Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных направлений улучшения технико-экономических и экологических показателей бортовых электротехнических комплексов является внедрение статических преобразователей электрической энергии, которые обладают сравнительно высокой эффективностью, управляемостью и гибкостью выполнения поставленных задач. Это относится к бортовым электротехническим комплексам, как летательных аппаратов, железнодорожного подвижного состава, так и городского общественного транспорта. Последние требуют более внимательного подхода в связи с возрастающими к ним требованиями, как по эффективности, так и по экологии.
Интенсивное использование транспортных средств тесно связано с вопросами защиты окружающей среды. В связи с этим с каждым годом в мире все более активно развиваются различные электрические подвижные объекты. Одним из наиболее актуальных современных направлений развития электротранспорта является применение комбинированных (гибридных) или полностью электрических силовых установок, а также использование современных перспективных источников энергии.
Однако на пути создания бесконтактных электроподвижных объектов стоят серьезные технические и экономические препятствия, а именно неразвитая инфраструктура зарядных станций, длительное время заряда и низкий ресурс аккумуляторных батарей, относительно невысокие энергетические показатели существующих накопителей энергии, отсутствие эффективных статических преобразователей, которые должны решать специфические технические задачи применительно к особенностям рассматриваемых электротехнических комплексов.
Несмотря на значительное количество публикаций и выполненных работ, бортовые электротехнические комплексы со статическими преобразователями применительно к рассматриваемой области до последнего времени не нашли широкого применения. По существу, во-первых, это связано с отсутствием концепции, которая сочетает возможность длительного движения по маршруту бесконтактного электроподвижного объекта с относительно кратковременным восполнением электрической энергии; во-вторых, с отсутствием компактного двунаправленного конвертера напряжения с малыми потерями электрической энергии.
В связи с этим, создание концепции бортового электротехнического комплекса, который включает статический преобразователь, обеспечивающего эффективное накопление и отдачу электрической энергии, разработка схемотехнических решений, математических и компьютерных моделей, исследование и анализ рабочих процессов силовой схемы с малыми потерями электрической энергии, практическое апробирование и опытное промышленное освоение разработанных теоретических положений является актуальной и важной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей бортовых электротехнических комплексов путем создания и внедрения двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе.
Для достижения указанной цели комплексно решены следующие задачи:
разработана концепция и структурные схемы бесконтактных подвижных объектов на базе современных технических возможностей накопителей электрической энергии;
составлена классификация конвертеров напряжения в зависимости от построения силовых схем при учете наличия и отсутствия гальванической развязки между входом и выходом;
разработана силовая схема двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе для бортового электротехнического комплекса;
разработана математическая модель электромагнитных процессов в предложенной схеме двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе;
исследованы рабочие процессы в разработанной силовой схеме двунаправленного конвертера с коммутацией при нулевом токе;
осуществлено компьютерное моделирование электромагнитных процессов в двунаправленном конвертере с коммутацией при нулевом токе, а также кинематических и энергетических процессов предложенного бесконтактного электроподвижного объекта.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических линейных и нелинейных цепей, теории электрической тяги подвижного состава. В основу теоретических исследований положен математический аппарат, включающий использование аналитических и численных методов решения дифференциальных уравнений.
Расчеты математических моделей выполнены с использованием программного пакета Mathcad. При проведении компьютерного моделирования процессов в электроподвижном объекте и двунаправленном конвертере напряжения использована программная среда визуального моделирования CASPOC. При проектировании предложенного конвертера напряжения применена двух-/трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения AutoCAD.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена концепция и структурные схемы перспективных подвижных объектов, которые позволяют эффективно сочетать быстродействие емкостных накопителей и относительно высокую емкость аккумуляторных батарей.
Разработана классификация статических конвертеров напряжения, посредством которой можно осуществлять как выбор, так и синтез новых схемотехнических решений рассматриваемого класса устройств. В
частности была синтезирована новая силовая схема двунаправленного конвертера напряжения.
Составлена математическая модель электромагнитных процессов в силовой схеме разработанного двунаправленного конвертера напряжения и кинематических, динамических и энергетических процессов бесконтактного электроподвижного объекта, которые позволяют в комплексе учитывать особенности функционирования рассматриваемого устройства применительно к предложенному бесконтактному подвижному объекту.
Исследованы и проанализированы электромагнитные процессы разработанной силовой схемы двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе.
Разработаны компьютерные модели предложенной схемы двунаправленного конвертера напряжения, кинематических и энергетических процессов бесконтактного подвижного объекта, которые позволяют быстро и с относительно высокой точностью проводить исследования рабочих процессов при широком диапазоне изменения исходных данных.
Практическая значимость работы:
Разработанное новое схемотехническое решение построения силовой части двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе обеспечивает повышение энергоэффективности устройства за счет снижения на 15... 17 % тепловых потерь в силовых полупроводниковых приборах.
Проведенный анализ рабочих процессов в разработанной схеме двунаправленного конвертера напряжения с коммутацией при нулевом токе позволяет оценить основные характеристики и свойства предложенного устройства.
Компьютерное моделирование кинематических, динамических и энергетических процессов электроподвижного объекта дает возможность определить рациональное соотношение параметров между емкостным и химическим накопителем электрической энергии, а также параметры системы управления подвижного объекта с целью формирования закона управления полупроводниковыми приборами в двунаправленном конвертере напряжения, входящим в состав бортового электротехнического комплекса.
Проведенное компьютерное моделирование разработанного двунаправленного конвертера напряжения позволяет осуществлять выбор параметров силовых элементов устройства для технической реализации.
Разработанную силовую схему конвертера напряжения целесообразно использовать при необходимости эффективной передачи электрической энергии в прямом и обратном направлении, в частности в бортовых электротехнических комплексах перспективных полностью электрифицированных самолетов в цепях разряда и заряда аккумуляторных батарей.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в серийное производство статических преобразователей собственных нужд ПСН100 У2 на предприятии ООО «Трансконвертер». Преобразователи собственных нужд ПСН100 У2, прошедшие приемочные и сертификационные испытания в Испытательном центре железнодорожной техники ВНИИЖТ РФ (г. Щербинка), в настоящее время успешно эксплуатируются в составе 15 магистральных пассажирских электровозов серии ЭП2К на Западно-сибирской железной дороге
Помимо этого предложенные в результате выполнения диссертационной работы схемотехнические решения силовой части и полученные выражения для определения основных параметров силовых элементов использованы при разработке и выпуске статических преобразователей ПС70 УХЛ4*, предназначенных для проведения испытаний тяговых трехфазных асинхронных двигателей грузовых электровоза.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебных курсах
«Преобразовательная техника электротехнических комплексов»
(специальность 1810) и «Силовая электроника» (специальность 181002), включая курсовое проектирование соответствующих учебных дисциплин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, г. Москва, 2009), научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (г. Одесса, Украина, 2009 г.), на международной конференции Power Conversion, Intelligent Motion and Power Quality (г. Нюрнберг, 2010 г.), на конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (СамГТУ, г. Самара, 2010 г.), на научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, Украина, 2011 г.) и на международной конференции Power Conversion, Intelligent Motion and Power Quality (г. Нюрнберг, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, среди них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Основная часть работы содержит 175 машинописных страниц, в том числе 59 рисунков и 24 таблицы. Список используемых источников включает 167 наименований. Общий объем работы - 207 страниц.
