CC BY
32
УДК 629.421.1
В. С. Иванов, О. В. Мельниченко
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ ИНВЕРТОРА НА БАЗЕ ТИРИСТОРОВ И IGBT-ТРАНЗИСТОРОВ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Аннотация. В данной статье авторами проведено исследование электромагнитных процессов инвертора на базе тиристоров и IGBT-транзисторов электропоезда переменного тока в режиме рекуперативного торможения. Для осуществления поставленной задачи применялся метод составления мгновенных схем замещения и систем дифференциальных уравнений, соответствующие определенному интервалу времени диаграммы выпрямленного напряжения и токов плеч инвертора. На основании проведенного исследования приведены недостатки тиристорного инвертора и преимущества транзисторного.
Ключевые слова: тиристор, IGBT-транзистор, инвертор, схема замещения, алгоритм управления, электропоезд, электромагнитный процесс, коммутация, зона регулирования.
Vladislav S. Ivanov, Oleg V. Melnichenko
Irkutsk State Transport University (ISTU), Irkutsk, the Russian Federation
THEORETICAL STUDY OF ELECTROMAGNETIC PROCESSES INVERTER BASED
ON THYRISTORS AND IGBT-TRANSISTORS OF AN ELECTRIC TRAIN OF AN
ALTERNATING CURRENT IN THE MODE OF REGENERATIVE BRAKING
Abstract. In this article, the authors have studied the electromagnetic processes of an inverter based on thyristors and IGBT transistors of an AC electric train in the regenerative braking mode. To accomplish this task, a method was used to compose instantaneous replacement schemes and systems of differential equations corresponding to a certain time interval of the rectified voltage diagram and the currents of the inverter arms. On the basis of the study were given the disadvantages of thyristor inverter and the advantages of transistor.
Keywords: thyristor, IGBT-transistor, inverter, equivalent circuit, control algorithm, electric train, electromagnetic process, switching, control area,
В настоящее время большая часть эксплуатируемого парка моторвагонного подвижного состава (МВПС) российских железных дорог не имеет рекуперативного торможения. Начиная лишь с 2012 г., Демиховский машиностроительный завод осуществляет производство электропоездов с данным ресурсосберегающим режимом [1, 2]. Это электропоезда серий ЭД9Э и ЭП3Д, их преобразователи выполнены на базе силовых тиристоров [3]. Как показывает полувековая практика, тиристорная база, применяемая на электроподвижном составе (ЭПС), имеет множество недостатков:
значительное потребление электроэнергии на тягу электропоезда (коэффициенты мощности - 0,84 и 0,6) в режимах тяги и рекуперативного торможения;
вызывает потери активной электроэнергии в системе тягового электроснабжения;
вызывает высокочастотное искажение форм напряжения и тока контактной сети, что снижает надежность и ресурс работы электронного и электрического оборудования электропоезда;
вызывает загрузку тяговой сети реактивной энергией, что снижает пропускную способность тягового участка в целом и др. [4].
С момента появления IGBT-транзисторов имеется возможность проектирования новых выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИПов) на их базе [9]. Применение IGBT-транзисторов в силовой схеме электропоезда переменного тока и способов их управления позволит устранить недостатки, которые существуют на МВПС с тиристорной базой.
Для пояснения недостатков существующей тиристорной базы преобразователей МВПС и преимуществ разработанного инвертора на основе ЮБТ-транзисторов авторами настоящей статьи проведен анализ электромагнитных процессов, протекающих в данных преобразователях в режиме рекуперативного торможения.
Для рассмотрения каждого интервала электромагнитного процесса (рисунок 2) приводится мгновенная схема его замещения (рисунок 3), для которой определяются контуры протекания тока, задаются направления протекания тока в ветвях, находятся общие для контуров узлы и согласно второму закону Кирхгофа составляются уравнения, которые описывают изменения токов в данный интервал времени [5]. Все мгновенные схемы замещения штатного инвертора приводятся для электропоездов переменного тока серий ЭД9Э и ЭП3Д.
Инвертор обеспечивает питание цепи выпрямленного тока, состоящей из двух параллельных ветвей, в которой последовательно соединены два тяговых электродвигателя. На каждую цепь последовательно соединенных ТЭД приходится по три сглаживающих реактора (СР) и по два балластных резистора [6]. Работа тиристорного инвертора осуществляется согласно штатному алгоритму управления (рисунок 1) [7]. Для упрощения силовой цепи инвертора на схемах замещения показаны для каждой из параллельных ветвей по одному СР и балластному резистору.
