Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследование источников и причин возникновения помех на электрифицированных железных дорогах 11
1.1 Источники и приемники электромагнитных помех на электрифицированных железных дорогах 11
1.2 Обзор существующих систем устройств АЛС, СЦБ и проводной связи на железнодорожном транспорте 13
1.2.1 Устройства АЛС и СЦБ -13
1.2.2 Устройства проводной связи -17
1.2.3 Влияние несимметрии рельсовых цепей на уровень помех -20
1.3 Анализ структурных схем ЭПС с полупроводниковыми преобразователями 21
1.4 Анализ механизма возникновения электромагнитных помех -25
1.5 Выводы по главе -30
Глава 2 Разработка методики расчета электромагнитных помех , генерируемых ЭПС с полупроводниковыми преобразователями 32
2.1 Особенности электромагнитных процессов в силовых цепях -32
2.2 Особенности электромагнитных процессов в полупроводниковых преобразователях 36
2.3 Коммутационные функции полупроводниковых преобразователей ЭПС 42
2.3.1 Коммутационные функции импульсных прерывателей постоянного напряжения 46
2.3.2 Коммутационные функции преобразователей постоянного тока (напряжения) в переменный ток (напряжение) 53
2.4 Определение гармонических составляющих входного тока -60
2.5 Выводы по главе -66
Глава 3 Анализ и выбор перспективной элементной базы -68
3.1 Сравнение современных силовых полупроводниковых элементов, применяемых в преобразователях ЭПС 69
3.1.1 Потери в IGBT,GTO;iGCT -72
3.1.2 Потери в модулях на базе IGBT,GTO,IGCT -76
3.2 Технико-экономическое сравнение преобразователей, построенных по типу автономного инвертора напряжения, на базе IGBT, GTO , IGCT 81
3.3 Выводы по главе -87
Глава 4 Исследование влияния параметров входного фильтра на тяговую сеть 88
4.1 Исследование влияния параметров пассивного фильтра на массогабаритные показатели при различных резонансных частотах 88
4.2 Исследование зависимостей амплитуд гармоник входных тока и напряжения для различных активных фильтров 93
4.2.1 Активный фильтр с управлением по возмущению -101
4.2.2 Активный фильтр с управлением по реакции -102
4.2.3 Активные фильтром с учетом влияния постоянной составляющей 105
4.3 Анализ массогабаритных показателей активных фильтров суммарных показателей пассивного и активного фильтров для различных резонансных частот 111
4.4 Инженерная методика определения математически зависимостей для расчета амплитуд помех входного тока и напряжения 114
4.5 Выводы по главе -117
Глава 5 Разработка методики расчета амплитуды пульсаций напряжения на емкости фильтра при различных способах регулирования напряжения асинхронных двигателей 119
5.1 Анализ величины амплитуды пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра при различных способах регулирования напряжения асинхронных двигателей 119
5.2.Исследование величины амплитуды пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра при широтно-импульсном регулировании напряжения по прямоугольному закону 123
5.3 Исследование величины амплитуды пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра при широтно-импульсном регулировании напряжения по синусоидальному закону и разработка методики расчета 129
5.4 Выводы по главе -141
Заключение -143
Библиографический список использованной литературы -147
- Анализ структурных схем ЭПС с полупроводниковыми преобразователями
- Коммутационные функции преобразователей постоянного тока (напряжения) в переменный ток (напряжение)
- Технико-экономическое сравнение преобразователей, построенных по типу автономного инвертора напряжения, на базе IGBT, GTO , IGCT
- Исследование зависимостей амплитуд гармоник входных тока и напряжения для различных активных фильтров
Введение к работе
Все более очевидным становится факт вступления мирового сообщества в качественно новое состояние, одним из показателей которого является глобальная интенсификация техногенных процессов, связанных с созданием электронных систем информатизации, развитием телекоммуникаций, процессов энергообмена. В возрастающем темпе происходит процесс насыщения производства приборами, технологиями, базирующимися на достижениях электроники, электро- и радиотехники, связанных с внедрением новейших мультимедийных комплексов и инфраструктур. Номенклатура таких технических средств делается все более разнообразной, а техническое исполнение -все более сложным и дорогим.
