CC BY
34
Таким образом, использование точной математи- другие задачи не эмпирически, как это имеет место в
ческой модели подобных асинхронных двигателей настоящее время, а точным расчетом. позволяет выполнять уточненные расчеты по их за- Статья поступила 10.10.2014 г. пуску в узлах нагрузки, расчеты самозапуска и решать
Библиографический список
1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. процессов / И.А. Груздев, К.П. Кадомская, Л.А. Кучумов 840 с. [и др.]. М.: Энергия, 1970. 400 с.
2. Применение аналоговых вычислительных машин в энер- 3. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синтетических системах. Методы исследования переходных хронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с.
УДК 629.423
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАБОТЫ ТИРИСТОРНОГО И ТРАНЗИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ ТЯГИ НА ВЫСШИХ ЗОНАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ
© Д.А. Яговкин1, О.В. Мельниченко2, А.Ю. Портной3, С.Г. Шрамко4
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Рассмотрены вопросы построения экспериментального стенда для исследования процессов работы тиристорно-го и транзисторного выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока в режиме тяги на высших зонах регулирования. Представлены осциллограммы процессов работы преобразователей в виде кривых тока и напряжения в первичной обмотке трансформатора и в цепи выпрямленного тока нагрузки (тягового двигателя), проведено их сравнение. Получены экспериментальные зависимости коэффициента мощности электровоза от изменения напряжения зоны. Ил. 10. Табл. 3. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: электровоз переменного тока; тяговый трансформатор; выпрямительно-инверторные преобразователи на тиристорах и транзисторах; колесно-моторный блок; блок управления ВИП; осциллограммы тока и напряжения; коэффициент мощности.
EXPERIMENTAL STAND TO STUDY THE OPERATION OF REVERSIBLE THYRISTOR AND TRANSISTOR CONVERTERS OF AC LOCOMOTIVES IN A TRACTION MODE ON HIGHER REGULATION ZONES D.A. Yagovkin, O.V. Melnichenko, A.Yu. Portnoi, S.G. Shramko
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article discusses the problems of constructing an experimental stand to study the operation of reversible thyristor and transistor converters of AC locomotives in a traction mode on higher regulation zones. It provides and compares the oscillograph patterns of converter operation in the form of curves of voltage and current in the primary winding of the transformer and in the circuit of the rectified current of load (traction motor). Experimental dependences of the locomotive power factor on voltage change zones are obtained. 10 figures. 3 table. 6 sources.
Key words: AC locomotive; traction transformer; reversible thyristor and transistor converters; wheel-motor unit; control unit of reversible converters (rectifiers and inverters); oscillograph patterns of current and voltage; power factor.
1Яговкин Дмитрий Андреевич, аспирант, тел.: 89149336119, e-mail: [email protected] Yagovkin Dmitri, Postgraduate, tel.: 89149336119, e-mail: [email protected]
2Мельниченко Олег Валерьевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электроподвижного состава, тел.: 89021702437, e-mail: [email protected]
Melnichenko Oleg, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89021702437, e-mail: [email protected]
3Портной Александр Юрьевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической механики и приборостроения, тел.: 89149036419, e-mail: [email protected]
Portnoi Alexander, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical Mechanics and Tool Engineering, tel.: 89149036419, e-mail: [email protected]
4Шрамко Сергей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры электроподвижного состава, тел.: 89246009426, e-mail: [email protected]
Shramko Sergei, Senior Lecturer of the Department of Electric Rolling Stock, tel.: 89246009426, e-mail: [email protected]
Введение
Большим достижением в развитии преобразовательной техники явилась разработка в 1960-е гг. полупроводниковых вентилей, тиристоров и первых силовых транзисторов. Это позволило создать образы управляемых выпрямителей, что расширило возможности управления электроприводом. На базе тиристоров разработано несколько поколений выпрямитель-но-инверторных преобразователей (ВИП), которые и по сей день используются на электроподвижном составе (ЭПС). Такие преобразователи могут обеспечивать коэффициент мощности (КМ) не более 0,84 в режиме тяги при номинальной нагрузке [3-5]. Революцией в области преобразовательной техники можно считать разработку в 1990-е гг. транзисторно-диодных модулей большой мощности [1]. Учеными ИрГУПСа предложена разработка ВИП на ЮБТ-транзисторах для ЭПС с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД), обеспечивающего значение КМ не менее 0,95 во всем диапазоне регулирования [2; 6].
