Розвиток наукових основ систем електричної тяги метрополітенів

Очевидно, що чергова комутація у комутаторі фазового модуля може початися тільки тоді, коли закінчиться попередня. Це створює обмеження по діапазону регулювання при ШІМ, які можуть бути мінімізовані стабілізацією інтервалу переходу t_п, на протязі якого вихідна напруга змінює полярність. Тут основним дестабілізуючим фактором є струм навантаження i_в, зменшення якого уповільнює перезаряд снаберних конденсаторів.

Рис. 13. - Силова схема фазового модуля з „м'якою” комутацією ключів (а): ВОК - вузол однорідної дросельної комутації (VS- чотириквадрантний ключ; С₁,С₂-конденсатори комутації; L- комутуючий дросель); 1,2- двоопераційні ключі знакозмінного струму з чисто ємнісними снаберами (С_?); вебер-амперна характеристика комутуючого дроселя (б); діаграми струму і напруги комутуючого дроселя L в інтервалі „м'якої” комутації при ввімкненні ключа 1 і відсутності снаберного конденсатора

Компенсувати цей фактор можливо, підвищуючи частку струму перезаряду, яка постачається ВОК, що, в свою чергу, дещо підвищує встановлену потужність його елементів.

У роботі вирішено задачу параметричної оптимізації характеристик дроселя ВОК при умові забезпечення доцільної величини втрат в котушці від вихрових струмів. Пропонується характеристики дроселя із замикаючими ярмами визначати узагальненим рівнянням

(14)

де x_i, x_б- вихідні величини і їх базисні значення;

U_x- число (показник степені), що характеризує ступінь впливу;

у і у_б- характеристика дроселя і її величина при базисній сукупності вихідних величин;

П- символ добутку співмножників, розміщених у правій частині рівняння.

Показники степені U_x вираховуються чисельно із співвідношень

(15)

Запропонована конструкція комутуючого дроселя ВОК дає приблизно в 1,6 разів менші втрати потужності, ніж конструкція чисто повітряного дроселя. Стосовно блоку електромагнітної сумісності то основною ланкою, щодо якої в роботі вирішуються задачі теоретичного класу, є вхідний гібридний фільтр на основі одноланкового пасивного LC-фільтра і послідовного активного фільтра.

У роботі розроблена лінеарізована модель системи фільтрації гібридного фільтра, яка з урахуванням традиційної системи струмового керування з регулятором по збуренню в каналі енергонакопичувача (рис.14). Коефіцієнт подавлення К_п системи фільтрації гібридного фільтра є зворотною величиною модуля передаточної функції

(15)

Практичним засобом у напрямку підвищення коефіцієнта подавлення К_п є “жорстке” завдання вихідної напруги, яке виключає негативний вплив кінцевої величини ємності. С енергонакопичувача в каналі гармонік, в основу якого доцільно покласти замкнену структуру з широкополюсного настройкою. У цьому випадку активною ланкою гібридного фільтра будуть подавлюватися низькочастотні неканонічні гармоніки всього діапазону частот, в якому працюють системи СЦБ метрополітену. Що стосується подавлення канонічних гармонік, то тут достатньо мати пасивну LC-ланку гібридного фільтра з резонансною частотою на рівні 100 Гц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14. - Модель гібридного фільтра

П'ятий розділ роботи присвячено дослідженню тягових електроприводів вагонів метрополітену з «м'якою» комутацією напівпровідникових ключів автономних інверторів напруги.

У роботі виконано порівняльну оцінку двох схем асинхронного тягового приводу з трифазними та двофазними тяговими двигунами для випадку коли не потребується конструкційних змін у комутаторах тягових перетворювачів та в статорних обмотках двигунів.

Установлено, що стала потужність вентильних комплектів двофазної і трифазної схем тягових асинхронних електроприводів вагонів метро з однозонним груповим управлінням тяговими двигунами є однаковою і більшою в 5,41 разів від максимальної вихідної потужності навантаження.

Щодо переваг двофазної схеми, то в ній блок струмообмеження є конструкційно більш простим, так як має два фазних вузла захисту проти трьох у трифазній схемі тягового асинхронного електроприводу. Крім цього, вона дає менші втрати потужності у чотирьохквадрантних ключах вузлів захисту по причині того, що напруга на фазних обмотках двигуна приблизно вдвічі вища, чим у трифазній схемі. Отже, в тій же пропорції менший і сумарний струм цих обмоток.

Стосовно відносних величин аварійних фазних струмів асинхронних тягових двигунів у двофазній і трифазній схемах при відмовах в інверторі напруги типу “пробиття” двох чи одного ключів, що відповідно призводить до симетричного і несиметричного коротких замикань статорних обмоток двигунів, то тут також результати порівняльного аналізу говорять на користь двофазної схеми. Так, при симетричному короткому замиканні (двофазному у двофазній схемі і трифазному у трифазній) максимальна величина амплітуди аварійного фазного струму у трифазній схемі сягає 7,5 проти 6,3 у двофазній (де - амплітуда фазного струму у номінальному режимі роботи двигуна). При несиметричному короткому замиканні (однофазному у двофазній схемі і двофазно - трифазному у трифазній) ці величини відповідно складають 8 і 7.

Найбільш суттєвим чинником, стосовно переваги двофазного асинхронного тягового електроприводу вагона метро, є те, що у двофазній мостовій схемі інвертора можлива реалізація однополярної синусоїдальної ШІМ вихідної напруги. У трифазній мостовій схемі інвертора напруги може бути реалізовано тільки двополярну синусоїдальну ШІМ вихідну напругу, що дає вдвічі більші відносні перепади напруги і, отже, більші комутаційні втрати потужності в керованих напівпровідникових приладах комутатора трифазного мостового інвертора напруги, ніж у двофазній мостовій схемі інвертора. Остання обставина і дозволяє при однакових величинах комутаційних втрат у керованих напівпровідникових приладах двофазної і трифазної мостових схем інверторів збільшити у двофазній схемі частоту ШІМ і, отже, знизити розміри силових фільтрів та підвищити коефіцієнт корисної дії тягових асинхронних двигунів.