Столь широкое использование электротехники наряду с неоспоримыми преимуществами влечет за собой массу негативных последствий. Уже сейчас окружающее нас пространство заполнено переплетающимися сетями радиоволн, электромагнитных полей, высокочастотных и низкочастотных импульсов и излучений. В геометрической прогрессии происходит загрязнение окружающей среды электромагнитными излучениями, влекущими необратимые изменения в биологической, генетической и социальной структурах. На загрязнение окружающей среды оказывает влияние и качество используемой электроэнергии, параметры которой могут отклоняться от номинальных значений. В кривых тока и напряжения тяговой сети возникают провалы, выбросы, импульсные и радиочастотные помехи.
Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартам, метрологии и сертификации № 338 от 28 августа 1998 г. введен в действие с 01.01.99г в качестве государственного новый стандарт на качество электрической энергии и Федеральный закон «Об электромагнитной совместимости». Эти документы ставят проблему обеспечения электромагнитной совместимости в ряд актуальных и важнейших технико-экономических задач железнодорожного транспорта. Согласно этим документам технические средства, являющиеся источниками электромагнитных излучений, в том числе и электрические железные дороги, подлежат сертификации на соответствие допустимым уровням электромагнитных излучений, установленным государственными стандартами.
В соответствии с определением Международной электротехнической комиссии (МЭК) под электромагнитной совместимостью (ЭМС) понимается способность электротехнического оборудования (прибора, аппарата, устройства) работать удовлетворительно в электромагнитной среде, не создавая недопустимого влияния на окружающую среду, а также на другое техническое оборудование. Таким образом, термин электромагнитная совместимость трактуется довольно широко и включает в себя вопросы электромагнитного влияния друг на друга различных видов электроэнергетического и слаботочного оборудования.
Успешное решение научных проблем и технических задач при разработке и эксплуатации электрического подвижного состава и системы электроснабжения невозможно без исследования и обеспечения электромагнитной совместимости тяговой сети со смежными слаботочными системами.
Современный электроподвижной состав (ЭПС) представляет сложную электроэнергетическую систему, насыщенную различного рода преобразователями электроэнергии. Наличие таких преобразователей, выполненных, как правило, на управляемых полупроводниковых приборах, приводит к тому, что в силовых цепях ЭПС наряду с полезными сигналами формируются и распространяются сигналы помех.
Значительное увеличение сигналов помех связано с увеличением мощности, потребляемой от источника питания, и применением полупроводниковых преобразователей, работающих с частотами, отличными от частоты тока источника (контактной сети).
Наиболее ярко это проявляется на подвижном составе с бесколлекторными тяговыми двигателями, где частота коммутаций в преобразователе может изменяться от единиц до десятков и сотен Герц. Не является исключением в этом
плане и подвижной состав с коллекторными тяговыми двигателями и традиционным фазовым и импульсным регулированием напряжения.
Стремление использовать преобразователи импульсного типа, благодаря их более высоким энергетическим и приемлемым массогабаритным показателям, приводит к появлению новых источников электромагнитных помех. Наличие таких помех оказывает отрицательное влияние на источник питания (тяговую сеть, систему первичного электроснабжения), на преобразователи, через которые передается электрическая энергия вспомогательным устройствам ЭПС, а также на смежные устройства, обеспечивающие безопасность движения, и другие потребители.
Поэтому проблема формирования электромагнитной обстановки, обеспечивающей нормальное функционирование электрического оборудования подвижного состава, системы электроснабжения и смежных устройств, является достаточно острой.
При этом под электромагнитной обстановкой подразумевается совокупность электромагнитных полей в заданной области пространства, а в проводящей среде напряжений (токов), создающих непреднамеренно (помехи) или специально (полезные сигналы), которые влияют (или могут влиять) на функционирование технических средств железнодорожного транспорта (ТСЖТ) [1].
Электромагнитной помехой следует считать нежелательное воздействие электромагнитной энергии, которое может ухудшить показатели качества функционирования ТСЖТ.
В развитии технических операций перевозочного процесса и обеспечении безопасности движения приоритетное значение имеют технические средства автоматики и телемеханики. Из них в первую очередь следует выделить устройства автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) и сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) на станциях и перегонах, использующих для своей работы рельсовые цепи, по которым протекают тяговые токи электроподвижного состава. Импульсные электромагнитные помехи, попадая в рельсовые цепи, создают угрозу путевым приемникам АЛС и СЦБ и могут приводить к отказам в их работе.
