CC BY
54
УДК 629.423
А. М. МУХА (ДПТ)
ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З ПЕРЕТВОРЮВАЛЬНИХ СТРУКТУР ТЯГОВОГО ПРИВОДУ ПЕРСПЕКТИВНИХ БАГАТОСИСТЕМНИХ ЕЛЕКТРОВОЗ1В З ТЯГОВИМИ ДВИГУНАМИ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ
У статп запропоновано CTpyKTypHi схеми статичного перетворювача для тягового приводу перспектив-них багатосистемних електровозiв з тяговими двигунами постiйного струму та проведено гх порiвняльний аналiз.
В статье предложены структурные схемы статического преобразователя для тягового привода перспективных многосистемных электровозов с тяговыми двигателями постоянного тока и проведен их сравнительный анализ.
In the article the structured schemes of steady-state converter are offered for traction drive of promising multisystem electric locomotives with traction engines of direct current and their comparative analysis is conducted.
Вступ
Сучасний рiвень розвитку силово! електро-шки дозволяе створювати перетворювач^ яю забезпечують яюсне регулювання потоку елек-трично! енерги. Наявнiсть повнiстю керованих силових нашвпровщникових вентилiв забезпе-чуе можливiсть побудови вщносно простих пе-ретворювачiв з покращеними енергетичними показниками, нiж це було можливим декiлька рокiв тому [1, 2].
Загальновiдомi недолiки системи тягового електропостачання напругою 3 кВ постшного струму [3 та ш.] та необхiднiсть забезпечення процесу перевезень на електрифшованих залiз-ницях незалежно вiд роду струму та значення напруги у контактнiй мережi без замши елект-ровозiв на станщях стикування вимагае вико-ристання тягового електрорухомого складу, який може працювати як при постiйному, так i при змiнному струмах за рiзних рiвнiв напруги у контактнш мережi. Такий тяговий електрору-хомий склад (ЕРС) називаемо багатосистемним.
На пострадянському просторi використову-еться електрорухомий склад подвшного жив-лення (3 кВ постшного струму та 25 кВ змшно-го струму) який е окремим випадком багатоси-стемного ЕРС.
В наш час постае питання шдвищення напруги у контактнш мережi постшного струму з 3 кВ до 6, 12 або 24 кВ [4] - це дозволить тд-вищити пропускну спроможнють затзниць, електрифiкованих постiйним струмом.
Але на шляху такого ршення постае досить важлива проблема - вiдсутнiсть ЕРС на тдви-щену напругу у контактнш мережа
Мета роботи
Провести порiвняльний аналiз можливих варiантiв побудови статичних перетворювачiв тягового приводу для багатосистемного ЕРС залiзниць з тяговими двигунами постшного струму (ТДПС).
Матерiал i результати дослiдження
В робот [5] запропоновано структурну схему статичного перетворювача для електровоза подвшного живлення, але ця схема не враховуе можливосп пiдвищення напруги у контактнш мереж1 постiйного струму.
Враховуючi вищевикладене та аналiзуючи схемнi ршення статичних перетворювачiв, якi використовуються в шших галузях промисло-востi, пропонуеться наступна структурна схема тягового статичного перетворювача для багато-системного електровозу з тяговими двигунами (рис. 1).
Такий перетворювач дозволяе реалiзувати два основних напрямки покращення якостi споживано! електрично! енерги [6]:
- використання багатофазних перетворюва-чiв, що працюють зi зсувом по фазi вiдносно один одного;
- використання при перетворенш електрично! енерги тдвищено! частоти.
Використання багатофазних систем з ланкою тдвищено! частоти дозволяе зменшити масогабаритш показники фiльтрiв та трансформатора. Крiм того, в подiбних багатофазних системах е можливють керувати струмами та напругами, якi перевищують максимально до-
пустим1 параметри одиночних силових елемен-т1в перетворювача.
Структурна схема (рис. 1) складасться з двох контур!в: мережевого та тягового (з дви-гуном постшного струму).
Перший контур призначено для перетворен-ня електрично! енергп з контактно! мереж в напругу змшного струму шдвищено! частоти, яку зшмаемо з1 вторинно! обмотки трансформатора шдвищено! частоти. Первина обмотка шдключена до виходу високовольтного швер-тора 1, вхщ якого шдключено безпосередньо до контактно! мереж! постшного струму або до виходу випрямляча 1 (керованого або некеро-
ваного), при змшному струм! у контактнш мереж!.
