Научная статья на тему 'Теоретическое исследование потенциала нейтральной точки нагрузки и токов утечки в тяговом асинхронном электроприводе электровоза постоянного тока'

Теоретическое исследование потенциала нейтральной точки нагрузки и токов утечки в тяговом асинхронном электроприводе электровоза постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника»

CC BY
54
6
Поделиться
Журнал
Известия Транссиба
ВАК
Область наук
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОВОЗ ПОСТОЯННОГО ТОКА / ТЯГОВЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ / АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ / ПОТЕНЦИАЛ НЕЙТРАЛЬНОЙ ТОЧКИ НАГРУЗКИ / ТОК УТЕЧКИ / ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

Аннотация научной статьи по электротехнике, автор научной работы — Пустоветов Михаил Юрьевич

Использование в современных преобразователях частоты импульсной технологии формирования напряжения на клеммах асинхронного двигателя привело к принципиально иной, по сравнению с питанием от источника синусоидального напряжения, ситуации в отношении количественных уровней электромагнитных помех и токов утечки. В большинстве случаев в качестве тяговых преобразователей на электровозах с асинхронным приводом используется двухуровневый трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН) с жесткой коммутацией, выполненный по мостовой схеме. В статье рассматривается механизм формирования потенциала нейтральной точки нагрузки, фазы которой соединены по схеме «звезда», и возникающих, как следствие, токов утечки для случая электровоза постоянного тока на примере промышленного электровоза НПМ2. Результаты компьютерного моделирования, проведенного автором, показали, что специфика подключения АИНа электровозов постоянного тока к контактной сети создает условия, когда амплитуда потенциала нейтральной точки обмотки статора тягового асинхронного двигателя (АД) равна амплитуде напряжения фазы, что способствует возможности протекания значительных токов утечки и ухудшению электромагнитной совместимости. При выборе изоляции подшипников тягового АД следует принимать во внимание значительную величину напряжения вала.

Похожие темы научных работ по электротехнике , автор научной работы — Пустоветов Михаил Юрьевич,

THEORETICAL INVESTIGATION OF LOAD NEUTRAL POINT ELECTRIC POTENTIAL AND LEAKAGE CURRENTS IN AN INDUCTION TRACTION DRIVE OF DC-CURRENT ELECTRIC LOCOMOTIVE

Usage of pulse technique of voltage on induction motor terminals forming in contemporary frequency converters led to principally different situation in quantity levels of electromagnetic interference and leakage currents. More often traction converter type at electric locomotives with induction electric drive is two-level self-commutated voltage inverter with full-bridge topology and hard commutation. In this article mechanism of Y-scheme load neutral point electric potential and leakage currents in case of DC-current locomotive is considered by the example of industrial electric locomotive NPM2. Author's results of computer modeling shows that way of DC-current locomotive self-commutated voltage inverter conjunction to catenary makes specific conditions when neutral point of Y-scheme stator winding of traction induction motor electric potential amplitude is equal to phase voltage amplitude. This fact can lead to considerable values of leakage currents and poor electromagnetic compatibility. It is necessary to take into account considerable value of shaft voltage in case of traction induction motor bearings insulation selection.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Теоретическое исследование потенциала нейтральной точки нагрузки и токов утечки в тяговом асинхронном электроприводе электровоза постоянного тока»

6. Каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифицированных железных дорог [Текст] / Специальное конструкторско-технологическое бюро по изоляторам и арматуре. -М.: Трансиздат, 2000. - С. 10 - 19.

7. Об электромагнитных и акустических излучениях неисправных гирлянд изоляторов контактной сети железной дороги [Текст] / С. М. Куценко, Н. Н. Климов и др. // Радиолокация, навигация, связь: Сб. докл. X междунар. науч.-техн. конф. / НПФ «САКВОЕЕ» ООО. -Воронеж, 2004. - Т. 1. - С. 712 - 720.

8. Молчанов, В. В. Новые технологии и оборудование контроля и диагностирования железнодорожной техники [Текст] / В. В. Молчанов, В. Г. Шахов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 4 (4). - С. 116 - 120.

9. Любченко, А. А. Анализ процессов технического обслуживания элементов сложных технических систем [Текст] / А. А. Любченко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 88 - 94.

10. Егоров, В. В. Техника высоких напряжений. Перенапряжения в устройствах электрической тяги. Профилактическое испытание изоляции [Текст] / В. В. Егоров. - М.: Маршрут, 2004. - 188 с.