Кроме устройств СЦБ в структуру железнодорожного транспорта органически входят проводные линии связи, которые также подвергаются воздействию электромагнитных помех, распространяющихся от контактного провода.
Поэтому среди ключевых задач при создании нового подвижного состава особое место занимает проблема обеспечения его электромагнитной совместимости. Электромагнитную совместимость применительно к электроподвижному составу можно определить, как способность его нормально функционировать в реальных условиях эксплуатации с требуемыми качественными показателями при воздействии непреднамеренных электромагнитных помех и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим устройствам, как в нормальных, так и в аварийных режимах работы [1].
Задача обеспечения ЭМС технических средств железнодорожного транспорта складывается из решения ряда вопросов:
1 Выявление элементов, устройств и технических средств железнодорожного транспорта, чувствительных к электромагнитным помехам, и обоснование допустимого уровня помех;
2 Исследование физических процессов, формирующих электромагнитные помехи;
3 Исследование путей распространения электромагнитных помех в окружающей среде;
4 Разработка математических моделей генерации, распространения и приема электромагнитных помех и методов их исследования;
5 Разработка мероприятий и средств снижения электромагнитных помех;
6 Разработка мероприятий по защите от электромагнитных помех.
Приведенный перечень вопросов показывает, что задача обеспечения ЭМС ТСЖТ является комплексной и должна решаться применительно ко всей совокупности технических средств железнодорожного транспорта.
Полностью исключить электромагнитное влияние одного электротехнического оборудования на другое, одних электрических цепей на другие практически невозможно, поэтому обычно стремятся снизить его до такой степени, при которой не нарушалась бы нормальная работа электрических цепей, подверженным влиянию, и выполнялись требования. ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» и инструкций МПС.
В настоящее время накоплен большой опыт в исследовании и практической реализации первых четырех вопросов, решению которых посвящены многочисленные работы Бадер М.Щ1-4] и Мамошина Р.Р.[ 5]. Применительно к ЭПС постоянного тока с импульсными преобразователями вопросы возникновения помех в тяговом токе и меры борьбы с ними изучены недостаточно. Особенно это относится к ЭПС с асинхронным тяговым двигателем (АТД) и полупроводниковыми преобразователями (ПП). Первые работы в этой области для сети переменного тока проведены Н.А. Ротановым , В.В. Литовченко, А.Т. Бурковым [ 6-9], результаты которых продолжены в настоящей работе.
Целью диссертационной работы является выявление источников и исследование причин возникновения электромагнитных помех в ЭПС постоянного тока с асинхронными тяговыми двигателями и импульсными полупроводниковыми преобразователями и разработка средств, обеспечивающих их снижение до допустимого уровня при высоких энергетических и жестких ограничениях массогабаритных показателей преобразовательного оборудования .
Поставленная цель потребовала решения следующих задач: выявления механизма возникновения помех в ЭПС; разработки методики расчета электромагнитных помех; выбора перспективной элементной базы полупроводниковых преобразователей, обеспечивающей снижение помех при условии минимизации потерь и удельных массогабаритных показателей; разработки рекомендаций для определения минимальных значений емкости и индуктивности входных пассивных фильтров; выбора типа и параметров элементов активного фильтра, обеспечивающего минимальную амплитуду наиболее опасной гармонической составляющей (помехи); разработки методики расчета амплитуды наиболее опасной гармонической составляющей пассивного и активного фильтров; разработки методики определения амплитуды переменной составляющей напряжения на конденсаторах входного фильтра при различных способах регулирования напряжения на двигателях.
Научная новизна работы заключается в : установлении зависимостей эффективности различных типов активных фильтров от резонансной частоты ; разработке методики расчета наиболее опасной амплитуды помехи для пассивного и активного фильтра.; создании методики расчета амплитуды переменной составляющей на конденсаторах входного фильтра при широтно-импульсном регулировании напряжения на двигателе по синусоидальному закону (ШИМС).
Практическая значимость результатов работы состоит в: разработке рекомендаций по определению потерь в современных силовых полупроводниковых приборах GTO, IGCT, IGBT при работе их в схемах импульсного преобразователя постоянного тока (ИППТ) и автономных инверторах напряжения (АПН); разработке рекомендаций по определению рациональных параметров элементов входных пассивных и активных фильтров ; разработке методики определения величины пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра для режимов широтно-импульсного модулирования по прямоугольному закону (ШИМП), одноимпульсного управления, широтно-импульсного управления по синусоидальному закону (ШИМС).
