Розвиток наукових основ систем електричної тяги метрополітенів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ІНФРАСТРУКТУРИ УКРАЇНИ

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту

імені академіка В. Лазаряна

ХВОРОСТ МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.33:629.432

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СИСТЕМ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТЯГИ МЕТРОПОЛІТЕНІВ

Спеціальність 05.22.09 - електротранспорт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ - 2011

ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИСОМ

Робота виконана на кафедрі електричного транспорту Харківської національної академії міського господарства та в Державному науково-дослідному центрі залізничного транспорту України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Панасенко Микола Васильович,

Харківська філія Державного науково-дослідного центру залізничного транспорту України, Міністерство інфраструктури України, головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Гетьман Геннадій Кузьмич,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Міністерство інфраструктури України, завідувач кафедри електрорухомого складу;

доктор технічних наук, професор

Андрієнко Петро Дмитрович,

ВАТ Науково-дослідний інститут «Перетворювач» (м. Запоріжжя), перший заступник голови правління;

доктор технічних наук, професор

Гусевський Юрій Ілліч,

Українська державна академія залізничного транспорту, Міністерство інфраструктури України, професор кафедри систем електричної тяги.

Захист дисертації відбудеться "26" _травня_ 2011 р. о _14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.820.01 Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. академіка В.А. Лазаряна, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, 49010, м. Дніпропетровськ, вул. академіка В.А. Лазаряна, 2.

Автореферат розісланий "__" _________ 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., професор М.О. Костін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Метрополітени забезпечують високу спроможність міських пасажирських перевезень при значній швидкості та безпеці руху. На теперішній час на метрополітенах України перевезення пасажирів забезпечується, в основному, вагонами з колекторними двигунами постійного струму послідовного збудження із живленням з номінальною напругою 825 В від підземних тягових підстанцій, які підключаються безпосередньо до міської енергомережі 6 (10) кВ. Витрати електроенергії на живлення поїздів у таких системах складають 80 ч 95 % від загальних витрат електроенергії на метрополітенах і є значною складовою собівартості пасажирських перевезень. Так, на ДП „Харківський метрополітен” у 2009 р. витрати на оплату спожитої поїздами електроенергії склали понад 40 млн. грн., а це близько 30% витрат у собівартості перевезень пасажирів. Моніторинг обсягів енергоспоживання вказує на подальше збільшення цих витрат.

Значна ж частина цієї електроенергії припадає на втрати в тягових підстанціях, тяговій мережі, тягових електроприводах вагонів і їх гальмівних реостатах. Окрім цього, тягові підстанції з шестипульсними діодними випрямлячами формують порівняно низький коефіцієнт потужності зовнішньої енергомережі та суттєво в години „пік” збільшують її навантаження. Вагони з тяговими колекторними двигунами постійного струму є трудомісткими при технічному обслуговуванні і ремонті. Це обумовлює необхідність пошуку нових ефективних технічних рішень щодо системи електричної тяги в цілому та її основних складових, що дозволить знизити витрати як енергетичних, так і матеріальних, трудових, фінансових ресурсів при експлуатації метрополітенів. Необхідність пошуку нових ефективних рішень із ресурсозбереження, зокрема, з енергозбереження, є не тільки доцільним стосовно перспективних ліній метро, а й важливим при проведенні реконструкції об'єктів ліній метрополітенів і модернізації рухомого складу, що експлуатується.

Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є подальший розвиток наукових основ побудови високоефективних систем електричної тяги метрополітенів з урахуванням світових досягнень у галузях силової електроніки, перетворювальної техніки, мікропроцесорної техніки, електромашинобудування та автоматизованого електроприводу. При цьому обов'язково повинно бути враховано повне коло системи від зовнішньої енергомережі до тягових двигунів вагонів. Вирішення цієї проблеми має бути комплексним, оскільки величина напруги живлення системи електричної тяги, структура тягового електропостачання, тип перетворювальних агрегатів підстанцій і пунктів живлення тягової мережі, величина напруги живлення тягової мережі, вид тяги поїздів, структура тягового електроприводу вагонів метро, тип їх тягових двигунів і перетворювачів, режимів керування тяговими двигунами, а також їх тип суттєво впливають як на капіталовкладення, так і на експлуатаційні показники метрополітенів, фонд оплати праці, споживання матеріалів і запчастин, витрати електроенергії. Тому тема дисертаційної роботи, яка направлена на подальше вдосконалення наукових основ системи електричної тяги метрополітенів України в напрямку підвищення рівня енергозбереження, а також зниження витрат матеріальних, трудових і фінансових ресурсів при експлуатації метрополітенів є актуальною, оскільки відповідає меті Державної програми енергозбереження України та пріоритетним напрямкам сучасної державної економічної політики.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів наступних державних програм та планів науково-дослідних робіт за завданням „Укрзалізниці”:

- Державної програми будівництва і розвитку мережі метрополітенів на 2006 - 2010 рр., (Затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 7 березня 2006 р., №257);

- Державної програми „Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства” (Затверджено постановою Кабінету Міністрів України від 2 червня 1998 р., №769);

- „Розробка технічних вимог до перетворювальних агрегатів на базі дванадцятипульсних напівкерованих випрямлячів з реверсивним вольтододатком для тягових підстанцій постійного струму із стабілізованою напругою і безконтактним захистом при коротких замиканнях у тяговій мережі” (ДР № 0110U003712);

- „Розроблення технічної документації на дослідний зразок дванадцятипульсового перетворювального агрегату з реверсним вольтододатком і безконтактним захистом від короткого замикання для тягових підстанцій постійного струму” (ДР № 0110U003713);

- „Дослідження технічного стану пристроїв тягового електропостачання та техніко-економічне обґрунтування можливих варіантів проведення модернізації при організації швидкісного руху на Кримському напрямку” (ДР № 0110U003656).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток наукових основ електричної тяги для підвищення ефективності роботи метрополітенів за рахунок розробки і практичної реалізації методів та заходів з енергозбереження на основі оптимізації параметрів підсистем електропостачання та тягового електроприводу вагонів.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

1. Дослідження структури та режимів роботи систем електричної тяги, що використовуються на метрополітенах.

