Содержание к диссертации
Введение
Синтез структурно - алгоритмической организации проектирования высоковольтных высокочастотных статических преобразователей для перспективных электротехнических комплексов транспортных средств 17
1. Классификация силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей 17
2. Базовые принципы построения силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей 51
Математическое описание рабочих процессов перспективных электротехнических комплексов 93
1. Формализация математического описания рабочих процессов электротехнических комплексов 93
2. Компьютерное моделирование электромагнитных и электромеханических процессов применительно к перспективным электротехническим комплексам 117
Практические решения построения силовых схем перспективных электротехнических комплексов 142
3.1. Высоковольтные высокочастотные статические преобразователи для железнодорожного транспорта 142
3.2. Периферийный трехфазный инвертор напряжения с секционированным силовым трансформатором 165
3.3. Периферийный трехфазный инвертор с вспомогательным однофазным трансформатором 190
4. Практическая реализация базовых теоретических и расчетных положений 229
4.1. Результаты экспериментальных исследований на макетных образцах 229
4.2. Серийный выпуск высоковольтных высокочастотных статических
преобразователей и перспективы развития направления 259
Заключение
- Классификация силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей
- Базовые принципы построения силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей
- Формализация математического описания рабочих процессов электротехнических комплексов
- Высоковольтные высокочастотные статические преобразователи для железнодорожного транспорта
Введение к работе
Известно, что с ростом выходной мощности потребителей электрической энергии перспективным становится повышение уровня напряжения автономных электротехнических комплексов. В связи с этим на российских железных дорогах широко используется контактная сеть постоянного тока с номинальным напряжением 3000 В. По той же причине, учитывая тенденции роста мощности бортовых потребителей электроэнергии аэрокосмических летательных аппаратов, считаются перспективными автономные электротехнические комплексы с высокочастотной однофазной распределительной сетью (20 кГц) напряжением 750 В.
Повышение уровня сетевого напряжения электротехнических комплексов в свою очередь требует создания надежных и технически совершенных высоковольтных высокочастотных статических преобразователей и другого высоковольтного электрооборудования для обеспечения различных бортовых потребителей требуемым уровнем напряжения, тока, частоты и качества электроэнергии. В настоящее время проектированием и разработкой статических преобразователей для электротехнических комплексов занимаются многие известные организации и фирмы, в частности ВЭИ (г. Москва), АО «Электровыпрямитель» (г. Саранск), МЭИ (г. Москва), ВНИИЭ (г. Москва), МИИТ (г. Москва), Estel (Эстония), ABB (Щвейцария), Westighouse Electric Corp. (США), Simens (Германия), NASA Marshall Space Flight Center (США), Ansaldo Transporti (Италия), Martin Marietta Astronautics Group (США) и т.п. Этой проблеме посвящены научные труды известных ученых, таких как О. Г. Чау сов, В. А. Чванов, В. П. Феоктистов, В. С. Моин, Н. Н. Лаптев, Б. И. Гриншейн, В. В. Литовченко, Г. В. Ивенский, Ю. К. Розанов, Ю. Ю. Чуверин, А. Б. Зильберг, М. М. Акодис, А. И. Куземин, Ю. И. Иньков, Г. М. Мустафа, I. Smith (Великобритания), I. I. Hansen (США), О. Wasynczuk (Индия), F. С. Lee (США), J. Biess (США), М. Winterling (Нидерланды), R. Hoft (США), L. Fratelli (Италия), М. Morozowich (США) и т. д.
Однако, несмотря на значительное число публикаций и выполненных работ, бортовые высоковольтные высокочастотные статические преобразователи применительно к перспективным электротехническим комплексам, как на летательных аппаратах с высокочастотной однофазной распределительной сетью, так и на железнодорожном транспорте с высоковольтной контактной сетью, до сих пор не нашли достойного внедрения. По существу это связано со сложностью обеспечения надежного функционирования силовых полупроводниковых приборов при широком диапазоне изменения входного напряжения с возможными импульсными бросками мгновенного значения напряжения из-за недостатка теоретических исследований и практической апробации современных полупроводниковых приборов на реальных образцах высоковольтных высокочастотных статических преобразователях.
