CC BY
41
УДК 629.423.32
А. М. МУХА (ДПТ)
УН1Ф1КАЦ1Я ЯК КРИТЕР1Й ПОРШНЯЛЬНО1 ОЦ1НКИ СТРУКТУРНИХ СХЕМ ТЯГОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ДЛЯ БАГАТОСИСТЕМНОГО ЕЛЕКТРОВОЗА
У статп проведено порiвняльний аналiз рiзних BapiaHTiB структурних схем статичного перетворювача для тягового привода перспективних багатосистемних електpовозiв. В якосп критерш поpiвияльноl оцiнки запропоновано використовувати значения основних покaзникiв ушфжаци функцiонaльних вузлiв, якi вхо-дять до складу перетворювача.
В статье проведен сравнительный анализ различных вариантов структурных схем статического преобразователя для тягового привода перспективных многосистемных электровозов. В качестве критерия сравнительной оценки предлагается использовать значения основных показателей унификации функциональных узлов, входящих в состав преобразователя.
In the article a comparative analysis of different variants of structured schemes of static converters for traction drive of the promising multi-system electric locomotive is performed. As a criterion of comparison estimation it is offered to use the values of main parameters of unification of functional units included in the converter.
Вступ
В наш час електрорухомий склад залiзниць, що експлуатуеться, та система тягового елект-ропостачання знаходяться не у кращому сташ, необхщна !хня повномасштабна модершзащя. Особливо гостро сто!ть питання шдвищення пропускно! спроможносп д^нок залiзниць, електрифшованих постшним струмом. Вирши-ти цю задачу можливо за рахунок переведення електрично! тяги всiх залiзниць Укра!ни на змiнний струм (що потребуе значних коштiв) або пiдвищення напруги у контактнiй мереж постiйного струму (враховуючi наявний запас по електричнш мiцностi iзоляцii). При цьому буде необхщно вводити в експлуатацiю елект-ровози, якi можуть працювати як при постш-ному, так i змiнному струмах, при рiзних рiвнях напруги у контактнiй мереж - це так званий багатосистемний електрорухомий склад. Вве-дення в експлуатащю цих електровозiв дозволить виршити проблему оновлення тягового рухомого складу з одночасним збшьшенням пропускно! спроможносп електрифiкованих постiйним струмом дiлянок.
Аналiз лiтературних джерел показав, що основою тягового привода сучасних одно-, двох-та багатосистемних електровозiв е статичний перетворювач. 1снують рiзнi варiанти схемно! реалiзацii тягових статичних перетворювачiв електровозiв, аналiз яких дозволяе визначитись з !х загальною структурою [1, 2 та ш.].
Вибiр рацiональноi структури, розробка схем та конструкцiй статичних перетворювачiв
для тягового привода багатосистемних елект-ровозiв не можуть бути виконаш в повному об-сязi без оцiнювання рiзних варiантiв структурних схем, з точки зору ушфшаци перетворюва-чiв.
Мета роботи
Визначення функщональних вузлiв, на базi яких доцiльним е будувати статичний перетво-рювач для тягового привода багатосистемного електровозу.
Матерiал i результати дослщження
Унiфiкацiя - одна з найбшьш поширених i ефективних рiзновидiв стандартизаци.
Стандартизацiя - встановлення та викорис-тання правил з метою упорядкування дiяльнос-тi у визначенiй обласп на користь та за участ всiх зацiкавлених сторiн, зокрема для досяг-нення загально! економii при дотриманш умов експлуатацii та вимог безпеки [3].
Ушфшацш складових частин статичних пе-ретворювачiв для тягового привода багатосистемних електровозiв дозволить зменшити ви-трати часу та кош^в по створенню нових титв перетворювачiв за рахунок використання моду-льностi конструкцii. Так, вiдпрацювання схемного та конструктивного ршення модуля тягового швертора для чотирьохвюного електрово-зу з АТД дозволить його використовувати в складi тягового привода шестивюного електро-возу з АТД.
© Муха А. М., 2009
Ушфшащю, в даному випадку, розглядаемо як задачу, метою яко! е визначення функщона-льних вузлiв перетворювача, яю доцiльно вико-ристовувати у склащ тягового перетворювача, незалежно вiд виду тягового двигуна, роду струму та рiвня напруги у контактнш мереж.
Ощнювати рiвень ушфшацл функщональ-них вузлiв перетворювально! структури пропо-нуеться за наступними показниками.
Частють використання функцiонального ву-зла у складi перетворювально! структури
N
Кк =-, де N та N,, вщповщно, - загальна
N
кiлькiсть функщональних вузлiв у всiх розгля-нутих перетворювальних структурах та кшь-юсть функцiональних вузлiв, рiвень ушфшащ! яких розглядаеться.