2. Оцінка технічної досконалості підсистем електричної тяги.

3. Розробка основ теорії та моделювання енергоефективних напівкерованих дванадцятипульсних випрямлячів із реверсивним вольтододатком - стабілізаторів напруги для головних тягових підстанцій метрополітенів із повздовжньою лінією живлення постійного струму.

4. Розробка методики аналізу тягових мостових автономних інверторів напруги з вузлами однорідної комутації, які забезпечують „м'яку” комутацію силових ключів при синусоїдальній широтно-імпульсній модуляції вихідної напруги.

5. Аналіз силової схеми перетворювача постійної напруги з проміжною ланкою однофазного струму підвищеної частоти і розробка алгоритму його функціонування, що забезпечує, „м'яку” комутацію силових ключів.

6. Моделювання й аналіз електромагнітних процесів у силовому перетворювачі постійної напруги однорідної структури і вибір конструкції електромагнітного трансформатора проміжної ланки підвищеної частоти та структури високовольтних ключів.

7. Наукове обґрунтування однозонної характеристики керування тяговими асинхронними двигунами вагона й оцінка впливу відхилень діаметрів коліс на рівномірність струморозподілення між двигунами вагонів метрополітену.

8. Обґрунтування структури блоку електромагнітної сумісності тягового асинхронного електроприводу вагона з тяговою мережею в усталених і перехідних режимах.

9. Розробка методики розрахунку і схемотехнічних рішень захисту від струмів короткого замикання тягових асинхронних двигунів вагонів.

10. Наукове обґрунтування структури і параметрів вхідного фільтра реверсивного вольтододатка.

11. Формування та реалізація практичних рекомендацій щодо визначення та вибору стратегій підвищення рівня ресурсозбереження при експлуатації метрополітенів.

Об'єкт дослідження - електромагнітні та електроенергетичні процеси в системі електричної тяги метрополітену.

Предмет дослідження - енергозбереження при експлуатації метрополітенів.

Методи дослідження ґрунтуються на системному підході з використанням теорії електричної тяги, теорії перетворювальної техніки для аналітичного визначення параметрів елементів електрообладнання, теорії активних і пасивних фільтрів, теорії автоматизованого електроприводу для дослідження трифазних і двофазних тягових електроприводів вагонів із «м'якою» комутацією напівпровідникових ключів автономних інверторів напруги, теорії тягового електропостачання, математичного аналізу і моделювання для аналізу і синтезу параметрів елементів системи “перетворювач - асинхронний двигун”, а також чисельних методів розрахунку.

Наукова новизна отриманих результатів. Вирішено науково-технічну проблему - енергозбереження при експлуатації метрополітенів за рахунок вдосконалення системи електричної тяги метрополітенів, яка враховує необхідність переходу на розподільне тягове електропостачання з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму та поїзди змішаної структури, сформовані з вагонів із тяговими асинхронними двигунами та безмоторними вагонами, що дозволяє суттєво підвищити енергоефективність і надійність системи електричної тяги метрополітенів.

Уперше:

1. Вперше створено комплексну концепцію побудови ефективної системи електричної тяги, що базується на застосуванні системи глибокого вводу, яка забезпечує енергозбереження при експлуатації метрополітенів.

2. Запропоновано нову структуру тягового електропостачання на основі використання повздовжньої високовольтної лінії живлення електрорухомого складу, що дає можливість підвищити рівень ресурсозбереження на метрополітенах.

Одержали подальший розвиток:

3. Основи теорії дванадцятипульсних напівкерованих випрямлячів із реверсивним вольтододатком, які дозволяють забезпечити стабілізацію напруги живлення в контактній мережі.

4. Теорія автономних інверторів напруги з „м'якою” комутацією силових ключів для тягових асинхронних електроприводів вагонів метрополітенів, побудованої на основі застосування вольтодобавочних модулів, чим забезпечується підвищення коефіцієнту корисної дії тягового асинхронного електропривода.

5. Наукові основи побудови обернених силових перетворювачів із проміжною ланкою однофазного змінного струму підвищеної частоти на основі застосування однорідних перетворювальних структур, що забезпечує стабілізацію напруги в контактній мережі при роботі електрорухомого складу в режимі пуску та гальмування.

6. Принципи побудови силових гібридних фільтрів послідовного типу, які забезпечують електромагнітну сумісність тягового асинхронного електроприводу вагонів і тягової мережі метрополітену, чим досягається зменшення втрат електричної енергії в мережах, термін дії та стійкість роботи обладнання.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці методик розрахунку параметрів та технічних вимог до основних елементів системи електричної тяги метрополітенів із повздовжньою високовольтною лінією постійного струму.

Удосконалено:

1. Аналітичні методики розрахунку параметрів вузлів тягового асинхронного електроприводу, що дає можливість оптимізувати їх характеристики.

2. Методики аналізу трифазного і двофазного тягових асинхронних електроприводів вагонів, відносно їх основних характеристик та надійності роботи тягового інвертора напруги.

3. Алгоритм керування тяговими асинхронними двигунами вагонів метрополітену.

Результати роботи впроваджено: У ВАТ „Харківметропроект”; комунальному підприємстві „Харківський метрополітен”; ВАТ „Крюківський вагонобудівний завод” (м. Кременчук); Харківській національній академії міського господарства.

Результати роботи містять рекомендації щодо побудови енергоефективного тягового електропостачання ліній метрополітенів та рекомендації з підвищення тягових властивостей електроприводів рухомого складу.