Поэтому, на отечественных электропоездах до сих пор используются тяжелые и морально устаревшие для наступившего века электромашинные преобразователи, которые преобразуют высоковольтное постоянное напряжение (2200 - 4000 В) в требуемые напряжения электропитания бортовых потребителей электрической энергии. В связи с этим, создание бортовых электротехнических комплексов транспортных средств на базе высоковольтных высокочастотных преобразователей, развитие основ теории и разработка расчетных моделей на основе современного математического аппарата для проведения обобщенного анализа и синтеза рабочих процессов, выработка схемотехнических рекомендаций для реализации разработанных теоретических положений, их практическое апробирование и опытно-промышленное освоение в новых электротехнических комплексах является актуальной и важной научно-технической задачей.
Представленная диссертационная работа способствует решению всего комплекса вышеописанных проблем, связанных с созданием перспективных электротехнических комплексов транспортных средств на базе высоковольтных высокочастотных статических преобразователей. Она выполнена в рамках НИР, проводимой Московским государственным авиационным институтом (тема №1.25.01 «Разработка новых методов, конструктивных и технологических решений, создание математического и информационного обеспечения систем авиационно-космической техники.
Фундаментальные исследования»), и в соответствии с потребностями Министерства путей сообщения РФ.
Цель диссертационной работы - развитие основ теории рабочих процессов и универсального математического аппарата, разработка комплекса расчетных и компьютерных моделей высоковольтных высокочастотных статических преобразователей и реальной нагрузки для проектирования и создания перспективных электротехнических комплексов транспортных средств, их испытание и внедрение в серийное производство. Для достижения указанной цели решены следующие задачи: 1. Синтез структурно-алгоритмической организации проектирования высоковольтных высокочастотных статических преобразователей для электротехнических комплексов транспортных средств, включая:
формализацию и структуризацию классификационных признаков, охватывающих известные схемотехнические варианты силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей;
поиск путей создания благоприятных условий функционирования силовых полупроводниковых приборов во всех режимах работы преобразователей;
разработку обобщенных алгоритмов расчета и выработку рекомендаций выбора силовых элементов, учитывающих требуемые ограничения параметров электромагнитных процессов при минимизации потерь электрической энергии.
2. Анализ предложенных схемотехнических решений построения силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей для перспективных электротехнических комплексов в соответствии с выработанными теоретическими положениями.
3. Разработка универсального математического аппарата, основанного на едином системном подходе формализации составления структурно-параметрических матриц, с учетом особенностей построения новых электротехнических комплексов.
4. Вывод основных аналитических выражений и определение обобщенных характеристик составных силовых частей перспективных электротехнических комплексов в совокупности с определением рациональной области их применения.
5. Обоснование выбора специализированных программ компьютерного моделирования рабочих процессов при совместной работе электронных и электромеханических устройств электротехнических комплексов и разработка новых моделей в среде выбранных пакетов прикладных программ.
6. Экспериментальная проверка на макетных и опытных образцах полученных расчетно-теоретических положений и результатов моделирования.
7. Опытно - промышленное освоение высоковольтных высокочастотных статических преобразователей в составе перспективных автономных электротехнических комплексов, включающих коллекторные и асинхронные двигатели, установки кондиционирования воздуха, аккумуляторные батареи и т. п. с учетом разработанных рекомендаций по проектированию, результатов моделирования и экспериментальной проверки.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы: общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы, включая метод переменных состояний, метод амплитуд гармонических составляющих, методы системного анализа и алгебры логики. Достоверность основных теоретических положений, расчетов и результатов компьютерного моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями на физических моделях и опытных образцах, проведенными на высоковольтном специально созданном при участии автора стенде кафедры «Электроэнергетические и электромеханические системы» МАИ, на испытательном стенде ИСТ-100 предприятия ЗАО «Спецремонт», в «Испытательном центре железнодорожной техники» ВНИИЖТ МПС РФ, а также путем анализа работы более 160 промышленных образцов в условиях эксплуатации на 7 железных дорогах России.
