Дослідження ефективності роботи системи електропостачання на ділянці л - в при стабілізації напруги 3,3 кВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.38

В. М. ЛЯШУК, М. М. ГРУДЗУР (ДНУЗТ)

Кафедра Електропостачання залiзниць, Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтропетровськ, Укра'на, 49010, тел.: (056) 793-19-11, ел. пошта lvashuk52@qmail.com

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 РОБОТИ СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ НА Д1ЛЯНЦ1 Л - В ПРИ СТАБ1Л1ЗАЦП НАПРУГИ 3,3 КВ

Постановка проблеми

В даний час зменшення втрат електроенергп в тяговш мережi електрифiкованих з^зниць шляхом стабшзацп напруги в контактнш мереж е однieю з важливих проблем, якi на сьо-годнi успiшно вирiшуються в тягових мережах мюького електротранспорту при незначних струмах навантаження. Тому створення перет-ворювачiв (стабiлiзаторiв) напруги з великими струмовими навантаженнями е суттевою проблемою [1].

Аналiз дослiджень

Розглядаеться питання використання методу стабшзацп напруги постшного струму з вико-ристанням ланки високо! частоти в тягових шд-станцiях електричного транспорту, наводиться опис i принцип роботи стабшзатора напруги.

Живлення електричних ланцюгiв електриф> кованого транспорту здiйснюеться вiд повпря-но! контактно! мереж постiйного струму на-пругою 3,3кВ ± 0,5кВ. Номiнальна напруга на виходi тягово! шдстанцп становить 3,3 кВ , мак-симальне - 3,8 кВ.

Проведеш вимiрювання напруги холостого ходу на тягових шдстанщях на дiлянцi Лавочне - Воловець на Львiвськiй залiзницi показали, що в реальностi вона шдшмаеться до 3,8 кВ. Така шдвищена напруга негативно позначаеть-ся на дорогому комутацшному i перетворюва-льному електроустаткуванню рухомого складу i часто призводить до виходу його з ладу. З ш-шого боку, зниження напруги контактно! ме-режi призводить до перерву обмоток тягових двигушв. Ясно, що стабшзащя напруги мерою

живлення залiзничного транспорту дозволяе значною мiрою шдвищити якiсть !х роботи, безпеку, надшнють та знизити витрату електроенергп.

Постановка задачi

Дослiджуеться модуль стабшзацп напруги для тягових пiдстанцiй, заснований на викорис-таннi ланки високо! частоти, як найбшьш еко-номiчний спосiб [1]. Система стабiлiзацi! напруги складаеться з швертора, який перетворюе по-стiйну напругу 3,3 кВ в змшну з частотою 5 кГц, автотрансформатора, який служить для змши амплггуди напруги з частотою 5 кГц [3], випря-мляча на ЮБТ транзисторах, датчиках напруги i системи управлiння. Структурна схема системи стабшзацп напруги приведена на рис. 1.

Основний матерiал

Силова частина системи стабшзацп напруги наведена на рис. 2. У не! входить автономний швертор, зiбраний за мостовою схемою на ЮБТ транзисторах 21-24. 1нвертор перетворюе постшну напругу в змшу з частотою 5 кГц. На-вантаженням для швертора е автотрансформатор, вторинна обмотка якого служить для отримання рiзних за рiвнем напруг на виходь Виводи автотрансформатора пiдключенi до ви-прямляча, зiбраному за мостовою схемою на силових дiодах Б1 i Б2 ЮБТ транзисторах 25, 26, як працюють у ключовому режима Змшю-ючи тривалiсть iмпульсу напруги затвор емте-ра иээ ЮБТ транзисторiв 25, 26 можна керу-вати напругою на навантаженнi, тобто на контактнш мережг

Рис. 1. Структурна схема стабшзацп напруги

© Ляшук В. М., Грудзур М. М., 2014

к;

Блок управ линя

........

ш ф

Й5

Ш Ш ... Мл

Рис. 2. Силова частина системи стабшзаци

Блок управлшня виконуе декшька функцш: управляе роботою транзисторних ключ1в швер-тора, регулюе кут вщкриття транзистор!в ви-прямляча, пор1внюе напругу в контактнш ме-режi з еталонним значенням. М1, М2, Мп - тягов! двигуни електротранспорту на дшянщ контактно! мережа

Напруга на виход! випрямного агрегату тягово! шдстанцн (на схем! позначено Ш) пода-еться на вхщ автономного швертора, з1браного за мостовою схемою на транзисторах 21-24. У момент часу вщ 0 до 11 сигнал з блоку управ-

лшня вщкривае транзистори 21, 24 { на пер-винну обмотку автотрансформатора подаеться напруга Ш.