Кількісна оцінка величин гармонійних складових частоти ШІМ на вході і виході двофазної і трифазної схем інверторів напруги в роботі виконана на основі аналізу спектральних характеристик комутаційних функцій S_ш, які пов'язують між собою вхідні і вихідні параметри (напруги і струми) цих схем. Залежність для відносних гармонік вихідної напруги від глибини регулювання -

для двофазної і трифазної мостових схем інверторів напруги (рис. 15 а (крива 3 і крива 2 відповідно)).



Рис. 15. - Залежності відносних гармонік вихідної напруги інверторів напруги з синусоїдальною ШІМ: а): 2) - для двофазної схеми; 3) - для трифазної схеми; б) залежності відносної величини першої гармоніки ШІМ у вхідному струмі від глибини регулювання при спрощеному алгоритмі керування

Стосовно залежностей для відносних діючих значень гармонік із частотою ШІМ забезпечує у вхідному струмі від глибини регулювання С_р, то для трифазної схеми залежність

співпадає з залежністю для комутаційної функції

,

(рис. 15 а) відображається кривою 3. Для двофазного мостового інвертора напруги з ШІМ величини гармонік вхідного струму залежать від алгоритму керування. Оптимальним, з точку зору мінімізації їх амплітуд, є такий алгоритм, при якому гармоніки з частотою ШІМ, обумовлені кожною із двох вихідних фаз, знаходиться у протифазі одна до іншої і, отже, результуюча амплітуда дорівнює різниці амплітуд складових. Розрахунки показують, що відносна величина гармоніки частоти ШІМ у вхідному струмі змінюється в залежності від глибини регулювання (рис. 15 б).

Якщо ж порівняти одержані вище залежності для дво- і трифазної схем мостових інверторів напруги, то можна бачити, що найбільші величини гармонік з частотою ШІМ як на вході, так і на виході інверторів при оптимальних алгоритмах управління приблизно однакові. Одночасно ці гармоніки є невеликими у порівнянні з основними гармоніками. Останнє пояснюється для трифазної схеми виключення нульової послідовності, а для двофазної - вдвічі меншим комутаційним перепадом при однополярній ШІМ. Отже, при рівних комутаційних втратах, у двофазній схемі можна у два рази збільшити частоту ШІМ і одержати тим самим пропорційне зниження вищих гармонік як на вході, так і на виході. Останнє і є найбільш суттєвим для тягових асинхронних електроприводів вагонів, так як вхідний LC - фільтр із-за високих вимог до згладжування пульсацій тягового струму є дуже громіздким вузлом. Крім позитивного чинника, двофазна схема мостового інвертора, побудована на боці однофазних мостових комутаторів, дозволяє спростити організацію “м'якої” комутації керованих напівпровідникових приладів із метою подальшого зниження в них комутаційних втрат і, отже, підняття частоти ШІМ, а також інших негативних наслідків, обумовлених високою швидкістю перемикань ключових елементів.

Порівняльна оцінка сумарних втрат у схемах трифазного і двофазного інверторів напруги з “м'якою” комутацією в роботі виконана за наступними вихідними даними:

– потужність інвертора: P_н=1000 кВт;

– напруга живлення інвертора: U_d=1500 В;

– частота несучої синусоїдальної ШІМ: f_ш=3?10³ Гц;

– коефіцієнт модуляції вихідної напруги інвертора: k_н?1;

– максимальна тривалість комутаційного інтервалу ВОК на періоді ШІМ: t_к=33?10^-6 с;

– максимальна частота вихідної напруги інвертора при P_н=1000 кВт: f_max=100 Гц;

– характеристика керування тяговими двигунами в діапазоні частот 0-100 Гц; однозонна;

– коефіцієнт потужності асинхронних тягових двигунів: cosц=0,9.

Встановлено, що сумарні втрати потужності в трифазному і двофазному комутаторах з ВОК інверторів напруги потужності 1000 кВт складають відповідно:

Вт, (16)

Вт, (17)

тобто різниця між ними складає 2784,4 Вт на користь двофазної схеми.

Таким чином, не дивлячись на те, що двофазні асинхронні тягові двигуни за своїми масогабаритними показниками при однаковій потужності дещо (на 7 - 8%) поступаються трифазним асинхронним тяговим двигунам, право на “життя” в вагонобудуванні, поряд з трифазним асинхронним електроприводом має і двофазний.

У шостому розділі наведено результати аналізу і моделювання системи “перетворювач - асинхронний двигун”, алгоритми керування тяговими асинхронними двигунами при виході на природну характеристику, електромеханічні рівняння подібності, що пов'язують геометричні розміри асинхронного двигуна з його механічними і електричними параметрами та Matlab - моделі запропонованих вузлів стосовно їх використання для задач аналізу і синтезу в підсистемах електричної тяги метрополітенів.

При аналізі і синтезі параметрів елементів системи “перетворювач - асинхронний двигун” у роботі одержав подальший розвиток аналітичний, метод, заоснований на переході в рівняннях всієї електричної частини системи від узагальнюючих iu - координат до iш - координат. Приклад такого переходу для еквівалентної схеми асинхронного двигуна наведено на рис. 16.