Научная новизна. В диссертационной работе получили развитие основы теории рабочих процессов в высоковольтных высокочастотных статических преобразователях для перспективных электротехнических комплексов транспортных средств, позволяющие осуществить их практическое внедрение в серийное производство. При этом получены следующие новые научные результаты:
- разработан универсальный математический аппарат описания рабочих процессов в электромеханических и электронных устройствах электротехнических комплексов на базе единого системного подхода составления структурно-параметрических матриц при совместном преобразовании топологических и компонентных уравнений, который позволяет формализовать синтез уравнений состояний любых функциональных схем данного класса;
- предложен комплексный обобщенный способ использования принципа электромеханических аналогий при создании компьютерных моделей электромеханических устройств (коллекторных машин постоянного тока, вентильного генератора, асинхронных двигателей с короткозамкнутыми и фазными роторными обмотками), обеспечивающий адаптацию их в среду различных специализированных пакетов прикладных программ сквозного проектирования электронных схем;
- установлены характерные закономерности динамических режимов и выявлены критические уровни зависимостей параметров рабочих процессов и потерь энергии в промежуточном звене повышенной частоты рассматриваемых электротехнических комплексов при различных значениях входного напряжения, уровня нагрузки и параметров элементов разработанных цепей защиты;
- получены расчетные модели и характеристики ряда новых, защищенных патентами РФ, устройств:
• индуктивно-емкостно-диодных защитных цепей с разрядом через активное сопротивление и с разрядом через вспомогательный тиристор;
• периферийных трехфазных инверторов напряжения с секционированным трехфазным силовым трансформатором;
• периферийных трехфазных инверторов напряжения с однофазным вспомогательным трансформатором.
Практическая ценность работы.
Разработан и предложен комплекс практических способов реализации устройств, алгоритмов расчета и рекомендаций по выбору элементов, компьютерных моделей электронных и электромеханических функциональных блоков, расчетных выражений и рекомендаций к проектированию, реализованы и испытаны макетные и опытно-промышленные образцы, созданы испытательные стенды. Более конкретно это заключается в следующем:
- разработаны новые, защищенные патентом РФ, схемотехнические решения построения индуктивно-емкостно-диодных защитных цепей различного типа, узлов высоковольтных высокочастотных статических преобразователей, трехфазных инверторов с секционированным силовым трансформатором и с вспомогательным однофазным трансформатором;
- предложен новый оригинальный способ схемотехнической реализации включения силовых ключевых приборов при нулевых значениях напряжения и выключения при нулевых значениях тока, обеспечивающий снижение потерь мощности, как в элементах защитных цепей, так и в силовых полупроводниковых приборах статических преобразователей;
- выведен обобщенный энергосберегающий алгоритм расчета и выбора элементов разработанных защитных цепей, который обеспечивает при заданных ограничениях минимальные потери электрической энергии;
- разработаны компьютерные модели силовых электронных блоков, коллекторных машин, вентильного генератора, асинхронных двигателей, узлов системы управления, позволяющие проводить совместное комплексное моделирование рабочих процессов статических преобразователей и электромеханических устройств, как в разомкнутыми, так в замкнутыми системами управления;
- получены аналитические выражения, на основе которых выработаны рекомендации по проектированию предложенных защитных цепей, трехфазных инверторов с секционированным силовым трансформатором и трехфазных инверторов с однофазным вспомогательным трансформатором;
- разработан и изготовлен универсальный высоковольтный испытательный стенд ИСТ -100 мощностью 100 кВт, обеспечивающий проведение широкого круга экспериментальных исследований новых электротехнических комплексов транспортных средств с входным напряжением питания от 100 В до 4000 В при работе, как с имитаторами нагрузок, так и с реальными потребителями;
- созданы макетные образцы нового типа высоковольтных высокочастотных статических преобразователей, трехфазных инверторов с секционированным силовым трансформатором и с однофазным вспомогательным трансформатором для перспективных аэрокосмических летательных аппаратов, а также макетные и промышленные образцы новых оригинальных высоковольтных высокочастотных преобразователей для железнодорожного транспорта, имеющие лучшие технические характеристики по сравнению с существующими аналогами;
- полученные теоретические результаты легли в основу 9 внедренных изобретений, новизна и положительный эффект которых подтверждены патентами Российской Федерации.
