Размещено на http://www.allbest.ru/

ГАЖК «ЎЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙЎЛЛАРИ»

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

УДК 629.423.316.

ДИССЕРТАЦИЯ

написанная для получения академической степени магистра

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

по специальности 5А521310 -

«Электрический транспорт»

СУЮНОВ БАХТИЁР БЕРДИМУРОДОВИЧ

Научный руководитель:

д т н., проф. Н.Б.Пирматов

Ташкент-2012

Содержание

Введение

1. Обзор научно-технических и патентных источников

1.1 Обзор научные литературы по импульсному регулирование АД

1.2 Обзор патентных источников по импульсному регулирование АД

2. Выполнение теоретических исследований по моделированию 4-х квадратного преобразователи

2.1 Схемы и работа 4-х квадратных преобразователей ЭПС

3. Выполнение теоретических исследовании по моделирование импульсного регулятор напряжения (ИРН)

3.1 Схемы и работа импульсного регулятор напряжения (ИРН)

3.2 Моделирование ИРН

4. Выполнение теоритических исследовании по моделирование автономного инверторного напряжения (АИН)

4.1 Схемы и работа автономного инверторного напряжения (АИН)

4.2 Моделирования автономного инверторного напряжения (АИН)

Список литературы

Введение

Актуальность темы исследований. Ведущее место в транспортной системе Республики Узбекистан занимают железные дороги. Они имеют важнейшее государственное, народнохозяйственное и оборонное значение. Особенно возрастает их роль в условиях перестройки управления экономикой и введения рыночных отношений. От железных дорог требуется своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей населения и народного хозяйства, грузоотправителей и грузополучателей в перевозках. Любая даже кратковременная задержка выполнения заявки на перевозки наносит ущерб нормальной работе предприятий, подрывает договорные основы ведения хозяйства, снижает конкурентоспособность железнодорожного транспорта.

В докладе Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании правительства по итогам социально-экономического развития страны на тему: «Все наши устремления и программы - во имя дальнейшего развития родины и повышения благосостояния народа» сказано, что…большие задачи стоят перед нашими железнодорожниками. Необходимо завершить строительство двухпутной электрифицированной железнодорожной линии Джизак - Янгиер и однопутной электрифицированной железнодорожной линии Янгиер - Фархад, начать реализацию проектов по электрификации имеющих стратегическое значение железнодорожных линий Мараканд - Карши и Карши - Термез, что позволит на 20 процентов сократить расходы и повысить скорость доставки в 1,3 раза. Наряду с этим необходимо ускорить реализацию проектов по обновлению парка пассажирских локомотивов, модернизации и восстановлению грузовых локомотивов и вагонов, модернизации железнодорожных путей, обеспечить в установленные сроки завершение строительства и ввести в эксплуатацию первую в Средней Азии высокоскоростную железнодорожную магистраль на участке Ташкент--Самарканд совместно с испанской компанией «Тальго» [1.].

В настоящее время большое количество электровозов не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к технике нового поколения как по экономичности и надежности, так и по условиям работы локомотивных бригад. На железных дорогах Узбекистана электрифицировано 480 км дороги на переменном напряжении 25 кВ. До последних лет на этих участках использовались электровозы ВЛ-60 и ВЛ-80. В настоящие время электровозы ВЛ-60 выработали свой ресурс.

Вспомогательные цепи электроподвижного состава (ЭПС) - это электрические машины и аппараты, обеспечивающие охлаждение электрооборудования тягового привода, снабжение сжатым воздухом системы пневматического торможения поезда, электропитание цепей управления, создание необходимых комфортных условий в кабине машиниста и пассажирских помещениях.

Увеличение мощности ЭПС, применение тягового электропривода с преобразователями, повышение требований к комфорту в кабине машиниста и пассажирских помещениях требует соответствующего увеличения мощности вспомогательного оборудования. На современном ЭПС расход энергии на работу вспомогательного оборудования достигает 10 % от энергии, затраченной на тягу поездов.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором являются предпочтительным вариантом для привода вспомогательного оборудования ЭПС ввиду их дешевизны, надежности и простоты технического обслуживания. На большинстве электровозов переменного тока вспомогательные асинхронные двигатели получают трехфазное питание от расщепителя фаз, представляющего собой короткозамкнутую асинхронную машину, выполняющую одновременно функции однофазного двигателя и трехфазного генератора.

Недостатками асинхронных машин являются проблемы регулирования скорости их вращения и получения на ЭПС переменного тока симметричного трехфазного напряжения, а также снижение вращающего момента пропорционально квадрату питающего напряжения, что может привести к остановке вспомогательных машин при пониженном напряжении контактной сети.

С учетом вышеизложенных, актуальным направлением при реконструкции электрической части вспомогательных машин существующих электровозов и проектировании вновь создаваемых электровозных систем, является направление, связанное с созданием частотно-регулируемых асинхронных приводов вспомогательных машин на основе перспективных схем преобразователей частоты

Цель диссертации. Разработка и исследования статических преобразователей частоты для питания электроприводных двигателей мотор-компрессоров, мотор-вентиляторов и масляных мотор-насосов вспомогательных цепей электроподвижного состава

Задачи диссертации. Для решения цели диссертации в работе выполнены следующие задачи - проведен анализ современного состояния и проблемы совершенствования системы управления импульсно регулируемого электроподвижного состава, рассмотрены характеристики, принципы работы и управления приводных асинхронных двигателей с питанием от преобразователя частоты, проведено исследование электромагнитных процессов в системе «преобразователь частоты-асинхронный двигатель» с широтно-импульсным регулированием напряжения, приведены примеры использования частотно-регулируемого электропривода вспомогательных машин для электровозов переменного и постоянного тока.

