Совершенствование выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока и принципа его управления в режиме тяги Яговкин Дмитрий Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ тенденции развития схем статических полупроводниковых преобразователей для электровозов переменного тока 10

1.1 Развитие поколений статических полупроводниковых преобразователей и разновидности их схемных решений для электровозов переменного тока 12

1.2 Технические решения в области повышения коэффициента мощности электровозов переменного тока в режиме тяги в России 33

1.3 Развитие перспективного направления статических полупроводниковых преобразователей для электровозов переменного тока 37

1.4 Постановка цели и задачи исследования 41

2 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе типового вип электровоза на базе тиристоров и разработка предлагаемого вип на базе igbt транзисторов в режиме тяги 42

2.1 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе типового ВИП в режиме тяги 42

2.1.1 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе типового ВИП на первой зоне регулирования в режиме тяги 43

2.1.2 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе типового ВИП на четвёртой зоне регулирования в режиме тяги 51

2.2 Разработка нового ВИП и способа его управления в режиме тяги 58

2.2.1 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе предлагаемого ВИП на первой зоне регулирования в режиме тяги 63

2.2.2 Аналитическое исследование электромагнитных процессов при работе предлагаемого ВИП на четвёртой зоне регулирования 68

3 Математическое моделирование электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз» в режиме тяги 72

3.1 Выбор прикладного пакета для математического моделирования сложных технических систем 72

3.2 Имитационная модель системы электроснабжения переменного тока 72

3.3 Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока с типовым и предлагаемым ВИП в режиме тяги 77

3.4 Математическая модель тягового трансформатора электровоза 79

3.5 Математическая модель типового ВИП в режиме тяги 84

3.6 Математическая модель предлагаемого ВИП 87

3.7 Цепи защиты СПП предлагаемого ВИП от коммутационных перенапряжений 90

3.8 Математическая модель блока управления типовым и предлагаемым ВИП в режиме тяги 95

3.8.1 Блок управления типовым ВИП 95

3.8.2 Блок управления предлагаемым ВИП 98

3.9 Математическая модель цепи выпрямленного тока в режиме тяги 101

3.10 Оценка адекватности электромагнитных процессов наблюдаемых при работе электровоза и математической модели в режиме тяги 105

3.11 Сравнительное исследование эффективности работы электровоза с типовым и предлагаемым ВИП по результатам расчёта на математической модели 107

3.12 Внешние характеристики типового и предлагаемого ВИП 118

4 Проведение экспериментальных исследований предлагаемого технического решения и его технико экономическая оценка 122

4.1 Разработка физической модели для исследования процессов работы типового и предлагаемого ВИП электровоза переменного тока в режиме тяги 122

4.2 Процессы работы ВИП и их алгоритмы управления в режиме тяги 145

4.3 Результаты исследования работы электровоза с типовым и предлагаемым ВИП на физической модели 148

4.3.1 Анализ гармонического состава тока при работе типового и предлагаемого ВИП в режиме тяги 154

4.4 Технико-экономическая оценка внедрения предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя для повышения коэффициента мощности электровоза серии 2ЭС5К в режиме тяги 155

4.4.1 Расчёт капитальных затрат на оборудование предлагаемым выпрямительно-инверторным преобразователем электровоза серии 2ЭС5К 156

4.4.2 Экономия денежных средств от снижения расхода электрической энергии 158

4.4.3 Экономия денежных средств от снижения интенсивности расхода песка 159

4.4.4 Общая годовая экономия денежных средств 160

Заключение 162

Библиографический список 163

• Развитие перспективного направления статических полупроводниковых преобразователей для электровозов переменного тока
• Разработка нового ВИП и способа его управления в режиме тяги
• Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока с типовым и предлагаемым ВИП в режиме тяги
• Процессы работы ВИП и их алгоритмы управления в режиме тяги

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Российские железные дороги являются мощным потребителем энергоресурсов – на их долю приходится около 5% электроэнергии, потребляемой в стране ежегодно. Снижение затрат электрической энергии на тягу поездов обозначено одной из целевых задач в «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года».

В настоящее время эксплуатируемые отечественные электровозы
переменного тока серий ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ВЛ80ТК, 2ЭС5К, 3ЭС5К и
4ЭС5К оборудуются тиристорными выпрямительно-инверторными

преобразователями (ВИП) и имеют коэффициент мощности (К_м) в режиме тяги не превышающий значения 0,84. Такой К_м свидетельствует о нерациональном использовании для тяги поездов потребляемой из сети электроэнергии и приводит к её перерасходу. Как в России, так и за рубежом уделяется особое внимание поиску решений по повышению эффективности использования затрачиваемой электроэнергии.