Рис. 16. - Еквівалентна схема асинхронного двигуна в іш-базисі

Еквівалентна схема асинхронного двигуна у iш - базисі містить чотири типа елементарних ланок:

– джерело потокозчеплення

,

де - напруга джерела живлення;

– потокозчеплення резистора

,

- негативне значення потокозчеплення; ця ланка є інерційною ланкою;

– потокозчеплення індуктивності

,

яка представляє собою пропорційну ланку;

– ланку повороту, яка враховує обертання ротора і перетворююча координата у відповідності з рівняннями

, , (18)

де и - поточний кут повороту ротора;

і - приведені значення струму ротора і потокозчеплення, пов'язаного з основним магнітним потоком.

Потокозчеплення інерційних ланок і є змінними стану електричної частини системи в iш - координатах. Вони незалежні і тому порядок системи є рівний двом. Початкові потокозчеплення визначаються або розрахунком попереднього сталого режиму в iш - координатах або відомим початковим значенням струмів і_с, і, і_р, які є змінними стану в iu - координатах, таким чином, щоб задовольнялося рівняння другого закону Кіргофа:

; . (19)

Друге рівняння (19) вказує на те, що у загальному випадку, при врахуванні як вільної так і вимушеної складових процесу початкове можна задавати будь-яким, але так, щоб зберігалося початкове значення потокозчеплення статора

.

У роботі на прикладі розрахунку режимів короткого замикання асинхронного тягового двигуна, що виникають в результаті “пробиття” ключів комутатора інвертора напруги показані позитивні якості запропонованого аналітичного методу при використанні операторної форми захисту iш - базиса стосовно перебігу приблизного вирішення задач, які тепер зводяться, по суті, до визначення початкових значень потокозчеплень ротора і статора.

Покращити керування асинхронними тяговими двигунами вагонів метро в режимі їх можливої роботи на природній характеристиці дозволяє запропонований в роботі симетричний алгоритм керування асинхронними двигунами в режимі ослаблення поля, який, на відміну від традиційного, дозволяє достатньо просто реалізувати контроль за обертаючим моментом при виході двигуна на природну характеристику за рахунок спеціального закону зміни вихідної частоти інвертора f, що усуває згасаючі коливання зміни моменту.

Виконаний аналіз сталого режиму роботи асинхронного електроприводу з використанням операторної еквівалентної iш - моделі електричної частини системи “перетворювач - асинхронний двигун” показав, що вільні складові струмів статора і ротора обумовлюють пульсації складової обертаючого моменту двигуна. При цьому, тільки складова з постійною часу статора ф_с є шкідливою, так як вона обумовлює пульсації моменту двигуна.

Пульсації моменту створюють небажані динамічні навантаження на механічну частину привода візків, тому бажано керувати інвертором напруги в режимі роботи двигуна на природній характеристиці так, щоб вільні складові з постійною часу статора не створювалися. Для виключення вільних складових із постійною часу статора, необхідно для зміни частоти безпосередньо виходити на сталий годограф нової частоти. На рис. 17 а показано найбільш простий варіант такого годографа вектора керування інвертором.



Рис. 17. - Годограф вектора (а), та результати моделювання зміни моменту на валу асинхронного двигуна (б): 1 - при традиційному алгоритмі керування інвертором; 2 - при симетричному алгоритмі керування інвертором

Для цього подається приріст тривалості міжкомутаційного інтервалу, що відповідає новому значенню частоти (відрізок АБ), а потім виконується повернення до попереднього значення міжкомутаційного інтервалу (відрізок БВ). Це і виводить робочу точку на новий сталий годограф. Після цього можна або працювати з новим значенням частоти як частоти сталого режиму, або проводити подальшу зміну частоти шляхом парного приросту міжкомутаційного інтервалу за схемою: нове значення міжкомутаційного інтервалу, повернення до попереднього і т.д. На рис. 17 б наведені результати моделювання зміни моменту на валу асинхронного двигуна при стрибкоподібній зміні тривалості міжкомутаційного інтервалу Т із яких видно, що запропонований симетричний алгоритм керування дозволяє усунути виконання повільно затухаючих коливальних складових моменту, які є притаманними при традиційному алгоритмі керування інвертором (крива 1), надаючи процесу зміни моменту аперіодичний характер (крива 2).

Для вирішення задач синтезу тягового асинхронного електроприводу вагона, в роботі на роль “чернеточної” аналітичної моделі пропонуються аналітичні електромеханічні рівняння подібності, які пов'язують геометричні розміри двигуна з механічними характеристиками системи: обертаючим моментом, передаточним відношенням редуктора та електричними характеристиками: індуктивністю розсіювання, намагнічуючим струмом тягового двигуна.

Основним рівнянням подібності, яке зв'язує базисний розмір L_б (периметр щілини) з величиною обертаючого моменту М на валу асинхронного двигуна є:

(20)

де - магнітний (для зубців) коефіцієнт хвильової зони; - електричний (пазовий) коефіцієнт хвильової зони; - коефіцієнт заповнення осердя у осьовому напрямку; - коефіцієнт заповнення паза статора;

b^* = b/L_б

- відносна довжина ротора;

с^* = с/L_б

- відносна висота пазів статора; - амплітуда індукції в зубці; - діюче значення густини струму в обмотках.

Оскільки мінімум параметра L_б досягається при k_z^onm =0,5 , коефіцієнт k_z можна змінювати в достатньо широких межах.

Оцінку впливу основних характеристик систем, номінальної частоти f і передаточного числа редуктора n на масоенергетичні характеристики (масу m і втрат P_k) тягового асинхронного двигуна можна виконати, використовуючи одержані в роботі пропорції подібності:

~, ~ (21)

У дисертаційній роботі розроблено комплекс спеціальних моделей в середовищі Matlab для систем електроживлення повздовжньої лінії постійного струму метрополітенів стабілізованою напругою, для трифазного автономного інвертора з гібридним фільтром на основі послідовного активного фільтра перетворювально-регулювального блока вагона метро підвищеної потужності, а також асинхронного тягового двигуна, який описується рівняннями у іш- координатах.

