CC BY
362
Для определения мгновенной мощности берем произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока и рассчитываем среднее значение за период.
Заключение
Даже предварительные эксперименты, проведенные в лаборатории, показали, что испытания машин с помощью компьютера имеют большие перспективы как для исследовательской работы, так и для испытательных стаций тяговых двигателей.
На следующих этапах этой работы планируется компьютеризировать испытания имеющегося в лаборатории РГОТУПС асинхронного дви-га-теля, питающегося от преобразователя частоты. При этом потребуется отработать компьютерное регулирование частоты преобразователя и изменение режимов испытаний по введенной программе.
F
УДК 629.423.1
П. Г. Колпахчьян, А. А. Зарифьян
ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Рассмотрены вопросы создания асинхронного тягового привода магистральных электровозов, сформулированы требования к регулированию асинхронными тяговыми двигателями. Приведены результаты многокритериального анализа схемных решений преобразовательных установок для питания асинхронных тяговых двигателей.
асинхронный тяговый двигатель, асинхронный тяговый электропривод, автономный инвертор напряжения, потери, регулирование, управление.
Введение
Повышение эффективности железнодорожных перевозок во многом связано с улучшением тяговых свойств локомотивов [1]—[4]. Мощность тяговых двигателей современного подвижного состава уже достигла 10001400 кВт, и дальнейшее ее увеличение затруднено из-за наличия жестких массогабаритных ограничений. Кроме того, это малоэффективно вследствие ограничений со стороны нагрузки от оси на рельсы, а именно в связи с проблемами сцепления колеса с рельсом. Поэтому дальнейшее улучшение тяговых свойств электроподвижного состава (ЭПС) должно вестись по пути повышения тягово-энергетических показателей тягового электропривода (ТЭП), с одной стороны, и эффективности использования сцепного веса локомотива, с другой.
Повысить использование сцепного веса, регулируя силы тяги и торможения по их предельным значениям, возможно путем применения автоматизированного ТЭП, позволяющего реализовать жесткие тяговые характеристики и свести к минимуму влияние возмущений со стороны питающей сети и нагрузки, носящих случайный характер.
В настоящее время приоритетным является применение асинхронного тягового привода (АТЭП) на ЭПС железных дорог. В состав АТЭП входят собственно асинхронный тяговый двигатель (АТД) и система преобразования электроэнергии. Выпуск АТД мощностью 1000-1200 кВт освоен отечественной промышленностью. Элементная база для преобразователей импортируется. Но даже наличие силовых полупроводниковых приборов (СПП) требуемой мощности недостаточно для создания работоспособного АТЭП. Актуальной является проблема разработки способов и алгоритмов управления им.
Использование АТД усложняет систему преобразования электроэнергии электровоза и характеризуется высокой степенью взаимосвязи и взаимного влияния процессов между отдельными элементами АТЭП. Это требует использования новых подходов к проектированию. Одной из наиболее важных задач является создание способов и алгоритмов регулирования, обеспечивающих реализацию высоких тяговых свойств электровоза во всем диапазоне нагрузок и скоростей.
1 Асинхронный тяговый двигатель и асинхронный тяговый электропривод
В связи с особенностями применения тягового привода (в частности, с изменяющимися условиями сцепления в контакте колесо-рельс, приводящими к появлению структурной неустойчивости системы) к управлению АТЭП предъявляется ряд требований. Например, регулирование момента АТД необходимо осуществлять без колебаний и перерегулирования, а его быстродействие должно быть достаточным для прекращения боксования в случае его возникновения. По оценкам [5], [6], некомпенсированная постоянная времени регулирования момента должна быть не более 3.. .5 мс в зависимости от типа механической части локомотива и параметров АТЭП.
С учетом того, что постоянная времени ротора современных АТД может достигать единиц секунд, применение принципов скалярного регулирования для построения системы автоматического регулирования (САР) АТЭП не позволяет получить требуемые динамические показатели системы. В [7], [8] отмечается, что в этом случае необходимо использовать САР с автоматическим поддержанием потокосцепления ротора, реализующую принципы векторного регулирования.
Важным вопросом, возникающим при разработке АТЭП, является выбор типа и схемного решения преобразователя частоты и числа фаз. Для этой цели используется, как правило, автономный инвертор напряжения (АИН), на который возлагаются функции регулирования частоты и выходного напряжения. Наиболее перспективной полупроводниковой элементной базой преобразователей для ЭПС являются IGBT-модули.
В настоящее время наиболее распространены силовые IGBT-модули с параметрами 3300 В, 1200 А и 6500 В, 600 А. Основные варианты схем преобразовательных установок на их базе приведены на рисунке 1.