Степень разработанности темы. Труды учёных и специалистов в данной области, направлены на повышение энергетических показателей и в частности К_м электровоза в режиме тяги. На снижение энергетических показателей электровоза оказывает влияние множество различных факторов, основным из которых является несовершенство работы ВИП. В основном проводимые научные исследования, направлены на устранение следствия проблемы низкого К_м, в то время как основным существенным недостатком ВИП электровоза является его тиристорная элементная база, со своими особенностями в управлении. На сегодняшний день наиболее перспективным направлением в совершенствовании ВИП электровоза является замена тиристоров на IGBT-транзисторы (Insulated Gate Bipolar Transistor) с разработкой методов и средств их управления, чему и посвящена данная диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является повышение

коэффициента мощности электровоза переменного тока в режиме тяги путём разработки методов и средств управления выпрямительно-инверторными преобразователями на базе IGBT-транзисторов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнено аналитическое исследование электромагнитных процессов ВИП на тиристорах и IGBT-транзисторах электровоза переменного тока методом анализа мгновенных схем замещения.

2. Разработан способ управления ВИП на базе IGBT-транзисторов, повышающий коэффициент мощности электровоза переменного тока в режиме тяги.

3. Разработана обобщённая математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз» с ВИП на базе IGBT-транзисторов и блок его управления. Проведено сравнительное математическое моделирование электромагнитных процессов ВИП на тиристорах и IGBT-транзисторах электровоза переменного тока в программном комплексе Matlab.

4. Разработан экспериментальный лабораторный стенд привода электровоза переменного тока в режиме тяги, позволяющий моделировать физические процессы ВИП на тиристорах и IGBT-транзисторах.

5. Проведены лабораторные исследования работы ВИП на тиристорах и IGBT-транзисторах электровоза при реализации зонно-фазового регулирования выпрямленного напряжения и сравнение их коэффициентов мощности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложен способ управления ВИП на базе IGBT-транзисторов

электровоза в режиме тяги, обеспечивающий работу транзистора в цепи с

высокой индуктивностью и значительно повышающий коэффициент

мощности относительно типового ВИП.

2. Предложен алгоритм программного обеспечения, позволяющий реализовать управление ВИП на базе IGBT-транзисторов электровоза переменного тока в режиме тяги.

3. Разработана обобщённая математическая модель системы «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз», в которой математическая модель электровоза выполнена для режима тяги с ВИП на базе IGBT-транзисторов и реализацией способа его управления.

Научно-техническая новизна подтверждена патентом РФ на изобретение №2557006.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Обобщённая математическая модель «тяговая подстанция – контактная сеть – электровоз» разработанная в программном комплексе Matlab, позволяет исследовать работу электровоза в режиме тяги с ВИП на базе IGBT-транзисторов и способа его управления.

2. Разработан лабораторный стенд, позволяющий проводить физическое моделирование работы ВИП электровоза на базе тиристоров и IGBT-транзисторов, а также учебные занятия по дисциплине «Системы управления электроподвижным составом» со студентами специальности «Электрический транспорт железных дорог».

3. Разработан микропроцессорный блок управления, реализующий способы управления ВИП на базе IGBT-транзисторов электровоза в режим тяги.

4. Определены параметры элементов цепей защиты для IGBT-транзисторов ВИП электровоза от коммутационных перенапряжений, позволяющие ограничить выбросы напряжения до безопасного уровня.

Объектом исследования является выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза переменного тока.

Предметом исследования электромагнитные процессы

выпрямительно-инверторного преобразователя, а также методы и средства его управления.

Методы исследований. Для достоверного доказательства

значительного повышения К_м электровоза переменного тока с ВИП на базе IGBT-транзисторов использовался широкий спектр исследований: сравнительный математический анализ электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза при различных схемах и способах управления; математическое моделирование электромагнитных процессов в силовых цепях электровоза и устройствах управления на ЭВМ; физическое моделирование процессов работы ВИП на базе IGBT-транзисторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ управления ВИП на базе IGBT-транзисторов электровоза в
режиме тяги, обеспечивающий работу транзистора в цепи с высокой
индуктивностью и значительно повышающий коэффициент мощности
относительно типового ВИП.

