CC BY
49
УДК 629.423
А. М. МУХА, О. В. КУЗНЕЦОВ (ДПТ)
ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ОБ'СМУ СТАТИЧНИХ ПЕРЕТВОРЮ-ВАЧ1В ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДУ З ДВИГУНАМИ ПОСТ1Й-НОГО СТРУМУ ДЛЯ БАГАТОСИСТЕМНИХ ЕЛЕКТРОВОЗ1В
У статп порушенi питання визначення питомого об'ему статичних перетворювачiв для багатосистемно-го електрорухомого складi залiзниць.
В статье затронуты вопросы определения удельного объема статических преобразователей для многосистемного электроподвижного состава железных дорог.
The issues of determination of specific volume of static converters for multisystem railway electric rolling stock are touched on in the article.
Вступ
Основою сучасного тягового електроприво-ду е статичш перетворювач^ структура яких визначаеться видом тягового двигуну. Основш структури i схемо техшчш ршення для тради-цшного електрорухомого складу (ЕРС) досить повно представлеш у лiтературi [1, 2, 3, 4 та ш.]. Але ж загально вiдомi недолши системи тягового електропостачання напругою 3 кВ по-стiйного струму [5 та ш.] та необхiднiсть забез-печення процесу перевезень на електрифшова-них залiзницях незалежно вiд роду струму та значення напруги у контактнш мережi без зам> ни електровозiв на станцiях стикування вимагае використання тягового електрорухомого складу який може працювати як при постшному так i змiнному струмах при рiзних рiвнях напруги у контактнш мережа Такий тяговий електрору-хомий склад називаемо багатосистемним.
Створення багатосистемних електровозiв стало можливим дякуючи устхам силово! на-пiвпровiдниковоi техшки - появi повнiстю ке-рованих вентилiв, пiдвищення класу приладiв та !х робочих струмiв.
Поява ново! елементно! бази призвела до удосконалення iснуючих та створення нових схемних та конструктивних рiшень для пере-творювачiв. Ведучими фiрмами-виробниками статичних перетворювачiв зокрема були ство-ренi загальнопромисловi приводи з двигунами постiйного та змшного струмiв та перетворю-вачi iншого функцiонального призначення.
Безумовно, таю змши не обминули й тяговi статичнi перетворювачi, якi живлять тяговi дви-гуни електровозiв та електропоiздiв.
Але ж питання визначення взаемного зв'язку мiж потужнiстю тягового приводу та масо-габаритними показниками статичного пе-
ретворювача, що е невщ емною його частиною, не порушувалось, тому автором проведено ана-лiз промислових перетворювачiв для розробки рекомендацш по рацiональних конструктивних показниках перетворювачiв тягового приводу.
Мета роботи
Дослщити питання визначення питомого об'ему статичних перетворювачiв для багато-системного електрорухомого складу затзниць з тяговими двигунами постшного струму.
Матерiал i результати дослщження
Традицiйно питомий об'ем визначаемо як: V 3
VP = р [м /кВт], де V - об'ем статичного пере-
творювача, м3; P - потужнiсть перетворювача, кВт [6].
Вихвдними даними е: потужшсть, габарити, елементна база та вид охолодження напiвпровi-дникових ключiв iснуючих перетворювачiв.
У представленiй робоп проаналiзованi ос-новнi показники перетворювачiв таких фiрм та пiдприемств: Siemens, ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» (Запорiжжя, Укра!на), ВАТ НД1 «Преобразователь» (Запорiжжя, Укра!на), ВО «Электровыпрямитель» (Саранськ, Роая), «Харкiвський електромеханiчний завод» (Хар-юв, Укра!на) та iнших пiдприемств кра!н СНД (колишнього СРСР).
Загалом проаналiзовано 322 перетворювача, з них: фiрми Siemens (60), ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» (163), тдприемств колишнього СРСР (99).
Було проведено аналiз статичних перетво-рювачiв електроприводу постiйного струму з номшальними напругами з ряду 230, 460, 660,
825 (низьковольтш) та високовольтш перетво-рювачi з напругами 1050, 2500, 3000, 3300 В.