Анализ структурных схем ЭПС с полупроводниковыми преобразователями
Любая электрическая цепь при наличии в ней переменного напряжения и тока создает в окружающей среде переменное электромагнитное поле и вследст вие этого является источником посторонних напряжений и токов индукции в цепях, находящихся в этой среде.
Степень влияния зависит от симметричности цепей, как влияющих, так и подверженных влиянию. Цепь симметрична, если ее провода имеют одинаковые параметры : первичные ( активное сопротивление, индуктивность, емкость между проводами и относительно земли, проводимость изоляции и вторичные (волновое сопротивление и коэффициент распространения волны)[1].
Наибольшее электромагнитное влияние будут оказывать те цепи, которые обладают большей степенью несимметрии, т.к. напряженность электромагнитного поля будет максимальной при прочих равных условиях) около полностью несимметричной цепи и минимальной около симметричной цепи. Степень электромагнитного влияния линий высокого напряжения на смежные слаботочные системы зависит также от типа последних. Линии связи, также как и линии высокого напряжения, можно разделить на симметричные и несимметричные. При электрической тяге ток, протекающий по рельсам, оказывает влияние на работу рельсовых цепей и железнодорожную автоматику. Количественная оценка уровня помех от гармоники тягового тока (п) производится с помощью коэффициента помех Кп, вычисляемого по формуле [1] где її и 12 - токи в рельсах; 1кс - ток контактной сети, потребляемый электровозом от подстанции. Данный коэффициент показывает, какая часть тока отдельно взятой гармоники в контактной сети составляет помеху для приемных устройств путевых цепей и АЛС на частоте этой гармоники. Определив гармонический состав тока в тяговой сети, можно оценить помеху отдельно для каждой гармоники тягового тока. Для этого необходимо знать распределение токов. На порядок распределения тока влияет неравенство сопротивлений нитей пути, а также неравенство сопротивлений заземления каждой нити. Это и порождает в основном неравенство токов в первой и второй рельсовых нитях пути, т.е. асимметрию рельсовых цепей. Из приведенного выше следует, что влияние тока на работу рельсовых цепей и железнодорожной автоматики тем сильнее, чем больше асимметрия рельсовых цепей. Переменная составляющая тягового тока создает помехи, которые могут достичь значений срабатывания путевого реле. Структурные схемы ЭПС зависят от рода тока в контактной сети и типа тяговых двигателей и применительно к железным дорогам России могут быть получены из системы преобразования параметров электрической энергии, поступающей из контактной сети [ 6] (рисунок 1.2), На ЭПС с тяговыми двигателями постоянного тока преобразование параметров электрической энергии осуществляется импульсными прерывателями постоянного напряжения (И1111Н) с импульсным регулированием напряжения на двигателях (рисунок 1.3). Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму и частоту следования, определяемую схемой ИППН и частотой его коммутации. На рисунке 1.4 приведена структурная схема ЭПС с АТД и промежуточным звеном постоянного тока, на которой, АИТ - автономный инвертор тока, Lj — сглаживающая индуктивность. В случае промежуточного звена постоянного напряжения входной преобразователь может быть выполнен в виде: импульсного прерывателя постоянного напряжения (ИППН) (рисунок 1.5 «а»); импульсного прерывателя постоянного тока (ИППТ) (рисунок 1.5 «б» ) . Выходной преобразователь выполняют в виде трехфазного автономного инвертора напряжения, осуществляющего преобразование постоянного напряжения промежуточного звена в переменное, регулируемое по величине и частоте. В некоторых случаях в схеме отсутствует входной преобразователь и АИН подключают к контактной сети непосредственно через входной фильтр (рисунок 1.5«в»). Преобразование тока или напряжения входным преобразователем осуществляется импульсным способом. Такой же способ применяют и при преобразовании входного напряжения АИН в выходное трехфазное. При этом частота коммутации как во входном, так и в выходном преобразователе определяется системой управления.