2. Обобщённая математическая модель системы «тяговая
подстанция – контактная сеть – электровоз» для режима тяги электровоза с
ВИП на базе IGBT-транзисторов и способом его управления.

Достоверность научных положений и результатов. Достоверность теоретических представлений подтверждается результатами, полученными при математическом моделировании в среде MatLab/Simulink и сопоставлением с данными физического моделирования на лабораторном стенде.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
и её результаты докладывались и обсуждались на общесетевом слёте
молодёжи ОАО «РЖД» в рамках конкурса инновационных проектов
«Новое звено» (г. Москва, 2012, 2013 гг.,); всероссийской научно-
практической конференции с международным участием «Транспортная
инфраструктура Сибирского региона» (ИрГУПС, Иркутск 2012-2014 гг.);
выездном заседании секции «Локомотивное хозяйство» Научно-
технического совета ОАО «РЖД» по теме «Принципы построения
магистрального электровоза переменного тока с высокими

энергетическими показателями в режимах тяги и рекуперативного торможения», ООО «ПК НЭВЗ», Новочеркасск, протокол №12 от 10 июня 2015 г.; VIII международном симпозиуме «Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта», ПГУПС, г. Санкт-Петербург 2015 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10-ти печатных трудах, из них 4 статьи опубликованы в ведущих научных рецензируемых журналах и изданиях перечня ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 134 наименований, и содержит 162 страницы основного текста, 20 таблиц и 91 рисунок.

Развитие перспективного направления статических полупроводниковых преобразователей для электровозов переменного тока

Примерами электровозов с преобразователями первого поколения являются серийно выпускаемые электровозы серий ВЛ60, ВЛ60Р, ВЛ80. Принципиальная схема электровоза (тяговый трансформатор – силовой выпрямитель – ТЭД, т.е. с регулированием напряжения на низкой стороне) оказалась настолько удачной, что в дальнейшем её стали использовать при проектировании советских электровозов переменного тока.

Второе поколение преобразователей, применяемых на электровозах пере 14 менного тока, основано на слабомощных кремниевых полупроводниковых диодах (электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и двумя выводами).

Развитие электронных приборов определяло и развитие энергетической электроники. В 1904 г. Джоном Флемингом в Британии был изобретён электровакуумный диод (кенотрон), создание которого основано на открытии термоэлектронной эмиссии и создании лампы накаливания [31]. Первые полупроводниковые диоды были созданы в Гринлифом Пикардом в 1906 г. в США и предназначались для детектирования радиосигналов. Принцип их работы основывается на несимметричной проводимости контактов разнородных материалов в зависимости от направления тока.

В 1930-е годы созданы первые селеновые и медно-закисные диоды, именно с них началась эра дискретных полупроводниковых приборов [19]. Выпуск первых отечественных серийных полупроводников (купроксные и селеновые вентили или, по тогдашней терминологии, "твёрдые выпрямители") начался в 1942-43 годах на заводах №618 в Саранске (ныне "Электровыпрямитель") и №498 в Москве ("Старт") [103]. Развитие полупроводниковой электроники привело к разработке в 1952 г. германиевых и кремниевых силовых диодов, этот шаг способствовал массовому переходу от ртутных к полупроводниковым преобразователям электроэнергии на электровозах переменного тока [19].

По мере появления кремниевых СПП, ртутные выпрямительные установки, применяемые на электровозах переменного тока, были вытеснены и заменены полупроводниковыми на базе диодов. Освоение производства силовых кремниевых полупроводниковых диодов открыло новые возможности и перспективы их широкого применения. Первые диоды имели штыревое исполнение и вкручивались в охладитель. С использованием диодов были созданы выпрямительные установки для широкой гаммы магистральных электровозов переменного тока. Однако применение полупроводниковых приборов на электровозах породило и новые проблемы, например, малая единичная мощность полупроводниковых приборов, что потребовало их последовательного и параллельного соединения. Преобразователями второго поколения были оборудованы электровозы ВЛ60К и ВЛ80К и более поздний, с диодами уже восьмого класса электровоз ВЛ80Т. На электровозе ВЛ60К выпрямительная установка ВУК60-4Л содержит 100 диодов типа ВЛ200-8. Электровозы ВЛ80К, ВЛ80Т оборудованы выпрямительной установкой ВУК-4000 с вентилями ВКД-200-4. В каждом плече выпрямительного моста имеется 12 параллельных цепей из 8-ми последовательно включённых вентилей, всего в плече 96 шт., а в мосте (установке) 384 шт. С конца 1966 г. данная установка была заменена ВУК-4000М с вентилями ВК2-200-7. В каждой цепочке вместо восьми вентилей включено шесть, т. е. общее число вентилей в установке снизилось до 288 шт. В 1968 г. выпрямительная установка была заменена на ВУК-4000Л-02 с вентилями ВЛ200-8 (В – «вентиль», Л – «лавинный», восьмого класса, т. е. рассчитанных на напряжение 800 В, номинальный ток 200 А), число последовательно включённых вентилей, снизилось до четырёх. Общее количество вентилей в установке стало 192 шт. На рисунке 1.2 представлена принципиальная схема выпрямительной установки электровоза типа ВУК [102].