Як приклад, (рис.18) наведено в позначках Matlab 6 структуру однієї із модифікацій трифазного автономного інвертора напруги з гібридним вхідним фільтром на основі послідовного активного фільтра.

Рис. 18. - Структура моделі трифазного автономного інвертора напруги

Силова схема моделі включає джерело живлення U_П, основний пасивний фільтр LdCd, трифазний мостовий комутатор К автономного інвертора напруги, трифазне симетричне навантаження Rh, Lh, однофазне навантаження Lа, Rа, яке створює асиметрію вихідних струмів, комутатор КАf послідовного активного фільтра (АФ), енергонакопичувач С, додаткові пасивні фільтри Ls, Cs, Rs і джерела струму І для завдання додаткових гармонічних складових вхідного струму.

У дисертаційній роботі також розглянуто питання практичної реалізації результатів досліджень на виробництві, наукових установах та навчальних закладах.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі теоретичних і експериментальних досліджень вирішено актуальну науково-технічну проблему - енергозбереження при експлуатації метрополітенів за рахунок вдосконалення системи електричної тяги метрополітенів, яка враховує перехід на розподільне тягове електропостачання з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму та поїзди змішаної структури, що формуються з вагонів із тяговими асинхронними двигунами та безмоторними, що дозволяє суттєво підвищити енергоефективність і надійність системи електричної тяги метрополітенів.

За результатами проведеної роботи можна зробити наступні висновки.

1. Дослідження структури та режимів роботи систем електричної тяги метрополітенів показали, що ще в недостатній мірі використовуються досягнення науково-технічного прогресу та внутрішні резерви підприємств. Особливо це стосується вирішення питань проблеми енергозбереження, оскільки витрати на оплату електроенергії перевищують 30 % у собівартості пасажирських перевезень. Зокрема, коефіцієнт корисної дії тягових підстанцій не перевищує 0,95, а тягових електроприводів вагонів метро - 0,80.

2. Встановлено, що вітчизняні метрополітени, які використовують систему електричної тяги напругою 825 В на основі децентралізованого електропостачання з підземними тяговими підстанціями на базі перетворювальних шестипульсних діодних випрямлячів і поїздів із тяговими колекторними двигунами постійного струму, потребують реконструкції, а також модернізації технічних засобів.

3. Розроблено основи теорії та проведено моделювання енергоефективних напівкерованих дванадцятипульсних випрямлячів із реверсивним вольтододатком - стабілізаторів напруги для головних тягових підстанцій метрополітенів із повздовжньою лінією живлення постійного струму. Використання таких стабілізаторів напруги дозволяє при незначному збільшенні установленої потужності (на 10 ч 15%) перетворювального агрегату забезпечити стабілізацію напруги на шинах тягової підстанції у всьому діапазоні коливань напруги живлення при коефіцієнті потужності мережі живлення не нижче 0,98. При цьому перехід на більш високу випрямлену напругу, а саме 12 кВ, дає можливість підняти коефіцієнт корисної дії головних тягових підстанцій до 0,955.

4. Коефіцієнт корисної дії автономних інверторів напруги на IGBT-модулях з „м'якою” комутацією при частоті синусоїдальної широтно-імпульсної модуляції 3 кГц і напрузі живлення 1500 В тягового асинхронного електроприводу потужністю до 1000 кВт є не меншим за 0,90.

5. На основі аналізу силової схеми перетворювача постійної напруги з проміжною ланкою однофазного струму підвищеної частоти доопрацьовано алгоритм його функціонування, що забезпечує, „м'яку” комутацію силових ключів та дає можливість реалізувати коефіцієнт корисної дії пунктів живлення тягової мережі до 0,955. Підвищення рівня напруги в тяговій мережі до 1500 В дозволяє покращити енергетичні показники тягового електроприводу.

6. Науково обґрунтовано умови вибору конструкції електромагнітного трансформатора проміжної ланки підвищеної частоти та структуру високовольтних ключів і їх снаберів. Використання на тяговій мережі метрополітенів перетворювачів постійної напруги з проміжною ланкою однофазного змінного струму підвищеної частоти дозволяє здійснювати, поряд із функцією трансформації постійної напруги без генерації реактивної потужності, двосторонній обмін електроенергією між повздовжньою високовольтною лінією живлення і тяговою мережею.

7. Доведено доцільність однозонної характеристики керування тяговими асинхронними двигунами вагона, що дозволяє зменшити масо-габаритні показники електрообладнання тягового електроприводу підвищеної потужності та витрати електроенергії на тягу за рахунок скорочення часу розгону і гальмування.

8. Визначений рівень відхилень діаметрів коліс, від якого залежить на рівномірність струморозподілення між двигунами, забезпечує коригування нормативів експлуатації з метою раціонального використання енергетичних та матеріальних ресурсів.

9. Розроблений блок електромагнітної сумісності тягового асинхронного електроприводу вагона з тяговою мережею в усталених і перехідних режимах забезпечує вирішення задач щодо обмеження перенапруг у всіх режимах роботи тягового електропостачання. При цьому новим елементом силової схеми блока електромагнітної сумісності, у порівнянні з традиційною силовою схемою, є активний фільтр послідовного типу, який забезпечує зменшення маси фільтрового обладнання у 3,5 рази .

10. Запропоновано методику розрахунку і схемотехнічні рішення захисту від струмів короткого замикання тягових асинхронних двигунів вагонів, які при відмовах в інверторі напруги типу „пробиття” ключа або несанкціоноване спрацювання тиристорного короткозамикача, вирішують задачу обмеження на рівні номінального пускового моменту ударних гальмових моментів на валах тягових асинхронних двигунів.