Рис. 1. Схемы преобразователей для питания АТД: а - двухуровневый АИН; б - два двухуровневых АИН; в - трехуровневый АИН
Формирование выходного напряжения двух- и трехуровневого АИН может быть выполнено с помощью различных способов модуляции. Частота и вид модуляции выходного напряжения во многом определяют энергетические и регулировочные показатели системы АИН-АТД. Наибольшее распространение получили широтно-импульсное регулирование (ШИР), синусоидальная широтно-импульсная модуляция (СШИМ), пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция (ПВШИМ) [8], [9].
Для оценки указанных выше способов формирования выходного напряжения АИН проведен комплексный анализ влияния различных вариантов модуляции и схем преобразовательных установок на пульсации элек-
тромагнитного момента АТД, потери в СПП и АТД при различных вариантах построения. Исследования выполнены с использованием разработанных математических моделей приведенных на рисунке 1 вариантов систем АИН-АТД [8]. В качестве нагрузки преобразовательной установки используется тяговый двигатель типа НТА-1200 (мощность в часовом режиме 1200 кВт).
Был выполнен ряд численных экспериментов и рассчитаны пульсации электромагнитного момента на валу АТД. На рисунке 2 показаны зависимости коэффициента пульсаций момента АТД от частоты модуляции АИН для разных видов модуляции выходного напряжения.
Пульсации момента, двухуровневый АИН
Пульсации момента, трехуровневый АИН
Потери а АТД
р
кВт! 1 Р 1 1 Р 1 1 1 1 1 1 Р i 1 1
57,5 1 1 1 I Р 1 1 1 1 р 1 1 1 1 1
55,0
I ! sm ; ! j
52.5 1 1 1 1 1 ■ Г “Г “Г И ~Г -1 1 1 1 1
50,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
500 1000 1500 2000 2500 /м, Гц
Рис. 2. Потери в АТД и коэффициент пульсаций момента при питании от инвертора
Зависимость коэффициента пульсаций момента АТД для трехуровневого АИН с СШИМ и ПВШИМ имеет тот же характер, что и для двухуровневого, но меньше по величине из-за лучшего гармонического состава момента.
Для оценки влияния вида и частоты модуляции на величину потерь в АТД было выполнено определение потерь при его питании от АИН с ШИР, СШИМ и ПВШИМ. Определение потерь проводилось с использованием методики, приведенной в работе [8]. Зависимость потерь от частоты модуляции приведена на рисунке 2. Анализ полученных результатов показал, что электрические и магнитные потери от основной гармоники, механические и дополнительные потери практически не зависят от вида и частоты модуляции и соответствуют потерям при питании синусоидальным напряжением (линия «sin» на рис. 2).
2 Электрические потери
Основной составляющей модуляционных потерь в АТД являются электрические потери. На частоте 50 Гц при низкой частоте модуляции (150 Гц) они достигают 16% потерь от основной гармоники (9% от общих
потерь). При этом к.п.д. снижается на 0,6% по сравнению со случаем питания АТД синусоидальным напряжением. Для СШИМ и ПВШИМ при увеличении частоты модуляции потери от высших гармоник имеют близкие значения и уменьшаются пропорционально квадрату ее роста и уже при 500-600 Гц практически не влияют на величину общих потерь в АТД.
Для тех же видов модуляции выполнен расчет потерь в СПП преобразовательных установок для случаев питания АТД от двух-, трехуровневого АИН и по схеме с двойной звездой. Для расчета потерь использована рекомендуемая производителями методика, изложенная в работе [8].
Принято, что в расчете на один АТД в плече трехуровневого АИН (см. рис. 1, в) и двухуровневых АИН и АТД с двумя трехфазными обмотками (см. рис. 1, б) используется по одному IGBT-модулю MBN1200G33A (3300 В, 1200 А, производство Hitachi). В двухуровневом АИН и АТД с одной трехфазной обмоткой (см. рис. 1, а) используются IGBT-модули FZ600R65KF1 (6500 В, 600 А, производство Siemens), по два параллельно соединенных в плече.
Для приведенных на рисунке 1 вариантов схем преобразователей были проведены расчеты тока в плечах АИН при разной частоте модуляции и частоте выходного напряжения 50 Гц. Параметры регулирования выбирались таким образом, чтобы АТД работал с номинальным моментом.
