CC BY
50
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 629.4.058
Анализ спектрального состава входного тока и напряжения 4^-5 преобразователя электровоза переменного тока серии «Ю'Е-ЕЬР» с использованием компьютерной имитационной модели
Т. М. Назирхонов, А. Я. Якушев, И. П. Викулов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Назирхонов Т. М., Якушев А. Я., Викулов И. П. Анализ спектрального состава входного тока и напряжения 4д-5 преобразователя электровоза переменного тока серии «O'Z-ELR» с использованием компьютерной имитационной модели // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 3. - С. 41-63. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-41-63
Аннотация
Цель: Исследование электромагнитных процессов с различными алгоритмами управления силовыми ключами 4д-в преобразователей электровоза, обеспечивающими минимизацию генерирования высших гармонических составляющих в тяговую сеть в режимах тяги и рекуперативного торможения. Методы: Решение актуальной проблемы повышения энергетической эффективности железнодорожного транспорта неразрывно связано с улучшением энергетических показателей электрического подвижного состава (ЭПС). Основными требованиями, предъявляемыми к современному ЭПС, являются: обеспечение максимально возможного коэффициента полезного действия; снижение потерь, вызванных реактивной составляющей мощности; минимизация дополнительных потерь, связанных с эмиссией высших гармоник в питающую сеть, а также возможность реализации рекуперации энергии в питающую сеть в режиме электрического торможения. Для изучения энергетической эффективности алгоритмов управления в пакете «MATLAB+Simulink» создана имитационная модель тягового электропривода электровоза серии «O'Z-ELR» переменного тока с входными 4д-в преобразователями. Результаты: В ходе моделирования электромагнитных процессов в 4д-в преобразователях электровоза произведен Фурье-анализ, определены коэффициенты гармонических искажений входного тока и напряжения, установлены значения коэффициента мощности преобразователей при различных алгоритмах управления силовыми ключами. Практическая значимость: Полученные результаты моделирования свидетельствуют о том, что компьютерная имитационная модель позволяет исследовать с достаточной степенью достоверности электромагнитные процессы в силовых цепях электровозов серии «O'Z-ELR». Разработанная имитационная модель тяговых преобразователей является составной частью комплексной имитационной модели силовых цепей и асинхронного тягового привода электровоза. Компьютерная модель дает возможность воспроиз-
водить электромагнитные процессы, близкие к реальным, протекающим в преобразователях и тяговом приводе электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Ключевые слова: Тяговый трансформатор, асинхронный тяговый двигатель, имитационное моделирование, электровоз, переменный ток, четырехквадрантный преобразователь.
Введение
На электрическом подвижном составе железных дорог Узбекистана, как и в мировой практике, находят широкое внедрение полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Значительные успехи в совершенствовании электронной базы силовой электроники сделали возможным применение на электрическом подвижном составе (ЭПС) силовых транзисторных модулей с изолированным затвором (IGBT) на токи 10001500 А и рабочее напряжение до 6,5 кВ. Они являются залогом новых успехов в создании высокоэкономичных силовых преобразовательных устройств для железнодорожного подвижного состава, обеспечивающих эффективное энерго-ресурсосбережение. Создание двух-, трехуровневых автономных инверторов напряжения для регулирования режимов работы бесколлекторных тяговых двигателей позволило освоить серийное производство высокотехнологичных, обладающих высоким уровнем эксплуатационной надежности, унифицированных систем преобразования электрической энергии для автономных и централизованных бортовых энергетических систем подвижного состава [1].
В то же время использование полупроводниковых преобразователей сопряжено с существенными искажениями формы напряжения и тока в силовых агрегатах, снижающими энергетические характеристики ЭПС. Решение актуальной проблемы повышения энергетической эффективности железнодорожного транспорта неразрывно связано с улучшением энергетических показателей ЭПС. Важным шагом в этом направлении является создание компьютерной имитационной модели, позволяющей воспроизводить электромагнитные процессы в преобразователях и тяговом электроприводе, а также выполнять функции обработки полученных результатов моделирования, адекватных реальным условиям применения на ЭПС преобразователей с различными алгоритмами управления в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Силовая часть электровоза серии «О^-БЬК»
Шестиосные электровозы переменного тока серии «O'Z-ELR» (рис. 1) разработаны с учетом последних тенденций в области электровозостроения. К характерным особенностям электровозов относятся: применение асинхронного тягового электропривода, тяговых преобразователей на базе ЮВТ-транзисторов, поосное регулирование силы тяги и торможения, микропроцессорная система управления.