11. Науково обґрунтовано структуру і параметри вхідного фільтра реверсивного вольтододатка, що забезпечує стабілізацію напруги в поздовжній лінії живлення.

12. Отримані результати дозволяють зробити висновок, що покращення техніко-економічних показників підсистем електричної тяги метрополітенів можливе за рахунок переходу на електропостачання з повздовжньою високовольтною лінією постійного струму 12 кВ, випрямлячів-стабілізаторів напруги, живлення тягової мережі підвищеною напругою 1500 В, а стосовно поїздів ? переходу до асинхронного електроприводу підвищеної потужності, з однозонною характеристикою керування.

13. Наукові положення, висновки та рекомендації, які отримані в дисертаційній роботі, впроваджено в ряді практичних розробок для підприємств, організацій та установ, що проектують, виготовляють та експлуатують технічні засоби метрополітенів, а також впроваджено в навчальний процес для підготовки спеціалістів і магістрів.

Упровадження запропонованих заходів з енергозбереження тільки на комунальному підприємстві «Харківський метрополітен» забезпечило зменшення споживання матеріальних ресурсів на 7,3 % (у кількісному вираженні) і енергетичних ресурсів до 2,4 % (тобто, в середньому 2, 39 млн. кВт-год за рік).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Хворост Н.В. Эксплуатационные характеристики управляемых полупроводниковых приборов тяговых преобразователей электроподвижного состава / Н.В. Хворост // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. ? 2003. ? №2.- С. 31?36.

2. Сравнительный анализ спектральных и коммутационных характеристик двухфазной и трехфазной схем частотно-регулируемого электропривода /Н.В. Хворост, В.В. Чумак, Ю.П. Гончаров [та ін.] // Вестник НТУ „ХПИ”, „Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. ? 2003. ?Вып. 10, Т.2. - С. 460 - 464.

3. Режимы тяговых двигателей при отказах инвертора напряжения в двухфазном асинхронном электроприводе / Н.В. Хворост, В.В. Чумак, Ю.П. Гончаров [та ін.] // Вісник СНУ ім. В. Даля. ?2003. ?№9 (67). - С. 29 - 34.

4. Хворост Н.В. Электрические железные дороги: этапы и перспективы развития / Н.В. Хворост, Н.В. Панасенко // Електротехніка і Електромеханіка. ?2003. ?№4. - С.104?114.

5. Хворост Н.В. Концепция новой структуры системы электрической тяги для метрополитена / Н.В. Хворост // Научно-техн. сборник „Коммунальное хозяйство городов”. ?2003. ?Вып. 53. - С. 172 - 179.

6. Хворост Н.В. Режимы работы сетевого фильтра тяговой электропередачи с полупроводниковыми преобразователями магистрального електроподвижного состава постоянного тока / Н.В. Хворост, В.А. Чумак // Електротехніка і Електромеханіка. ?2004. ?№1. - С. 87?92.

7. Переход к іш-координатному базисе при моделировании частотно-регулируемых электроприводов. / Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко [та ін.] // Технічна електродинаміка, тем. випуск „Проблеми сучасної електротехніки”. ?2004. ?№.6. - С. 41?46.

8. Обратимый преобразователь для связи двух линий постоянного тока в системе распределенного тягового электроснабжения. / Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко [та ін.] // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Проблеми сучасної електротехніки”. ?2004. ?№6. - С. 99-106.

9. Управление асинхронным частотно-регулируемым электроприводом в режиме вывода на естественную характеристику двигателя / Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко [та ін.] // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Силова електроніка та енергоефективність”. ?2004. ?№1. - С. 74 - 77.

10. Хворост М.В. Порівняльна оцінка вентильних комплектів двохфазного і трифазного тягових асинхронних електроприводів /М.В. Хворост, В.А. Чумак, Н.М. Панасенко // Електротехніка і Електромеханіка. ?2004. ?№2. - С. 89-94.

11. Хворост М.В. Підвищення ефективності дванадцятипульсових випрямлячів тягових перетворювальних агрегатів метрополітенів з повздовжньою високовольтною лінією живлення постійного струму / М.В. Хворост // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. ?2004. ?№3. - С. 50 - 54.

12. Хворост М.В. Аналітична методика розрахунку струмів короткого замикання трифазних тягових асинхронних двигунів у системі частотно-регулюємого електропривода з інверторами напруги / М.В. Хворост, В.А. Чумак, Н.М. Панасенко // Праці ІЕД НАН України. ?2004. ?№3(9). - С.70 - 78.

13. Хворост М.В. Базові положення теорії випрямлячів-стабілізаторів напруги для перетворювальних агрегатів головних тягових підстанцій метрополітенів з повздовжньою лінією постійного струму / М.В. Хворост // Научно-техн. сборник „Комунальное хозяйство городов”. ?2004. ?№60. - С. 326 - 247.

14. Хворост М.В. Силові схеми перетворювальних агрегатів головних тягових підстанцій метрополітена з повздовженою лінією живлення / М.В. Хворост, В.В. Божко // Електротехніка і Електромеханіка. ?2005. ?№1. - С. 106-109.

15. Хворост М.В. Способи компенсації відходу потенціалу штучної нульової точки джерела живлення /М.В. Хворост, В.С. Нікулін // Збірник наук. праць УкрДАЗТ. ?2005. ?Вип. 68. - С. 126?131.

16. Хворост Н.В. Накопитель энергии для тяговой сети метрополитена /Г.В. Омельяненко, Н.В. Хворост, В.Е. Бондаренко // Вісник НТУ „ХПІ”. ?2005. ?№36. - С. 47?56.

