CC BY
37
postojannogo toka zheleznyh dorog s primeneniem nakopitelej jenergii]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 2 (14), pp. 51 - 58.
4. But D. A., Alievskij B. L., Mizjurin S. R. Nakopiteli jenergii (Energy storages). Moscow: Energiia Publ., 1991, 400 p.
5. Noskov V. N., Pustovetov M. Yur., Chirkov V. K. Energy intensity of energy storage for stationary placement of traction substations [Ob jenergoemkosti nakopitelej jenergii dlja stacionarnogo razmeshhenija na tjagovyh podstancijah]. Izvestiia RGUPS - The News of RGUPS, 2008, no. 1, pp. 120 - 127.
6. Bunday B. D. Metody optimizatsii. Vvodnyi kurs (Optimization techniques. Introductory Course). Moscow: Radio i sviaz' Publ., 1984, 128 p.
7. Rozanov Yur. K., Akimov E. G. Jelektricheskie i jelektronnye apparaty (Electrical and electronic equipment). Moscow: Akademiia Publ., 2010, 320 p.
УДК 62-83: 621.311.001: 629.423.32
М. Ю. Пустоветов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ВЫВОДОМ В СРЕДНЕЙ ТОЧКЕ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА В ОБМОТКЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Однофазный трансформатор с дополнительным выводом (отпайкой) в средней точке вторичной обмотки является весьма распространенным элементом в составе различных электрических схем, в том числе на борту электроподвижного состава. Типовым случаем является питание от такого трансформатора двухполупериодной нулевой схемы выпрямления. Целью работы является подробное описание разработанной автором компьютерной модели упомянутого трансформатора, построенной на основе сочетания схемотехнического и операционного принципов составления. Предложенная модель может быть использована также для анализа процессов в однофазном двухобмоточном трансформаторе без отпайки с учетом возможных групп соединения ///-6 или М-0. Группа соединения может быть учтена индивидуально для каждой половины вторичной обмотки при использовании отпайки. Показан пример встраивания модели трансформатора в более сложную компьютерную модель системы стабилизации тока возбуждения тяговых электродвигателей электровоза постоянного тока, в состав которой входит компьютерная модель насыщающегося дросселя, тиристорного выпрямителя, системы импульсно-фазового управления выпрямителем и замкнутой системы автоматического управления с пропорционально-интегральным регулятором тока и форсирующей нелинейностью. Полученные в ходе моделирования графики тока возбуждения в обмотке возбуждения коллекторного тягового электродвигателя и его реактивной составляющей показывают, что рассмотренная система стабилизации тока и ее компьютерная модель работоспособны и успешно выполняют возложенные на них функции: при спаде тока якоря ток возбуждения поддерживается за счет увеличения тока подпитки от выпрямителя управления возбуждением. Констатируются корректная работа и удобство использования разработанной компьютерной модели однофазного трансформатора с дополнительным выводом (отпайкой) в средней точке вторичной обмотки.
Однофазный трансформатор с дополнительным выводом (отпайкой) в средней точке вторичной обмотки является частным случаем однофазного многообмоточного трансформатора (его компьютерная модель описана в работах [1, 2]), используемого, например, для питания однофазных двухполупериодных выпрямителей, выполненных по нулевой схеме [3, 4]. На схеме рисунка 1 показан пример применения такого трансформатора на электровозе постоянного тока для поддержания тока /в обмоток возбуждения ОВ1 и ОВ2 током подпитки /ге^ от выпрямителя при пропадании напряжения в контактной сети и, как следствие, спаде /а тока якорей Я1 и Я2 тяговых электродвигателей.
Ток /ге^ индуцируется приложением к первичной обмотке трансформатора Тр1 переменного напряжения и1 в форме меандра с частотой 400 Гц. Устройство в составе тиристоров VS1, У82 и нулевого диода VD1 называется выпрямителем управления возбуждением (ВУВом). ИШ -индуктивный шунт, т. е. дроссель с ферромагнитным сердечником (его компьютерная модель описана в источниках [2, 5]).