Научная новизна. В работе разработана рациональная схема преобразователя частоты по системе широтно-импульсный регулятор и автономный инвертор напряжения, реализующего управление с энергосберегающими характеристиками для конкретного вида оборудования, их мощностей, диапазона регулирования производительности, а также других технологических и конструктивных параметров.

Практическая ценность диссертации, обусловлена, в первую очередь комплексным подходом к проблеме создания перспективного преобразователя частоты по системе широтно-импульсный регулятор и автономный инвертор напряжения, для питания тягов?х электроприводных двигателей цепей электроподвижного состава, определением требований к регулируемого электроприводу и их принципов построения, законов частотного регулирования, способов управления привода и преобразователя, разработки инженерных методик и реализующие их алгоритмы расчета электромагнитных процессов в системе «ПЧ - АД», создания рациональных структур автоматизированных электроприводов, реализующих оптимальное управление вспомогательных машин электровозов.

Объект исследований. Объектом исследования является тяговые электродвигателей электровозов переменного толка.

Предмет исследований. Преобразователь частоты по системе широтно-импульсный регулятор и инвертор напряжения для питания приводных двигателей электровозов переменного толка.

Апробация и публикация. Отдельные части диссертации периодически докладывались на научно-технических конференциях ТИИЖТа, а также на заседаниях кафедры «Электрический транспорт».

По материалам диссертации опубликованы статьи: 1) О применении статических преобразователей для цепей электроподвижного состава. Сб. статей научно-практической конференции студентов магистратуры и бакалавриата Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта. Ташкент.2010; 2) Разработка функциональных схем частотно-регулируемых асинхронных электроприводов для вспомогательных цепей ЭПС Сб. статей научно-практической конференции студентов магистратуры и бакалавриата Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта. Ташкент.2011.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четерёх глав, заключения, списка использованной и изученной литературы. Обьём работы без учета списка литературы, рисунков и таблиц 65 страниц.

1. Обзор научно-технических и патентных источников

1.1 Обзор научные литературы по импульсному регулирование АД

Управление - это воздействие на объект, направленное на достижение поставленной цели. Цель управления поездом - это перемещение его от начальной до конечной станции за установленный расписанием промежуток времени при обеспечении безопасности движения и минимальном расходе энергии. Для этого скорость поезда V должна изменяться в определенной зависимости от пройденного пути.[2,3,4,5].

Поставленная цель будет достигнута, если локомотив реализует силу тяги F_k, достаточную для преодоления силы сопротивления движению поезда W и для создания требуемого ускорения поезда dV/dt. При необходимости снизить скорость поезда (dV/dt<0) потребуется создание тормозной силы В, направленной встречно вектору скорости V.

Возможности локомотива по реализации сил тяги и торможения определяются его тяговыми и тормозными характеристиками, которые представляют собой зависимости F_k(V) и B(V) и имеют ограничения по силам F_k и В, определяемые параметрами локомотива.

Задача управления ЭПС сводится к созданию определенных режимов работы тяговых электродвигателей (ТЭД), при которых обеспечиваются требуемые значения силы тяги F_k (или тормозной силы В) при заданных скоростях движения V. Режим работы ТЭД определяется напряжением на его зажимах U_д, током возбуждения I_в, а для ТЭД переменного тока - еще и частотой f_д [6,7].

Совокупность устройств, предназначенных для изменения режима работы ТЭД, называется системой управления ЭПС (СУ ЭПС). Первой основной функцией СУ ЭПС является регулирование режима работы ТЭД, с целью обеспечения движения поездов в соответствии с расписанием [2,4].

Система электроснабжения электрической железной дороги (ЭЖД) обеспечивает подвод электроэнергии к токоприемнику ЭПС. Известно, что капитальные затраты на сооружение системы электроснабжения и ежегодные потери энергии в ней можно уменьшить используя более высокое номинальное напряжение контактной сети.

Однако при этом становится невозможным непосредственное питание тяговых электродвигателей от контактной сети, поскольку напряжение на ТЭД не должно превышать 1500 В, а оптимальные параметры ТЭД достигаются при U_д = 700…1000 В. Поэтому второй основной функцией СУ ЭПС является преобразование напряжения контактной сети U_c и рода тока в ней, характеризуемого частотой контактной сети f_с, в напряжение и род тока, целесообразный для ТЭД (U_д и f_д).

Кроме этого, СУ ЭПС должна выполнять следующие дополнительные функции [4,8]:

-ограничение скорости движения, сил тяги и электрического торможения в соответствии с параметрами ЭПС и требованиями безопасности движения;

-защита электрооборудования от повреждений и опасных режимов;

-обеспечение воздушного охлаждения электрооборудования и подача сжатого воздуха для пневматических приводов;

-автоматизация управления ЭПС.

Для выполнения основных и дополнительных функций системы управления ЭПС в соответствии с условиями движения поезда необходимо переключение режимов работы СУ ЭПС. Эти переключения осуществляет машинист, который в своих действиях должен учитывать режимы работы ТЭД (U_д, I_д, I_В) и системы электроснабжения (U_c), условия движения поезда (V, dV/dt, i, S), а также требования безопасности движения.

Наименьший расход энергии при заданном времени хода обеспечивает режим движения поезда с постоянной скоростью V = const. Однако на разных участках пути требуется реализовать различные значения скорости. В частности, перед отправлением поезда, а также после его остановки V=0. Поэтому возникает необходимость перехода от одного установившегося значения скорости к другому. Для изменения скорости рекомендуется равноускоренное или равнозамедленное движение dV/dt=const (рис.1.1).

