Плавное бесконтактное регулирование тока в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей при помощи импульсных преобразователей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Дудченко, Дмитрий Николаевич

• Дудченко, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дудченко, Дмитрий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Характеристики тягового электродвигателя постоянного тока при 2-х зонном регулировании.

1.2. Ступенчатое регулирование магнитного потока и возможность перехода к плавному регулированию.

1.3. Обзор систем плавного регулирования электродвигателей постоянного тока.

1.4. Постановка задачи и цель исследования по системам плавного регулирования.

2. УПРОЩЁННЫЙ МЕТОД ДЛЯ РАСЧЁТА РЕЖИМА ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОЛЯ.

2.1. Схема замещения тягового электродвигателя как электромагнитной системы.

2.2. Допущения в упрощённом методе.

2.3. Регулировочные и пульсационные характеристики для схем с прямым включением импульсного прерывателя (без дополнительного резистора).

2.4. Регулировочные и пульсационные характеристики для схем с дополнительным резистором.

3. РАСЧЁТ РЕЖИМА ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ РЕШЕНИИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ.

3.1. Схема замещения.

3.2. Формирование аналитического аппарата на базе дифференциальных уравнений.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В СИСТЕМЕ ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОЛЯ.

4.1. Допущения для расчёта мощности в компонентах системы в функции коэффициента заполнения.

4.2. Мощность потерь за цикл регулирования в квазистационарном установившемся режиме с одним импульсным прерывателем.

4.3. Мощность потерь за цикл регулирования в квазистационарном установившемся режиме с двумя импульсными прерывателями.

5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ.

5.1. Классическая схема без добавочного сопротивления.

5.2. Схема импульсного регулирования с добавочным сопротивлением

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плавное бесконтактное регулирование тока в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей при помощи импульсных преобразователей»

Российские железные дороги - неотъемлемая составная часть производственной инфраструктуры Российской Федерации, которые обеспечивают 40% всех гражданских перевозок и почти 100% военных. Стабильное и эффективное функционирование железнодорожного транспорта, является необходимым условием преодоления кризисных явлений в экономике, обеспечения целостности и обороноспособности страны, интеграции её в мировую экономику, а также повышения уровня жизни населения. В период финансово - экономического кризиса нужны антикризисные меры. На государственном уровне существуют различные программные документы, которые в той или иной степени определяют пути развития транспорта и транспортного машиностроения:

• стратегия научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года, в которой одно из основных направлений инновационной деятельности в сфере железнодорожного транспорта - создание подвижного состава нового поколения с улучшенными потребительскими свойствами за счёт совершенствования технических характеристик;

• программа развития скоростного и высокоскоростного движения на сети железных дорог ОАО «РЖД» до 2020 года;

• стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года.

В решении этих задач важную роль играет повышение эффективного использования электрической тяги. От уровня организации процесса потребления доли электрической энергии всей страны, железнодорожным транспортом, для грузопассажирских перевозок, зависит и в известной степени период преодоления страной кризисных явлений в экономике.

Важную роль в этом процессе играет научная обоснованность оценки повышения эффективности использования рабочего парка электровозов и электропоездов. Сегодня в тяговом электроподвижном составе преобладают локомотивы, построенные более 20 лет назад; они требуют замены или 4 капитального ремонта. В течении всего жизненного цикла на содержание и ремонт локомотивов (в том числе, тяговых электродвигателей) уходит до 64% всех эксплуатационных расходов, из которых свыше 35% - на электроэнергию и топливо [1]. Износ основных фондов в локомотивном хозяйстве превысил 65%. Полная и быстрая замена действующих локомотивов новыми требует значительных финансовых затрат. Для того, чтобы снизить темпы старения парка локомотивов, руководство Российских железных дорог приняло программу, связанную с продлением срока службы локомотивов. Капитальный ремонт требует меньших затрат и в процессе его реализации предоставляется возможным провести усовершенствование структуры электрооборудования в направлении повышения их надёжности.

Учитывая опыт железных дорог зарубежных стран, в России перспективным видится, в частности, внедрение асинхронных тяговых электродвигателей. Однако асинхронный тяговый привод требует разработки, а также массового производства недорогих и надёжных электронных преобразователей.