Анализ полученных результатов показал, что статические потери различаются незначительно, так как они определяются одинаковым действующим значением тока через модуль. Динамические потери определяются количеством переключений приборов за один период выходного напряжения. При использовании ПВШИМ принцип формирования выходного напряжения позволяет исключить переключения в зонах 60 эл. град для транзистора и диода [8], что приводит к значительному снижению динамических потерь. По указанным выше причинам ПВШИМ является наилучшей с точки зрения минимизации потерь в преобразовательных установках.
Для рассматриваемых схем наибольшую величину имеют потери при питании АТД от двухуровневого АИН, что связано со значительно большими динамическими потерями в модулях на 6500 В по сравнению с IGBT-модулями на 3300 В. Потери при питании АТД с двумя обмотками на статоре и от трехуровневого инвертора, собранных на однотипных модулях, отличаются незначительно. Снижение общих потерь для трехуровневого АИН связано с уменьшением динамических потерь за счет меньшего общего количества переключений IGBT-модулей.
На рисунке 3 показаны зависимости от частоты модуляции потерь в преобразовательных установках при частоте выходного напряжения 50 Гц.
Рис. 3. Потери в СПП преобразователей при использовании различных видов модуляции выходного напряжения
Увеличение частоты модуляции приводит к незначительному снижению статических потерь за счет улучшения формы фазных токов АТД и росту динамических потерь, которые являются определяющими. Изменение частоты выходного напряжения не оказывает существенного влияния на величину потерь. Если частота модуляции остается неизменной, потери при номинальной частоте вращения отличаются не более чем на 10% от потерь в зоне малых частот.
Анализ полученных результатов показывает, что выбор частоты модуляции АИН должен производиться с учетом одновременного удовлетворения требованиям двух взаимно противоречивых критериев: с одной стороны, увеличение частоты модуляции улучшает динамические свойства АТЭП, снижает пульсации момента и потери в АТД, но, с другой стороны, увеличивает потери в СПП инвертора. На указанные показатели также влияет способ формирования выходного напряжения.
Поэтому для определения частоты модуляции необходимо рассматривать взаимно противоречивые критерии качества регулирования: потери в СПП - коэффициент пульсаций момента.
С учетом возможностей применяемых в настоящее время систем охлаждения от одного IGBT-модуля возможно отвести не более 2 кВт потерь, что составляет 24 кВт на один преобразователь. С точки зрения допустимых воздействий на элементы тяговой передачи величина пульсаций электромагнитного момента не должна превышать 20%. Эти величины использовалась в качестве ограничений области допустимых значений по первой паре критериев на диаграммах потери в СПП преобразователей - коэффициент пульсаций момента, приведенных на рисунке 4 (выделены серым цветом).
Анализ полученных диаграмм показывает, что при питании от трехуровневого АИН обеспечение требуемого уровня пульсаций момента АТД может быть достигнуто при величине потерь в преобразователе намного ниже допустимого уровня для любого вида модуляции. В случае питания АТД от двухуровневого АИН обеспечение того же уровня пульсаций мо-
мента и допустимого уровня потерь возможно только при использовании алгоритмов формирования напряжения, реализующих принципы ПВШИМ.
Рис. 4. Зависимость потерь в СПП преобразователей от коэффициента пульсаций момента
Поскольку параметры быстродействия САР АТД зависят от частоты модуляции АИН, ее окончательный выбор должен производиться с учетом требований к динамическим свойствам АТЭП. Как было отмечено выше, некомпенсированная постоянная времени регулирования момента должна быть не более 3-5 мс в зависимости от типа механической части локомотива и параметров АТД. Для получения требуемого быстродействия АТЭП частота модуляции АИН должна быть не ниже 800-1000 Гц [8].
Поскольку увеличение частоты модуляции приводит к росту потерь в СПП, ее определение необходимо производить с учетом еще одной пары критериев: потери в СПП и быстродействие регулирования момента. На рисунке 5 приведены диаграммы потери в СПП преобразователей - постоянная времени регулирования момента, соответствующие этой паре критериев. В качестве ограничения области допустимых значений использовалась постоянная времени регулирования момента 4 мс (соответствует частоте модуляции АИН 800 Гц).
Как показывают приведенные на рисунке 5 результаты, частота модуляции инвертора, определенная из условия обеспечения требуемого быстродействия регулирования, может быть реализована для всех трех вариантов схем питания при использовании всех видов модуляции (ШИР, СШИМ, ПВШИМ). Однако применение ПВШИМ, кроме того, позволяет значительно снизить потери в преобразователе (до 30-35%).
В результате сравнения значений частоты модуляции, полученных по критериям допустимого уровня пульсаций момента и обеспечения быстродействия регулирования с учетом потерь в СПП, обосновано, что ее величина должна быть в диапазоне 1000-1500 Гц. При выборе этого значения
определяющим является критерий обеспечения требуемого уровня пульсаций момента, в особенности для схем с двухуровневым АИН.