Социальная значимость работы. Социально-экономический эффект работы заключается в создании новых высококвалифицированных рабочих мест, в повышении технического уровня работников железнодорожного транспорта. По существу, внедрение новых перспективных электротехнических комплексов на базе высоковольтных высокочастотных статических преобразователей на электропоездах представляет собой не просто модернизацию электрооборудования, но и подразумевает процесс обучения персонала депо в соответствии с современными мировыми достижениями науки, техники и технологии.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы легли в основу серийного выпуска первых отечественных электротехнических комплексов на базе высоковольтных высокочастотных статических преобразователей для электропоездов постоянного тока. В настоящее время объем выпуска составляет 10 высоковольтных преобразователей в месяц. По стабильному объему серийного выпуска разработанные статические преобразователи занимают третье место в мире.
При непосредственном использовании результатов диссертационной работы разработано пять типов высоковольтных высокочастотных статических преобразователей, в том числе преобразователи типа ТП-13.5 У1 (выпуск ноябрь 1997 г.) для электропоездов ЭР2 и ЭМ2, типа ТП-17.5 = 3000В/ -380 В У1 (выпуск июль 1999 г.), типа ТП-13.5 =3000 В/ =530 В У1 (выпуск август 1999 г.) и типа ТП-17 У1 (выпуск февраль 2000 г.) для электропоездов ЭД4-МК, а также типа ТП-13.5 Т У1 (выпуск август 2000 г.). Свыше 160 шт. высоковольтных преобразователей эксплуатируются на 7 железных дорогах России. Они действуют в депо Апрелевка, Пушкино, Домодедово (Московской железной дороги), в депо Волгоград-1, Пермь-П, Челябинск, Туапсе, Курган, Новосибирск и Калининград.
Полученные в ходе работы теоретические и практические результаты являются фундаментом для создания новых электротехнических комплексов, как для железнодорожного, так и аэрокосмического транспорта. Они легли в основу создания электротехнического комплекса отечественного электропоезда нового поколения ЭМ2, разработка которого проводится в соответствии с решением расширенной Коллегии МПС РФ «О создании концептуального электропоезда» (от 20-21 декабря 2000 г.). В его состав входят разработанные с непосредственным использованием теоретических и практических результатов диссертационной работы высоковольтный высокочастотный транзисторно-модульный преобразователь ПМ-17 У1 с выходной мощностью 17 кВт и высоковольтный высокочастотный импульсный регулятор СИР-8 00 У1 напряжения тяговых двигателей с выходной мощностью 800 кВт (эксплуатационные испытания запланированы на третий квартал 2002 г.).
Апробация работы. Полученные теоретические положения апробированы на 13 международных научно-технических симпозиумах и конференциях («Aviation - the Ways of Progress»/ Moscow, 1993/, «International Aerospace Congress - IAS 94»/ Moscow, 1994/, «Power electronics and variable speed drives 96»/ Nottingham, UK, 1996/, «Power Conversion, PCIM 97»/ Nuraberg, Germany, 1997/, «EPE 97»/ Trondheim, Norway, 1997/, «Electro-mechatronics - 97»/ St. Petersburg, Russia, 1997/, «Power Conversion, PCIM 98»/ Nuraberg, Germany, 1998/, «EAEEIE 98»/ Lisboa, Portugal, 1998/, «M2VIP 98»/ Hong Kong, 1998/, «Power Conversion, PCIM-99»/ Nuraberg, Germany, 1999/, «EPE 99» /Lausanne, Switzerland, 1999/, «Power Conversion, PCIM 2000»/ Nuraberg, Germany, 2000/, «PCIM 2001»/ Nurnberg, Germany, 2001/) и пяти отечественных научно-технических конференциях («Проблемы
Классификация силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей
Классификация силовых схем высоковольтных преобразователей В последнее время, в России и за рубежом, проводятся перспективные разработки нетрадиционных систем электроснабжения для гиперзвуковых и-космических летательных аппаратов (ЛА). В таких системах /1..,9/ сравнительно высоковольтное постоянное напряжение (до 750 В) первичного источника электрической энергии преобразовывается в высокочастотное (до 20 кГц) однофазное переменное напряжение с последующим преобразованием его для электропитания бортовых потребителей постоянного и переменного тока. По предварительным оценкам внедрение систем с высокочастотной распределительной однофазной сетью по сравнению с традиционными системами позволит снизить удельную массу электрооборудования ЛА на 40 - 60 %.
