CC BY
117
Транспорт
m
6. Воротилкин А.В., Каргапольцев С.К., Гозбенко В.Е. Математическое моделирование влияния степени помола лубрикатора на износ в системе «колесо -рельс». Деп. ВИНИТИ 13.02.2006, № 151-В2006.
7. Композиция для снижения износа в паре трения колесо - рельс : пат. 2318013 РФ / Воротилкин А.В., Гозбенко В.Е., Каргапольцев С.К., Хоменко А.П., Корчевин Н.А. : опубл. 01.09.2006.
8. Воротилкин А.В., Каргапольцев С.К., Гозбенко В.Е. Математическая модель динамического взаимодействия в системе "колесо-рельс" с учетом их лубри-кации. Деп. ВИНИТИ 13.02.2006, № 152-В2006.
9. Назаров Н.С., Якимова Г.А., Гозбенко В.Е. и др. Использование отходов производства в композициях для лубрикации рельсов. Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та. 2003.
10. Крапивный В.А. Программа снижения износа рельсов и колесных пар // Железные дороги мира. 2000. №7. С. 30-33.
11. Монахов И.К. Ширина, возвышение, лубрикация // Путь и путевое хозяйство. 2008. №11. С. 20-24.
12. Андреев А.И., Комаров К.Л., Карпущенко Н.И., Износ рельсов и колес подвижного состава // Железные дороги мира. 2009. №10. С. 31-36.
13. Лысюк В.С. Взаимодействие рельсов и колес в кривых // Путь и путевое хозяйство. 2005. № 10. С. 11-14.
14. Особенности моделирования динамических процессов в задачах управления колебаниями сложных технических объектов / Хоменко А.П., Елисеев С.В., Гозбенко В.Е., Соболев В.И., Димов А.В., Драч М.А., Титов А.А., Богатов М.Ю., Солодов Г.С., Ба-нина Н.В., Донская Е.Ю., Лукьянов А.В., Засядко А.А., Кузнецов Н.К. Деп. ВИНИТИ 22.02.2005, № 255-В2005.
15. Математические модели и анализ динамических свойств механических систем / Елисеев С.В., Банина Н.В., Ахмадеева А.А., Гозбенко В.Е.. Деп. ВИНИТИ 08.12.2009, № 782-В2009.
16. Ахмадеева А.А., Гозбенко В.Е. Рациональное задание числа степеней свободы динамической модели грузового вагона // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 12. С. 25-28.
17. Гозбенко В.Е., Хоменко А.П. Изменение динамического состояния упругосвязанных систем. Деп. ВИНИТИ 23.07.2002, № 1379-В2002.
УДК 629.423 Яговкин Дмитрий Андреевич,
аспирант кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 89149336119, e-mail: yadima11_06@mail.ru
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА IGBT-ТРАНЗИСТОРАХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ЕГО БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ В РЕЖИМЕ ТЯГИ
D. A. Yagovkin
DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODELS OF RECTIFIER-INVERTER CONVERTER ON IGBT-TRANSISTORS FOR AC LOCOMOTIVE AND ITS CONTROL UNIT
IN TRACTION MODE
Аннотация. Рассмотрена силовая схема электровоза переменного тока с выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП) на IGBT-транзисторах. Приведена разработанная структурная схема блока управления с описанием диаграммы управления ВИП, основных сигналов и алгоритмом работы. Рассмотрены вопросы построения структуры математической модели «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз». Приведены результаты имитационного моделирования на 3,5 зоны регулирования при работе ВИП на IGBT-транзисторах в режиме тяги в виде диаграмм электромагнитных процессов в первичной цепи тягового трансформатора и на выходе ВИП. Сделаны выводы о преимуществах предлагаемого схемного решения по сравнению с силовой схемой тиристорного ВИП, в настоящее время применяющейся по все сети железных дорог РФ, доказывающие значительное увеличение коэффициента мощности электровоза - более чем на 15 %.
Ключевые слова: электровоз переменного тока, тяговый трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь, блок управления ВИП, алгоритм работы, тележка.