В настоящее время для тягового электропривода в тяге постоянного тока применяются в основном коллекторные тяговые электродвигатели, которые регулируются морально устаревшими энергоустановками (реостатным пуском). Такое регулирование приводит к повышенному расходу электроэнергии на тягу поездов и наибольшему число отказов тяговых двигателей по отношению ко всем другим видам электрического и механического оборудования электровозов.

Эффективным направлением в совершенствовании электроподвижного состава является применение импульсного регулирования тяговых электроприводов, которое позволит полно использовать их возможности и сократить расход электроэнергии. Плавное регулирование напряжения на двигателях реализуется достаточно сложными импульсными преобразователями, которые должны быть рассчитаны на высокое входное напряжение - до 4 кВ [2]. Гораздо проще обеспечивается регулирование 5 возбуждения электродвигателей при помощи низковольтных импульсных преобразователей, подключённых к обмоткам возбуждения.

Автором был произведён обзор выполненных ранее научных исследований и практических разработок в области совершенствования импульсных систем регулирования тяговых электроприводов. В этой области известны работы целого ряда специалистов научно-исследовательских институтов (ВННИИЖТ, ВНИИВ, РФ ВНИИВ, ВЭлНИИ), учёных Московского государственного университета путей сообщения [3,4], Петербургского государственного университета путей сообщения [5,6], работников промышленных и транспортных предприятий (Московского производственного объединения «Динамо», Рижских электромеханического и вагоностроительного заводов, Московского и Санкт — Петербургского метрополитенов) и других авторов. Фундаментальными работами в области импульсного управления двигателей постоянного тока явились исследования академика B.C. Кулебакина, который один из первых разработал теорию ч импульсного регулирования двигателей с помощью электромеханической коммутационной аппаратуры. Вейцман Л.Ю. [6] изложил вопросы исследования переходных и квазиустановившихся процессов импульсного регулирования возбуждения на тиристорах. В работах, выполненных Глазенко

Т.А. [7], Бирзниексом JT.B. [8],коллективами учёных под руководством

Розенфельда В.Е., Трахтмана JI.M. [9-11] обоснованы принципы построения импульсных систем управления, исследованы электромагнитные процессы в импульсном преобразователе и в цепи тяговых электродвигателей. Разработаны методы расчёта и выбора параметров импульсных преобразователей по допустимым значениям нагрузки, мощности потерь, влияния их на устройства сигнализации и связи. Некрасовым В.И. были установлены показатели качества функционирования импульсных систем управления, обоснована теория многофазного импульсного преобразования и разработаны методы расчёта характеристик импульсных преобразователей с учётом внутренних связей, обусловленных пульсирующими составляющими токов в цепях б импульсного регулятора. Феоктистов В.П. выполнил комплексное исследование импульсных систем управления с учётом взаимосвязи процессов в регуляторе, импульсном преобразователе и тяговых двигателях, включая и процессы реализации сил сцепления, анализ условий возникновения непериодических автоколебаний, обоснование общей структуры систем импульсного регулирования тягового электропривода электропоездов[12]. Методы оптимизации структуры и элементной базы импульсных преобразователей по мощности потерь, массо — габаритным показателям, методы прогнозирования режимов их работы, повышения надёжности и совершенствования технического обслуживания исследованы в работах Исаева И.П., Инькова Ю.М., Ротанова H.A., Ранькиса И .Я. [13-15]. На фоне известных исследований Рябцев Г.Г. произвёл дальнейшее обоснование по влиянию структуры и параметров силовой цепи вагонов метрополитена на качество функционирования импульсного регулирования и проанализировал разработки способов организации контроля тиристорных прерывателей и их системы управления. В поиске новых систем ослабления возбуждения тяговых двигателей с использованием современных полупроводниковых приборов с оценкой качества переходных процессов в предлагаемых системах и влияния полупроводников на характеристики тяговых двигателей, внёс свой вклад Евстафьев A.M. [16].