Основная концепция построения таких электротехнических комплексов (рис. 1,1) предусматривает разделение всей энергосистемы на ряд подсистем. К предлагаемым подсистемам причислены: первичный источник питания электрической энергии, промежуточный высокочастотный блок преобразования электрической энергии высоковольтного постоянного напряжения в переменное напряжение, высокочастотная однофазная бортовая распределительная сеть и периферийные устройства, которые обеспечивают потребителей как постоянного, так и переменного тока напряжением питания с заданным уровнем и качеством.
Другой областью перспективного применения высоковольтных высокочастотных статических преобразователей является электротехнические комплексы железнодорожного транспорта, особенно в сфере отечественных пассажирских перевозок. В частности, до сих пор, как на новых, так и на старых российских электропоездах пригородного сообщения постоянного тока используются электромашинные преобразователи напряжения. Они преобразуют высоковольтное постоянное напряжение (2200 - 4000 В) контактной сети в напряжения, которые необходимы для электропитания цепей управления и освещения, двигателей вентиляторов салонов, заряда аккумуляторной батареи и других бортовых потребителей электрической энергии. Известными серьезными недостатками электромашинных преобразователей является обязательное присутствие в них вращающихся элементов и щеточно-коллекторного узла.
Это обусловливает низкую надежность устройства, существенные затраты времени и средств на обслуживание и проведение текущего ремонта. В связи с этим во всех отраслях промышленности и транспорта стремятся по возможности осуществить замену электромашинных устройств на статические преобразователи, которые просты и надежны в эксплуатации.
Следует отметить, что насущная потребность в высоковольтных высокочастотных статических преобразователях имеет место, как при создании электротехнических комплексов пассажирских вагонов, так и при внедрении импульсного регулирования тяговыми двигателями электропоездов. Однако, многочисленные попытки серийного внедрения на российских электропоездах высоковольтного статического преобразователя, вместо устаревшего для нашего века электромеханического преобразователя, не имели успеха. Трудности серийного внедрения таких преобразователей связаны с рядом проблем, к которым относятся: сложность обеспечения надежного функционирования силовых полупроводниковых приборов при широком диапазоне изменения входного напряжения (от 2200 до 4000 В) контактной сети с возможными импульсными бросками мгновенного значения напряжения до 9000 В с длительностью до 100 мкс\ высокий уровень электромагнитных помех, обусловленный значительными скоростями роста напряжения и тока при переключении полупроводниковых приборов; отсутствие удовлетворительных для решения поставленной задачи высоковольтных высокочастотных силовых полупроводниковых приборов, конденсаторов и других компонентов.
Базовые принципы построения силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей
Базовые принципы построения силовых схем высоковольтных высокочастотных статических преобразователей
С учетов жестких требований по надежности (выполнение своих функций, как при нормальных, так и при аварийных режимах работы) и опыта разработок в данной области техники выработаны базовые принципы построения высоковольтных высокочастотных преобразователей для перспективных электротехнических комплексов транспортных средств. Они основаны на минимизации потерь энергии при обеспечении благоприятных условий функционирования полупроводниковых приборов во всех режимах работы устройства и доминировании преобразовательных звеньев с жесткими внешними характеристиками.
Следует отметить, что обеспечение благоприятных условий функционирования силовых полупроводниковых приборов всегда связано с ростом потерь энергии в статическом преобразователе. Особенно это ярко проявляется в первичном промежуточном звене повышенной частоты (11113) рассматриваемого класса статических преобразователей. Так, например, при переходе от сравнительно низковольтного напряжения (200 - 500 В) к высоковольтному напряжению (2200 - 4000 В) контактной сети потери энергии в стандартных цепях защиты 11113 повышаются в 15 - 50 раз. А при переходе от стандартной частоты преобразования электрической энергии (50 - 400 Гц) к повышенной частоте (5-10 кГц) потери энергии в них увеличиваются в 20 - 50 раз.
Предложено обеспечивать благоприятные условий функционирования силовых полупроводниковых приборов путем определения минимума целевой функции потерь энергии: WQ= Fwi( XW1 xW2-- XWXX, yw1, YW2-- YWyy), 0-12) при выполнении совокупности ограничений в условиях пуска, нормальной штатной работы и аварийных режимов работы высоковольтного высокочастотного статического преобразователя: фппЛ XW1 XW2-- xWxx YWb yW2 - YWyy) 0\ фпп2{ XW1 xW2 - xWxx YWb YW2 — У\А/уу) 0\ фппз{ XW1 xW2 - xWxx У] 1 У)Л/2 - У\А/уу) (1,13) ...., фппк( xWh XW2-- xWxx YW1 yW2 - У\А/уу) , где фппЬфпп2 фппЗ - фппк- функции, которые заданы паспортными характеристиками применяемых полупроводниковых приборов с учетом принятых коэффициентов запаса; XW1 XW2 XW3 xWxx " параметры элементов силовой схемы; У]А/Ь YW2 УШЗ v YWyy - входные и выходные параметры силовой схемы.
