Плавное бесконтактное регулирование тока в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей при помощи импульсных преобразователей - Автореферат

Актуальность работы определяется мировой тенденцией к реализации систем плавного бесконтактного регулирования тяговых электродвигателей на электровозах и электропоездах. Целью работы является аналитический обзор и системный анализ схемных решений по плавному регулированию тока возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока; обобщение методов расчета квазистационарных электромагнитных процессов при регулировании тока в зоне ослабления возбуждения; обоснование универсальной методики расчета регулировочных и пульсационных характеристик при импульсном регулировании тока возбуждения во всем диапазоне возможных параметров и режимов тягового электродвигателя и импульсного преобразователя. Для достижения поставленной цели обоснована математическая модель тягового электропривода с системой импульсного регулирования при учете нелинейных характеристик двигателя и дискретности импульсного преобразователя. Методы исследования заключаются в формулировании и решении в обобщенном виде системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы для квазистационарного режима ослабления возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока.

Основное содержание работы отражено в 11-ти публикациях, из них 4-е статьи в научно-технических журналах, 2-е из которых в изданиях, рекомендованных ВАК, и в 7-ми тезисах научных и научно-практических конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована постановка задачи по усовершенствованию системы регулирования тяговых электродвигателей в электрической тяге постоянного тока. Обоснована актуальность применения импульсного регулирования при помощи силовых полупроводниковых элементов.

В главе 1 сформулированы постановка задачи и цель исследования. Показано, что для электроприводов с двигателями постоянного тока, в том числе для тяговых электроприводов, характерно двухзонное регулирование. Пуск двигателя осуществляется сначала путем повышения напряжения при полном или усиленном возбуждении (зона 1), а затем ослаблением возбуждения при полном напряжении на двигателе (зона 2).

Поставлена задача исследования электромагнитных процессов в зоне 2. Выполнен обзор применяемых схемных решений при ступенчатом и плавном ослаблении возбуждения. Системы плавного регулирования тока возбуждения выполняют на базе импульсных преобразователей (электропоезда ЭР2И, ЭР12, ЭР200, вагоны метро, электровозы ЧС2Т, ЧС6, ЧС7, ЧС200).

Преимущества плавного регулирования состоят в высоком быстродействии импульсного преобразователя, что позволяет исключить из силовых цепей индуктивные шунты. Кроме того имеется возможность точно установить и поддерживать в условиях возмущений заданное значение коэффициента ослабления возбуждения, что важно в зоне его предельно допустимых (минимальных) значений, а также при стабилизации скорости электропоезда на заданном уровне. Плавное регулирование позволяет исключить переходные процессы, вызываемые быстрыми изменениями магнитного потока. Несмотря на разнообразие применяемых схемных решений по плавному ослаблению возбуждения, все они могут быть сведены к двум базовым способам включения импульсного преобразователя (ИП): a) один преобразователь включен параллельно обмотке возбуждения (рис.1, а, схема типа 1);

б) используют два импульсных преобразователя, включенных соответственно параллельно и последовательно с обмоткой возбуждения (рис.1, б, схема типа 2) и работающих в противофазе.

Системы импульсного регулирования возбуждения и, в частности для зоны 2, могут быть выполнены с разными способами регулирования и с разными базовыми ключевыми элементами (таблица 1). Применительно к тяговым электроприводам всегда по условиям обеспечения электромагнитной совместимости с рельсовами ценями используют широтно - импульсное регулирование обычно с рабочей частотой 400 Гц.

У эксплуатируемых электропоездов и электровозов постоянного тока импульсные преобразователи выполнены на однооперационных тиристорах, но как следующий этап возможно применение запираемых тиристоров GTO, а в перспективе идеальным ключевым элементом будет силовой транзистор IGBT.

- частота пульсаций ИП

Рисунок 1 ? Базовые схемы (а, б) плавного ослабления тока возбуждения без дополнительного сопротивления ( ) и их регулировочные (в) и пульсационные (г) характеристики: сплошная линия ? с одним ИП; пунктирная - с двумя ИП

Однако, специфика импульсных преобразователей для ослабления возбуждения заключается в том, что они работают при низких напряжениях - даже с учетом запасов по перенапряжениям в переходных режимах не более 150 ?200 В (в качестве примера можно привести регулятор тока возбуждения РТ 300/300 для вагонов метро). Поэтому в настоящее время целесообразно использовать наиболее дешевый вариант с однооперационными тиристорами низких классов при искусственной коммутации с LC - контуром.

