CC BY
20
I. ЕЛЕКТРОТЕХН1КА
УДК 621.316.718
Курись Л. В.1, Бялобржеський О. В.2
1Аспрант, кафедра Систем електроспоживання та енергетичного менеджменту, Кременчуцький нац/ональний
ушверситет iменi Михайла Остроградського, Украна, E-mail: wow.lesichka@mail.ru 2Канд. техн. наук, доцент кафедри Систем електроспоживання та енергетичного менеджменту, Кременчуцький
нацональний унiверситет iменi Михайла Остроградського, Украна
СХЕМА ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОТЕХН1ЧНОГО КОМПЛЕКСУ ТРАНСПОРТНОГО ЗАСОБУ З НАКОПИЧУВАЧЕМ ЕНЕРП1
Вроботi проведено аналiз кнуючих способiв тдвищення енергетичног ефективностi транспортних засобiв з електричною трансмiсieю, на пiдставi якого визначене особливе м^це накопичувачiв електроенергп. Для до^дження перехiдних проце^в в режимах роботи транзисторного перетворювача розроблена математич-на модель тягового електротехтчного комплексу. В моделi реалiзованi динамiчний (розгт) та стацюнарний (ослаблення магнтного потоку) режими двигуна постшного струму з конденсаторним накопичувачем енерги.
Ключов1 слова: електрифжований транспорт, система диференцшних рiвнянь, математична модель, пе-рехiднi процеси, ослаблення магттного потоку, накопичувач енерги.
ВСТУП
Проблема ефективного використання енергетичних ресурав в цшому та електроенергп зокрема набувае все бшьшого значення [1, 2]. Дана проблема на рiзних р1внях та в р!зт перюди може мати рiзнi цш, прюритети, завдання.
В епоху розвитку електрифтацп мюького електрич-ного транспорту виявлеш новi тенденци економп та енер-гозбереження електроенергп [3]. Реальним, ефективним засобом енергозбереження та тдвищення надшносп роботи для мiського електротранспорту е застосування накопичувачiв електроенергп [4].
Накопичувачi енерги, дозволяють забезпечити прийом надлишково! енерги електрично! рекуперацп шляхом вщведення заряду та обмеження напруги у вузлi до якого шд'еднат. Деяк1 виробники використовують накопичувач! енерги для тдвищення енергетично! ефективносп засобiв мiського транспорту [1, 3].
Ефективтсть використання накопичувача залежить ввд схемного рiшення в якому вiн застосовуеться та алгоритму функцюнування системи управлiння. Використання повшстю керованих напiвпровiдникових пристро!в дозволяе реалiзувати багатофункцiональнi силовi схеми [2]. Але взаемозв 'язок мгж характеристиками зазначених схем та бажаними характеристиками руху, як правило, не враховуеться.
МЕТА РОБОТИ
Розробка схеми тягового електротехшчного комплексу транспортного засобу, що мае накопичувач енерги.
МАТЕР1АЛ I РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ
Тяговий електропривод широко використовуеться для енергозбер^аючого та екологiчно чистого мiського гро-мадського транспорту з живленням, як вщ контактно! мереж1, так i ввд акумуляторно! батаре! [3].
Тяговий електропривод з накопичувачем енерги ско-рочуе викиди пилу вiд колодок мехашчних гальм через © Курись Л. В., Бялобржеський О. В., 2015
наявшсть електродинамiчного гальмування, забезпечуе роботу при вiдсутностi напруги в контактнш мереж!, що скорочуе просто1 в пробках при обривах контактно! мереж!, забезпечуе транспортну роботу з мшмальними затратами, за рахунок мiнiмiзацi! пускових втрат та реку-перацi! енерги гальмування [3].
Одним з основних факторiв, як1 ютотно впливають на як1сть електроспоживання електротранспорту, е висок ко-ливання напруги в контактних мережах [5]. Це цший комплекс питань, яю потребують перегляду з точки зору сучас-них пiдходiв до електропостачання та енергозбереження.