Упровадження підтверджується відповідними актами про використання результатів досліджень дисертації організаціями, підприємствами, науковими установами та навчальними закладами.

Особистий внесок здобувача. У працях, написаних у співавторстві за темою дисертаційної роботи, здобувачеві належить:

створення комплексної концепції побудови ефективної системи електричної тяги, яка забезпечує енергозбереження при експлуатації метрополітенів [5];

доопрацювання теорії автономних інверторів напруги з „м'якою” комутацією силових ключів для тягових асинхронних електроприводів вагонів метрополітенів [32, 34, 38, 40, 47];

подальший розвиток теорії дванадцятипульсних напівкерованих випрямлячів із реверсивним вольтододатком, які дозволяють забезпечити стабілізацію напруги живлення в контактній мережі [11, 24, 31];

удосконалення алгоритму керування тяговими асинхронними двигунами вагонів метрополітену [3, 9, 19, 29, 39];

доопрацювання основ теорії обернених силових перетворювачів із проміжною ланкою однофазного змінного струму підвищеної частоти на основі однорідних перетворювальних структур, що забезпечують стабілізацію напруги в контактній мережі при роботі електрорухомого складу в режимі пуску та гальмування [14];

структура тягового електропостачання з повздовжньою високовольтною лінією живлення електрорухомого складу, що дає можливість підвищити рівень ресурсозбереження на метрополітенах [32, 47];

подальший розвиток теорії силових гібридних фільтрів послідовного типу для забезпечення електромагнітної сумісності тягового асинхронного електроприводу вагонів і тягової мережі метрополітену [6, 21, 26, 27];

удосконалення методики аналізу трифазного і двофазного тягових асинхронних електроприводів вагонів, відносно їх основних характеристик та надійності роботи тягового інвертора напруги [2-3, 10, 12, 22];

аналітична методика розрахунку параметрів вузлів тягового асинхронного електроприводу, що дає можливість оптимізувати їх характеристики [12].

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати дисертаційної роботи доповідалися на 15 науково-технічних, 3 науково-практичних міжнародних конференціях та на постійно діючому галузевому семінарі НАН України, зокрема: на міжнародних науково-технічних конференціях „Проблеми розвитку рейкового транспорту”, „Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика”, „Силова електроніка і енергоефективність” (Україна, Крим, 2003 - 2010 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях „Проблеми сучасної електротехніки” (Україна, Київ, 2004 - 2010 рр.); на 65-й міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту” (Україна, Дніпропетровськ, 2006 р.); на 2-й науково-практичній конференції „Впровадження наукоємних технологій на магістральному і промисловому залізничному транспорті” (Україна, Крим, 2006 р.).; науково-технічних конференціях Харківської національної академії міського господарства та ДП “Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України» (Харків, 2005- - 2010 рр.); семінарі „Підвищення ефективності підсистем електричної тяги залізниць і метрополітенів” та семінарі „Тягово-енергетичні аспекти підвищення ефективності систем електричної тяги постійного і змінного струму”; секції 8 „Фізико-технічні проблеми енергетики електричного та дизель-електричного транспорту” Наукової ради НАН України з комплексної проблеми „Наукові основи електроенергетики”(Україна, Харків, НТУ „ХПІ”, 2003 - 2009 рр.).

Повністю дисертація доповідалась на засіданнях кафедри „Електричний транспорт” Харківської національної академії міського господарства і науково-технічній раді Державного підприємства „Державний науково-дослідний центр залізничного транспорту України” та на засіданні міжкафедрального наукового семінару кафедр теоретичних основ електротехніки, автоматизованого електроприводу, електрорухомого складу, електропостачання залізниць в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В.Лазаряна.

Публікації. Основні результати досліджень опубліковано в 47 наукових працях з яких-45 статей у виданнях, затверджених ВАК України як фахові, 33 праці - у фахових виданнях, опубліковано не більш як з трьома співавторами, з них 8 - без співавторів.

Структура роботи. Дисертаційна робота має вступ, шість розділів, висновки, список використаної літератури та додатки. Повний обсяг дисертації складає 350 сторінок, у тому числі 302 сторінки основного тексту, 4 таблиці, 119 рисунків, список використаної літератури із 264 найменувань на 28 сторінках, 4-х додатків.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, доведено актуальність і зв'язок її з науковими програмами і темами, сформульовано мету роботи та завдання, які необхідні для досягнення, визначено наукову новизну і практичну цінність роботи.

Показано основний внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі розкрито проблему ресурсозбереження на метрополітенах, наведено аналіз сучасних підходів до побудови енергоефективних систем електричної тяги метрополітенів та приведено основні шляхи вирішення проблеми.

Згідно з прийнятою у 2006р. “Державною програмою будівництва та розвитку мережі метрополітенів на 2006-2010 роки” актуальним є вирішення проблеми підвищення рівня технічного оснащення метрополітенів та ефективності їх роботи шляхом оновлення як рухомого складу, так і енергетичного устаткування. Одним із основних напрямів розв'язання цієї проблеми Програмою передбачається освоєння виробництва і виготовлення на вітчизняних підприємствах вагонів із асинхронним тяговим електроприводом та пристроїв тягового електропостачання з підвищеним ресурсом працездатності і енергоефективності. Вирішення цих завдань потребує, в першу чергу, відповідного наукового супроводження розробок, принципово нових технічних рішень щодо тягового електропостачання і рухомого складу, які відповідають сучасним світовим досягненням.

Аналіз стану і шляхів підвищення енергоефективності систем електричної тяги метрополітенів світу показали, що основою підвищення рівня енергозбереження є збільшення напруги в контактній мережі до 1500 В та використання тягових асинхронних двигунів. При цьому в повній мірі повинні використовуватися заходи щодо вдосконалення системи живлення метрополітенів від зовнішніх енергомереж, самого тягового електропостачання метрополітенів, а також тягових електроприводів вагонів, оскільки від структури силових схем, елементної бази, принципів управління залежать їх техніко-економічні показники.