Рис. 1. Электровоз «0'2-ЕЬЯ»
Каждый канал силовой тяговой цепи электровоза (рис. 2) состоит из преобразователя, обеспечивающего высокие энергетическое показатели электровоза, автономного инвертора напряжения (АИН), выполняющего индивидуальное (поосное) регулирование асинхронных тяговых двигателей (АТД) (рис. 3) [2].
Рис. 2. Электрическая схема силовых цепей электровоза серии «O'Z-ELR»
Алгоритмы управления преобразователями
В общем случае система управления преобразователями состоит из следующих узлов: измерителей мгновенных значений входных и выходных токов и напряжений, фильтра низких частот, регулятора выходного напряжения в режимах тяги и рекуперативного торможения, блока модуляции. Уровень эмиссии высших гармоник ЭПС переменного тока в режиме тяги и электрического рекуперативного торможения в значительной степени зависит от алгоритма управления входных преобразователей.
Принцип применения модуляции для управления силовыми ключами преобразователей существенно влияет на спектр высших гармонических входного тока и напряжения, следовательно, на коэффициент мощности и коэффициент полезного действия (КПД) преобразователей [3].
Рис. 3. Принципиальная схема 4^-5 преобразователя и автономного инвертора напряжения
Высокие частоты коммутации ключей обусловливают значительные потери в преобразователе, а изменяемая частота коммутации силовых ключей - достаточно широкий спектр высших гармоник. В связи с этим более предпочтительными являются системы управления, реализующие постоянную частоту коммутации, что обеспечивает применение различных типов широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Известны системы управления, основанные на принципе одноканальной синусоидальной ШИМ. На тактирующий сигнал треугольной формы накладывается управляющий сигнал модуляции синусоидальной формы с частотой питающейся сети. Процессы модуляции в одноканальной синусоидальной ШИМ приведены
на рис. 4, а. Для упрощения графического изображения алгоритмов, представленных на рис. 4, интервалы запертого (непроводящего) состояния силовых транзисторных ключей преобразователя обозначены нулевым уровнем сигналов.
а
б
А и 7 A /Чг
V SI,- -1 1-1 ■ 1 Г1 __—'
S21- S3 1— -
n 1 \ _| u | k
S4
Рис. 4. Алгоритмы одно- и двухканальной ШИМ системы управления 4q-s преобразователем
Системы управления, в которых коммутация входного тока происходит с удвоенной частотой относительно частоты опорного (тактирующего) сигнала ШИМ, позволяют понизить уровень высших гармоник и соответственно уменьшить результирующий коэффициент гармонических искажений (total harmonic distortion - THD) входного тока и напряжения. Процессы модуляции в двухканальной синусоидальной ШИМ приведены на рис. 4, б. В отличие от одноканальной система управления с двухканаль-ной ШИМ содержит два компаратора, на которые подаются опорный ШИМ-сигнал и два сигнала модуляции синусоидальной формы с фазовым сдвигом между собой на 180°. При этом реализуется управление каждой парой смежных транзисторных ключей VT1-VT2 и VT3-VT4 со сдвигом во
времени на интервал полуволны напряжения питания преобразователя. Это позволяет удвоить частоту коммутации входного тока относительно частоты опорного ШИМ-сигнала, чем достигается улучшение синусоидальности формы входного тока. Таким образом, применение двухканаль-ной ШИМ позволяет снизить частоту коммутации силовых ключей, чем достигаются понижение потерь в преобразователе и повышение результирующего КПД [1-4].
Токовая нагрузка преобразователя регулируется амплитудой сигнала модуляции им. С увеличением нагрузки амплитуда сигнала модуляции должна увеличиваться. Фазовый угол ф между током и напряжением сетевой обмотки тягового трансформатора регулируется фазовым сдвигом у сигнала модуляции им относительно напряжения сетевой обмотки ис. Для режима тяги в основной части каждой полуволны питающего напряжения производится выпрямление тока, в этом случае фазовый угол у сигнала модуляции, согласно алгоритму управления, отстающий, для режима рекуперативного торможения основным является процесс инвертирования и фазовый угол у - опережающий [1-4].