Упрощённая принципиальная схема выпрямительной установки электровоза типа ВУК Электровозы серии ВЛ80С оборудовались установкой ВУК-4000Т-02. К основным недостаткам такой установки можно отнести: значительное количество СПП; невозможность осуществления фазового регулирования выпрямленного напряжения; увеличенное количество силовых выводов тягового трансформатора (ТТ), что увеличивает его габаритные размеры и массу. Применяемое ступенчатое регулирование выпрямленного напряжения на ТЭД не позволяет в полной мере использовать максимальную силу тяги электровоза по сцеплению, ограничивая тем самым возможности тягового подвижного состава.

Третье поколение преобразователей основывается на слабомощных кремниевых тиристорах в силовой схеме электровоза. В 1959 г. учёным Лео Эсаки в США был создан первый полууправляемый СПП, названный «тиристор» [19]. Данный тип СПП позволяет обеспечивать выпрямление переменного тока, а также плавное регулирование выпрямленного напряжения и инвертирование постоянного тока в переменный. Создание тиристоров является одним из основных направлений технического совершенствования ЭПС, это позволило перейти к бесконтактным схемам плавного регулирования напряжения на электровозах, использовать фазовое и зонно-фазовое регулирование напряжения, подаваемого на ТЭД, а также осуществить ресурсо- и энергосберегающий режим рекуперативного торможения.

Плавное регулирование напряжения реализуется путём фазового регулирования выходного напряжения ВИП электровоза. Существенные преимущества такого регулирования проявляются в повышении тяговых свойств ЭПС, а именно: более высокое использование максимальной силы тяги по сцеплению (повысилось на 8-10%), особенно важно в период трогания тяжёлых грузовых поездов; возможность независимого возбуждения ТЭД с плавным регулированием магнитного потока; лучшее использование мощности ТЭД; рекуперативное торможения дало возможность снизить энергозатраты на тягу поездов на 10-18 % в зависимости от профиля пути и др.

На магистральных электровозах переменного тока как в России, так и за рубежом получили наибольшее распространение схемы многозонного фазового ре 17 гулирования. Такое регулирование позволяет осуществить преобразование энергии с высокими энергетическими показателями, улучшить тяговые и тормозные свойства локомотива, а также длительно работать в режимах, соответствующих любым скоростным характеристикам в пределах ограничений и автоматизировать процесс управления.

Схемы многозонных преобразователей можно свести к трём основным группам по способу соединения выпрямительных мостов: последовательное; параллельное; последовательно-параллельное.

Разработка нового ВИП и способа его управления в режиме тяги

Ограниченный коэффициент мощности штатного ВИП показывает, что существует достаточно большой резерв для его повышения. Однако опубликованные исследования за последние 50 лет, проведённые преимущественно на основе различного рода тиристорных преобразователей показали, что повысить Км с их помощью проблематично. Тем не менее, прогресс в силовой электронике привёл к появлению IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором). С точки зрения схемотехники такой транзистор может быть рассмотрен как составной с первым каскадом из полевого транзистора и вторым из биполярного. Собственно, такая конструкция объединяет преимущество полевого транзистора в управлении и биполярного транзистора в части выходных характеристик каскадов.

С появлением IGBT-транзисторов мегаваттного класса открылась возможность разработки элементов силовых цепей электровоза на базе таких транзисторов, причём с массогабаритными показателями, позволяющими размещать преобразователи на существующих и вновь разрабатываемых электровозах. С целью минимизации изменений в цепях управления и силовой схеме электровоза предлагается использовать так же, как и в типовом ВИП, четырёхзонное регулирование выпрямленного напряжения, подаваемого на ТЭД.

На рисунке 2.9 представлена электрическая принципиальная схема силовых цепей с предлагаемым ВИП на тележку электровоза в режиме тяги. Обозначения на схеме приняты аналогичные типовому варианту, приведённому выше.

