Совершенствование системы управления входным преобразователем двухсистемного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями

Актуальность темы

Одним из условий успешного развития экономики Российской Федерации является наличие эффективной транспортной системы. В транспортной системе России ведущим и организующим видом транспорта является железнодорожный. Приоритетные направления его развития определены действующими государственными программами, которые предусматривают меры по интенсивной модернизации инфраструктуры и подвижного состава железных дорог.

В России в связи с наличием электрификации двух систем тока и с необходимостью увеличения участков работы ЭПС для повышения экономической эффективности необходим двухсистемный ЭПС. Создание таких локомотивов и локомотивов с бесколлекторными тяговыми двигателями, отвечающих современным требованиям и конкурентоспособным на рынке является одним из основных направлений в сфере локомотивостроения. Создание двухсистемного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым двигателем указано в «белой книге» ОАО «РЖД» как результат работы в 2007;2011 годах.

Современный двухсистемный электровоз представляет собой сложный электротехнический комплекс, в состав которого входят асинхронные тяговые двигатели, трансформаторное, дроссельное и конденсаторное оборудование, полупроводниковые преобразователи и системы управления, которые должны обеспечивать получение заданных тяговых и тормозных характеристик во всех эксплуатационных режимах. При этом наиболее важной задачей является создание способов и алгоритмов управления, обеспечивающих требуемые тягово-энергетические показатели и электромагнитную совместимость электровоза с инфраструктурой в условиях изменяющихся параметров системы тягового электроснабжения, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.

Целью настоящей работы является усовершенствование системы управления входным преобразователем электровоза двойного питания с асинхронными тяговыми двигателями.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— выполнен анализ существующих систем управления входными преобразователями электроподвижного состава переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями;

— проведены теоретические исследования электромагнитных процессов в силовых цепях входного преобразователя для установившихся режимов методом численного интегрирования и спектральным методом;

— выполнен синтез адаптивной к изменяющимся параметрам питающей сети системы управления входным преобразователем;

— выполнено имитационное моделирования процессов в системе «контактная сеть-входной преобразователь с системой управления-нагрузка» и определены электрические нагрузки элементов входного преобразователя.

Методы исследования. Были использованы следующие методы исследования:

— численные и аналитические методы решения дифференциальных уравненийх — метод спектрального анализа электрических цепей;

— методы математического моделирования- .

— методы экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов.

Достоверность результатов, сформулированных в диссертации, обеспечивается:

— корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

— применением фундаментальных законов теории электрических цепей и теории автоматического регулирования;

— результатами испытаний, проведённых на экспериментальном кольце ВНИИЖТ, г. Щербинка.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель «контактная сеть — тяговый трансформатор электровоза — входной преобразователь с предложенной системой управления — нагрузка».

2. Алгоритмы управления входным преобразователем.

3. Способ управления двумя и более преобразователями.

4. Результаты анализа процессов в системе «контактная сетьтяговый трансформатор электровоза — входной преобразователь с предложенной системой управления — нагрузка».

5. Сопоставление результатов теоретических исследований с результатами полученными на реальном электровозе.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработана адаптивная к изменяющимся параметрам тягового электроснабжения система автоматического управления входным преобразователем.

2. Уточнена математическая модель системы: «контактная сетьтяговый трансформатор электровоза — входной преобразователь с предложенной системой управления — нагрузка».

3. Получены результаты анализа электрических характеристик и энергетических показателей входного преобразователя с предложенной системой управления.

4. Получены экспериментальные параметры и характеристики входного преобразователя двухсистемного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями.

Практическая значимость заключается в следующем:

1. Создана адаптивная система управления входным преобразователем, учитывающая изменение параметров тягового энергоснабжения, которая обеспечивает необходимые для современного ЭПС энергетические показатели и показатели электромагнитной совместимости.

2. Предложен способ управления двумя и более преобразователями.

3. Создана математическая модель системы: «контактная сетьтяговый трансформатор электровоза — входной преобразовательпромежуточное звено постоянного напряжения — нагрузка», позволяющая изучать процессы в обозначенной системе.