Необходимо учитывать, что внезапное изменение величины ускорения воспринимается как удар, создающий дополнительные нагрузки на конструкцию подвижного состава и вызывающий неприятные ощущения у людей, находящихся в поезде. Поэтому следует предусматривать плавное изменение ускорения, поддерживая постоянным темп изменения ускорения d²V/dt² = const. При служебном и регулировочном торможении следует принимать dV/dt = 0,5 м/с² и d²V/dt² = 0,25 м/с³, а при экстренном - dV/dt = 2,2 м/с² и d²V/dt² = 10 м/с³ [2,8].

Таким образом, система управления должна предусматривать три основных режима движения поезда: V = const, dV/dt = const и d²V/dt² = const. С учетом реальной формы тяговой характеристики и применения выбега зависимость V(t) будет иметь вид, показанный на рис.1.1 штриховой линией.

Как известно, установившаяся скорость движения поезда определяется точкой пересечения характеристики полного сопротивления движению W(V) и тяговой F(V) (точка У на рис.1.2,а). Чтобы при той же скорости поезд имел ускорение dV/dt, сила тяги должна быть равна F_z = F_y + (1 + г) m_П dV/dt (точка Z). Здесь m_П - масса поезда, 1 + г - коэффициент инерции вращающихся частей.

Требуемые значения скорости движения поезда задаются необходимой скоростью сообщения, условиями безопасности движения, а также вариацией сопротивления движению, массы поезда и профиля пути. Разнообразие условий движения поезда ставит перед СУ ЭПС требование обеспечить возможность реализации режимов, соответствующих любым точкам в пределах существующих ограничений тяговой характеристики ЭПС F_k(V) (рис.1.2,б) по сцеплению - 1, по скорости - 2 и по допустимому режиму работы ТЭД - 3.

Рис.1.1 Режимы движения поезда

Рис. 1.2. Реализация режимов движения поезда:

а - определение скорости движения поезда;

б - ограничение тяговых и скоростных характеристик;

Аналогичные ограничения имеют место и для тормозных характеристик B(V) (1'; 2' и 3' на рис.1.2,б).

Это требование выполняется полностью только при плавном регулировании режима работы ТЭД. Так, например, для поддержания постоянства скорости V₁=const с поездами различной массы на подъемах различной крутизны необходимо при этой скорости плавно регулировать силу тяги в пределах от F₁ до 0.

При ступенчатом регулировании скорости вариация сопротивления движению требует перехода с одной тяговой характеристики на другую, вследствие чего установившаяся скорость V_уст может принимать любое значение в пределах V₂?V_уст?V₁.

Равноускоренное движение поезда чаще всего реализуется при пуске, когда скорость поезда должна возрасти от 0 до V₃. Система управления с плавным регулированием режима работы ТЭД должна обеспечивать постоянство силы тяги F₃= const в этом диапазоне изменения скорости.

Ступенчатое регулирование силы тяги за счет перехода с одной тяговой характеристики на другую сопровождается изменением силы тяги F в пределах F₄?F?F₃.

Поскольку на ЭПС отсутствуют приборы, измеряющие непосредственно силу тяги, то о ее величине обычно судят по косвенному показателю - по току тягового электродвигателя I, который связан с силой тяги F известным соотношением

F = СФI,

где С - постоянный коэффициент, зависящий от параметров ТЭД и тяговой передачи; Ф - магнитный поток ТЭД.

1.2 Обзор патентных источников по импульсному регулирование АД

К тяговым электродвигателям (ТЭД) ЭПС предъявляются следующие требования [9,10]:

-возможность реализации больших мощностей в ограниченных габаритах;

-возможность регулирования скорости и силы тяги в широких пределах;

-простота конструкции и надежность работы.

Классификация ТЭД ЭПС с указанием предельных значений их параметров приведена на рис. 1.3 [2,11].

В настоящее время на ЭПС наиболее распространены коллекторные ТЭД постоянного тока и пульсирующего тока, которые имеют хорошие тяговые свойства и отличаются простотой регулирования. Их недостатки связаны с наличием коллектора, который увеличивает стоимость изготовления и трудоемкость эксплуатации ТЭД, ограничивает активную длину якоря и мощность ТЭД, а также лимитирует максимальную скорость вращения. Сила тяги и скорость таких ТЭД регулируется изменениями U_д и I_в.

Особенностью коллекторных ТЭД однофазного тока является наличие трансформаторной ЭДС в коммутируемой секции обмотки якоря. Для ограничения этой ЭДС понижают частоту питающего напряжения и уменьшают магнитный поток. Чтобы обеспечить требуемую мощность ТЭД, приходится увеличивать число полюсов до 14…16. Соответственно возрастает количество щеткодержателей. Условия коммутации ограничивают величину напряжения до 250…500 В. Для реализации необходимой мощности приходится увеличивать ток двигателя и, следовательно, увеличивать длину коллектора и количество щеток в каждом щеткодержателе. Все это существенно удорожает стоимость изготовления и технического обслуживания однофазных коллекторных ТЭД [12].

В настоящее время однофазные коллекторные ТЭД пониженной частоты используются только на ЭПС старой конструкции. На новых ЭПС пониженной частоты применяют коллекторные ТЭД пульсирующего тока или асинхронные. Однофазные коллекторные ТЭД нормальной частоты в настоящее время сняты с эксплуатации вследствие того, что их мощность недостаточна, а надежность низка.