Підвищення потужності тягових асинхронних двигунів вдвічі у порівнянні з колекторними тяговими двигунами постійного струму, що знаходяться в експлуатації, перехід до однозонної характеристики керування дозволять на лініях зменшити час розгону та реалізувати рекуперативне гальмування і, тим самим, знизити витрати електроенергії на тягу.

Збільшення осьової потужності вагонів метро та перехід до групового управління від одного автономного інвертора гостро ставить також питання щодо забезпечення безпеки руху при відмовах в інверторі, які приводять до одночасного переходу тягових асинхронних двигунів вагона в режим короткого замикання. З метою зменшення споживання метрополітенами реактивної енергії із зовнішньої енергомережі для електроживлення тягового навантаження доцільно переходити на більш багатопульсні схеми випрямлячів трифазного змінного струму.

Аналіз досліджень щодо удосконалення системи електричної тяги на залізничному транспорті, які стали можливими завдяки плідній праці наукових колективів під керівництвом Андрієнко П.Д., Аржанкінова Б.О., Бадера М.Б., Барського В.О., Буркова А.Т., Браташа В.О., Гетьмана Г.К., Гончарова Ю.П., Гусевського Ю.І., Доманського В.Т., Жемерова Г.Г., Інькова Ю.М., Колпахчьяна П.Г., Курбасова А.С., Мамошина Р.Р., Мірошниченко Р.І., Омельяненко В.І., Панасенко М.В., Плохова Є.М., Ротанова М.О., Саєнко Ю.Л., Сенько В.І., Сокола Є.І., Соколова С.Д., Тартаковського Е.Д., Шалімова М.Г., Шидловського А.К., Щербака Я.В., Феоктістова В.П. та інших показав, що в роботах цих шкіл не достатньо приділяється уваги вдосконаленню системи електричної тяги метрополітенів.

У дослідженнях із метою підвищення рівня ресурсозбереження в комунальному господарстві, в тому числі і на міському електротранспорті, які виконувались під керівництвом Далеки В.Х., Маляренка В.А., Харченка В.Ф., Шутенка Л.М., та інш. також комплексно не вирішувались питання підвищення енергоефективності електротяги на метрополітенах.

Тому на основі аналізу результатів наукових досліджень в напрямку вдосконалення системи електричної тяги постійного струму метрополітенів на захист виноситься система тягового електропостачання ліній метрополітену (рис.1) на основі повздовжньої високовольтної лінії постійного струму.

На схемі позначено: НГТП₁, НГТП₂ - наземні головні тягові підстанції; ПЛ - повздовжня високовольтна лінія живлення постійного струму напруги 12 кВ; ППЖ_і (де і = 1,2,...n) - підземні пункти живлення тягової мережі (ТМ), КР, ПР - контактні і поїздні рейки тягової мережі відповідно; L_л відстань між кінцевими станціями лінії метрополітену, поблизу яких розміщаються головні тягові підстанції; l_П - відстань між станціями на лінії, в підземних приміщеннях кожної з яких розміщені пункти живлення тягової мережі; РУ 110 (220) кВ - розподільна установка змінного струму; РП_ПЛ - розподільна установка постійної напруги ПЛ; РП_ТМ - розподільна установка постійної напруги ТМ; ПА - перетворювальні агрегати тягових підстанцій; НЕ - накопичувач енергії тягових підстанцій напругою 12 кВ живлення тягової мережі напругою 1500 В.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. - Структура схеми живлення ліній метрополітену

Структура силової схеми тягового асинхронного електроприводу з груповим управлінням двигунами приведена на рис. 2.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. - Структура силової схеми тягового асинхронного електроприводу вагона з груповим управлінням двигунами

На схемі позначено: СП - струмоприймач; ШВ - швидкодіючий вимикач; U_ТМ - напруга в тяговій мережі; БЕМС - блок електромагнітної сумісності; Ud - постійна напруга живлення перетворювально-регулювального блока (ПРБ); u_a, u_в, u_c - трифазна змінна напруга, регульована по величині і частоті для живлення електромагнітного блоку (ЕМБ); В1 - В4 - вали чотирьох тягових асинхронних двигунів

У другому розділі викладено основи теорії енергоефективних випрямлячів - стабілізаторів напруги для перетворювальних агрегатів наземних головних тягових підстанцій метрополітенів, що забезпечують живлення поздовжньої високовольтної лінії постійного струму стабілізованою напругою 12 кВ. Наведено результати досліджень режимів роботи перетворювальних агрегатів головних тягових підстанцій метрополітенів.

Рекомендовано при проектуванні використовувати перетворювальні агрегати тягових підстанцій постійного струму тягового електропостачання постійного струму на основі дванадцятипульсних схем тиристорних випрямлячів послідовного типу, в яких вирішення задачі стабілізації вихідної напруги забезпечується за рахунок фазового регулювання їх комутаторів, що мають ряд негативних чинників щодо коефіцієнта потужності мережі живлення та гармонічного складу випрямленої напруги.

Показано, що зняття цих негативів у фазокерованих випрямлячах-стабілізаторах напруги потребує суттєвого збільшення установленої потужності електрообладнання тягових підстанцій. Тому в нових розробках перетворювальних агрегатів для тягових підстанцій постійного струму більш доцільно використовувати дванадцятипульсні схеми тиристорних, діодних чи діодно-тиристорних випрямлячів із реверсивним вольтододатком, які дозволяють не тільки забезпечити стабілізацію напруги U_л на фідерах підстанцій при коливаннях струмів та напруги в мережі живлення, але й при деякому ускладненні вольтододатка ще й реалізувати високий коефіцієнт потужності без суттєвого погіршення форми струму, а також забезпечити безконтактне підключення (відключення) агрегата від тягової мережі.