Рисунок 1 - Схема, иллюстрирующая использование однофазного трансформатора с отпайкой в средней точке вторичной обмотки для питания выпрямителя управления возбуждением на электровозе постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями
В электровозе с коллекторными тяговыми электродвигателями (КТЭД) последовательного возбуждения актуальной задачей является стабилизация тока в обмотке возбуждения (ОВ) КТЭД при уменьшении тока якоря. Ток якоря может снижаться, например, вследствие развития процесса боксования приводимой оси электровоза. При боксовании из-за ухудшения сцепления колеса с рельсом, что тождественно снижению момента нагрузки на валу КТЭД, возрастает частота вращения якоря КТЭД, из-за этого возрастает противоЭДС КТЭД, что ведет к снижению тока в якоре. При последовательной схеме возбуждения снижение тока в якоре приводит к уменьшению тока в ОВ, что равносильно ослаблению поля КТЭД. Чтобы в описанной ситуации избежать ухода КТЭД вразнос, нужно поддержать неизменным значение тока возбуждения, для чего предусмотрен ВУВа, осуществляющий подпитку ОВ КТЭД током при снижении тока якоря. Задача ВУВа состоит в реакции на снижение тока в ОВ. Пока ток в ОВ равен номинальному, тиристоры ВУВа находятся в запертом состоянии. При снижении тока в
ОВ угол проводимости тиристоров ВУВа возрастает в некоторой функции от фактической величины тока в ОВ. В выбранной схеме выпрямителя предельным углом управления является аМ = 180°. Подробное описание электрической схемы питания ВУВа применительно к магистральному электровозу постоянного тока 2ЭС4К содержится в источнике [6]. Схема электровоза позволяет осуществлять подпитку ОВ, применять ослабление поля или независимое возбуждение.
Рассмотрим структуру компьютерной модели однофазного трансформатора с отпайкой в средней точке вторичной обмотки. Компьютерная модель выполнена на основе сочетания схемотехнического и операционного принципов составления в среде ОгСЛБ 9.2 в виде иерархического блока [7, 8] с внутренним содержимым, представленным на рисунках 2 -4. Использование схемотехнического принципа позволяет в среде визуального программирования электрических и электронных схем получить
Рисунок 2 - Структурная схема для моделирования ЭДС е02С и напряжения и01 ветви намагничивания при последовательном соединении в ней активного сопротивления гт и индуктивности Ьт
возможность сопряжения между собой моделей различных устройств путем простого соединения виртуальных клемм. На рисунке 2 - ном действующее значение тока намагничивания трансформатора в номинальном режиме.
На рисунках 2 и 3 коэффициент sign должен быть задан равным «1» (для получения группы соединений I/I - 6) или «-1» (для получения группы соединений I/I - 0). Задание нелинейности кривой намагничивания на рисунке 2 производится согласно указаниям в работах [2, 9]. На рисунках 2 - 4 индекс С обозначает принадлежность к секции вторичной обмотки; rserv - активные сопротивления служебного назначения: rserv4 - порядка 1 мкОм или менее, остальные - порядка 1 - 10 МОм или более. По аналогии с данными, приведенными в источниках [2, 10], в качестве датчиков и для ввода сигналов в составе модели на рисунках 2 -4 использованы элементы типа ИНУН, ИНУТ, ИТУН. В этих сокращениях: И - источник;
82 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(19) 2014
- _ = Е Е
Medium Point 2 о—
У - управляемый; Н - напряжение; Т - ток. Например: ИНУТ - источник напряжения, управляемый током. Другие обозначения на рисунке 2 - 4 общепринятые: u - напряжение;
7 - ток; w - количество витков обмотки; r - активное сопротивление; La - индуктивность рассеяния. Индексы 1 и 2 означают принадлежность к первичной и вторичной обмотке соответственно. Штрих в обозначении переменной или параметра с индексом 2 означает приведение их по величине к параметрам первичной обмотки. Например: i'2C\ - ток 1-й секции вторичной обмотки, приведенный к параметрам первичной обмотки трансформатора; e02C - ЭДС ветви намагничивания для секции вторичной обмотки; uoi - напряжение на зажимах ветви намагничивания на первичной стороне; Lm - главная индуктивность трансформатора при последовательном соединении с ней активного сопротивления потерь в стали rm.