До уваги приймалися перетворювачi з по-тужнiстю понад 75 кВт включно, оскiльки ана-лiз конструкцiй iснуючих перетворювачiв ве-дучих фiрм виробникiв показав, що саме з ще! потужностi починасться ряд конструктивного виконання всiх потужних перетворювачiв.
Представленi надалi залежностi питомого об'ему Ур = / (Р) вiд потужностi перетворюва-
чiв враховують тип елементно! бази, вид охо-лодження.
По-перше, розглянемо конструктивш показ-ники перетворювачiв виробництва кра!н СНД, оскiльки вони мають ту ж саму шженерну школу, а тому схож технiчнi ршення.
На рис. 1 представлена залежшсть Ур = / (Р), побудована за експериментальним
даними для перетворювачiв ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повлряне) з дiапазоном робочих напруг до одного кВ.
0,012 0,010 0,000
к 1 1 1
| * експериментальнп дат |
к
*
%
к *
** * * ] г
0 2500 5000 7500 10000 1 2500 15000
Потужшсть. кВт
Рис. 1. Залежшсть питомого об'ему перетворювач1в ВАТ «Запор1зький завод «Преобразователь» (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повггряне) з д1апазоном робочих напруг до одного кВ, в1д потужносл перетворювач1в
Для отримання анал^ичних залежностей для питомого об'ему вщ !х потужностi прове-демо апроксимацiю експериментальних зна-чень (рис. 2).
Залежшсть питомого об'ему перетворювачiв вщ потужностi апроксимувались за допомогою наступних виразiв (у загальному виглядi):
+ A2e
(експоненцiальна
У (x ) = Уо + Aie другого порядку).
При цьому коефщенти апроксимацiï мають наступш значення: y0 = 0 ; A1 = 0,00223 ; t1 = 3942,92663 ; A2 = 0,01657 ; t2 = 239,70193 .
Тодi вираз для апроксимованоï залежностi VP = f (P) мае вигляд:
VP (P) = 0 + 0,00223 • e
+ 0.01657 • et" i3970193
3942.92663 P
Ç
i 0,005
S
о
È
IZ
1 1 1 1
* експериментальш даш -апроксимована залежнють
0 2010 «О 6000 6000 10000 12000
Потужн^тъ, кВт
Рис. 2. Результати апроксимаци залежносл питомого об'ему перетворювач1в ВАТ «Запор1зький завод
«Преобразователь» (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повпряне) з д1апазоном робочих напруг до одного кВ, ввд потужносл перетворювач1в
£000 ЗОИ <0000 12000 14000 <£000 Потужжстъ, кВт
Рис. 3. Результати апроксимаци залежносл питомого об'ему перетворювач1в ВАТ «Запор1зький завод
«Преобразователь» (елементна база - тиристор, охолодження - водяне) з д1апазоном робочих напруг до одного кВ, ввд потужносл перетворювач1в
Аналогiчно отримуемо аналiтичнi залежнос-тi питомого об'ему для шших перетворювачiв.
Представимо коефiцiенти апроксимаци за експоненщальною залежнiстю другого порядку для залежносл Ур = / (Р) по кожному з тишв
перетворювачiв у виглядi табл. 1.
Отримаш залежностi дозволяють у першому наближеннi оцiнити вплив системи охолодження перетворювача на його габаритш розмiри, для цього представимо апроксимоваш залежно-
сп з рис. 2 та рис. 3 в однш системi координат (рис. 4).
1 —водяне охолодження примусове пов!тряне охолодження
1
1
V
ЮТОЙ
2000 4000 6 000 $000 10000 12000 14000 191)00
4000
УРПП (4000) = 0 + 0,00223 • е
4000
0,01657• ev 239'70193;= 8,086• 10"
м
кВт
УРВод (4000) = 0,000158 + 0,01263 • е
( 4000 ^
+ 0,00218 • е^ 3063,27429 ^ = 7,488 • 10-4
331,48236
м
кВт
ЛУР =
УрПП Урвод • 100% =
УР
РПП
8,086•Ю-4 -7,488•Ю-4 8,086 •Ю-4
•100% = 7,39%.
