Особенности управления автономным инвертором напряжения на IGBT-транзисторах для тягового асинхронного привода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Лычагин, Антон Геннадьевич

• Лычагин, Антон Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лычагин, Антон Геннадьевич

Введение

Глава

Развитие асинхронного тягового привода на отечественных и зарубежных железных дорогах

1.1. Развитие силовых преобразователей для асинхронного тягового привода

1.2. Развитие систем управления асинхронным тяговым приводом

1.3. Применение IGBT-транзисторов на отечественном подвижном составе

1.4. Постановка цели и задач работы

Глава

Математическое моделирование частотно - управляемого асинхронного тягового привода с IGBT-транзисторами

2.1. Средства математического моделирования процессов в электротехнических комплексах и системах

2.2. Математическая модель асинхронного тягового привода с IGBT-транзисторами

2.2.1 Модель IGBT-транзистора в OrCAD и проверка ее адекватности

2.2.2 Модели алгоритмов управления асинхронным тяговым приводом

2.2.3 Модели асинхронного двигателя и автономного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах

2.3. Анализ работы асинхронного тягового привода при различных алгоритмах управления АИН

2.3.1 Моделирование частотного регулирования при синусоидальном напряжении питания АТД

2.3.2 Анализ влияния формы напряжения на АТД

2.3.3 Анализ влияния характеристик полупроводниковых приборов на результаты моделирования

2.4. Оценка потерь в преобразователе на IGBT-транзисторах при различных алгоритмах управления

2.5. Анализ особенностей широтно-импульсной модуляции

2.6. Выводы по главе

Глава

Согласование системы управления с силовой частью.

Программные средства МПСУ.

3.1. Варианты структуры систем управления асинхронным тяговым приводом

3.2. Микропроцессорная система управления

3.3. Программные средства управления МПСУ и сопряжения ее с системой управления верхнего уровня

3.4. Сопряжение микропроцессорных систем управления с силовым преобразователем на ЮВТ-транзисторах 122 3.4.1 Плата сопряжения микропроцессорного контроллера с силовой частью - драйвер и его настройка 122 3.4.2. Плата сопряжения микропроцессорного контроллера с силовой частью - формирователь импульсов

3.4.3 Методика наладки формирователей импульсов

3.5. Программная реализация алгоритмов управления АТП

3.5.1 Алгоритм управления с углом проводимости 180°

3.5.2 Алгоритм управления - четный ШИМ

3.5.3 Алгоритм управления - нечетный ШИМ

3.5.4 Блок-схема программы выполнения алгоритма управления ШИМ

3.6. Выводы по главе

Глава

Экспериментальные исследования

4.1. Экспериментальные установки

4.2. Процесс изменения напряжения на переходе коллектор-эмиттер при отпирании и запирании IGBT-транзистора

4.3. Перенапряжения на обмотках асинхронного тягового двигателя при работе АИН с алгоритмом ШИМ

4.4. Зависимость напряжения от коэффициента модуляции

4.5. Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности управления автономным инвертором напряжения на IGBT-транзисторах для тягового асинхронного привода»

С появлением электрических машин большой мощности начался процесс внедрения электрического подвижного состава (ЭПС) на Железных дорогах мира. С момента создания первого электровоза основное направления развития ЭПС - улучшение тягово-энергетических свойств.

Современный электроподвижной состав, проектируемый для высоких скоростей движения, нуждается в тяговых двигателях мощностью 15 ООквт и более. Мощность коллекторных тяговых двигателей при индивидуальном приводе, для магистральных локомотивов не превышает ЮООквт. Дальнейшее увеличение мощности тяговых двигателей постоянного тока ограничивается механической и коммутационной напряженностью коллектора. Эти ограничения отпадают при переходе на асинхронные тяговые двигатели.

Таким образом, одним из наиболее важных направлений развития тягового привода электрического подвижного состава, является применение асинхронного тягового двигателя. Как известно, применение последнего, дает ощутимые преимущества перед коллекторными двигателями постоянного тока, такие как: уменьшение массогабаритных показателей, при одинаковой с коллекторными машинами, мощности; снижение расходов связанных с созданием и эксплуатацией тяговых двигателей; повышение коэффициента использования сцепного веса; увеличение мощности одного двигателя и как следствие повышение мощности ЭПС в целом.

