CC BY
470
Статья поступила в редакцию 04.05.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко
УДК 629.423.1
А. М. Евстафьев
ВЫБОР ТОПОЛОГИИ СХЕМ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Рассмотрены вопросы применения цифровых систем управления на электрическом подвижном составе и их преимущества перед использующимися в настоящее время аналоговыми системами. Показано, что применение цифровых технологий в конструкциях силовых преобразователей тягового привода позволит значительно увеличить эффективность преобразователей, сократить количество компонентов, повысить их надежность.
цифровые системы управления, электрический подвижной состав, силовые преобразователи для тягового привода, коэффициент мощности, четырехквадрантный (4д£) преобразователь.
Введение
В 1979 г. в СССР была разработана и внедрена на электровозе £>-3000 система цифрового управления. На нем были отработаны концепции построения микропроцессорных систем управления. В 1983 г. ВЭлНИИ разработал и внедрил на электровозе ВЛ80Т № 1729 микропроцессорную систему управления МБУ-726, а в 1988 г. был выпущен опытный электровоз ВЛ85 № 061, оборудованный микропроцессорной системой БУТЭП-015. Испытания показали, что микропроцессорная система управления обеспечивала выполнение всех функций аналоговых систем управления серийного электровоза ВЛ85 и дополнительно выполняла функции поосного регулирования силы тяги локомотива [1]. В 1997 г. между МПС России и компанией «Bombardier Transportation» был подписан контракт на создание пассажирского двухсистемного электровоза с асинхронным тяговым приводом. В соответствии с контрактом полупроводниковые преобразователи, трансформаторнореакторное оборудование и система управления поставлялись компанией «Bombardier Transportation», а кузов, ходовая часть и другие компоненты проектировались и производились в России. Стратегической целью этой разработки являлось интегрирование российского опыта электровозостроения с современными технологиями в области силовой преобразовательной техники и систем управления и освоение в России пассажирских и грузовых электровозов нового поколения [2].
1 Основные положения
Повышение требований к уровню безопасности движения и автоматизации тягового подвижного состава привело к созданию микропроцессорных систем автоматического ведения поездов, устанавливаемых на эксплуатируемый парк тягового подвижного состава. На эти системы возложены следующие функции [3]:
соблюдение перегонного времени хода и расписания; соблюдение скоростного режима, в том числе в местах действия ограничений скорости;
соблюдение режима работы сигналов светофоров; расчет кривой движения поезда с учетом требования минимизации расхода электроэнергии;
расчет координаты местонахождения поезда;
измерение фактической скорости движения, сравнение ее с расчетной и выбор соответствующей тяговой позиции.
Следует отметить, что основная часть локомотивного парка железных дорог Российской Федерации разработана и построена более 30-40 лет назад и по своим техническим характеристикам не удовлетворяет современному уровню развития техники. Для пуска тяговых двигателей на электрическом подвижном составе (ЭПС) постоянного тока используется реостатно-контакторная система управления, разработанная более века назад, в которой ограничение тока тяговых двигателей при разгоне осуществляется включением пусковых резисторов, что приводит к значительным потерям электроэнергии. На большинстве электровозов и мотор-вагонном подвижном составе переменного тока напряжение регулируют секционированием и переключением секций вторичной обмотки тягового трансформатора, переход с одной позиции на другую осуществляется без разрыва тока. Традиционно управление энергетическими установками локомотивов производилось с применением релейно-контактной элементной базы и аналоговых компонентов [3]. При современных требованиях аналоговая система представляется громоздкой, многоэлементной, с низкой надежностью, неприемлемыми массогабаритными показателями и энергопотреблением. Оснащение имеющегося парка ЭПС микропроцессорными системами автоведения и регистрации параметров движения не может повысить КПД существующих схем пуска тяговых двигателей и существенно повлиять на энергопотребление. Совместное использование достижений силовой электроники и микропроцессорной техники позволяет модернизировать силовые схемы тягового привода эксплуатируемого локомотивного парка и обеспечить высокие динамические характеристики, КПД, коэффициент мощности и электромагнитную совместимость. Применение современных цифровых систем управления позволяет реализовать алгоритмы управления любой сложности. Наиболее значимыми преимуществами цифровых систем управления являются [4, 5]:
возможность повысить КПД, снизить энергопотребление, улучшить динамические характеристики тягового привода за счет использования более сложных алгоритмов управления;
нечувствительность к изменению характеристик элементов схемы в зависимости от времени, температуры и внешних воздействий;
защита силовых полупроводниковых приборов и тяговых электродвигателей от аварийных режимов;
реализация алгоритмов поосного регулирования сил тяги и торможения; обеспечение всех видов торможения (рекуперативного, реостатного, электропневматического) в широком диапазоне скоростей; минимизация массогабаритных показателей.