У деяких зарубгжних кра!нах стабiлiзацiя тягово! напруги здшснюеться електромашинними iнерцiйними накопичувачами електроенергп - маховиками [6]. У iнших кра!нах на тяговiй пiдстанцi! встановлюють нере-гульованi випрямлячi, як1 живлять через трансформатор вiд трифазно! мереж! [7] надвисокоемш конденсатори (суперконденсатори) - джерела струму нового поколш-ня [4]. На кожнш тдстанцп пропонують встановлювати комплект суперконденсатор!в емшстю илька сотень Фарад. При виникненш на лшп великого ткового наванта-ження комплект суперконденсатор!в або шерцшних на-копичувач!в бере на себе компенсацш цього наванта-ження, не викликаючи перевантажень мереж!, а розпод-!ляючи навантаження р!вном!рно в час!.
Особливий штерес серед !ндуктивних накопичувач!в енерги в системах тягового електропостачання представ-ляють надпровщников! !ндуктивш накопичувач! енерги (НП1Н) з можливютю тривалого термшу !! збер!гання [8].
У деяких заруб!жних кра!нах розпочато роботу з ос-нащення тягових лшш вторинними джерелами струму: комплектами акумуляторних батарей [4]. Головш недо-лши юнуючих метздв стабшзаци тягово! напруги: знач-на соб!варпсть та небезпека для персоналу при експлуа-тацл накопичувач!в, !стотш катталовкладення для розм-щення таких систем, юнуе загроза еколопчно! безпеки.
В основу побудови швидкодшчих трансформатор-но-нашвпровщникових стабшзатор!в було покладено
принцип модуляцп i демодуляцil змшно1 напруги з ши-рогно-iмпульсним регулюванням додатково! напруги [9].
Таким чином, в даний час е необхвдна елеменгна база для викорисгання накопичувачiв в сгрукгурi елекгрич-но! часгини мiського елекгричного гранспоргу.
На рис. 1 приведена силова схема для регулювання тягового елекгроприводу з накопиченням енергп. Дана сисгема дозволяе забезпечиги накопичення надлишко-во! енергп, яка виробляеться елекгродвигуном в процесi гальмування, на конденсаторному накопичувачi га в 11 подальшому використаннi в режимi розгону.
В стацiонарному режимi живлення як1рно1 обмотки Я двигуна здшснюють вiд транзисторного перетворюва-ча напруги, з'еднаного через фшьтр ^ га дюд УБ12 з мережею постшного струму через струмоприймач.
При руа вперед у режимi повного магниного потоку транзистор УТб постшно включений, а транзисгором УТ11 Здiйснюегься регулювання напруги, що прикладаегься до яшрно! обмогки Я га обмогки збудження Ь, послiдовно з'еднано! з осганньою за допомогою дiода УОв.
При постшносп заданого значення сгруму в кот яшрно! обмогки Я шпарувапсть регулювання гранзисгора УТ11 зi збiльшенням швидкосп руху також збшьшуегься, i при певнш швидкосп транзистор УТ11 вщкриваеться повнiстю.
Подальша тдтримка задано! величини сгруму яшр-но! обмогки Я здiйснюеться ослабленням магниного потоку електродвигуна за допомогою змши шпарува-тостi регулювання гранзисгора УТ9. При включеному станi транзистора УТ9 струм як1рно! обмотки Я зами-каеться по колу: контактна мережа - дюд УБ12 - транзистор УТб - яюрна обмотка Я - транзистор УТ9 - контактна мережа, а струм в обмотщ збудження Ь замикаеться по колу: обмотка збудження Ь - транзистор УТ11 - дюд
УВ9 - дюд УВ8 - обмотка збудження Ь, при цьому змен-шуючись iз постiйною часу цього ланцюга.
Слад вiдмiтити, що в цьому режимi по елементам УТ9 та УБ9 протiкае рiзниця струму якоря та струму збудження. При виключеному станi транзистора УТ9 складо-ва струму рiвна рiзницi мiж струмом як1рно! обмотки Я та струмом обмотки збудження Ь замикаеться через дю-ди УБ8 та УБ7. При робой в розглянутому режимi величина вщношення середнього значення струму обмотки збудження Ь елекгродвигуна до середнього значення струму яшрно! обмотки Я при збшьшент шпаруватостi регулювання транзистора УТ9 зменшуеться.