Рис. 1.3 Классификация ЭПС по тяговым двигателям (ТЭД)

Синхронные (вентильные) ТЭД нашли применение главным образом на скоростных поездах TGVA французских железных дорог. Система управления синхронных ТЭД предусматривает изменение частоты и напряжения на двигателе f_д и U_д. Коэффициент мощности регулируют изменением I_в. Преимущества такого ТЭД: отсутствие коллектора снимает ограничение мощности при высоких скоростях, дает возможность повышать напряжение на двигателе, которое лимитируется только изоляцией, позволяет регулировать коэффициент мощности. Недостатки: сложность системы управления и необходимость синхронизации управления тиристорами с положением ротора, что требует отдельного преобразователя напряжения и частоты на каждый двигатель.

Асинхронные ТЭД с фазным ротором применялись на ЭПС в США в начале века. Их скорость регулировали изменением сопротивления в цепи ротора. В настоящее время на ЭПС используются асинхронные короткозамкнутые ТЭД, которые имеют самую простую конструкцию и низкую стоимость, однако они требуют применения сложной системы управления, обеспечивающей плавное регулирование частоты и напряжения. Несмотря на это, ЭПС с асинхронными ТЭД выпускают ряд ведущих электровозостроительных фирм (Siemens, ABB, Ansaldo, Toshiba) [14].

Классификация систем управления ЭПС по типам преобразователей представлена на рис. 1.4.

1) СУ ЭПС без преобразователей. Исторически первые электровозы имели простейшие СУ без преобразователей. Такие СУ предусматривают ступенчатое регулирование напряжения на ТЭД U_д за счет изменения группировок ТЭД, регулирования тока возбуждения I_в и включения пусковых резисторов r (на ЭПС постоянного тока) или переключения числа витков обмоток трансформатора (на ЭПС переменного тока). Применяются коллекторные ТЭД постоянного тока (КПТ) и однофазные коллекторные (ОК) [12,15].

Рис. 1.4 Классификация систем управления ЭПС по типам преобразователей

Преимущества СУ без преобразователей - их простота и дешевизна, недостатки - значительные потери в пусковых резисторах, ступенчатость регулирования силы тяги, сложность конструкции коллекторных ТЭД и ограничение их мощности по коммутации. До 1960 г. на ЭЖД Европы применялись СУ ЭПС без преобразователей за исключением единичных опытных электровозов. Сейчас в связи с развитием преобразовательной техники, такой тип СУ ЭПС хотя и утратил свое монопольное положение, но по-прежнему является наиболее распространенной системой управления на ЭЖД постоянного тока.

2) СУ ЭПС с вращающимися преобразователями. Еще в первой половине XX века в США и Венгрии применялись электровозы с вращающимися преобразователями. Первые такие электровозы имели синхронный преобразователь однофазного напряжения в трехфазное (СПФ) и асинхронный тяговый двигатель с фазным ротором (АФ). Регулирование осуществлялось переключением числа полюсов ТЭД и пусковым резистором в цепи ротора. Эти электровозы имели групповую тяговую передачу с шатунно-кривошипным механизмом наподобие паровозного. Количество таких электровозов не превышало двух-трех десятков.

В 1947-1955 гг. получают развитие ЭЖД переменного тока нормальной частоты США, Франции и Венгрии появляются разнообразные электровозы с вращающимися преобразователями, имеющие коллекторные ТЭД постоянного тока (КПТ) или асинхронные ТЭД с короткозамкнутым ротором (АКЗ). Регулирование скорости осуществлялось изменением напряжения и частоты тяговых двигателей [15,16].

Такие СУ имели много преимуществ: а) возможность использования ТЭД с оптимальными параметрами независимо от величины напряжения и рода тока в контактной сети; б) плавное регулирование скорости и силы тяги; в) синусоидальная форма тока, потребляемого из контактной сети, и возможность регулирования коэффициента мощности вследствие использования преобразователя с синхронным двигателем (СД).

Однако для ЭПС с вращающимися преобразователями характерны два очень серьезных недостатка: а) значительная масса электрооборудования, приходящаяся на единицу мощности ТЭД. Учитывая ограничение нагрузки от колес на рельсы по конструкции пути такие электровозы могут иметь мощность не более 400 500 кВт на движущую ось; б) сравнительно низкий КПД электровоза, обусловленный трех пятикратным преобразованием энергии. После 1955 г. такие электровозы больше не выпускались.

3) СУ ЭПС со статическими преобразователями. История СУ ЭПС со статическими преобразователями начинается с 1936 г., когда в Германии был пущен опытный участок Хеллентальской железной дороги, контактная сеть которого питалась напряжением 20 кВ, 50 Гц. Участок имел подъемы до 55 %. На этом участке работали четыре электровоза, изготовленные разными фирмами, в том числе два электровоза с ТЭД постоянного тока и многоанодными ртутными выпрямителями [15,16].

В первые послевоенные годы в США, Франции и СССР строятся и испытываются электровозы со статическими преобразователями первого поколения, на которых использовались одноанодные ртутные выпрямители. Их недостатки: громоздкость конструкции; трудность обеспечения герметичности приборов в условиях вибрации подвижного состава; необходимость поддержания температуры выпрямителей в узких пределах 35…40°С, что требовало применения водяного охлаждения; заражение электровоза ртутью при прожоге корпуса выпрямителя. Вместе с тем СУ с ртутными выпрямителями имели существенные преимущества по сравнению с вращающимися преобразователями: значительно меньшую массу электрооборудования, приходящуюся на единицу мощности ТЭД, и более высокий коэффициент полезного действия.