Схема предлагаемого ВИП предусматривает аналогично типовому восемь плеч с добавлением плеча, включённого параллельно цепи выпрямленного тока, состоящего из диода VD9, анодным выводом подключённого к тормозному переключателю QT1, предназначенного для перевода электрической схемы электровоза из тягового режима в рекуперативный и наоборот. Плечо необходимо для поддержания тока двигателя в моменты, когда плечи предлагаемого ВИП закрыты [86; 96]. БіЦ на БП QТ1

Рассмотрим плечо ВИП на примере V1, которое состоит из двух IGBT-транзисторов VT1.1, VT1.2, последовательно с которыми включены выпрямительные диоды VD1.1, VD1.2, и цепи защиты каждого транзистора, для VT1.1 это обратный диод VD1.3 и снабберная RC-цепь, состоящая из последовательно соединённых резистора R1.1 и конденсатора C1.1 подключённых к выводам коллектор-эмиттер силового IGBT-транзистора. Для VT1.2 аналогичная снабберная цепь состоит из резистора R1.2, конденсатора C1.2, параллельно которой подключён диод VD1.4.

Выпрямительные диоды VD1.1 и VD1.2 выполняют функцию выпрямления переменного тока в пульсирующий, а также предназначены для защиты IGBT-транзистора от подачи обратного напряжения на переход коллектор-эмиттер и предотвращения протекания обратного тока по вторичной обмотке ТТ. Марка диодов выбирается исходя из того, что ВИП должен выдерживать пуско 60

вой выходной ток равный 3150 А и выходное напряжение 1400 В. Исходя их заданных условий предлагается использовать диоды Д273-2500 производства ОАО «Электровыпрямитель» рассчитанные на обратное напряжение U=4400 В и максимально допустимый средний прямой ток I=2580 А каждый [34].

Силовые IGBT-транзисторы VT1.1 и VT1.2 необходимы для реализации управления выпрямленным напряжением, согласно далее предлагаемой диаграмме, их параметры выбираются для тех же условий по току и напряжению. С целью обеспечения надёжности работы плеча ВИП необходимо использовать СПП, параметры которых несколько выше, чем номинальные токи и напряжения при продолжительном режиме работы ВИП, исходя из этого предлагается использовать транзисторы типа T2400GB45E производства IXYS WESTCODE, рассчитанные на напряжение U=4500 В и ток I=2400 А каждый [4].

Выбор параметров обратных диодов VD1.3 и VD1.4, предназначенных для защиты IGBT-транзистора от обратного напряжения и элементов снабберных RC-цепей, С1.1, R1.1 и С1.2, R1.2, которые защищают транзистор от перенапряжений в переходных процессах, возникающих в результате коммутации силовых полупроводниковых приборов, более подробно рассмотрен в главе 3 данной диссертационной работы. Для упрощения, в плече ВИП на схеме показан один транзистор и диод.

Тяговый трансформатор принимается штатным для электровозов с зонно – фазовым регулированием. Для защиты ВИП от перенапряжений параллельно каждой вторичной обмотке ТТ включены снабберные RC-цепи, выбор которых также рассмотрен в главе 3.

Для предлагаемого преобразователя разработан новый принцип управления, идея которого заключается в том, что при использовании IGBT-транзисторов имеется возможность управления включением и выключением плеча в необходимый момент времени, рисунок 2.10 (б). Преобразователь имеет индуктивный характер нагрузки (СР и ТЭД), времена включения и выключения плеч предлагаемого ВИП выбираются таким образом, чтобы частично его скомпенсировать. Так как IGBT-транзистор имеет высокую скорость коммутации порядка 10 мкс., при мем, что процесс коммутации при отключении протекает практически мгновенно.

Рассмотрим работу ВИП в режиме тяги согласно представленной, на рисунке 2.10, диаграмме управления. Синхронизация с напряжением сети обеспечивается по приходу сигнала от датчика синхронизации, с момента которого осуществляется отсчёт времени для подачи сигналов управления, принцип формирования которых рассмотрим ниже. Разделим диаграмму управления на несколько временных интервалов и определим ключевые точки для более подробного её объяснения: 3-4 – интервал, показывающий длительность работы плеч ВИП равный 5 эл.град. при минимальном напряжении управления, уровень u`, такая длительность выбрана с целью задания начального тока; 2-3 – прямая нарастания выпрямленного напряжения в начальной части полупериода; 4-5 – прямая нарастания выпрямленного напряжения в конечной части полупериода; 0-1 и 5- – интервалы, когда плечи ВИП закрыты и работает дополнительное диодное плечо, выбраны по 5 эл. град., для реализации предлагаемого способа управления с целью разгрузки ВИП в моменты перехода сетевого напряжения через ноль; 1 и 5 – точки, показывающие момент открытия и закрытия плеч при достижении полной зоны регулирования; 2 – момент прекращения нарастания выпрямленного напряжения в начальную часть полупериода, уровень u``.

