CC BY
19
УДК 621.3.077
А. С. Мазнев, В. А. Баранов, А. А. Киселев, И. П. Викулов
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КЛЮЧЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В УСТРОЙСТВАХ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОЛЛЕКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Дата поступления: 08.10. 2018 Решение о публикации: 17.10. 2018
Аннотация
Цель: Разработка бесконтактных устройств на основе полупроводниковых ключевых приборов для ограничения бросков тока тяговых двигателей после восстановления напряжения контактной сети. Методы: Проводилась оценка возможностей предлагаемых технических решений, обеспечивающих восстановление напряжения на токоприемнике электрического подвижного состава без бросков тока, с помощью имитационной модели. Результаты: Установлено, что полупроводниковые ключевые приборы в предлагаемом техническом решении устройства позволяют исключить броски тока электродвигателя при восстановлении питания. Практическая значимость: Рассмотренный вариант устройства ограничения тока повышает эксплуатационную надежность тяговых двигателей в нестационарных режимах работы.
Ключевые слова: Тяговый двигатель, броски тока, восстановление напряжения, полупроводниковые ключевые приборы.
Alexander S. Maznev, D. Eng. Sci., professor, maznev-as@mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University); Valeriy A. Baranov, Cand. Eng. Sci., station duty officer (October traffic control directorate), baranov-orw@yandex.ru; *Alexander A. Kiselev, postgraduate student, akiselev1995@mail.ru; Ilya P. Vikulov, Cand. Eng. Sci., associate professor, i-vikulov@mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University). SEMICONDUCTOR KEY ELEMENTS IN CURRENT RESTRICTING DEVICES OF COMMUTATOR MOTORS
Summary
Objective: To develop noncontact equipment on the basis of semiconductor key devices for the purpose of current rush restriction in driving motors after voltage recovery of catenary system. Methods: The suggested engineering solutions were estimated by means of a simulation model, the former providing voltage recovery in current collecting device of the electric stock without current rush. Results: It was established that semiconductor key devices in the given engineering solution make it possible to avoid current rush in the electric motor during voltage recovery. Practical importance: The examined variant of current restriction equipment improves service reliability of driving motors in transient operating regimes.
Keywords: Driving motor, current rush, voltage recovery, semiconductor key devices.
В процессе эксплуатации электроподвижной состав (ЭПС) электрифицированных железных дорог испытывает значительные воздействия со стороны пути и контактной сети [1-3]. Внутренние и внешние перенапряжения, приводящие к снятию и восстановлению питания, отражаются на коммутации двигателей, что в ряде случаев приводит к выходу их из строя [4].
Разработаны многочисленные и разнообразные устройства, обеспечивающие ограничение амплитуды тока двигателя после восстановления напряжения на его коллекторе, содержащие емкостные накопители энергии, полупроводниковые приборы и дополнительные источники питания [5, 6].
На рис. 1 изображена схема, позволяющая ограничить или исключить броски тока якоря после восстановления питания на токоприемнике ЭПС, которые могут многократно превышать номинальный ток тягового двигателя [7].
Рис. 1. Схема ограничения тока двигателя на основе тиристоров
Схема содержит однооперационный тиристор У81, при отпирании которого протекает ток двигателя по контуру плюсовая клемма источника питания - тиристор У81 - обмотка якоря Я двигателя - обмотка возбуждения ОВ двигателя - минусовая клемма источника питания, однооперационный тиристор У82, защитный полностью управляемый тиристор У83, датчик напряжения ДН, контролирующий ЭДС вращения двигателя (пускорегули-рующая система тягового двигателя на рисунке не показана).
При отрыве токоприемника токи якоря и возбуждения снижаются до нуля за время, определяемое параметрами двигателя и продолжительностью интервала времени перерыва питания (2-3 с), тиристор У81 запирается. Для исключения бросков тока якоря после восстановления напряжения отпирается тиристор У83, подключая обмотку возбуждения к источнику питания. Ток возбуждения увеличивается, что приводит к росту магнитного потока
ОС -J
Рис. 2. Схема математической модели тягового двигателя с тиристорным устройством защиты от бросков тока: Uks - блок формирования напряжения контактной сети, определяемого в блоке Voltage (V); R , L - блок сопротивления и индуктивности контактной сети; Ideal Switch - блок выключателя питания с определением времени переключения блоком Stair
Generator; VS1, VS2, VD - блоки силовых полупроводниковых приборов; DT, DV - блоки измерения тока и напряжения якоря; Dvigatel - блок тягового двигателя с задачей скорости блоком v (km/h), выводами обмотки якоря b+ и b-, обмотки возбуждения c+ и с- и вычислением тока возбуждения If и ЭДС вращения СФ^ Sau - блок системы управления; Scope - блок осциллографа
и электродвижущей силы (ЭДС) вращения двигателя. При условии равенства ее напряжению питания отпирается тиристор У81, подключая тяговый двигатель к питающей сети без бросков тока. Датчик тока ДТ в цепи тиристора У83 определяет момент запирания последнего в соответствии с заданным значением тока возбуждения.