В общем виде множество фє{фпп1 фпп2 фппЗ — фппк] формируются максимальными пиковыми неповторяющимися значениями, максимальными пиковыми повторяющимися значениями, максимальными длительными значениями, средними значениями мгновенного тока и напряжения, скоростями нарастания мгновенного тока и напряжения, длительностью электромагнитного процесса согласно паспортным данным каждого полупроводникового прибора силовой схемы и требованиям нормального функционирования всего устройства.
Для формализации поиска решения задачи рационально провести структуризацию множества Ф. Для этого элементы Фу множества Ф устанавливают по порядку в соответствии с количеством параметров множества ХФу eXYf] Х у П Х ур П Хфу, где XYe XW1, xW2 - xWxx YW1, YW2 - YWyy } - множество всех параметров статического преобразователя; X\A/F є XWF1, XWF2 xWF3 — xWFk\ - множество параметров, которые определяют выполнение функционального назначения высоковольтного преобразователя; XWP XWP1, XWP2 -. xWPk- YWP1, y\NP2 - У\А/Рк у - множество параметров, которые незначительно влияют на потери энергии;
Формализация математического описания рабочих процессов электротехнических комплексов
В общем случае электротехнический комплекс рассматриваемых транспортных средств состоит из совокупности силовых устройств с блоками системы управления, соединенных определенным образом, при котором обеспечивается реализация требуемых функций связи между источником питания и потребителями электрической энергии как переменного, так и постоянного тока. При проектировании электротехнических комплексов решаются задачи разработки входящих в его состав электронных (высоковольтных высокочастотных статических преобразователей, периферийных статических преобразователей), электромеханических (электрических машин, электромагнитных реле и т. п.) и других устройств с заданными параметрами при функционировании в заданном диапазоне изменения входного напряжения, температуры окружающей среды и других требованиях технического задания. Для проведения параметрического анализа, осуществления минимизации массогабаритных параметров, стоимости составных частей перспективного электротехнического комплекса, выбора наиболее рациональных режимов функционирования, оптимизации параметров по критериям энергопотребления и т. п. необходимо иметь математическое описание происходящих электромагнитных и электромеханических процессов.
В настоящее время наиболее развиты методы математического описания статических преобразователей /17, 18, 77, 95, 132...134, 137, 160, 172/ электротехнических комплексов, в которых электронное устройство представлено в виде эквивалентной схемы с постоянной структурой, постоянными параметрами и генератором эквивалентной ЭДС. Такие методы существенно снижают трудоемкость исследования электромагнитных процессов и позволяют получить результаты в достаточно простом и удобном аналитическом виде. Однако высоковольтные высокочастотные статические устройства, имеющие несколько промежуточных звеньев преобразования электрической энергии с различным набором управляемых и неуправляемых ключевых элементов, не могут быть без грубых допущений сведены к эквивалентной схеме с постоянной структурой и постоянными параметрами.
Другие методы математического описания /18, 25, 132...140, 157...174/ основаны на представлении электронного устройства в виде эквивалентной схемы с переменными параметрами или структурой. Среди них наиболее подходящим и универсальным для рассматриваемых статических преобразователей является матрично-топологический метод составления системы уравнений на основе законов Кирхгофа с последующим преобразованием к определяющей системе уравнений Коши: = A1.x(t)+A2.v(t), (2.1) где x{i) - вектор переменных состояний; А1 - структурно-параметрическая матрица, которая определяет вклад элементов (включая полупроводниковые приборы) в баланс токов и напряжений силовой схемы преобразователя. Причем матрица квадратичная и имеет число строк и столбцов равное числу принятых переменных; А2 - структурно-параметрическая матрица, которая определяет вклад источников ЭДС и источников тока в баланс токов и напряжений. Причем матрица имеет число строк равное числу принятых переменных и число столбцов равное числу источников ЭДС и источников тока; v(t) - вектор входных воздействий.