Поту?кн1стъ, кВт
Рис. 4. Вплив виду охолодження на габаритш розмь ри перетворювач1в ВАТ «Запор1зький завод «Преобразователь» (елементна база - тиристор) з д1апазоном робочих напруг до одного кВ
Аналiз представлених на рис. 4 залежностей та використання представлених у табл. 1 коеф> щеннв апроксимаци дозволяе порiвняти, у вщ-сотках, виграш вiд використання водяного охолодження в перетворювачах, яю живлять дви-гуни постшного струму.
Так, використання водяного (рщинного) охолодження для перетворювачем потужнiстю 4000 кВт дозволяе виграти приблизно 7,4 % вщ загального об'ему перетворювача, у порiвняннi з таким самим за потужнютю перетворювачем, який побудовано з використанням примусового повiтряного охолодження.
Представимо цей розрахунок.
Питомий об'ем перетворювача потужнютю 4000 кВт, на базi тиристорiв з примусовим охо-лодженням дорiвнюе:
Проаналiзуемо конструктивнi показники шших перетворювачiв виробництва шдпри-емств колишнього СРСР [7]. На рис. 5 предста-вленi результати апроксимаци залежносп пи-томого об'ему перетворювачiв виробництва пiдприемств колишнього СРСР (елементна база - тиристор, охолодження - примусове пов№ ряне) з дiапазоном робочих напруг до одного кВ.
На рис. 6. представлено порiвняння резуль-татiв апроксимаци залежносп питомого об'ему перетворювачiв шдприемств колишнього СРСР та перетворювачiв ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь».
»
* експе -ал рок эимент си мова аЛЬН| дг на зале 1Н| жыстъ
V
• * • *
* * • * * с— 1> г
Питомий об'ем перетворювача потужнютю 4000 кВт на базi тиристорiв з водяним охоло-дженням дорiвнюе:
Приймаючи показники системи з примусо-вим повiтряним охолодженням за 100 %, отри-маемо наступну вщносну змiну питомого об' ему перетворювача:
0 2000 4000 3000 5000 10000 12000 14000
Потужгастъ. кВт
Рис.5. Результати апроксимаци залежносп питомого об'ему перетворювач1в виробництва шдприемств
колишнього СРСР (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повггряне) з д1апазоном робочих напруг до одного кВ, ввд потужносп перетворювач1в
При аналiзi розглянуто перетворювачi для живлення двигунiв постшного струм напругою до одного кВ.
Як бачимо (рис. 6), показники питомого об'ему перетворювачiв ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» е кращими у порiвняннi з аналопчними показниками перетворювачiв iнших шдприемств колишнього СРСР.
Саме тому для подальшого дослщження впливу типу елементно! бази та призначення перетворювачiв (загальнопромислового або тягового виконання) за базовi показники при-ймаемо показники перетворювачiв ВАТ «Запо-рiзький завод «Преобразователь».
Рис. 6. Порiвняння результапв апроксимаци залеж-ностi питомого об'ему перетворювачiв щдприемств колишнього СРСР та перетворювачiв ВАТ «Запорь зький завод «Преобразователь»
Розглянемо вплив тягового виконання на конструктивш показники перетворювач1в, по-будованих з використанням тиристор1в та при-мусового пов1тряного охолодження (яке вико-ристовуеться на тягових перетворювачах рухо-мого складу виробництва колишнього СРСР, що експлуатуеться на затзницях Укра1ни).
На рис. 7 та у табл. 1 представлеш результата апроксимаци показниюв питомого об'ему тягових перетворювач1в для рухомого складу виробництва колишнього СРСР (елементна база - тиристор, охолодження - примусове пов1т-ряне).
На рис. 8 представимо пор1вняння питомого об'ему перетворювач1в тягового виконання та загальнопромислового (на приклад перетворю-вач1в ВАТ «Запор1зький завод «Преобразователь») (елементна база - тиристор, охолоджен-ня - примусове повпряне).
Використовуючи методику визначення кшь-юсно! ощнки виграшу вщ використання водяного охолодження, визначимо на скшьки вщсо-тюв вщр1зняються габаритш розм1ри загально-промислових та тягових перетворювач1в на приклад перетворювача потужшстю 4000 кВт.
