CC BY
35
УДК 629.423:621.314
В1С1Н М. Г., ЗАВАРИЛО Д. О. (ДНУЗТ)
Каф. «Електрорухомий склад зал1зниць», Днтропетровський нацюнальний университет зал1зничного транспорту ¡меш академка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, 49010 Днтропетровськ, Украша, тел.+38(063)446-77-38, ел. пошта [email protected]
АНАЛ13 СИЛОВИХ СХЕМ 3 ВИКОРИСТАННЯМ ВИСОКОЧАСТОТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ЖИВЛЕННЯ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВИХ ДВИГУН1В ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ
Вступ
Стр1мкий розвиток силових натвпровщнико-вих ключ ¡в та Mi кропроцссорно!' системи керуван-ня став виршальним у розвитку та у впровадженш тягового привода з асинхронними двигунами, яю мають значш переваги над колекторними [1].
Досвщ сксплуатацп електрорухомого складу на затзницях краш Заходу та Росшсько!' Феде-рацн показав, що доцшьним е створення бага-тосистемного рухомого складу, що визнано ще в середиш 80-х роюв спещальною Koviiciera м1жнародного союзу затзниць [2].
Постановка задач1 та мета
Головними компонентами тягового асинхронного привода, який мае тракт для живлення ВЩ MCpOK'i 3\iiиного струму являються тяговий трансформатор i перетворювач.
С у част тягов1 перетворювач! виконуються в основному на силових IGBT-транзисторах, яю витримують зворотну напругу величиною 6,5 кВ та прямий струм 400... 1200 А, що достатньо для того, щоб у плеч1 випрямляча (або шверто-ра) мати по одному елементу IGBT. Це означае, що ко м пактн iсть перетворювача майже досягнула CBoi' MC>i<i. Тому подалыпий розвиток наш-впровщникових прилад1в лише незначно може вплинути на зниження масогабаритних показ-ниюв електропривода в цшому. Тому зниження маси високовольтно! частини привода можливо досягнути за рахунок зниження маси трансформатора, осюльки вш вщноситься до таких компонент!в в систем! тягового привода яю мають високу вартють, велику масу i значний об'ем. До того ж трансформатор з його великою сконцентрованою масою являеться елеме-нтом силового електричного кола, можливосп суттевого вдосконалення якого за допомогою нових розробок при юнуючих технолог1ях Mi" шмальн1. Подальше шдвищення його компакт-ност1 викликало би зб1льшення втрат i вимагало би дуже потужних систем охолодження. Тому необхщно розробити принципово новим шдхщ для досягнення м1шмуму маси i об'ему транс© BiciH М. Г., Забарило Д. О., 2013
форматора при одночасному шдвшценш його коеф1щента корисно! дй'.
Анал1з способи зниження масогабаритних показниюв трансформатора
Для зниження масогабаритних по казни kí в трансформатора необх1дно вказати, яю елемен-ти його мають найбшыпу масу, а отже i об'ем. Maca трансформатора включае в себе:
1) маса «зал i за» (маса стал i магштопроводу);
2) маса мщ1 (маса обмоток);
3) маса трансформаторного масла;
4) маса баку i арматури.
Маса арматури, баку i масла залежить вщ об'ему активно! частини трансформатора, тоб-то вщ об'ему зал ¡за i м i л i - Яю в свою чергу за-лежать потужност1 трансформатора. Потуж-шеть визначаеться добутком струму i електро-pymiíÍHOÍ сили обмотки. Електрорушшна сила залежить в1д ¡ндукцп насичення магн1тного ма-Tepiany магн1топроводу, площ1 його поперечного nepepÍ3y, в1д частота напруги живлячо! мереж! i юлькосп витюв обмотки:
e = 4,44fbsw, (1)
дQ Е - електрорушшна сила, В;
/ - частота напруги живлячо! мереж i. Гц;
в - магштна шдукщя, Тл;
s - площа поперечного nepepÍ3y, м2;
w - юльюсть витюв.
Отже, для шдтримання nocTi иного значения електрорушшно! сили трансформатора разом Í3 зменшенням юлькост1 м i л i (w) i стал! (5") необхщно шдвищувати значения магштно! ¿ндук-Щ1 (В), тобто застосовувати матер1али з б1ль-шим значениям ¡ндукцп насичення, або (та) шдвищувати частоту вхщно! напруги (/).