Частiсть використання функцiонального ву-зла у складi перетворювально! структури, з урахуванням кшькосп типiв функщональних
вузлiв Км = — , де М - кшьюсть типiв функщональних вузлiв.
Залежно вiд структури перетворювача тягового привода багатосистемних електровозiв пропонуеться наступна !х класифшащя, яка враховуе:
1) кiлькiсть та вид тягового двигуна: 4А -чотири асинхронних тягових двигуна (АТД); 6А - шють АТД; 4Т - чотири двигуна постшно-го струму (ТДПС); 6Т - шють ТДПС;
2) тип силового модуля: М1, М2, М3, М4, М5 або М6;
3) тип трансформатора тдвищено! частоти: 1Ф - однофазний; 3Ф - трифазний;
4) схему з'еднання вхщних випрямлячiв ме-режевого контуру за формулою т х а , де т -кшьюсть паралельних груп послiдовно з'една-них мережевих випрямлячiв; а - кшьюсть по-слiдовно з'еднаних мережевих випрямлячiв.
Наприклад, тяговий статичний перетворю-вач для живлення чотирьох асинхронних тяго-вих двигунiв, побудований з силових модулiв типу М2 (тобто два тягових двигуна на один силовий модуль) з використанням трифазних трансформаторiв пiдвищено! частоти, в складi якого використовуються шiсть мережевих ви-прямлячiв, буде класифiковано як: 4А-М2-3Ф-2м3а (рис. 1).
На рис. 2 представлено розгорнуту структуру тягового перетворювача 6Т-М1-1Ф-6м1а, призначеного для живлення шести тягових дви-гунiв постшного струму.
На рис. 1 та 2 прийняп наступнi скорочен-ня: ПР - перемикач режимiв (змшний або по-стiйний струм); МВ - випрямляч мережевого
контуру; ФН - фшьтр-накопичувач; М1 - швер-тор мережевого контуру; ТТПЧ - трифазний трансформатор пiдвищено! частоти; ТПЧ - однофазний трансформатор тдвищено! частоти; ТВ - випрямляч тягового контуру; Т1 - тяговий швертор; АТД - асинхронний тяговий двигун; ТДПС - тяговий двигун постшного струму.
Рис. 1. Розгорнута структура тягового перетворювача 4А-М2-3Ф-2м3а
= МВ1 ФН1 — М11 — ТГ1Ч1 ТВ1 — ТДПС1
= МВ2 ФН2 — М12 — ТПЧ2 = ТВ2 ТДПС2
= МВЗ ФНЗ — М13 — ТПЧЗ — ТВЗ : тдпсз
ПР
= МВ4 ФН4 — М14 — ТПЧ4 — ТВ4 ТДПС4
= МВ5 ФН5 = М(5 — ТПЧ5 — ТВ5 ТДПС 5
= МВ6 : ФН6 — М16 — ТПЧ6 — ТВ6 ТДПС6
Рис. 2. Розгорнута структура тягового перетворювача 6Т-М1-1Ф-6м1а
Аналiз розроблених структурних схем пере-творювачiв для багатосистемних електровозiв з АТД (наприклад, рис. 1) та ТДПС (наприклад, рис. 2) дозволяе визначити функщональш вуз-ли, яю е доцiльним розглядати з точки зору ушфкаци:
1) тяговий швертор Т1;
2) тяговий випрямляч ТВ;
3) однофазний швертор шдвищено! частоти, позначимо як М1. До складу схем з трифазними шверторами шдвищено! частоти, входять три однакових ланки М1, кожна з яких пiдключена до одше! з первинних обмоток трифазного трансформатора шдвищено! частоти ТШЧ;
5) однофазний трансформатор пiдвищено! частоти ТПЧ;
6) трифазний трансформатор пiдвищено! ча-стоти ТППЧ;
7) фшьтр-накопичувач ФН;
8) модуль мережевого випрямляча ММВ, до складу якого входять т однакових паралель-них груп з а послщовно з'еднаних мережевих випрямлячiв МВ, тому класифшувати модуль е доцiльним за кшьюстю послiдовно з'еднаних мережевих випрямлячiв (наприклад, 1а, 2а, 3 а i т.д.);
9) перемикач режимiв ПР.