4. При помощи разработанной модели произведён анализ электромеханических процессов.

Выводы по работе.

1. В качестве входного преобразователя для электровозов двойного питания с асинхронными тяговыми двигателями целесообразно использовать четырёхквадрантный преобразователь, обеспечивающий коэффициент мощности электровоза более 0,95 во всем диапазоне изменения нагрузки и параметров системы тягового электроснабжения.

2. Адаптивная к изменяющимся параметрам системы тягового электроснабжения система управления четырёхквадрантным преобразователь должна быть выполнена в виде трёхконтурной системы автоматического регулирования с внешним контуром регулирования напряжения промежуточного звена постоянного напряжения, внутренним подчинённым контуром регулирования тока четырёхквадрантного преобразователя и корректирующим контуром регулирования фазы заданного тока.

3. Система управления должна быть выполнена синхронной с широтно-импульсной модуляцией, частота несущего сигнала должна быть нечётнократная частоте модулирующего сигнала.

4. Разработанная математическая модель «контактная сеть-тяговый трансформатор электровоза-входной преобразователь с адаптивной системой автоматического управления-нагрузка» в приложении 81тиНпк системы компьютерного моделирования МайаЬ, позволяет определить и проанализировать характеристики и параметры входного преобразователя и оценить влияние изменения параметров тягового электроснабжения на работу преобразователя.

5. Адекватность разработанной модели подтверждена совпадением теоретических результатов и экспериментальных исследований, выполненных применительно ко входному преобразователю электровоза ЭП10. Расхождение между результатами теоретических и экспериментальных исследований для действующих значений токов и напряжений на элементах схемы четырёхквадрантного преобразователя меньше 7%.

Источники информации:

1. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского союза 1956;1965 /В.А. Раков, М.: Транспорт 1966.

2. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / H.A. ч.

Ротанов, A.C. Курбасов, Ю. Г. Быков, В. В. Литовченкопод ред. H.A. Ротанова.-М. ¡-Транспорт, 1991.-336 с.

3. Электроподвижной состав для международных перевозок — ЖДМ — 2007, № 3, с. 34−40.

4. Электровоз семейства TRAXX серии Rе 484 для SBB Cargo — ЖДМ — 2006, № 11, с. 38−44.

5. Anreas Jockel Getriebelose Drehstromantriebe fur Schienenfahrzeuge. -Electrische Banen, 2003, № 3,113−119.

6. Alain Provost Dreisystemlokomotive Baureihe 36 000 ASTRIDE der Societe Nationale des Chemins de Fer Francais — Electrische Banen, 1997, № 8, 214−219.

7. Bernhard Kiebling, Jorg Wach Guterzuglokomotive Baureihe 152 der Deutschen Bahn — Electrische Banen, 1996, № 8, 248−260.

8. Josef W. Fischer, Erlangen, und Andreas Schaefer-Enkeler Elektriche Hochleistungslokomotive EuroSprinter. — Electrische Banen, 1993, № 8, 239−246.

9. A. Fuch, Die Antriebstechnik der S252 der spanischen Staatsbahnen RENFEElectrische Banen 89 (1991), № 89, 378−380.

1 O. Carl-Peter Zander Einfunrung der neuen universal-Lokomotive Baureihe S 252 bei den Spanischen Staatsbahnen — ETR 41 (1992), № 1, 15−18.

11.Dr.-Ing. Wolf-Dieter Weigel, Erlangen Moderne DrehstromantriebstechnikStand und Perspektiven. — ZEVrail Glasers Annalen — 126 Tagungsband SFT Graz 2002, 112−125.

12.Viersystemlokomotive Baureihe 189 fur DB Cargo — Electrische Banen, 2000, № 8, 298−299.

13.Viersystemlokomotive Baureihe 189 fur DB Cargo — Electrische Banen, 2000, № 8, 298−299.

14.Von Prof.Dr.-Ing. Burkhard Lege, Christian Thoma Viersystemlokomotiven fur die Deutsche Bahn AG — ZEV + DET Glas.Ann. 124 (2000) 12 Dezember, 644, 645.