Времена включения и выключения плеч, в которых идёт фазовое регулирование (изменяется зона включения reg), выбираются следующим образом: – при минимальном напряжении управления времена включения reg и выключения reg примерно равны и сдвинуты в начальную часть полупериода напряжения сети, (reg(u`) – длительность сигнала reg в начале регулирования при напряжении u`), рисунок 2.10; – при увеличении напряжения управления uупр на промежутке от u` до u`` обеспечивается одновременный сдвиг фаз включения reg в начальную часть полупериода до достижения u``, а выключения в конечную часть полупериода до точки 5. Интервал от нуля до линии 1-2 необходим для обеспечения потенциальных условий плеча ВИП, а от точки 5 до для гарантированного закрытия плеча, тем самым обеспечивается работа плеч преобразователя в пределах необходимого для этого полупериода. В эти интервалы времени в работу включается диод VD9, который за счёт электромагнитной энергии накапливаемой в интервалы времени проводимости плеч ВИП позволяет поддерживать ток двигателя на необходимом для нормальной работы уровне. При повышении напряжения управления, в зависимости от угла поворота штурвала машиниста, происходит увеличение длительности сигнала управления reg, согласно диаграмме управления, рисунок 2.10 (б).

Математическая модель силовых цепей электровоза переменного тока с типовым и предлагаемым ВИП в режиме тяги

Для получения адекватных результатов при последующем сравнении параметров ВИП с использованием различных элементных баз, необходимо сопоставить протекающие электромагнитные переходные и установившиеся процессы разработанной математической модели реальным процессам на электровозе и в контактной сети. В силу того, что предлагаемый ВИП на сегодняшний день не эксплуатируется на электровозах, то сравнивать будем электромагнитные процессы, происходящие при работе типового преобразователя.

В качестве реальных электромагнитных процессов были приняты результаты экспериментальных исследований работы электровоза, полученных на участке Иркутск-Сортировочный - Большой Луг - Андриановская, протяжённостью 96,2 км с руководящим подъёмом 17 - 17,4 0/00 (Протокол эксплуатационных тягово-энергетических испытаний электровоза переменного тока ВЛ80Р №1829 по Договору ИрГУПС с ОАО «РЖД» №726/493 от 08.06.2010 г.) и сопоставлены с результатами математического моделирования при одинаковых условиях.

Для сравнения был выбран режим тяги электровоза со следующими параметрами работы: - расстояние от электровоза до тяговой подстанции 20 км; - 3,5 зоны регулирования, типовой алгоритм управления ВИП электровоза в режиме тяги; - наименьший допустимый угол открытия тиристоров в начале каждого полупериода напряжения ао = 18 эл. град.; - регулируемый угол открытия тиристоров ар = 92 эл. град.

В качестве критериев сравнения электромагнитных процессов, полученных на математической модели и в ходе эксплуатационных исследований электровоза, были выбраны следующие: коэффициент мощности электровоза, который является одним из основных энергетических показателей, характеризующих качество использования потребляемой электроэнергии, длительность сетевой коммутации у, длительность фазовой коммутации ур, а также угол сдвига фаз между током и напряжением первичной обмотки ТТ ср.

На рисунке 3.26 приведены диаграммы мгновенных значений напряжения и тока первичной обмотки ТТ. Диаграммы мгновенных значений напряжения и тока первичной обмотки тягового трансформатора: полученные в ходе эксплуатационных исследований (а); полученные при математическом моделировании (б)

На рисунке 3.27 в сравнении приведены диаграммы мгновенных значений тока и напряжения ВИП.

Диаграммы мгновенных значений выпрямленного и тока ВИП: полученные в ходе эксплуатационных исследований (а); полученные при математическом моделировании (б) Полученные данные при оценке результатов занесены в таблицу 3.1 Сравнение значений полученных при эксперименте и матема тическом моделировании Параметр Эксплуатационные испытания Математическое моделирование Относительная погрешность, %

Относительная погрешность при оценке длительности сетевой коммутации составила 4,2%, при фазовой коммутации 3,6%, при сравнении угла сдвига фаз тока и напряжения первичной обмотки ТТ 8,6%, коэффициента мощности 2,7%, что не превышает допустимую погрешность при проведении математического моделирования в 10%.