ЭМ рСгур|ф4МЛ)М EIimji.ik.umih-"ЭДС 1ра|« форм тора Плечи ВИПа
ия та газ ки газ гаь ИТ
IV - — р — — — Р —
э — — а,, — — — Р
III -- — — — Р — Р —
— — э — — «п — Р
п - — р <ь — Р — — —
--- — — «Р — Р — —
-- — — — "г — — —
— — — — — — —
Рисунок 1 - Алгоритм управления тиристорным инвертором
При расчетах индуктивность цепи выпрямленного тока заменяется эквивалентной индуктивностью, рассчитываемой по формуле
¿гэ = 2 (ср + 2ья + 2ьдп ), (1)
где ЬСР - индуктивность СР;
- индуктивность обмотки якоря; Ьдп - индуктивность добавочных полюсов (ДП).
Активное сопротивление цепи выпрямленного тока заменяется эквивалентным активным сопротивлением, которое рассчитывается по формуле
Ггэ = 2 (3гСР + 2Г + 2гДП + Гб1 + Гб2 ) , (2)
где гСР - активное сопротивление СР;
гя - активное сопротивление обмотки якоря;
Гдп - активное сопротивление добавочных полюсов;
гб1 - активное сопротивление первого балластного резистора; гб2 - активное сопротивление второго балластного резистора.
а
Рисунок 2 - Диаграммы напряжения и тока в первичной обмотке тягового трансформатора (а) выпрямленного напряжения и токов плеч тиристорного инвертора (б) в режиме рекуперативного торможения электропоезда со штатным алгоритмом управления на четвертой зоне регулирования: U\ - напряжение сети; ^ - ток сети; щ - напряжение инвертора; iг - ток инвертора; IVSn - ток в п-м плече инвертора
Для упрощенной записи падения напряжения на тиристорах плеча используется формула
А^ = Аиуз ■ N, (3)
где п - номер плеча; Ли¥8 - падение напряжения на тиристоре плеча; N - количество последовательно включенных элементов в ветви плеча.
Для упрощенной записи падения напряжения в цепи выпрямленного тока используется формула
диг = 1г ■ Ггэ,
(4)
где Iг - ток в цепи выпрямленного тока;
ггэ - эквивалентное активное сопротивление цепи выпрямленного тока. Индуктивности обмоток трансформатора обозначим как Ьк-т, а ЭДС обмоток трансформатора - Ек-т, где к и т - номера выводов вторичной обмотки тягового трансформатора.
Рисунок 3 - Схема замещения тиристорного выпрямительно-инверторного преобразователя МВПС
Исследуем электромагнитные процессы при электродвижущей силе (ЭДС), обозначенной сплошной стрелкой в полупериоде питающего напряжения (см. рисунок 2). Ток, вырабатываемый тяговыми двигателями, протекает через тиристоры плеч инвертора ¥81 и ¥88, этому соответствует интервал 0 - 1 на рисунке 2. Мгновенная схема замещения инвертора во временном интервале 0 - 1 показана на рисунке 4, а. Контур протекания тока на этом интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥81 -( ) - плечо ¥88.
Р \СР2, Г3, Г4, Яб2
Для временного интервала 0 - 1 получим уравнение
= Е1-4 + Ег - Ц - АЦ - А^
&
¿1-4 + ¿гэ
(5)
где Е г - напряжение генератора.
Начиная с момента времени, соответствующего точке 1 на диаграмме выпрямленного напряжения, управляющий импульс ар подается на тиристоры плеча ¥83 (см. рисунок 2). После этого возникает коммутация тока с длительностью ур с плеча ¥81 на плечо ¥83 инвертора. На данном интервале образуются два контура протекания тока:
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥81 -
- вторичная обмотка 1 - 2, плечо ¥83, плечо ¥81.
СР1, Г1, Г2, ^ СР2, Г3, Г4,
|- плечо ¥88;
Необходимо определить также общий для этих контуров узел и задаться направлением протекания тока в ветвях ^/г, , ¡'г ^.
Рисунок 4 - Мгновенные схемы замещения тиристорного инвертора электропоезда на четвертой зоне регулирования: а: 0 - 1; б: 1 - 2; в: 2 - 3; г: 3 - 4; д: 4 - 5; е: 5 - п; ж: п - 6; з: 6 - 7; и: 7 - 8; к: 8 - 9; л: 9 - 10; м: 10 - 2п
Для временного интервала 1 - 2 получаем систему уравнений:
&г _ Е1-4 + Ег - АЦ.1 - Аиг - ^8.
йг
¿1-4 + ¿гэ
Е1-2 + АЦ,1 - АЦ,3.