Второе поколение статических преобразователей появилось в Европе в 1958-1959 г. и спустя четыре года - в СССР. В качестве выпрямителей были применены кремниевые диоды. Это позволяло заменить водяное охлаждение воздушным, снизить массу и габариты выпрямительной установки, упростить ее техническое обслуживание, повысить КПД и надежность. Напряжение на ТЭД электровозов первого и второго поколений регулировалось изменением числа витков обмотки трансформатора с помощью контакторов. Преимущества данных преобразователей оказались настолько существенными, что по мере поступления в капитальный ремонт на всех электровозах первого поколения ртутные выпрямители были заменены кремниевыми.

Третье поколение статических преобразователей отличалось применением управляемых полупроводниковых приборов - кремниевых тиристоров. Это позволило отказаться от использования контакторов и перейти на бесконтактное регулирование. Кроме того, появилась возможность рекуперации на электровозах со статическими преобразователями, а также использования бесколлекторных ТЭД [6,13,16,17]. импульсный асинхронный напряжение двигатель

Четвертое поколение характеризуется применением полностью управляемых GТО тиристоров (Gate turn off thyristor - запираемый тиристор), что обеспечивало дальнейшее снижение массогабаритных преобразователей, особенно заметное на электровозах с асинхронными ТЭД [18].

Сейчас зарождается пятое поколение, характеризующееся использованием силовых полупроводниковых приборов IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором) и IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor - запираемый тиристор с интегрированным блоком управления) [10,19]. Недостатки статических преобразователей: а) значительное снижение коэффициента мощности при глубоком фазовом регулировании в режимах тяги и рекуперации; б) искажение формы кривой тока, потребляемого из контактной сети, и в) необходимость компенсации реактивной мощности на высших гармониках.

2. Выполнение теоретических исследований по моделированию 4-х квадратного преобразователи

2.1 Схемы и работа 4-х квадратных преобразователей ЭПС

Электровозы различных типов должны быть максимально унифицированы между собой. Анализ схем и конструкций узлов магистральных электровозов постоянного 3 кВ и переменного 25 кВ, 50 Гц токов с асинхронны-ми тяговыми двигателями показывает, что они могут быть унифицированы по многим позициям: тяговым двигателям; некоторым устройствам систем преобразования электроэнергии (инверторам): вспомогательному оборудованию; устройствам зашиты, управления и обеспечения безопасноти; конструкции тележек, силовых передач; устройствам связей кузова с тележками и передачи тягового усилия и др. Такая унификация выгодна и изготовителям электровозов и тем, кто их эксплуатирует, обслуживает и ремонтирует.

Требования к характеристикам перспективных электровозов устанавливаются исходя из того, что основным показателем успешного функционирования и развития железных дорог должна стать минимизация совокупных затрат на единицу полезной работы, а параметры средств тяги являются определяющими для экономики перевозок. Не менее важным при определении параметров средств тяги является необходимость создания оптимального запаса провозной и пропускной способности железных дорог при максимальных вероятных потребностях в перевозках и минимальных инвестициях. Реально обеспечить спрос на транспортные услуги в перспективе можно за счет увеличения веса поездов и скорости их движения [20,21].

Минимизировать расходы в эксплуатации можно несколькими путями:

1) повышая единичную (осевую) мощность электровозов до величины, которую можно реально использовать по условию сцепления;

2) снижая повреждаемость и повышая коэффициент готовности;

3) повышая производительность технических средств и обслуживающего персонала;

4) снижая энергозатраты на единицу полезной работы;

5) обеспечивая безопасность персонала и сохранность грузов.

Наиболее рационально эти цели могут быть достигнуты при применении на перспективных элекровозах тягового привода с асинхронными тяговыми двигателями [17,22,23].

Номинальная мощность АТД (осевая мощность) по сравнению с двигателем постоянного (пульсирующего) тока больше в 1,5…2 раза. Эта мощность может быть использована во всем диапазоне скоростей, что делает электровоз с АТД универсальным. Опыт железных дорог ФРГ показывает, что за счет этого парк электровозов может быть уменьшен на 10%, а суточные пробеги увеличены на 35…50% [20,24].

После освоения производства быстродействующих полупроводниковых приборов большой единичной мощности и микропроцессоров с высокой производительностью создание электровозов с АТД стало реальной задачей. Из возможных вариантов силовых схем статических преобразователей частоты и числа фаз для магистральных электровозов переменного тока практически всегда применяют схему с входным 4q-S преобразователем [25] и автономным инвертором напряжения (АИН), а для электровозов постоянного тока - схемы с входным импульсным регулятором и автономным инвертором напряжения [26].

При применении на электровозе переменного тока 4q-S преобразователя с широкоимпульсной модуляцией практически не искажается форма напряжения контактной сети и обеспечивается при изменении нагрузки в широком диапазоне коэффициент мощности, близкий к единице.

В инверторах тока имеют место высокие перенапряжения, что требует применения полупроводниковых элементов более высоких классов и принятия специальных мер защиты. Инвертор тока требует применения во входном фильтре реактора с большей индуктивностью (и массой), имеет более низкий коэффициент мощности по сравнению с АИН [26].

Расчет параметров и выбор полупроводниковых приборов к электрической схеме:

-мощность двигателя:

=1000 кВт;

=1000 A

В. (2.1)

Выбираем тип транзистора для однофазного моста: МТКИ 1200 - 12;

Выбираем тип транзистора для трехфазного моста: МТКИ 1800 - 12.