Використання некерованого випрямляча 1, шдключеного до контактно! мереж! змшного струму, дозволить виключати вплив кута кому-тац!!' ключових елемент!в вхщного перетворювача на енергетичн! показники електровозу, що мае м!сце при застосуванш керованого випрямляча. Використання керованого випрямляча дозволить реатзувати рекуперативне гальму-вання, з поверненням енерги до контактно! мереж!. Пщтримка напруги мережевого контуру на заданому р!вн! зд!йснюеться !нвертором 1.
Рис.1 Узагальнена структурна схема статичного перетворювача тягового приводу з тяговими двигунами постшного струму та ланкою пвдвищено! частоти
При використанш тягового двигуна постшного струму для його живлення можливо вико-ристовувати керований випрямляч, шдключе-ний до вторинно! обмотки трансформатора шдвищено! частоти (тяговий контур постшного струму). Керування режимами роботи тягового двигуна можливо за рахунок змши режим!в роботи керованого випрямляча та швертора 1.
Як бачимо з рис. 1, до складу запропонова-ного перетворювача входить трансформатор шдвищено! частоти, що дозволить зменшити габарити не тшьки самого трансформатора, але й шших реактивних елемент!в та вузл!в, зокре-ма ф!льтр!в.
Вихщними даними для пор!вняльного анал!-зу перетворювальних структур тягового приводу багатосистемних електровоз!в з тяговими двигунами постшного струму приймаемо:
1. Напруга у контактнш мереж! постшного струму 3 кВ та шдвищена до р!вня 6, 12 або 24 кВ.
2. Напруга у контактнш мереж! змшного струму 25 кВ частотою 50 Гц.
3. Кшьюсть тягових електродвигушв двигу-шв (ТЕД) 4 або 6, що вщповщае односекцшно-му електровозу.
Враховуюч! вихщш дан!, проведемо пор!в-няльний анал!з наступних вар!ант!в побудови статичних перетворювач!в тягового приводу перспективних багатосистемних електровоз!в (табл. 1).
Як бачимо з табл. 1, вар!анти побудови 1 та 8 вщповщають традиц!йним для зал!зниць кра-!н СНД електровозам подв!йного живлення, шш1 вар!анти розглядають можлив! вар!анти п!двищення напруги у контактн!й мереж! постшного струму. В будь-якому випадку елект-ровоз повинен працювати при ном!нальн!й на-пруз! у контактнш мереж! постшного струму 3 кВ, оскшьки майже неможливо забезпечити одночасний перехщ вше! мереж! зал!зниць на будь-яку нову систему живлення.
Розглянемо, яким чином можливо реал!зу-вати кожен з вар!ант!в, вказаних у табл. 1, та визначимось, як! вар!анти доцшьно розглядати у подальших досл!дженнях.
Таблиця 1
Варiанти побудови статичного перетворювача тягового приводу перспективних багатосистемних електровозiв
Вар1ант побудови 1 2 3 4 5 6 7 8
6 ТЕД 3 кВ V V V V
6 кВ V
12 кВ V
24 кВ V
25 кВ 50 Гц V V V V
4 ТЕД 3 кВ V V V V
6 кВ V
12 кВ V
24 кВ V
25 кВ 50 Гц V V V V
В якостi реалiзаци першого варiанту (вщпо-вiдно до табл. 1) можливо використовувати на-ступну розгорнуту структурну схему (рис. 2), при цьому реалiзуeться силовий модуль перетворювача типу М1 (на кожен тяговий двигун окремий перетворювач), вщповщно до прийня-то! у [7] кватфшаци.
На рис. 2 прийнят наступнi скорочення: ПР - перемикач режимiв (25 кВ 50 Гц або 3 кВ постшного струму); МВ - випрямляч мереже-вого контуру; ФН - фшьтр-накопичувач; М1 -iнвертор мережевого контуру; ТПЧ - трансформатор тдвищено! частоти; ТВ - випрямляч тягового контуру; ТДПС - тяговий двигун постшного струму.