Энергетические характеристики 4д-Б преобразователя
Диаграмма напряжения Щ на входе 4q-s преобразователя (рис. 5) представляет ряд прямоугольных импульсов амплитудой, равной напряжению выходного конденсаторного фильтра Щширина которых изменяется по синусоидальному закону в соответствии с алгоритмом ШИМ. Напряжение Щ на входе 4q-s преобразователя, согласно схеме, показанной на рис. 3, приложено к цепи, содержащей последовательно соединенные тяговую обмотку трансформатора - источник напряжения ^2, силовые транзисторные ключи с обратными диодами и выходной конденсаторный фильтр с напряжением Щ^.
Изменение тока тяговой обмотки трансформатора Д1т(П на каждом интервале времени Д?и переключения транзисторных ключей в режиме тактирования определяется по формуле
АгЖ) = ^ , (1)
изменение тока Д1^(п+1)) тяговой обмотки
на каждом интервале Д1(П+1) в режиме выпрямления или инвертирования - по
Ч('(п+1)) = —^-^(п+1) . (2)
т
где ыт(?п), и^п+ху) — напряжение тяговой обмотки трансформатора на интервалах времени п и (п + 1) [5-8]; Ьт - индуктивность рассеяния обмоток трансформатора.
Рис. 5. Алгоритм управления 4q-s преобразователем, диаграмма токов и напряжений
На рис. 5 ток /т(/) изображен в виде ломаной линии. Этот ток является переменным и содержит явно выраженную основную гармонику /т(1), которая сдвинута относительно напряжения тяговой обмотки и2 на угол ф, близкий к нулю.
К основным энергетическим характеристикам 4q-s преобразователя относятся коэффициент мощности и КПД. Коэффициент мощности % па-
раллельно работающих преобразователей определяется следующей формулой:
X = а СОБ(, (3)
Аэф^эф
в которой /1эф, и1эф - эффективные значения тока и напряжения на входе тягового трансформатора, р - фазовый угол основной гармоники тока относительно основной гармоники напряжения на входе сетевой обмотки трансформатора, N - число параллельно работающих 4q-s преобразователей электровоза (для шестиосного электровоза серии «O'Z-ELR» N = 6).
Степень искажений синусоидальности формы тока и напряжения, обусловленных пульсациями, связанными с работой преобразователей, характеризуется среднеквадратической суммой высших гармонических в составе тока и напряжения:
Т = ^1(2) + А(3) + ... + Л( к) (лл
1 к - г- , (4)
1эф£ л/2
2
= V ^1(2) + ^1(3) + ... + иЦк)
и к - г- , (5)
1эф^ л/2
2
относительные значения которых выражают коэффициентами ТНО:
^ и1
К
_ д/11(2) +112(3) +.. +12 .+ 11( к)
11эф
^1(2) + и12(3) +. ..+и2( к)
Здесь 11(2), /1(3),_,/1(к) - амплитудные значения ряда высших гармонических тока на входе тягового трансформатора, и1(2), и1(3),^,и1(к) - амплитудные значения ряда высших гармонических напряжения на входе тягового трансформатора.
Из формул (1) и (2) следует, что амплитуда пульсации тока Д1т зависит от разности мгновенных значений напряжений [м(?и) - иа ], частоты переключения силовых транзисторов ключей и индуктивности обмоток трансформатора Ьт.
Индуктивность рассеяния Ьт, определяемая расчетным параметром трансформатора и конструкцией обмоток, является величиной постоянной
и не влияет на энергетические характеристики преобразователя. С целью снижения пульсаций тока А/т индуктивность рассеяния Ьт обмоток тяговых трансформаторов электровозов с 4q-s преобразователями увеличивают в 4-5 раз по сравнению с индуктивностью рассеяния обмоток тяговых трансформаторов электровозов с зонно-фазовыми преобразователями.