15.Dipl.-Ing. Bernhard Kie? ling, Dipl.-Ing. Christian Thoma Europalocomotive BR 189 Die Meehrsystemlokomotive fur den europaweiten Einsatz — ZEVrail Glasers Annalen — 126−9, 2002, 390−402.

16.Китаев A.B., Орлов И. Н. О физическом механизме самовозбуждения асинхронной машины. — Электричество, 1978, № 4, с.47−51.

17.Гриньков Б. Н. Тиристорное регулирование на электроподвижном составе переменного тока за рубежом. — Железные дороги мира, 1979, № 3, с.3−30, № 4, с. 18−30.

18.Иньков Ю. М., Литовченко В. В. Преобразовательные устройства постоянного тока подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями. — Электротехническая промышленность Серия преобразовательная техника, 1983, выпуск 1(147), с. 20−24.

19.Иньков Ю. М., Литовченко В. В. Входные преобразовательные устройства подвижного состава переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями. — Электротехническая промышленность Серия преобразовательная техника, 1983, выпуск 2(148), с. 10−14.

20.Иньков Ю. М., Литовченко В. В. Входные преобразовательные устройства подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями. -Электротехническая промышленность Серия преобразовательная техника, 1983, выпуск 3(149), с. 8−13.

21.Жулев О. Н., Иванченко Н. К., Курочка А. Л., Янов В. П. Проблемы создания электровозов с асинхронными тяговыми двигателями. — Электротехника. Специальный выпуск, 1983, № 11, с. 19−27.

22.Драйман К. Сравнительная оценка преобразовательных систем для подвижного состава с трёхфазными тяговыми двигателями. — Железные дороги мира, 1980, № 2, с.3−9.

23.Антюхин В. М., Феоктистов В. П. Улучшение энергетических показателей многозвенных выпрямителей с искусственной коммутацией. -Электротехника, 1981, № 9, с.1055−1058.

24.Способ управления вентильными преобразователями электроподвижного состава переменного тока. Тихменев Б. Н., Каменев A.B., Рубчинский З. М., 1982, № 32.

25.Разработка и исследование систем автоматического управления режимами тяги и электрического торможения перспективных электровозов переменного и постоянного тока. Часть 4. Разработка систем тягового привода с повышением тягового-энергетическими показателями для электровоза переменного тока: промежуточный отчет. Московский энергетический институт (МЭИ), руководитель темы Тулусов В. Д. 1982, 185 с.

26.Мацухаси Т. Тиристорное управление электроподвижным составом переменного тока с пониженным содержанием высших гармоник. -Железные дороги мира, 1980, № 1, с. 13−22.

27.Антюхин В. М., Ярец В. В. Управляемые выпрямители с улучшенными энергетическими показателями. — Межвузовский сборник научных трудов МИИТ, 1984, выпуск 754, с.79−83.

28.Феоктистов В. П., Антюхин В. М. Улучшение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока с управляемыми выпрямителями. — Электротехника, 1982, № 11, с.6−13.

29.Каменев A.B., Бурдасов Б. К. Энергетические показатели рекуперативного торможения электровозов переменного тока системы РИФ. — Вестник ВНИИЖТ, 1983, № 3, с. 15−19.

30.Харпрехт В., Шперер В., Клейн В. Эксплуатационные испытания электровозов серии 120. — Железные дороги мира, 1984, № 7, с.6−13.

31.Забродин Ю. С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием. -М.: Энергия, 1977, 136 с.

32.Заявка 51−12 813 Япония. Система управления инвертором с помщью высокочастотной модуляции. — Опубликована в Р.Ж. «Изобретен за рубежом», 1976, выпуск 50, № 16.

33.Mazzucchelli М. PWM systems in power converts: an extension of the «subharmonic» method — IEEE Trans. Ind. Electron and Contr. Instrum., 1981, 28, № 4, p. 135−322.

34.Grand T.L., Barton Т.Н. Control strategies for PWM drives. — Ind. Apple. Soc IEEE 14th Annu. Meet., Cleveland, Ohio, 1979, Conf.rec. New York, n.y., 1979, p. 780−784.