£
(6)
1-2
г'г +1. - = 0.
Мгновенная схема замещения инвертора во временном интервале 1 - 2 изображена на рисунке 4, б. После завершения фазовой коммутации ур ток в инверторе будет протекать через тиристоры плеч ¥83 и ¥88, что соответствует временному интервалу 2 - 3. Контур протекания тока на этом интервале:
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥83 -
СР1, Г1, Г2, ,СР2, Г3, Г4, Я6„
- плечо ¥88.
Для временного интервала 2 - 3 получаем уравнение
&г Е2-4 + Ег - А^ 3 - АЦ, - А^
&
¿2 - 4 + ¿г
(7)
Мгновенная схема замещения инвертора во временном интервале 2 - 3 показана на рисунке 4, в. Далее, в момент времени, соответствующий углу опережения в, точка 3, производится подача управляющих импульсов на тиристоры плеч ¥82 и ¥87.
На данном интервале образуются два контура протекания тока:
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥83 -
СР1, Г1, Г2, Яб
\СР2, Г3, Г4, Я62,
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥88, плечо ¥82.
Для временного интервала 3 - 4 получаем систему уравнений:
- плечо ¥88;
&'г _ Е2-4 + Ег - 3 - Аиг - .
&
¿2-4 + ¿гэ
&'кб Е1-4 + АЦ*2 - Аи
УЯ 8 .
йг
I +1 б - г' = 0.
г кб г
и
(8)
1-4
Мгновенная схема замещения инвертора на интервале 3 - 4 изображена на рисунке 4, г. Соотношение индуктивностей рассеяния отдельных обмоток трансформатора таково,
что протекание тока коммутации в большом контуре происходит при условии
- Ьп
йг
т. е. результирующее напряжение, приложенное к выводам обмотки 0 - 4, является отрицательным вплоть до полного закрытия плеча ¥88.
Несмотря на то, что управляющие импульсы подаются в одно и то же время на два ти-ристорных плеча ¥82 и ¥87, малый контур коммутации тока гкм, в состав которого входят плечи УБ3 и ¥87 инвертора, не будет образовываться, так как плечо ¥87 не откроется вплоть до окончания коммутации в большом контуре и запирании плеча УБ8, причиной которого является отсутствие положительного потенциала на выводе 4 секции 0 - 4.
р
е
0-4
Продолжительность протекания коммутации в большом контуре оценивается углом уь По завершении времени, соответствующего углу уь напряжение в секции вторичной обмотки трансформатора 2 - 4 становится больше нуля, вследствие чего возникают потенциальные условия для возникновения коммутации в малом контуре коммутации. В то же время секция 1 - 2 переходит в режим проводимого состояния и в кривой выпрямленного напряжения возникает положительная область, соответствующая напряжению, равному е12 - ¿12 •&г-.
- - йг
Продолжительность коммутации в малом контуре оценивается углом у2. Мгновенная схема замещения инвертора, соответствующая временному интервалу 4 - 5 на диаграмме напряжения, показана на рисунке 4, д. Под действием протекающего в этом контуре тока коммутации 'км плечо ¥83 закрывается, а плечо ¥87 открывается.
На данном интервале образуются два контура протекания тока:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 2, плечо ¥83 - ( > - плечо ¥82;
Р \СР2, Г3, Г4, Яб2/
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥87, плечо ¥83.
Для временного интервала 4 - 5 получаем систему уравнений:
&К = ЕЬ2 + Ег - АЦ^ - АЦ - АЦ,2 ; & ¿1-2 + ¿гэ '
й'км = Е2-4 + Ц3 - Ц7 . (9)
йг
г + г - г = 0.
г км г
После завершения коммутации в малом контуре инвертор переходит в проводящее состояние до момента подачи импульсов управления ар в следующем полупериоде питающего напряжения, обозначенного пунктирной стрелкой на рисунке 2.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥87 - ( > - плечо ¥82.
Р \СР2, Г3, Г4, Я62
Для временного интервала 5 - п получаем уравнение
йь. = Е1-4 + Ег - Ц 7 - АЦ - АЦ, 2 йг ¿1-4 + ¿гэ
(10)
Мгновенная схема замещения инвертора электропоезда, соответствующая временному интервалу 5 - п, изображена на рисунке 4, е.
В точке п наблюдается смена направления ЭДС. Сплошная стрелка меняется на штриховую (см. рисунок 2). Ток в обмотке тягового трансформатора электропоезда протекает против направления его ЭДС. В данный полупериод питающего напряжения на временном интервале п - 6 ток инвертора будет протекать через заранее открытые тиристорные плечи инвертора ¥82 и ¥87 (см. рисунок 2).