Для исследования процессов в схеме защиты двигателей от бросков тока в среде МЛТЬЛВ с помощью пакета 81шиНпк [8, 9] разработана математическая модель, представленная на рис. 2.
Исходные данные моделирования:
1) напряжение сети и = 3300 В;
2) скорость движения ЭПС V = 50 км/ч;
3) сопротивление и индуктивность обмотки якоря гя = 0,0939 Ом и Ь = 0,001 Гн;
4) сопротивление и индуктивность обмотки возбуждения г = 0,1 Ом и Ьв = 0,002 Гн [10].
Адекватность математической модели подтверждается полученными осциллограммами токов и ЭДС вращения двигателя в режиме снятия-восстановления питания (рис. 3).
На рис. 4 приведены осциллограммы токов и ЭДС вращения тягового двигателя при работающем тиристорном устройстве ограничения броска тока. Из него видно, что устройство обеспечивает работу тягового двигателя без броска тока якоря.
9 9,5 Ю 10,5 11 11,5 12 12,5 15 Г; с
Рис. 3. Осциллограммы токов и ЭДС вращения тягового двигателя в режиме снятия-восстановления напряжения
9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 1 с
Рис. 4. Осциллограммы токов и ЭДС вращения тягового двигателя при работающем тиристорном устройстве защиты от бросков тока
К недостаткам рассмотренной схемы можно отнести невозможность плавного регулирования тока возбуждения. Устранить такой недостаток позволяет схема, изображенная на рис. 5.
В исходном состоянии после включения контактора К конденсатор С заряжается через резистор Я. Однооперационный тиристор У81 создает цепь протекания тока двигателя. После отрыва токоприемника ток якоря спадает до нуля, тиристор У81 запирается, а ток возбуждения замыкается через диод VD. Восстановление напряжения на токоприемнике позволяет осуществлять подпитку и регулирование тока возбуждения двигателя с по-
Рис. 5. Схема ограничения тока двигателя на основе емкостного накопителя
ЧО о
Рис. 6. Схема математической модели тягового двигателя с емкостным устройством защиты от бросков тока
мощью полностью управляемого тиристора У82 и диода Уи. Полученные осциллограммы с помощью модели (рис. 6) подтверждают возможность стабилизации тока якоря без броска тока возбуждения (рис. 7).
Рис. 7. Осциллограммы токов и ЭДС вращения тягового двигателя при работающем емкостном устройстве защиты от бросков тока
По результатам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:
1) использование полупроводниковых ключевых элементов в схемах защиты тяговых двигателей дает возможность исключить броски тока при восстановлении напряжения на токоприемнике;
2) предложены варианты систем защиты тяговых двигателей, отличающиеся простотой и эффективностью.
Библиографический список
1. Романов А. В. К вопросу о взаимодействии пути и подвижного состава при высокоскоростном движении поездов / А. В. Романов, Е. И. Шехтман // Бюл. результатов науч. исследований. - 2013. - Вып. 3 (8). - С. 48-53.
2. Мещеряков В. А. Методика моделирования динамики токоприемника электроподвижного состава как механической системы / В. А. Мещеряков, Р. А. Чертов // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта : сб. науч. статей с международным участием. - Омск : ОмГУПС, 2011. - С. 221-226.
3. Мельниченко О. В. Повышение качества напряжения на токоприемнике электровоза переменного тока при его работе : учеб. пособие / О. В. Мельниченко, Ю. В. Газизов, А. О. Линьков. - Иркутск : ИрГУПС, 2015. - 104 с.
4. Карзова О. А. Влияние параметров контактной сети на значение скорости нарастания тока при коротких замыканиях в силовых цепях электроподвижного состава / О. А. Карзова // Эксплуатация и ремонт средств транспорта. - Вестн. Днепропетровск. нац. ун-та ж.-д. транспорта. - 2014. - Вып. 2 (50). - С. 49-57.
5. Мазнев А. С. Ограничение тока тяговых двигателей электроподвижного состава с коллекторным тяговым приводом в нестационарных режимах / А. С. Мазнев, И. П. Ви-кулов, В. А. Баранов // Вестн. ВЭЛНИИ. - 2015. - № 1 (69). - С. 59-71.
6. Курочка А. Л. Испытания тяговых машин и аппаратов электрических локомотивов и тепловозов / А. Л. Курочка, А. Л. Лозановский, Л. Л. Зусмановская. - М. : Транс-желдориздат, 1959. - 216 с.
7. Устройство для регулирования скорости тяговых электродвигателей. -Полезная модель 180868 / А. С. Мазнев, И. П. Викулов, В. А. Баранов. - Заявка 2017139986 от 16.11.2017 г. - Опубл. : 28.06.2018 г. - Бюл. № 19.
8. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МЛТЬЛВ 6.0 / С. Г. Герман-Галкин. - СПб. : Корона-принт, 2001. - 320 с.
9. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в МЛТЬЛВ, Б1ш-Ро-№егВу81еш8 и БтиИпк / И. В. Черных. - М. : ДМК Пресс; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.
10. Плакс А. В. Системы управления электрическим подвижным составом : учебник для вузов ж.-д. транспорта / А. В. Плакс. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте ; Маршрут, 2005. - 358 с.
References
1. Romanov A. V. & Shekhtman Y. I. K voprosu o vzaimodeistvii puty i podvizhnogo sostava pry vysokoskorostnom dvizhenii poyezdov [On the issue of track and rolling stock interaction under high-speed train operation]. Byulleten rezultatov nauchnykh issledovaniy [Bulletin of research results], 2013, vol. 3 (8), pp. 48-53. (In Russian)
2. Meshcheryakov V.A. & Chertov R.A. Metodika modelirovaniya dinamiky tokopriyem-nika elektropodvizhnogo sostava kak mekhanicheskoy sistemy [Current collecting device dynamics of an electric motive power as a mechanical system: simulation technique]. Aktualniye problemy proektirovaniya i ekspluatatsii kontaktnykh podvesok i tokopriyemnikov elektricheskogo transporta: sbornik nauchnykh statey s mezhdunarodnym uchastiyem [Topical issues of design and maintenance of catenary and current collectors for electric transport: collection of scientific articles with international participation]. Omsk, OmGUPS Publ., 2011, pp. 221-226. (In Russian)
3. Melnichenko O. V., Gazizov Y. V. & Linkov A. O. Povysheniye kachestva napryazheniya na tokopriyemnike elektrovozaperemennogo tokapryyego rabote [Voltage quality improvement in current collector of an alternating current locomotive during its operation]. Ucheb. posobiye [Tutorial]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2015, 104 p. (In Russian)
4. Karzova O.A. Vliyaniye parametrov kontaktnoy sety na znacheniye skorosty narasta-niya toka pry korotkykh zamykaniyakh v silovykh tsepyakh elektropodvizhnogo sostava. Eksplu-
atatsiya i remont sredstv transporta [The influence of catenary system parameters on the rate of current buildup in case of faults in power supply circuits of an electric motive power. Transport operation and maintenance]. VestnikDnepropetrovskogo natsionalnogo universiteta zheleznodoro-zhnogo transporta [Proceedings of Dnepropetrovsk National University of Railway Transport], 2014, issue 2 (50), pp. 49-57. (In Russian)
5. Maznev A. S., Vikulov I. P. & Baranov V.A. Ogranicheniye toka tyagovykh dvigateley elektropodvizhnogo sostava s kollektornym tyagovym privodom v nestatsionarnykh rezhimakh [Current restriction of the electric stock driving motors with collector electric motor in transient regimes]. VELNII [All-Russian Research and Design Institute of Electronic Locomotive Building] Proceedings, 2015, no. 1 (69), pp. 59-71. (In Russian)
6. Kurochka A. L., Lozanovskiy A. L. & Zusmanovskaya L. L. Ispytaniya tyagovykh mashin i apparatov elektricheskykh lokomotivov i teplovozov [Testing of traction machines and units of electric and diesel locomotives]. Moscow, Transzheldorizdat Publ., 1959, 216 p. (In Russian)
7. Ustroistvo dlya regulirovaniya skorosty tyagovykh elektrodvigateley [Variable speed control device for railway motors]. Useful model 180868. Auth: A. S. Maznev, I. P. Vikulov, V.A. Baranov. Application 2017139986 dated 16.11.2017. Publ. 28.06.2018. Bull. no. 19. (In Russian)
8. German-Galkin S. G. Kompyuternoye modelirovaniye poluprovodnikovykh system v MATLAB 6.0 [Computer modeling of semiconductor systems in MATLAB 6.0]. Saint Petersburg, Korona-print Publ., 2001, 320 p. (In Russian)
9. Chernykh I. V. Modelirovaniye elektrotekhnicheskykh ustroistv v MATLAB, SimPower-Systems i Simulink [Modeling of electrical devices in MATLAB, SimPowerSystems andSimulink]. Moscow, DMK Press Publ., Saint Petersburg, Peter Publ., 2008, 288 p. (In Russian)
10. Plaks A. V. Sistemy upravleniya elektricheskym podvizhnym sostavom: uchebnik dlya vuzov zh.-d. transporta [The electric stock operating systems: railway transport college textbook]. Moscow, Uchebno-metodychesky tsentr po obrazovanyju na zheleznom transporte [Railway educational training center] Publ., Marshrut (Route) Publ., 2005, 358 p. (In Russian)
МАЗНЕВ Александр Сергеевич - д-р техн. наук, профессор, maznev-as@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); БАРАНОВ Валерий Александрович - канд. техн. наук, дежурный по станции (Октябрьская дирекция управления движением), baranov-orw@yandex.ru; *КИСЕЛЕВ Александр Александрович - аспирант, akiselev1995@mail.ru; ВИКУЛОВ Илья Павлович - канд. техн. наук, доцент, i-vikulov@mail.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
