CC BY
16
УДК 629.4.01
Применение двунаправленных изолированных преобразователей в тяговом приводе
Т. С. Титова, М. В. Евстафьева, М. Ю. Изварин
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Титова Т. С., Евстафьева М. В., Изварин М. Ю. Применение двунаправленных изолированных преобразователей в тяговом приводе // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 4. - С. 67-77. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-4-67-77
Аннотация
Цель: Анализ работы изолированного двунаправленного преобразователя для тягового привода электроподвижного состава постоянного тока при различных условиях нагрузки. Методы: В качестве метода исследования выбран метод математического моделирования. Результаты представлены в виде математических зависимостей и графиков токов и напряжений. Результаты: Выявлена связь выходного напряжения двунаправленного изолированного преобразователя от коэффициента заполнения. Работа преобразователей рассмотрена на шести характерных интервалах полного цикла при следующих начальных условиях: 7^0) < 0, = 0, > 0. Приведены основные зависимости тока в индуктивности, входного и выходного напряжения, формы кривых напряжения и тока для разных режимов работы двунаправленного преобразователя. Определено значение коэффициента заполнения для получения максимальной выходной мощности двунаправленного преобразователя. Практическая значимость: Предложенная схема двунаправленного изолированного преобразователя позволяет реализовывать режимы тяги и рекуперативного торможения для тягового привода электроподвижного состава постоянного тока. Результаты моделирования показывают, что система сохраняет заданные характеристики при значительных изменениях нагрузки, обеспечивает стабильность скорости и плавную регулировку скорости подвижного состава в режимах тяги и рекуперативного торможения.
Ключевые слова: Двунаправленный преобразователь, гибридный подвижной состав, аккумуляторная батарея, гальваническая развязка, тяговый привод.
Электрическая тяга - самая эффективная тяговая система на железнодорожном транспорте. Возможными решениями по дальнейшему увеличению энергоэффективности электрического подвижного состава являются: выбор и поддержание оптимальной скорости движения поезда для минимизации потребления энергии, использование бортовых накопителей энергии ESS в качестве дополнительного источника энергии для улучшения энергетических характеристик и приведения в движение электропоездов на неэлектрифицированных линиях.
В качестве бортовых накопителей энергии ESS могут использоваться аккумуляторные батареи или суперконденсаторы, которые должны быть
связаны с тяговым приводом электропоезда с помощью двунаправленного преобразователя постоянного тока.
Двунаправленные DC/DC-преобразователи мощности можно классифицировать на неизолированные и изолированные типы:
- неизолированные преобразователи применяются там, где требуется преобразовать, уменьшить или увеличить напряжение на небольшую величину (как правило, не более 4:1) и не требуется гальваническая развязка между входом и выходом преобразователя. В этой неизолированной группе есть три основных типа преобразователей, обычно называемых конверторами buck, boost и buck-boost. Преобразователь напряжения buck используется для уменьшения напряжения, повышающий преобразователь boost -для повышения напряжения, в то время как преобразователь buck-boost -как для понижения, так и для повышения напряжения на выходе преобразователя;
- гальваническая развязка необходима в случаях, предписанных различными стандартами и правилами. Изолированные DC/DC-преобразова-тели нуждаются в AC-звене в своей структуре, чтобы обеспечить передачу мощности через магнитно-изолирующую среду (т. е. трансформатор). Объем и масса трансформатора, применяемого для гальванической развязки в преобразователе, зависят от мощности и частоты коммутации. Как правило, чем выше мощность преобразователя, тем ниже частота переключения из-за потерь на коммутации полупроводниковых переключателей и тем больше объем и масса трансформатора [1, 2].