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥87 - ( > - плечо ¥82.
Р \СР2, Г3, Г4, Я62/
Для временного интервала п - 6 получаем уравнение
йК = Е1-4 + Ег - АЦ, 7 - АЦ - АЦ, 2. (11)
йг ¿1-4 + ¿гэ
Мгновенная схема замещения инвертора электропоезда, соответствующая временному интервалу п - 6, показана на рисунке 4, ж.
В момент времени, соответствующий точке 6 на диаграмме напряжения, импульс управления ар подается на тиристорное плечо инвертора ¥84 (см. рисунок 2). Вследствие этого начинается коммутация тока с продолжительностью ур с плеча ¥82 на плечо ¥84 инвертора.
На данном интервале образуются два контура протекания тока:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥87 -
Р \СР2, Г3, Г4, Я62,
- вторичная обмотка 1 - 2, плечо ¥82, плечо ¥82.
Для временного интервала 6 - 7 получаем систему уравнений:
- плечо ¥82;
1г 1
Ем + Ег
АЦ
V. 7
АЦ - АЦ
V. 2
¿1-4 + ¿г
Е1-2 + АЦ.2 - АUv
йг
г' + г..
¿1-
(12)
0.
Мгновенная схема замещения инвертора электропоезда, соответствующая временному интервалу 6 - 7, изображена на рисунке 4, з.
После завершения фазовой коммутации ур ток инвертора протекает через тиристорные плечи ¥84 и ¥87, что соответствует временному интервалу 7 - 8 (см. рисунок 2). Контур протекания тока на данном интервале:
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥87 -
СР1, Г1, Г2, Яб
\СР2, Г3, Г4, Я621 Для временного интервала 7 - 8 получаем уравнение
- плечо ¥84.
1
Е + Е
2-4 г
АЦ,
V. 7
АЦ - АЦ
V. 4
¿2-4 + ¿г
(13)
Мгновенная схема замещения инвертора электропоезда, соответствующая временному интервалу 7 - 8, представлена на рисунке 4, и.
В момент времени, соответствующий точке 8, подаются импульсы управления в на тиристорные плечи ¥81 и ¥88, после чего возникает большой контур коммутации гкб. На данном интервале образуются два контура протекания тока:
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥87 -
СР1, Г1, Г2, Яб.
\СР2, Г3, Г4, Яб21 — вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥87, плечо ¥81. Для временного интервала 8 - 9 получаем систему уравнений:
- плечо ¥84;
&г 1,
Е2-4 + Ег
АЦ
7
АЦ - АЦ
4 .
¿2-4 + ¿г
кб
Е1-4 + АЦ.7 - АЦ
,51 .
йг
г' + г
кб
I = 0.
р
2
Мгновенная схема замещения инвертора электропоезда, соответствующая временному интервалу 8 - 9, изображена на рисунке 4, к.
Несмотря на то, что управляющие импульсы подаются в одно и то же время на два тири-сторных плеча ¥81 и ¥88, малый контур коммутации /км, в состав которого входят плечи ¥84 и ¥88 инвертора, не будет образовываться, так как плечо ¥88 не откроется вплоть до окончания коммутации в большом контуре и запирании плеча ¥87, причиной которого является отсутствие положительного потенциала на выводе 4 секции 0 - 4.
Продолжительность протекания коммутации в большом контуре оценивается углом уь По завершении времени, соответствующего углу уь напряжение в секции вторичной обмотки трансформатора 2 - 4 становится больше нуля, вследствие чего возникают потенциальные условия для возникновения коммутации в малом контуре. В то же время секция 1 - 2 переходит в режим проводимого состояния и в кривой выпрямленного напряжения возникает положительная область.
Продолжительность коммутации в малом контуре оценивается углом у2. Под действием протекающего в этом контуре тока коммутации /км плечо ¥84 закрывается, а плечо ¥88 открывается.
На данном интервале образуются два контура протекания тока:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 2, плечо ¥81 - ( ) - плечо ¥84;
Р \СР2, Г3, Г4, Я62/
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥88, плечо ¥84.
Для временного интервала 9 - 10 получаем систему уравнений:
сН„
£1-2 + Ег - ДЦ^ - ДЦ - ДЦ,4,
А-2 + к
Е2-4 + ДЦ, 4
ди
V, 8
1г + /км - /г = 0.
к
(15)
2-4
Мгновенная схема замещения инвертора, соответствующая временному интервалу 9 - 10 на диаграмме напряжения, показана на рисунке 4, л.