У момент часу вщ 1 до 1 , напруга на пер-виннш обмотщ автотрансформатора (клеми 14) и1 змшюе свш знак на протилежний, так як вщкриваються транзистори 22, 23, а транзистори 21, 24 закриваються. Таким чином, пос-тшна напруга 3,3 кВ перетворюеться в змшну напругу з частотою 5 кГц на первиннш обмотщ автотрансформатора. Залежшсть и1 (1) наведена на рис. 3.

5000

о000_

од

0,3

04

0,э

0.6

0,7

0.3

0.9

Рис. 3. Напруга И1(1) iнвертора

Автотрансформатор складаеться з первинно! обмотки Ь1, вторинно! обмотки Ь2, феритового сердечника. Виводи вторинно! обмотки автотрансформатора шдключеш до

однофазного мостового випрямляча на дюдах Б1, Б2 ЮБТ модулях 25, 26, який шдключаеться кабелем електроживлення до контактно! мережа

Блок управлшня здшснюе вим1рювання напруги на навантаженш, пор1внюеться з еталоном, { якщо напруга в контактнш мереж! вище норми, то на транзистори 25, 26 подаеться напруга иээ менше, шж у попереднш момент часу. I навпаки, якщо в контактнш мереж! напруга нижче норми, тод! блок управлшня подае бшьшу напругу иээ на

транзистори 25, 26 . Таким чином здшснюеться стабшзащя напруги.

Для виведення передавально! функц!!' системи стабшзацн тягово! напруги розглянемо систему р!внянь тягового двигуна рис. 4. Основш р!вняння тягового двигуна (двигуна з послщов-ним збудженням):

и = е + -Я + Ь — Р Ж

(1)

де и - напруга тягово! мереж^ - - струм якоря, Я - отр як!рного ланцюга, що включае в себе опору:

1) обмотки збудження ,

2) обмотки яюрного ланцюга,

© Ляшук В. М., Грудзур М. М., 2014

3) щ^тових Ko^aK^,

4) peгyлювaльнoгo peocтaтa Rp (pиc. 4);

e - ЕРС oбмoтки якopя визнaчaeмo зa фop-мyлoю:

e = cß>n (2)

ce = pN / a

(З)

T = 12

r + cm б0kфw0

c260kl ii

(4)

L

dgw dt

товим мoмeнтoм двигyнa M визнaчaeтьcя другим зaкoнoм Ньютош для oбepтaльнoгo pyxy:

^ ^ jdw M - Mс = I — С dt

(5)

дe Mc - мoмeнт oпopy тpaнcпopтнoгo зaco-

бу (тepтя, ухилу шляху), I - мoмeнт iнepцiï яторя, piвний:

w = 2nn / б0 (б)

Обepтaючий мoмeнт двигуш M визнaчa-eтьcя зa фopмyлoю:

M = cM Фi

Дe

cm =

pN 2na

= c„ / 2n

(7)

(S)

Pиc. 4. Cxeмa нaвaнтaжeння тягoвoï нaпpyги

У цш фopмyлi ce - oбмoтyвaльний кoeфiцi-

ент, Ф - готт, cтвopювaний oбмoткoю збу-джeння, n - чиcлo oбopoтiв якopя [o6. / Хв.]. Обмoтyвaльний кoeфiцieнт ce дopiвнюe:

Iндyктивнicть L cклaдaeтьcя з шдукци o6-мoтки збyджeння LB i ^ду^ившеи peaкцiï

якopя LЯ. Обидвi iндyктивнocтi визнaчaютьcя

в peзyльтaтi poзpaxyнкy мaгнiтнoгo лaнцюгa двигуш.