17. Хворост М.В. Система керування перетворювальними агрегатами тягових підстанцій з повздовжньою високовольтною лінією постійного струму. /М.В. Хворост, В.В. Замаруєв, В.В. Божко, В.Е. Бондаренко // Віник НТУ „ХПІ”. ?2005. ?№36. - С. 141?146.

18. Тяговий електропривод метровагонів з однозонною характеристикою керування /М.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, М.В. Панасенко [та ін.] // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. ?2005. ?№4. - С. 25-30.

19. Влияние формы характеристики управления тяговыми асинхронными двигателями метровагонов на равномерность токораспределения при питании от общего инвертора / Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко [и др.] // Вісник Східноукр. Нац. університету ім. В. Даля. ?2005. ?№8(90), част.2. - С. 73?78.

20. Хворост Н.В. Электромеханические уравнения подобия и их применение при синтезе системы, „полупроводниковый преобразователь - тяговый асинхронный двигатель” /Н.В. Хворост // Електротехніка і Електромеханіка. ?2005. ?№3. - С. 50 - 55.

21. Хворост Н.В. Построение входного фильтра блока электромагнитной совместимости тяговой асинхронной электропередачи метровагона /Н.В. Хворост, В.С. Никулин, М.А. Капустян // Збірник наукових праць УкрДАЗТ. ?2005. ?Вип. 69. - С. 115?124.

22. Хворост М.В. Тяговий трифазний мостовий інвертор напруги на основі вузла однорідної комутації з лінійним дроселем / Ю.П. Гончаров, М.В. Панасенко, М.В. Хворост [та ін.] // Научно-техн. сборник „Комунальное хозяйство городов”. ?2006. ?Вып. 67. - С. 271?278.

23. Хворост Н.В. Улучшение энергетических и динамических характеристик схем мягкой коммутации устройств силовой электроники с запираемыми полупроводниковыми приборами /Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, В.В. Ивахно // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Проблеми сучасної електротехніки”. ?2006. ?№2. -С.113?120.

24. Хворост М.В. Демпфований вхідний фільтр вольтододатка на двоопераційних тиристорах дванадцятипульсних випрямлячів тягових перетворювальних агрегатів метрополітена / М.В. Хворост, В.В. Божко // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. ?2006. ?№3. - С. 41?45.

25. Хворост Н.В. Силовые активные фильтры для систем частотно-регулируемого привода на электрическом транспорте /Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Ю.В. Чурсина // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Силова електроніка та енергоефективність”. ?2006. ?Ч.1. ? С. 19?26.

26. Хворост М.В. Вхідний фільтр двоопераційного вольтододатка дванадцятіпульстного випрямача тягових перетворювальних агрегатів метрополітена /М.В. Хворост, В.В. Божко, М.О. Капустян // Тематичний випуск НАН України „Технічна електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність”. - 2006. ? Ч.2. ? С. 23?26.

27. Хворост. Н.В. Оценка эффективности гибридного фильтра блока электромагнитной совместимости тяговой электропередачи метровагона и к контактной сети питания метрополитена / Н.В. Хворост, В.С. Никулин // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. ?2006. ?№4. -С. 97?100.

28. Хворост Н.В. Оценка эффективности применения преобразователей с мягкой коммутацией в тяговых частотно-регулируемых электроприводах / Н.В. Хворост // Вісник СНУ ім. В. Даля. ?2006. ?№8(102), т. 2. - С. 93?104.

29. Хворост М.В. Тягова асинхронна електропередача метровагона підвищеної ефективності. / Хворост М.В. // Електротехніка і Електромеханіка. ?2006. ?№5. - С. 71?76.

30. Хворост М.В. Система електротягового забезпечення підвищеної ефективності для метрополітенів / М.В. Хворост, В.В. Божко // Електротехніка і електромеханіка. ?2006. ?№6. - С. 79?86.

31. Хворост М.В. Параметри вольтододаткового вхідного фільтра, демпфованого по управлінню дванадцятипульсного випрямляча - стабілізатора напруги. / М.В. Хворост, В.В. Божко // Вісник НТУ „ХПІ”. ?2006. ?№ 42. - С. 14?20.

32. Хворост М.В. Моделювання режимів роботи силових схем електронних трансформаторів постійної напруги для пунктів живлення тягової мережі метрополітенів / М.В. Хворост // Вестник НТУ „ХПИ”, „Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. ?2008. -Вып. 30. ? С. 385 - 386.

33. Хворост М.В. Шляхи удосконалення перетворювальних агрегатів тягових підстанцій метрополітенів / М.В. Хворост // Вісник Східноукраїнського нац. ун-та. ?2008. ?№5 (123), ч. 1. - С. 180 - 184.

34. Управление преобразователями на основе полупроводниковых ключей с вольтамперной характеристикой, дуальной характеристике тиристора / Ю.П. Гончаров, Н.В. Хворост, А.В. Ересько [и др.] // Технічна електродинаміка. Тем. випуск „Силова електроніка та енергоефективність”. ?2003. ?Ч.1. - С. 23?26.

35. Двухтактные инверторы напряжения с однородной коммутацией на основе дросселей насыщения / В.В. Чумак, Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров [и др.] // Технічна електродинаміка. Тем. вип. „Силова електроніка та енергоефективність”. ?2003. ?Ч. 2. - С. 66 - 71.

36. Совершенствование электрической тяги постоянного тока железных дорог Украины для скоростного пассажирского движения / Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко [и др.] // Залізничний транспорт України. ?2003. ?№6. - С.11?18.