После завершения коммутации в малом контуре инвертор переходит в проводящее состояние до момента подачи импульсов управления ар в следующем полупериоде питающего напряжения, обозначенного сплошной стрелкой на рисунке 2.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥81 - ( ) - плечо ¥88.
Р \СР2, Г3, Г4, Я62
Для временного интервала 10 - 2п получаем уравнение
йК = Е1-4 + Ег - ДЦ,1 - ДЦГ - ДЦу, 8
йг А-4 + кгэ
(16)
Мгновенная схема замещения инвертора электропоезда, соответствующая временному интервалу 10 - 2п, изображена на рисунке 4, м.
Далее электромагнитные процессы тиристорного ВИПа в режиме инвертора протекают аналогично описанным выше согласно алгоритму управления, представленному на рисунке 1.
Для исследования электромагнитных процессов, возникающих в плечах предлагаемого ВИПа во время их работы на четвертой зоне регулирования, необходимо первый и второй полупериоды выпрямленного напряжения разбить на временные интервалы 0 - 1 - 2 - 3 - 4 -
5 - п и п - 6 - 7 - 8 - 9 -10 - 2п соответственно (рисунок 7). Управление работой ВИПа электропоезда в режиме рекуперативного торможения производится по предлагаемому алгоритму, который представлен на рисунке 5 [8].
Для упрощенной записи падения напряжения на плечах предлагаемого ВИПа запишем выражение для эквивалентного падения напряжения, которое определяется по формуле
= ^UVD ■ N +^uVт ■ N,
где п - номер плеча;
^и^ - падение напряжения на диоде плеча;
ли^ - падение напряжения на транзисторе плеча;
N - количество последовательно включенных элементов в ветви плеча.
(17)
Рисунок 5 - Предлагаемый алгоритм управления инвертором на базе ЮБТ-транзисторов
Схема замещения выпрямительно-инверторного преобразователя на базе ЮБТ-транзисторов показана на рисунке 6.
Рисунок 6 - Схема замещения транзисторного выпрямительно-инверторного преобразователя МВПС
На интервале 1 - 2 (см. рисунок 7) в момент времени 1 на транзисторы плеч VT3 и подаются управляющие сигналы в® в® соответственно, после чего в период сетевой коммутации у происходит передача нагрузки с транзистора плеча VT9 на плечи 3 и 8. На данном интервале образуются два контура протекания тока:
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо V3 (ТО; VD3), плечо V9 (VT9; VD9), плечо V? (У78; VD8);
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- плечо У9 (У79; VD9)- ( б1\.
' ' \СР2, Г3, Г4, Я62
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 1 - 2, представлена на рисунке 8, а
_ Е2-4 - ДЦзэ + ДЦз - ДЦз . ( к2-4
_ Ег - Диг - Ди9Э . (1Й)
1 г ' (18) ( кгэ
+ - /г = 0.
На интервале 2 - 3 (см. рисунок 7) обеспечивается напряжение полной третьей зоны. Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥3 (¥73; ¥Т>3) -< )- плечо ¥8 (¥78;
\СР2, Г3, Г4, Я^/ К
¥В8).
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 2 - 3, изображена на рисунке 8, б.
_ Е2-4 - Д^3з + Ег - ДЦ8з - ДЦг.
(г к2-4 + кгэ
На интервале 3 - 4 (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 3, с транзисторного плеча ¥73 происходит снятие сигнала управления, но в свою очередь подается управляющий сигнал Ргее на транзисторное плечо ¥71, обеспечивая напряжение полной четвертой зоны регулирования.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 1 - 4, плечо ¥1 (¥71; ¥Т>1) -( )- плечо ¥8 (¥78;
\СР2, Г3, Г4, Я^/ К
¥В8).
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 3 - 4, представлена на рисунке 8, в.
сНг_ _ Е1-4 -Ди1Э + Ег -Ди8Э -Диг . (20)
( к1-4 + кгэ '
На интервале 4 - 5 (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 4, с транзисторного плеча ¥71 происходит снятие сигнала управления. Тем временем идет подача управляющего сигнала вгеё на транзисторное плечо ¥73, обеспечивается напряжение полной третьей зоны.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо ¥3 (¥73; ¥Т>3) -( )- плечо ¥8 (¥78;
\СР2, Г3, Г4, Я^/ К
¥В8).
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 4 - 5, показана на рисунке 8, г.