Приведенные структурные схемы ЭПС с полупроводниковыми преобразователями охватывают практически все возможные варианты структур тяговых приводов как существующего, так и перспективного подвижного состава. Дополнительные отличия могут быть связаны только с конкретным схемотехническим решением полупроводникового преобразователя, обусловленным применяемой элементной базой. Характер преобразования параметров электрической энергии при этом также сохраняется , а в зависимости от применяемых полупроводниковых приборов изменяется только частота переключений в преобразователях.
Анализ применяемых в настоящее время структурных схем ЭПС постоянного тока на Российских и зарубежных железных дорогах [6,29] показал , что наиболее часто применяется ЭПС с АТД и непосредственным подключением АИН к контактной сети через фильтр ( рисунок 1.5 «в»).
Коммутационные функции преобразователей постоянного тока (напряжения) в переменный ток (напряжение)
Анализ процессов в асинхронном тяговом двигателе и преобразователях частоты обычно выполняют в предположении независимости входных хоков и напряжений от режима и условий работы ЭПС. В реальных системах параметры источника питания, емкость конденсатора фильтра и индуктивность сглаживающего реактора имеют конечные значения, а мощность нагрузки соизмерима с мощностью источника питания. Энергию, поступающую от контактной сети к тяговым двигателям, подвергают многократным преобразованиям, используя входные и выходные преобразователи. Поскольку входные преобразователи выполняются на полупроводниковых приборах, имеющих нелинейные характеристики, при таком преобразовании наряду с основными составляющими токи и напряжения содержат значительные дополнительные переменные составляющие. В свою очередь выходные преобразователи, обладая частотно-избирательными свойствами, могут усиливать эти переменные составляющие, значения которых достигают, а иногда и превышают значения основной составляющей.
Тяговый привод следует рассматривать как сложную систему, содержащую ограниченное множество элементов, объединенных определенными связями, используя для его анализа системный подход [ 6 ]. При этом в целой системе можно выделить подсистемы , представляющие некоторую часть элементов системы, выполняющих определенные функционально завершенные преобразования. В зависимости от степени детализации функциональных преобразований, выполняемых подсистемами, любая сложная система может быть представлена различным числом подсистем. Рассматривая систему локомотив с преобразователями, в ней можно выделить подсистемы, соответствующие электрической, механической и управляющей части [6], каждая из которых выполняет функционально завершенные преобразования.
Подсистема Электрическая часть осуществляет преобразование электрической энергии, поступающей от системы электропитания, в механическую энергию на валу асинхронного тягового двигателя.
Подсистема Механическая часть преобразует момент на валу тягового двигателя в силу тяги или торможения, действующую на поезд и реализуемую вследствие наличия сцепления движущих колес с рельсами.
Подсистема Управляющая часть в соответствии с заданным алгоритмом осуществляет преобразование выходных координат, характеризующих состояние системы, в управляющие воздействия на электрическую часть системы.
Поскольку каждая система или подсистема окружена внешней средой, то она взаимодействует с ней посредством входных воздействий со стороны внешней среды на систему и выходных воздействий со стороны системы на внешнюю среду. При этом в качестве внешней среды по отношению к конкретной подсистеме могут выступать другие подсистемы, образующие целую систему. Каждая система может быть формализована и представлена некоторой математической моделью ее функционирования.
На рисунке 2.1 представлены функциональные схемы системы тягового привода: с двигателями постоянного тока (рисунок 2.1а) и с асинхронными двигателями (рисунок 2.1 б).
В схеме входные воздействия Электрической части : напряжение контактной сети - икс , угловая скорость вращения ротора АТД - со , сигналы управления - u.]...u.m ; выходные : ток в контактной сети - iKC, вращающий момент на валу асинхронного тягового двигателя - М , наблюдаемые переменные Zi„. Zm ; входные воздействия Механической части : момент двигателя -Ми скорость движения - v ; выходные: угловая скорость вращения -со, сила тяги - F , и наблюдаемые переменные Zm+i,...Zn; входные воздействия Управляющей части: наблюдаемые переменные-Z...Zn ; выходные сигналы управления- ц,... цт.