35.Kehrmann H., Leinau W., Nill R. Vierquadrautensteller — eine netzfreunliche Einspeisuna fur Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb. — Electrische Banen, 1974, 45, № 6, 135−142.

36.Статический преобразователь частототы, ЖДМ — 2007, № 10, с. 48−54.

37.Kurt BAUERMEISTER, Neue Leistungsbewertung von Triebfahrzeugen und Drehstrom-Antriebstechnik — Electrische Banen, 1978, 78, № 2, 38−45.

38.Heinz-Herbert SCHAEFER, Vergleich der Netzruckwirkungen elektrischer Triebfahrzeuge mit Amplitudensteuerung, Anschnittsteuerung, Sektorteuerung und Vierquadrantensteller — Electrische Banen, 1975, 46, № 12, 299−303.

39.Ernst BECKER, Drehstromversuchsfahrzeug — DE 2500 mit SteuerwagenSystemerprobung eines Drehstromantriebes an 15 kV 16 2/3 HzElectrische Banen, 1976, 47, № 1, 18−23.

40. Joachim KORBER, Grundlegende Gesichtspunkte fur die Auslegung Elektrischer Triebfahrzeuge mit asynchronen Fahrmotoren — Electrische Banen, 1974, 45, № 1, 52−59.

41.Heinz GUTHLEIN, Die neue elektrische Lokomotive 120 der Deutschen Bundesbahn in Drehstromantriebstechnik — Electrische Banen, 1979, 77, № 9, 248−257.

42.Rolf GAMMERT, Die elektrische Austrustung der Drehstromlokomotive.

Baureihe 120 der Deutschen Bundesbahn — Electrische Banen, 1979, 77, № 9, i.

272−283.

43. Von Jorg Brenneisen und Arnold Schonung, Bestimmungsgroben des selbstgefuhrten Stromrichters in sperrspannungsfreier Schaltung bei Steuerung nach dem Unterschwingungsverfahren — ETZ-A Elektrotech. Z. 90 (1969), № 14, 353−357.

44.Manfred Depenbrock, Einphasen-stromrichter mit sinusformigem Netztrom und gut geglatteten Gleichgroben — ETZ-A Elektrotech. Z. 94 (1973), № 8, 466−471.

45.Бондесен А. Перспекктивный магистральный электровоз для Датских государственных железных дорог. — Железные дороги мира, 1983, № 12, с.7−10.

46.Широченко Ю. Н., Охотников Н. С. Предельные тяговые характеристики перспективных электровозов с асинхронными тяговыми двигателями, тезисы // Труды научно-практической конференции Неделя науки — 2007 «Наука МИИТа — транспорту, часть 2.» — М. гМИИТ, 2007.

47.Широченко Ю. Н., Литовченко В. В. Расчёт предельных характеристик для электровозов. Мир транспорта 3 (27) 2009, с. 58−65.

48.Андрей Колпаков «IGBT: инструкция по эксплуатации, или об уважительном отношении к силовой электронике» — Силовая электроника, № 1,2007, с. 17−25.

49.Николай Сагайдаков «Что необходимо знать при выборе драйвера IGBT» -Силовая электроника, № 2, 2007, с.30−31.

50.М. Hiyoshi, S. Yanagisawa, К. Nishitani, К. Kotake, Н. Matsuda, S. Teramae. Y. Baba «A 1000A 2500V pressure mount RC-IGBT» — EPE Conference'95, 1995, volume 1, 1.051−1.054.

51.H. Brunner, M. Hierholzer, T. Laska, A. Porst, R. Spanke «3300V IGBT module for traction application» — EPE Conference'95, 1995, volume 1, 1.056−1.059.

52.S. Azzopardi, C. Jamet, J.-M. Vinassa, C. Zardini «Dynamics behavior of punch-through IGBT in hard-switching converters at high temperature» — EPE Conference'97, 1997, volume 4, 4.007−4.0012.

53.F. Rosenbauer, H.W. Lorenzen «IGBT moduls working at cryogenic temperature» — EPE Conference'97, 1997, volume 4, 4.001−4.006.

54.W. Pawelski, A. Napieralski «The IGBT model optimized for the circuit analysis and design» — EPE Conference'97, 1997, volume 4, 4.139−4.144.