Abstract. We consider the power circuit of AC locomotive with rectifier-inverter converter (VIP) on IGBT transistors. The control block diagram describing the diagram TTI control, the main signal and the algorithm of work is given. The problems of constructing the structure of the mathematical model of «traction substation - contact network - locomotive» are considered. The results of simulation modeling on 3,5 control zones with VIP work on IGBT transistors in the traction mode are given in the form of diagrams of electromagnetic processes in the primary circuit of the traction transformer and the VIP output. The conclusions about the benefits of the proposed circuit design as compared to the thyristor VIP power circuit currently used by the whole network of Russian railways are made, demonstrating a significant increase in the locomotive power factor - by more than 15 %.
Keywords: AC locomotive traction transformer, rectifier-inverter converter, TTI control unit, algorithm of work, truck.
Введение
Математическое моделирование в современном мире является очень развитой технологией, позволяющей формировать на ЭВМ с помощью специализированного программного обеспе-
чения сложные физические модели различных электромеханических систем и наблюдать происходящие при их работе процессы. Такой способ позволяет значительно сэкономить время и средства на разработку реального макетного образца
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
либо лабораторного стенда, необходимого для подтверждения результатов аналитического обоснования. На сегодняшний день лидирующие позиции в области специализированного программного обеспечения, позволяющего моделировать динамические системы, занимает пакет прикладных программ MatLab. Пакет Simulink, интегрированный в MatLab, является программной системой, содержащей библиотеку блоков элементов, наиболее часто используемых для моделирования электрических принципиальных схем. Также в пакете предусмотрена возможность самостоятельной разработки необходимых элементов и добавления их в библиотеку.
Разработке математической модели системы «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз» в научном сообществе уделено большое внимание. Следует отметить огромный вклад таких ученых, как А. Н. Савоськин, С. В. Власьевский, Ю. М. Кулинич.
Силовая цепь электровоза переменного тока с ВИП на ШБТ-транзисторах
Такие силовые полупроводниковые приборы, как IGBT-транзисторы, возможно применять на электровозах переменного тока непосредственно в ВИП. Такая возможность может решить полувековую проблему энергетических показателей данных электровозов. Однако просто заменить тиристоры на транзисторы в преобразователе электровоза нельзя. Необходимо использовать математические модели, которые могут отразить интересующие нас процессы, протекающие в силовых цепях электровоза.
Математическая модель электровоза переменного тока представляет собой комплексную систему, состоящую из нескольких подсистем, осуществляющих взаимодействие между собой. Силовая электрическая часть электровоза с источником питания, системой управления и нагрузкой является одной из таких подсистем.
За основу силовой схемы математической модели принята схема силовых электрических цепей двухсекционного электровоза ВЛ80Р работающего в тяговом режиме [1-3].
Рассмотрим электрическую принципиальную схему силовых цепей с выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП) на IGBT-транзисторах на примере одной тележки электровоза в режиме тяги (рис. 1 ).
Схема включает в себя следующие элементы: выводы A, X первичной обмотки тягового трансформатора (ТТ) для подключения к контактной сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц и напряжением 25 кВ; ТТ, за прототип которого принят ОДЦЭ-5000/25 УХЛ2; ВИП на
IGBT-транзисторах (ВИП1...4), каждое плечо которого состоит из последовательно включенного выпрямительного диода VDn (п - номер плеча), выполняющего функцию выпрямления переменного тока в пульсирующий, а также предназначенных для предотвращения протекания обратного тока по вторичной обмотке ТТ, и IGBT-транзистора VTn, необходимого для реализации управления выпрямленным напряжением согласно алгоритму. Диодное разрядное плечо VD9 включенное параллельно цепи выпрямленного тока (тележка), которая состоит из сглаживающего реактора (СР) типа РС-60, двух тяговых электродвигателя (ТЭД) типа НБ-418К6, обмоток возбуждения (ОВ 1.2), соединенных последовательно с обмотками якоря (Я1...2), которые также конструктивно расположены в ТЭД, группового переключателя QT1 включенного в режиме тяги; блок управления, осуществляющего распределение импульсов по транзисторам плеч ВИП в соответствии с заданным алгоритмом работы.