Все подсистемы взаимодействуют друг с другом, причем выходные воздействия одной подсистемы являются входными для другой. Поэтому наиболее достоверные результаты анализа процессов в системе асинхронного тягового привода во всех режимах могут быть получены при моделировании всех указанных подсистем [6]. Вместе с тем подсистемы могут рассматриваться как самостоятельные, если выполняется условие: изменение выходных координат подсистемы не приводит к изменению входных.параметров подсистемы. Ввиду того, что моделирование всей системы в целом - это очень объемная и сложная задача и требует для идентификации модели проведения сложных экспериментов, работа выполнена только для Электрической части. Применительно к системе Электрическая часть выполнить это условие возможно при независимости напряжения в контактной сети от тока и постоянстве частоты вр а.щения ротора АТД. Для этого необходимо, во-первых, параметры контактной сети учесть в параметрах элементов электрической части; во-вторых, рассматривать режимы, при которых момент на колесной паре не превышает момента сил сцепления, и , в — третьих, рассматривать установившиеся режимы для подсистегчлы Управляющая часть.
С учетом сказанного подсистему Электрическая часть моясно рассматривать как самостоятельную. В нее входят элементы: входной фильтр , полупроводниковые преобразователи и асинхронный тяговый двигатель АТД Функциональную схему подсистемы Электрическая часть следует использовать при анализе электромагнитных процессов в силовых цепя к: ЭПС в установившихся по отношению к внешним воздействиям режимах . Вьхделение же из указанной подсистемы отдельных элементов возможно только для изучения каких-либо определенных их свойств. Все элементы подсистемы Электрическая часть взаимодействуют друг с другом. В качестве входных и: выходных воздействий могут выступать токи и напряжения. Сигналы управления, поступающие на элементы этой подсистемы, несут информацию о требуемых параметрах напряжения или тока на выходах преобразователей. Для анализа электрической части системы асинхронного тягового привода построены математические модели каждого элемента и после н: с объединения получена математическая модель всей подсистемы.
Технико-экономическое сравнение преобразователей, построенных по типу автономного инвертора напряжения, на базе IGBT, GTO , IGCT
В 1.1 сказано, что основным направлением работ по снижению электромагнитных помех являются мероприятия по снижению влияния на проводники и рельсовые линии связи, внедренные на ЭПС,.а именно: - применение входных фильтров, выбор их схемных решений и оптимальных параметров; - увеличение частоты регулирования преобразователей; - применение в схемах тягового привода объединения нескольких преобразователей, работающих от общего фильтра со сдвигом по фазе. Массогабаритные показатели любого фильтра [38] зависят от частоты и уровня допустимых пульсаций по току и напряжению . Снижение массогаба-ритных показателей фильтров требует увеличения частоты регулирования преобразователей, которое в свою очередь приводит к увеличению потерь в приводе. Частота регулирования преобразователей зависит от возможностей применяемой элементной базы: силовых полупроводниковых приборов (СПП) и коммутирующих конденсаторов. Развитие современной полупроводниковой техники привело к применению в преобразователях полностью управляемых приборов, что исключает применение коммутирующих конденсаторов. Поэтому для применения в преобразователях ЭПС рационального типа полупроводникового прибора, проведено технико-экономическое сравнение перспективных типов приборов и технико-экономическое сравнение преобразователей, построенных на их основе. В настоящее время в новых разработках преобразователей электроподвижного состава применяются современные полупроводниковые приборы, а именно: GTO и IGCT тиристоры и IGBT транзисторы на токи свыше 1000 А и напряжения 3000 -f- 4500В [39-43]. Выбор СПТТ для преобразователей произведен по следующим факторам: - мощности коммутации; - условиям эксплуатации; - потерям в полупроводниковых элементах и снабберных цепях; - возможности соединения их последовательно; - характеристикам элементов при их неисправности и повреждениям, возникающим при этом. - способам изоляции элементов относительно земли. В наиболее часто применяемых на ЭПС с бесколлекторным приводом преобразователях - автономных инверторах напряжения и импульсных преобразователях постоянного напряжения- встречно-параллельно управляемому тиристору (транзистору) присоединен обратный диод, служащий для обеспечения протекания обратного тока при активно-индуктивной нагрузке. Поэтому для удобства конструкции преобразователи новых разработок на ЭПС формируются из модулей, содержащих управляемый Сі 11 1, силовой диод, снабберные и защитные устройства. Для трехфазных преобразователей модуль образует - полуфазу.
