Совершенствование системы управления входным преобразователем двухсистемного электровоза с асинхронными тяговыми двигателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Широченко, Юрий Николаевич

• Широченко, Юрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Широченко, Юрий Николаевич

Общая характеристика работы.

Глава 1 Состояние вопроса и постановка задачи.

1.1 История развития тягового привода.

1.2 Проблемы при питании от тяговой сети переменного тока.

1.3 Преобразователи для ЭПС с АТД.

Глава 2 Расчётная схема и математическое описание процессов в преобразователе.

2.1 Расчётная схема 4q-S преобразователя.

2.2 Анализ 4q-S преобразователя.

2.3 Энергетические характеристики 4q-S преобразователя.

Глава 3 Математическая модель системы «тяговая сеть-электровоз».

3.1 Математическое моделирование и построение математических моделей.

3.2 Математическая модель системы «тяговая сеть - электровоз».

3.3 Модель тягового электроснабжения.

3.4 Модель тягового трансформатора.

3.5 Модель входного преобразователя (4д-8).

3.5.1 Математическое описание процессов в 4q-S преобразователе

3.5.2 Моделирование 4q-S преобразователя.

3.6 Модель нагрузки.

Глава 4 Результаты моделирования.

4.1 Выбор варианта управления.

4.2 Показатели, характеризующие входной преобразователь с ШИМ кратностью 9 и смещением несущих сигналов.

4.3 Оценка качества регулирования.

Глава 5 Экспериментальные исследование входного преобразователя.

5.1 Описание средств и процесса измерения.

5.2 Результаты экспериментальных исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 уравнений; х - 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 сеть -тяговый 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 сеть -тяговый 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 сеть -тяговый трансформатор электровоза - входной преобразователь -промежуточное звено постоянного напряжения - нагрузка», позволяющая изучать процессы в обозначенной системе.

4. При помощи разработанной модели произведён анализ электромеханических процессов.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Широченко, Юрий Николаевич

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. Литовченко; под 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 für Schienenfahrzeuge. -Electrische Banen, 2003, №3,113-119.

6. Alain Provost Dreisystemlokomotive Baureihe 36000 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 RENFE -Electrische 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 Drehstromantriebstechnik -Stand und Perspektiven. - ZEVrail Glasers Annalen - 126 Tagungsband SFT Graz 2002, 112-125.

12.Viersystemlokomotive Baureihe 189 für DB Cargo - Electrische Banen, 2000, №8, 298-299.

13.Viersystemlokomotive Baureihe 189 für 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 Kießling, 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 51-12813 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 Steuerwagen -Systemerprobung eines Drehstromantriebes an 15 kV 16 2/3 Hz- Electrische 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 sinusförmigem Netztrom und gut geglätteten 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, Nürnberg 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, 1993г. 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 конференции -М.: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, 2002г.

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 1949г.

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.