В качестве искомых переменных величин выбраны переменные, которые характеризуют энергетическое состояние силовой схемы рассматриваемого электронного устройства и обладают инерционностью (невозможностью мгновенного изменения накопленной электрической энергии при конечном значении мощности). К ним отнесены токи (или потокосцепления) индуктивных элементов и напряжения (или заряды) емкостных элементов. Выбор этих величин в качестве переменных вектора x(t) позволяет формировать систему дифференциальных уравнений в нормальной форме, так как только в этих элементах токи и напряжения связаны между собой через производные.
Высоковольтные высокочастотные статические преобразователи для железнодорожного транспорта
В настоящее время среди различных типов быстродействующих силовых полупроводниковых приборов отечественной промышленностью освоен лишь серийный выпуск однооперационных высоковольтных быстродействующих тиристоров. Данное обстоятельство при первом внедрении основных положений разработанной теории наложило ограничение по сужению выбора типа силовой схемы для промежуточного звена повышенной частоты высоковольтного статического преобразователя. Применение силовой тиристорнои элементной базы определило выбор в качестве промежуточного звена повышенной частоты резонансного параллельного инвертора с открытым входом и обратными диодами /17, 27, 39, 48, 87/, который имеет мягкие коммутационные процессы и сравнительно жесткую внешнюю характеристику. В свою очередь, применение инвертора параллельного типа позволяет рассматриваемому статическому преобразователю достаточно просто функционировать в режиме холостого хода. Указанный принцип построения использован при разработке всех серийно выпускаемых высоковольтных высокочастотных статических преобразователей для электротехнических комплексов отечественных электропоездов, а также при макетировании высоковольтных статических преобразователей для перспективных космических летательных аппаратов с высокочастотной однофазной распределительной сетью. В дальнейшем основные положения разработанной теории были использованы также при проектировании новых электротехнических комплексов, в которых использованы другие принципы построения силовой схемы промежуточного звена повышенной частоты с применением как силовых IGBT транзисторов, так и силовых IGCT тиристоров.
В качестве примера, иллюстрирующего практическую реализацию указанного подхода, на рис. 3.1 приведена структурная схема серийного статического преобразователя типа ТП-13.5 У1 для электропоезда ЭР2. Она содержит входной двухзвенный сглаживающий фильтр (Фвх), тиристорный инвертор с силовым выходным трансформатором (TVI), высоковольтный выпрямительный блок (ВВБ) с выходным рабочим напряжением 1500 В, низковольтный выпрямительный блок (НВБ) с выходным напряжением 50 В и блок системы управления (БСУ). Также она содержит датчик (BU) входного напряжения, датчики (Bvs) определения закрытого состояния каждого силового тиристора инвертора, датчик (Bt) температуры, датчик (ВІвх) входного тока силового трансформатора TV1, датчик (Вф) магнитного поля трансформатора TV1 и датчики ВП и ВІ2, которые контролируют токи силовых диодов блоков ВВБ и НВБ.
Рассматриваемый статический преобразователь с номинальной суммарной выходной мощностью 13.5 кВт предназначен для электропитания вспомогательных потребителей одной секции электропоезда типа ЭР2, в состав которого входят 5 или 6 подобных секций, и применяется взамен существующего электромашинного преобразователя типа ДК-604В в комплексе с коллекторным генератором ДК-405. Он осуществляет преобразование нестабильного напряжения (2200 - 4000 В) контактной сети постоянного тока в стабильное напряжение (1500 В) постоянного тока, которое необходимо для электропитания мотор-компрессора ДК-409В и в стабильное напряжение (50 В) постоянного тока, которое необходимо для низковольтных бортовых цепей освещения, двигателей вентиляторов салонов, управления и заряда аккумуляторной батареи. При выборе типа силовых полупроводниковых элементов рассматриваемого преобразователя были учтены специфические особенности работы электрооборудования секции электропоезда. Анализ рабочих процессов показал, что мотор-компрессор ДК-409В, аккумуляторная батарея и двигатели вентиляторов салонов имеют существенную разницу между установившимися и переходными значениями токов потребления. Так пусковой ток мотор-компрессора и двигателей вентиляторов салонов в 4-5 раз превышает установившиеся величины.