В усталеному режимі як тиристорний, так і діодно-тиристорний основний випрямляч (ОВ) працює з кутом управління тиристорами б_ОВ=0. Вольтододаток (ВД) же, у сталому режимі може працювати як у чисто фазокерованому режимі, тобто коли кут управління його тиристорами б_ВД змінюється в межах від 0 до 180⁰, а також і в режимі однополярної широтно - імпульсної модуляції (ШІМ). У першому випадку вольтододаток може бути побудований на одноопераційних тиристорах; у другому випадку - тільки на двоквадрантних ключах знакозмінної напруги аналогом яких є двохопераційні тиристори GTO і GCT (рис. 3).

При стандартному допустимому відхиленню напруги в мережі живлення ±10% та відносному падінню напруги 5% в перетворювачі при протіканні номінального струму відносний запас по діапазону регулювання вихідної напруги перетворювача стабілізатора напруги повинен складати:

. (1)

Отже, реверсивний фазокерований вольтододаток повинен створювати на своєму виході регульовану за величиною та знаком напругу з максимальною величиною

, (2)

поточна величина якої залежить від глибини регулювання ф

, де (3)

і яка додається (віднімається) до (від) напруги основного випрямляча (ОВ), тобто,

(4)

Рис. 3. - Дванадцятипульсний випрямляч із вольтдодатком

Реверсивний характер вольтододатка дозволяє зменшити його установлену потужність вдвічі і, отже, для даного випадку вона складає всього 12,5% від потужності основного випрямляча.

При використанні для стабілізації напруги фазокерованого вольтододатка на одноопераційних тиристорах коефіцієнт потужності мережі живлення дещо знижується у порівнянні з чисто діодним дванадцятипульсним випрямлячем без вольтододатка, але його погіршення все ж таки є суттєво меншим, ніж у схемі чисто дванадцятипульсного тиристорного випрямляча - стабілізатора напруги. Співвідношення реактивних потужностей керованого дванадцятипульсного випрямляча - стабілізатора напруги з кутом управління б_м і некерованого дванадцятипульсного випрямляча (б=0) вольтододатком на одноопераційних тиристорах - стабілізаторах напруги визначається формулою:

, (5)

із якої видно, що чим менша величина , тобто чим менша потужність вольтододатка, тим це співвідношення буде більшим. Зокрема, при типовій величині маємо 5,3, тобто реактивна потужність дванадцятипульсного випрямляча - стабілізатора напруги з реверсивним фазоуправляємим вольтододатком є десь у 5 разів меншою, ніж реактивна потужність тиристорного дванадцятипульсного випрямляча-стабілізатора напруги без вольтододатка. Схема реверсивного вольтододатка (рис. 4), який може працювати ще і в режимі ШІМ, окрім трифазного мостового комутатора на GTO (GCT) тиристорах та вихідного L_dC_d - фільтра, спільного з фільтром основного випрямляча, включає в себе обов'язково ще і вхідний трифазний L_s,С_д - фільтр, індуктивностями якого, як правило, є тільки фазні індуктивності розсіювання L_s перетворювального трансформатора.

Методом однополярної ШІМ у кожній із фаз регульованого вольтододатка можна сформувати струм i_в заданої форми, що не перевищує за амплітудою величину вихідного струму перетворювача i_d із заданим кутом зсуву ц його першої гармоніки 50 Гц i_в1 по відношенню до першої гармоніки фазної напруги U_в.

При цьому для збереження ВД у повній мірі функцій стабілізації вихідної напруги перетворювача U_л необхідно дещо збільшити розрахункову вихідну напругу широтно-імпульсного регульованого вольтододатка (ШІР - ВД) у порівнянні з максимальною розрахунковою напругою U _дm фазокерованого вольтододатка (ФР ВД).

Потрібний коефіцієнт збільшення напруги K_U ШІР - ВД у порівнянні ФР ВД, або, що одне і те, коефіцієнт збільшення його установленої потужності визначається співвідношенням:

, (6)

де i_c^* - відносний реактивний струм ШІР ВД

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. - Принципова схема вольтододатка

Якщо не має потреби генерувати реактивний струм (), то збільшення установленої потужності ШІР - ВД не потрібно (K_U=1). При на величину K_U в тій же пропорції впливає і вихідна (початкова, тобто при ) установлена потужність вольтододатка , оскільки при зменшенні зменшується і потрібний реактивний струм, що генерує ШІР ВД у мережу. Розрахунки показують, що ШІР ВД вигідно генерувати в мережу відносно невеликий реактивний струм ємнісного характеру, що практично не потребує збільшення його установленої потужності. Так, при генерація в мережу відносного ємнісного струму приведе до збільшення установленої потужності ШІР ВД у порівнянні з ФР ВД всього на 20%. Результуючий коефіцієнт потужності мережі живлення підвищується до 0,98, що вже відповідає рекомендаціям нових стандартів. Щодо демпфування вхідного LC-фільтра ШІР ВД, то в роботі запропоновано структуру фазного блока управління комутатора із зворотнім зв'язком, що дозволяє досягти ефективного демпфування L_s,С_д - фільтра вольтододатка (рис. 5).

Елемент із позначкою K є фазним комутатором ШІР ВД. Датчик напруги ДН вимірює напругу на ємності конденсатора С_д фази вхідного фільтра. Полосовий фільтр із передаточною функцією W_ф виділяє із напруги U_в на конденсаторі С_д сигнали з частотами в межах резонансної частоти фільтра.

Рис. 5. - Структура блоку керування комутатора ШІР ВД

Його вихідний сигнал додається до сигналу завдання i_вз по струму фази і цей сумарний сигнал і відпрацьовується комутатором. Вважаючи комутатор неперервною ланкою з коефіцієнтом підсилення k, одержуємо для складової струму i_в, пов'язаної з дією зворотного зв'язку, наступне співвідношення:

, (8)

де - передаточний коефіцієнт датчика напруги.