Четырёх квадрантный преобразователь 4Qs - это два моста (однофазный и трёхфазный) с транзисторами и обратными диодами, соединённые между собой со стороны постоянного напряжения. Со стороны переменного тока - последовательно включен индуктивный фильтр. Со стороны постоянного напряжения - параллельно включён емкостной фильтр.

Со стороны однофазного моста напряжение контактной сети U_кс =const и f_кс=const. Со стороны трёхфазного моста напряжение АТД U_АТД=var и f_АТД=var (рис.5.13,а).

Первые образцы четырёх квадрантного преобразователя, применённые фирмой Siemens в 1979 году на электровозе Е120, имели одно операционные тиристоры с контурами искусственной коммутации. Название преобразователя объясняется тем, что преобразователь допускает работу в режимах тяги и торможения. Причем ток потребляемый из сети, может, как отставать от напряжения сети, так и опережать его. Если вектор напряжения сети совпадает с положительным направлением вещественной оси, то возможны режимы работы преобразователя, при которых вектор сетевого тока располагается в любом из четырех квадрантов комплексной плоскости.

Режимы работы четырёхквадрантного преобразователя приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Режимы	Режимы мостов	Частота модулиру-ющего напряжения
АТД	однофазного	Трёхфазного
Тяга	Транзисторы закрыты, неуправляемый выпрямитель, Ed=const	АИН с ШИМ, регулирование fАТД и UАТД;	fM=fАТД
Торможение	ИН с ШИМ, постоянные частота fС, и действующее значение напряжения U , регулирование угла	Транзисторы закрыты, неуправляемый выпрямитель, Ed=var за счёт измерения скорости АТД	fM=fС

Принцип работы четырёхквадрантного преобразователя проще рассмотреть на примере режима рекуперации, когда происходит однофазное инвертирование.

Работа однофазного моста в режиме инвертирования:

Постоянное напряжение E_d на конденсаторе преобразуется в переменное напряжение u_a. При этом происходит чередование следующих режимов:

Открыты два транзистора в противоположных плечах VТ1 и VТ2. Конденсатор разряжается на вторичную обмотку трансформатора с сохранением полярности u_a=E_d. Ток i_a=i_d спадает (интервалы времени 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10 на рис. 2.1.)

Открыты два транзистора в смежных плечах VТ1 и VТ3 (интервалы времени 2-3, 6-7, 10-11, 14-15, 18-19 на рис. 21.). Вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко в первом полупериоде через VD3 и VТ1,во втором полупериоде через VD1 и VТ3. Токнарастает. Напряжение на выходе однофазного моста U_a=0. Конденсатор заряжается от трехфазного моста и отделен от однофазного, i_d=0. Открыты два транзистора в противоположных плечах VТ3 и VТ4. Конденсатор разряжается на вторичную обмотку трансформатора с изменением полярности U_a=-E_d. Ток i_a=-i_d спадает (интервалы времени 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20 на рис. 2.1.).

Рис. 2.1 Принципиальная схема четырех квадрантного преобразователя

Открыты два тиристора в смежных плечах VТ2 и VТ4 (интервалы времени 0-1, 4-5, 8-9, 12-13, 16-17 и 20-??? на рис.2. 1.). Вторичная обмотка замкнута накоротко в первом полупериоде через VТ2 и VD4, аво втором, полупериоде через VТ4 и VD2. Как и в случае 3.2, конденсатор заряжается трехфазного моста и отделен от однофазного. Ток i_a нарастает, i_d=0.

Система управления тиристорами сравнивает напряжения и .

- синусоидальное модулирующее напряжение с частотой , сдвинутое по фазе на угол относительно первой гармоники напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Напряжение вырабатывается специальным генератором, позволяющим регулировать угол. (-u_м) - синусоидальное напряжение, сдвинутое на 180⁰ относительно .

При рекуперации частота модулирующего напряжения равна частоте контактной сети f_M=f_C , а при тяге - частоте на статоре АТДf_M=f_АТД.

- пилообразное напряжение симметричной формы с частотой

(2.3)

достигающее максимума при прохождении модулирующего напряжения через ноль. Отношение частот пилообразного и модулирующего напряжений должно быть равно целому нечётному числу. В нашем примере

.

Условия открытого состояния транзисторов:

- VТ1: ;

- VТ4: ;

- VТ3: ;

- VТ2: .

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора e_a можно разложить в ряд Фурье. Амплитуда первой гармоники этого ряда e_a1 регулируется глубиной модуляции µ, которая равна отношению амплитуд модулирующего и пилообразного напряжений

(2.4)

при этом

(2.5)

u_м=u_мmSIN(2f_мt (2.6)

Рис. 2.2 Осциллограмма напряжений и токов

Угол сдвига, _а между первыми гармониками тока и напряжения регулируется изменением угла сдвига между модулирующим напряжением и напряжением на вторичной обмотке трансформатора .

Напряжение на первичной обмотке трансформатора равно геометрической сумме напряжения на выходе инвертора и падения напряжения на индуктивности . Регулируя угол сдвига между и можно добиться, чтобы угол _а в режиме тяги был равен нулю, а в режиме рекуперации -180⁰.