Виключивши з piвнянь (1) - (S) пpoмiжнi вeличини - M , E, n, oтpимyeмo:

I

дe p - чиcлo пap пoлюciв двигyнa, N - чи-cлo пpoвiдникiв oбмoтки яторя, a - чиcлo rnpa-лeльниx гiлoк oбмoтки якopя. Пoтiк збyджeння Ф дopiвнюe:

k =-y 120clб0kl i 2

jdw , .2 ,,

Ilk ~ cm k*1 = Mс

(9)

(10)

Дe т - голюотий пoдiл якopя, piвнe nD /2p ( D - дiaмeтp яторя), 1я - ocьoвa дoв-

жиш якopя, L0 = 4п10-7 [Н/м] - мaгнiтнa ^o-

никнicть вaкyyмy, kg - зyбцoвий кoeфiцieнт, щo

дopiвнюe (1.Зl.S ),k - кoeфiцieнт нacичeння

yчacткiв мaгнiтoпpoвoдa - голюет, cтaтopa i poтopa (якopя) i зубщв, piвний (2 ^ 2.5), g-дoвжинa зaзopa мiж якopeм i пoлюcним што-нeчникoм; kф - кoeфiцieнт пpoпopцiйнocтi ro-

току Ф i cтpyмy якopя i, визнaчaeтьcя фopмy-лoю (4) - зв'язoк мiж чиcлoм o6oporá n i o6ep-

Piвняння (9) -(10) дoзвoляють cклacти œpe-дaтoчнy фyнкцiю тягoвoгo двигyнa. Для ^oro зa зaгaльнoпpийнятoю мeтoдикoю зaмiнимo пepeмiннi вeличини U, i, w нa cyмy пoчaткo-вих знaчeнь U0, i0, w0 i iнфiнiтeзимaльниx

пepeтвopeнь dU, di, dw , oбyмoвлeниx диш-мiкoю в кepoвaнiй cиcтeмi звopoтнoгo зв'язку:

U = Un + dU

i = i0 + di

w = w + dw

(11)

i пiдcтaвляeмo в стогему (9) - (10). Отри-мyeмo для пepeтвopeнь:

+ giR + cM б0kфi0gw + cM б0kф wgi = gU

(12)

© Ляшук В. M., Грудзур M. M., 2014

I dSw - 2c, Дл'Si = 0

dt

m ф0

Для того, щоб об'еднати обидва рiвняння в dôw

одне, тобто виключити Sw, продиференщюемо (13) поидну ' ПiCЛЯ нескладних перетво-

рiвняння (12) за часом i пiдставимо з рiвняння

рень одержуемо:

d 2öi dSi .c 2m STT L—— + (R + cM 60kфw0)—— + 25i-— = SU

dt2

dt

Переходячи до операторного зображення Лапласа, отримуемо:

Lp2 + ( R + Cm 60kф W0) p + 2

I

cl60kl il

(14)

де Si(p) - зображення Si. Таким чином, передаточна функщя тягового двигуна дорiвнюе:

W ( p) =

SU

Si (p ) T? + Ti p +1

(16)

Де ky - коефщент передач^ рiвний

k =_I_

y 120c l60kl il

(17)

T i T2 - постiйнi часу, рiвнi 4 LI/120

T =•

c 2 k 2 i 2 cmkф0

T =

2

r + cm 60kфW0

c 260k 2 i2

(18)

(19)

I

Si (p ) = SU

(15)

B^ip елементно'1 бази

Базовими елементами при розробщ системи були обрат сучасш IGBT - транзистори, або мо-дулi, характеристики якого дозволяють працюва-ти з досить великими струмами i напругами [2].

Потужнострумовi модулi з електричною iзо-ляцiею, як правило, мiстять ключ^ з'еднанi за полу мостовою ключовою схемою або з однок-лючевою конфiгурацiею. У цих модулях дiапа-зон номшальних струмiв коливаеться в межах вщ 25 до 5000 ампер, а робоча напруга доходить до 4,0 кВ.

Привабливими рисами потужнострумових модулiв е: наявнють електрично! iзоляцiï, простота монтажу з охолоджувачем i легкiсть зв'язку з iншими модулями для шдвищення навантаження кола. Вони також дозволяють уникнути викорис-

тання паралельного з еднання ключiв для струмiв, що перевищують сотнi ампер [5].

Використання приладiв з вбудованими зво-ротними швидкоддачими дiодами найбыльше привабливими при розробщ iнверторiв. У цьо-му випадку необхвдне число силових нашвпро-вщникових компонентiв зменшуеться на 50 % порiвняно з користуванням IGBT i дiодiв у ви-глядi окремих елементiв. Перекриваються об-ластi дiапазонiв струмiв, де використання дис-кретних приладiв економiчно переважнiше в порiвняннi з потужнострумовими модулями, можуть бути розширеш за рахунок паралельного з'еднання окремих приладiв [4].

