансформатора с регулированием двумя встречно-параллельно включенными тиристорами в первичной обмотке. На выходе выпрямителя поддерживается напряжение, равное падению напряжения на обмотках возбуждения [21].
Сравнение систем управления ЭПС с независимым и последовательным возбуждением тяговых двигателей показывает, что при независимом возбуждении появляется возможность повысить массу грузовых поездов [22, 23]. При испытаниях электровоза ВЛ60К с двигателями независимого возбуждения, разница токов составила 500 А, что исключает, практически, возможность работы по системе многих единиц, так как часть двигателей переходит в генераторный режим. При последовательном возбуждении разница токов двигателей не превышала 50 А. При последовательно-независимом возбуждении тяговых двигателей среднее отклонение токов составило 40-50 А, максимальное 80 А. При индивидуальном регулировании за счет подключения выпрямительных мостов к разным напряжениям вторичной обмотки трансформатора расхождение токов снижается до уровня схемы с двигателями последовательного возбуждения [24].
Эффективность метода регулирования возбуждения при сохранении последовательного соединения обмоток тягового двигателя подтверждается данными, приведенными в [25]. Выполненные исследования показали, что при практически одинаковой мощности, расходуемой системой с прерывателем в цепи якоря и системой регулирования возбуждения тягового двигателя, последняя оказывается более выгодной с точки зрения снижения стоимости нового производства и увеличения эффективности использования. Для моторных вагонов поэтому была выбрана схема пуска и торможения приведенная на рис.1.6.
В настоящее время на электрическом подвижном составе используются преимущественно тяговые двигатели последовательного возбуждения, лучшее использование мощности которых достигается регулированием возбуждения, что отражено в классификации на рис. 1.5. По способу воздействия и изменения коэффициента ослабления возбуждения эти системы могут быть разбиты на две подгруппы. К первой подгруппе следует отнести системы, в которых регулирование возбуждения осуществляется изменением величины сопротивления резистора, подключаемого совместно с другими элементами (индуктивный шунт, полупроводниковый прибор) параллельно обмотке возбуждения. Вторая подгруппа объединяет системы, в которых ослабление возбуждения определяется как величиной сопротивления резистора, так и схемой включения обмоток возбуждения и якорей тяговых двигателей.
На рис. 1.7 и рис. 1.8 приведены системы управления возбуждением, относящиеся к каждой из указанных подгрупп, характерной особенностью которых является использование в них силовых полупроводниковых приборов, позволяющих существенно изменить структуру схемы и регулировочные свойства тяговых двигателей [26, 27].
В [28] предложено устройство (рис. 1.7), в котором диод, включенный в одну из секций обмотки возбуждения и шунтированный вместе с этой секцией резистором, блокирует прохождение тока через резистор, обусловленного взаимоиндукцией между шунтированной и нешунтированной частями обмотки возбуждения. При отсутствии диода в переходном режиме (исчезновение и восстановление напряжения) из-за размагничивающего действия шунтированной части обмотки возбуждения в якорной цепи тягового двигателя могут возникнуть опасные всплески тока.
Особенность системы регулирования изображенной на рис.1.8, в реализации плавного изменение напряжения, подводимого к последовательно соединенным обмоткам якорей и возбуждения тяговых электродвигателей. При коэффициенте заполнения, равном единице, за счет параллельного включения обмоток возбуждения реализуется коэффициент- ослабления, равный 0,5. Достоинство схемы состоит в том, что при толчках напряжения смягчаются переходные процессы из-за наличия входного и выходного фильтров, появляется возможность локализации их импульсным регулятором. Недостатки заключаются в снижении силы тяги при разгоне электроподвижного состава и необходимость применения на подвижном составе с числом двигателей, кратным двум без перегруппировок в процессе пуска [27].