Описание экспериментального стенда
Данная статья посвящена стенду для имитации работы ВИП электровоза в режиме тяги на высших зонах регулирования. Работа выпрямителя на высших зонах регулирования и, следовательно, электромагнитные процессы несколько отличаются от процессов в ВИП на 1-й зоне регулирования. На рис. 1 представлена разработанная функциональная схема экспериментального стенда ВИП электровоза в режиме тяги
на тиристорах и ЮБТ-транзисторах. В качестве нагрузки используется колесно-моторный блок (КМБ) с тяговым электродвигателем (ТЭД) НБ-514, который позволяет наиболее адекватно исследовать электромагнитные процессы работы тиристорного и транзисторного ВИП.
Стенд позволяет исследовать различные режимы работы ВИП и алгоритмы их управления, производить измерения значений коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощностей, переменного напряжения и тока сети, выпрямленного напряжения и тока нагрузки, производить по полученным результатам построение необходимых зависимостей.
С целью упрощения конструкции стенда и системы его управления предполагается имитация трех зон регулирования вместо четырех, которые имеются на реальном электровозе. Разница между этими вариантами состоит лишь в масштабе амплитуды напряжения на каждой зоне. В тоже время в схеме каждой зоны сохраняется вся физическая суть электромагнитных процессов, присутствующих на реальном электровозе. На рис. 2 представлена электрическая принципиальная схема экспериментального стенда электровоза в режиме тяги с тиристорной и транзисторной схемами ВИП. Повышение напряжения при переходе на высшую зону осуществляется последовательным подключением друг за другом всех вторичных обмоток тягового трансформатора (ТТ), начиная с обмотки 4-3 тягового трансформатора Т1.
Рис. 1. Функциональная схема экспериментального стенда электровоза в режиме тяги с тиристорной
и транзисторной схемой ВИП
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема экспериментального стенда электровоза в режиме тяги
с тиристорной и транзисторной схемой ВИП
Как видно из рис. 2, стенд включает в себя две различные схемы ВИП, выбор которых осуществляется с помощью пакетного переключателя ^ 1.1). Каждое плечо тиристорного ВИП содержит один тиристор типа Т153-630-20. Плечи транзисторного ВИП состоят из IGBT-транзисторов типа СМ1000НА-24Н. В каждом плече транзисторного ВИП транзистор включен последовательно с диодом типа Д253-1600-22. В выходную цепь ВИП включен дроссель ДС-1. В стенде применен тяговый трансформатор типа ОСЗМ-16 380/65 с
напряжением первичной обмотки 380 В и тремя вторичными обмотками, напряжение каждой из которой равно 65 В.
Для обеспечения управления комбинированным ВИП разработана система управления, которая позволяет реализовывать различные алгоритмы управления. Питание блока управления осуществляется от сети ~220 В. Общий вид экспериментального стенда для исследования работы ВИП электровоза приведен на рис. 3.
б)
Рис. 3. Экспериментальный стенд для исследования работы комбинированного ВИП:
а - ВИП+БУ; б - КМБ с ТЭД НБ-514
Стенд включает в себя следующие блоки:
- имитатор тягового трансформатора (1);
- комбинированный ВИП (2), предназначенный для выпрямления однофазного переменного тока в постоянный и плавного регулирования выпрямленного напряжения на тяговом двигателе;
- сглаживающий реактор (3), предназначенный для уменьшения пульсации выпрямленного тока ТЭД;
- блок управления (БУ) ВИП (4), состоящий из блока процессора, блока ключей, блоков драйверов, панели питания с индикатором;
- счетчик СЭТ-1М.01М (5), предназначенный для
замеров значений коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощностей;
- осциллограф Tektronix TDS 2024C (6), предназначенный для наглядного представления формы кривых напряжения и тока первичной обмотки трансформатора, напряжения и тока ВИП, а также для сохранения полученных результатов на USB-накопитель с возможностью переноса данных на компьютер и их дальнейшей обработки;
- нагрузка (7) КМБ электровоза ВЛ85 с тяговым двигателем НБ-514.
На рис. 4 изображен комбинированный ВИП, в со-
ставе которого находятся следующие элементы: ^^ транзистор (1); диод (2); тиристор (3); разрядное диодное плечо (4); снабберная цепь (5, 6).
На рис. 5 изображен блок управления с индикатором, в состав которой входят следующие элементы: 1 - блок процессора, предназначенный для формирования импульсов управления плеч ВИП; 2 - блок ключей, предназначенный для распределения управляющих импульсов по плечам тиристорного ВИП; 3, 4, 5 -драйвера, предназначенные для управления ЮВТ-транзисторами, а также обеспечивающие гальваническую развязку силовой цепи и цепи управления; 6 -панель включения/выключения БУ с индикатором ра-
боты.