Первые опыты по применению асинхронного двигателя в качестве тягового были предприняты еще в 1930 году при создании венгерского электровоза, на котором были применены электромашинные преобразователи. Позднее подобный асинхронный тяговый привод (АТП) был реализован на электровозах французских железных дорог (SNCF). В нашей стране первые опыты создания АТП относятся к 1965 году [2], причем для преобразования и регулирования электроэнергии были применены полупроводниковые преобразовательные установки. Однако данные разработки, не вышли за рамки экспериментов, так как в то время уровень элементной базы, не обеспечивал требуемые массогабаритные показатели и необходимую степень надежности.

Новым импульсом для создания подвижного состава с асинхронным тяговым приводом послужило развитие полупроводниковой техники. Создание силовых полупроводниковых тиристоров и диодов, обладающих высокими динамическими характеристиками, позволили вернуться к вопросам создания асинхронного тягового привода. Начиная с 70-х годов прошлого века в странах Западной Европы и Японии подвижной состав с АТП, становится одним из основных видов вновь разрабатываемых электрических локомотивов. С появлением силовых транзисторов (IGBT) — задача создания статических преобразователей для подвижного - состава перешла на качественно иной уровень реализации и перестала являться серьезным техническим препятствием. В настоящее время в промышленно развитых странах достигнуты значительные успехи в серийном производстве и. эксплуатации подвижного состава с АТП. Основные производители подобного подвижного состава в Европе - это концерны Siemens, AEG, GEC Alstom и ВВС.

Примеры применения частотно-управляемого асинхронного тягового электропривода на транспорте приведены в работах А.Е.Алексеева, А.С.Аваткова, А.Т.Буркова, Н.П.Семенова, Н.А.Ротанова, В.В.Литовченко, А.М.Солодунова, Ю.Г.Быкова и других авторов.

Самым большим препятствием при внедрении АТП на подвижном составе - является необходимость применения системы управления. В отличие от коллекторного привода постоянного тока, применение асинхронного, требует разработки сложных и эффективных систем управления, так как в условиях подвижного состава мы не имеем возможности, получить трехфазную синусоидальную питающую сеть, а режимы работы тягового привода накладывают дополнительные требования к применению АТП и систем управления. В нашей стране добавляются тяжелые климатические условия и широкие диапазоны перепада напряжений в контактной сети.

Применение систем управления было начато в 70-х годах XX века. Первоначально в них применялась аналоговая элементная база. В начале 80-х годов были опробованы первые микропроцессорные узлы. Их испытания доказали пригодность микропроцессорных узлов к применению в системах управления на подвижном составе. Однако успехи, достигнутые применением отдельных микропроцессорных узлов, вкрапленных в аналоговую, и даже в цифровую систему с жесткой логикой не могли дать того эффекта, который бы обеспечивали модульные комплексные системы управления. Базой для таких систем могли стать микроконтроллеры, распределенные по поезду и связанные современной системой передачи данных.

Современные аналоговые и цифровые системы управления решают задачи управления и защиты управляемых объектов с помощью отдельных функциональных блоков. Совместить решение задач управления регулирования и защиты на базе чисто аппаратных средств электроники затруднительно. Существенным недостатком аппаратных систем управления является узкая специализация и сложная перенастраиваемость решаемых ими задач.

Построение систем управления и регулирования с использованием микропроцессорной техники дает возможность усовершенствовать изготовление аппаратуры, упростить ее эксплуатацию и обслуживание, а также повысить гибкость управления при наладке системы. Использование процессорных систем позволяет программным методом решать задачи управления, регулирования, защиты и диагностики управляемого объекта.

На современном этапе развития электронно-вычислительной техники для сокращения сроков разработки новых поколений электрического подвижного состава, следует более широко внедрять методы математического компьютерного моделирования, как отдельных систем ЭПС, так и всего электромеханического комплекса в целом.

Применение компьютерного математического моделирования началось в 80-х годах прошлого века. Интерес к нему увеличивался вместе с ростом вычислительной мощности ПЭВМ. С появлением общедоступных пакетов программ математического моделирования разработка моделей различных устройств и узлов ЭПС перестала быть узкоспециализированной задачей, которая требовала привлечения профессиональных программистов и математиков.

В заключение следует сказать, что летом 2003 года на научной конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г.Новочеркасск), были даны рекомендации по ускорению процесса создания новых локомотивов [59], а в марте 2004 года, правление ОАО "Российские железные дороги» утвердило программу создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г. В этой программе также предусмотрено освоение серийного производства локомотивов с асинхронным приводом к 2010 году.