Концепция buck-boost преобразователя была предложена в начале 1990-х годов, но из-за имевшихся в то время ограничений параметров силовых ключей их эффективность была неприемлемо низкой. В настоящее время полупроводниковые материалы на основе карбида кремния (SiC) демонстрируют превосходные свойства, обеспечивая возможность работы силового устройства при более высоких напряжениях, температурах и скоростях переключения, чем обычная технология на основе кремния, открывает новые перспективы для проектирования силовых преобразователей с улучшенными характеристиками. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) служат наиболее часто используемыми силовыми полупроводниками в диапазоне от нескольких киловатт до нескольких мегаватт из-за их высоких характеристик переключения, напряжения блокировки от 1,7 до 6,5 кВ. Основными преимуществами IGBT являются автоматическое отключение в случае короткого замыкания и низкие коммутационные потери. К преимуществам силовых полупроводниковых приборов с использованием SiC-технологий перед обычными Si-компонентами относятся:
• низкие потери проводимости и переключения (потому возможны преобразователи с более высоким коэффициентом полезного действия);
• значительные напряжения блокировки (отсюда возможны более простые топологии инвертора, такие как двухуровневые УБ1 вместо многоуровневых);
• более высокие плотности мощности (поэтому возможны преобразователи меньшего размера);
• большие допустимые рабочие температуры (и требуется меньше затрат на охлаждение);
• более высокая частота переключения, меньшее время переключения (поэтому возможно использование индуктивных компонентов, дросселей и трансформаторов меньшего размера).
Современные конструкторские и технологические решения корпуса ЮВТ помогают в оптимизации и упрощении конструкции преобразователей мощности для тяговых приложений, обеспечивают высокую надежность. Современные DC/DC-преобразователи, используемые в тяговом приводе, имеют конструктивные особенности, обусловленные условиями эксплуатации, характерными для железнодорожного транспорта. Так, для поездов и локомотивов с номинальным напряжением постоянного тока 3000 В требуется ЮВТ на рабочее напряжение не менее 6500 В [1, 2]. В железнодорожных приложениях типичный рабочий цикл тягового инвертора, который питает тяговые электродвигатели, начинается с подачи большой мощности для ускорения транспортного средства, за которой следует низкая потребляемая мощность во время выбега, и заканчивается ситуацией высокой мощности в режиме рекуперативного торможения.
Схема двунаправленного DC/DC-мостового преобразователя приведена на рис. 1, которая содержит входной и выходной полномостовые инверторы, выполненные на силовых ключах ^ - Q4 и Q5 - Q8, разделительный трансформатор Тр, обеспечивающий гальваническую развязку и согласование уровней напряжения между входом и выходом преобразователя, w1, - обмотки разделительного трансформатора, С1, С2 - входные и выходные емкости.
Во входном инверторе силовые транзисторы Q1 - Q4 переключаются с частотой/ц и коэффициентом заполнения О < 0,5. С выхода преобразователя напряжение подается на первичную обмотку изолирующего трансформатора. Коэффициент заполнения О = ^^, откуда следует, что фазовый сдвиг
напряжения между мостами равен произведению Т3 • О, где Тв = -Х-. Без
управления ключами Q5 - Q8 вторичного мостового преобразователя напряжение вторичной обмотки трансформатора выпрямляется встречно-
параллельными диодами, входящими в состав силовых ключей. В установившемся режиме работа изолированных двунаправленных преобразователей постоянного тока рассмотрена в [1, 3-6]. Однако работа изолированного двунаправленного преобразователя постоянного тока в зависимости от коэффициента заполнения, т. е. угла сдвига фазы сигналов управления ключами, при различных условиях нагрузки и выходного напряжения [7-10] требует более детального анализа. Для простоты и наглядности изложения примем, что отношение витков обмоток трансформатора, т. е. коэффициент трансформации, равен единице, первичное напряжение трансформатора равно Уш\, частота переключения равна fS.
•- ■-' '-
Ql^ Qз \
и. т С1 =
у Q4{
•- 1-1 , 1
Тр
Н»-1 >-
"Г \= С 1 2
Н1- 1-
Рис. 1. Изолированный двунаправленный преобразователь постоянного тока
(объяснение в тексте)
Проанализируем режимы работы в соответствии с начальными условиями: < 0, ¡^0) = 0 и > 0, для чего разделим каждый цикл переключения на шесть интервалов (рис. 2).
На первом интервале, t1], включены ключи Q1 и Q4 входного моста и ключи Q6, Q1 выходного моста. При этом У^ = п¥1 + У2. Ток индуктивности первичной обмотки трансформатора Ьц линейно возрастает от отрицательного значения. В момент времени t1 ток в обмотке трансформатора достигает нулевого значения: /^ = 0.