Однако применение микропроцессорных систем управления ЭПС будет эффективно только при условии перехода от реостатноконтакторных схем пуска и управления к полностью цифровым схемам управления, выполненным на силовых полупроводниковых приборах.
2 Импульсные преобразователи
Тяговые преобразователи на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, разработанные в 90-е гг. XX столетия, выгодно отличаются от релейно-контакторных систем высокой надежностью, низкой стоимостью сборки и повышением эффективности тягового привода. Последние достижения в области силовой электроники, создание интеллектуальных силовых модулей биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT на рабочие напряжения до 6,5 кВ позволяют выполнить основное звено тягового привода ЭПС по схеме импульсного преобразователя (конвертора) с широтно-импульсной модуляцией DC/DC для ЭПС постоянного тока и AC/DC для локомотивов переменного тока.
На рис. 1 приведена упрощенная структурная схема тягового привода постоянного тока. Схема состоит из четырех последовательно включенных каскадных модулей, построенных на биполярных транзисторах с изолированными затворами. Силовой комбинированный импульсный преобразователь спроектирован с использованием базовых схем повышающего и понижающего конверторов DC/DC. Защита элементов преобразователей от импульсов высокого напряжения в контактной сети обеспечивается входным индуктивным фильтром (дросселем) L и нелинейными резисторами R1-R4, включенными параллельно емкостному делителю напряжения, образованному конденсаторами C1-C4.
Комбинированный импульсный преобразователь обеспечивает обратимость (реверсирование) и многорежимность преобразования (повышение и понижение напряжения в любом направлении передачи энергии). Такое схемное решение позволяет понижать или повышать напряжение в каждом модуле тягового привода как в режиме тяги, так и в
режиме торможения. Достоинством схемы является возможность стабилизации напряжения на тяговых двигателях в моторном режиме и тока в генераторном режиме при изменении напряжения в контактной сети во всем диапазоне допустимых значений. В случае аварии неисправный модуль отключается, при этом оставшиеся в работе модули поддерживают на тяговых двигателях заданное напряжение. За работу каскадных модулей преобразователя отвечает цифровая система управления.
-------- икс
ТД
1
ТД
2
тд
3
ТД
4
Рис. 1. Упрощенная структурная схема тягового привода постоянного тока
3 Цифровые системы управления
В цифровой системе управления микропроцессор участвует не только в управлении силовыми ключами, но и обеспечивает цифровую обработку сигналов датчиков тока, напряжения и температуры для реализации оптимального алгоритма широтно-импульсного управления и создания необходимых обратных связей в схеме тягового привода [6]. Схема управления, приведенная на рис. 2, содержит силовой преобразователь, драйверы управления силовыми ключами преобразователя, датчики тока и напряжения, датчики скорости вращения колесных пар, датчики температуры. Микроконтроллер обеспечивает цифровую обработку сигналов, поступающих от датчиков, посредством встроенных аналогоцифровых преобразователей и формирует сигналы для реализации алгоритмов широтно-импульсного управления и создания необходимых обратных связей в контурах управления. Эти особенности конструкции силовых схем с цифровым управлением обеспечивают надежность - так, например, четкое управление при аварийных ситуациях предотвращает перенапряжение на силовых транзисторах; существенное уменьшение числа компонентов схемы позволяет оптимизировать их компоновку для улучшения теплового режима. В конечном итоге это обеспечивает гомогенное распространение тепла в силовом модуле, отсутствие локальных перегревов и, как следствие, долгий срок службы.
Рис. 2. Цифровая система управления тяговым приводом ЭПС Принцип действия силового преобразователя постоянного тока поясняет рисунок 3. Транзистор VT1 и диод VD2 образуют понижающий преобразователь Chopper, а транзистор VT2 и диод VD1 - повышающий преобразователь Booster. В течение того времени, когда транзистор VT1 открыт, ток проходит от положительного вывода источника питания через дроссель L и нагрузку (тяговый электродвигатель) к отрицательному выводу источника питания. Когда транзистор VT1 закрыт, под действием ЭДС самоиндукции дросселя L диод VD2 открывается и энергия, запасенная в дросселе, поступает в нагрузку. Выходное напряжение определяется согласно выражению
U =U -у,
где у - коэффициент заполнения.