Таким образом, исследование особенностей управления автономным инвертором напряжения на IGBT-транзисторах для тягового асинхронного привода является актуальной задачей для железнодорожного транспорта.

На рисунке В.1 представлена структура диссертационной работы.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ОБЪЕКТ

ЦЕЛЬ МЕТОДЫ

ЗАДАЧИ

РЕЗУЛЬТАТ

Асинхронный тяговый привод с автономным инвертором напряжения на IGBT-транзисторах I

Учет влияния параметров IGBT-транзисторов на характеристики асинхронного тягового привода и определение особенностей пусковых режимов I

Компьютерное математическое моделирование Создание опытной МПСУ

Г 1 1 Г УГ 1 J 1

Выбор программы моделирова ния Создание моделей Оценка потерь в АИН Определение закона регулирования для ШИМ Программное обеспечение верхнего уровня Программное обеспечение нижнего уровня Проверка расчетных данных г i 1 1 г 1 1 !

Адекватность математической модели АТП с АИН на IGBT-транзисторах Физическая модель МПСУ с АИН на IGBT-транзисторах

Упрощение программного обеспечения, повышение надежности, ЭФФЕКТ увеличение быстродействия систем управления за счет алгоритмизации программного обеспечения

Поддержание постоянного момента при трогании с места

Рис, В. 1 Структура диссертационной работы

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Лычагин, Антон Геннадьевич

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Математическая модель преобразователя на идеальных ключах не вполне адекватно отражает процессы изменения токов и напряжений на выходе инвертора. В зоне низких частот моделирование на идеальных ключах дает завышение вращающего момента на 15-25% по сравнению с моделью на IGBT-транзисторах.

2. Для поддержания постоянства момента тягового асинхронного двигателя, в процессе трогания поезда коэффициент модуляции необходимо изменять от 0,15 до единицы по линейному закону в функции частоты, а от 1 до 10 - по квадратичному с переходом при номинальной выходной частоте инвертора на 180° алгоритм управления.

3. Экспериментально установлено, что при запирании IGBT-транзистора на обмотках АТД возникают двухкратные перенапряжения, которые можно снизить до безопасных величин подключением защитных RC-цепей параллельно фазным обмоткам двигателя.

4. Разработано программное обеспечение управления бортовой ЭВМ верхнего уровня на кроссплатформенном языке программирования Java, позволяющем выполнять программу независимо от аппаратного и программного обеспечения ЭВМ. Разработанная программа позволяет задавать закон регулирования в виде графика с последующей его передачей в МПСУ для управления АИН.

5. Разработан новый способ программного формирования алгоритма управления АИН с ШИМ (с учетом межкоммутационных пауз), который позволяет упростить программную реализацию, повысить надежность и быстродействие систем управления. За счет алгоритмизации программного обеспечения возможно формирование импульсов управления ШИМ даже на 8-ми разрядном микроконтроллере.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лычагин, Антон Геннадьевич, 2004 год

1. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями Ротанов Н.А., Курбасов А.С., Быков Ю.Г., Литовченко В.В.; Под редакцией Ротанова Н.А. М.,Транспорт, 1991. - 336 с.

2. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние. 1987. - 136 с.

3. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И.

4. Адаптивная система прямого управления моментом асинхронногодвигателя. Электротехника, 2001, №11, с. 35-39.

5. Лувишис А.Л. Микропроцессорные системы управления современных зарубежных локомотивов. Ж-д. Транспорт, сер. «Локомотивы и локомотивное хозяйство. Ремонт локомотивов» ОИ/ЦНИИТЭИ, 1993 вып.З. - 55 с.

6. Лещев А.И., Матекин С.С. и др.

7. Электровоз двойного питания ЭП10: особенности конструкции и электрических схем. Локомотив. 1999, №11, с. 28-32.

8. Виноградов А.Б., Чистосердов В.А., Сибирцев А.Н., Монов Д.А. Новая серия цифровых асинхронных электровозов на основе векторных принципов управления и форматирования переменных. Электротехника 2001, №12, с. 25-30.

9. Архангельский П.Л., Курнышев Б.С., Виноградов А.Б., Лебедев С.К. Система векторного управления асинхронным электроприводом с идентификатором состояния. Электричество. 1991, №11, с. 47-51.

10. Донской Н.В., Вишневский В.И.