На втором интервале, [Ь, t2], ключи Q1 и Q4 входного моста и ключи Q6 и Q1 выходного моста остаются во включенном состоянии, У^ = пУ1 + У2. Ток продолжает увеличиваться и становится положительным, ключи Q6 и Q1 начинают проводить ток. Общее приращение тока за интервал t2] (интервалы 0 и 1) составляет
л/^ = V + пУ1).
(1)
Следовательно,
) = ¿Со) + Щт{ПУх + У2) = 1 тах ,
(2)
здесь - ток индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора, У2 - выходное напряжение.
пУ .;
т
БТ
У
(1 - Б)Т s
у, 1
0 »1 »2
3 М 5
Рис. 2. Формы кривых напряжения и тока для У2 > У1 при условии < 0
На третьем интервале, [?2, ключи Q1 и Q4 остаются во включенном состоянии, одновременно ключи Q6 и О7 выключаются, а ключи Q5 и О8 включаются. Диоды Б5 и Б8 соответствующих ключей запираются, У^ =
пУ1 - У2 < 0.
Приращение тока индуктивности в интервале [?2, t3] составляет
А/^ = (пУ - У).
(3)
Соответственно
) = i(t2) + (ПУ - У2).
(4)
t
t
t
I
t
6
Во время четвертого интервала, t4], ключи Q2 и Q3 входного моста включаются, а ключи Q5 и Q8 выходного моста выключены. Напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора меняют знак на противоположный, при этом ток уменьшается до нуля.
Во время пятого интервала, t5], ключи Q2 и Q3 входного моста находятся в открытом состоянии, а ключи Q5 и Q8 выходного моста включены. Ток линейно изменяется до отрицательного максимума. Прирост тока индуктивности в третьем и четвертом интервалах равен
Л/Ьз =- ^ (пу + У). (5)
Ь
На шестом интервале, t6], ключи Q5 и Q8 и встроенные в ключи диоды В6, В7 выключены, а ток индуктивности изменяется в соответствии с формулой
Л/ц, = У -пУ 1). (6)
Так как ¡(^) = то, согласно уравнениям (1)-(6), начальный ток индуктивности будет определяться следующим уравнением:
К^) = -^г-[(1 -2Д>У> -ПУ1]. (7)
4 Л Ь8
Максимальное значение тока
/пах = ^2) = 4Т1Г["(1 " 2В)пУ + У2] (8)
4 Js Ьs
из предположения, что ¡(^) < 0, наблюдается при (1 - 2В)У2 < пУ 1. Если (1 - 2В)У2 = пУ1 или
У2 пУ1, (9)
2 1 - 2 В 1
то ¡(^) = 0.
На рис. 3 показана временная диаграмма токов и напряжений рабочего цикла преобразователя при условии ¡(^) = 0.
В этом случае ток индуктивности увеличивается от нуля в начале цикла и уменьшается до нуля при Т3.
Из уравнения (7) следует, что ¡^0) > 0 при (1 - 2В)У2 > пУ1. Этот режим соответствует условиям низкой нагрузки. Кривые тока и напряжений для данного случая показаны на рис. 4.
пу;
У
БТ
Т
(1-Б)Т,
Уь *
t0 t1
t2 ^3
Рис. 3. Формы кривых напряжения и тока для У2 > У; при условии ¿(^ = 0
> 0 $ \
5 6
Рис. 4. Формы кривых напряжения и тока для У2 > У; при условии ¿($о) > 0
г
г
г
4
Уравнения (7)-(9) не позволяют непосредственно вычислить величину выходного напряжения. Для вывода выражения выходного напряжения воспользуемся формулой среднего тока индуктивности рассеяния трансформатора, который может быть получен из анализа рис. 2 при условии, что ¿(^) < 0:
/ = ^ [(/шах + ¿(О +(/тах - ¿(д^ - Б)ТЯ ]= —^(1 - Б)У2. (10) 21 в 2 Л
Пренебрегая потерями в трансформаторе и силовых ключах, при Р; = Р0 получим
У2 = 2тгКьБ(1 - Б). (11)
2 Л
Уравнение (11) показывает, что выходное напряжение пропорционально сопротивлению нагрузки и является функцией коэффициента заполнения (угла сдвига фазы). Для данного сопротивления нагрузки выходное напряжение изменяется в зависимости от коэффициента заполнения и достигает максимума при Б = 0,5. При заданном коэффициенте заполнения выходное напряжение прямо пропорционально сопротивлению нагрузки. Максимальное значение выходной мощности преобразователя для фиксированного сопротивления нагрузки или постоянного выходного напряжения У2 будет также достигать максимума при коэффициенте заполнения 0,5. Симметрия схемы двунаправленного преобразователя позволяет передавать энергию в обоих направлениях, при этом уравнения (1)—(11) остаются в силе. В рассмотренном устройстве двунаправленного преобразователя трансформатор не только интегрирует и обменивает энергию между портами, но и обеспечивает совершенную изоляцию и согласование различных уровней напряжения портов в соответствии с рабочими напряжениями.