Процессы работы тиристорного и транзисторного выпрямителей и их алгоритмы управления
В табл. 1 и 2 приведены алгоритмы управления тиристорным и транзисторным ВИП. Как можно видеть, регулирование начинается с крайних правых плеч согласно схеме, приведенной на рис. 2. Диодные плечи VD7 и VD8 работают на протяжении всего процесса регулирования, они выполняют роль разрядного диодного плеча, предназначенного для поддержания тока двигателей в моменты, когда плечи транзисторного ВИП не задействованы в работе.
Рис. 4. Комбинированный ВИП
Рис. 5. Блок управления комбинированным ВИП с индикатором работы
Таблица 1
Алгоритм работы плеч тиристорного ВИП_
Зона Полупериод Алгоритм работы плеч тиристорного ВИПв
VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8
1 -► - - - - - ар ар -
4---- - - - - ар - - ар
2 -► - - - ар - ар ар -
4---- - - ар - ар - - ар
3 - - ав - ар - - ар -
4---- ав - ар - - - - ар
Таблица 2
Алгоритм работы плеч транзисторного ВИП_
Зона Полупериод Алгоритм работы плеч транзисторного ВИП
УТ1 УТ2 УТ3 УТ4 УТ5 УТ6 VD7 VD8
1 -► - - - - - ае + -
4---- - - - - ае - - +
2 -► - - - ае - aw + -
-4---- - - агед - aw - - +
3 - - агед - aw - - + -
4---- агвр - - - - - +
Более подробно рассмотрим работу алгоритма управления плечами тиристорного выпрямителя на примере 2-й зоны. Он заключается в том, что в первом полупериоде напряжения сети (сплошная стрелка) на плечо УБ7 подается импульс управления с фазовым нерегулируемым углом а0, на плечо УБ6 подается импульс управления с фазовым углом задержки а03, а на плечо УБ4 подается импульс управления с фазовым регулируемым углом ар. Во втором полупериоде напряжения (штриховая стрелка) на плечо УБ8 подается импульс управления с фазовым нерегулируемым углом а0, на плечо УБ5 подается импульс управления с углом фазовым задержки а03, а на плечо УБ3 подается импульс управления с фазовым регулируемым углом ар.
Предлагаемый авторами алгоритм управления плечами транзисторного выпрямителя на примере 2-й зоны заключается в том, что в первом полупериоде напряжения сети (сплошная стрелка) с самого начала регулирования в работу вступает диодное плечо \Ю7,
Тск1гошх ^ЕЭ
на плечо УТ6 подается импульс управления фазовым нерегулируемым углом а^, на плечо УТ4 - импульс управления с фазовым регулируемым углом агед. Во втором полупериоде напряжения сети (штриховая стрелка) с самого начала регулирования в работу вступает диодное плечо Уй8, на плечо УТ5 подается импульс управления фазовым нерегулируемым углом ат на плечо УТ3 - импульс управления с фазовым регулируемым углом агед.
В ходе проведения сравнительных испытаний на стенде работы тиристорного и транзисторного выпрямителей на высших зонах регулирования выпрямленного напряжения получены осциллограммы напряжения и и тока /1 в первичной обмотке трансформатора, выпрямленного напряжения иа и тока /а в цепи тягового двигателя, значения коэффициентов мощности электровоза в режиме тяги (рис. 6-9) на половине 2-й (см. рис. 6) и 3-й (см. рис. 8) зон регулирования, а также для полной 2-й (см. рис. 7) и 3-й (см. рис. 9) зон регулирования.