Із (8) випливає, що зворотній зв'язок створює еквівалентну провідність

, (9)

яка увімкнена паралельно конденсатору С_д фільтра.

Характеристики фільтра залежать як від модуля його передаточної функції W_p , так і від величини його добротності q, які, в свою чергу, є функцією характеристичного опору еквівалентної демпфуючої ланки.

На рис. 6 показані функції

із яких видно, що чим менший відносний характеристичний опір демпфуючої ланки , тим менший максимум передаточної функції і, отже, максимум вихідної напруги U_в, та тим меншій величині добротності відповідає оптимум.

Так як зниження веде до збільшення установленої потужності ШІР ВД, то в роботі одержані залежності для розрахунку величини при якій збільшення установленої потужності є допустимим.

При реактивній потужності на ємностях фільтра для прикладу , , та

(200 Гц)

найменша величина відносного характеристичного опору складе всього , що у відповідності до залежності

дає . У цьому випадку збільшення установленої потужності ШІР ВД не перевищить 12%, що є допустимим. При менших значеннях ця величина буде ще менш значущою.

Рис. 6. - Залежність добротності q і модуля передатної функції від характеристичного опору ланки демпфування

Проведений аналіз впливу результуючого коефіцієнта підсилення кола зворотного зв'язку k_п на стійкість в ході перехідних процесів показав, що при практично максимальній частоті модуляції f_ш=1800 Гц величина його не повинна перевищувати 3. У протилежному випадку пульсації вхідного струму перетворювача при перехідних процесах стають стійкими.

Деяким недоліком засобу демпфування з керування є те, що цей засіб не діє в режимі холостого ходу перетворювача (i_d=0).

У третьому розділі наведено теоретичні основи побудови енергоефективних силових високовольтних перетворювачів постійної напруги з проміжною ланкою змінного струму підвищеної частоти для перетворювальних агрегатів підземних пунктів живлення тягової мережі метрополітенів із повздовжньою високовольтною лінією постійного струму напруги 12 кВ.

Запропонована концепція побудови силових високовольтних перетворювачів постійної напруги для підземних пунктів живлення тягової мережі метрополітенів із повздовжньою високовольтною лінією постійного струму лежить в площині використання схем перетворювачів постійної напруги з проміжною ланкою однофазного змінного струму підвищеної частоти як на основі дуальних вентильних ланок первинної і вторинної сторін, так і на основі однорідних ланок. У схемі перетворювача постійної напруги для пунктів живлення тягової мережі метрополітенів в якості однієї з ланок використовується перетворювач, що працює в залежності від напряму потоку електроенергії чи інвертором напруги, чи випрямлячем струму (IH-BC). Друга ланка діє як інвертор струму або як випрямляч напруги (IC-BH). Перетворювачі постійної напруги однорідної структури стосовно їх використання в підземних пунктах живлення тягової мережі доцільно будувати на основі вентильних ланок типу “інвертор напруги-випрямляч струму” (IH-BC), оскільки це дозволяє обійтись без дроселів фільтра, або багаторазово зменшити їх установлену потужність.

Запропонований в роботі алгоритм функціонування для перетворювача постійної напруги дуальної структури (рис. 7,а), суть якого полягає в забезпеченні реалізації “м'якої” комутації ключів у всьому діапазоні струмових навантажень перетворювача, що дозволяє рекомендувати його в якості перетворювача постійної напруги для підземних пунктів живлення тягової мережі метрополітенів.

Зміна напрямку потоку електроенергії в схемі (рис. 7,а) забезпечується за рахунок зміни напрямів струмів у джерелах U_П і U_В. Тому первинну вентильну ланку достатньо виконати на традиційних двоквадрантних ключах знакозмінного струму, в той час як у вторинній вентильній ланці потрібне використання чотирьохквадрантних ключів. Позитивною особливістю цієї схеми є те, що в ній може бути використано однорідну розподілену комутацію ключів, при якій у первинній вентильній ланці примусовим (під напругою) є тільки вимикання, а ввімкнення є природнім; у вторинній ланці -- навпаки. Для розвантаження ж від комутаційних втрат при вимиканні ключів у первинній вентильній ланці достатньо включити паралельно первинній обмотці електромагнітного трансформатора один снаберний конденсатор С (на рис. 7,а він показаний пунктиром), а при увімкненні ключів вторинної ланки достатньо спроектувати електромагнітний трансформатор на задану індуктивність розсіювання L_S для обмеження скважності наростання струму і затримки наростання напруги на ключах (на рис. 7,а) індуктивність розсіювання L_S не позначена).

При напрямку потоку електроенергії зліва направо (режим передачі енергії на тягу) первинна ланка IH-BC діє як автономний інвертор напруги, що формує на обмотках електромагнітного трансформатора напругу прямокутної форми (рис. 7,б).

Зняття в схемі (рис. 7,а) комутаційних проблем ключів дозволяє підняти допустиму частоту проміжної ланки змінного струму, від якої безпосередньо залежить маса і втрати потужності в силових електромагнітних елементах схеми: трансформатора і дроселях вхідного і вихідного LC-фільтрів.



Рис. 7. - Силова схема перетворювача постійної напруги (а) і діаграми напруги та струму при роботі вторинної ланки в режимі випрямляча (б)

При цьому, якщо індуктивність розсіювання L_S трансформатора Т не обмежує реалізацію алгоритму, що забезпечує однорідну розподілену комутацію ключів, то наявність додаткового снаберного конденсатора С визиває необхідність доповнення в алгоритм функціонування схеми як при малих струмових навантаженнях, так і при пуску схеми , коли снаберний конденсатор С є ще не зарядженим. Ці доповнення розроблені в роботі і стосуються забезпечення постійного часу перезарядки снаберного конденсатора С від +U_Н/2 до -U_Н/2 та використання першого заряду снаберного конденсатора С до напруги U_Н/2 від вторинного джерела U_В за допомогою тиристорів вторинної вентильної ланки. Працездатність запропонованого алгоритму керування перетворювачем дуальної структури (рис. 7,а) було перевірено на комп'ютерній моделі.