Питание АТД от двухуровневого АИН
Питание АТД по схеме с двойной звездой
Питание АТД от трехуровневою АИН
Рис. 5. Зависимость потерь в СПП преобразователей от некомпенсированной постоянной времени регулирования момента АТД
3 Анализ работы АТЭП
При проектировании электровоза с АТЭП возникает необходимость комплексной оценки принципов построения и алгоритмов функционирования системы управления ТЭП, их влияния на работу отдельного оборудования и подсистем ЭПС.
Для решения задач по комплексному анализу работы АТЭП как электромеханической системы создана математическая модель электровоза [1], [2], [8], включающая в себя модели АТД, устройств преобразования электроэнергии, системы управления, механической части электровоза, процессов в контакте колесо-рельс. С ее помощью могут проводиться исследования во всех режимах работы электровоза, включая трогание с места и движение с малой скоростью, учитываться все основные факторы, влияющие на точность представления процессов.
Процесс трогания с места и разгона электровоза является одним из наиболее ответственных нестационарных режимов работы АТЭП. Поэтому с помощью разработанной компьютерной модели выполнен анализ электромеханических процессов в этом режиме. В рассматриваемом случае САР реализована с автоматическим поддержанием потокосцепления ротора. Структура системы управления, способы и принципы регулирования описаны в [8]. Процесс трогания электровоза происходит следующим образом. После того как на контроллере машиниста установлена величина *
момента (Мз ) тяговых двигателей, система управления намагничивает АТД и увеличивает по линейному закону задание моментов на валах АТД. Результаты расчетов приведены на рисунке 6. Показаны графики изменения модуля и положения вектора напряжения статора на выходе САР
(U и ф ), линейного напряжения на выходе АИН (ил) первой тележки,
фазного тока, потокосцепления ротора, заданного и реализованного моментов, частоты вращения ротора первого АТД (1ф\, Yr\, Мз\, Мэм1, Wi). Приведены силы сцепления левого и правого колес первой КП (Асц1п и Асц1п), усилия в наклонных тягах (Fxi, F^i, F^).
0,0 0,5 i,0 1,5 2,0 2,5 t, с
Рис. 6. Процессы в АТЭП электровоза при трогании с места Заключение
Анализ результатов показал, что рассмотренная система управления АТЭП позволяет выполнять регулирование потокосцепления и момента
при пуске и разгоне электровоза с хорошими динамическими показателями. Качество регулирования остается высоким во всем диапазоне нагрузок и скоростей, начиная от стоповых и околостоповых режимов вплоть до конструкционной скорости. Это подтверждает правильность принятых при ее разработке положений, в частности способа регулирования АТД, быстродействия, структуры и принципов синтеза.
Библиографический список
1. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю. А. Бахвалов, Г. А. Бузало, А. А. Зарифьян, П. Г. Колпахчьян и др.; ред. А. А. Зарифьян. - М.: Маршрут, 2006. - 372 с.
2. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом / Ю. А. Бахвалов, А. А. Зарифьян, В. Н. Кашников, П. Г. Колпахчьян и др.; ред. Е. М. Плохов. - М.: Транспорт, 2001. - 286 с.
3. О выборе типа тягового электропривода электроподвижного состава / Л. А. Мугинштейн, Л. А. Кучумов, О. Н. Назаров // Железнодорожный транспорт. -2005. - № 5. - С. 42-48.
4. Новый подвижной состав // Локомотив. - 2005. - С. 2-4.
5. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава / В. Д. Тулупов. - М.: Транспорт, 1978. - 368 с.
6. Быстродействие тягового электропривода - резерв повышения тяговых свойств локомотивов / В. В. Литовченко, В. А. Шаров, П. Ю. Петров // Материалы VI Междунар. науч.-техн. конференции, посвященной 100-летию Моск. гос. ун-та путей сообщ. (МИИТ), «Проблемы развития локомотивостроения», Москва 28-31 октября 1996 г. - М., 1996. - 81 с.
7. Анализ способов управления асинхронным тяговым двигателем на электро -подвижном составе / П. Г. Колпахчьян, П. Ю. Петров // Вестник Всерос. науч.-исслед. и проект.-конструкт. ин-та электровозостроения. - 2005. - № 2(49). - С. 174-187.
8. Адаптивное управление асинхронным тяговым приводом магистральных электровозов / П. Г. Колпахчьян. - Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2006. - 131 с.
9. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотнорегулируемых асинхронных электроприводах / А. Д. Поздеев . - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1998. - 172 с.