Пояснения к рис. 2.2 приведены в таблице 2.2 Работа однофазного моста 4Qs преобразователя в режиме инвертирования

Таблица 2.2

Открыты транзисторы	Проводящие плечи	Сторона переменного тока	Сторона постоянного тока	Интервалы времени по рис. 5.14
		Ua	ia	Ed	id
VТ1, VТ2	Противоположные	Ua=Ed	ia=id	Конденсатор С разряжается через однофазный мост на трансформатор	id спадает	1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10
VТ3, VТ4		Ua=-Ed	ia=-id			11-12,13-14, 15-16, 17-18, 19-20
VТ1, VТ3	смежные	Ua=0 К.з. трансформатора через вентили	VD3, VТ1	ia нарастает	Конденсатор С отделен от однофазного моста и заряжается от трехфазного	id=0	2-3, 6-7, 10-,
			VD1, VТ3				-11, 14-15, 18-19
VТ2, VТ4			VТ2, VD4				0-1, 4-5, 8-9
			VТ4, VD2				12-13, 16-17, 20-2

На электрифицированных железных дорогах Узбекистана (переменное напряжение 25 кВ) до последних лет использовались электровозы ВЛ-60 и ВЛ-80. В настоящие время электровозы ВЛ-60 выработали свой ресурс. Для их замены были закуплены электровозы серии «Узбекистан», произведенные на Чжучжоуском электровозостроительном заводе (КНР). Эти электровозы отличаются от ВЛ-60 тем, что на них использованы асинхронные тяговые двигатели и преобразователь частоты для регулирования частоты и напряжения (рис.2.2).

Электровоз оснащен двумя тяговыми преобразователями. Каждый тяговый преобразователь включает: два четырехквадрантных импульсных регулятора; два импульсных инвертора (по одному на каждый тяговый двигатель); один инвертор для питания вспомогательных бортовых потребителей энергии. Во всех компонентах преобразовательной установки в качестве элементной базы использованы биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). При питании от контактной сети переменного тока напряжением 15 или 25 кВ тяговый ток поступает к преобразователям, предварительно пройдя через последовательность коммутационных аппаратов, в которую входят разъединитель, переключатель заземления, индуктивный дроссель и главный вакуумный быстродействующий выключатель, на первичную обмотку главного трансформатора. Четырехквадрантные регуляторы 4qS подключены к вторичной обмотке главного трансформатора. Выпрямленный ток от них через промежуточное звено постоянного напряжения проходит к трем импульсным инверторам.

Рис. 2.2 Функциональная схема ТЭП одной оси электропоезда ICE

Рис. 2.3 Принципиальная электрическая схема электровоза «Узбекистан»

Каждый инвертор питает трехфазным переменным током тяговые двигатели. Протекание тока возможно как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. реализуются режимы как тяги, так и электродинамического торможения.

Итак, на основе выполненного анализа, учитывая особенности работы тяговых двигателей на ЭПС, такие как широкий диапазон изменения нагрузок и рабочих температур; работа в условиях постоянных возмущений, можно сформулировать требования к системам управления асинхронным тяговым приводом перспективного ЭПС, выполнение которых позволят обеспечить наибольший эффект.

Для максимальной реализации потенциальных возможностей двигателя и условий сцепления колеса с рельсом системы управления асинхронным тяговым приводом должны обладать следующими свойствами:

· максимально учитывать нелинейности характеристики намагничивания;

· максимально учитывать температурную нелинейность активного сопротивления ротора;

· быть нечувствительными к возмущениям со стороны контактной сети;

· быть нечувствительными к возмущениям со стороны нагрузки.

В наибольшей степени этим требованиям соответствуют системы управления, реализующие автоматическое поддержание постоянства магнитного потока - векторное управление.

3. Выполнение теоретических исследовании по моделирование импульсного регулятор напряжения (ИРН)

3.1 Схемы и работа импульсного регулятор напряжения (ИРН)

Принцип работы импульсных преобразователей энергии.

Импульсное преобразование энергии достигается периодическим включением и выключением управляемых диодов тиристорного прерывателя ТП. Этим обеспечиваются ступенчатое изменение напряжения, приложенного к нагрузке, и прерывистое изменение уровня потребления энергии от источника питания. Если ТП включен параллельно некоторому сопротивлению как это показано на рис. штриховой линией, то говорят об импульсном регулировании, сопротивления (ИРС).

В тех случаях, когда R= ?, имеет место импульсное регулирование напряжения (ИРН). Включение и выключение тиристоров ТП сопровождается пульсациями тока источника питания Я_d и нагрузки Я. Непрерывность тока i_d в системах ИРН обеспечивается включением фильтра L_ф-С_ф на вход ТП.

При выключенных тиристорах ТП ток i поддерживается электромагнитной энергией, накопленной в нагрузке и сглаживающем реакторе через цепь, содержащую группу разгрузочных диодов Д. Наличие разгрузочной цепи обусловливает неравенство средних токов нагрузки и источника питания и облегчает выключение тиристоров ТП в системах ИРН. Комплекс устройств, содержащий ТП, фильтр, сглаживающий реактор и группу разгрузочных диодов Д, называется импульсным преобразователем энергии (ИПЭ). Обычно ТП и Д выполняются конструктивно в одном блоке. Для отключения ИПЭ от источника энергии нормальных и аварийных режима используется автомат А. Диаграмма изменения токов при работе ИПЭ приведена на рис. 1--1,6; здесь же пунктиром показано изменение напряжения на нагрузке. В интервале потребления энергии Т_е ток нагрузки

Я = Я_d + Я_ф (3-1)

где i_ф--ТОК фильтра.