37. Тягові інвертори з одноопераційною комутацією / Ю.П. Гончаров, М.В. Панасенко, М.В. Хворост [та інш.] // Збірник наукових праць УкрДАЗТ. ?2003. ?Вип. 55. - С. 31 - 40.

38. Комутуючі дроселі тягових автономних перетворювачів з вузлами двоступеневої одноопераційної комутації / М.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, О.І. Семененко [та ін.] // Збірник наукових праць УкрДАЗТ. ?2004. ?Вип. 57. - С. 46 - 53.

39. Хворост Н.В. Асинхронный тяговый привод с защитой от ударных моментов на валу двигателя и электрическим тормозом повышенной эффективности / Н.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, Н.В. Панасенко // Вісник Східноукраїнського нац. ун-та. ?2004. ?№8 (78), ч. 1. - С. 249 - 255.

40. Оптимізація параметрів вузлів двоступеневої одноопераційної комутації тягових автономних перетворювачів рухомого складу / В.С. Нікулін, М.В. Хворост, Ю.П. Гончаров [та ін.] // Збірник наукових праць УкрДАЗТ. ?2004. ?Вип. 64. - С. 153 - 158.

41. Хворост Н.В. Анализ расхода электроэнергии и энергосбережение на Харьковском метрополитене / Н.В. Хворост, В.И. Ляхов, М.В. Ляхов // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті ?2005. ?№4. - С. 87?90.

42. Переход к iш - координатному базису при моделировании частотно - регулируемых электроприводов / Ю.П. Гончаров, Е.И. Сокол, А.Ю. Бару, Н.В. Хворост [и др.] // Вестник НТУ „ХПИ”, „Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. ?2005. - Вып. 45. ?С. 40 - 44.

43. Види комутації та енергетичні характеристики в електричних колах з ключовими елементами / М.В. Хворост, Ю.П. Гончаров, М.В. Панасенко [та ін.] // Електротехніка і Електромеханіка. ?2005. ?№4. С. 67-72.

44. Методика определения потерь в коммутирующих конденсаторах тяговых преобразователей подвижного состава / Н.В. Хворост, В.С. Никулин, Ю.П. Гончаров [и др.] // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. ?2005. ?№6. - С. 94?97.

45. Хворост Н.В. Выбор мощности тяговых электрических двигателей для вагонов метрополитена / П.М. Пушков, Н.В. Хворост, А.П. Турканов // Збірник наукових праць УкрДАЗТ. ?2006. ?Вип. 72.- С. 90?97.

46. Хворост Н.В. Характеристики системы “инвертор напряжения - двигатель” при прогнозном управлении по результирующему вектору тока / П.М. Пушков, Н.В. Хворост, А.П. Турканов // Технічна електродинаміка. Тем. вип. „Силова електроніка та енергоефективність”. ?2006. ?Ч. 4. - С. 45?50.

47. Електронні трансформатори для систем електричної тяги з живленням від контактної мережі постійного струму / М.І. Сергієнко, Ю.П. Гончаров, М.В. Панасенко, В.В. Замаруєв, М.В. Хворост [та ін.] // Вісник Східноукраїнського нац. ун-та. ?2009. ?№4 (134), ч. 1. - С. 183 - 188.

Анотація

Хворост М.В. Розвиток наукових основ систем електричної тяги метрополітенів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.09 - електротранспорт. - Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ, 2011.

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню науково - технічної проблеми - енергозбереження при експлуатації метрополітенів за рахунок вдосконалення систем електричної тяги метрополітенів.

У роботі запропоновані концепції побудови тягового електропостачання метрополітенів і тягових електроприводів вагонів на основі розподільної структури з повздовжньою високовольтною лінією постійного струму, наземними головними тяговими підстанціями глибокого вводу, розташованими по кінцям ліній метрополітену, підземних пунктів живлення тягової мережі напругою 1500 В.

Для підвищення безпеки руху поїздів розроблено схему електромашинного блоку вагонів із груповим однозонним управлінням тяговими двигунами, яка обмежує величину струмів короткого замикання двигунів при відмовах в інверторі і тим самим не допускає руйнівних ударних моментів на валах двигунів.

Проведено порівняльну оцінку трифазних і двофазних асинхронних тягових електроприводів з точку зору їх енергозбереження.

Вдосконалено методи моделювання пристроїв підсистем електричної тяги, що спрощують вирішення задач аналізу і синтезу параметрів пристроїв, а також задачі віртуальних експериментів щодо підтвердження теоретичних результатів роботи.

Ключові слова: енергозбереження, метрополітен, електрична тяга, тягова підстанція, асинхронний двигун, випрямляч, автономний інвертор напруги.

АННОТАЦИЯ

Хворост Н. В. Развитие научных основ систем электрической тяги метрополитенов. - Рукопись. Диссертация на получение научной степени доктора технических наук за специальностью 05.22.09 - электротранспорт. - Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, Днепропетровск, 2011.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы - энергосбережению при эксплуатации метрополитенов за счет совершенствования системы электрической тяги метрополитенов, учитывающая переход на распределительное тяговое электроснабжение с продольной высоковольтной линией питания постоянного тока и поезда смешанной структуры, которые| формируются из вагонов с тяговыми асинхронными двигателями и безмоторными, что позволяет существенно повысить энергоэффективность и надежность системы электрической тяги метрополитенов.

Исследования структуры и режимов роботы систем электрической тяги метрополитенов показали, что еще в недостаточной мере используются достижения научно-технического прогресса и внутренние резервы предприятий. Особенно это относится к проблеме энергоснабжения, поскольку расходы на оплату электроэнергии превышают 30 % в себестоимости пассажирских перевозок. В частности, тяговые подстанции имеют коэффициент полезного действия до 0,95, а коэффициент полезного действия тяговых электроприводов вагонов метро не превышает 0,80.