Стримуючими чинниками використання таких перетворювачів постійної напруги для підземних пунктів живлення тягової мережі метрополітенів є:

-- труднощі реалізації високовольтних потужних високочастотних двоквадрантних ключів знакозмінного струму для первинної ланки на двохопераційних приладах з обмеженими швидкодією і робочою напругою;

-- труднощі реалізації потужних високовольтних електромагнітних трансформаторів проміжної ланки змінного струму підвищеної частоти із-за несинусоїдальності струмів в їх обмотках.

У значній мірі ці проблеми зменшуються в перетворювачах постійної напруги однорідної структури (рис. 8) при використанні частотного керування, яке по своїй суті реалізує в номінальних режимах близьку до синусоїди форму струмів в обмотках електромагнітного трансформатора та “м'яку” комутацію ключів у вентильних ланках.

У проміжній ланці змінного струму підвищеної частоти схеми (рис. 8) встановлюється електромагнітний трансформатор з індуктивністю розсіювання x* у межах (15ч20)%. Ємності дільника С_вх створюють з індуктивністю x* послідовний коливальний контур з резонансною частотою, співпадаючою з номінальною частотою змінного струму проміжної ланки. Пунктирний прямокутник у позначенні ключів 1 та 2 високовольтного IH-BC означає, що ключ може виконуватися достатньо просто на послідовному з'єднанні IGBT-приладів.



Рис. 8. - Силова схема перетворювача напруги однорідної структури з частотним керуванням

Для аналітичного визначення параметрів елементів резонансного контуру L і C, де L-індуктивність розсіювання обмоток трансформатора, а C=2С_вх-ємність дільника напруги, конденсатори якого по відношенню до змінного струму є з'єднаними паралельно, використовується метод основних гармонік: для аналітичного визначення характеристик у режимах струмообмеження - метод фазової площини. При реалізації режиму струмообмеження, який забезпечується за рахунок підвищення частоти перемикань ѓ у первинній вентильній ланці, відносне значення частоти при короткому замиканні на виході (U_Н=0) визначається для заданого значення x* максимально допустимою відносною розрахунковою величиною діючого струму короткого замикання I_К*

. (12)

Так, для х*=0,2 при I_К*=1,5 частота перемикань зросте всього втричі, що є цілком допустимим для короткочасного режиму роботи електронного трансформатора.

Для забезпечення стійкості процесу струмообмеження у всьому діапазоні напруг навантаження U_Н при збереженні заданого перевантаження ключів, необхідно ввести додатковий зворотній зв'язок по уставці струмообмеження згідно структури рис.9.

Амплітудний контролер АК перемикає в комутаторі провідної ланки кожен раз, коли модуль фактичного струму i₁^/ перевищить уставку струмообмеження i_К . У колі основного зворотного зв'язку блок t(фi) фіксує значення поточного часу t у точках нулів струму i^/, що дозволяє визначити поточний час t_Н від початку чергового такту, під яким розуміється час від чергового переходу струму i^/ через нульове значення. Функціональний блок F_сn формує лінійно завдання i_К.

Додатковий зворотній зв'язок вмикається до силової схеми датчиком напруги ДН і містить пропорційну (П) і диференційну (Д) ланки. П-ланка компенсує спад уставки струмообмеження при збільшенні напруги U_Н, що вноситься основним зворотнім зв'язком.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. - Структура системи частотного струмообмеження

Так як навантаження не є джерелом незалежної проти-ЕРС, а є сукупністю фільтрової ємності С_Н і змінного в процесі роботи опору R_Н, то для придушення автоколивань в режимах близьких до холостого ходу (R_Н>?) і вводиться у зворотній зв'язок ланка Д, невелика постійна часу якої ф подавляє складову пульсацій напруги навантаження, обумовлену кінцевою ємністю С_Н. Комп'ютерне моделювання підтверджує досяжність всіх усталених режимів при пуску.

При наявності в ключах високовольтної ланки ємнісних снаберів, керування схемою при зміні струму навантаження виконується таким чином, щоб забезпечити мінімально необхідний струм i_Кmin для перезаряду конденсатора снабера. Для цього точка комутації t₁ по мірі зниження навантаження спочатку зміщується вліво до моменту досягнення струмом i₁ свого амплітудного значення, а потім схема переходить в переривчастий режим роботи, який пояснюється діаграмами на рис.10.

В якості конструкції електромагнітного трансформатора проміжної ланки змінного струму підвищеної частоти перетворювачів постійної напруги для підземних пунктів живлення контактної мережі метрополітенів пропонується конструкція стержневого типу з осердям із холоднокатаної електротехнічної сталі у вигляді тонкої стрічки з симетричним розміщенням двох котушок та магнітними шунтами для стабілізації індуктивності розсіювання і випрямляння форми силової лінії магнітного потоку розсіювання та із форсованим способом рідинного охолодження.



Рис. 10. - Робота перетворювача однорідної структури в переривчастому режимі: а) - діаграма струму і₁ в проміжній ланці змінного струму; б) - напруга на вторинній обмотці U₂ та індукція в осерді трансформатора проміжної ланки змінного струму

Як випливає із кривих (рис.11), витрати активних матеріалів на побудову трансформатора, що працює на частоті 1кГц, скорочуються більш чим у сім разів, а втрати потужності - приблизно в 3(три) рази у порівнянні з відповідними величинами для трансформатора тієї ж потужності при промисловій частоті 50 Гц та використанні листової сталі товщиною 0,35 мм. Такий радикальний ефект від підвищення частоти досягається тільки при використанні форсованих способів охолодження трансформатора.



