CC BY
46
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
ЕЛЕКТРИЧНИИ ТРАНСПОРТ
УДК 656.259.2
Ю. С. БОНДАРЕНКО1*
1 Каф. «Електротехшка та електромехашка», Дтпропетровський нацюнальний утверситет з^зничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-5306-4820
ПЕРЕДУМОВИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНО1 СУМ1СНОСТ1 ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДУ В СТРУКТУР1 СИСТЕМИ ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
Мета. Застосування фiзичного моделювання в якостi шструменту для проведения дослвджень будь-яких явищ або систем набувае все бiльш широкого розповсюдження, у тому числi й у галузi залiзничного транспорту. При цьому адекватнiсть результатiв, що !х можна отримати, багато в чому залежить ввд ступеню подабносп фiзично! модел1 до реально! системи. З точки зору дослдження тягового асинхронного електроприводу (АТЕП), у сукупносп з системою тягового електропостачання, подiбнiсть не може визначатися прямою пропорцшшстю параметрiв, адже характер процесiв, що супроводжуе роботу цих систем, е нелшйним. Цi особливостi мають бути врахован в експериментальнiй установцi, основою побудови яко! е встановлення подiбностi систем, що й визначае мету дано! роботи. Методика. В основi створення експериментально! установки лежало вщтворення процесiв енергоперетворення в системi тягового електропостачання постiйного струму. Визначення ступеню подiбностi пропоновано! установки з реальною системою здшснювалось iз використанням основних теорем теорп подiбностi, !х додаткових положень щодо складностi та нелшшносп систем, а також елеменпв математичного анал1зу. Результати. За результатами роботи: 1) Отримано струк-турну схему, механiзм енергоперетворення яко! е подiбним до реально! системи. Дана схема е основою експериментально! установки, побудовано!, надал^ для досл1дження електромагштно! сумiсностi АТЕП у структурi системи тягового електропостачання постшного струму; 2) Встановлено подiбнiсть отримано! структурно! схеми до реально! системи з визначенням мехашзму розрахунку масштабних вiдношень. Наукова новизна. У процеа встановлення подiбностi запропоновано спрощену методику визначення масштабних вщношень для нелiнiйних систем, яш мають у сво!й структурi однаковi складовi, але рiзнi граничш параметри. Практична значимiсть. Експериментальне дослщження електро-магнiтно! сумiсностi АТЕП у структурi системи тягового електропостачання постiйного струму з використанням елеменпв теорi! подiбностi дозволить отримати бiльш адекватнi результати ^ як наслвдок, створити передумови подальшого покращення процесу сукупного функцюнування сумiжних систем електрифiкованих залiзниць.
Ключовi слова: тяговий асинхронний електропривод; теорiя подiбностi; масштабнi вiдношення; експери-ментальна установка
Вступ
Впровадження на зашзницях Укра!ни елект-рифшованих постшним струмом електрорухо-мого складу (ЕРС) з тяговим асинхронним елек-троприводом (АТЕП) е на сьогодш одним з клю-чових напрямюв !х розвитку. Поява у структур! системи тягового енергопостачання тако! скла-дово! може вносити деяю «корективи» у роботу сум1жних систем - здебшьшого систем сигнал1-зацл, централ!зацп та блокування (СЦБ), що I так зазнають значного електромагштного впливу [8, 17]. З метою запоб1гання можливим негати-вним наслщкам тако! взаемно! роботи постае
необхщшсть дослщження впливу ЕРС з АТЕП на вказаш системи електрифшованих зал1зниць.
Мета
З точки зору методу дослщжень обрано ф1зич-не моделювання, точнють та адекваттсть результата якого багато в чому залежить вщ ступеня под1бносп ф1зично! модел до реально! системи [19]. У зв'язку з цим, на першому етат виконання експериментального дослщження, постае необхвд-тсть розробки структурно! схеми експериментально! установки, яка буде максимально точно вщ-творювати процеси у реальнш систем!, що в свою чергу вимагае встановлення под1бносп систем.
© Ю. С. Бондаренко, 2014
Методика
Зпдно з третьою теорieю подiбностi, теорею М. В. Кирпичева та А. А. Гухмана [8, 10, 11], необхщними та достаттми умовами для створен-ня подiбностi е пропорцiйнiсть параметрiв, що входять до умов однозначности та рiвнiсть критерий подiбностi зютавляемих процесiв.