В режимi «3 кВ» ПР тдключае МВ1...МВ6 паралельно до контактно! мереж^ а в режимi «25 кВ 50 Гц» - послщовно, тобто пiдключенi у режимi дiльника напруги контактно! мережа При цьому на входi кожного МВ дie напруга,
яка дорiвнюe:
и„
ляч [8 та ш.], тiльки схема, представлена на рис. 2, е бiльш складною.
Перевагою представлено! на рис. 2 схеми е використання мережевих iнверторiв М1, яю працюють зi зсувом по фазi один до одного, тобто реатзуеться принцип багатофазного перетворювача, що, як загальновiдомо, дозволяе покращити енергетичнi показники перетворювача в цшому.
25
■ = — = 4,17 кВ змшного 6
струму, а в режимi «3 кВ» дiе 3 кВ постшного струму.
Елементи перетворювача М1, Т ПЧ та ТВ ви-конуються однофазними. Саме ця обставина робить схему, представлену на рис. 2, аналопч-ною по сутi до класично! схеми, яку використо-вують на ЕРС змшного струму та подвшного живлення, на якому використовуеться однофа-зш тяговий трансформатор та тяговий випрям-
Рис. 2. Розгорнута структура тягового перетворювача за вар1антом «1»: 25 кВ змшного та 3 кВ постшного струму при 6 ТДПС при реал1зацп модулями М1
Загальновщомо, що для однофазних мосто-вих випрямлячiв встановлена потужнiсть трансформатора (при активно -шдуктивному навантаженнi) дорiвнюе 5"т1фм = 1,23Рл, а для
трифазного мостового випрямляча
^т3фм = 1,05Рл, тобто доцiльне використання
трифазних систем. Реалiзувати збiльшення числа фаз перетворювача можливо за рахунок з'еднання в трифазну систему вторинних обмоток ТПЧ, при одночаснш реатзацп зсуву на-пруг первинних обмоток на 120 ел. градушв, тодi схема, представлена на рис. 2, перетвориться до вигляду, представленого на рис. 3.
Використання трифазно! системи дозволить
зменшити габаритну потужшсть трансформа-
1 23 — 1 05 торiв на ' ' 100 % = 14,6% .
1,23
Фактично схема, представлена на рис. 3, ре-атзуе перетворювач типу М3, тобто один силовий модуль на три тягових двигуна. Але ж проведет у [7] дослщження показали, що доцшьно використовувати силовий модуль М2. Тодi
схема, представлена на рис. 3, змшюетъся до вигляду, представленого на рис. 4.
Як бачимо з рис. 4, структура тягового пере-творювача представляе. собою три трифазних канали, кожен з яких живить два тягових дви-гуна (реалiзуеться силовий модуль М2), але кожен з тягових двигушв працюе вiд свого ке-рованого трифазного тягового випрямляча, тобто мае мюце iндивiдуальний привод.
Крiм того, в даному варiантi побудови тягового перетворювача на входi кожного МВ дiе
напруга, яка дор1внюе:
Uк
25
■ = — = 2,78 кВ 3
змшного струму - ця величина е близькою до режиму роботи «3 кВ» постшного струму, тоб-то немае необхщност використовувати вентил1 бшьшого класу.
вузл!в, а саме: МВ, ФН1, М11, ТПЧ1, ТВ1. Таким чином, £фв = -5 = 0,2.
Перемикач режим1в ПР не враховуемо, осю-льки вш е загальним для вше! схеми.
Для структурно! схеми, яка представлена на рис. 3, той самий коефщент складатиме: 3
£фв = — = 0,23, а для схеми, яка представлена
13
на рис. 4: £фв = — = 0,167.
12
Пор1внявши представлен! на рис. 2 - 4 стру-ктурш схеми та !х коефщ1енти £фв, стае зрозу-
мшим, що найбшьш ефективно використову-еться елементи перетворювача, побудованого за схемою рис. 3.
Рис. 3. Структура тягового перетворювача за вар1ан-том «1»: 25 кВ змшного та 3 кВ постшного струму при 6 ТДПС з використанням трифазного трансформатора шдвищено! частоти (ТТПЧ) при реал1заци модулями М3
Для порiвняння представлених структурних схем, якi реалiзують рiзнi варiанти побудови статичних перетворювачiв тягового приводу перспективних багатосистемних електровозiв, доцiльним е ввести «коефщент використання функцiональних вузлiв» перетворювача - кфв,
який вщображае, скiльки функцiональних вуз-лiв перетворювача забезпечуе роботу одного тягового двигуна i чим бiльше цей коефщент, тим краще використовуються елементи перетворювача.