Окончательное решение этого вопроса определяется экономическими соображениями при учете следующих исходных условий: ? покупная цена комплекта однооперационных тиристоров для ИП ослабления возбуждения (включая компоненты контура искусственной коммутации тиристоров) на порядок, т.е. в 6 - 11 раз меньше, чем силовые транзисторы IGBT зарубежного производства, включая их драйверы;

? накоплен многолетний опыт эксплуатации импульсных преобразователей для регулирования тока возбуждения на низковольтных однооперационных тиристорах (электропоезда ЭР200, электровозы ЧС2Т, ЧС6, ЧС7, ЧС200, вагоны метро), причем эти преобразователи надежны в эксплуатации и требуют минимального технического обслуживания.

Однако, ценовая политика на мировом рынке силовой электроники меняется очень быстро. Поэтому в данной диссертации с учетом обобщения мирового опыта (таблица 1) принято допущение об идеальности ИП. При этом ИП в дальнейшем исследовании рассматривается как идеальный ключевой элемент, у которого в открытом состоянии омическое сопротивление равно нулю, а в закрытом - бесконечности.

В главе 1 рассмотрены также реализованные схемные решения по системам плавного бесконтактного регулирования тока возбуждения. На этой основе в дальнейшем реализован переход к теоретической модели для расчета процессов импульсного регулирования магнитного поля в тяговых электродвигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В главе 2 выполнен анализ обоснованных ранее и используемых схем замещения тягового электродвигателя. Эти схемы отличаются, в основном, способами учета вихревых токов и нелинейности характеристики намагничивания. При обосновании схемы замещения нужно учитывать назначение расчетной модели: - для анализа переходных процессов с большим диапазоном изменения тока двигателя или для расчета систем импульсного регулирования в квазистационарном режиме с небольшими пульсациями тока.

Поставленная задача относится ко второму типу, так что при высокой частоте импульсного регулирования (не менее 400 Гц) целесообразно использовать математическую модель со следующими допущениями: 1. Предполагаем, что в пределах каждого из двух характерных интервалов импульсного цикла (ИП включен, ИП выключен) ток возбуждения тягового электродвигателя изменяется линейно в функции времени, т.е. для каждого указанного интервала const.

2. Изза сглаживающего действия вихревых токов магнитный поток и соответственно ЭДС двигателя для квазистационарного режима импульсного регулирования можно считать примерно постоянными, т.е. .

3. Ввиду небольшой амплитуды пульсаций тока возбуждения его мгновенное значение в уравнениях Кирхгофа заменяем средним, т.е. . Но даже при этом допущении расчетная модель позволяет учесть размах пульсаций тока и построить пульсационные характеристики.

4. Ток якорной обмотки при регулировании тока возбуждения принимаем постоянным , поскольку в цепь якоря включен сглаживающий реактор.

Эти допущения проиллюстрированы в верхней части таблицы 2 для периода импульсного регулирования Т при коэффициенте заполнения k.

Таблица 1

Классификация систем импульсного регулирования

По способу регулирования По типу базового ключевого элемента

Широтные (ШИР) ? = const, ТИ = var Частотные (ЧИР) ? = var, ТИ = const Комбинированные? = var, ТИ = var Тиристор однооперационный Тиристор GTO Транзистор IGBT

Таблица 2. Обоснование предложенной расчетной модели

Доп. 1

Доп. 2, 3

В нижней части таблицы 2 для каждого из характерных интервалов импульсного цикла записаны исходные дифференциальные уравнения. Затем строкой ниже в аналитическом виде представлено допущение 1. После использования допущений 1? 3 путем подстановки их в исходные дифференциальные уравнения получены линейные алгебраические уравнения (нижняя строка таблицы 2).