Импульсное регулирование возбуждения тяговых двигателей
Импульсное регулирование тока возбуждения осуществляется изменением относительной длительности импульсов напряжения, прикладываемых к обмотке возбуждения. Относительная длительность импульса напряжения в зависимости от схемы подключения импульсного регулятора к обмотке возбуждения равна коэффициенту заполнения Л при последовательном включении импульсного регулятора (рис.2.1), или 1-Я в схеме параллельного подключения импульсного регулятора (рис.2.2). Амплитуда импульса напряжения Ue, прикладываемого к обмотке возбуждения, равна падению напряжению на резисторе RM: с.=яи.(/;- .). (2.11) Среднее напряжение, прикладываемое к обмотке возбуждения Uвср.посл = ш -Л-Уя 7в) (2Л2) ивср.пар=Яш-(1-Л)-(1я-1в) (2.13) Тогда среднее значение тока возбуждения _ вер. в =- - (2-Й)
Независимо от схемы включения импульсного регулятора, ток возбуждения пульсирует на уровне среднего значения. Из выражений (2.12) и (2.13), среднее напряжение на обмотке возбуждения можно принять равным падению напряжения на резисторе шунтирующем ее, с эквивалентным сопротивлением Подставляя в (2.17) значения эквивалентного сопротивления из уравнений (2.15) и (2.17), получим
Из (2.18) и (2.19) следует, что коэффициент ослабления возбуждения нелинейно зависит от коэффициента заполнения, характер зависимости определяется схемой подключения импульсного регулятора к обмотке возбуждения и соотношением сопротивлений обмотки возбуждения и включенного параллельно ей резистора. В схеме с последовательным включением импульсного регулятора коэффициент ослабления возбуждения возрастает с увеличением коэффициента заполнения, а в схеме с параллельным включением импульсного регулятора уменьшается [8].
Значениям Я = 0 и Я = 1 соответствуют закрытое и открытое состояния тиристора, это позволяет заменить индуктивный шунт или импульсный регулятор безындуктивным полупроводниковым шунтом, в котором ключевой элемент находится в одном из двух состояний, определяемым положением контроллера машиниста (ослабление возбуждения включено — выключено).
Схема импульсного регулирования возбуждения тягового двигателя при параллельном включении импульсного регулятора Реализация схемы безындуктивного шунта значительно проще, чем схемы импульсного регулирования.
Функциональная и структурная схемы тиристорного шунта
На рис.2.3 изображена упрощенная принципиальная схема ослабления возбуждения с использованием тиристора VS, где й, и й2 резисторы 1 и 2 ступени ослабления возбуждения, К — контактор ступени ослабления возбуждения. Тиристорный шунт отключает цепи ослабления возбуждения тягового двигателя при колебаниях напряжения в контактной сети, восстановлении напряжения после отрыва токоприемника, восстановлении сцепления колес с рельсами после разносного боксования, действуя при этом аналогично индуктивному шунту [37, 38].
На рис.2.4 приведена упрощенная схема силовых цепей электропоезда ЭР2 с тиристорным шунтом [39, 40]. В схему включены следующие элементы: главные VS1, VS3 и коммутирующие VS2, VS4 тиристоры; коммутирующие конденсаторы Ск1 и Ск2; зарядные Язарі, Язар2 и дополнительные резисторы Rdonl, Rdon2; датчики токов якоря ДТЯ и возбуждения ДТВ. Зарядные резисторы Лзарі, Язар2 служат для первоначальной зарядки коммутирующего конденсатора. Дополнительные резисторы Rdonl, Rdon2 предназначены также для первоначального заряда коммутирующего конденсатора и создания дополнительной ступени ослабления возбуждения.
Схема тиристорного шунта работает следующим образом. После постановки рукоятки контроллера машиниста во 2-ю или 4-ю позицию замыкаются контакторы Ш1 и Ш2, параллельно обмоткам возбуждения ОВ1, ОВ2 (ОВЗ, ОВ4) включаются резисторы Rdonl(Rdon2) и R3apl(R3ap2), коммутирующие конденсаторы Ск1(Ск2) заряжаются до напряжения на обмотках возбуждения UOB- При этом создается первая (/?=90%) ступень ослабления возбуждения тяговых двигателей. Далее подается сигнал управления на главные тиристоры VSl(VS3). Тиристоры открываются, и включается вторая ступень ослабления возбуждения (/7=67%). Цепь шунтирования обмоток возбуждения реализована резисторами Ron2-i(Rom-2) и R12(R14). Величина сопротивлений Rom-i и Rom-2 равна величине активного сопротивления заменяемого индуктивного шунта, резисторы R12 и R14 — штатные резисторы первой ступени ослабления возбуждения. Третья ступень ослабления возбуждения (/?=50%) создается замыканием контакторов 11(12), аналогично штатной схеме.
При возникновении в силовой цепи бросков тока больше установленной величины срабатывает ДТЯ. На коммутирующие тиристоры VS2(VS4) подаются сигналы управления. Главные тиристоры VS1(VS3) коммутируют, после чего конденсаторы Ск1(Ск2) перезаряжаются током тяговых двигателей через VS2(VS4) и резисторы ослабления возбуждения. После их перезаряда цепь ослабления возбуждения закрывается, так как ток протекающий через коммутирующие тиристоры VS2(VS4) меньше тока удержания. Тяговые двигатели переводятся на полное возбуждение. После получения сигнала с ДТЯ о том, что ток в цепи тяговых двигателей уменьшился до номинальной величины, подается сигнал на главные тиристоры VS1(VS3) и соответствующая ступень ослабления возбуждения включается повторно.