Рис. 1. Электрическая принципиальная схема силовых цепей с ВИП на ЮБТ-транзисторах для тележки электровоза в режиме тяги
Блок управления ВИП на ЮБТ-транзисторах
Для управления ВИП необходима разработка блока управления, который производит обработку поступающих на него сигналов управления и согласно необходимому алгоритму производит распределение импульсов по плечам ВИП.
Математическая модель блока управления предлагаемым ВИП представлена на рис. 2 и содержит два блока:
- блок процессора, который осуществляет все основные вычислительные операции по формированию всех импульсов управления;
Транспорт
Блок процессора
Блок драйвера
U зя
d>
Usinhro
U z
sinhro
UuprI1 UuprI2 UuprI3 UuprI4 UuprI5 UuprI6 UuprI7 UuprI8 Zona Pol_per
UuprI1
UuprI2 Uupr^
UuprI3 UuprM
UuprI4 UuprM
UuprI5 UuprM
UuprI6 UuprI^
UuprI7 UuprM
UuprI8 UuprI^
Zona UuprM
Pol_per
-Z2
-Z2
-z1
-CD
Uupr1
Рис. 2. Структурная схема математической модели блока управления ВИП на ЮБТ-транзисторах в режиме тяги
- блок драйвера, который распределяет импульсы управления по плечам ВИП, для каждого транзистора свой драйвер.
И_зя - сигнал с пульта машиниста, равный значению напряжения управления; Usmhro - сигнал синхронизации; Pol_per - сигнал который несет информацию о знаке полупериода; Zona - информация о номере зоны регулирования; UuprIl... UuprI8 - сформированные по длительности импульсы управления, передаваемые на блок драйвера; UuprIo1...UuprIo8 - импульсы управления для распределения по конкретным плечам ВИП; Uupr1 - сигналы поступающие на ВИП.
Блок управления ВИП, алгоритм работы основной программы которого представлен на рис. 3, также реализован на языке программирования высокого уровня С, более подробно рассмотрим назначение каждого блока.
Поскольку программа, реализующая данный алгоритм, связана с управлением силовой преобразовательной установкой, работающей на промышленной частоте 50 Гц, то необходимо, чтобы интервал повторения вычислений был синхронизирован с тактом работы преобразователя. В связи с этим интервал повторения вычислений принят равным одному полупериоду промышленной частоты и составляет 10 мс.
Запуск программы осуществляется по приходу сигнала Sinhro, который формируется по переходу сетевого напряжения через ноль (Sinhro = 1 - есть переход, Sinhro = 0 - нет перехода) (блок 2), длительность Sinhro 500 мкс. Блоки 3-5 служат для отсева ложных сигналов полупериода (п/п). Длительность сигнала Ppol = 10 мс. Если приходит сигнал помехи, то он игнорируется (блок 5), и программа переходит в режим ожидания прихода действительного фронта п/п. Помеха выявляется
следующим образом: сигнал полярности полупериода, считанный в текущем цикле рабочей программы, запоминается в переменной Ppol (блок 4) и сравнивается со значением сигнала полярности Ppol_1 из предыдущего цикла. В случае их совпадения делается вывод о ложности сигнала (блок 5), и действие программы повторяется с блока 2. При условии смены знака полупериода начинается цикл выполнения основной программы.
В блоке 6 осуществляется ввод заданий с пульта машиниста, ввод данных с датчиков слежения и коммутации. В блоке 7 осуществляется целочисленное деление ^я на 9 без округления (от 0 до 9 В диапазон напряжения управления на каждой зоне регулирования), далее блок 8 осуществляет выделение целой части, которая будет соответствовать номеру зоны (номера зон считаются от 0 до 3), в блоке 9 выделяется остаток от деления, который и соответствует значению напряжения управления (^яО на конкретной зоне регулирования.
Блок 10 реализует интенсивность задания нарастания/снижения тока ТЭД. Плавность сброса а^ обеспечивается задатчиком интенсивности, который сравнивает текущее задание со считанным заданием управляющего воздействия, и если последнее меньше, то уменьшает угол регулирования со скоростью 47 эл. град./сек. Аналогично, если значение задания, хранящегося во вспомогательной ячейке, превышает значение кода управляющего воздействия, считанного при вводе в блоке 6, то осуществляется плавное увеличение с темпом 47 эл. град./сек.