55.D. Gonxalez, J. Balcells, A. Arias Dynamic behavior of a parallel single active power line conditioner — EPE coference'97, 1997, volume 4, 4.870−4.873.

56.Mark М/ Bakran, Hans-Gunter Eckel, Nurnberg Einsatz von IGBT-Traktionsstromrichtern in Nah-und Fernverkehrstriebfahzeugen — Electrische Banen, 2001, 77, № 10, 408−414.

57-Литовченко B.B. Определение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока с 4q-S-преобразователями//Москва, Энергоатомиздат, Электротехника, 1993 г. С.23−31.

58.Литовченко В. В. 4q-S — четыреквадрантный преобразователь электровозов переменного тока (принцип работы, анализ и экспериментальные исследования) //Изв.вузов. Электромеханика. — 2000. — № 3. — С.64−73.

59.Широченко Ю. Н. Повышение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока, тезисы «Trans-Mech-Chem» // Труды V Международной научно-практической конференции — М.:МИИТ, 2008;293 с.

60.Широченко Ю. Н. Улучшение энергетических показателей электроподвижного состава переменного тока, тезисы «Безопасность движения поездов"// Труды девятой научно-практической конференцииМ.:МИИТ, 2008, с. V4-V5.

61.K.T.H. Л. Л. Басин, к.т.н. А. В. Беляев, М. Ю. Капустин, К. П. Солтус Исследование границ токового коридора при управлении четырёхквадрантным преобразователем — Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения: науч.изд./ ОАО «ВЭлНИИ» — Новочеркасск, 2004, № 1.-404 с.

62.Широченко Ю. Н., Входные преобразователи современного электроподвижного состава переменного тока // Научно — технический журнал «Электроника и электрооборудование транспорта»: Московская обл., п. Томилино, 2010, № 1, с. 15−18.

63. H.A. Булгаков Основные законы и формулы по математике и физике. Справочник — Тамбов, Издательство ТГТУ, 2002 г.

64. Бронштейн И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. —М.: Наука, 1967. — 625с.

65.Г. Н. Ватсон Теория Бесселевых функций — Москва, издательство иностранной литературы 1949 г.

66.Ф. Оливер Введение в асимтотические методы и специальные функции.

67.Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. — М., «Высшая школа», 1985.

68.Обухов С. Г., Коровин В. В. Математическое моделирование и визуализация N процессов при исследовании устройств силовой электроники в учебной лаборатории. «Практическая силовая электроника», 2004, № 13, с.38−46.

69.А. Н. Савоськин, Ю. М. Кулинич, A.C. Алексеев. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе «контактная сеть-электровоз». Электричество, 2002, № 2 — с.29−35.

70. Бессонов A.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: «Высшая школа». 1978. 516 с.

71. A.B. Киреев, A.B. Лебедев, А. Н. Гудков. Компьютерная модель четырехквадрантного преобразователя для ЭПС. Сборник трудов ВЭлНИИ, 2007, № 1, с185−198.

72. Сорин Л. Н., Колпахчьян П. Г., Янов В. П. «Выбор способа моделирования IGBT-транзистора в системе «статический преобразователь-асинхронный двигатель» — Электротехника, № 10, 2004, с. 7−10.

73.Широченко Ю. Н. Пульсации тока и напряжения на входе инвертора напряжения, тезисы «Trans-Mech-Chem» // Труды IV Международной студенческой конференции — М.:МИИТ, 2006.-210 с.

74.Сиберт У. М. Цепи, сигналы, системы. В двух томах. -М.: Мир, 1988. -Т.2.-286с.

75.Спектральный анализ входного тока преобразователя 4q-S на основне быстрого преобразования Фурье / A.B. Лебедев, В. В. Манако, Р. Г. Гончаров, A.B. Киреев // Вестник ВЭлНИИ: научн. изд. ОАО «ВЭлНИИ» -Новочеркасск, 2007, № 2(54). — С.63−70.

76.НБЖТ ЦТ 04−98. Электровозы. Нормы безопасности на железнодорожном транспорте.