Актуальность работы определяется мировой тенденцией к реализации систем плавного бесконтактного регулирования тяговых электродвигателей на электровозах и электропоездах. При этом могут быть существенно улучшены тяговые и энергетические характеристики электроподвижного состава, повышены показатели надёжности тягового электрооборудования. Наиболее легко эта задача решается для регулирования тока обмоток возбуждения тяговых электродвигателей. Здесь могут быть использованы достаточно простые импульсные преобразователи низкого напряжения. Соответствующий опыт имеется, поскольку такие системы длительное время эксплуатируются на электропоездах и электровозах постоянного тока. Поэтому необходимо 7 обобщение соответствующих схемных решений и расчётных методик. Эта задача решается в данной работе.

Цель работы - аналитический обзор и системный анализ схемных решений по плавному регулированию тока возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока; обобщение методов расчёта квазистационарных электромагнитных процессов при регулировании тока в зоне ослабления возбуждения; обоснование универсальной методики расчёта регулировочных и пульсационных характеристик при импульсном регулировании тока возбуждения во всём диапазоне возможных параметров и режимов тягового электродвигателя и импульсного преобразователя.

Методика исследований заключается в формулировании и решении в обобщённом виде системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы для квазистационарного режима ослабления возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока. При этом обоснованы допущения, позволяющие алгебраизировать исходную систему дифференциальных уравнений и свести её к линейным уравнениям. Это позволило получить универсальные зависимости для регулировочных и пульсационных характеристик применительно ко всем рассматриваемым схемным решениям.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснована математическая модель, позволяющая алгебраизировать исходные дифференциальные уравнения для электромагнитных процессов при импульсном регулировании тока возбуждения и получить обобщённые аналитические выражения для регулировочных и пульсационных характеристик;

- обобщены и классифицированы возможные варианты выполнения систем импульсного регулирования тока возбуждения, реализован научный подход к выбору конкретной системы с учётом требований разработчиков электроподвижного состава по регулировочным свойствам и предельным уровням пульсаций.

Практическая ценность работы заключается в том, что обоснованы рекомендации для использования систем плавного бесконтактного регулирования на электроподвижном составе с двигателями постоянного тока. Соответствующие расчётные зависимости могут быть использованы при проектировании электрооборудования новых и модернизируемых электропоездов и электровозов. Апробация работы.

Основные материалы диссертации рассмотрены и получили одобрение на следующих научно - практических конференциях:

- «Безопасность движения поездов», Москва, МИИТ, 2007, 2008, 2009 гг.;

- «Наука и молодёжь в начале нового столетия», Белгородская обл., г. Губкин, 2008 г.;

- «Наука МИИТа транспорту - 2008», Москва, 2008г.;

- «ТКАЖ-МЕСН-АЯТ-СНЕМ», Москва, 2008, 2010 гг.

Работа докладывалась и получила одобрение на научно - технических семинарах и заседаниях кафедры «Электрическая тяга», МИИТа, 2010 г. Публикации.

Основное содержание работы отражено в 11 -ти публикациях, из них 4-е статьи в научно-технических журналах, 2-е из которых в изданиях, рекомендованных ВАК и в 7-ми тезисах научных и научно-практических конференциях.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с изложением основных результатов и выводов, списка использованных источников из 45 наименований, двух приложений и содержит 114 страниц основного текста, 48 рисунков и 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Дудченко, Дмитрий Николаевич

выводы

1. Проанализированы, обобщены и классифицированы схемные решения по регулированию тока возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока. Соответствующие системы несмотря на разнообразие схемных решений могут быть отнесены к двум базовым типам - с линейной и нелинейной регулировочными характеристиками. Система с линейной характеристикой предпочтительна для регулирования тяговых электроприводов, но она более сложна по силовой части.

2. На основе анализа ранее предложенных классических расчётных моделей тягового электропривода с импульсным регулированием в диссертации обоснованы допущения, позволяющие алгебраизировать исходные дифференциальные уравнения. Таким путём получены обобщённые аналитические выражения для регулировочных и пульсационных характеристик системы, которые рекомендованы для использования на этапах выбора варианта и эскизного проектирования системы импульсного регулирования.