В связи с тем, что в преобразователях ЭПС применены полупроводниковые приборы на различные параметры, сравнение их должно быть произведено при работе в одних и тех же режимах. Для этого необходимо привести параметры вышеуказанных сравниваемых приборов к единым обозначениям. На рисунке 3.1 приведены формы тока и напряжения на тиристорах и транзисторах с обозначением параметров согласно ГОСТ 20332-84.
На рисунке /T AV) _ среднее за период значение тока в открытом состоянии тиристора; /T(RMS) — действующее значение тока за период в открытом состоянии тиристора; /XRM - наибольшее мгновенное значение тока в открытом состоянии тиристора, включая все повторяющиеся переходные значения токов; /PSM - наи- больший импульсный ток в открытом состоянии тиристора, протекание которого вызывает превышение максимально допустимой температуры перехода, но воздействие которого за время службы тиристора предполагается редким, с ограниченным числом повторений; /r ov; - ток перегрузки в открытом состоянии (зависит от времени); Uo— постоянное напряжение в закрытом состоянии; UR - постоянное обратное иапряжение;С/0ям t/шім - повторяющиеся импульсные напряжения в прямом и обратном направлениях; C/DWM RWM _ рабочие напряжения в прямом и обратном направлениях; t/DsM , RSM - неповторяющиеся импульсные прямое и обратное напряжения.
Согласно этим обозначениям ток коллектора транзистора /с» обозначающий максимально допустимое значение постоянного тока коллектора в пределах допустимой рассеиваемой мощности коллектора, при работе на постоянную нагрузку, соответствует /TRM одпооперационного тиристора и максимально допустимой величине запираемого тока /TQM тиристоров GTO. При работе его в схемах выпрямителей и инверторов с однополупериодной синусоидальной формой тока среднее значение тока через прибор будет равно IQ І ТТ. Исходя из этого, в таблице 3.1 приведены параметры полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, наиболее употребляемых в новых разработках преобразователей ЭПС мощностью выше 1000 кВА. Следует отметить, что параметры приборов других фирм («Сименс», «Электровыпрямитель», «Хитачи») на аналогичные токи и напряжения отличаются друг от друга не более чем на 10 % [44-46]. Из таблицы 3.1 видно, что транзистор 1GBT имеет меньшие значения тока и напряжения , чем сравниваемые с ним тиристоры, поэтому расчет потерь в модулях с GTO и IGCT произведен для тока, максимально допустимого для разработанного в настоящее время IGBT, равного 1200 А. Расчет произведен для двух режимов работы приборов: при работе в АИН со средним током 382 А (1200/тг.); при работе в режиме ключа (в ИППН) со средним током 1000 A (/ TQM= 1200 А, коэффициент заполнения 0,9).
Исследование зависимостей амплитуд гармоник входных тока и напряжения для различных активных фильтров
Применение гибридных (совместных пассивных и активных) фильтров с резонансными частотами выше нижней граничной частоты полосы пропускания с уровнем опасного влияния на работу оборудования рельсовых цепей позволило значительно снизить их суммарные массогабаритные показатели за счет снижения величины емкости или индуктивности .
Известно, что величина пульсации напряжения на конденсаторах фильтра находится в обратной зависимости от величины емкости [6] . Поэтому при определенных значениях емкости она может быть достаточно большой и превышать допустимую величину для применяемых в схемах преобразователей конденсаторов. Это, в свою очередь, требует либо повышения величины емкости фильтра, что ведет к увеличению массогабаритных показателей, либо к разработке конденсаторов, которые могут выдерживать большие значения переменной составляющей, что также ведет к увеличению их удельных, а в итоге массогабаритных показателей.
В связи с этим возникает задача определения величины амплитуды пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра для различных режимов работы преобразователей.
Известно, что регулирование напряжения на выходе преобразователя во время пуска (разгона) и движения локомотива с заданной скоростью производится методами широтно-импульсного регулирования (ШИР), часто называемыми широтно-импульсным модулированием по прямоугольному закону (ШИМП) и широтно-импульсным модулированием по синусоидальному закону (ШИМС), одноимпульсного регулирования. При регулировании ШИМП напряжение на двигателе изменяется за счет изменения коэффициента заполнения К3, равного отношению длительности проводящего состояния полупроводникового прибора . к периоду несущей частоты регулирования. При регулировании ШИМС напряжение на двигателе изменяется за счет изменения коэффициента модуляции Км, равного отношению амплитуды модулирующего сигнала к амплитуде опорного разворачивающего сигнала [6,68]. В [68] показано, что наиболее рациональным способом регулирования напряжения во время пуска (разгона), обеспечивающим лучший гармонический состав напряжения и тока двигателя, является способ ШИМС с опорным напряжением в виде симметричной пилы.
Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы [6,69-72,74] показал, что в отдельных источниках приведены рекомендации по определению величины амплитуды пульсации напряжения на конденсаторах фильтра ( в дальнейшем просто амплитуды пульсации ) только в режиме одноимпульсного управления. В режимах ШИР такие рекомендации отсутствуют. В данной главе рассмотрено влияние ШИР на величину напряжения на конденсаторах фильтра и разработаны практические рекомендации по определению величины пульсаций на них - основной величины, определяющей качество сглаживания напряжения на фильтре.
Допустимая амплитуда величины пульсации напряжения на конденсаторах фильтра может быть определена из величины допустимых потерь Рдоп в конденсаторе по формуле [73] где Uf - допустимая амплитуда переменной синусоидальной составляющей пульсирующего напряжения при заданной температуре окружающей среды Т на частоте f; Сном - номинальная величина емкости конденсатора; tg5 - тангенс угла потерь конденсатора; RA - сопротивление конденсатора; Rt - постоянная нагрева конденсаторов; ТД0, - максимально допустимая рабочая температура конденсатора. На рисунке 5.1. приведена зависимость допустимой амплитуды пульсаций от частоты для отечественных фильтровых конденсаторов типа К-75-80 «в»,«г» с параметрами: С = ЗбОмкФ ; U = 2500В, применяемых в тяговых приводах АТД отечественного подвижного состава. Зависимость рассчитана для одной банки конденсаторов при Т = + 60 С. Значения RA, R(, tg6 взяты из технических условий на данные конденсаторы [73]. Данная или аналогичная для других конденсаторов зависимость должна быть определяющей при выборе величины емкости, напряжения и частоты пульсаций на них. На рисунке 5.2 приведена осциллограмма напряжения на конденсаторах фильтра при ШИМС. Из осциллограммы видно, что напряжение на конденсаторах фильтра имеет сложную несинусоидальную форму: амплитуда пульсаций и частота величины переменные, зависящие от многих факторов. Поэтому для анализа величины пульсаций предложен метод замены сложной формы напряжения на конденсаторе при регулировании напряжения на двигателе ШИМС упрощенной формой напряжения на конденсаторе при регулировании напряжения на двигателе ШИМП с постоянной амплитудой импульсов напряжения, равной средней за период величине импульса (AUcp. раСч) Иными словами, это метод приведения импульсов переменной амплитуды ШИМС к импульсам постоянной амплитуды, равной средней за период величине импульсов с постоянной длительностью ( коэффициент заполнения К з равен коэффициенту модуляции Км). Полученная кривая напряжения условно названа усредненной ШИМПуср. Для подтверждения достоверности такого подхода произведено сравнение потерь в конденсаторе для неизменной несущей частоты, определенных согласно (5.1) для ШИМПуср и ШИМС, т.е. проверено выполнение условия Средняя величина амплитуды импульсов для ШИМПуср определена как половина от среднего арифметического амплитуд всех импульсов за период, так как амплитуда пульсаций определяется как разность максимальной и минимальной искомых величин, деленных на два. Кривая напряжения на конденсаторе, данные гармонического разложения кривой соответствуют режиму с параметрами: -= 30 Гц, отношение несущей частоты к частоте статора двигателя ( кратность ) п= 25, коэффициент модуляции К„ = 0,8 , емкость фильтра Сф = 10 мФ, индуктивность фильтра Ьф = 5мГн,ивход=1500В. Расхождение в потерях, определенных в соответствии с формулой (5.2), составляет 8 %, что объясняется неучетом потерь от гармоник с частотами более 5000 Гц. Такое расхождение приемлемо для инженерных проработок. Таким образом, предложение о замене кривой напряжения ШИМС кривой напряжения ШИМП ср со среднеарифметической за период выходной частоты амплитудой импульсов является правомочным. Это предложение положено в основу при разработке методики определения амплитуды пульсаций при ШИМС.