11. Мультипроцессорная система управления асинхронным двигателем с ориентацией по вектору потока. Электротехника 2001, №2, с. 41-43.

12. OrCAD Release 9.2 Online Manuals and Quick Reference Cards, Cadence Design System Inc. 2000

13. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2. Москва: COJIOH-P, 2001.- 519 с.

14. Siemens Database CD, Datasheet and technical information for Eupec products and services, AEG-Siemens, Infineon Technologies, 1997 r.

15. ЛИИЖТ кафедра «Электрические машины». Отчет о научно-исследовательской работе №1608. «Участие в эксплуатационных испытаниях выпрямительно-инверторного преобразователя тепловоза 2ТЭ137», Ленинград, 1992

16. A.M. Солодунов, Ю.М.Иньков, Г.Н. Коваливкер, В.В. Литовченко. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. Рига:-3инатне, 1991.-351 с.

17. И.П. Копылов, О.П. Штерн, Расчет на ЦЭВМ характеристик асинхронных машин. М.: Энергия, 1973. 120 с.

18. Т. Цубой, К. Накамура, «Системы управления тяговым приводом», Железные дороги мира, 1988, 12№, с. 30-33.

19. В.Д. Разевиг Система P-CAD 8.5-8.7: Руководство пользователя. М.: «Солон-Р»,- 1999

20. Д.И. Сучков Основы проектирования печатных плат в САПР P-CAD 4.5, P-CAD 8.5-8.7 и ACCEL EDA. М: "Горячая линия-Телеком", - 2000

21. Н.Н. Удалов, В.Д. Разевиг. Моделирование радиоэлектронных схем на СМ ЭВМ. М:. Московский энергетический институт, - 1986. - 96 с.

22. В.Н. Ильин Основы автоматизации схемотехнического проектирования. М:. "Энергия", 1979. - 392 с.

23. А.С. Васильев, С.В. Дзилев Методы машинного проектирования преобразователей электрической энергии для электротехнологий. -СПб.: Энергоатомиздат, 1993.-256 с.

24. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом. Ю.А. Бахвалов, А.А. Зарифьян, В.Н. Кашников, П.Г. Колпахчьян, Е.М. Плохов, В.П. Янов. Под ред. Е.М. Плохова. М.,Транспорт, - 2001. - 286 с.

25. А.В. Ширяев Исследование электромагнитных процессов в силовой цепи электровоза постоянного тока с асинхронным тяговым приводом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.-СПб, ПГУПС, 1996. 134 с.

26. А.Т. Бурков Электроника: физические основы, полупроводниковые приборы и устройства. СПб.: ПГУПС, 1999. - 289 с.

27. К. Арнолд, Д. Гослинг, Д. Холмс Язык программирования Java. 3-е издание. М.;СПб;Киев: Издательский дом «Вильяме», 2001. - 623 с.

28. И.П. Копылов. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 1994. 318 с.

29. Бурков А.Т. Управление электроэнергетическими процессами локомотивов с асинхронным приводом: Дисс. доктор техн. наук. JI,: 1982.- 470 с.

30. Шаров В.А. Исследование электромагнитных переходных процессов в силовых цепях асинхронного тягового привода электрического локомотива. Автореф. дис. канд. техн. наук. М.,1981. — 25 с.31. РотановВ.Н.

31. Преобразовательные устройства на базе автономных инверторов тока для электровозов с асинхронным тяговым двигателями: Автореф. дис. канд. наук. М., 1988. - 24 с.

32. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. Учебник для сред. спец. учеб. заведений. М.: Высш. шк., 1986. - 351 с.

33. Малютин В.А., Литовченко В.В., Грибанов П.Ф., Талья Ю.И. Анализ построения тягового и вспомогательного оборудования современного ЭПС. Электрическая тяга на рубеже веков. Тр.ВНИИЖТ. М: Интекст. 2000.- с. 130-150.

34. Силовые IGBT модули. Материалы по применению. М. ДОДЭКА, 1997.- 157 с.-ISBN5-87835-020-3

35. Depenbrock М.: Einphasen Stromrichter mit sinus Dformigem Netzstrom und gut geglatteten Gleichgroben. ETZ-A. 94(1973) H.8, s.466-471.

36. International Railway Journal, «Тяговый привод ОтхЗООО», 1998, № 10, с. 56-58.

37. Гаврилов Я.И., Мнацаканов В.А. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями.- М:, Транспорт, 1986. 229 с.