Наприклад, для структурно! схеми, яка представлена на рис. 2, роботу тягового двигу-на ТДПС 1 забезпечують п'ять функцюнальних
Рис. 4. Структура тягового перетворювача 25 кВ змшного та 3 кВ постшного струму при 6 ТДПС при реал1заци модулями М2
Для проведення порiвняльного аналiзу пере-творювальних структур тягового приводу шес-тивiсного багатосистемного електровозу при-ймаемо структурнi схеми представленi на рис. 2 - 4 за базов^ позначивши !х надалi як М1, М3, М2 вiдповiдно.
Порiвнявши структурш схеми рис. 1 - 4, не-важко зробити висновок, що основними функ-цiональними вузлами, яю «вщповщають» за роботу з контактною мережею, е ПР та МВ. Саме поеднання цих елеменпв, в залежносп вiд напруги у контактнш мережi, визначае структуру перетворювача у цiлому.
В залежносп вiд режиму роботи (з'еднання) перемикача режимiв е можливими наступнi схеми ввiмкнення мережевих випрямлячiв при шести ТДПС (рис. 5).
для семи ТДПС представлеш у табл. 2.
Враховуючи вище представленi дослщжен-ня, стае можливим визначитися з рацюнальною структурою для кожного з представлених у табл. 1 варiантiв побудови статичного перетво-рювача тягового приводу перспективних бага-тосистемних електровозiв з шютьма тяговими двигунами постiйного струму.
Так, для першого варiанту (3 кВ та 25 кВ 50 Гц), з точки зору ддачих напруг та викорис-тання функцюнальних вузлiв перетворювача, доцiльно будувати перетворювач з модулiв М3 за структурною схемою, що представлена на рис. 3. При цьому в режимi «3 кВ» МВ можуть бути з'еднанi за варiантами «а», «б» або «в» (рис. 5), в режимi «25 кВ 50 Гц» за варiантом «а», при цьому напруга на входi мережевого випрямляча буде не бшьше за 4,5 кВ.
Якщо ж напруга на входi мережевого випрямляча повинна бути найменшою, то доцшь-но будувати перетворювач з силових модулiв М2 (рис. 4). При цьому в режимi «3 кВ» МВ можуть бути з'еднаш за варiантами «д» або «ж» (рис. 5), в режимi «25 кВ 50 Гц» за варiан-том «д», при цьому напруга на входi мережевого випрямляча буде не бшьше за 3,0 кВ.
Таблиця 2
Результати визначення напруги що дie на входi мережевих випрямлячiв перетворювача для семи ТДПС
Рис. 5. Схеми вв1мкнення мережевих випрямляч1в при шести ТДПС
Використовуючи представлеш на рис. 5 ва-рiанти з'еднання мережевих випрямлячiв, нескладно визначити значення напруги контактно! мережi, яка прикладена до кожного з МВ у
вщповщносп до виразу: имв = и™/а , де икм -
напруга у контактнiй мережц а - кiлькiсть по-слщовно з'еднаних МВ, до яких прикладена напруга контактно! мережъ
Результати розрахунюв для перетворювача
Схема за рис. 5 а б в г д е ж
Кшьюсть послщовно з'еднаних МВ, а 6 1 2 3 9 1 3
Напруга контактно! мереж! Напруга, що д1е на вход1 МВ, кВ
3 кВ 0,5 3,0 1,5 1,0 0,33 3,0 1,0
6 кВ 1,0 6,0 3,0 2,0 0,67 6,0 2,0
12 кВ 2,0 12,0 6,0 4,0 1,33 12,0 4,0
24 кВ 4,0 24,0 12,0 8,0 2,67 24,0 8,0
25 кВ 50 Гц 4,17 25,0 12,5 8,33 2,78 25,0 8,33
Для варiанту 2 (табл. 1) можливо викорис-товувати модулi М2 або М3, при цьому, з точки зору мшмально! напруги на МВ, використову-вати схеми «б» та «е» (рис. 5) недоцiльно, осю-льки напруга буде рiвною 6 кВ, що потребуе використання вентилiв високого класу за на-пругою (для режиму роботи «6 кВ»).