Гармонический состав высших гармоник тока и напряжения в основном зависит от частоты и алгоритма переключения силовых транзисторных ключей преобразователя. При увеличении частоты опорных сигналов тактирования следует ожидать снижения пульсаций тока и напряжения, но в то же время будут возрастать потери в преобразователях и обмотках трансформатора.
Известно, что при двухблочной компоновке силовых цепей (рис. 6, а) повышение частоты отбора энергии из тяговой сети в 2 раза достигается фазовым сдвигом тактирующих сигналов системы управления силовыми ключами одного из преобразователей на четверть периода тактирующего сигнала Тр/4, или в угловой мере на 90°. При четырехблочной компоновке силовых цепей (рис. 6, б) частоту отбора энергии из тяговой сети можно увеличить в 4 раза посредством введения интервалов фазового сдвига тактирующих сигналов системы управления каждого преобразователя относительно тактирующих сигналов смежного преобразователя на 45°. При компоновке силовых цепей, составленных из N блоков (Ы - четное число), интервалы фазового сдвига тактирующих сигналов каждого блока с порядковым номером п определяются формулой
(п -1)
Ат п = Т т
п т 2Ы
или в угловой мере:
АС п = 180° ^ы1 . (6)
На гармонический состав тока и напряжения на входе тягового трансформатора оказывает влияние кратность Кт = /т//с частоты /т тактирующих сигналов системы управления силовыми ключами преобразователей. При нечетной кратности фазовый сдвиг сигналов управления группы смежных силовых транзисторных ключей УТ3-УТ4 относительно группы УТ1-УТ2 меньше полупериода сигнала модуляции на величину А = л/Кт
(см. рис. 5), что создает несимметричное управление на интервале каждой полуволны напряжения питания преобразователей и генерирование четных гармоник.
4q-s
АИН
и
и
Промежуточное звено
Промежуточное звено
4q-s
4q-s
б
АИН
АИН
4q-s
АИН
Рис. 6. Схема компоновки силовых цепей: а - двухблочная; б - четырехблочная
Существенным фактором, влияющим на коэффициент мощности преобразователей, является фазовый угол р основной гармоники тока относительно основной гармоники напряжения на входе тягового трансформатора. Для обеспечения высокого значения коэффициента мощности система управления транзисторными ключами преобразователя должна обеспечивать поддержание угла фазового сдвига, близкого к нулю, независимо от режима работы тягового электропривода.
Компьютерная имитационная модель четырехквадрантного преобразователя
Комплексная имитационная модель, реализованная в пакете МАТЬАБ с приложением Simulink, содержит в своем составе подсистемы тяговой
подстанции, контактной сети, силовой цепи электровоза с 4д-я преобразователями (рис. 7).
Рис. 7. Компьютерная модель силовой цепи электровоза серии «0'2-БЬЯ»
Модель тяговой подстанции состоит из блоков источника трехфазного напряжения 110 кВ, линии электропередачи, понизительного трансформатора, на выходе которого формируется линейное напряжение 27,5 кВ.
Контактная сеть в модели представлена упрощенной схемой замещения, выполненной в виде последовательного соединения резистора и индуктивности. Параметры контактной сети соответствуют нахождению
электровоза в середине фидерной зоны, иначе говоря, на расстоянии 20 км от тяговых подстанций при двухстороннем питании.
Модель силовой цепи электровоза содержит блоки тягового трансформатора, 4q-s преобразователей, емкостных фильтров промежуточных звеньев постоянного тока, блоки нагрузок. Для однозначного определения влияния основных факторов, связанных с алгоритмами управления силовыми ключами 4q-s преобразователей, на гармонический состав сетевого тока и напряжения в широком диапазоне изменения нагрузки работа тяговых преобразователей и АТД в блоках нагрузки воспроизводится упрощенно -источниками тока.
Параметры модели тягового трансформатора задаются в блоке «МиШ-WmdmgTransformer», методика определения которых приведена в статье «Компьютерная модель тягового трансформатора электровоза переменного тока серии "0'2-ЕЬК"» [9].
Модель 4q-s преобразователя содержит четыре блока ЮБТ транзисторных ключей с обратными диодами, соединенных по мостовой схеме (рис. 8). В качестве полностью управляемого ключевого элемента из библиотеки «8тиНпк» выбран типовой модуль «ЮБТ».