В загальному виглядi процеси в дослщжува-ному об'ектi описуються за допомогою системи диференцiйних рiвнянь, що характеризують вза-емодiю мiж факторами та параметрами остан-нього. Таким чином, необидною умовою подiб-ностi двох об'ектiв е однаковий вигляд системи диференцiйних рiвнянь [6, 8], а, отже, однаковий характер взаемоди складових частин дослiджу-ваних систем.
На рис. 1 наведено узагальнену структурну схему енергоперетворення у системi тягового електропостачання постiйного струму з вклю-ченням до И складу електровоза з АТЕП.
Тяговап1дстанц1я
Тяговий тран сфор матор —Э Тяговий випрямляч
ЕРС > г
Асинхронний Автономний
двигун швертор напруги
t t
Моп Система керування
Рис. 1. Узагальнена структурна схема енергоперетворення у систем! тягового електропостачання постшного струму
Fig. 1. Generalized block diagram of the energy conversion in the system of traction power supply of DC
Очевидно, що робота кожно! 3i складових ланок наведено! системи описусться вщповщ-ною системою диференцшних рiвнянь, якi характеризують процеси !х функцiонування. З ще! точки зору можна зробити припущення, що зад-ля забезпечення подiбностi фiзично! моделi до
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацiонального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
реально! системи, в першому наближенш, доста-тнiм е збереження послiдовностi процесу енергоперетворення, який в цьому випадку реалiзу-еться за такою схемою (рис. 1): тяговий трансформатор - тяговий випрямляч (енерпя змшно-го струму в енерпю постiйного струму); тяговий випрямляч - статичний перетворювач частоти ЕРС (енерпя постшного струму в енерпю змш-ного струму).
На рис. 2 наведено структурну схему експе-риментально! установки, що пропонуеться до ре-алiзацi!, розроблену вщповщно до наведеного вище. Вона дозволяе здiйснити узагальнений аналiз процесiв енергоперетворення, що супрово-джують !! функцiонування, а також встановити стутнь подiбностi до реально! системи у першому наближенш. Проаналiзуемо вказаш процеси.
Статичний перетворювач частоти
Вх1дний випрямляч —> —* Авт ономний ¡нвертор напруги
>
Мережа живлення змшного струму Асинхронний двигун
У оп
Система керування м
Рис. 2. Структурна схема експериментально!' установки, що пропонуеться до реалiзацii
Fig. 2. Block diagram of the experimental facility, which is proposed for implementation
Вхщний випрямляч статичного перетворю-вача частоти в цьому випадку виконуе роль ви-прямляча тягово! пiдстанцi! (рис. 2) та в сукуп-ностi з мережею змшного струму утворюе ланку перетворення енергi! змiнного струму в енерпю постшного струму. В той же час, автономний швертор напруги здшснюе перетворення енергi! постiйного струму, що надходить вiд вхвдного випрямляча, в енерпю змшного струму. Тобто мехашзм перетворення енергп у створенiй уста-новцi повнiстю вiдтворюе механiзм перетворен© Ю. С. Бондаренко, 2014
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
ня енергп у реальнш система З цього факту мо-жна зробити висновок, що в першому набли-женш системи е под1бними.
Для бшьш повного оцшювання ступеня подь бност двох систем е необхщним встановлення вщповщних критерив под1бност1, що передбачае детальний анатз функцюнальних залежностей м1ж ф1зичними параметрами, яю характеризу-ють процеси в дослщжуваних системах.
Оскшьки останш нашчують у своему склад1 декшька складових елеменпв, вони е складними. Згщно з першою додатковою теоремою про по-д1бн1сть таю системи е под1бними, якщо забез-печуеться под1бн1сть вс1х складових елеменпв, яю для них е загальними. Тобто постае задача визначення та пор1вняння критерив под1бност1 для спшьних складових систем [2, 8].
В практищ виршення задач1 встановлення под1бност1 юнуе два основних способи встановлення критерив под1бност1 [2] - приведения р1в-нянь ф1зичного процесу до безрозм1рного виду та з використанням п-теореми. Перший спошб передбачае використання р1вняння або системи р1внянь, що характеризуюсь дослщжуваш процеси. Другий е бшьш ушверсальним, адже може
бути застосованим i для випадюв, коли вщомий лише перелiк характерних параметрiв об'ектiв дослiджень. Оскiльки для деяких складових на-ведених систем прийнятними е рiзнi режими роботи, яю характеризуються рiзними системами диференцшних рiвнянь, то з точки зору спрощення дослiджень використання другого способу знаходження критерив подiбностi е бшьш рацiональним.