При русi вперед у гальмiвному режимi регулюванням шпаруватосл роботи транзистора УТ7 забезпе-чуеться величина струму в обмотщ збудження Ь, необх-вдна для забезпечення задано! величини струму в яшрнш обмотцi Я. Зi зменшенням швидкостi руху транспортного засобу та постшному значеннi струму в ши як1рно! обмотки Я, регульованому за допомогою змiни струму в обмотщ збудження Ь, останнш збшьшуеться та при певнiй швидкостi стае рiвним струму в якiрнiй обмотщ Я. У цьому режим роботи елекгроприводу й режимах, що вщповщають меншим значенням швидкостей, при включеному сташ транзистора УТ7 струм яшрно! обмотки Я та струм обмотки збудження Ь замикаються по контуру: як1рна обмотка Я - транзистор УТ7 - обмотка збудження Ь - транзистор УТ11 - дюд У09 - яшрна обмотка Я.
При подальшому зменшент швидкосп шпарувапсть регулювання транзистора УТ7 збiльшуегься й при певнш швидкосп, при як1й е.р.с. яшрно! обмогки Я стае рiвною сумарному падiнню напруги на елементах кола: яюрна обмотка Я - транзистор УТ7 - обмотка збудження Ь -транзистор УТ11 - дюд УБ9 - яшрна обмотка Я, транзистор УТ7 ввдкриваеться повнютю.
Рисунок 1 - Силова схема для регулювання тягового електроприводу постшного струму з акумулюванням енергй
При подальшому зменшеннi швидкостi струм яшр-hoï обмотки Я замикаеться по контуру: як1рна обмотка Я - буферна iндуктивнiсть Lь - транзистор VT2 - конденсатор С - транзистор VT3. Потужтсть, вироблювана електродвигуном у цьому режимi, не передаеться в кон-тактну мережу, а накопичуеться на конденсаторi С, про-тiкаючи по контуру яшрна обмотка Я - буферна iндук-
тивнiсть Lb - дюд VD1 - конденсатор С - дюд VD5.
Якщо в процеа гальмування значення напруги на конденсаторi С пiдвищуеться до допустимого значення вмикаеться транзистор VT3, за допомогою якого забез-печуеться контур замикання струму яшрно! обмотки Я
через резистор Rb , тим самим передача в нього енерги, вироблювано! електродвигуном у цьому режим! [10].
Для наведених режим!в роботи складено системи ди-ференцшних р!внянь [11] зведеш у табл. 1, де прийняп наступи позначення u м - напруга мереж1, u я - напруга якоря, 1Я - струм якоря, 1зб - струм обмотки збудження, ¡ст - струм статичний, 1дин - струм динам!чний, Е0) -електрорушшна сила, Се - екивалентна емнють, Ян -отр навантаження, Rя -отр яюрно! обмотки, Lя - щдук-тивтсть яшрно! обмотки, Rзб - отр обмотки збудження, Lзб - !ндуктивтсть обмотки збудження, kф - параметр магттного потоку.
Таблиця 1 - Системи диференцшних р1внянь для режим1в роботи системи для регулювання тягового електроприводу з
акумулюванням енерги
Схема роботи
Диференщйне р1вняння
Режим повного магттного потоку
S
+ vu 12 VT6
й
V -Ï
Gr^e
Ijri™
|VT11
VD8
J iдин dt + E0 + iя R я + Lя + iзб Rзб + L
С e
di
dt
зб
зб
dt
1 я гст + гдин ;
T^ j iduH dt + E0 - icm ' Rh ;
С e J
Лф- f ((зб ) i зб (0 )- i я (0 ).
Режим ослаблення магттного потоку (VT9 вщкритий)
R„
+ VD12 VT6
V
1ДНН ],
I
JVrL.
L,
VD8
0 - iзбRзб + Lзб
j iduH dt + E0 + i я R я + L я diзб .
die
dt
iя icm + iduH ; с J iduH dt + E0 icm ' Rh ;
Лф- f (iзб ) i зб (0)- iя (0).