а) принципиальная схема; б) изменение токов и напряжений

В этом интервале ток нагрузки изменяется от минимального значения I_м до максимального I_б. В интервале Т_u энергия от источника энергии не потребляется, поэтому ток i ,спадает от I_б до I_к. Ток источника питания

I_d = I_ф (1-2)

и происходит заряд емкости фильтра. Режим импульсного потребления энергии, при котором изменение токов и напряжений внутри каждого периода тождественно повторяется, называется квазиустановившимся режимом. В квазиустановившимся режиме средние значения ТОКОВ и напряжений сохраняются неизменными. Напряжение источника питания

U_d = const прикладывается к нагрузке только в интервале Т_е. Поэтому среднее значение напряжения на нагрузке

где относительное время потребления энергии, которое в дальнейшем будем называть коэффициентом заполнения. Среднее напряжение на конденсаторе фильтра может сохраняться неизменным только при условии, что среднее значение ,разряда в интервале Т_е равно среднему значению заряда в интервале Т_д. Это условие можно записать в виде средних токов:

Из (1-4) определяется соотношение между средними значениями тока нагрузки I и источника питания I_d :

- так как

Т_е + Т_д = Т (1 - 6)

Если нагрузкой являются n_д двигателей, включенных в а_д параллельные группы , то ток и напряжение каждого из тяговых двигателей:

где m_д--число последовательно включенных двигателей каждой параллельной группы. Таким образом изменением коэффициента заполнения л может быть достигнуто требуемое регулирование напряжения и тока тяговых двигателей. Изменение л производится системой управления ТП. По способу изменения л различают: широтное регулирование, при котором изменяют Т_е при сохранении Т = соnst ; частотное регулирование, когда Т_е = const или T_n = const , а изменяют частоту и широтно - частотное регулирование, сочетающее одновременное изменение Т_е и cистемы ИРС и ИРН могут использоваться как в тяговом, так и в тормозном режимах тяговых двигателей. Ниже будут рассмотрены некоторые примеры в предположении , что тиристоры ТП являются идеальными ключами, т. е. мгновенно переходят из открытого состояния в закрытое и обратно.

Преимущества импульсного преобразования энергии в цепях ЭПС постоянного тока.

1. Уменьшение потерь энергии при разгоне При разгоне (пуске) в пускорегулирующей аппаратуре выделяется мощность

ДР_а = Р_d - Р_д (1-9)

равная разности мощностей, потребляемой

Р_д = U_д * I_д (1-10)

и расходуемой тяговыми двигателями

где з_д к. п. д. тягового двигателя. Если предположить, что увеличение скорости х происходит при постоянной силе тяги

F = C_F = const , то (1-12)

Из (1--12) видно, что экономичность разгона будет тем больше, чем лучше будет выполняться условие

т. е. потребляемый ток должен увеличиваться пропорционально скорости движения, если U_d = const.

В контактно-реостатных системах нет возможности плавно изменять потребляемый ток, так как он всегда равен току тяговых двигателей. Поэтому здесь уменьшение потерь достигается переключением групп тяговых двигателей с одного соединения на другое. Ограниченное число возможных переключений не позволяет получить достаточно экономичной пуск, поэтому в пусковых сопротивлениях, ограничивающих ток, выделяется значительное количество энергии. Следует особо подчеркнуть, что многоступенчатые реостатно - контактные системы могут способствовать лишь незначительному снижению потерь в реостатах за счет уменьшения пульсаций тока, повышения его среднего значения и увеличения ускорения. Импульсное преобразование энергии позволяет изменять потребляемый ток пропорционально скорости, так как он не равен току нагрузки. Из (1--5) и (1--13) следует, что экономический режим разгона будет обеспечен, если изменять коэффициент заполнения по закону

Если получение малых значений л , обеспечивающих экономичность при низких скоростях, оказывается затруднительным по техническим причинам, то целесообразно сочетать ИРН с переключением групп тяговых двигателей.

Экономичность разгона особенно важна при питании тяговых двигателей от аккумуляторных батарей, где запас энергии ограничен. Этим объясняется то, что системы ИРН первоначально нашли применение на аккумуляторном и контактно- аккумуляторном ЭПС. Однако и при питании от контактной сети система ИРН позволяет существенно снизить пусковые потери что дает возможность получить значительную экономию на эксплуатационных расходах, а также ликвидировать непроизводительные затраты энергий.

В качестве примера отметим, что в сопротивлениях одного трамвайного вагона расходуется в год около 46000 квт /ч на сумму 665 руб. Для электропоездов годовой расход энергии в пусковых сопротивлениях на один моторный вагон примерно в три раза выше, т. е. составляет около 140 000 квт / ч на сумму 2000 руб. Технико-экономические расчеты показывают, что применение импульсного управления позволяет сократить расход энергии на I5ч30 % в зависимости от характера эксплуатации ЭПС постоянного тока.

2. Повышение плавности пуска и ограничение бросков тока

На рис. 1--2 изображена пусковая диаграмма i(t) при ступенчатом и плавном регулировании. Хотя среднее значение тока при ступенчатом пуске I_ср меньше тока 1 при ИРН, однако из-за большей неравномерности в точке А будет нарушено сцепление и начнется боксование. Плавное изменение тока при пуске позволяет не только реализовать более высокие пусковые ускорения, но и обеспечить изменение тока, которое исключает ощущение толчков у пассажиров. Установлено, что толчки не ощущаются, если вторая производная скорости по времени не превышает 0,3 м/сек³.

Быстродействие тиристорного прерывателя в замкнутой системе регулирования обычно достаточно для того, чтобы изменить протекание переходного процесса в цепи тяговых двигателей. Поэтому в системах с контролем по току допустимо переключение групп двигателей даже с полным их отключением от контактной сети, а в системах ИРС возможно закорачивание ступеней сопротивления, не охваченных ТП. - Важно отметить, что при импульсном регулирования перестают быть опасными броски в контактной сети, так как включение и выключение тиристоров всегда сопровождаются скачкообразным изменением напряжения на выходе ТП.