Компьютерная модель на рисунках 2 - 4 универсальна в том смысле, что может быть применена и для моделирования однофазного двухобмоточного трансформатора, если нагрузку включить между клеммами A2 и X2, не используя для подключения отпайку вторичной обмотки. Выполняется равенство:
W, ■ sign
1 1
+ -
ИНУН6
2С2 Medium Point 2
Кг
2 wj"
Y serv 9
serv 8
ИНУН5
б
Рисунок 3 - Модель вторичной обмотки с отпайкой в средней точке
U2 ~ U2C1 + U2C2 ■
(1)
Рассмотренная выше компьютерная модель однофазного трансформатора с дополнительным выводом (отпайкой) в средней точке вторичной обмотки встроена как элемент в компьютерную модель системы стабилизации тока в ОВ КТЭД [11]. Другой элемент - компьютерная модель силовой части тиристорного выпрямителя - показан на рисунке 5.
Тиристоры моделируются упрощенно в виде идеализированных ключей, управляемых напряжением, последовательно которым включены диоды. Модели ИШ (типа ИШ 84) и ОВ КТЭД (типа ДТК800А) реализованы как компьютерные модели дросселя [2, 5] с учетом нелинейности кривых намагничивания [2, 9]. Так как автору было известно, что по результатам опытов спад тока в ОВ происходит от 570 А до 0 А за время 7,125 с, но не был известен точный характер кривой спада тока, а также с целью упрощения модели, сокращения
Рисунок 4 - Модель первичной обмотки
№ 3(19) 2014
затрат машинного времени, проверки системы стабилизации тока в заведомо более жестких условиях было принято решение о том, что достаточно смоделировать равномерное снижение тока якоря при значительно ускоренном спаде тока (за 71,25 мс). При таком допущении якорные цепи КТЭД реализованы в модели в виде импульсного источника тока с программируемой длительностью импульса и фронтов (см. рисунок 5).
СЙгнал от СИФУ к тиристору VI
Рисунок 5 - Компьютерная модель силовой части системы стабилизации тока в ОВ КТЭД
Система импульсно-фазового управления (СИФУ) выпрямителем предназначена для формирования и распределения импульсов на отпирание тиристоров ВУВа. В состав модели СИФУ входят задатчик величины тока ОВ; обратная связь по току ОВ КТЭД; нелинейность, форсирующая момент открытия тиристоров уже при малых отклонениях тока возбуждения вниз от номинального и тем самым повышающая быстродействие системы стабилизации тока в ОВ; ПИ-регулятор тока (выбран из условия настройки контура тока возбуждения на технический оптимум согласно рекомендациям работы [12]), узел формирования угла а отпирания тиристоров, узел, производящий распределение сигналов на тиристоры. На рисунке 6 приведена компьютерная модель СИФУ, построенная по принципу структурной схемы.
Рисунок 6 - Компьютерная модель управляющей части системы стабилизации тока в обмотке возбуждения тягового электродвигателя
84 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3(!9)
В компьютерной модели СИФУ сигнал обратной связи по току возбуждения, приходящий на вход ПИ-регулятора, не может превышать значения 3,141593, для чего ранее он ограничивается в пределах (0 - 8) В. Величина напряжения в обратной связи по току возбуждения, равная 8 В, имеет место при достижении током возбуждения номинальной величины. Для повышения быстродействия системы стабилизации тока ОВ сигнал, поступающий с датчика тока возбуждения, пропускается через специфическую нелинейность, позволяющую форсировать момент открытия тиристоров уже при малых отклонениях тока возбуждения вниз от номинального. Конфигурация форсирующей нелинейности, использованная при моделировании, приведена в таблице.
Форсирующая нелинейность для обработки сигнала с датчика тока возбуждения с целью повышения быстродействия системы стабилизации тока ОВ
Напряжение на входе нелинейности, В Напряжение на выходе нелинейности, В
0,0 0,0
7,5 0,0
7,7 3,0
7,9 5,0
8,0 8,0
Сигнал на выходе ПИ-регулятора нормируется в пределах -3,141593 ... +3,141593. Модуль этого сигнала подается в качестве значения угла а отпирания тиристоров выпрямителя для обработки в соответствии с тригонометрическим выражением
sin(a + p) = sina-cos p + cos a-sin p, (2)
где в качестве угла в употребляется фазовый угол источника напряжения Fsinl. Для правильной настройки функционирования СИФУ нужно, чтобы фаза эталонного источника синусоидального напряжения Fsinl, по сравнению с выходным сигналом которого осуществляется сдвиг момента отпирания тиристора, совпадала с фазой первой гармоники напряжения на входе ВУВа. В данной модели это совпадение обеспечено путем подбора. Полученный в результате обработки по выражению (2) сигнал синусоидальной формы инвертируем, усиливаем и ограничиваем, формируя меандр, который используем для управления идеализированными ключами, входящими в состав упрощенных моделей тиристоров.