Режим ослабления магттного потоку (VT9 закригий)
R„ j ¡CT
I vrn
u я - 1J iduH dt + E0 + iяR я + Lя + iзбRзб + Lзб ■ зб
С e
' я - ' зб + ' я
dt
diя 1
0- i'я R я + L я-я + —J i['я dt + E0 dt С e J
кф - f (i зб )
Режим гальмування (VT2 ввдкригий)
_ г> т di^
uм Y - 'збRsö + ;
dt
((0 + ис ) + С J iduH dt + С- J iduH Л = 'я ^ + Lя + Lbd-.
Ce
dt dt
Режим гальмування (УТ2 закритий)
\'[>12 \'16 УТ7 и. В--г. уТИ
' "и
-М-
и м Y - 'з6 Rзб + Lзб '
di
зб
dt
(E0 - ис ) + СС JiduH dt + 1JiduH dt -iяRя + Lя —¡я + Lb~df.
1
и
м
1
u я -
e
Наведену на рис. 1 силову схему, можна розглядати у загальному випадку, як схему з двома каналами управл-iння: струмом якоря та ослабленням збудження. Для роз-рахунку контуру струму за рис. 2 а необхщно представи-ти тяговий електродвигун як ланку типово! замкнуто! системи авторегулювання за вщхиленням. Цю ланку за теорieю автоматичного управлiння можна розглянути як нелшйну iнтегруючу ланку з двома вхвдними величинами (U = Uik та ß) та з вихщною величиною - струм i. Тут k - коефщент заповнення iмпульсного перетворю-вача (0 < k < 1), ß - коефiцieнт ослаблення збудження тягового електродвигуна.
Рисунок 2 - Функцюнальна схема регулювання струму тягового електричного двигуна (а) та дiаграма й роботи (б): ЕП - елемент порiвняння; ПЕР - пропорцшно-штегральний регулятор; 1П - iмпульсний перетворювач; ДС - датчик струму; ОЗ - обмотка збудження
Для побудови розрахунково! модел1 те! ланки доц-шьно скористатися представленням магштно! характеристики тягового електродвигуна в аналггичнш форм1, названо! також формулою Фролша:
kф =
ßi
Aßi + В'
(1
де ф - магштний потщ к - постшна; A, B - коефщенти апроксимаци.
Поставивши (1) в р1вняння електрично! р1вноваги тягового електродвигуна
I =
U - кфю R
(2)
де R - отр обмоток; ю - частота обертання; кфю - елек-трорушшна сила тягового електродвигуна, отримаемо вираз для регульовано! величини, а точтше аналгтичний запис статично! характеристики регулювання двигуна в неявному вигляд1
I=U -
ßiro
R (Aßi + B)R .
(3)
На базi схеми рис. 1 з урахуванням позицш наведених на рис. 2 в програмному пакетi МаИаЪ розроблена мате-матична модель тягового електротехтчного комплексу постшного струму для дослщження перехвдних процесiв в динамiчному режима
В основi математично! моделi тягового приводу ле-жить вбудована в 81шиИпк модель машини постiйного струму. Для моделювання основного питомого опору
руху задаеться момент опору Мо , пропорцшний квадрату швидкостi машини:
w0 (v ) = 12 + 0,004v Mo = W0 (v)
MЕРС Rk
М- ред
(4)
де RK - радус колеса транспортного засобу, Цред - пе-редавальне число тягового редуктора, МЕрС - фiзична маса транспортного засобу
Тяговий електродвигун постшного струму послвдов-ного збудження ДК210-А3 в математичнш моделi представлений блоком DC Machine: напруга Uн = 550 В, потужтсть Рн = 110 кВт, частота оберпв пн = 1500 об/ хв, отр яшрно! обмотки R я = 0,0062 Ом, отр обмотки збудження R3q = 0,0048 Ом. Величина емносп конденсатора дорiвнюe C = 12,71 Ф.