Рис. 8. Общая схема 4q-s преобразователя и цепи управления
Емкость фильтрового конденсатора звена постоянного тока принята в соответствии с параметрами сглаживающих фильтров электровоза серии «О'г-ЕЬЯ», равной 8800 мФ.
Система управления 4q-s преобразователем (рис. 8) состоит из блоков модуляции, формирователей импульсов управления ключевыми элементами, датчиков тока, напряжения и фазового угла сетевого тока. Компьютерная модель системы управления преобразователями содержит подсистемы стабилизации напряжения в узле постоянного тока и подсистемы регулирования угла фазового сдвига синусоидальных сигналов ^ модуляции им и им относительно напряжения ис сетевой обмотки в узле переменного тока. Подсистема обеспечивает стабилизацию минимального угла ф « 0 фазового сдвига тока относительно напряжения сетевой обмотки тягового трансформатора. Стабилизация напряжения в звене постоянного тока на уровне ил = 3000 В и минимального фазового угла тока сетевой обмотки тягового трансформатора в звене переменного тока осуществляется за счет регулирования амплитуды им и фазы ^ синусоидальных сигналов модуляции в заданном диапазоне изменения токовой нагрузки. Фазовое регулирование сигналов модуляции производится относительно начальной фазы напряжения сетевой обмотки тягового трансформатора [10, 11].
Модель формирователя сигналов управления ключевыми элементами 4q-s преобразователей содержит блоки, создающие тактирующие сигналы ШИМ-модуляции, блоки подачи импульсов на ключевые элементы, а также систему интервального сдвига начальной фазы тактирующих сигналов ШИМ каждого 4q-s преобразователя на величину Д^ в соответствии с формулой (6) (рис. 9).
□
Рис. 9. Схема системы управления фазовыми углами сигналов модуляции
Для анализа гармонического состава тока и напряжения на входе тягового трансформатора компьютерная модель оснащена блоками Фурье-анализа, обеспечивающими измерение эффективного значения входной
переменной, амплитуд основной и высших гармонических составляющих, а также среднеквадратического значения суммы всех высших гармонических составляющих входной переменной в соответствии с выражениями (4) и (5) [10, 11].
Исследования влияния алгоритмов управления на гармонический состав тока и напряжения электровоза
Основные задачи исследования на компьютерной модели:
- влияние взаимного фазового сдвига и кратности частоты тактирующих сигналов параллельно работающих 4q-s преобразователей на гармонический состав входного тока и напряжения тягового трансформатора электровоза;
- влияние кратности частоты тактирующих сигналов на коэффициент мощности 4д-£ преобразователей.
Фазовый сдвиг тактирующих сигналов управления силовыми ключами преобразователей увеличивает частоту отбора энергии из питающей сети в N раз (рис. 10, а, б). Для N параллельно работающих преобразователей /и частота генерируемых импульсов в составе напряжения сетевой обмотки тягового трансформатора
/и = 2 Кт Л/. (7)
При этом эффективное значение среднеквадратической суммы высших гармонических тока уменьшается, например, при кратности частоты тактирующих ШИМ-сигналов Кт = 5 в 32 раза для четырехканальной и в 24 раза для шестиканальной системы управления преобразователями (рис. 11) по сравнению с двухканальным алгоритмом управления.
Существенными в спектре гармонического состава тока сетевой обмотки тягового трансформатора (рис. 12) следует считать 3-, 5-, 7- и 9-ю гармоники, а также массив нечетных гармоник с центром при частоте, соответствующей частоте имульсов, генерируемых совместной работой 4q-s преобразователей с алгоритмом управления, обеспечивающим сдвиг тактируюших сигналов на интервал Д<^, определяемый формулой (7). При этом среднеквадратическая сумма высших гармонических составляет 1,63 А для кратности частоты тактирующих сигналов Кт = 5 и 1,12 А для Кт = 6, коэффициент ТНО = 0,0057 и 0,0039 соответственно (рис. 13). Столь малые величины коэффициента ТНО позволяют считать форму тока практически синусоидальной, а эффективное значение основной гармоники тока практически равным эффективному значению тока сетевой обмотки тягового трансформатора.