(Ь_ _ Е2-4 - Ди3Э + Ег - Ди83 - Диг . (21)
к2-4 + кгэ
Рисунок 7 - Диаграммы напряжения и тока в первичной обмотке тягового трансформатора (а) выпрямленного напряжения и токов плеч инвертора на базе ЮБТ-транзисторов (б) в режиме рекуперативного торможения электропоезда с предлагаемым алгоритмом управления на четвертой зоне регулирования: и1 - напряжение сети; /'1 - ток сети; иг - напряжение инвертора; iг - ток инвертора;
- ток в п-м плече инвертора
На временном интервале 5 - п и п - 6 (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 5, происходит одновременное снятие сигналов управления с транзисторных плеч УТ3 и УТ8. Далее в этот момент происходит открытие диода ¥В9, поддерживая ток в якорях тяговых электродвигателей, за счет накопленной электромагнитной энергии. На временном интервале, соответствующем точке п, происходит смена направления ЭДС со сплошной на штриховую стрелку.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- плечо У9 (УТ9; УВ9) - ( бМ .
' ' \СР2, Г3, Г4, Яб2/
Мгновенная схема замещения, соответствующая временным интервалам 5 - п и п - 6, представлена на рисунке 8, д.
^ = Ет -АЦг -А^9э (22)
С I ' К ]
/ гэ
На временном интервале 6 - 7 (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 6, подаются одновременно сигналы управления в® на транзисторные плечи УТ4 и УТ7 соответственно, после чего в период сетевой коммутации происходит передача нагрузки с диодного плеча УБ9 на транзисторные плечи ВИПа УТ4 и УТ7.
На данном интервале образуются два контура протекания тока:
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо У7 (УТ7; УЛ7), плечо У9 (УТ9; УБ9), плечо У4 (УТ4; У£>4);
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- плечо У9 (УТ9; УВ9) - ( бМ .
' ' \СР2, Г3, Г4, Яб2/
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 6 - 7, представлена на рисунке 8, е.
С/'в _ Е2-4 - Аи7Э + А^9Э Аи4Э ,
С ¿2-4
_ Ег - Аиг - Аи9Э . (23)
С ¿гэ '
/г + /'„ - к = 0.
На интервале 7 - 8 (см. рисунок 7) обеспечивается напряжение полной третьей зоны. Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
- вторичная обмотка 2 - 4, плечо У7 (УТ7; УБ7) -( )- плечо У4 (УТ4;
\СР2, Г3, Г4, Яб2/ К
УВ4).
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 7 - 8, изображена на рисунке 8, ж.
СК_ _ Е2-4 - Аи7Э + Ег - Аи4Э - Аиг . (24)
С1 ¿2-4 + ¿гэ
На интервале 8 - 9 (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 8, с транзисторного плеча УТ4 происходит снятие сигнала управления. Далее подается управляющий сигнал Ргее на транзисторное плечо УТ2, обеспечивая регулирование напряжения четвертой зоны.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
— вторичная обмотка 1 - 4, плечо У7 (¥77; УБ7) —( )— плечо У2 (¥72;
\СР2, Г3, Г4, Яб2/ К
УБ2).
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 8 — 9, представлена на рисунке 8, з.
= Е1-4 - ЛЦз + Ет - Ди2з - ЛЦ- . (25)
4 ¿1-4 + ¿3 '
На интервале 9 — 10 (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 9, с транзисторного плеча У72 происходит снятие сигнала управления. Тем временем идет подача управляющего сигнала Ргее на транзисторное плечо УТ4, обеспечивается регулирование напряжения третьей зоны.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
— вторичная обмотка 2 — 4, плечо У7 (У77; УБ7) —( )— плечо У4 (УТ4;
\СР2, Г3, Г4, Яб2/
УБ4).
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 9 — 10, показана на рисунке 8, и.
= Е2-4 - Ли7Э + Ег - Ли43 - Лиг . (26)
¿2-4 + ¿гэ
На временном интервале 10 — 2п (см. рисунок 7) в момент времени, соответствующий точке 10, происходит одновременное снятие сигналов управления с транзисторных плеч УТ4 и У77. Далее в этот момент происходит открытие диода УБ9, поддерживая ток в якорях тяговых электродвигателей, за счет накопленной электромагнитной энергии.
Контур протекания тока на данном интервале:
/СР1, Г1, Г2, Яб1\
— плечо У9 (УТ9; УБ9) —( бМ .
' ' \СР2, Г3, Г4, Яб2/
Мгновенная схема замещения, соответствующая временному интервалу 10 — 2п, представлена на рисунке 8, к.
= Ег - Лиг - Ли93 (27)
^ Ьа ' ' '
Далее электромагнитные процессы предлагаемого инвертора происходят аналогично согласно алгоритму управления, представленному на рисунке 5.