Питомий об'ем загальнопромислового перетворювача потужшстю 4000 кВт, на баз1 тирис-тор1в з примусовим охолодженням дор1внюе:
4000
^гзагпром (4000) = 0 + 0,00223 • е
( 4000 ^
+ 0,01657 • е^ 239,70193 8,086 • 10-
м
кВт
Питомий об'ем тягового перетворювача потужшстю 4000 кВт на баз1 тиристор1в з примусовим охолодженням дор1внюе:
УРТяг (4000) = 0 + 0,00273 • е
4000
4000
-7,18075•Ю-4 • е^ 4378'89879^ = 3,59•Ю-4
м
кВт
Рис. 7. Результати апроксимаци показнишв питомого об'ему тягових перетворювачiв для рухомого складу виробництва колишнього СРСР (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повггряне)
10000 12000
Потунтть, кВт
Рис. 8. Порiвняння питомого об'ему перетворювачiв тягового виконання та загальнопромислового (елементна база - тиристор, охолодження -примусове повпряне)
Приймаючи показники загальнопромисло-вого перетворювача з примусовим повпряним охолодженням за 100 %, отримаемо наступну вщносну зм1ну питомого об'ему перетворю-вача:
= КрЗагПРом - КрТяг • 100 % =
Р ур.
РЗагПром
8,086•Ю-4 -3,59•Ю-4 8,086 •Ю-4
•100% = 55,6%.
Тобто тягов1 перетворювач1 займають при-близно на 50.. .60 % менший об'ем у пор1внянш з загальнопромисловими перетворювачами, що
обумовлено обмежешстю кузовного простору електровозу.
Слщ вщм^ити, що перетворювачi, констру-ктивш показники яких дослiджував автор, по-будованi за класичною структурою: трансформатор - керований випрямляч (з вщповщними фiльтрами), живлення цих перетворювачiв, в т.ч. тягових, здiйснюeться вщ мереж змiнного струму.
Тому при використанш некласично! струк-тури перетворювача або при живленi вiд мереж постiйного струму конструктивнi показники можуть змiнюватися.
Перетворювачi вiтчизняного виробництва та виробництва кра!н колишнього СРСР, проана-лiзованi автором, побудованi з використанням елементно! бази свого часу.
На сучасному рiвнi розвитку силово! нашв-провщниково! технiки параметри прилавдв до-зволяють будувати перетворювачi без викорис-тання групового з'еднання прилавдв. Крупнi свiтовi компани, наприклад Siemens, мають го-товi технiчнi ршення з використанням найсу-часнiших силових нашвпровщникових венти-лiв. Виходячи з вищезазначеного, доцiльним е проаналiзувати, яким чином тип елементно! бази впливае на конструктивы показники пере-творювачiв.
Для виконання цього завдання порiвняемо питомi об'еми загальнопромислових перетво-рювачiв ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» та перетворювачiв сери Simoreg DC Master фiрми Siemens (елементна база - тиристор, охолодження - примусове пов^ряне).
На рис. 9 представлена залежшсть VP = f (P) для перетворювачiв сери Simoreg
DC Master фiрми Siemens (елементна база - тиристор, охолодження - примусове пов^ряне) з дiапазоном робочих напруг до одного кВ.
Провести порiвняння показникiв питомого об'ему мiж перетворювачами заводу «Преобразователь» и перетворювачами сери Simoreg DC Master фiрми Siemens на тдсташ отриманих залежностей можливо тшьки в обмеженому дiапазонi потужностей (Simoreg тшьки до 2000 кВт). Але ж якщо розташувати отриманi апроксимоваш залежностi в однiй системi координат (рис. 10), то шдтверджуеться загально-вiдомий факт доцiльностi використання сучас-них потужних напiвпровiдникових елемеипв.
Рис. 9. Результати апроксимаци показнишв питомого об'ему перетворювач1в серп Simoreg DC Master ф1рми Siemens (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повиряне) з дiапазоном робочих напруг до одного кВ
Рис. 10. Порiвняння питомого об'ему перетворюва-
чiв загальнопромислових перетворювачiв ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» та перетво-рювачiв серii Simoreg DC Master фiрми Siemens
Загальнi висновки
1. Проведений аналiз габаритних показни-кiв перетворювачiв рiзноi потужностi для тягового електроприводу з двигунами постшного струму дозволив визначити анал^ичш залежшсть питомого об'ему тягового перетворювача вш потужностг
2. При проведенш аналiзу перетворювачi групувались за наступними критерiями: вироб-ник, дiапазон робочих напруг, елементна база, система охолодження.