Таким образом, разработанная математическая модель является пригодной для проведения исследований электромагнитных процессов в системе «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» при работе электровоза, как с типовой, так и с предлагаемой схемами ВИП в режиме тяги.

Для сравнения энергетических показателей модели электровоза с типовым и предлагаемым ВИП, необходимо для всех случаев задаться равными параметрами модели. Также для исключения искажения формы кривой напряжения контактной сети и влияния на происходящие переходные процессы, принимается, что на фидерной зоне участка цепи находится один электровоз.

В качестве критериев сравнения при анализе работы электровоза с типовым и предлагаемым ВИП примем следующие показатели: коэффициент мощности электровоза Км, и коэффициент относительной пульсации тока якоря КпоIя. Расчёт всех показателей производится автоматически с помощью стандартных блоков Simulink MatLab на ЭВМ.

Расчёт коэффициента мощности электровоза производился по формуле где Uo, h - постоянные составляющие напряжения и тока сети, в данном случае равны нулю; Ui, h - действующие значения напряжения и тока 1-й гармоники; Uk, h - действующие значения напряжения и тока к-й гармоники; ери - угол сдвига фазы между напряжением и током к-й гармоники. Коэффициент относительной пульсации выпрямленного тока [103] Кпо_,вип = f, (3.48) где Івип - среднее значение выпрямленного тока ВИП; Л/яш7 - переменная составляющая выпрямленного тока ВИП. Моделирование работы электровоза с типовым и предлагаемым ВИП на первой зоне регулирования в режиме тяги при условии одинакового тока якоря

Процессы работы ВИП и их алгоритмы управления в режиме тяги

Для осуществления управления процессом увеличения напряжения на ТЭД, необходима разработка алгоритма управления, согласно которому будет происходить включение в работу необходимых плеч ВИП. На стенде используется несколько отличное от реального электровоза управление, но сути происходящих электромагнитных процессов это не изменяет. Повышение напряжения на ТЭД начинается с обмотки 4-3 ТТ в силу того, что в предлагаемом ВИП в качестве 7 и 8 плеч применены диоды, и переход на высшую зону осуществляется путём последовательного подключения друг за другом всех вторичных обмоток ТТ в порядке 3-2, 2-1, рисунок 4.3.

В таблицах 4.6 и 4.7 представлены алгоритмы управления типовым и предлагаемым ВИП. Регулирование начинается с крайних правых плеч, согласно схеме, приведённой на рисунке 4.3. При работе предлагаемой схемы, диодные плечи VD7 и VD8 работают на протяжении всего процесса регулирования выпрямленного напряжения ТЭД, также они выполняют роль разрядного диодного плеча, предназначенного для поддержания тока ТЭД в моменты, когда плечи предлагаемого ВИП не задействованы в работе. Таблица 4.6 – Алгоритм работы типового ВИП

Увеличение выпрямленного напряжения начинается с первой зоны регулирования и в типовом ВИП обеспечивается с помощью плеч VS5, VS6, VS7, VS8, а в предлагаемом с помощью плеч 5 (VD5, VT5), 6 (VD6, VT6), 7 (VD7) и 8 (VD8). Описание диаграмм управления, по которым осуществляется регулирование выпрямленного напряжения, приведено в главе 2.

Алгоритм управления плечами типового ВИП заключается в том, что в положительный полупериод напряжения сети (сплошная стрелка), на плечо VS7 подают импульс управления 0, а в момент подачи импульса управления р на плечо VS6, он так же подаётся на плечо VS7 во избежание его закрытия. В отрицательном полупериоде напряжения (штриховая стрелка) импульс 0 подаётся на плечо VS5, а р подают на плечо VS8. Повышение напряжения на ТЭД происходит за счёт уменьшения угла р, и, следовательно, увеличения времени проводящего состояния тиристора.

Алгоритм управления плечами предлагаемого ВИП заключается в том, что на протяжении всего процесса регулирования работают диоды VD7, VD8. Для того, чтобы обеспечить приращение напряжения на ТЭД в положительный полупериод, необходимо на транзистор плеча 6 подать сигнал длительностью reg, а в отрицательном полупериоде напряжения аналогичный импульс подать на транзистор плеча 5. Повышение напряжения на ТЭД происходит за счёт увеличения длительности reg, и следовательно, увеличения открытого состояния транзистора.