Аналiз наведених вище структурних схем дозволяе визначити т складовi !х частини, якi е бшьшою мiрою аналогiчними - це випрямля-чi, автономнi iнвертори напруги (А1Н) та асин-хроннi двигуни. Розглянемо кожну з них.
В практищ аналiзу процесiв енергопере-творення в будь-яких електричних системах ос-новними рiвияниями, що !х характеризуют^ е рiвияния напруг [3, 6, 7, 19, 20]. Цей принцип дозволяе використовувати щ рiвняння як базовi пiд час оцiнювання ступеня подiбностi систем.
В табл. 1 наведено рiвняння напруг для ко-жно! зi складових реально! системи та моделi [3, 5, 12]. Для трифазних елеменпв систем рiв-няння наведено для одше! фази енергоперетво-рення.
Р1вмяммя напруг складових елеменпв систем
Stress equation of system components
Таблиця 1
Table 1
Елемент системи Модель Реальна система
Трансформатор U2 = U2m sin(rat) U2 = U2m sin(at)
- 6-пульсовий мостовий 3 +п6 Ud =- f U2тЛ c0s(at)dat п-п/ 6 Л
Випрямляч 1 п Ud = — f U2m sin(rat)dat п ^ 0 - 2 зворотш з1рки з ур1внюючим реактором 3 -3 п 3 г п Ud = — 1 U2 (cos(rat) + cos(rat--))dat п 0 Ф 3 - 12-пульсовий +п/12 =7 f (J3U21m ^""¡Г) + U22m c0s(^-))c0s(at)dat 6 -п 12 12 12
Автономний швертор напруги 1 п Us (k) = U sin((k --) -) 2 e 1п Us (k) = U sin((k --) -) 2 e
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
Вiзуальне порiвняння наведених рiвнянь шд-тверджуе !х вiдповiднiсть, а отже i однаковiсть характеру енергоперетворення. Згiдно з теорiею подiбностi це е одшею з достатнiх умов подiб-ностi моделi до реально! системи. Виняток скла-дають лише рiвняння для випрямлячiв, вiзуальна подiбнiсть яких вiдсутня.
Перелiк рiвнянь напруг для випрямлячiв наведений вщповщно до типу схем, що на сьогодш знаходять застосування у системах тягового еле-ктропостачання залiзниць постiйного струму [14]. Не зважаючи на вщсутшсть вiзуально! по-дiбностi перелiк параметрiв, що характеризують процеси, е однаковим. А, отже, при знаходженнi критерпв подiбностi, згiдно з вiдповiдною методикою [2, 8], однаковими будуть i матриц роз-мiрностей, що вказуе на однаковють критерпв подiбностi. В такому випадку, згiдно з [2, 6, 8, 10, 11], найпроспшою необхщною умовою юну-вання подiбностi залишаеться наявнiсть пропор-цшносп параметрiв, що входять до умов одно-значностi.
З точки зору характеру дослщжень, а також вщповщно до специфiки моделювання електро-енергетичних систем [8], таким параметром е !х встановлена потужнiсть. Вiдповiдно до цього, для остаточного встановлення подiбностi е не-обхiдним здiйснити приведення потужност пропоновано! фiзично! моделi до потужносп реально! системи, тобто визначити вщповщш масштабнi коефiцiенти.
Для пояснення методики пошуку проведемо визначення шуканих коефiцiентiв для однiе! зi складових розглянутих структурних схем - аси-нхронних двигунiв. В цьому випадку встановлення масштабних вiдношень здшснюетъся з урахуванням використання у склад розглянутих систем двигунiв потужшстю 750 Вт, на приклад АИР71А2, що встановленi в частотних приводах лабораторш кафедри «Електротехнiка та електромехашка» та 1 200 кВт, на приклад СТА1200У1, що використовуеться у складi тягового електроприводу ЕРС з АТЕП [15].