Функциональная схема и алгоритм работы устройства плавного регулирования ослабления возбуждения тяговых двигателей
Контакторная система вывода шунтирующих резисторов из цепи ослабления возбуждения с использованием индуктивных шунтов, как правило, имеет не более шести ступеней регулирования, что ограничивает реализацию силы тяги, развиваемую тяговыми двигателями [73]. Современные средства силовой электроники позволяют построить системы плавного регулирования ослабления возбуждения тяговых двигателей без ограничения числа ступеней регулирования, исключив использование дорогостоящих индуктивных шунтов и ненадежных электромеханических контакторов. При разработке электронных шунтов необходимо учесть следующие ограничения, накладываемые отсутствием индуктивности в шунтирующей цепи: при быстром нарастании тока двигателя вызванном увеличением напряжения контактной сети или в процессе регулирования, нарастающий ток пойдет преимущественно через шунтирующую цепь, выполненную на резисторах, так как ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения препятствует нарастанию тока. Ток возбуждения 1в будет оставаться постоянным в то время, как ток якоря Ія возрастет. Следовательно, коэффициент ослабления возбуждения /? будет уменьшаться, что означает дополнительное ослабление возбуждения двигателя.
Для нестационарного режима, в схеме ослабления возбуждения без индуктивного шунта должны выполняться следующие условия: ie-Re+Le. = iM.RM, (3.16) at in-Re+Le-j3 = (l-j3)-iH-RM. (3.17) at Решая это уравнение относительно Rul получим: R3M= j) Re-(\-e n = Rtu (!-«"). (3.18)
Из уравнения (3.18) видно, что при переходных процессах сопротивление электронного шунта должно изменяться по экспоненциальному закону аналогично закону изменения тока в согласованном индуктивном шунте.
При проектировании схемы электронного регулирования ослабления возбуждения выполнение этого требования достигается изменением приращения сопротивления при постоянном времени дискретизации процесса. Аппроксимация выражения (3.18) позволяет использовать стандартную схему цифроаналогового преобразователя (ЦАП), который преобразует двоичный код на входе ЦАП в пропорциональный ему ток или напряжение на выходе [74]. Функциональная схема электронного шунта, реализующего закон непрерывного регулирования ослабления возбуждения тягового двигателя, приведена на рис.3.1. При включении контактора Кш параллельно обмотке возбуждения ОВ тягового двигателя подключается электронный шунт, выполненный на силовых ключах VT1-VT4, последовательно с которыми включены резисторы R, R4 соответственно. Управление силовыми ключами осуществляет блок управления (БУ). Силовые ключи включаются, когда на их управляющий электрод подано напряжение высокого уровня с соответствующего выхода блока управления, и выключаются когда напряжение
При увеличении тока тягового двигателя больше допустимой величины я - тах или уменьшении коэффициента ослабления возбуждения до пороговой величины mm к Рпорог (3-26)
блок управления ЦАП должен ограничить ток в цепи шунтирования обмотки возбуждения, выключив силовые ключи VT\ - VT4, при этом весь ток тягового двигателя пойдет через обмотку возбуждения. Такой режим не опасен для тягового двигателя, так как при этом двигатель работает на полном возбуждении, а ослабление возбуждения произойдет постепенно при последующих циклах изменения состояния ЦАП от zmin до zmax. В формуле
(3.26) к - коэффициент запаса. Алгоритм работы блока управления электронным шунтом приведен на рис.3.2.
Исследования схемы электронного шунта проводились с помощью прикладного пакета Multisim [76] рис.3.3. Функциональная схема модели электронного шунта приведена на рис.3.4. Модель содержит следующие элементы: ЦАП, выполненный на силовых транзисторах VTX-VT4, в коллекторные цепи которых включены резисторы Rx - R4 с весовыми коэффициентами Rx = 2 R2 = 4 R3 = 8 R4 соответственно [77].