На высших зонах в отличие от первой, осуществляется зонно-фазовое регулирование, при котором одновременно применяются переключение секций вторичных обмоток трансформаторов и фазовое регулирование выпрямленного напряжения, а следовательно, и электромагнитные процессы имеют другой вид.

Более подробно рассмотрим работу алгоритма управления плечами ВИП на примере второй зоны регулирования.

Алгоритм управления плечами типового ВИП предусматривает, что в положительный полупериод напряжения на плечо VS7 подаётся импульс управления 0, а на плечо VS6 подаётся импульс управления 03, в результате чего образуется напряжение полной первой зоны. Далее для увеличения напряжения необ 148

ходимо использовать фазовое регулирование путём подачи импульса р на плечо VS4. В отрицательном полупериоде на плечо VS8 подаётся импульс управления 0, на плечо VS5 подаётся импульс 03, а на плечо VS3 подаётся импульс р.

Алгоритм управления плечами предлагаемого ВИП на второй зоне заключается в том, что в первом полупериоде напряжения сети с самого начала регулирования в работу вступает диодное плечо VD7, а на транзистор плеча 6 подаётся сигнал управления w, тем самым обеспечивая его работу весь полупериод и образуя напряжение полной первой зоны, далее на плечо 4 подаётся сигнал управления reg. Во втором полупериоде напряжения сети с самого начала регулирования в работу вступает диодное плечо VD8, на плечо 5 подаётся сигнал управления w, на плечо 3 сигнал управления reg. Повышение напряжения на ТЭД происходит аналогично первой зоне, т.е. за счёт увеличения длительности reg, и следовательно, увеличения открытого состояния транзистора.

Электромагнитные процессы работы ВИП на третьей зоне регулирования аналогичны процессам на второй зоне регулирования. Разница состоит лишь в масштабе амплитуды напряжения, а также в распределении, согласно алгоритму, по плечам ВИП сигналов управления.

В результате реализации таких алгоритмов управления происходит регулирование выпрямленного напряжения ВИП на интервале от начала до конца каждой зоны, согласно разработанной диаграмме управления.

Главной целью проведённых исследований являлось определение работоспособности предлагаемого ВИП, способа его управления, а также сравнение энергетических параметров электровоза при работе с различными схемами ВИП при одинаковых условиях эксплуатации.

В ходе проведения сравнительных испытаний исследовались электромагнитные процессы в первичной обмотке трансформатора и в цепи выпрямленного тока, для наглядного отображения которых использовался четырёхканальный осциллограф Tektronix TDS2024C [88]. Для учёта значений электрических мощностей, определения коэффициента мощности применялся счётчик СЭТ-1М.01 [113]. Также учитывалась скорость вращения колёсной пары, которая измерялась с помощью датчика меток Omron E3-F2-DS30C4, подключённого к частотомеру Ч3-63 [107; 111].

Условием проведения лабораторных исследований было то, что все измерения производились при одинаковой нагрузке, скорости и входном напряжении питания.

В ходе проведения сравнительных испытаний на стенде, получены осциллограммы напряжения (u1) и тока (i1) в первичной обмотке трансформатора, и (uвип), (iвип) в цепи выпрямленного тока, а также значения коэффициента мощности. Данные диаграмм электромагнитных процессов для проведения дальнейшей обработки записывались на usb накопитель с интервалом в пол зоны (угол регулирования равен 90 эл.град. относительно напряжения сети). Полученные осциллограммы и соответствующие им значения коэффициента мощности представлены на рисунках 4.15…4.16.

Проанализировав полученные результаты, можно подтвердить выводы, сделанные в главе 2 о том, что низкий коэффициент мощности типового ВИП объясняется тем, что приращение напряжения, а следовательно и открытие тиристоров, начинается с конца полупериода, также индуктивный характер нагрузки обуславливает дополнительный сдвиг фазы тока первичной обмотки трансформатора относительно его напряжения, рисунки 4.15(а)…4.16(а). В предлагаемом же ВИП с разработанным способом его управления, предусматривающим открытие плеч с некоторым опережением по времени относительно максимума напряжения сети, частично компенсируется сдвиг фаз, вносимый индуктивным характером нагрузки. Тем самым практически исключается реактивная составляющая мощности, что и обуславливает значительно больший коэффициент мощности относительно типового ВИП [133].