3. Проведений аналiз конструктивних по-казниюв показав, що тяговi перетворювачi за-ймають приблизно на 50...60 % менший об'ем, у порiвняннi з загальнопромисловими перетворювачами, що обумовлено обмежешстю кузовного простору електровозу.
Таблиця 1
Коефщемтм апроксммаци для залежмост VP = f (P) для рпних перетворювачiв
Тип перетворювача Коефщенти
Jo A t1 a2 t2
Перетворювачi ВАТ «3anopi3braft завод «Преобразователь» (тиристор, примусове повпряне охолодження), до одного кВ 0 0,00223 3942,9266 0,01657 239,70193
Перетворювачi ВАТ «Запорiзький завод «Преобразователь» (тиристор, водяне охолодження), до одного кВ 1,580E-4 0,01263 331,48236 0,00218 3063,2712
Перетворювачi щдприемств колишнього СРСР (тиристор, примусове повиряне охолодження), до одного кВ 0 0,01041 525,68619 0,00412 20755,954
Тяговi перетворювачi пвдприемств колишнього СРСР (тиристор, примусове повь тряне охолодження), до одного кВ 0 0,00273 2778,6024 -7,1807E-4 4378,8987
Перетворювачi серп Simoreg DC Master фiрми Siemens (елементна база - тиристор, охолодження - примусове повиряне), до одного кВ 0 1,0221E-4 361,08463 0,00127 62,8627
4. Вплив елементно! бази перетворювача на залежнють питомого об'ему перетворювача вщ потужностi пояснюеться, в першу чергу, залежшстю габаритних розмiрiв системи охо-лодження вiд втрат потужностi на силових еле-ментах перетворювача. Так, перетворювачi ви-робникiв кра!н колишнього СРСР характери-зуються гiршими показниками у порiвняннi з перетворювачами захвдних виробникiв, оскшь-ки елементною базою цих перетворювачiв е прилади з меншим класом та номiнальним струмом.
5. Перетворювач^ конструктивнi показни-ки яких дослщжував автор, побудованi за кла-сичною структурою: трансформатор - керова-ний випрямляч (з вiдповiдними фшьтрами), живлення цих перетворювачiв, в тому чи^ тягових, здiйснюеться вiд мереж змiнного струму.
6. При використанш некласично! структу-ри перетворювача або при живлеш вiд мереж постшного струму отриманi конструктивнi по-казники е базовими для визначення вщповщних показниюв нетрадицiйних перетворювачiв.
7. Отримаш результати дослiджень е базою для визначення конструктивних показникiв перетворювачiв тягового електроприводу на базi тягових двигушв постiйного струму.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические ма-шины[Текст]: учебник для вузов ж.-д. трансп. / Д. Д. Захарченко, Н. А. Романов. - М.: Транспорт, 1991. - 343 с.
2. Калинин, В. К. Электровозы и электропоезда. [Текст] / В. К. Калинин. - М.: Транспорт, 1991. - 480 с.
3. Безрученко, В. М. Тягов1 електричш машини електрорухомого складу [Текст]: навч. пос1бник / В. М. Безрученко, В. К. Марченко, В. В. Чумак. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2003. - 252 с.
4. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. [Текст] / А. М. Солодунов и др.; под ред. А. М. Соло-дунова. - Рига: Зинантне, 1991. - 351 с.
5. Котельников, А. В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы [Текст] / А. В. Котельников. - М.: Интекст, 2002. - 104 с.
6. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники [Текст]: учебник. - Ч. 1 / Г. С. Зиновьев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. - 199 с.
7. Чиженко, И. М. Справочник по преобразовательной технике [Текст] / И. М. Чиженко, П. Д. Андриенко; под ред. И. М. Чиженко. - К.: Техшка, 1978. - 447 с.
Надшшла до редколегп 30.11.2008.