УДК 629.423.32

М. Ю. Пустоветов

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛА НЕЙТРАЛЬНОЙ ТОЧКИ НАГРУЗКИ И ТОКОВ УТЕЧКИ В ТЯГОВОМ АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Использование в современных преобразователях частоты импульсной технологии формирования напряжения на клеммах асинхронного двигателя привело к принципиально иной, по сравнению с питанием от источника синусоидального напряжения, ситуации в отношении количественных уровней электромагнитных помех и токов утечки. В большинстве случаев в качестве тяговых преобразователей на электровозах с асинхронным приводом используется двухуровневый трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН) с жесткой коммутацией, выполненный по мостовой схеме. В статье рассматривается механизм формирования потенциала нейтральной точки нагрузки, фазы которой соединены по схеме «звезда», и возникающих, как следствие, токов утечки для случая электровоза постоянного тока на примере промышленного электровоза НПМ2. Результаты компьютерного моделирования, проведенного автором, показали, что специфика подключения АИНа электровозов постоянного тока к контактной сети создает условия, когда амплитуда потенциала нейтральной точки обмотки статора тягового асинхронного двигателя (АД) равна амплитуде напряжения фазы, что способствует возможности протекания значительных токов утечки и ухудшению электромагнитной совместимости. При выборе изоляции подшипников тягового АД следует принимать во внимание значительную величину напряжения вала.

В работе [1] описана схема АИНа, изображенная на рисунке 1, т. е. с заземленной средней точкой входного источника постоянного напряжения, а также представлены эпюры потенциалов и напряжений и алгоритм работы ключей АИНа для этого случая.

Приняв условные обозначения аналогично представленным в источнике [1], запишем основные соотношения для напряжений АИНа: фс, фь, фа - потенциалы относительно земли выходных клемм соответствующих фаз АИНа; uab, ubc, uca - линейные (междуфазные) напряжения на нагрузке; ф 0 - потенциал нейтральной точки нагрузки, соединенной по схеме «звезда», относительно земли; Ud - входное постоянное напряжение АИНа; ua, ub, uc -фазные напряжения на нагрузке; Za, Zb, Zc - комплексные сопротивления фаз нагрузки;

VT1, VT 2, VT 3, VT 4, VT 5, VT 6 - транзисторные ключи АИНа; VD1, VD 2, VD3, VD 4, VD5 , УD6 - встречно-параллельные диоды АИНа.

06301360

иаЬ = Фа - Фь ; иьс = фь- фс;

иса = фс - фа ; Ф0 = (фа + фЬ + фс )/3 иа = фа - ф0;

иь = фь- фо;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ис = фс - ф0.

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

Рисунок 1 - Вариант схемы АИНа с заземленной средней точкой входного источника постоянного напряжения

Возможен другой вариант исполнения головной части схемы АИНа, когда у входного источника постоянного напряжения заземлена минусовая клемма (рисунок 2). Такая схема использована на тяговых преобразователях промышленного электровоза постоянного тока НПМ2 [2], эксплуатируемого на Магнитогорском металлургическом комбинате, и магистрального электровоза постоянного тока 2ЭС10: клемма «+» присоединена к контактному проводу, а клемма «-» - к рельсу.

фа

-°-т—1

+ УТ1 I -1С ^

и, ©

£

УТ 4

н

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

УТ зТ

упз

УТ6

Ц

Тт5|

нк2

УЭ 5

РТ2

I га2

о-С

-о—С

•—О—С

Фо

Рисунок 2 - Вариант схемы АИНа с заземленной минусовой клеммой входного источника постоянного напряжения

а б

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рисунок 3 - Эпюры потенциалов и напряжений АИНа: а - по варианту рисунка 1; б - по варианту рисунка 2

06301360

Выражения (1) - (7) универсальны для описания потенциалов и напряжений схем на рисунках 1 и 2, что сделано соответственно на рисунках 3,а,б для одноимпульсной формы выходного напряжения АИНа. Очевидно, что разница между схемами на рисунках 1 и 2 при формировании потенциалов фаз АИНа относительно земли заключается в том, что в схеме на рисунке 1 при открытии верхнего транзистора фазы формируется потенциал величиной 0,5иа, а при открытии нижнего транзистора - потенциал величиной -0,5иа. В случае же схемы на рисунке 2 при открытии верхнего транзистора фазы формируется потенциал величиной иа, а при открытии нижнего транзистора - потенциал величиной 0. Это обстоятельство приводит к существенной разнице в величине и форме ф 0 в двух рассматриваемых случаях. Для схемы на рисунке 1 потенциал ф 0 составляют исключительно нечетные гармонические составляющие, порядок которых кратен трем: 3, 9, 15, 21, ... Эти гармонические составляющие относятся к нулевой последовательности. Для схемы на рисунке 2 к указанному гармоническому составу добавляется постоянная составляющая. При этом фазные и линейные напряжения для рассматриваемых вариантов схем АИНа формируются идентично.