На базы транзисторов через схемы драйверов управления силовыми транзисторами VIА - VID подаются сигналы управления с выходов четырехразрядного счетчика Ш. Состояние выходов счетчика увеличивается на единицу с приходом очередного импульса на его счетный вход С, если на входы разрешения счета СЕ и сброса R подан сигнал низкого уровня -логический «ноль». Если на вход СЕ подать сигнал высокого уровня (логическая «единица») счетчик будет сохранять свое состояние независимо от прихода импульсов на счетный вход С. При подаче сигнала высокого уровня на R вход выходы счетчика сбрасываются в ноль независимо от состояния других входов, так как R вход имеет самый высокий приоритет, что в свою очередь вызывает переход в состояние zi = 0 выходов ЦАП и его сопротивление становится равным бесконечности, а коэффициент ослабления возбуждения Р -1. На счетный вход С счетчика U\ импульсы поступают с генератора VI, частота которого определяется /ги= (3.27) имп.упр.
Система регулирования скорости электропоездов постоянного тока коммутацией обмоток возбуждения
В схемах силовой электроники полупроводниковые ключи в наибольшей степени чувствительны к перегрузкам по току и напряжению [44]. Мероприятия по обеспечению защиты схемы и ее элементов сводятся к двум основным направлениям: к устранению причин и источников электрической перегрузки и методам борьбы с естественными перегрузками.
Основными видами перегрузок по напряжению являются: 1. Перегрузки связанные с питающей сетью. 2. Перегрузки, связанные с процессами коммутации в схеме преобразователя и обусловленные конечными временными параметрами переключения силовых ключей. Перегрузки, связанные с характером нагрузки.
Перегрузки, указанные в первой группе, определяются качеством питающей сети. Для борьбы с ними используют внешние защитные устройства, включаемые параллельно входу преобразователя.
Указанные во второй группе перегрузки связаны с эффектами накопления и рассасывания зарядов в ключевых компонентах схемы, а также с влиянием паразитных элементов монтажа и корпусов приборов. Данные перегрузки ограничивают применением дополнительных защитных схем, включаемых параллельно ключу или группе приборов.
Перегрузки третьей группы определяются действием нагрузок со значительной индуктивностью, что требует дополнительных элементов, шунтирующих нагрузку и обеспечивающих перевод накопленной энергии с целью исключения всплесков напряжения.
Основными видами аварийных токовых перегрузок ключей являются [82]: 1. Короткое замыкание в силовой схеме, обусловленное повреждением полупроводникового прибора. 2. Короткое замыкание из-за повреждения ключа, соединенного параллельно с несколькими другими приборами. 3. Короткое замыкание на выходных клеммах преобразователя. 4. Короткое замыкание цепи нагрузки. 5. Токовая перегрузка, связанная со сбоем в работе системы управления. 6. Токовая перегрузка, связанная с особенностями работы схемы и неидеальностью ключей. 7. Токовая перегрузка, связанная с характером нагрузки. Во всех перечисленных случаях силовой ключ включается на короткозамкнутый контур, или попадает в режим токовой перегрузки в процессе нормального открытого состояния. Наиболее важными методами защиты являются: 1. Повышение помехозащищенности системы управления и самого силового ключа. 2. Подключение внешних защитных устройств, ограничивающих воздействие токовой перегрузки в естественных режимах коммутации. 3. Определение момента токовой перегрузки и подключение быстродействующих систем защиты.
В режимах электрической перегрузки по току и напряжению не должны превышаться параметры, определяющие границы области безопасной работы. При коротких замыканиях в схеме необходимо учитывать перегрузочные характеристики ключа, определяющие предельно допустимые токи короткого замыкания при разной длительности воздействия перегрузки. Отключение импульсов управления в режимах токовой перегрузки не всегда обеспечивает восстановление запирающей способности ключа. Защитные цепи силовых ключей приведены в таблице 3.2. [83, 84].
Для увеличения фронта нарастания напряжения при выключении транзистора используют параллельную емкость с дополнительным диодом и резистором. Резистор предназначен для ограничения сброса энергии, запасаемой в защитной емкости, в транзистор при его включении и шунтируется диодом на этапе выключения. Чем больше величина защитной емкости, тем длиннее фронт нарастания напряжения на транзисторе при запирании. Величина С при этом не оказывает влияния на фронт спада тока. Величина R выбирается из условий полного разряда конденсатора С при включении транзистора и уменьшения до нулевого значения тока в индуктивности L при выключении. Эти условия выполняются, если постоянные времени R-C и уд в несколько раз меньше соответственно интервалов включенного и выключенного состояния транзистора.
Схема с использованием защитного диода TRANSIL. Схема включения защитного диода TRANSIL аналогична схеме со стабилитроном, отличие - время срабатывания составляет несколько пикосекунд и способность поглощать импульсы перенапряжения большой мощности.