В моделi реалiзованi режими розгону, послабления поля та гальмування, елементи перехвдних процесiв на-веденi на рис. 3. Аналiз результатiв (рис. 3) показуе пра-цездатнiсть пропоновано! схеми та наступне:
1. Робота схеми вщбуваеться за рахунок перюдич-но! комутацп вентилiв зумовленою системою регулювання, при цьому амплитуда пульсацiй струму на пере-вищуе 3%.
2. При послаблеш поля (рис. 3 б) короткочасш шун-тування обмотки збудження, та ввдповвдно прямi шдклю-чення якоря до джерела живлення призводять до виник-нення пульсацiй струму яш складаюгь близько 5%.
3. ПШдгримка струму якоря (рис. 3в) при гальмуваннi забезпечуеться системою управлшня накопичувача на заданому рiвнi а пульсацп не перевищують 7%.
ВИСНОВКИ
1. Запропонована схема силового перетворювача, який забезпечуе роботу машини постшного струму по-слiдовного збудження з регулюванням напруги якоря та струму збудження, яка дозволяе реалiзувати необхвдт тяговi характеристики.
2. Шляхом введення в схему керованого конденса-торного накопичувача, та вщповвдного формування iмпульсiв управлiння транзисторами, реалiзовано режи-ми гальмування з накопиченням енергп гальмування на конденсаторi.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи / А. Т. Бурков - М. : Транспорт, 2005. - 464 с. Иньков Ю. М. ЭПС с электрическим торможением / Ю. М. Иньков, Ю. И. Фельдман - М. : УМЦ ЖДТ, 2008. - 412 с.
Малоземов Б. В. Энергосберегающие технологии технического обслуживания электрического транс-
10.
11.
порта [ Текст] / Б. В. Малоземов // Электроэнергия и будущее цивилизации : Материалы Международной научно-технической конференции. Томск, 2004. С. 391-393.
Пакулин А. Г. Уменьшение потерь и повышение качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения / Пакулин А. Г. - Самара : СамИИТ, 1991. - 59 с.
Москаленко В. В. Электрический привод / В. В. Москаленко - М. : Издательский центр «Академия», 2007.
- 368 с.
Почаевец А. Г. Электрические подстанции / А. Г. Почаевец / - М. : Желдориздат, 2001. - 512 с. Скляров В. Ф. Диагностическое обеспечение энергетического производства / В. Ф. Скляров, Р. А. Гуляев - Киев : Техника, 1985. - 184 с. Шапиро С. В. Система стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта / С. В. Шапиро, С. Р. Муфтиев // Электротехника. 2010 № 3. С. 40-46.
Пархоменко П. П. Основы технической диагностики (оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства) / П. П. Пархоменко. - М. : Энергия, 1981. - 320 с.
Пристрш для регулювання тягового елекгроприводу з акумулюванням енергп [Текст] : патент на ко-рисну модель № 75123. Украша: МПК НО2З 7/00 / Курись Л. В., Бялобржеський О. В., Лосша К. I.; Заявник та патентовласник: Кременчуцький нацю-нальний утверситет умеш М. В. Остроградського. -заявл. 17.04.2012; опубл. 26.11.2012, бюл. №22, 2012. Черный А. П. Моделирование электромеханических систем / А. П. Черный, А. В. Луговой, Д. И. Родькин.
- Кременчуг, 1999. - 204 с.
Стаття надiйшла до редакцИ 24.03.2015 Пiсля доробки 20.04.2015
ПИЩш,,,
■105-
■М ■32S
<Uth CUt! 0.'7 O.JJi Mi:
«на
II! 0,15 0,2
0.2J
0.05 0.1 0.15 0.2 0 25 0,3 1,1 1,126 1,132 [,13Я О
и) 6)
Рисунок 3 - Графжи перехщних процеав електрорушшно! сили, струму якоря та струму збудження тягового
електроприводу постшного струму в режимi повного магштного потоку (а),
режимi ослаблення магштного потоку (б) та в режимi гальмування (в)
0.3 0.35 0.4 0.45 ÍI.5
Курысь Л. В.1, Бялобржеский А. В.2
'Аспирант, кафедра Систем электроснабжения и энергетического менеджмента, Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградського, Украша
2Канд. техн. наук, доцент кафедры Систем электроснабжения и энергетического менеджмента, Кременчугский национальный университет имени Михаила Остроградського, Украша
СТРУКТУРА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
В работе проведен анализ существующих способов повышения энергетической эффективности транспортных средств с электрической трансмиссией, на основании, которого выделено особое место накопителей электроэнергии. Для исследования переходных процессов в режимах работы транзисторного преобразователя разработана математическая модель тягового электротехнического комплекса. В модели реализованы динамический (разгон) и стационарный (ослабление магнитного потока) режимы двигателя постоянного тока с конденсаторным накопителем энергии.