Складнють визначення масштабних коефщ> ентiв полягае у наявност значно! розбiжностi параметрiв зiставляемих об'ектiв та нелшшнос-т !х характеристик. В теорi! подiбностi та моделювання [6, 8] подiбнiсть таких систем ви-значаеться з використанням другого додатково-го положення про подiбнiсть шляхом побудови вщносних характеристик нелiнiйних парамет-
р1в. В цьому випадку отримання необхщних масштабних вщношень виконуеться з викорис-танням характеристики, отримано! шляхом усереднення побудованих вщносних характеристик. Останш е граф1чними залежностями, що характеризують змшу параметр1в систем, виражених у долях вщносно деяко! базисно! величини [8].
На рис. 3 наведено граф1чш залежност виду I1 = f(P2) [3], побудоваш для вказаних двигушв з урахуванням застосування друго! додат-ково! теореми про под!бшсть. Як базисш пара-метри в цьому випадку прийнято номшальш струм та потужнють вщповщно.
1 ш 11,А {{0,75 kW)) • И.А {(1200kW))
•
« ■
■
• •
■ 1 ^
0,0 0.2 0,4 0.6 0,В 1,0 1,2 1,4 Р2, в.д.
Рис. 3. Ввдносш характеристики асинхронних двигушв
Fig. 3. Relative characteristics of asynchronous motors
Анатз цих граф1чних залежностей вказуе на значну незб1жшсть вщносних характеристик, що загалом не вщповщае умовам застосування додаткового положення про под1бшсть нел> ншних систем [8]. Тому його використання е недоцшьним.
В загальному випадку для отримання шуканих масштабних коефщенпв е необхщним ви-конати перехщ вщ характеристик двигуна потужшстю 750 Вт до характеристик двигуна потужшстю 1 200 кВт, здшснити який можливо шляхом !х штерполяцп деякими функщями.
На рис. 4 наведено штерпольоваш характеристики двигушв модел! та оригшалу, побудоваш в однш систем! координат (рис. 4, а), а також характеристики кожного з двигушв окре-мо. Побудову характеристик здшснено за до-помогою програмного середовища OriginPRO 8, що мае вбудовану функщю штерполяцп гра-ф1чних залежностей [4].
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
а - a
б - b
в - c
сии 500400-
300-
100 .
0- ■ ■
- для мало1 потужност1
IiM = 2,08073 -0,17117рм + 0,83006Р^ ; (1)
- для велико1 потужиосп 11В = 167,33333 + 39,20635P2 В +
+363,04762Р22В - 113,77778Р23В .
(2)
Отримаш вирази пов'язують мiж собою зна-чення струмiв двигунiв АИР71А2 потужнiстю 750 Вт та СТА1200У1 потужшстю 1 200 кВт. При цьому запропонована методика дозволяе визначати масштабш вiдношення для двигунiв будь-яко! потужностi, що вказуе на доцшьшсть И використання.
Асинхроннi двигуни, яю е головними ланками розглянутих систем (рис. 1, 2) е найбшьш нелiнiйними елементами. Iншi складовi цих схем енергоперетворення мають однаковi рiв-няння з лiнiйними масштабними коефiцiента-ми, як правило, за напругою. Тому, в подаль-шому, загальний масштабний коефщент для вше! системи приймаемо як добуток масштаб-них коефiцiентiв вшх складових ланок.
Кiнцевою метою встановлення масштабних вiдношень е приведення потужностей вшх складових розглянутих систем, а також !х потужностей в цшому. З урахуванням цього для прикладу розглянутих двигушв отримуемо:
Р.
КВИП.ВKIHB.BU2TP ' 11В (Р2В )
Р
0,0 0.2 0.4 0.S 0.6 1,0 1,2 Id Р2 о.в
Рис. 4. 1нтерпольоваш залежностi Il = f (P2) для двигунiв моделi та оригiналу:
а - штерпольоваш характеристики двигушв; б - характеристика двигуна АИР71А2; в - характеристика двигуна СТА1200У1.
Fig. 4. Intercalated dependencies I1 = f (P2) for the
engines of model and original:
а - intercalated dependencies of engines b - characteristics of the engine AIR71A2; c - characteristics of the engine STA1200U1.
Побудову характеристик (рис. 3, 4) здшсне-но з урахуванням [1, 13] для двигуна мало! по-тужносп, а також колово! д1аграми для двигуна СТА 1200 [16].