Таблиця 1
Показники ум1ф1кац1Т функцшнальних вузлiв запропонованих перетворювальних структур
для асинхронного тягового привода
Перетворювальна структура Кшьюсть функцюнальних вузлш
ПР Модуль МВ ФН М1 ТПЧ ТТП Ч ТВ Т1
1а 2а 3а 4а 6а 9а 12а 18а
4А-М1-1Ф-1м4а 1 1 4 4 4 4 4
4А-М1-1Ф-4м1а 1 4 4 4 4 4 4
4А-М1-1Ф-2м2а 1 2 4 4 4 4 4
4А-М1-3Ф-4м3а 1 4 12 12 4 4 4
4А-М1-3Ф-12м1а 1 12 12 12 4 4 4
4А-М1-3Ф-1м12а 1 1 12 12 4 4 4
4А-М2-1Ф-1м2а 1 1 2 2 2 4 4
4А-М2-1Ф-2м1а 1 2 2 2 2 4 4
4А-М2-3Ф-2м3а 1 2 6 6 2 4 4
4А-М2-3Ф-1м6а 1 1 6 6 2 4 4
4А-М2-3Ф-6м1а 1 6 6 6 2 4 4
6А-М1-1Ф-1м6а 1 1 6 6 6 6 6
6А-М1-1Ф-6м1а 1 6 6 6 6 6 6
6А-М1-1Ф-3м2а 1 3 6 6 6 6 6
6А-М1-1Ф-2м3а 1 2 6 6 6 6 6
6А-М1-3Ф-1м18а 1 1 18 18 6 6 6
6А-М1-3Ф-18м1а 1 18 18 18 6 6 6
6А-М1-3Ф-3м6а 1 3 18 18 6 6 6
6А-М1-3Ф-6м3а 1 6 18 18 6 6 6
6А-М2-1Ф-1м3а 1 1 3 3 3 6 6
6А-М2-1Ф-3м1а 1 3 3 3 3 6 6
6А-М2-3Ф-1м9а 1 1 9 9 3 6 6
6А-М2-3Ф-3м3а 1 3 9 9 3 6 6
6А-М2-3Ф-9м1а 1 9 9 9 3 6 6
6А-М3-1Ф-1м2а 1 1 2 2 2 6 6
6А-М3-1Ф-2м1а 1 2 2 2 2 6 6
6А-М3-3Ф-1м6а 1 1 6 6 2 6 6
6А-М3-3Ф-2м3а 1 2 6 6 2 6 6
6А-М3-3Ф-6м1а 1 6 6 6 2 6 6
Кшьшсть функцюналь-них вузл1в, о\ <м 00 г- о <м - - - - <м 2 <м 2 о г-«ч 2 2 5
Загальна кшьшсть функ-цюнальних вузл1в, N 987
Часпсть використання функцюнального вузла, KN 0,02938 0,06890 0,00709 0,02026 ююо'о 0,00608 ЮЮО'О 0,00101 ЮЮО'О 0,22391 0,22391 0,05066 0,05775 0,15400 0,15400
Таблиця 2
Показники ушфжаци функцiональних вузлiв запропонованих перетворювальних структур для тягового привода з двигунами постшного струму
Перетворювальна структура Юльюсть функцюнальних вузлш
ПР Модуль МВ ФН М1 ТПЧ ТТП Ч ТВ
1а 2а 3а 4а 6а 9а 12а 18а
4Т-М1-1Ф-1м4а 1 4 4 4 4 4
4Т-М1-1Ф-4м1а 1 4 4 4 4 4 4
4Т-М1-1Ф-2м2а 1 2 4 4 4 4 4
4Т-М1-3Ф-4м3а 1 4 12 12 4 4
4Т-М1-3Ф-12м1а 1 12 4 12 12 4 4
4Т-М1-3Ф-1м12а 1 4 1 12 12 4 4
4Т-М2-1Ф-1м2а 1 1 2 2 2 2 4
4Т-М2-1Ф-2м1а 1 2 2 2 2 2 4
4Т-М2-3Ф-2м3а 1 2 6 6 2 4
4Т-М2-3Ф-1м6а 1 2 1 6 6 2 4
4Т-М2-3Ф-6м1а 1 6 2 6 6 2 4
6Т-М1-1Ф-1м6а 1 6 1 6 6 6 6
6Т-М1-1Ф-6м1а 1 6 6 6 6 6 6
6Т-М1-1Ф-3м2а 1 3 6 6 6 6 6
6Т-М1-1Ф-2м3а 1 6 6 6 6 6
6Т-М1-3Ф-1м18а 1 6 1 18 18 6 6
6Т-М1-3Ф-18м1а 1 18 6 18 18 6 6
6Т-М1-3Ф-3м6а 1 6 3 18 18 6 6
6Т-М1-3Ф-6м3а 1 6 18 18 6 6
6Т-М2-1Ф-1м3а 1 3 3 3 3 6
6Т-М2-1Ф-3м1а 1 3 3 3 3 3 6
6Т-М2-3Ф-1м9а 1 3 1 9 9 3 6
6Т-М2-3Ф-3м3а 1 3 9 9 3 6
6Т-М2-3Ф-9м1а 1 9 3 9 9 3 6
6Т-М3-1Ф-1м2а 1 1 2 2 2 2 6
6Т-М3-1Ф-2м1а 1 2 2 2 2 2 6
6Т-М3-3Ф-1м6а 1 2 1 6 6 2 6
6Т-М3-3Ф-2м3а 1 2 6 6 2 6
6Т-М3-3Ф-6м1а 1 6 2 6 6 2 6
Кшьшсть функцюналь-них вузл1в, о\ <м 00 г- о ич г-ич - - - <м 2 <м 2 о г-«ч 2 5
Загальна к1льк1сть функ-цюнальних вузл1в, N 835
Часпсть використання функцюнального вузла, KN 0,03473 0,08144 0,00838 0,02395 0,00120 0,00719 0,00120 0,00120 0,00120 0,26467 0,26467 0,05988 0,06826 0,18204
Тяговий двигун при розглядi ушфшаци складових частин статичного перетворювача тягового привода багатосистемного електрово-зу не враховуемо.