Для варiанту 3 також можливе використання модулiв М2 та М3, але у режимi «12 кВ» недо-цiльно використовувати варiанти «б», «в», «е».
Для варiанту 4 доцшьно використовувати для модуля М2 тiльки схеми «а», а для модуля М3 - тшьки схему «д» (рис. 5).
В цшому з точки зору рiвномiрностi розпо-дiлення напруги мiж МВ у рiзних режимах ро-боти перетворювача доцiльно використовувати в якост шдвищено! напруги у контактнш мереж 24 кВ постшного струму, яке е близьким до 25 кВ 50 Гц, що дозволить використовувати т ж самi схемнi рiшення та той самий режим роботи ПР.
Таким же чином можливо дослщити всi iншi варiанти побудови статичного перетворювача тягового приводу перспективних багатосистем-них електровозiв з шiстьма або чотирма тяго-вими двигунами постiйного струму, яю пред-ставленi у табл.1.
Особливютю реалiзацil статичного перетво-рювача для тягового приводу перспективних багатосистемних електровозiв з чотирма тяго-вими двигунами постiйного струму е те, що його можливо будувати з силових модулiв М1 або М2.
Слiд вiдмiтити, що з точки зору надiйностi використовувати модулi М6 для шестивiсного електровозу та М4 чотиривiсного електровозу е недоцшьним [7].
Структура тягового перетворювача 25 кВ змiнного та 3 кВ постшного струму при 4 ТДПС при реатзаци модулями М2 буде в^^з-нятися вiд т1€1, що представлена на рис. 4, вщ-сутнютю третього трифазного каналу, який живить ТДПС5 та ТДПС6 (рис. 6).
Рис. 6. Структура тягового перетворювача 25 кВ змшного та 3 кВ постшного струму при 4 ТДПС при реал1заци модулями М2
Загальш висновки
1. З точки зору габаритних потужностей трансформаторного обладнання та коефщента використання функцюнальних вузлiв статичного перетворювача, у склащ перетворювача про-понуеться використовувати трифазнi трансфо-рматори шдвищено! частоти.
2. Представлений у робот порiвняльний аналiз запропонованих перетворювальних структур тягового приводу перспективних ба-гатосистемних електровозiв з тяговими двигунами постшного струму дозволив визначитись з рацюнальними структурами з точки зору на-пруг, дiючих на вхвдних елементах перетворю-вача.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. [Текст] / А. М. Солодунов и др.; под ред. А. М. Со-лодунова. - Рига: Зинантне, 1991. - 351 с.
2. Справочник по преобразовательной технике [Текст] / И. М. Чиженко, П. Д. Андриенко / под ред. И. М. Чиженко. - К.: Техшка, 1978. - 447 с.
3. Котельников, А. В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы. [Текст] / А. В. Котельников. - М.: Интекст, 2002. - 104 с.
4. Бадер, М. П. Концептуальные решения по нетрадиционным системам тягового электроснабжения и электромагнитной совместимости [Текст] / М. П. Бадер // Материалы 2-ой Межд. науч.-практ. конф. «Электрификация железнодорожного транспорта "Трансэлектро-2008"». -Д.: ДНУЖТ, 2008. - С. 26.
5. Дубинець, Л. В. Структурна схема перспективного електровозу подвшного живлення [Текст] / Л. В. Дубинець, Г. М. Чшкш, А. М. Муха // Зб. наук. пр. Дншродзержинського держ. техн. унту (техн. науки). Тематичний випуск «Пробле-ми автоматизованого електропривода. Теор1я й практика.» - Дншродзержинськ: ДДТУ, 2007. - С. 356-357.
6. Флора, В. Д. Полупроводниковые устройства [Текст] / В. Д. Флора, Ю. С. Коробков - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 64 с.
7. Муха, А. М. Обгрунтування вибору потужносп тягового перетворювача багатосистемних елек-тровоз1в [Текст] / А. М. Муха // В1сник Дшпро-петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Ла-заряна. - 2007. - Вип. 19 - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - С. 61-67.
8. Дубровский, З. М. Грузовые электровозы переменного тока [Текст] / З. М. Дубровский, В. И. Попов, Б. А. Тушканов. - М.: Транспорт, 1991. - 464 с.
Надшшла до редколегп 25.03.2009.