Рис. 10. Влияние фазового сдвига Д^ тактирующих сигналов управления силовыми ключами на пульсации тока и напряжения: а - Д^ = 0°; б - Д^ = 30°
Рис. 11. Зависимость эффективного значения суммы высших гармонических от фазового сдвига Д^ тактирующих сигналов управления силовыми ключами преобразователя: 1 - N = 4; 2 - N = 6
б
Рис. 12. Спектр гармонического состава тока сетевой обмотки тягового трансформатора для N = 6: а - Кт = 5; б - Кт = 6
Рис. 13. Зависимость коэффициентов ТНО входного тока и напряжения тягового трансформатора от кратности частоты тактирующих сигналов
Спектр гармонического состава напряжения сетевой обмотки тягового трансформатора (рис. 14) содержит массив нечетных гармоник с центром при частоте, соответствующей частоте импульсов, генерируемых совместной работой 4q-s преобразователей. При этом среднеквадратическая сумма высших гармонических составляет 823,2 В для кратности частоты тактирующих сигналов Кт = 5 и 824,7 В - для Кт = 6, коэффициент ТНВ для обоих значений кратности практически одинаков и равен 0,0306.
Повышение кратности частоты тактирующих сигналов управления силовыми ключами от 5 до 6 приводит к снижению коэффициента ТНВ входного тока тягового трансформатора в 1,4 раза, в то время как коэффициент ТНВ напряжения остается практически неизменным (рис. 15). Незначительное снижение уровня четных гармонических в спектральном составе тока и напряжения при возрастании кратности от 5 до 6 следует отнести на счет двух факторов - большей частоты отбора энергии из тяговой сети и симметрии переключения силовых транзисторных ключей при четной кратности. Увеличение кратности частоты выше 6 нецелесообразно, так как коэффициенты ТНВ тока и напряжения изменяются несущественно, в то время как растут потери в силовых ключах преобразователей и обмотках тягового трансформатора.
б
450
400
360
300
250
200 150
100 150
50 о I 6 0 и ю „11шт * 200 25о|
Нг
Рис. 14. Спектр гармонического состава напряжения сетевой обмотки тягового трансформатора для N = 6: а - Кт = 5; б - Кт = 6
иго
Рис. 15. Зависимость коэффициента мощности параллельно работающих преобразователей от кратности частоты тактирующих сигналов
Коэффициент мощности параллельно работающих 4q-s преобразователей электровоза для выполненных исследований вычислялся программными средствами по формуле (3) при фазовом угле основной гармоники тока сетевой обмотки тягового трансформатора р = 0. Влияние частоты тактирующих сигналов управления силовыми ключами на коэффициент мощности параллельно работающих 4д-я преобразователей проявляется при изменении кратности частоты тактирующих сигналов от 4 до 5 (рис. 15). При этом коэффициент мощности повышается на 1 %. Дальнейший рост кратности частоты не оказывает существенного влияния на изменение коэффициента мощности, поэтому повышать кратность нецелесообразно, так как приводит к возрастанию потерь в силовых ключах преобразователей и обмотках тягового трансформатора и, следовательно, к снижению КПД преобразователей.
Заключение
Разработана комплексная имитационная модель 4д-я преобразователей с системой стабилизации режимов нагрузки для электровоза переменного тока серии «0'2-ЕЬЯ», позволяющая проводить исследования электромагнитных процессов в силовых цепях.
Фазовый сдвиг между тактирующими сигналами управления силовыми ключами параллельно работающих 4д-я преобразователей на интервал, равный полупериоду напряжения питания, отнесенному к числу преобразователей, обеспечивает минимальные искажения синусоидальности тока и напряжения на входе тягового трансформатора электровоза.
Повышение кратности частоты тактирующих сигналов управления параллельно работающими 4^-^ преобразователями выше 6 практически не снижает состава высших гармонических тока и напряжения на входе тягового трансформатора электровоза.
Оптимальное значение коэффициента мощности параллельно работающих 4^-^ преобразователей обеспечивается для кратности частоты тактирующих сигналов 5 и 6. При кратности частоты 7 проявляется несущественное возрастание коэффициента мощности при одновременном увеличении потерь в преобразователе и обмотках тягового трансформатора.