Показники ушфшацп функцiональних вуз-лiв у складi запропонованих перетворювальних структур представлеш у табл. 1 (перетворювачi з АТД) та табл. 2 (перетворювачi з ТДПС).
Середш показники ушфшацл функцюналь-них вузлiв запропонованих перетворювальних структур, розрахованi за даними табл. 1 та 2, представлеш у табл. 3.
Не потребуе доказу той факт, що статичний перетворювач тягового привода багатосистем-ного електровозу повинен складатися з функщ-ональних вузлiв з максимальним рiвнем ушфь кацп. Представлений варiацiйний аналiз пере-творювальних структур дозволяе встановити наступне: на рiвень ушфшаци перетворювача, за прийнятими показниками, не впливають такi функцюнальш вузли як: перемикач режимiв (ПР), фшьтр-накопичувач (ФН), тяговий швер-тор (Т1) та тяговий випрямляч (ТВ), оскшьки цi функцiональнi вузли в представлених досл>
дженнях прийнят однотипними та вони вхо-дять до складу вшх розглянутих варiантiв по-будови статичного перетворювача тягового привода електровозiв. Частiсть використання цих функцiональних вузлiв у склащ дослщжу-
ваних перетворювальних структури, з ураху-ванням кiлькостi типiв функцюнальних вузлiв, дорiвнюe Км = 1 (табл. 3).
Таблиця 3
Середш показники ум1ф1кац1Т функцiональних вузлiв запропонованих перетворювальних структур
Функцюнальний вузол N. М N N К II ^ 1
ПР 58 1 0,03183 1
1а 136 0,07464
2а 14 0,00768
МВ 3а 40 0,02195
Мьл ду о 4а 2 8 0,00110 0,125
6а 12 0,00659
М 9а 2 0,00110
12а 2 1822 0,00110
18а 2 0,00110
ФН 442 1 0,24259 1
М1 442 1 0,24259 1
ТПЧ 100 2 0,05488 0,5
ТТПЧ 114 0,06257
ТВ 304 1 0,16685 1
Т1 152 1 0,08342 1
Серед розглянутих варiантiв побудови статичного перетворювача для тягового привода бшьшють структур мае у своему склавд однофа-зш мережевi iнвертори (Кы = 0,24259) та три-фазнi трансформатори шдвищено! частоти (Км = 0,06257), але не слiд виключити з пода-льших дослiджень однофазш мережевi пере-творювачi, частiть використання яких теж до-сить висока (Кы = 0,05488).
Загальн1 висновки
Аналiз середнiх показникiв ушфшаци (див. табл. 3) показав, що самий низький рiвень уш-фшаци (Кы = 0,00110) мають модулi мереже-вих випрямлячiв типу 4а, 9а, 12а та 18а. Тому в подальших дослщженнях розглядати перетво-рювачi з цими модулями немае сенсу, оскшьки цi варiанти е одиничними. Самий високий рь вень ушфшаци мають модулi типу 1а (Кдт = = 0,07464) та 3а (Кы = 0,02195), тобто ц вар> анти побудови модуля мережевих випрямлячiв
зустрiчаються найчастiше, i тому перетворюва-льнi структури, якi мають у своему складi ме-режевi випрямлячi цих типiв, доцiльно досл> джувати надалi.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Литовченко, В. В. Современные многосистемные электровозы. [Текст] / В. В. Литовченко, О. Б. Баранцев. // Локомотив. - 2000. - № 10. -С. 44-48.
2. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронними тяговими двигателями. [Текст] / А. М. Солодунов и др.; под ред. А. М. Соло-дунова. - Рига: Зинантне, 1991. - 351 с.
3. Дубинец, Л. В. Научное обоснование и разработка систем управления электроподвижным составом на основе применения герконовых устройств [Текст] : дис. ... докт. техн. наук : 05.09.03 / Дубинец Леонид Викторович. - Д., 1991. - 356 с.
Надшшла до редколегп 24.03.2009.
Прийнята до друку 01.04.2009.