о
От драйвера управления
VT1
Л
VD1
ZX
L
VT2
VD2
От драйвера управления
zx
а
о
Рис. 3. Силовой преобразователь
В преобразователе повышающего типа, когда транзистор VT2 открыт, диод VD1 оказывается закрытым, а ток проходит от положительного вывода тягового электродвигателя, работающего в генераторном режиме, через дроссель L и транзистор VT2. Когда транзистор VT2 закрыт (интервал паузы), полярность ЭДС самоиндукции дросселя L оказывается согласной с ЭДС вращения тягового двигателя, поэтому диод VD1 открывается. При этом суммарное напряжение на выходе преобразователя определяется как
U
и
Схема силового преобразователя постоянного тока, приведенная на рис. 4, позволяет передавать и регулировать напряжение в сторону понижения и повышения при передаче энергии в любом направлении:
U
о
о
От драйвера управления
VT1
От драйвера управления
VT2
VD1
VD3
ZX
ZX
L
VD2
VD4
ZX
ZX
VT3
От драйвера управления
VT4
От драйвера управления
о-
■о
Рис. 4. Двунаправленный силовой преобразователь
Приведенные схемы силовых цепей обеспечивают передачу большой мощности при относительно малом количестве полупроводниковых приборов. Рассмотренный вариант построения силовой схемы, безусловно, не единственный. Он полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным преобразователям тягового привода.
На железных дорогах России, электрифицированных на переменном токе, в настоящее время эксплуатируются электровозы, оборудованные полупроводниковыми преобразователями для питания тяговых двигателей, в том числе около 15 % - выпрямительно-инверторными
преобразователями с зонно-фазовым регулированием. Общим недостатком всех электровозов переменного тока является повышенное потребление реактивной мощности, искажение формы тока в контактной сети. Коэффициент мощности находящихся в эксплуатации электровозов не превышает 0,8. Кроме повышенного потребления реактивной мощности, электровозы переменного тока генерируют в систему тягового электроснабжения дополнительные гармоники тока, вызывая искажения и увеличивая гармонические составляющие напряжения, что ухудшает показатели качества электроэнергии.
4 4^-преобразователь для ЭПС переменного тока
Значительно улучшить эксплуатационные характеристики электровозов переменного тока возможно при замене используемого неуправляемого силового выпрямителя (ВЛ80) на четырехквадрантный (4qS) преобразователь. Этот тип преобразователей разработан для преобразования энергии переменного напряжения в энергию постоянного напряжения в режиме выпрямления и обратно в режиме инвертирования (рекуперации) и позволяет значительно улучшить энергетические показатели тягового привода за счет регулирования потребления реактивной мощности и оптимального использования мощности тягового трансформатора. В серийных преобразователях коэффициент мощности достигает 1-0,95. На рис. 5 приведена упрощенная принципиальная схема 4qS-преобразователя.
Us
Рис. 5. Упрощенная принципиальная схема 4qS-преобразователя
Источник питания переменного тока через дроссель L1 подсоединен к плечам 4qS-преобразователя, образованным IGBT-транзисторами VT1-VT4 и диодами VD1-VD4. К выходу преобразователя подключены главный С1 и резонансный L2-C2 фильтры параллельно нагрузке. Особенностью работы 4qS-преобразователя является формирование кривой тока источника питания в виде синусоиды с заданным сдвигом по фазе относительно питающего напряжения. Выходное напряжение 4qS-преобразователя регулируется глубиной модуляции сигналов управления и может меняться в широком диапазоне. Изменяя угол сдвига между сетевым напряжением и сигналами управления, можно регулировать угол
сдвига между напряжением и током (потребляемым или возвращаемым) сети от нуля в режиме тяги до 180 электрических градусов в режиме рекуперации. Четырехквадрантный преобразователь является преобразователем повышающего типа, напряжение на конденсаторе С1 всегда больше амплитуды напряжения источника питания [7, 8]. Высокая точность регулирования параметров 4д6'-преобразователя гарантирует симметричность нагрузки между обмотками тягового трансформатора и отсутствие подмагничивания постоянным током. Управление работой 4qS-преобразователя осуществляется при помощи цифровой микропроцессорной системы управления.