Библиографический список
1. Щербак Я. В. Анализ энергетических характеристик активного четырех-квадрантного выпрямителя с различными типами широтно-импульсной модуляции / Я. В. Щербак, А. А. Плахтий, В. П. Нерубацкий // Вюник НТУ «ХП1». - 2017. -Т. 27 (1249). - С. 221-225.
2. Викулов И. П. Сравнительный анализ технических характеристик электровозов серий «O'Z-ELR» и «О^Ье^Шп» / И. П. Викулов, Т. М. Назирхонов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16. - Вып. 1. - С. 68-76.
3. Якушев А. Я. Определение основных параметров асинхронного тягового электродвигателя / А. Я. Якушев, Т. М. Назирхонов, И. П. Викулов, К. В. Марков // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16. - Вып. 4. - С. 592-601.
4. Ротанов Н. А. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / Н. А. Ротанов, А. С. Курбасов, Ю. Г. Быков, В. В. Литовченко; под ред. Н. А. Ро-танова. - М.: Транспорт, 1991. - 336 с.
5. Потемкин В. Г. Simulink: Среда создания инженерных приложений / В. Г. Потемкин. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.
6. Черных И. В. Simulink: Среда создания инженерных приложений / И. В. Черных; под общ. ред. В. Г. Потемкина. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 496 с.
7. Розанов Ю. К. Силовая электроника / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. - М.: Издат. дом МЭИ, 2007. - 632 с.
8. Плакс А. В. Системы управления электрическим подвижным составом /
A. В. Плакс. - М.: Маршрут, 2005. - 224 с.
9. Назирхонов Т. М. Компьютерная модель тягового трансформатора электровоза переменного тока серии «O'Z-ELR» / Т. М. Назирхонов, А. Я. Якушев / Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. - С. 25-34.
10. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ 6.0: учеб. пособие / С. Г. Герман-Галкин. - СПб.: Корона, 2001. - 320 с.
11. Дьяконов В. П. МА^АБ 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения /
B. П. Дьяконов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 800 с. - (Сер. «Библиотека профессионала»)
Дата поступления: 10.03.2020 Решение о публикации: 04.05.2020
Контактная информация:
НАЗИРХОНОВ Тулаган Мансурхон угли - аспирант; tolagan@mail.ru ЯКУШЕВ Алексей Яковлевич - канд. техн. наук, доцент; el_tyaga@mail.ru ВИКУЛОВ Илья Павлович - канд. техн. наук, доцент; i_vikulov@mail.ru
Spectral analysis of input current and voltage of an O'Z-ELR series alternating current electric locomotive 4q-s converter using a computer simulation model
T. M. Nazirkhonov, А. Y. Yakushev, I. P. Vikulov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Nazirkhonov T. M., Yakushev A. Y., Vikulov I. P. Spectral analysis of input current and voltage of an O'Z-ELR series alternating current electric locomotive 4q-s converter using a computer simulation model. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 3, pp. 41-63. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-3-41-63
Summary
Objective: To study electromagnetic processes with various control algorithms for power switches of electric locomotive 4q-s converters that minimize the generation of higher harmonic components in the traction network in traction and regenerative braking. Methods: The solution to the urgent problem of increasing the railway transport energy efficiency is inextricably intertwined with the improvement of the electric rolling stock (ERS) energy performance. The main requirements for a modern ERS are: ensuring the maximum possible performance, reducing losses caused by the lagging component of the power, minimizing additional losses associated with the higher harmonics emission into the supply network, as well as the potential energy recovery into the supply network during electric braking. To study the energy efficiency of control algorithms, a simulation model of the traction electric drive of an O'Z-ELR AC electric locomotive with input 4q-s converters has been created in the MATLAB+Simulink package. Results: In the course of simulation of electromagnetic processes in electric locomotive 4q-s converters, we performed Fourier analysis, determined the harmonic distortion factors of the input current and voltage, and found the values of the converters' power factor for various power switch control algorithms. Practical importance: The simulation findings indicate that the computer simulation model allows for a sufficiently reliable investigation of the electromagnetic processes in the power circuits of O'Z-ELR electric locomotives. The developed simulation model of traction converters is part of an integrated simulation model of power circuits and an asynchronous traction drive of an electric locomotive. The computer model makes it possible to reproduce almost real-life electromagnetic processes occurring in converters and traction drive of an AC electric locomotive during traction and regenerative braking.