Управление ВИП осуществляется согласно диаграмме, представленной на рис. 4.
1
Ввод изя
изя/9
| ~8
Выделение целой части = Ызоны
Выделение остатка
= изя1
10
Задание интенсивности по
20
Ажоритм работы 2-ой зоны
23
Алгоритм работы Алгоритм работы
3-ей зоны 4-ой зоны
24
Распределение сигналов управления по драйверам
Конец
Рис. 3. Алгоритм работы основной программы блока управления предлагаемым ВИП в режиме тяги
ыупр
"в"
9 8 7 6 5 4 3 2 1
0 5 ' 36 41' 72 ' ' 175 180 ю^эл.град.
Рис. 4. Диаграмма управления ВИП на IGBT-транзисторах в режиме тяги
Блок 11 выполняет проверку значения номера зоны N. Если это значение больше нуля, то задается длительность импульса аш (длительность работы плеча равна длительности интервала от 1 до 5-й точки), от ашн = 5 эл. град. до ашк = 175 эл. град. [4, 5]. Если же номер зоны равен нулю, то программа продолжает работу, минуя блок 12.
Блок 13 выполняет проверку значения изя1. Если это значение в пределах зоны регулирования меньше 2 В, то нарастание напряжения осуществ-
ляется согласно диаграмме управления по двум прямым 2-3 и 4-5.
Уравнение прямой, проходящей через заданные точки (х1, У1) и (х2, У2), имеет вид
V - У1 = -У - - (1)
VI - У 2 - ' или, в упрощенной форме:
(У1 - У2) - + (-2 - -1)У + (—1У2 - -2 У1) = 0 . (2)
Для нахождения уравнения прямой 2-3 зададимся начальными и конечными координатами точек, которые соответствуют (0 В, 36 эл. град.) и (2 В, 5 эл. град.). Подставив значения в уравнение 2, получим уравнение для аге№ (начальное значение угла регулирования), представленное в блоке 15.
= 36 -15,5и~ЗЯ1. (3)
Для нахождения уравнения прямой 4-5 зададимся начальными и конечными координатами точек, которые соответствуют (0 В, 41 эл. град.) и (9 В, 175 эл. град.). Подставив значения в уравнение 2, получим уравнение для агеЭк (конечное значение угла регулирования), представленное в блоке 16.
9
Транспорт
ш
134
ия + 41.
(4)
Если же значение Изя1 становится больше 2 В, то, согласно диаграмме управления, нарастание напряжения осуществляется по прямым 1-2 и 4-5. Начальное значение aгegн становится равным 5 эл. град. (блок 14) и остается таким до конца зоны регулирования, а значение aгegк изменяется в соответствии с уравнением блока 16 до его максимального значения 175 эл. град.
Работа блоков 17-23 предлагаемого алгоритма аналогична работе блоков 14-20 типового алгоритма. Завершающим этапом алгоритма является передача сигналов управления по драйверам (блок 24).
Структурная схема математической модели «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз»
Структурная схема математической модели представлена на рис. 5. За прототип модели электровоза принят двухсекционный электровоз ВЛ80Р, силовая схема которого включает в себя два ТТ (тяговый трансформатор секции 1, 2), подключенных к контактной сети переменного тока; датчик напряжения, устанавливаемый на вторичную обмотку ТТ и осуществляющий слежение за
напряжением синхронизации; четыре ВИП (ВИП1...4), предназначенных для управления тележкой (Тележка 1.4), в состав которой включен СР ТЭД.
Реализацию математической модели согласно предложенной структурной схеме необходимо осуществлять с помощью стандартных блоков из набора пакета 81шиНпк. Параметры элементов (значения индуктивностей, активных сопротивлений, емкостей) берутся для реальных элементов из специализированной литературы и рекомендаций упомянутых ученых [3, 6].
При помощи разработанной математической модели было проведено имитационное моделирование работы электровоза на 3,5 зоны регулирования в режиме тяги (рис. 6). Получены диаграммы напряжения и1 и тока 11 в первичной обмотке ТТ, напряжения ивип и тока ¡вип ВИП, а также значение коэффициента мощности К".