Результатом апроксимацп наведених граф1ч-них залежностей е анаттичш вирази, яю у по-дальшому дозволять отримати масштабш кое-фщ1енти для всього д1апазону потужностей:
1М
КВИП М К1НВ М UМЕР
■ I\M (Р2М )
(3)
звщки загальний масштабний коефщ1ент для розглянутих систем:
Р1ОР КВИП.М К1НВ.М и1В 11В (Р2В )
Р
1МОД
ВИП.М 1НВ.М ^W -МВУ-1 2В> КВИП.В К1НВ.В и1М 11М (Р2М )
(4)
де КВ
К В
- коефщенти перетворення
за напругою для випрямлячш системи мало1 та велико1 потужностей вщповщно (рис. 1, 2); К1НВМ, К1НВВ - коефщенти перетворення за напругою для А1Н; U2TP , иМЕР - напруга на пер-винному етат енергоперетворення обох систем (тяговий трансформатор - тяговий випрямляч, мережа зм1нного струму - вхщний випрямляч); 1\в (Р2В), 1\М (Р2М) - анаштичт вирази апроксимацп характеристик двигушв в загальному ви-глядц и1В, и1М - напруга живлення двигушв реально! системи енергоперетворення та модел1
тР =
вщповщно (вихщна напруга АИ). Очевидно, що дана складова в процес функщонування систем е змшною. Так змша вихвдно! потужносп елект-родвигуна здшснюетъся вщповщно до змши ви-хщно! напруги А1Н, що в свою чергу супрово-джуеться вщповщною змшою значення струму I1 (рис. 4). Таким чином, знаходження масштаб-них вщношень для струму автоматично призво-дить до знаходження масштабних вщношень для потужносп, що вказуе на можливють здшснення масштабного переходу вщ системи до системи лише за допомогою р1внянь апроксимацп (1) та (2). Кр1м того ц р1вняння можливо використову-вати у подальшому для знаходження числових значень масштабних коефшденпв не лише для двигушв, а й для систем в цшому.
Приклад визначення масштабних коефщен-т1в для струм1в двигушв наведено у табл. 2.
Таблиця 2
Визначення масштабних к'осфмиси'мв для двигушв АИР71А2 та СТА1200
Table 2
Determining the scale factors for AIR71A2 and STA1200 engines
Струм двигуна АИР71А2, А Струм двигуна СТА1200У1, А Визначений мас-штабний коефщент
2,08 168,5 81,14
2,09 198,2 94,83
2,21 267,0 120,8
2,41 349,6 145,0
2,7 444,4 164,6
3,19 567,0 177,8
Як бачимо, отримаш коефiцieнти e нелшш-ними, що пiдтверджуe можливють вщтворення не лише числових значень цього параметру, а й нелишний характер залежностей I = f (P2).
Результати
В результат роботи отримано структурну схему, мехашзм енергоперетворення яко! e по-дiбним до реально! системи. Ця схема e основою експериментально! установки, побудова-но!, в подальшому, для дослiдження електрома-гштно! сумюносп АТЕП у структурi системи тягового електропостачання постiйного струму; встановлено подiбнiсть отримано! структурно!
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
схеми до реально! системи з визначенням ме-хашзму розрахунку масштабних вщношень.
Наукова новизна та практична значимкть
В процесi встановлення подiбностi запропо-новано спрощену методику визначення масш-табних вiдношень для нелшшних систем, якi мають у сво!й структурi однаковi складовi, але рiзнi граничнi параметри.
Експериментальне дослiдження електромаг-штно! сумiсностi АТЕП в структурi системи тягового електропостачання постшного струму з використанням елементiв теорп подiбностi дозволить отримати бшьш адекватнi результати i, як наслщок, створити передумови подальшого покращення процесу сукупного функцiонування сумiжних систем електрифшованих залiзниць.
Висновки
Встановлення масштабних вщношень у су-купностi з попередшм визначенням критернв подiбностi дозволяе остаточно стверджувати, що розглянутi системи е подiбними. Такий ви-сновок тдтверджуе можливiсть створення експериментально! установки вщповщно до за-пропоновано! структурно! схеми, а також отри-мання з !! допомогою адекватних результатiв подальших дослiджень.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Асинхронные двигатели серии 4А : справ. /
A. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская. - М. : Энергоиздат, 1982. - 504 с.