Токи утечки протекают через емкости между обмоткой статора и корпусом асинхронного двигателя, статором и ротором, жилами кабеля, экраном и заземлением. Экспериментально суммарный ток утечки может быть определен как векторная сумма трех фазных токов, поделенная на три. Вследствие наличия ф 0 и тока утечки на ротор АД формируется напряжение вала изкар, которое приводит к протеканию токов через подшипники на землю, если

подшипники неизолированные. При этом происходит интенсивная электрокоррозия поверхностей катания подшипников, следствием чего будет их повреждение и разрушение. Во избежание протекания подшипниковых токов на всех российских локомотивах с асинхронным тяговым электроприводом (включая НПМ2) используются тяговые АД с двумя изолированными подшипниками.

Проведено компьютерное моделирование токов утечки для тягового асинхронного двигателя ДТА-350М электровоза НПМ2 с использованием уравнений и модели АД, представленных в работе [3]. Для формирования питающих напряжений выбран алгоритм синусоидальной широт-но-импульсной модуляции (ШИМ) с предмодуляцией, реализуемый в тяговом приводе электровоза НПМ2 до частоты основной гармоники питающего напряжения /1 = 30 Гц [4]. В источнике [5] приведена одна из простых схем для учета путей протекания токов утечки в тяговом АД, возникающих из-за высокочастотной ШИМ напряжения АИНа. Использованный при моделировании вариант схемы [5] с одной дополнительной емкостью (емкость между лобовыми частями обмотки статора и корпусом машины через изоляцию и воздух) показан на рисунке 4. Элементы схемы на рисунке 4 описаны в таблице.

Рисунок 4 - Схема для моделирования путей протекания суммарного тока утечки /с т и тока через подшипники 1Ъг в тяговом АД

Элементы схемы для учета путей протекания токов утечки (см. рисунок 1)

Наименование параметра Обозначение Численное значение

Емкость между обмоткой статора (пазовой ее частью) и корпусом машины (через изоляцию между медью и железом статора через многослойную изоляцию на дне и стенках пазов) СчГ 49,469 нФ

Емкость между обмоткой статора (пазовой ее частью) и ротором (через многослойную изоляцию, клин и воздушный за-з°р) С м>г 0,703 нФ

Емкость между ротором и статором (через воздушный зазор) Сг 2,948 нФ

Емкость между лобовыми частями обмотки статора и корпусом машины через изоляцию и воздух Сем>/ 57,665 пФ

Емкости подшипников, удерживающих вал машины С с ^Ь1> ^Ь2 Параметры при моделировании ДТА350М из схемы исключены, так как подшипники изолированные

Активные сопротивления подшипников, удерживающих вал машины КЬг1, КЬг2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для емкости между обмоткой статора (пазовой ее частью) и корпусом машины площадь обкладок равна суммарной площади поверхности пазов статора, исключая площадь соприкосновения с пазовыми клиньями. Расстояние между обкладками - это суммарная толщина изоляции в пазу статора на одну сторону.

Для емкости между обмоткой статора (пазовой ее частью) и ротором площадь обкладок определяется как суммарная площадь шлицов пазов статора, обращенная в воздушный зазор. Расстояние между обкладками заполнено тремя слоями диэлектрика: воздух зазора, пазовый клин статора, изоляция между медью и пазовым клином статора.

В емкости между ротором и статором обкладками конденсатора являются коаксиальные поверхности статора и ротора, обращенные к воздушному зазору. Расстояние между обкладками - это воздушный зазор.

В емкости между лобовыми частями обмотки статора и корпусом машины через изоляцию и воздух обкладками конденсатора являются поверхность лобовых частей обмотки статора, обращенная к корпусу, и равная по площади часть внутренней поверхности корпуса. В первом приближении поверхности принимаются коаксиальными. Ввиду большой величины воздушного промежутка между лобовыми частями и корпусом значение Се^ гораздо меньше

остальных емкостей схемы, представленной на рисунке 4 (см. таблицу).

Результаты компьютерного моделирования для тягового АД ДТА-350М в установившемся режиме при /х = 30 Гц показаны на рисунках 5 и 6. Принято, что иа = 1,5 кВ. В результате

компьютерного моделирования получено: изЫр достигает 50 % от ф0 по амплитуде; в процессе частотного разгона тягового АД пики суммарного тока утечки /ст достигают 239 А.

Результаты компьютерного моделирования показывают, что способ подключения АИНа электровозов постоянного тока к питающей сети создает специфические потенциальные условия, когда амплитуда потенциала нейтральной точки обмотки статора тягового АД равна амплитуде напряжения фазы, что способствует возможности протекания значительных токов утечки. Это может негативно влиять на электромагнитную совместимость асинхронного тягового привода. При выборе изоляции подшипников тягового АД следует принимать во внимание значительную величину напряжения вала.