Библиографический список
1. Rajashekara K. Power electronics applications in electric/hybrid vehicles / K. Ra-jashekara // Proceedings of IECON'03. - 2003. - Vol. 3. - P. 3029-3030.
2. Burkov A. T. Modern locomotive traction drive control systems / A. T. Burkov, O. S. Valinsky, A. M. Evstafev, A. S. Maznev, A. V. Tretyakov // Russian Electrical Engineering. - 2019. - Vol. 90. - Iss. 10. - P. 692-695.
https://doi.org/10.3103/ S106837121910002X
3. Розанов Ю. К. Силовая электроника / Ю. К. Розанов, М. В. Рябницкий, А. К. Кваснюк. - М.: Издат. дом МЭИ, 2009. - 632 с.
4. Miller J. M. Power electronics in hybrid electric vehicle applications / J. M. Miller // Proceedings of the 18th Applied Power Electronics Conference. - 2003. - Vol. 1. - P. 23-29.
5. Zaitsev A. A. Intelligent technologies applied to increase the energy efficiency of electrified direct-current rolling stock / A. A. Zaitsev, A. M. Evstafev, D. V. Pegov,
A. V. Krylov // Russian Electrical Engineering. - 2017. - Vol. 88. - Iss. 10. - P. 676-680. https://doi.org/10.3103/S1068371217100169
6. Evstafev A. M. A device and algorithm for detecting the skidding of wheel sets of electric rolling stock Russian Electrical Engineering / A. M. Evstafev, Yu. P. Boronenko, M. Yu. Izvarin, V. E. Andreev. - 2017. - Vol. 88. - Iss. 10. - P. 672-675.
https:// doi.org/10.3103/S1068371217100042
7. Titova T. S. Using bidirectional converters in a traction drive / T. S. Titova, M. V. Ev-stafeva, M. Y. Izvarin // Russian Electrical Engineering. - 2020. - Vol. 91. - N 2. - P. 82-86.
8. Бурков А. Т. Системы управления тяговым приводом современных локомотивов / А. Т. Бурков, О. С. Валинский, А. М. Евстафьев, А. С. Мазнев, А. В. Третьяков // Электротехника. - 2019. - № 10. - С. 33-36.
9. Валинский О. С. Структурные и схемные решения для транспортных гибридных силовых электроэнергетических установок / О. С. Валинский, А. М. Евстафьев,
B. В. Никитин, С. А. Теличенко // Электроника и электрооборудование транспорта. -2019. - № 5. - С. 7-10.
10. Титова Т. С. Перспективы развития тягового подвижного состава. Ч. 1 / Т. С. Титова, А. М. Евстафьев, М. Ю. Изварин, А. Н. Сычугов // Транспорт Российской Федерации. - 2018. - № 6 (79). - С. 40-44.