3. Проанализирована возможность усовершенствования базовой схемы импульсного регулирования с целью исключения импульсного режима и соответственно пульсационных потерь в зоне предельного ослабления возбуждения. Соответствующая математическая модель получается сложнее исходной, но тем не менее она позволила получить обобщённые выражения для регулировочных и пульсационных характеристик.

4. Обоснован способ учёта вихревых токов в магнитной системе тягового электродвигателя в квазистационарном режиме импульсного регулирования. Для удобства расчёта и компьютерного моделирования эта математическая модель представлена в матричной форме. Учёт вихревых токов ведёт к сглаживанию пульсаций тока возбуждения, а регулировочные характеристики в схемах первого типа, т. е. с одним импульсным преобразователем, при этом изменяются с уменьшением их кривизны.

Практические рекомендации сводятся к обоснованию схемных решений для применения на электроподвижном составе постоянного тока. Это обеспечивает необходимое быстродействие применяемых систем регулирования (стабилизация пускового тока) и защиты тягового электропривода в зоне ослабления возбуждения, позволяет снизить массу электрооборудования за счёт исключения индуктивных шунтов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дудченко, Дмитрий Николаевич, 2010 год

1. Выступление президента ОАО «РЖД» В.И. Якунина на IV международной студенческой конференции в МИИТе И мая 2006 года. Краеугольный камень стратегии нашего развития. Мир Транспорта №2, 2006, с. 3 6.

2. Дудченко Д.Н. Анализ процессов при импульсном регулировании возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока. М., Вестник МИИТа, 2008, вып. 18, с. 81 85.

3. Чаусов О.Г., Титов А.Г., Феоктистов В.П. Регулирование возбуждения тяговых электродвигателей постоянного тока при помощи тиристорных преобразователей. Электротехника №2, М.,1976.

4. Рябцев Г.Г. Методы и средства повышения качества функционирования систем управления режимами работы вагонов метрополитена. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М.: 1986.

5. Некрасов В.И. Комплексное исследование структуры, параметров и показателей функционирования импульсных регуляторов электровозов и электропоездов постоянного тока. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. Л.: 1980.

6. Вейцман Л.Ю. Исследование и анализ некоторых особенностей работы систем импульсного регулирования тяговых двигателей моторвагонного подвижного состава. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Л., 1967.

7. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973. - 304 с.

8. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М.: Энергия, 1974. - 256 с.

9. Тихменев Б.Н., Трахтман JI.M. Подвижной состав электрифицированных железных дорог: Теория работы электрооборудования; Электрические схемы и аппараты. М.: Транспорт. 1980. - 471 с.

10. Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока. В.Е. Розенфельд, В.В. Шевченко, В.А. Майбога, Г.П. Долаберидзе.- М.: Транспорт, 1970. 240 с.

11. Электропоезда постоянного тока с импульсными преобразователями. Я. Берзинып, JI.B. Бирзниекс, В.П. Данилов и др.; Под ред.В.Е. Розенфельда. М.: Транспорт, 1976. - 280 с.

12. Феоктистов В.П. Системы регулирования режимов работы электропоездов постоянного тока с импульсными преобразователями. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук, -М.: 1983.

13. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава. Ю.М. Иньков, H.A. Ротанов, В.П. Феоктистов, О.Г. Чаусов; Под. ред Ю.М. Инькова. -М.: Транспорт, 1982. 263 с.

14. Исаев И.П., Иньков Ю.М., Маричев М.А. Вероятностные методы расчёта полупроводниковых преобразователей. — М.: Энергоиздат, 1983.-96 с.

15. Ранькис И.Я. Оптимизация параметров тиристорных систем импульсного регулирования тягового электропривода. Рига: Зинатне, 1985.- 183 с.

16. Евстафьев A.M. Электронные системы ослабления возбуждения тяговых двигателей электроподвижного состава. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2005.

17. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учеб. для вузов.—М., 1992. — 544 с.

18. Петров Ю.П. Оптимальное управление электрическим приводом с учётом ограничений по нагреву. «Энергия» Ленинградское отделение 1971 г.-144 с.

19. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава. 1976 Транспорт М. 368 с.