По результатам моделирования можно сделать вывод, что принятый за критерий сравнения коэффициент мощности при работе электровоза с ВИП на ЮБТ-транзисторах и предложенным способе управления составляет не менее 0,95, что на 15 % выше, чем у тиристорного ВИП, электромагнитный процесс и коэффициент мощности ко-
Тяговая сеть п
Тяговая подстанция
Тяговый трансформатор секции 1
а2 3 4 х2 а1 1 2 х1
Тяговый трансформатор секции 2
а2 3 4 х2 а1 1 2 х1
И
а2 3 4 х2
ВИП 1
иирг1 и- и+
а1 1 2 х1
ВИП 2
иирг1 и- и+
Блок управления
иирг1 и_зя и51пЬп
а2 3 4 х2
ВИП 3
иирг1 и- и+
а1 1 2 х1
ВИП 4
иирг1 и- и+
Тележка 1:
СР, ТЭД
Тележка 2: СР, ТЭД
Тележка 3: СР, ТЭД
Тележка 4: СР, ТЭД
Электровоз
Рис. 5. Структурная схема математической модели «тяговая подстанция - контактная сеть - электровоз»
Датчи
и- и+
и- и+
и- и+
и- и+
?! 1. 5
2 Я
ё §-
^ =
хо 5
О 2
И
и ^
10
Время, мс
а)
б)
на 3
Рис. 6. Диаграммы электромагнитных процессов работы электровоза в режиме тяги ,5 зоны регулирования: а) напряжение щ и ток в первичной обмотке тягового трансформатора, б) напряжение ивип и ток 1вип ВИП, коэффициент мощности К"
0
2 -100
0
-300
торого исследованы и общеизвестны (0,75-0,84 при полной четвертой зоне). Следовательно, данная модель подтверждает теоретическое обоснование, а также результаты физического моделирования и доказывает преимущество предлагаемого схемного решения и способа управления.
Заключение
1. Разработана математическая модель системы «тяговая подстанция - контактная сеть -электровоз» для электровоза ВЛ80Р с применением ВИП на ЮБТ-транзисторах.
2. Разработан алгоритм работы блока управления и программно произведено описание разработанной диаграммы управления.
3. Разработанная математическая модель позволяет произвести оценку электромагнитных процессов, происходящих при коммутации в ВИП, и сравнение с аналогичной моделью, предназначенной для оценки процессов, происходящих при работе штатного электровоза ВЛ80Р.
4. По результатам проведенного моделирования видно, что при использовании ЮБТ транзисторов в схеме ВИП электровоза и разработанного принципа его управления возможно значительное увеличение значения КМ более 15 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тихменев Б.Н. Электровозы переменного тока с ти-ристорными преобразователями / Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов. - М.: Транспорт, 1988, - 312 с.
2. Тихменев Б.Н. Подвижной состав электрифицированных железных дорог / Б.Н. Тихменев, Л.М. Трах-тман. - М.: Транспорт, 1980 - 362 с.
3. Электровоз ВЛ80Р: Руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов. - М.: 1985.- 541 с.
4. Яговкин, Д.А. Новый выпрямительно-инверторный преобразователь для тягового подвижного состава переменного тока с повышенными энергетическими характеристиками в режиме тяги [Текст] / Д.А. Яговкин, О.В. Мельниченко, А.Ю. Портной, С.Г. Шрамко // Наука и техника транспорта. - 2014. -№3. - С. 46-51.
5. Разработка нового энергосберегающего алгоритма управления ВИП электровоза на ЮБТ модулях [Текст] / Яговкин Д.А., Мельниченко О.В., Портной А.Ю. / Вестник Института подвижного состава/ под ред. А.Е. Стецюка и Ю.А. Гамоли. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. - Вып. 5 - С.17-24.
6. Савоськин, А.Н. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе контактная сеть - электровоз / А.Н. Савось-кин, Ю.М. Кулинич, А.С. Алексеев // Электричество. - 2002. - №2. - С. 29-35.