При проведении теоретического исследования электромагнитных процессов выпрями-тельно-инверторных преобразователей на базе тиристоров и ЮБТ-транзисторов получены
мгновенные схемы замещения инвертора на базе тиристоров электропоезда переменного тока на примере четвертой зоны регулирования напряжения;
получены системы уравнений токов генератора, токов плеч инвертора в контурах коммутации согласно штатному алгоритму управления.
На основе проведенного анализа электромагнитных процессов работы тиристорного инвертора в режиме рекуперативного торможения электропоезда переменного тока можно сделать выводы:
для гарантированной работы инвертора в рекуперативном торможении угол запаса инвертора берется значительным, что приводит к снижению коэффициента мощности
мотор-вагона;
наблюдается значительная величина коммутационного угла токов плеч инвертора у; значительная пульсация выпрямленного тока также сказывается на снижении коэффициента мощности электропоезда [10].
Рисунок 8 - Мгновенные схемы замещения инвертора электропоезда на базе ЮВТ-транзисторов
на четвертой зоне регулирования: а: 1 - 2; б: 2 - 3; в: 3 - 4; г: 4 -5; д: 5 - п; е: п - 6; ж: 6 - 7; з: 7 - 8; и: 8 - 9; к: 9 - 10
Применение полностью управляемых ЮВТ-транзисторов в качестве силовой базы инвертора позволило
разработать новый алгоритм его управления, который дает возможность значительно компенсировать индуктивный характер нагрузки электропоезда, что повысит его коэффициент мощности;
осуществить поддержание якорного тока тяговых электродвигателей в моменты выключения инвертора от тягового трансформатора с помощью дополнительного разрядного плеча, установленного параллельно цепи тяговых электродвигателей;
исключить возможность опрокидывания транзисторного инвертора за счет разработанного алгоритма управления, который обеспечивает точное закрытие предыдущих работающих плеч инвертора.
Список литературы
1. Мельниченко, О. В. Анализ применения преобразователей в силовых схемах отечественного моторвагонного подвижного состава переменного тока [Текст] / О. В. Мельниченко,
B. С. Иванов // Вестник Иркутского национального исследовательского технического университета / Иркутский национальный исследоват. техн. ун-т. - Иркутск. - 2018. - № 4. -
C. 231 - 242.
2. ЭД9Э - новый электропоезд для Казахстанских железных дорог [Текст] // Журнал для партнеров ЗАО «Трансмашхолдинг». - М. - 2014. - № 2. - 27 с.
3. Бозе, Б. К. Современная силовая электроника и преобразователи переменного тока: Учебник [Текст] / Б. К. Бозе // Prentige Hall PTR, 2002. - 738 с.
4. Математическое моделирование тягового трансформатора электропоезда переменного тока серии ЭД9Э в среде имитационного моделирования Matlab Simulink [Текст] / В. С. Иванов, В. А. Аксенов и др. // Материалы 9-й междунар. науч.-практ. конф. «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2018. - Т. 2. - С. 273 - 280.
5. Усольцев, А. А. Общая электротехника: Учебное пособие [Текст] / А. А. Усольцев / Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. - СПб, 2009. - 301 с.
6. Электропоезд ЭД9Э: Руководство по эксплуатации [Текст] / ОАО «Демиховский машиностроительный завод», - М., 2015. - 433 с.
7. Преобразователь выпрямительно-инверторный ВИП-1000-У1: Руководство по эксплуатации ИЕАЛ.435411.046 РЭ [Текст] / ОАО «Электровыпрямитель». - Саранск, 2008. - 35 с.
8. Иванов, В. С. Разработка силовой схемы электропоезда переменного тока серии ЭД9Э на базе IGBT-транзисторов [Текст] / В. С. Иванов, О. В. Мельниченко // Сборник трудов 4-й всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2018. - С. 137 - 140.
9. Яговкин, Д. А. Совершенствование выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза переменного тока и принципа его управления в режиме тяги [Текст]: Дис... канд. техн. наук: 05.22.07 /Яговкин Дмитрий Андреевич. - Иркутск, 2016. - 178 с.
10. Мельниченко, О. В. Повышение энергетической эффективности тяговых электроприводов электровозов переменного тока [Текст]: Дис... докт. техн. наук: 05.09.03 / Мельниченко Олег Валерьевич. - Хабаровск, 2015. - 392 с.