2. Бабаков, М. Ф. Методы машинного моделирования в проектировании электронной аппаратуры / М. Ф. Бабаков, А. В. Попов. - Х. : Изд-во ХАИ, 2001. - 90 с.
3. Безрученко, В. Н. Электрические машины /
B. Н. Безрученко. - К. : Вища школа, 1980. -215 с.
4. Богданов, А. А. Визуализация данных в Micro-cal Origin / А. А. Богданов. - М. : Альтекс-А, 2003. - 104 с.
5. Богрый, В. С. Математическое моделирование тиристорных преобразователей / В. С. Богрый, А. А. Русских. - М. : Энергия, 1972. - 184 с.
6. Бойко, Н. Г. Теория и методы инженерного эксперимента : курс лекций / Н. Г. Бойко, Т. А. Устименко. - Донецк : ДНТУ, 2009 - 155 с.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
7. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобра- 14. зователи / А. Т. Бурков. - М. : Транспорт, 1999.
- 464 с.
8. Веников, В. А. Теория подобия и моделирова- 15. ния (применительно к задачам электроэнергетики) / В. А. Веников. - 2-е изд., прераб. и доп.
- М. : Высш. шк., 1976. - 479 с.
9. Вюш, М. Г. Щдвищення електромагнгтно!' сумь 16. сносп рейкових кш з електрорухомим складом подвшного живлення з асинхронними тяговими двигунами та тяговою мережею / М. Г. Вюш, 17. Д. О. Забарило // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Д., 2012.
- Вип. 40. - С. 75-82.
10. Гухман, А. А. Введение в теорию подобия. /
A. А. Гухман. - М. : Высшая школа, 1973. -
296 с. 18.
11. Кирпичев, М. В. Математические основы теории подобия / М. В. Кирпичев, П. К. Конаков. -М., Л. : Изд-во АН СССР, 1949. - 106 с.
12. Литовченко, В. В. Определение энергетических показателей электроподвижного состава 19. переменного тока с 4q-S-преобразователями /
B. В. Литовченко // Электротехника. - 1993. -№ 5. - С. 23-31.
13. Мощинский, Ю. А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по ката- 20. ложным данным / Ю. А. Мощинский, В. Я. Беспалов, А. А. Кирякин // Электричество. - 1998.
- № 4. - С. 38-42.
Прохорский, А. А. Тяговые и трансформаторные подстанции / А. А. Прохорский. - М. : Транспорт, 1983. - 496 с.
Соколов, Ю. Н. Электровоз ДС3. Конспект для локомотивных бригад. Устройство, управление, обслуживание / Ю. Н. Соколов. - К. : КУЕТТ, 2011. - 299 с.
ТХ 218.1039. Протокол квалификационных испытаний асинхронного двигателя СТА-1200У1.
- Харьков : ГП «Электротяжмаш», 2008. -100 с. Щека, В. I. Дослвдження впливу зворотнього тягового струму на режими роботи тональних рейкових кш / В. I. Щека, I. О. Романцев, К. I. Ящук // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2012.
- Вип. 42. - С. 24-28.
Application of similarity theory in research on consistency in multi-resolution modeling / C.-L. Hou, Y.-S. Jiang, X.-Z. Qi, X. Wei // Advanced Materials Research. - 2012. - Vol. 562-564. -P. 2128-2133.
Sandoval-Ibarra, F. Basic circuit to design switched-based DC-DC converters / F. Sandoval-Ibarra, J. R. Mercado-Moreno, R. H. Uriostegui-Vazquez // Revista Mexicana De Fisica. - 2007. -Iss. 53 (2). - P. 128-133.
Vasuki, P. Power factor improvement it three phase AC-AC converter through modified SPWM / Р. Vasuki, R. Mahalakshmi // Int. J. of Engineering Science and Technology (IJEST). - 2011. -Vol. 3, № 2. - Р. 1438-1445.