Результаты компьютерного моделирования процесса стабилизации тока в ОВ КТЭД показаны на рисунке 7.
i/" Vr
\ rectif
1а \
О 20 40 50 80 100 МС 140
t ->
Рисунок 7 - Результаты компьютерного моделирования процесса стабилизации тока в ОВ КТЭД
№ 3(19) ЛЛИ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 85
=2014 ■
Полученные в ходе моделирования графики тока возбуждения в ОВ КТЭД Ie и его реактивной составляющей Ier показывают, что рассмотренная система стабилизации тока и ее компьютерная модель работоспособны и успешно выполняют возложенные на них функции: при спаде тока якоря Ia ток возбуждения Ie поддерживается за счет увеличения тока подпитки от ВУВа Irectif.
Следует отметить корректное функционирование и удобство использования компьютерной модели однофазного трансформатора с дополнительным выводом (отпайкой) в средней точке вторичной обмотки, построенной на основе сочетания схемотехнического и операционного принципов.
Список литературы
1. Пустоветов, М. Ю. Анализ потерь тягового трансформатора при параллельной работе четырехквадрантных преобразователей [Текст] / М. Ю. Пустоветов, К. П. Солтус // Известия вузов. Электромеханика / Южно-Российский гос. политехн. ун-т (НИИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск. - 2009. - № 5. - С. 47 - 52.
2. Пустоветов, М. Ю. Компьютерное моделирование асинхронных двигателей и трансформаторов. Примеры взаимодействия с силовыми электронными преобразователями [Текст] / М. Ю. Пустоветов, К. П. Солтус, И. В. Синявский / LAP LAMBERT Academic Publishing. Saarbrucken, 2013. - 209 c.
3. Полупроводниковые выпрямители [Текст] / Е. И. Беркович, В. Н. Ковалев и др. - М.: Энергия, 1978. - 448 с.
4. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник [Текст] / А. Т. Бурков. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.
5. Пустоветов, М. Ю. Компьютерная модель дросселя [Текст] / М. Ю. Пустоветов, И. В. Пехотский, С. Ю. Пустоветова // Вестник ВЭлНИИ / Всероссийский науч.-исследоват. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения. - Новочеркасск. - 2005. - Т. 1 (48). -С. 95 - 101.
6. Рутштейн, А. М. Система питания вспомогательных цепей магистрального электровоза постоянного тока от статического преобразователя [Текст] / А. М. Рутштейн // Вестник ВЭлНИИ / Всероссийский науч.-исследоват. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения. - Новочеркасск. - 2005. - Т. 2 (49). - С. 128 - 141.
7. Разевиг, В. Д. Система проектирования цифровых устройств OrCAD [Текст] / В. Д. Разевиг. - М.: Солон-Пресс, 2000. - 160 с.
8. Кеоун, Дж. Электронное моделирование в OrCAD [Текст] (+DVD) / Дж. Кеоун. -М.: ДМК Пресс, 2010. - 628 с.
9. Пустоветов, М. Ю. Способ учета нелинейности кривой намагничивания при переменной частоте питающего напряжения [Текст] / М. Ю. Пустоветов, И. В. Пехотский // Вестник ВЭлНИИ / Всероссийский науч.-исследоват. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения. - Новочеркасск. - 2004. - № 1. - С. 239 - 249.
10. Пустоветов, М. Ю. Математическая и компьютерная модели асинхронного двигателя в трехфазной системе координат [Текст] / М. Ю. Пустоветов // Электричество. - 2013. -№ 7 - С. 41 - 45.
11. Пустоветов, М. Ю. Применение методов моделирования для создания высокоэффективных электроприводов [Текст] / М. Ю. Пустоветов, А. В. Чубукин // Проблемы энергосбережения и технической диагностики энергетического оборудования: Тр. науч.-практ. конф. ВЦ «Вертол-Экспо» / Южно-Российский гос. техн. ун-т. - Ростов-на-Дону, 2006. - С. 61 - 66.
12. Онищенко, Г. Б. Электрический привод: Учебник [Текст] / Г. Б. Онищенко / Российская акад. сельскохозяйственных наук. - М. 2003. - 320 с.