В результате решения этих уравнений для исследуемых схем по рисунку 1, а, б получены аналитические выражения для регулировочных и пульсационных характеристик. Они показаны в левых столбцах таблицы 3. Соответствующие им графики для схемы с представлены на рисунке 1, в, г.

В ряде конкретных применений целесообразно усовершенствовать схемы на рисунке 1, а, б путем введения дополнительного резистора последовательно с ИП. Эти усовершенствованные схемы, включая их регулировочные и пульсационные характеристики приведены на рисунке 2, соответствующие им формулы - в правых столбцах таблицы 3.

По этим данным могут быть реализованы предварительные расчеты при проектировании системы импульсного регулирования тока возбуждения.

В главе 3 выполнено сравнение выше предложенной автором универсальной методики расчета регулировочных и пульсационных характеристик (вместе с обоснованными и принятыми допущениями) с известной (классической) расчетной моделью. Для этого рассмотрена классическая методика расчета электромагнитных процессов для режима импульсного регулирования тока возбуждения, основанная на непосредственном решении соответствующих дифференциальных уравнений аналитическим способом. За основу этой методики приняты исследования и рекомендации, содержащиеся в монографиях профессоров Розенфельда В.Е. и Некрасова В.И., в кандидатской диссертации Вейцмана Л.Ю. Основным из этих допущений указанных авторов является принцип экспоненциального

Рисунок 2 ? Базовые схемы плавного ослабления тока возбуждения (а, б) с дополнительным сопротивлением ( ) и их регулировочные (в) и пульсационные (г) характеристики:сплошная линия ? с одним ИП; пунктирная - с двумя ИП характера изменения тока в обмотках тягового электродвигателя.

Таблица 3

Тип характер Схема импульсного регулирования

Рис.1, а Рис.1, б Рис.2, а Рис.2, б

=

Начальный этап решения этой задачи при любых допущениях - это запись дифференциальных уравнений отдельно для каждого характерного интервала импульсного цикла. Это соответствует первому этапу методики, предлагаемой в данной диссертации (см. гл. 2). Однако, далее указанные выше авторы переходят к непосредственному решению обыкновенных дифференциальных уравнений, которые являются линейными изза принятых допущений. Решения получены в форме комбинации достаточно сложных экспоненциальных функций. Тем не менее расчет регулировочных и пульсационных характеристик по конечным выражениям достаточно просто выполняется на персональном компьютере.

Учет экспоненциального характера изменения тока упомянутыми выше авторами был обоснован только при малых частотах импульсного регулирования (они рассматривали частоты 50 ? 400 Гц). Это было оправдано на начальном этапе развития силовой электроники.

При современных полупроводниковых приборах (одно- и двухоперационные тиристоры) могут быть реализованы частоты как минимум 400 Гц и выше, а при силовых транзисторах IGBT - до 3 ? 4 КГЦ. Поэтому предлагаемая в данной диссертации методика вполне может быть использована в практических расчетах.

Для обоснования этого утверждения выполнены сравнительные расчеты для тягового электродвигателя УРТ-110 по двум методикам: ? классическая (Розенфельд В.Е., Некрасов В.И., Вейцман Л.Ю.);

? предложенная в данной диссертации (см. гл. 2).

Результаты, полученные по аналитическим выражениям для относительной пульсации тока возбуждения по двум рассматриваемым выше методикам, имеют хорошее совпадение. Но регулировочные характеристики по этим системам имеют расхождение 5 - 6 %.

В главе 4 обоснована методика расчета потерь энергии при выборе вариантов практической реализации систем плавного бесконтактного регулирования тока возбуждения. С практической точки зрения применяемые реостатные позиции ослабления возбуждения являются ходовыми и экономичными, т.е. в классических схемах регулирования тягового электропривода при включении ослабления возбуждения суммарные потери энергии в обмотке возбуждения и в цепи ее шунтирования будут меньше, чем потери в обмотке возбуждения на полном поле.

Однако, в системе импульсного регулирования необходим расчет потерь с целью определения установленной мощности шунтирующего резистора, который всегда должен быть предусмотрен, и дополнительного резистора, если он установлен. Для схемы типа 1 получаем: , (1)

. (2)

Для схемы типа 2 аналогичные выражения имеют вид: , (3)

. (4)

Соответствующие графики показаны на рисунке 3.