Моделювання в сеpедовищi ORCAD 9.2

Для моделювання роботи системи стабшзацп з програмних паке™ обрана OrCAD 9.2. Середа OrCAD 9.2 е ушверсальним засобом наскрiзного проектування електронних систем i володiе широкими можностями .

На рис. 5 зображена модель системи стабшзацп. Як ключi обраш IGBT модулi компанiï MitsubishiElectric. Залежнiсть U1 (t) швертора (напруга на виход^ зображена на рис.3. Генераторами служать моделi джерел напруги прямо-кутних iмпульсiв Vpulse, вибранi з стандартних бiблiотек OrCAD. Модель трансформатора взята з бiблiотеки Analog, модель сердечника - з бiблiотеки Magnetic. Модель IGBT модуля СМ600НА - 12Н теж присутня в стандартному наборi бiблiотек OrCAD.

Дiаграми, отримаш в результатi моделювання в середовищi OrCAD 9.2 i показують роботу системи стабшзацп показаш на рис.6. Таким чином, випрямляч, який працюе в режимi ши-ротно^мпульсного модулятора, дозволяе стаб> лiзувати напругу в контактнш мережi тягового електротранспорту.

© Ляшук В. М., Грудзур М. М., 2014

RS

VS П Rfî

ZI

R7

i I

Z2

к

V2

Z3

m

i

V3

V8 R13

rW

T-

Dl Z7 R14

li

l:

л

Z4

D2 ^ ze R1=

RH

R4

i i

Y4

RIO

4SH

Iе

V7 Mf

Pиc. 5. Moдeль cилoвoï чacтини cиcтeми cтaбiлiзaцiï

a)

6) 1

0,5

-0,5

1:

tt

-

•).....i-

—ггт1

II

-î—r~

-i-r-"i—Í-

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Pro. б. Дiaгpaми тапруг при poбoтi cиcтeми cтaбiлiзaцiï: a - фopмa нaпpyги нa вxoдi i нa виxoдi aвтoтpaнcфo-pмaтopa; б - фopмa нaпpyги та виxoдi випpямлячa при пoвнicтю вщкритих мoдyляx Z5, Z6; в - фopмa нaпpy-ги нa виxoдi випpямлячa при вщкритих нa 50% мoдyляx Z5, Z6.

© Ляшук В. M., Грудзур M. M., 2014

Висновки

Таким чином зробивши вщповщш досль дження ефективнiсть тягового електропостачання безпосередньо залежить вiд стабiлiзацiï напруги, а саме вщ його якостi електроенерги,

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Проектирование стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры: тдручник / Л. А. Краус, Г. В. Гейман, М. М. Лапиров-Скобло, В. I. Тихонов.- М.: Энергия, 1980. - 288с.

2. Шапиро С. В. Резольвента Лагранжа и ее применение в электромеханике: науч. изд. / С. В. Шапиров. - М.: Энергоатомиздат, -2008. - 156 с.

3. Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов: / С. С. Вдовин. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.

4. Дьконов В. П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах: / В. П. Дьконов. - М.: СОЛОН-Р , 2002. - 512 с.

5. Колпаков А. А. MELCOSIM? IPOSIM? EMISEL? О выборе и замене модулей IGBT / А. А. Колпаков/ / Силовая электроника. - М., 2005. - Вип. 1. - С. 43-48.

6. http://old.ugatu.ac.ru/publish/vu/stat/ugatu-2010-1(40)/11.pdf

Надшшла до друку 21.05.2014.

Внутршнш рецензент Сиченко В. Г.

яка подаеться безпосередньо на електрорухо-мий склад залiзницi.

Виршення цiеï проблеми повинне базувати-ся на проведенш переоснащення господарства електропостачання та його модершзацп.

REFERENCES

1. Kraus L. A., Gaiman G. V., Lapirov-Skoblo M. M., Tikhonov V. I. Proektirovanie stabilizirovannykh istochnikov elektropitaniya radioelektronnoy appa-ratury [Designing stabilized power supply of electronic equipment]. Moscow, Energiya Publ., 1980. 288p.

2. Shapiro S. V. Rezol'venta Lagranzha i ee prime-nenie v elektromekhanike [Lagrange resolvent and its application in electromechanics]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2008. 156p.

3. Vdovin S. S. Proektirovanie impul'snykh transformatorov [Design of pulse transformers]. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1991. 208 p.