Ключевые слова: электрифицированный транспорт, система дифференциальных уравнений, математическая модель, переходные процессы, ослабление магнитного потока, накопитель энергии.
Kurys L.V.1, Bialobrzeski O.V.2
'Postgraduate Department Electricity consumption systems and power management, Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskiy National University, Ukraine
2Associate Professor Department. Electricity consumption systems and power management, Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskiy National University, Ukraine
THE STRUCTURE OF THE ELECTROTECHNIC TRACTION COMPLEX OF VEHICLE WITH ENERGY STORAGE
This paper analyzes the existing means of improving the energy efficiency ofvehicles with electric transmission, on its basis the special place of electricity storage is allocated. The scheme of transistor converter for implementation of the DC motor traction characteristics by consistent or independent excitation modes of acceleration movement and braking is given. Additionally, the scheme is introducedfor the controlled capacitor drive for accumulation of excess braking energy and use it during acceleration. To study the transition process in operation mode of transistor converter the mathematical model of electro-technical traction complex is developed. The model realizes the dynamic (acceleration) and stationary (weakening magnetic flux) modes of DC motor with capacitor energy .storage.
Key words: electrified transportation, system of differential equations, mathematical model, transitional processes, weakening magnetic flux, energy storage.
REFERENCES
1. Burkov A. T. Elektronnaya tehnika i preobrazovateli. Moscow, Transport, 2005, 464 p.
2. In'kov U. M., Fel'dman U. I. E'PS s e'lektricheskim tormozheniem. Moscow, UMCZ ZHDCZ, 2008, 412 p.
3. Malozemov B. V. E'nergosberegaushie tehnologii tehnicheskogo obsluzhivaniya e'lektricheskogo transporta. E'lektroe'nergiya I buduchhee czivilizachii: Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskojkonferecii. Tomsk, 2004, pp. 391-393.
4. Pakulin A. G. Umen'shenie poter i povy'shenie kachestva e'lektricheskoy e'nergii v sisteme tyagovogo e'lektrosnabzheniya. Samara, SamllT, 1991, 59 p.
5. Moskalenko V. V. E'lektricheskiy privod. Moscow, Akademiya, 2007, 368 p.
6. Pochaevecz A. G. E'lektricheskie podstanczii. Moscow, Zheldorizdat, 2001, 512 p.
7. Sklyarov V. F. Diagnosticheskoe obespechenie e'nergeticheskogo proizvodstvo. Kyiv, 1985, 184 p.
8. Shapiro S. V. Sistema stabilizaczii napryazheniya tyagovy'h podstanczuy gorodskogo e'lektrotransporta, E'lektrotehnika, 2010, No. 3, pp. 40-46.
9. Parhomenko P. P. Osnovy' tehnicheskoy diagnostiki (optimizacziya algoritmov diagnostirovaniya, apparaturny'e sredstva). Moscow, 1981, 320 p.
10. Kurys L. V, Bialobrzeski O. V, Losina K. I. Prustriy dlya regulyuvannya tyagovogo elektropryvodu z akumulyuvannya energii: patent na korysnu model № 75123. Ukraina: MPK H023 7/00, Zaiavnyk ta patentovlasnuk: Kremenchuczkyy natsionalnyi universtet imeni M. V. Ostrogradskogo, zaiavl. 17.04.2012; opubl. 26.11.2012, biul. №22, 2012.
11. Chorny'y A. P. Modelirovanie e'lektromehanicheskih sistem. Kremenchug, 1999, 204 p.