Рис. 11. - Маса (m) та втрати (P) трансформатора в абсолютних одиницях (а) та по відношенню до цих характеристик трансформатора при 50 Гц (б)

Значення б·ф_П=7500 Вт/м²·град, для якого побудовані залежності (рис.11), відносяться до масляного примусового охолодження з нагрівом поверхні до 50єС. При використанні примусового повітряного охолодження (б·ф_П=2000 Вт/м²·град) ефект від підвищення частоти є більш скромним. Важливою є також та особливість, що з підвищенням інтенсивності охолодження втрати потужності зростають в дуже малій мірі, в той же час як маса знижується набагато швидше.

Особливістю ж запропонованого режиму природної (однорідної) комутації ключів при нульових струмах перетворювача однорідної структури з частотним керуванням при сталому режимі є те, що при ній забезпечується не тільки “м'яка” комутація ключів, але й формуються “м'які” фронти напруги на обмотках трансформатора проміжної ланки змінного струму.

У четвертому розділі наведено наукові результати вибору структур і режимів роботи тягового асинхронного електроприводу вагонів метро підвищеної потужності з груповим керуванням тяговими двигунами.

По-перше, в роботі пропонується переглянути традиційну двозонну концепцію керування тяговими асинхронними двигунами вагона метро в діапазоні його швидкостей від 0 до V_max у напрямку переходу на однозонну характеристику

U/f=const

у всьому діапазоні експлуатаційних швидкостей. Ефективність такого переходу обумовлюється зниженням струмового навантаження асинхронних тягових двигунів (АТД). За рахунок скорочення часу робочої частини руху поїзда на міжстанційному перегоні. Іншим позитивом переходу до однозонної характеристики керування АТД є можливість реалізації чисто рекуперативного гальмування з гранично допустимим гальмовим моментом у всьому діапазоні експлуатаційних швидкостей.

По-друге, запропоноване групове керування АТД вагона від одного інвертора, хоча і спрощує силову схему тягового електропривода, вимагає виконання з точки зору допустимого струморозподілення між АТД дуже жорстких вимог щодо характеристик АТД і діаметрів колісних пар. Так, для забезпечення допустимої нерівномірності струморозподілення в силових колах електродвигунів при середньому діаметрі колеса вагона метро D=0,9 м допустиме відхилення діаметрів коліс не повинно перевищувати 2,7 мм.

Поряд із перевагами однозонного групового керування асинхронними тяговими двигунами вагона можливе замикання виводів статорних обмоток чотирьох АТД при деяких відмовах у перетворювально-регулювальному блоці. У роботі показано, що найбільш важким із точки зору струму короткого замикання АТД є комбіноване двофазно-трифазне коротке замикання, яке відбувається при “пробої” або “не вимиканні” одного із ключів інвертора. Відносно величини найбільшої амплітуди фазного струму у порівнянні з амплітудою номінального фазного струму АТД у цьому випадку визначається співвідношенням:

енергоефективний тяга метрополітен асинхронний

(13)

де - відносний опір сумарної індуктивності розсіювання на приведеній частоті обертання ротора ;

- період частоти ротора;

- постійна часу статорної обмотки.

Кратність ударних моментів, обумовлених струмами короткого замикання при відмовах в інверторі по відношенню до номінальних значень зростає в рази, що, як наслідок, може призвести до ушкодження в механічній частині привода візків із відповідними наслідками щодо безпеки руху. Для усунення негативних наслідків стосовно ударних моментів на валах АТД вагона в роботі пропонуються схеми захисту, із яких найбільш доцільною в метробудуванні є схема (рис. 12).

Стримуючим чинником на шляху впровадження в вагонобудуванні групового однозонного керування АТД є реалізація високовольтного потужного автономного інвертора напруги підвищеної частоти з повітряним охолодженням.

У роботі показано, що підвищену частоту і потужність тягових автономних інверторів напруги з силовими високовольтними напівпровідниковими двоопераційними приладами обмеженої швидкодії можна реалізувати за рахунок введення в схему інвертора вузлів однорідної дросельної комутації, які реалізують з чисто ємнісними снаберами “м'яку” комутацію ключів вентильного комутатора інвертора на частотах 2 і більше кГц практично без зниження паспортної навантажувальної здатності по струму двоопераційних приладів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. - Силова схема електромеханічного блоку вагона з фазними вузлами захисту

У теоретичному плані побудова і аналіз таких потужних високовольтних мостових тягових інверторів з ШІМ є новою задачею і стосується вона, в основному, визначенню характеристик функціонально завершених фазових модулів (рис 13 а) із “м'якою” комутацією двоквадратних ключів знакозмінного струму.

Фазовий модуль з “м'якою” комутацією ключів (рис. 13 а) складається із двоквадратних ключів знакозмінного струму з чисто ємкісними снаберами 1 і 2, які комутують з частотою ШІМ та вузла однорідної дросельної комутації (ВОК), що включає в себе комутуючі конденсатори C₁, C₂ у вигляді ємнісного дільника вхідної напруги U_d, чотириквадратний ключ VS, який будується, як правило, на основі двоопераційних тиристорів GCT і лінійний комутаційний дросель L із вебер - амперною характеристикою (рис. 13, б).

Вузол комутації ВОК фазного модуля підключається до роботи силової схеми лише на короткий інтервал часу T_к в момент t₀ (рис. 13, в), який передує безпосередньо заданому моменту t₂ (рис. 13 в) чергового переключення ключів 1 і 2. Це і дозволяє “м'яко” перевести вихідний струм із діодів цих ключів на протилежні двоопераційні керовані прилади практично без крізних струмів та комутаційних втрат при їх ввімкнені.

Приєднання снаберних конденсаторів С_д, у свою чергу, дозволяє практично повністю позбутися комутаційних втрат і при вимиканні двоопераційних приладів ключів 1 і 2, а також обмежити крутизну фронтів вихідної напруги.