06301360

Рисунок 5 - Результаты моделирования потенциала ф0 (график 1) и напряжения Ushaj■t (график 2)

Рисунок 6 - Результаты моделирования суммарного тока утечки /

Список литературы

1. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями [Текст] / Н. А. Ро-танов, А. С. Курбасов и др. - М.: Транспорт, 1991. - 336 с.

2. Марченко, Г. Г. Эволюция промышленных электровозов и тяговых агрегатов [Текст] / Г. Г. Марченко // Электровозостроение: Сб. науч. тр. / Всерос. научно-исследоват. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения. - Новочеркасск, 2003. - Т. 45. - С. 56 - 72.

3. Озерский, А. И. Компьютерное моделирование асинхронного электропривода с гидромуфтой [Текст] / А. И. Озерский, М. Ю. Пустоветов, В. С. Минаков // Вестник ДГТУ / Донской гос. техн. ун-т. - Донецк. - 2012. - Т. 12. - №№ 1 (62). - Вып. 2. - С. 83 - 95.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Курочка, А. А. Выбор алгоритма широтно-импульсной модуляции в автономном инверторе напряжения промышленного электровоза НПМ2 [Текст] / А. А. Курочка, Д. А. Кабанов, Л. Д. Лушникова // Вестник ВЭлНИИ / Всерос. научно-исследоват. и проектно-

Информационные технологии, Эбтоматика, связь, телекоммуникации

конструкт. ин-т электровозостроения. - Новочеркасск, 2004. - N° 1. - С. 156 - 163.

5. Luszcz, J. Destructive consequences of PWM inverter feeding for traction AC motors [Текст] / J. Luszcz, P. Dworakowski // Modern Electric Traction / Gdansk University of Technology. - Gdansk, 2009.

УДК 519.876.5:621.316.97

Ю. М. Елизарова, Н. К. Слептерева

МОДЕЛИРОВАНИЕ СРЕДСТВАМИ MATLAB/SIMULINK РАБОТЫ АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОИСКА МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ КАБЕЛЕЙ

В статье приводится компьютерное моделирование работы аппаратного комплекса для поиска мест повреждения кабелей. Проведен анализ параметров схем устройства. Подтверждена эффективность аппаратуры, реализованной по приведенным схемам, в условиях действия мощных помех электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта.

Как показывает опыт эксплуатации кабельных систем с поврежденным изолирующим покрытием, токоведущая жила, или оболочка кабеля, в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия быстро выходит из строя по причине коррозии, поэтому оперативное и точное определение места повреждения изоляции и его устранение - одна из важнейших задач, возникающих в процессе эксплуатации кабеля. Следует отметить, что в зоне действия электрифицированного железнодорожного транспорта опасность коррозии подземных сооружений значительно повышается [1 - 4].

Существующие средства не позволяют с достаточной точностью определять места повреждения изоляции и трассу кабелей в условиях действия сильных электромагнитных помех, которые создаются, например, в зоне действия электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта, поэтому задача разработки помехозащищенной аппаратуры поиска мест повреждения кабеля актуальна.

В данной статье рассмотрено моделирование аппаратного комплекса для поиска мест повреждения кабелей (АК ПМПК) в среде Ма^аЬ^тиНпк, предоставляющей средства гибкой настройки параметров элементов, составляющих моделируемую схему, что в итоге позволяет выбрать такие их значения, которые обеспечат уверенный поиск места повреждения кабеля и трассы.

Применение компьютерного моделирования позволяет анализировать и при необходимости корректировать схему устройства на этапе, предшествующем ее технической реализации. При моделировании есть возможность осуществлять настройку параметров функциональных частей аппаратуры, задавать различные режимы ее работы, анализировать выходные сигналы.

Среди преимуществ моделирования в пакете Ма1ЬаЬ следует отметить возможность сочетания методов имитационного и структурного моделирования, в результате чего становится возможным реализовать силовую часть схемы с применением имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления - с помощью блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не электрическую схему. Благодаря этому модель упрощается, повышаются скорость ее работы, устойчивость. [5]

В рассматриваемом аппаратном комплексе для поиска мест повреждения кабеля обеспечивается повышение точности при определении трассы и места повреждения кабеля за счет того, что в кабель подается амплитудно-модулированный сигнал. Большая помехоустойчивость, по сравнению с применением немодулированного сигнала, достигается при использовании детектора амплитудно-модулированного сигнала, осуществляющего двойную фильтрацию [6].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.