4. Diyakonov V. P. Entsiklopediya ustroystv na polevykh tranzistorakh [Encyclopedia FET devices]. Moscow, SOLON- R Publ., 2002. 512p.

5. Kolpakov A. A. O vybore i zamene moduley IGBT [On the choice and replacement of modules IGBT]. Silovaya elektronika [Power Electron-ics].Moscow, 2005, issue 1, 43-48 pp.

6. http://old.ugatu.ac.ru/publish/vu/stat/ugatu-2010-1(40)/11.pdf

Зовшшнш рецензент AndpieuKo П. Д.

В даний час зменшення втрат електроенерги в тяговш мережi електрифкованих залiзниць шляхом ста-б^зацм напруги в контактнш мережi е одшею з важливих проблем, як на сьогодш устшно виршуються в тягових мережах мюького електротранспорту при незначних струмах навантаження. Тому створення пере-творювачiв (стабiлiзаторiв) напруги з великими струмовими навантаженнями е суттевою проблемою.

У статт розглядаеться питання використання методу стабшзацп напруги постшного струму з викорис-танням ланки високоТ частоти в тягових пщсганшях електричного транспорту, наводиться опис i принцип роботи стаб^затора напруги. Внаслщок використання приладiв з вбудованими зворотними швидкод^чи-ми дiодами становиться особливо кращим при розробцi iнверторiв. У цьому випадку необхщне число сило-вих напiвпровiдникових компонентiв зменшуеться на 50 % порiвняно з користуванням IGBT i дiодiв у ви-глядi окремих елементiв.

Ключовi слова: Стабшзацп напруги постiйного струму, тягова тдсганшя електричного транспорту, ста-б^затор напруги, автотрансформатор, IGBT транзистор.

УДК 621.38

В. М. ЛЯШУК, М. М. ГРУДЗУР (ДНУЖТ)

Кафедра Электроснабжение железных дорог, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 793-19-11, эл. почта: lvashuk52@qmail.com

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА УЧАСТКЕ Л - В ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ 3,3 КВ

В настоящее время уменьшение потерь электроэнергии в тяговой сети электрифицированных железных дорог путем стабилизации напряжения в контактной сети является одной из важных проблем, которые сегодня успешно решаются в тяговых сетях городского электротранспорта при незначительных токах

© Ляшук В. М., Грудзур М. М., 2014

навантаження. Тому создания преобразователей ( стабилизаторов ) напряжения с большими токовыми нагрузками является существенной проблемой.

В статье рассматривается вопрос использования метода стабилизации напряжения постоянного тока с использованием звена высокой частоты в тяговых подстанциях электрического транспорта, приводится описание и принцып работы стабилизатора напряжения. Вследствие использования приборов со встроенными обратными быстродействующими диодами становится особенно предпочтительным при разработке инверторов. В этом случае необходимое число силовых полупроводниковых компонентов уменьшается на 50 % по сравнению с использованием IGBT и диодов в виде отдельных элементов.

Ключевые слова: Стабилизации напряжения постоянного тока, тяговая подстанция электрического транспорта, стабилизатор напряжения, автотрансформатор, IGBT транзистор.

Department of Power supply of Railways, Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan, 2 Lazarian Street, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010 tel.: (056) 793-19-11, e-mail: lyashuk52@gmail.com

RESEARCH PERFORMANCE POWER SUPPLY SYSTEMS AT THE DISTANCE L - V AT VOLTAGE STABILIZATION 3,3 KV

Currently, reduction of electricity losses in traction network of electrified railways by stabilizing the voltage in the contact network is one of the important problems that are successfully solved in urban electric traction networks at low currents navantazhennya. Besides creating converters (stabilizers) voltage high current loads is a significant problem.

The article discusses the use of the method of stabilizing the DC voltage level using high frequency electric transport traction substations, a description and the PRINCIPLE of the voltage regulator . Due to the use of devices with built-in high-speed reverse diode is particularly advantageous in the development of inverters. In this case, the required number of power semiconductor components are reduced by 50 % as compared with the IGBT and the diodes in the form of individual elements.

Keywords: DC voltage stabilization, traction substation electric transport, voltage stabilization, autotransformer, IGBT transistor.

Внутренний рецензент Сыченко В. Г.

Внешний рецензент Андриенко П. Д.

UDC 621.38

V. M. LYASHUK, M. M. HRUDZUR (DNURT)

Internal reviewer Sichenko V. G.

External reviewer Andrienko P. D.

© Ляшук В. М., Грудзур М. М., 2014