а) б)
Рис. 6. Осциллограммы и значения коэффициентов мощности тиристорного (0,67) (а) и транзисторного (0,96) (б) _ВИП, полученные на экспериментальном стенде в режиме тяги на 1,5-й зоне регулирования_
а)
б)
Рис. 7. Осциллограммы и значения коэффициентов мощности тиристорного (0,80) (а) и транзисторного (0,96) (б) ВИП, полученные на экспериментальном стенде в режиме тяги на 2-й зоне регулирования
а) б)
Рис. 8. Осциллограммы и значения коэффициентов мощности тиристорного (0,73) (а) и транзисторного (0,97) (б) ВИП, полученные на экспериментальном стенде в режиме тяги на 2,5-й зоне регулирования
а) б)
Рис. 9. Осциллограммы и значения коэффициентов мощности тиристорного (0,82) (а) и транзисторного (0,95) (б) ВИП, полученные на экспериментальном стенде в режиме тяги на 3-й зоне регулирования
Результаты исследований на экспериментальном стенде
Проанализировав полученные осциллограммы, можно сделать выводы, что низкий коэффициент мощности тиристорного выпрямителя объясняется тем, что тиристоры открываются во второй половине полупериода (см. рис. 6,а, 7,а, 8,а, 9,а). Кроме того, индуктивный характер нагрузки обуславливает дополнительный сдвиг фазы первичного тока трансформатора относительно его напряжения. В транзисторном же преобразователе с разработанным способом его управления предлагается производить открытие плеч с опережением по времени относительно максимума напряжения сети (см. рис. 6,6, 7,б, 8,б, 9,б). Это частично компенсирует сдвиг фаз, вносимый индуктивным характером нагрузки, и обуславливает значительно больший коэффициент мощности [2; 6].
Диодные плечи Уй7 и Уй8, подключенные параллельно цепи выпрямленного тока преобразователя, позволяют поддерживать ток двигателей в промежуток
времени между выключением и включением IGBT-транзисторов при смене полупериода напряжения сети.
На рис. 10 представлена экспериментально полученная зависимость коэффициентов мощности электровоза для тиристорного и транзисторного выпрямителей в режиме тяги электровоза для всех трех зон регулирования, реализуемых на экспериментальном стенде.
Из графика видно, что на протяжении всего процесса увеличения выпрямленного напряжения коэффициент мощности у транзисторного преобразователя значительно выше, чем у тиристорного преобразователя, и имеет значение не менее 0,95 во всем диапазоне регулирования.
В табл. 3 приведено сравнение значений коэффициентов мощности для тиристорного и транзисторного выпрямителей в режиме тяги электровоза для всех трех зон регулирования.
■ — ■ ■ ■
-"""Транзисторный выпрямитель
/
/ / ^\Тиристорный выпрямитель
//
//
1 зона 2 зона 3 зона
Выпрямленное напряжение, отн.ед.
Рис. 10. Зависимость коэффициента мощности электровоза от выпрямленного напряжения в режиме тяги для тиристорного и транзисторного выпрямителей на протяжении всего процесса регулирования
Таблица 3
Коэффициенты мощности тиристорного и транзисторного выпрямителей _для всех зон регулирования_
Коэффициент мощности
Зона тиристорный выпрямитель транзисторный выпрямитель Разница, %
0,5 0,45 0,83 84
1 0,74 0,95 28
1,5 0,67 0,96 43
2 0,8 0,96 20
2,5 0,73 0,96 32
3 0,82 0,95 16
Заключение
По результатам проведенного эксперимента видно, что при использовании ^^транзисторов в схеме ВИП электровоза и разработанного принципа его управления возможно значительное увеличение значения КМ. Так, в конце 1-й, 2-й и 3-й зон регулирования повышение коэффициента мощности составляет более 20% по сравнению с тиристорной схемой пре-
образователя, а в середине зон регулирования отмечено еще большее его увеличение, полученное за счет разработанного принципа управления. Можно сделать вывод о том, что смена силовых полупроводниковых приборов в плечах ВИП электровоза на ^^ транзисторы действительно эффективна, что подтверждают результаты проведенного эксперимента.
Статья поступила 03.10.2014 г.
Библиографический список
1. Грузов В.Л. Вентильные преобразователи: учеб. пособие. Вологда, 2002. 94 с.
2. Пат. 2498490 РФ, МПК Н02М, Н02Р, G05F, B60L. Многозонный выпрямительно-инверторный преобразователь и способ управления преобразователем / А.Ю. Портной, О.В. Мельниченко, С.Г. Шрамко, А.Г. Полуянов. Заявит. и патен-тообладат. ИрГУПС. № 2012114982/07. Заявл. 16.04.2012; опубл. 10.11.2013. Бюл. № 31. 7 с.
3. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М.: Транспорт, 1988. 312 с.
4. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1980. 362 с.
5. Электровоз ВЛ85: руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, Л.А. Позднякова [и др.]. М., 1995. 480 с.
6. Яговкин Д.А., Мельниченко О.В., Портной А.Ю. Разработка нового энергосберегающего алгоритма управления ВИП электровоза на ЮВТ-модулях // Вестник Института подвижного состава. 2013. Вып. 5. С. 17-24.