Анализ этих зависимостей показывает, что в схеме типа 1 мощность и меньше, чем в схеме типа 2. При этом максимум потерь в для схемы типа 1 соответствует коэффициенту заполнения , для схемы типа 2 коэффициенту .

Потери в для схемы типа 1 максимальны при , а в схеме типа 2 они линейно растут в функции k.

Обобщение этих данных позволяет сделать вывод о том, что схема типа 1 (рисунок 2.10, и рисунок 2.15,а а) более экономична по суммарным потерям в и . К тому же эта схема проще, особенно при использовании тиристоров

Рисунок 3 ? Усредненная за период импульсного цикла мощность резисторов:а) схема типа 1; б) схема типа 2 GTO или транзисторов IGBT. Ее недостаток заключается в наличии существенно нелинейной регулировочной характеристики.

В главе 5 дана оценка влияния вихревых токов в магнитной системе тягового электродвигателя. Для этого использована эквивалентная схема замещения (рис. 4, а), принятая в большинстве работ по импульсному регулированию и по переходным процессам. Анализ выполнен в два этапа:

Рисунок 4 - Эквивалентная схема замещения (а), пульсационные (б) и регулировочные (в) характеристики:сплошная линия - с учетом вихревых токов ( ); пунктирная линия - без учета вихревых токов ( ) при и при .

Принятые ранее обоснованные допущения, сформулированные в гл. 2 позволили перейти от системы дифференциальных уравнений первого порядка к линейным алгебраическим уравнениям, которые представлены в матричной форме. Решая их с помощью правила Крамера, выводим следующие зависимости для регулировочных и пульсационных (абсолютная и относительная) характеристик с учетом вихревых токов (представлены в таблице 4 для и ).

Для результаты расчетов представлены на рисунке 4, б, в. Для эквивалентной схемы с дополнительным сопротивлением результаты расчетов (см. таблицу 4) представлены на рисунке 5.

Из анализа этих зависимостей следует, что при (это характерно для мощных тяговых электродвигателей электровозов) расхождение расчетных данных в рассматриваемой методике при учете и без учета вихревых токов находится в пределах погрешности инженерных расчетов. Как и следовало ожидать, неучет вихревых токов ведет к завышению амплитуды пульсаций тока возбуждения. Кроме того, вихревые токи способствуют сглаживанию регулировочной характеристики.

Для более глубокого ослабления возбуждения (на электропоездах ЭР2Т, ЭР2Р, ЭД2, ЭД4 до ? = 19%) расхождение указанных данных становится существенным и поэтому учет вихревых токов по схемам замещения (рисунки 4, 5) необходим.

В любом варианте расчетов по пульсационным характеристикам неучет вихревых токов дает несколько завышенные результаты. Поэтому эта универсальная методика, предложенная автором (таблица 3), вполне может быть использована на начальном этапе проектирования импульсных регуляторов для ослабления возбуждения при предварительном выборе основных параметров в системе импульсного регулирования, включая рабочую частоту f (f = ), тип регулятора (с линейной или нелинейной регулировочной характеристикой, предельно допустимый уровень пульсаций

Таблица 4

Тип характеристики Схема импульсного регулирования тока возбуждения с учетом вихревых токов

Рис. 4, Рис. 5, , где

=

Рисунок 5 - Эквивалентная схема замещения (а), пульсационные (б) и регулировочные (в) характеристики: сплошная линия - с учетом вихревых токов ( );

пунктирная линия - без учета вихревых токов ( тока возбуждения).

На следующем этапе проектирования следует уточнить результаты по формулам таблицы 4 (с учетом вихревых токов), а на окончательном этапе необходимо выполнить расчет выбранного варианта путем численного решения дифференциальных уравнений при помощи пакета прикладных программ (Mark). Завершающим этапом является проверка на испытательном стенде с выполнением замеров регулировочных и пульсационных характеристик.

В приложении 1 обобщены данные по предельным ограничениям режима ослабления возбуждения с учетом пульсаций тока возбуждения. Эти данные четко регламентированы в технических характеристиках тяговых электродвигателей.

