Режими функціонування і структури енергоефективних типів тягових електроприводів рудникових контактних електровозів

Abstract

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача з розробки складових теорії аналізу та синтезу структур тягових електроприводів типу «IGBT-інвертор – асинхронний двигун» як багатомодульних систем, що дозво- лило підвищити енергоефективність електрифікованих видів транспорту. Згідно з розробленими критеріями оцінки ефективності тягових електро- приводів визначено оптимальний варіант – двофазний тяговий електропривод, що містить асинхронний двигун із короткозамкненим ротором, кожна з двох обмоток якого живляться від однофазного IGBT інверторного моста. В ході досліджень проаналізовані форми струмів і напруги при амплітудному й ШІМ регулюванні напруги двигуна. Рекомендована до реалізації фазна напруга дви- гуна за формою трапеції, що організовується за допомогою прямої ШІМ напру- ги, коефіцієнт використання напруги живлення якої на 10% вищий за синусоїд- ну криву. У результаті досліджень визначено, що двофазний тяговий асинхронний привод має переваги перед традиційним трифазним приводом за такими пара- метрами: менший об’єм перетворювача на 35%, втрати потужності в перетво- рювачі менші на 52%, надійність перетворювача вища на 33%, вартість компле- ктуючих перетворювача менша на 10%.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача по разра- ботке составляющих теории анализа и синтеза структур тяговых электроприво- дов типа «IGBT-инвертор – асинхронный двигатель» как многомодульных сис- тем, что позволило повысить энергоэффективность электрифицированных ви- дов транспорта. Для этого были проведены исследования по обоснованию и разработке методики расчета электрических нагрузок тяговых двигателей дву- осных (рудничных) электровозов. Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что предложенный вероятностно-статистический метод, в отличие от других известных методов оценки нагрузочных рейсовых диаграмм работы рудничных электровозов, позволяет установить реальные параметры распределения элек-18 трических нагрузок тяговых двигателей этих видов электровозов и рекоменду- ется для определения их мощности. Полученные уравнения, описывающие характеристики обобщенного асинхронного двигателя, позволили установить прямое соответствие обобщен- ных параметров трѐхфазной и двухфазной асинхронной машины. Проведенный анализ векторных диаграмм, диаграмм напряжения и тока асинхронного двига- теля с короткозамкнутым ротором при холостом ходе, под нагрузкой и в гене- раторном режиме, показал целесообразность применения двухфазных асин- хронных двигателей для тяговых приводов. В ходе исследований проанализированы формы токов и напряжений при амплитудном и ШИМ регулировании напряжения двигателя. Рекомендована к реализации трапецеидальная форма фазного напряжения двигателя, организуе- мая посредством прямой ШИМ напряжения, коэффициент использования пи- тающего напряжения которой на 10% выше синусоидной кривой. Анализ структур и параметров тяговых приводов: асинхронные двигатели – IGBT-преобразователь при трѐхфазной и двухфазном исполнении позволил произвести сравнительную оценку четырѐх вариантов, а именно: - трѐхфазный асинхронный двигатель, обмотки которого соединены звез- дой и питаются от трѐхфазного IGBТ инверторного моста; - трехфазный асинхронный двигатель, обмотки которого образуют разомк- нутый треугольник и питаются каждая от своего однофазного IGBТ инвертор- ного моста; - двухфазный асинхронный двигатель, обмотки которого питаются каждая от своего однофазного IGBТ инверторного моста; - двухфазный асинхронный двигатель, обмотки которого питаются каждая от своего блока преобразователя, состоящего из IGBТ ШИМ-формирователя синусоидальной огибающей импульсов напряжения и однофазного тиристорно- го моста – реверсора полярности напряжения. Установлено, что при одинаковой мощности потери в двигателях при двухфазном и трехфазном исполнении одинаковы. Сравнение вариантов структур преобразователей проведено по пяти пока- зателям: - относительные потери мощности; - относительный КПД; - относительный объем; - относительный показатель надежности; - относительная стоимость комплектующих. В итоге, двухфазный электропривод преобладает перед традиционным трѐхфазным в следующем: уменьшение объема преобразователя на 35%, уменьшение потерь мощности в преобразователе на 52%, увеличение надежно- сти преобразователя на 33%, уменьшение стоимости комплектующих преобра- зователя на 10%. Исследования на компьютерных моделях двухфазного тягового асин- хронного привода рудничного контактного электровоза с ШИМ напряжения 19 питания от контактной сети в пакетах Matlab-Simulink и PSIM позволили полу- чить следующие результаты: - проведенные компьютерные исследования электромагнитных процессов подтвердили ожидаемые результаты, полученные при аналитических исследо- ваниях; - законы управления ШИМ напряжения питания тяговых асинхронных двигателей влияют на гармонический состав первичных значений тока и на- пряжения. Наиболее оптимальным законом ШИМ следует считать трапецеи- дальный, поскольку его применение позволяет уменьшить содержимое высших гармоник и повысить энергоэффективность.

The Dissertation is devoted to the development of the components of the theory of analysis and synthesis of structures traction electric drives of type «IGBT inverter – asynchronous engine», as multimodule systems, which allowed to improve the energy efficiency of electrified transport modes. In accordance with developed criteria for assessing the effectiveness of traction electric drives optimum variant, - two-phase traction electric drive containing electric asynchronous engine with squirrel-cage rotor, each of the two windings of which are powered from a single-phase IGBT inverter bridge . In the course of research forms currents and voltage amplitude and PWM output voltage regulation were analyzed. It is recommended to implement trapezoidal phase voltage output that is organized through direct PWM voltage, which utilization coefficient of supply voltage is 10% higher than the sinusoidal curve. As a result, two-phase asynchronous traction drive has advantages over the tra- ditional three-phase one in the following: the volume of the converter is 35% less, power losses in the converter are 52% less, reliability is 33% higher, the cost of the converter's component is 10% less.