Ю. С. БОНДАРЕНКО1*
1 Каф. «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-5306-4820
ПРЕДПОСЫЛКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ТЯГОВОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА В СТРУКТУРЕ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель. Применение физического моделирования в качестве инструмента для проведения исследований любых явлений или систем приобретает все более широкое распространение, в том числе и в области железнодорожного транспорта. При этом адекватность результатов, которые можно получить, во многом зависит от степени сходства физической модели с реальной системой. С точки зрения исследования тягового асинхронного электропривода (АТЭП), в совокупности с системой тягового электроснабжения, сходство не может определяться прямой пропорциональностью параметров, ведь характер процессов, сопровождающий работу этих систем, является нелинейным. Эти особенности должны быть учтены в экспериментальной установке, основой построения которой является установление сходства систем, что и определяет цель данной работы. Методика. В основе создания экспериментальной установки лежало воспроизведение процессов энергопреобразования в системе тягового электроснабжения постоянного тока. Определение степени сходства предлагаемой установки с реальной системой осуществлялось с использованием основных теорем теории подобия, их дополнительных положений по сложности и нелинейности сис-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
тем, а также элементов математического анализа. Результаты. По результатам работы: 1) Получена структурная схема, механизм энергопреобразования которой подобен реальной системе. Данная схема является основой экспериментальной установки, построенной, в дальнейшем, для исследования электромагнитной совместимости АТЭП в структуре системы тягового электроснабжения постоянного тока; 2) Установлено сходство полученной структурной схемы с реальной системой с определением механизма расчета масштабных отношений. Научная новизна. В процессе установления сходства предложена упрощенная методика определения масштабных отношений для нелинейных систем, которые имеют в своей структуре одинаковые составляющие, но разные предельные параметры. Практическая значимость. Экспериментальное исследование электромагнитной совместимости АТЭП в структуре системы тягового электроснабжения постоянного тока с использованием элементов теории подобия позволит получить более адекватные результаты и, как следствие, создать предпосылки для дальнейшего улучшения процесса совокупного функционирования смежных систем электрифицированных железных дорог.
Ключевые слова: тяговый асинхронный электропривод; теория подобия; масштабные соотношения; экспериментальная установка
YU. S. BONDARENKO1*
1 Dep. «Electrical Engineering and Electromechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-5306-4820
BACKGROUNDS OF EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF TRACTION ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVES IN THE STRUCTURE OF DC TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM
Purpose. Application of physical modeling as a tool for research of any events or systems is becoming more widespread, including the field of railway transport. At the same time the adequacy of results that can be obtained, depends largely on the similarity degree of the physical model to real system. From the standpoint of the traction asynchronous electric drive (TAED) research together with the traction power supply system research, the similarity can not be determined by the direct proportion of the parameters, because the processes nature accompanying the operation of these systems is non-linear. These features should be taken into account in the experimental setup, the basis for constructing of which is establishing of the system similarity that defines the purpose of this paper. Methodology. At the heart of the experimental setup creation laid reproduction of processes of energy transformation in the system of the DC traction power supply. Determination of the similarity degree of the proposed facility to the real system was carried out using the basic theorems of the similarity theory, their additional provisions on the complexity and nonlinear systems, as well as elements of mathematical analysis. Findings. According to the results of work: 1) The block diagram, the energy conversion mechanism of which is similar to the real system was received. This scheme is the basis of experimental setup, built in the future for the study of electromagnetic compatibility of TAED in the structure of DC traction electric power supply system. 2) Similarity of obtained structural scheme with the real system with the mechanism definition of calculating the scaling relations was established. Originality. In the process of establishing the similarity a simplified method for determining the scaling relations for nonlinear systems was suggested. They are identical in their structure components, but have different capacities. Practical value. Experimental research of electromagnetic compatibility of TAED in the structure of traction power DC system using the elements of similarity theory will provide more adequate results and, as a consequence, create preconditions for further improvement process of the aggregate related systems functioning of electrified railways. Keywords: traction asynchronous electric drive; similarity theory; scaling relations; experimental setup
REFERENCES
1. Kravchik A.E., Shlaf M.M., Afonin V.I., Sobolenskaya Ye.A. Asinkhronnyye dvigateli serii 4A [Induction motors series 4A]. Moscow, Energoizdat Publ, 1982. 504 p.
2. Babakov M.F., Popov A.V. Metody mashinnogo modelirovaniya v proyektirovanii elektronnoy apparatury [Methods of computer simulation in the design of electronic equipment]. Kharkov, KhAI Publ., 2001. 90 p.
3. Bezruchenko V.N. Elektricheskiye mashiny [Electrical machines]. Kyiv, Vysshaya shkola Publ., 1980. 215 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 3 (51)
4. Bogdanov A.A. Vizualizatsiya dannykh v Microcal Origin [Data Visualization in Microcal Origin.]. Moscow, Alteks-A Publ., 2003. 104 p.