38. Лозановский А.Л., Рогов А.Н., Суслова К.Н., Янов В.П. Схема силового преобразователя для электровоза с асинхронными тяговыми двигателями. Электровозостроение. Сб.научн.тр. Новочеркасск 1991, т.32 с.32-38.

39. Микуляк С.П. Микроконтроллер асинхронного привода электропоезда. Электровозостроение, т.33:сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1993, с. 30-33

40. Александров А.Л., Крамсков С.А., Машинец О.Т., Микуляк С.П., Петренко С.В. Микропроцессорные средства управления асинхронным тяговым приводом электроподвижного состава. Электровозостроение, -т.38, сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1997, с. 191-202.

41. Плис В.М. Унифицированная микропроцессорная система управления тяговым электроприводом. Электровозостроение, т.35 сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1995, с. 121-125.

42. Машинец О.Г., Микуляк С.П. Микропроцессорная аппаратура управления тяговым асинхронным приводом электропоезда ЭН-3. Электровозостроение, т.41: сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1999, с. 48-54.

43. Вольвич А.Г., Наумов Б.М., Федорова Н.Ю., Хоменко Б.И. Микропроцессорные системы управления (МПСУ) на российских электровозах и электропоездах. Электровозостроение, т.40: сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1998, с. 91-105.

44. Плис В.И., Системы управления электроподвижным составом. Электровозостроение, т.45: сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 2003, с. 131-147.

45. Хвощ С.Т., Варлинский Н.Н., Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления // справочник. Под редакцией Хвоща С.Т. Л.,Машиностроение, 1987. - 639 с.

46. Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуда А.А. Введение в микроЭВМ. -Л.Машиностроение, 1988.- 304 с.

47. Каган Б.М., Сташин В.В., Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987. — 304 с.

48. Кожевников Б.Я., Скрипка А.Г., Турулева Н.В., Новое поколение преобразователей на IGBT транзисторах. Электровозостроение, т.40: сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1998, с. 78-90.

49. Круг К.А. Бесколлекторные асинхронные двигатели. Л.: 1928. - 365с.

50. Крамсков С.А, Ершов Д.П., Электропоезд переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями типа ЭНЗ. Электровозостроение, т.40: сб.научн.тр., Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 1998, с. 195-205.

51. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с.

52. ГребневВ.В. Незнакомое знакомое семейство. Однокристальные микроЭВМ семейства MCS-51 фирмы Intel. Псков: Псковская коммерческая палата, 1996. - 47 с.

53. Жулев О.Н., Валтонен П., «Электровоз ВЛ86Ф с асинхронными тяговыми двигателями», Электротехника, 1986 г., №4, стр. 16-20.

54. Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: «Штиинца»,1982. - 224 с.

55. Хашимов А.А. Режимы работы частотно-регулируемых асинхронных электроприводов. Ташкент, Фан, 1987. —176 с.

56. Васько Н.М., Сукач Э.И., Терехов В.И., Электропоезда для пригородных перевозок пассажиров, Электровозостроение т.45., сб.научных трудов, Новочеркасск: ВЭЛНИИ, 2003 г., с.72-82.

57. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. М.: Издательство ЭКОМ, 1999. - 400 с.

58. Рекомендации IV Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава», 17-19 июня 2003 г., г.Новочеркасск. — 10 с.

59. М. Moreau. Eisenbahntechnische Rundschau, 1998, №5, s.276 283.

60. Савоськин A.H., Коваль П.Е., Вольвич А.Г., Особенности реализации алгоритма автоматического регулирования скорости в микропроцессорной системе управления., Электровозостроение т.32., сб.научных трудов, Новочеркасск, ВЭЛНИИ, 1991 г., с. 100-108

61. Степанов А.Д., Андерс В.А., Пречисский В.А., Гусевский Ю.И., Электрические передачи переменного тока тепловозов и газотурбовозов. М.:Транспорт, 1982. - 254 с.

62. Хрисанов В.И. «Вопрос адекватности математических моделей асинхронных двигателей при анализе переходных процессов пуска», Электротехника, 2003 год, №10

63. И.Влах, К.Сингхал, Машинные методы анализа и проектирования, Перевод с английского А.Ф. Объедков, Н.Н. Удалов, В.М. Демидов, под. Ред. А.А. Туркина, М., Радио и связь, 1988. - 560 с.

64. Сабинин Ю.А., Грузов В.Л., Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. Л: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 128 с.183