В приложении 2 приведена методика расчета пульсационных потерь энергии в тяговых электродвигателях при импульсном регулировании. Показано, что потери при этом увеличиваются на 3 ? 4 % по отношению к активным и магнитным потерям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проанализированы, обобщены и классифицированы схемные решения по регулированию тока возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока. Соответствующие системы несмотря на разнообразие схемных решений могут быть отнесены к двум базовым типам ? с линейной и нелинейной регулировочными характеристиками. Система с линейной характеристикой предпочтительна для регулирования тяговых электроприводов, но она более сложна по силовой части.

На основе анализа ранее предложенных классических расчетных моделей тягового электропривода с импульсным регулированием в диссертации обоснованы допущения, позволяющие алгебраизировать исходные дифференциальные уравнения. Таким путем получены обобщенные аналитические выражения для регулировочных и пульсационных характеристик системы, которые рекомендованы для использования на этапах выбора варианта и эскизного проектирования системы импульсного регулирования.

Проанализирована возможность усовершенствования базовой схемы импульсного регулирования с целью исключения импульсного режима и соответственно пульсационных потерь в зоне предельного ослабления возбуждения. Соответствующая математическая модель получается сложнее исходной, но тем не менее она позволила получить обобщенные выражения для регулировочных и пульсационных характеристик.

Обоснован способ учета вихревых токов в магнитной системе тягового электродвигателя в квазистационарном режиме импульсного регулирования. Для удобства расчета и компьютерного моделирования эта математическая модель представлена в матричной форме. Учет вихревых токов ведет к сглаживанию пульсаций тока возбуждения, а регулировочные характеристики в схемах первого типа, т. е. с одним импульсным преобразователем, при этом изменяются с уменьшением их кривизны.

Практические рекомендации сводятся к обоснованию схемных решений для применения на электроподвижном составе постоянного тока. Это обеспечивает необходимое быстродействие применяемых систем регулирования (стабилизация пускового тока) и защиты тягового электропривода в зоне ослабления возбуждения, позволяет снизить массу электрооборудования за счет исключения индуктивных шунтов.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Дудченко Д.Н. Плавное регулирование тяговых электродвигателей электропоездов, как средство повышения их надежности // Труды VIII Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2007.

2. Дудченко Д.Н. Анализ процессов при импульсном регулировании возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока // Вестник МИИТА, Научно-технический журнал. - Вып. 18.: МИИТ, 2008.

3. Дудченко Д.Н. Плавное регулирование поля тяговых электродвигателей постоянного тока // Труды V международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «TRANS-MECH-ART-CHEM». - М.: МИИТ, 2008. с. 60.

4. Дудченко Д.Н. Снижение электромагнитного мешающего влияния в системе импульсного регулирования возбуждения тяговых электродвигателей // Труды IX Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2008.

5. Дудченко Д.Н. Совершенствование систем регулирования тяговых электродвигателей постоянного тока при помощи импульсных преобразователей // Международная научно - практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия»: Сб. научн. Тр. - Белгородская обл., г. Губкин, 2008.

6. Дудченко Д.Н. Плавное регулирование возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока // Неделя науки - 2008 «Наука МИИТА транспорту - 2008»: М., 2008.

7. Дудченко Д.Н. Импульсное регулирование тока возбуждения тяговых электродвигателей на электроподвижном составе постоянного тока // Научно - технический журнал «Электроника и электрооборудование транспорта»: Московская обл., п.Томилино, 2008, №2.

8. Дудченко Д.Н. Анализ систем плавного ослабления возбуждения для тяговых электродвигателей постоянного тока // Труды X Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2009

9. Дудченко Д.Н. Плавное регулирование магнитного потока тяговых электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения // Научно - технический журнал «Электроника и электрооборудование транспорта»: Московская обл., п.Томилино, 2009,№1

10. Дудченко Д.Н. Регулирование тяговых электродвигателей постоянного тока // Вестник МИИТА, Научно-технический журнал. - Вып. 20.: МИИТ, 2009.

11. Дудченко Д.Н. Развитие электрической тяги в период финансово - экономического кризиса // Труды VII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «TRANS-MECH-ART-CHEM». - М.: МИИТ, 2010.

Размещено на .ru