5. Bogryy V.S., Russkikh A.A. Matematicheskoye modelirovaniye tiristornykh preobrazovateley. [Mathematical modeling of thyristor converters]. Moscow, Energiya Publ., 1972. 184 p.
6. Boyko N.G., Ustimenko T.A. Teoriya i metody inzhenernogo eksperimenta [Theory and methods of engineering experiment]. Donetsk, DNTU Publ., 2009. 155 p.
7. Burkov A.T. Elektronnaya tekhnika ipreobrazovateli [Electronic equipment and converters]. Moscow, Transport Publ., 1999. 464 p.
8. Venikov V.A. Teoriya podobiya i modelirovaniya (primenitelno k zadacham elektroenergetiki) [Similarity theory and modeling (applied to the problems of electric power )]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1976. 479 p.
9. Visin M.G., Zabarilo D.O. Pidvyshchennia elektromahnitnoi sumisnosti reikovykh kil z elektrorukhomym skladom podviinoho zhyvlennia z asynkhronnymy tiahovymy dvyhunamy ta tiahovoiu merezheiu [Electromagnetic compatibility improvement of track circuits with electric stock of doubly-fed with asynchronous traction motor and traction network]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zal-iznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 40, pp.75-82.
10. Gukhman A.A. Vvedeniye v teoriyu podobiya [Introduction to the similarity theory]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1973. 296 p.
11. Kirpichev M.V., Konakov P.K. Matematicheskiye osnovy teorii podobiya. [Mathematical foundations of the similarity theory]. Moscow, AN SSSR Publ., 1949. 106 p.
12. Litovchenko V.V. Opredeleniye energeticheskikh pokazateley elektropodvizhnogo sostava peremennogo toka s 4q-S-preobrazovatelyami [Determination of power indicators of AC electric rolling stock with 4q-S-converters]. Elektrotekhnika - Electrotechnics, 1993, no. 5, pp. 23-31.
13. Moshchinskiy Yu.A., Bespalov V.Ya., Kiryakin A.A. Opredeleniye parametrov skhemy zameshcheniya asink-hronnoy mashiny po katalozhnym dannym [Determination of equivalent network parameters of an induction machine on catalog data]. Elektrichestvo - Electricity, 1998, no. 4, pp. 38-42.
14. Prokhorskiy A.A. Tyagovyye i transformatornyyepodstantsii [Traction and transformer substations]. Moscow, Transport Publ., 1983. 496 p.
15. Sokolov Yu.N. Elektrovoz DS3. Konspekt dlya lokomotivnykh brigad. Ustroystvo, upravleniye, obsluzhivaniye [DS3 locomotive. Synopsis for foot-plate staff. Structure, management, maintenance]. Kyiv, KUYeTT Publ., 2011. 299 p.
16. TKh 218.1039. Protokol kvalifikatsionnykh ispytaniy asinkhronnogo dvigatelya STA-1200U1 [TX 218.1039. Quali-fication testing protocol of ST A- 1200U1 asynchronous motor]. Kharkov, GP «Elektrotyazhmash» Publ., 2008. 100 p.
17. Shcheka V.I., Romantsev I.O., Yashchuk K.I. Doslidzhennia vplyvu zvorotnoho tiahovoho strumu na rezhymy roboty tonalnykh reikovykh kil [Investigation of the back traction current influence on operating regime of tonal rail circuits]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 42, pp.24-28.
18. Hou C.-L., Jiang Y.-S., Qi X.-Z., Wei X. Application of similarity theory in research on consistency in multiresolution modeling. Advanced Materials Research, 2012, vol. 562-564, pp. 2128-2133.
19. Sandoval-Ibarra F., Mercado-Moreno J.R., Uriostegui-Vazquez R.H. Basic circuit to design switched-based DC-DC converters. RevistaMexicana De Fisica, 2007, issue 53 (2), pp. 128-133.
20. Vasuki P., Mahalakshmi R. Power factor improvement it three phase AC-AC converter through modified SPWM. International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), 2011, vol. 3, no. 2, pp. 1438-1445.
Стаття рекомендована до публикацИ' д.т.н., проф. А. М. Мухою (Украта); д.т.н.,
проф. Ф. П. Шкрабцем (Украта)
Поступила до редколегп 21.02.2014
Прийнята до друку 09.04.2014