Новой функцией цифровых систем управления является возможность регулирования параметров силового преобразователя: величины
выходного напряжения, тока, скорости вращения, силы тяги и температуры обмоток тяговых двигателей и полупроводниковых приборов, коэффициента мощности тягового привода переменного тока, отображать контролируемые параметры в удобной для визуального восприятия форме.
Одной из функций цифровых систем управления является плавный пуск тяговых двигателей, позволяющий избежать больших токов в силовой схеме и динамических перегрузок элементов тягового привода. В процессе пуска ток в обмотках двигателей плавно нарастает, при этом динамические нагрузки на элементы тягового привода снижаются до допустимых величин независимо от мгновенных напряжений в контактной сети. Неоспоримым преимуществом цифровых систем управления является возможность поддержания постоянного напряжения (тока) тяговых двигателей, а следовательно, и силы тяги при значительных изменениях напряжения контактной сети.
Заключение
Конечно, переход к цифровым системам управления тягового привода является сложной задачей, особенно при модернизации уже существующих систем. Большая номенклатура серийно выпускаемых силовых и интеллектуальных модулей для тяговых приводов мощностью от десятков киловатт до модулей с единичной мощностью в несколько мегаватт, содержащих в своем конструктиве все необходимые элементы силовой схемы и драйверы управления, позволяет в кратчайшие сроки создавать мощные системы управления тяговым приводом как для вновь создаваемого, так и для модернизируемого ЭПС постоянного и переменного тока. Применение цифровых технологий в конструкциях силовых преобразователей тягового привода позволит значительно увеличить эффективность преобразователей, сократить количество компонентов, повысить их надежность. Появление на рынке многочисленных программируемых микроконтроллеров с интегрированными функциями обработки сигналов и доступными
библиотеками прикладного программного обеспечения дает возможность разработчикам выбрать оптимальные решения для создания современных систем управления тяговым приводом ЭПС с цифровым контуром управления, опираясь на опыт разработки лучших образцов отечественной и зарубежной техники.
Библиографический список
1. Современные системы управления электровозов и электропоездов /
A. Г. Вольвич, А. В. Беляев, В. И. Плис // Электровозостроение : сб. науч. тр. Т. 38. -1997. - С. 323-329. - ISSN 1816-1928.
2. Системы автоматического ведения поезда / М. Пясик, Е. Толстов, И. Случак // Современные технологии автоматизации. - 2000. - № 4. - С. 60-69. - ISSN 0206-975X.
3. Многофункциональная микропроцессорная система управления тепловозом / Ю. Бабков, О. Котов, А. Литвинов, Д. Сергеев, П. Чудаков // Современные технологии автоматизации. - 2004. - № 3. - С. 46-52. - ISSN 0206-975X.
4. Переход от аналогового управления электроприводом к цифровому / К. Годбоул // Электронные компоненты. - 2006. - № 11. - С. 25-33.
5. Новая структура универсальной тяговой схемы дизель-электропоезда с импульсным регулированием и защитой от перенапряжений / С. Резников, Д. Чуев, А. Савенков // Силовая электроника. - 2005. - № 3. - С. 42-47.
6. Применение микропроцессоров в системах управления транзисторных выпрямителей / В. Милешин, Д. Овчинников // Силовая электроника. - 2005. - № 4. -С. 50-53.
7. 4q -S - четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока /
B. В. Литовченко // Известия вузов. Электромеханика. - 2000. - № 3. - С. 64-73. - ISSN 0136-3360.
8. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю. А. Бахвалов, Г. А. Бузало, А. А. Зарифьян, П. Ю. Петров и др. - М. : Маршрут. - 2006. - 374 с. - ISBN 5-89035-366-7.
Статья поступила в редакцию 12.03.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным
УДК 629.4.023 Н. С. Зайниддинов
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ ТЕПЛОВОЗА
Безопасная эксплуатация транспортного средства определяется остаточной прочностью деталей, узлов и конструкций. Данная статья посвящена моделированию и анализу напряженно-деформированного состояния рамы бесчелюстной тележки тепловоза. Рассмотрено разделение расчетной схемы рамы на конечные элементы, приведены результаты расчета напряжений при статических нагрузках.