Keywords: Traction transformer, asynchronous traction motor, simulation, electric locomotive, alternating current, four-quadrant converter.
References
1. Shcherbak Ya. V., Plakhtiy A. A. & Nerubatskiy V. P. Analiz energeticheskikh kha-rakteristik aktivnogo chetyrekh-kvadrantnogo vypryamitelya s razlichnymi tipami shirotno-impul'snoy modulyatsii [Analysis of the energy characteristics of an active four-quadrant rectifier with various pulse-width modulations]. Bulletin of the National Technical University "KhPI", 2017, vol. 27 (1249), pp. 221-225. (In Russian)
2. Vikulov I. P. & Nazirkhonov T. M. Sravnitel'nyy analiz tekhnicheskikh kharakteris-tik elektrovozov seriy "O'Z-ELR" i "O'zbekiston" [A comparative analysis of the technical parameters of the O'Z-ELR and O'zbekiston series electric locomotives]. Izvestiya Peterburg-skogo universiteta putey soobscheniya [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2019, vol. 16, iss. 1, pp. 68-76. (In Russian)
3. Yakushev A. Ya., Nazirkhonov T. M., Vikulov I. P. & Markov K. V. Opredeleniye osnovnykh parametrov asinkhronnogo tyagovogo elektrodvigatelya [Determination of the main parameters of an asynchronous traction electric motor]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobscheniya [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2019, vol. 16, iss. 4, pp. 592-601. (In Russian)
4. Rotanov N. A., Kurbasov A. S., Bykov Yu. G. & Litovchenko V. V. Elektropodvizh-noy sostav s asinkhronnymi tyagovymi dvigatelyami [Electric rolling stock with asynchronous traction motors]. Edited by N. A. Rotanov. Moscow, Transport Publ., 1991, 336 p. (In Russian)
5. Potemkin V. G. Simulink: Sreda sozdaniya inzhenernykh prilozheniy [Simulink: The environment for engineering applications]. Moscow, DIALOG-MIFI Publ., 2003, 496 p. (In Russian)
6. Chernykh I. V. Simulink: Sreda sozdaniya inzhenernykh prilozheniy [Simulink: The environment for engineering applications]. Under general editorship of V. G. Potemkin. Moscow, DIALOG-MIFI Publ., 2003, 496 p. (In Russian)
7. Rozanov Yu. K., Ryabchinskiy M. V. & Kvasnyuk A. A. Silovaya elektronika [Power Electronics]. Moscow, MPEI [Moscow Power Engineering Institute] Publishing House, 2007, 632 p. (In Russian)
8. Plaks A. V. Sistemy upravleniya elektricheskim podvizhnym sostavom [Control systems for electric rolling stock]. Moscow, Marshrut Publ., 2005, 224 p. (In Russian)
9. Nazirkhonov T. M. & Yakushev A. Ya. Komp'yuternaya model' tyagovogo trans-formatora elektrovoza peremennogo toka serii "O'Z-ELR" [Computer model of a traction transformer of O'Z-ELR series alternating current electric locomotive]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobscheniya [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 25-34. (In Russian)
10. German-Galkin S. G. Komp'yuternoye modelirovaniye poluprovodnikovykh sistem v MATLAB 6.0. Uchebnoye posobiye [Computer simulation of semiconductor systems in MATLAB 6.0. Training manual]. Saint Petersburg, Korona Publ., 2001, 320 p. (In Russian)
11. D'yakonov V. P. MATLAB 6.5 SP 1/7 + Simulink 5/6. Osnovy primeneniya [MATLAB 6.5 SP 1/7 + Simulink 5/6. Application fundamentals]. Moscow, SOLON-Press, 2005, 800 p. (Series: Library of the Professional) (In Russian)
Received: March 10, 2020 Accepted: May 04, 2020
Author's information:
Tulagan M. NAZIRKHONOV - Postgraduate Student; tolagan@mail.ru
Aleksey Ya. YAKUSHEV - PhD in Engineering, Associate Professor; el_tyaga@mail.ru
Ilia P. VIKULOV - PhD in Engineering; i_vikulov@mail.ru