References
1. Melnichenko O. V., Ivanov V. S. Analysis of application of converters in power circuits of domestic motor-car rolling stock of alternating current [Analiz primeneniya preobrazovateley v silovykh skhemakh otechestvennogo motorvagonnogo podvizhnogo sostava peremennogo to-ka]. Vestnik IrGTU. Irkutsk national research technical University. Irkutsk, 2018, no. 4, pp. 231 - 242.
2. ED9E-new electric train for Kazakhstan Railways [ED9E - novyy elektropoezd dlya Kazakh-stanskikh zheleznykh doro]. Journal for partners ofCJSC TRANSMASHHOLDING, 2014. no. 2, 27 p.
3. Bose B. K. Modern power electronics and AC inverters [Sovremennaya silovaya elektronika i preobrazovateli peremennogo toka]. Prentice Hall PTR, 2002, 738 p.
4. Ivanov V. S. Mathematical modeling of traction transformer electric AC series ED9E in the simulation of MATLAB SIMULINK [Matematicheskoe modelirovanie tyagovogo trans-formatora elektropoezda peremennogo toka serii ED9E v srede imitatsionnogo modelirovaniya MATLAB SIMULINK]. Transport infrastructure of the Siberian region: materials Ninth Intern. scientific. - prakt. Conf. Irkutsk state University of railway engineering. Irkutsk, 2018, vol. 2, 688 p.
5. Usoltsev A. A. Obshchaya elektrotekhnika (General electrical engineering). St. Petersburg national research University information technologies, mechanics and optics, 2009, 301 p.
6. ElektropoezdED9E (Train ED9E). JSC «Demikhovsky engineering plant», 2015, 433 p.
7. Preobrazovatel' vypryamitel'no-invertornyy VIP-1000-U1 (Converter rectifier-inverter VIP-1000-U1). The user manual for IEAL.435411.046 re. JSC «Elektrovypryamitel», 2008, 35 p.
8. Ivanov V. S. Development of power circuit of electric train AC series ED9E on the basis of IGBT-transistors [Razrabotka silovoy skhemy elektropoezda peremennogo toka serii ED9E na baze IGBT-tranzistorov]. «Science and youth» proceedings of the fourth all-Russian scientific-practical conference of students, postgraduates and young scientists. Irkutsk state University of railway engineering. - Irkutsk, 2018, pp. 137 - 140.
9. Yagovkin D. A. Sovershenstvovanie vypryamitel'-invertornogopreobrazovatelya elektrovoza peremennogo toka i printsipa ego upravleniya v rezhime tyagi (Improvement of rectifier-inverter Converter locomotive is AC power and control in the traction mode). PhD thesis, Irkutsk., 2016, 178 p.
10. Melnichenko O. V. Povyshenie energeticheskoy effektivnosti tyagovykh elektroprivodov elektrovozov peremennogo toka (Increase of power efficiency of traction electric drives of electric locomotives of alternating current). Doctor's thesis, Khabarovsk, 2015, 392 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Иванов Владислав Сергеевич
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского, 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроподвижной состав», ИрГУПС.
Тел.: +7 (983) 153-10-75.
E-mail: Vladislav- Sergeevich-Irgups@mai l.ru
Мельниченко Олег Валерьевич
Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).
Чернышевского, 15, г. Иркутск, 664074, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроподвижной состав», ИрГУПС.
Тел.: +7 (902) 170-24-37.
E-mail: Vladislav- Sergeevich-Irgups@mai l.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Иванов, В. С. Теоретическое исследование электромагнитных процессов инвертора на базе тиристоров и IGBT-транзисторов электропоезда переменного тока в режиме рекуперативного торможения [Текст] / В. С. Иванов, О. В. Мельниченко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2018. -№ 3 (35). - С. 28 - 44.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Ivanov Vladislav Sergeevich
Irkutsk State Transport University (ISTU).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation.
Ph. D. student department of «Electric rolling stock», ISTU.
Phone: +7 (983) 153-10-75.
E-mai l: Vladislav- Sergeevich-Irgup s@mai l.ru
Melnichenko Oleg Valeryevich
Irkutsk State Transport University (ISTU).
15, Chernyshevsky st., Irkutsk, 664074, the Russian Federation.
Doctor of Technical Sciences, Professor, head of department of « Electric rolling stock », ISTU.
Phone: +7 (902) 170-24-37.
E-mail: Olegmelnval@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Ivanov V. S., Melnichenko O. V. Theoretical study of electromagnetic processes inverter based on thyristors and IGBT-transistors of an electric train of an alternating current in the mode of regenerative braking. Journal of Transsib Railway Studies, 2018, vol. 3, no 35, pp. 28 - 44 (In Russian).