Дата поступления: 07.10.2020 Решение о публикации: 19.10.2020
Контактная информация:
ТИТОВА Тамила Семеновна - д-р техн. наук, профессор; titova@pgups.ru ЕВСТАФЬЕВА Марина Валерьевна - аспирант; elt@pgups.ru ИЗВАРИН Михаил Юльевич - канд. техн. наук, доцент; elt@pgups.ru
Application of bidirectional isolated converters in a traction drive T. S. Titova, M. V. Evstaf'yeva, M. Yu. Izvarin
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Titova T. S., Evstaf'yeva M. V., Izvarin M. Yu. Application of bidirectional isolated converters in a traction drive. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 4, рp. 67-77. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-4-67-77
Summary
Objective: Analysis of the operation of a bidirectional isolated converter for a direct-current traction drive of electric rolling stock under various load conditions. Methods: Mathematical modeling was
applied for the research. The results are presented in the form of mathematical relationships and graphs of currents and voltages. Results: The relationship between the output voltage and the duty factor of a bidirectional isolated converter has been revealed. The converters operation is considered at six characteristic intervals of a full cycle with the following initial conditions: i(t0) < 0, i(t0) = 0, i(t0) > 0. The main dependences of the current in the inductance, the input and output voltage, the shape of the voltage and current curves for different operation modes of a bidirectional converter are given. The duty factor is determined to obtain the maximum output power of the bidirectional converter. Practical importance: The proposed bidirectional isolated converter scheme makes it possible to implement traction and regenerative braking modes for a traction drive of a DC electric rolling stock. The simulation results show that with significant changes in load the system retains the specified characteristics, provides speed stability and smooth speed control of the rolling stock in traction and regenerative braking modes.
Keywords: Bidirectional converter, hybrid rolling stock, storage battery, galvanic isolation, traction drive.
References
1. Rajashekara K. Power electronics applications in electric/hybrid vehicles. Proceedings of IECON'03, 2003, vol. 3, pp. 3029-3030.
2. Burkov A. T., Valinsky O. S., Evstafev A. M., Maznev A. S. & Tretyakov A. V. Modern locomotive traction drive control systems. Russian Electrical Engineering, 2019, vol. 90, iss. 10, pp. 692-695. https://doi.org/10.3103/S106837121910002X
3. Rozanov Yu. K., Ryabnitskiy M. V. & Kvasnyuk A. K. Silovaya elektronika [Power Electronics]. Moscow, MPEI [Moscow Power Engineering Institute] Publ., 2009, 632 p. (In Russian)
4. Miller J. M. Power electronics in hybrid electric vehicle applications. Proceedings of the 18th Applied Power Electronics Conference, 2003, vol. 1, pp. 23-29.
5. Zaitsev A. A., Evstafev A. M., Pegov D. V. & Krylov A. V. Intelligent technologies applied to increase the energy efficiency of electrified direct-current rolling stock. Russian Electrical Engineering, 2017, vol. 88, iss. 10, pp. 676-680. https://doi.org/10.3103/ S1068371217100169
6. Evstafev A. M., Boronenko Yu. P., Izvarin M. Yu. & Andreev V. E. A device and algorithm for detecting the skidding of wheel sets of electric rolling stock. Russian Electrical Engineering, 2017, vol. 88, iss. 10, pp. 672-675. https://doi.org/10.3103/S1068371217100042
7. Titova T. S., Evstafeva M. V. & Izvarin M. Yu. Using bidirectional converters in a traction drive. Russian Electrical Engineering, 2020, vol. 91, no. 2, pp. 82-86.
8. Burkov A. T., Valinskiy O. S., Evstafyev A. M., Maznev A. S. & Tret'yakov A. V. Sistemy upravleniya tyagovym privodom sovremennykh lokomotivov [Traction drive control systems for modern locomotives]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2019, no. 10, pp. 33-36. (In Russian)
9. Valinskiy O. S., Evstafyev A. M., Nikitin V. V. & Telichenko S. A. Strukturnyye i skhemnyye resheniya dlya transportnykh gibridnykh silovykh elektroenergeticheskikh usta-novok [Structural and circuit solutions for transport hybrid electric power plants]. Elektronika i elektrooborudovaniye transporta [Electronics and electrical equipment of transport], 2019, no. 5, pp. 7-10. (In Russian)
10. Titova T. S., Evstafyev A. M., Izvarin M. Yu. & Sychugov A. N. Perspektivy razvitiya tyagovogo podvizhnogo sostava. Ch. 1 [Development potential of traction rolling
stock. Pt 1] . Transport Rossiyskoy Federatsii [Transport of the Russian Federation], 2018, no. 6(79), pp. 40-44. (In Russian)
Received: October 07, 2020 Accepted: October 19, 2020
Author's information:
Tamila S. TITOVA - D. Sci. in Engineering, Professor; titova@pgups.ru
Marina V. EVSTAF'EVA - Postgraduate Student; elt@pgups.ru
Mikhail Yu. IZVARIN - PhD in Engineering, Associate Professor; elt@pgups.ru