20. Плакс A.B. Системы управления электрическим подвижным составом. Учебник для вузов ж. — д. транспорта. — М.: Маршрут, 2005. —360 с.

21. Дудченко Д.Н. Импульсное регулирование тока возбуждения тяговых электродвигателей на электроподвижном составе постоянного тока. Научно технический журнал «Электроника и электрооборудование транспорта» №2: Московская обл., п. Томилино, 2008, с. 9 - 12.

22. Петленко Б. И., Иньков Ю.М., Крашенинников A.B., Меркулов Р.В., Петленко А.Б. Электротехника и электроника. Учебник. 2-е изд., стер. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 320 с.

23. Жиц М.З. Переходные процессы в машинах постоянного тока. — М.: Энергия, 1974. — 112 с.

24. Розенфельда В.Е. М. и др., Электропоезда постоянного тока с импульсными преобразователями. «Транспорт», 1976, 280с.

25. Розенфельд В.Е., Шевченко В.В., Майбога В.А., Долаберидзе Г.П. Тиристорное управление электрическим подвижным составом постоянного тока. Изд-во «Транспорт», 1970 г., 1 — 240.

26. Гуткин Л. В., Дымант Ю. Н., Иванов И. А. Электропоезд ЭР200. — М., Транспорт, 1981 г. — 192 с.

27. Гаврилов Я. И., Мнацаканов В. А. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями. — М.: Транспорт, 1986. — 229 с.

28. Руководство по эксплуатации вагонов метрополитена моделей 81 -717.5 и 81-714.5 / Акционерное общество «Метровагонмаш». — М.: Транспорт, 1993. — 447 с.

29. Мнацаканов В.А. Надёжно и экономично регулировать тягу электропоездов. Локомотив №6, 2004, с. 22-23.

30. Раба Ф., Кир Л., Гончару к И. Электродинамический тормоз электровозов ЧС2т и ЧС200 (электронное оборудование) «Транспорт», 1978. 80 с.

31. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчёт электрооборудования подвижного состава городского электрического транспорта. Учебник для вузов. М., «Высш. Школа», 1976. 480 с.

32. ГОСТ 2582 — 81 Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия.

33. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. Изд. 1-е, доп. и перераб. М., «Энергия», 1965,232 с.

34. Находкин. М.Д., Василенко Г.В., Козорезов М.А., Лупкин Л.М. Проектирование тяговых электрических машин. Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М., «Транспорт», 1967, 536 с.

35. Тулупов В.Д. Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава. «Транспорт», 1976, 368 с.

36. Флора В.Д. Расчёт пульсаций тока двигателя при импульсном питании. — Сб. трудов ЛИИЖТа, вып. 277, 1968.

37. Карпов Ю. А. Метод учёта вихревых токов при расчёте переходных процессов. — Докл. науч. — техн. конф. Моск. Энерг. Ин — та поитогам науч. исслед. работа за 1966 — 1967 гг. Подсекция электр. Трансп. — М.: МЭИ, 1967, с. 43 — 51.

38. Безсмертный А. И. Определение добавочных пульсационных потерь в двигателях постоянного тока в импульсном режиме. — Электротехн. Пром—ть. Сер. Тяговое и подъёмно — транспортное электрооборудование, 1975, вып. 5 (38), с. 5 — 7.

39. Безсмертный А. И. Нагрев двигателей постоянного тока в импульсном режиме. — Электротехн. пром-сть. Сер. Тяговое и подъёмно-транспортное электрооборудование, 1978, вып. 6(60), с. 4 — 6.

40. Бирзниекс Л.Э., Клявинып И.Э. Расчёт переходного процесса автоматического пуска тяговых двигателей постоянного тока с тиристорными импульсными релуляторами. Учен. зап. Рижского политехи, ин-та. Электромеханика, 1967, вып. 6, с. 49 - 62.

41. Скобелев В.Е. Двигатели пульсирующего тока. Энергия, 1968.

42. Сим Зу СОВ. Расчёт систем импульсного регулирования поля тяговых двигателей последовательного возбуждения. Совершенствование электрооборудования электрического подвижного состава. Межвузовский сборник научных трудов. М. 1989.

43. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М., «Физматгиз», 1963, 968 стр.