References
1. Pustovetov M. Yu., Soltus K. P. Traction Transformer Losses Analysis Under Conditions of Parallel Work of Several 4QS [Analiz poter' tiagovogo transformatora pri parallel'noi rabote
86 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3(!9)
chetyrekhkvadrantnykh preobrazovatelei]. Izvestiia vuzov. Elektromekhanika - News of higher educational institutions. Electromechanics, 2009, no. 5, pp. 47 - 52.
2. Pustovetov M. Yu., Soltus K. P., Siniavsky I. V. Komp'iuternoe modelirovanie asink-hronnykh dvigatelei i transformatorov. Primery vzaimodeistviia s silovymi elektronnymi preobra-zovateliami (Computer Simulation of Induction Motors and Transformers. Examples of Interaction with Power Converters). Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013, 209 p.
3. Berkovich E. I., Kovalev V. N., Kovalev F. I. Poluprovodnikovye vypriamiteli (Semiconductor Rectifiers). Moscow: Energiia Publ., 1978, 448 p.
4. Burkov A.T. Elektronnaia tekhnika i preobrazovateli (Electronic Equipment and Converters). Moscow: Transport Publ., 1999, 464 p.
5. Pustovetov M. Yu., Pekhotsky I. V., Pustovetova S. Yu. Computer Model of the Saturable Reactor [Komp'iuternaia model' drosselia]. Vestnik VElNII - Herald of All-Russia Electric Locomotive Building Institution, 2005, no. 1 (48), pp. 95 - 101.
6. Rutshtein A. M. System of Feeding of Auxiliary Circuits of Main Traction DC Electric Locomotive from Static Converter [Sistema pitaniia vspomogatel'nykh tsepei magistral'nogo el-ektrovoza postoiannogo toka ot staticheskogo preobrazovatelia]. Vestnik VElNII - Herald of All-Russia Electric Locomotive Building Institution, 2005, no. 2 (49), pp. 128 - 141.
7. Razevig V. D. Sistema proektirovaniia tsifrovykh ustroistv OrCAD (OrCAD System for Design of Digital Devices). Moscow: Solon-R Publ., 2000, 160 p.
8. Keown J. Elektronnoe modelirovanie v OrCAD (OrCAD PSpice and Circuit Analysis). Moscow: DMK Press Publ., 2010, 628 p.
9. Pustovetov M. Yu., Pekhotsky I. V. The Method of Nonlinearity of Magnetization Curve Taking into Account at Variable Frequency of Feeding Voltage [Sposob ucheta nelineinosti krivoi namagnichivaniia pri peremennoi chastote pitaiushchego napriazheniia]. Vestnik VElNII - Herald of All-Russia Electric Locomotive Building Institution, 2004, no. 1, pp. 239 - 249.
10. Pustovetov M. Yu. Mathematical and Computer Models of Induction Motors at 3-phase System of Axes [Matematicheskaia i komp'iuternaia modeli asinkhronnogo dvigatelia v trekhfaznoi sisteme koordinat]. Elektrichestvo - Electricity, 2013, no. 7, pp. 41 - 45.
11. Pustovetov M. Yu., Chubukin A. V. Application of Modeling Techniques to Create High Effective Electric Drives [Primenenie metodov modelirovaniia dlia sozdaniia vysokoeffektivnykh elektroprivodov]. Problemy energosberezheniia i tekhnicheskoi diagnostiki energeticheskogo obo-rudovaniia: tr. nauch.-prakt. konf. VTs «Vertol-Ekspo» (Problems of energy saving and technical diagnostics of power equipment: transactions of scientific-practical conference. Exhibition Center «Vertol-Expo»). - Rostov-on-Don, 2006, pp. 61 - 66.
12. Onishchenko G. B. Elektricheskii privod (Electric Drive). Moscow: RASKhN Publ., 2003. 320 p.
УДК 621.331:621.311
В. Т. Черемисин, Д. В. Пашков, С. Ю. Ушаков
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ МОНИТОРИНГ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ОАО «РЖД»
Наличие постоянно меняющейся электротяговой нагрузки, распределенной не только по времени, но и в пространстве приводит к сложности детального мониторинга энергетической эффективности организации движения поездов ОАО «РЖД». Поэтому одной из первоочередных задач энергетической стратегии ОАО «РЖД» является внедрение инновационных технических средств и технологий. В работе рассмотрены основные положения и некоторые функциональные возможности создаваемого автоматизированного информационно-измерительного комплекса учета электрической энергии на электроподвижном составе.