В работе выполнена оценка технического совершенства подсистем электрической тяги, которые являются основой повышения уровня энергосбережения. Показано, что отечественные метрополитены, которые используют систему электрической тяги напряжением 825 В с подземными тяговыми подстанциями на базе шестипульсных диодных выпрямителей и поездов с тяговыми двигателями постоянного тока нуждаются в реконструкции, а также модернизации технических средств.

Разработаны основы теории и проведено моделирование энергоэффективных двенадцатипульсных выпрямителей с вольтдобавкой - стабилизаторов напряжения для тяговых подстанций метрополитенов с продольной линией питания постоянного тока. Использование таких стабилизаторов напряжения позволяет при незначительном увеличении установленной мощности преобразовательного агрегата обеспечить стабилизацию напряжения на шинах тяговой подстанции во всем диапазоне колебаний напряжения питания при коэффициенте мощности сети питания не ниже 0,98. При этом переход на высшее выпрямленное напряжение, а именно 12 кВ, дает возможность поднять коэффициент полезного действия главных понижающих подстанций 0,955.

Разработана методика анализа тяговых мостовых автономных инверторов напряжения с узлами однородной коммутации, которые обеспечивают „мягкую” коммутацию силовых ключей при синусоидальной широтно-импульсной модуляции исходного напряжения.

Показано, что коэффициент полезного действия автономных инверторов напряжения на IGBT-модулях с „мягкой” коммутацией при частоте широтно-импульсной модуляции 3 кГц и напряжению питания 1500.

На основе анализа силовой схемы преобразователя постоянного напряжения с промежуточным звеном однофазного тока повышенной частоты доработан алгоритм его функционирования, что обеспечивает „мягкую” коммутацию силовых ключей и дает возможность реализовать коэффициент полезного действия пунктов питания тяговой сети 0,955. Повышение уровня напряжения в тяговой сети до 1500 В позволяет улучшить энергетические показатели тягового электропривода.

Использование на тяговой сети метрополитенов преобразователей постоянного напряжения с промежуточным звеном однофазного переменного тока повышенной частоты позволяет осуществлять наряду с функцией трансформации постоянного напряжения без генерации реактивной мощности, двусторонний обмен электроэнергией между продольной высоковольтной линией питания и тяговой сетью.

Научно обоснована целесообразность однозонного управления тяговыми асинхронными двигателями вагона, что позволяет уменьшить массогабаритные показатели электрооборудования тягового электропривода повышенной мощности, и уменьшить расходы электроэнергии на тягу за счет сокращения времени разгона и торможения.

Обоснована структура блока электромагнитной совместимости тягового асинхронного электропривода вагона с тяговой сетью в установившихся переходных режимах. При этом новым элементом силовой схемы блока электромагнитной совместимости в сравнении с традиционной силовой схемой есть активный фильтр последовательного типа, который обеспечивает уменьшение массы фильтрового оборудования в 3,5 разы.

Разработана методика расчета и схемные решения защиты от токов короткого замыкания тяговых асинхронных двигателей вагонов, которые при отказах в инверторе напряжения типа „пробой ключа” или несанкционированное срабатывание тиристорного короткозамыкателя решают задачу ограничения на уровне номинального пускового момента, ударных тормозных моментов на валах тяговых асинхронных двигателей.

Улучшение технико-экономических показателей подсистем электрической тяги метрополитенов возможно за счет перехода на электроснабжение с продольной высоковольтной линией постоянного тока 12 кВ|, выпрямителей-стабилизаторов напряжения, питания тяговой сети повышенным напряжением 1500 В, а относительно поездов, перехода к асинхронному электроприводу повышенной мощности, с однозонной характеристикой управления.

Ключевые слова: энергосбережение, метрополитен, электрическая тяга, тяговая подстанция, асинхронный двигатель, выпрямитель, автономный инвертор напряжения.

THE SUMMARY

Hworost M.W. Development of undergrounds electric traction of system scientific bases - Manuscript.

Thesis for getting scientific degree of engineering sciences doctor on the speciality 05.22.09 -electric transport. V. Lazaryan's Dnipropetrovsk national university of railway transport, Dnipropetrovsk, 2011.

The thesis is devoted to the decision scientifically - technical problem - resource saving during maintenance of undergrounds due to development of undergrounds electric traction system.

Conceptions of undergrounds energy supply construction and power electrodrive by the basis of distributive structure with the direct-current longitudinal high-voltage line, deep enter surface main hauling substations, located by the ends of undergrounds lines, underground points of hauling network feed by voltage 1500 V are offered in the thesis.

For the increase of trains motion safety the scheme of vehicles electric machine block with a group power engines onearea management is developed, which limits the size of engines short circuit currents at refuses in a negator and shuts out destructive shock moments on the engines billows.

Comparative estimation of three-phase and diphase asynchronous power engine from their energy-savings point of view is conducted.

The methods of electric traction subsystems devices design, which simplify the decision of analysis tasks and devices parameters synthesis, and also tasks of virtual experiments for improve theoretical job performances are developed.

Keywords: energy-savings, underground, electric traction, asynchronous engine, power substation.

ХВОРОСТ МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ

Розвиток наукових основ систем електричної тяги метрополітенів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Підписано до друку 21 квітня 2011 р.

Формат 60х84 1/16. Папір для множильних апаратів. Різограф.

Ум. друк. арк. 2,0. Тираж 150 прим. Зам. № 72

Дніпропетровський національний університет

залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна

Свідоцтво суб'єкта видавничої справи ДК №1315 від 31.03.2003

Адреса університету і ділянка оперативної поліграфії:

49010, Дніпропетровськ, вул. Лазаряна, 2

www.diitrvv.dp.ua

Размещено на Allbest.ru