Маса мщ1 залежить як вщ юлькост1 витюв обмотки, так i вщ площ1 поперечного nepepÍ3y витка, яка визначаеться щшьшетю струму:
sm=~, (2)
]
де Л'м - площа поперечного витка обмотки, м2; I - струм в обмотщ ,А; 7 - щшьшсть струму, А/мм2. 1з виразу (2) видно, що для зменшення пло-ыц поперечного перер1зу витка, а отже \ маси мцц при збереженш поелиного значения струму необхщно збшыпувати щшьшсть струму. Проте м збшыпенням щшьносп струму збшь-шуються втрати в мцц (збшыпуеться потуж-шсть розаювання):
pm = j2s2mr,
(3)
соко1 частота швсртором I. Дат напруга пода-еться на первинну обмотку трансформатора Т. Напруга вторинно! обмотки трансформатора випрямляеться випрямлячем В2, згладжуеться фшьтром Ф2 1 прикладаеться до входу автономного швертора А1, який живить тяговий асин-хронний двигун АТД.
В1
Ф1
I
т
В2 _ Ф2
AI
де Рм - втрати в \пдк Вт;
^ - активний ошр обмотки, Ом.
Збшыпення величини втрат в \пд1 викликае шдвищення температури обмотки, що призво-дить до попршення стану ¿золяцн, або II пош-кодженню. Для забезпечення нормально! робота (без перевищення допустимо! температури перегр1ву) з ростом щшьност1 струму необхщно штснсившшс вщводити тепло вщ обмотки. Одним ¿з способ! в охолодження обмотки при до-сить значшй щшьност1 струму (250 А/мм2) яв-ляеться застосування спещальних охолоджува-льних камер, наповнених рщким азотом, що використовуеться у надпровщних обмотках.
Отже, зменшення масо-габаритних показни-ив тягового трансформатора можливо реал1зу-вати наступними способами:
1) збшыпенням частота живлячо! напруги ;
2) застосуванням матер1ал1в з бшыною ¡нду-кщею насичення;
3) застосуванням надпровщних обмоток.
В раз1 поеднання декшькох способ! в трансформатор буде легшим \ меншим. Проте на практищ найбшыне розповсюдження отримав перший способ. Збшыпення частота живлячо! напруги трансформатора широко використовуеться в ¡мпульсних джерелах живлення [3,4]. Таю джерела мають вщносно низью масогаба-ритш показники, високий коефщент корисно! дп та вщносно низьку вартють.
Анал1з схем електрорухомого складу в застосуванням високочастотного трансформатора
Перил розробки силових електричних схем тягового привода з використанням високочастотного трансформатора були призначеш для застосування !х лише на електрорухомому склад! (ЕРС) змшного струму [5,6]. В загально-му вигляд1 функщональна схема мае вигляд, який зображено на рис. 1. Схема працюе таким чином: напруга мерою змшного струму випрямляеться випрямлячем В1, згладжуеться фшьтром Ф1 1 перетворюеться в змшну напругу ви-
Рис. 1. Функщональна схема живлення асинхронного двигуна ви мереж! змшного струму з використанням високочастотного трансформатора
Також в робот! [6] було запропоновано вар1ан-ти схем, яи використовують резонанеш явления. Таи схеми дозволяють знизити навантаження на-швпровщникових при лад ¡в за рахунок того, що !х комутащя вщбуваеться в момент, коли струм, який пропкае через вентиль, знижаегься до нуля. Проте практичне впровадження таких схем вимагае застосування шдуктивностсй 1 емностей резонансного контуру з досить жорстким обмеженням вщхи-лення !х заданих параметр! в [ симетричну схему трансформатора.
Изшше було запропоновано схему для бага-тосистемного ЕРС з пром1жним високочастот-ним трансформатором [7], яка представлена на рис.2. Така схема розрахована на живлення ЕРС як з тяговими двигунами (ТЕД) поел иного струму, так 1 з ТЕД змшного струму. В даному випадку викликае штерес розгляду схеми для живлення тшьки ТЕД змшного струму. Схема включае в себе випрямляч, швертор, трансформатор шдвищено! частота, керований випрямляч та ¡нвертор для живлення ТЕД змшного струму. Головним недолпчом тако! схеми е не-можливють рсалпацп рекуперативного гальму-вання ¡з-за поставленого на вход1 схеми випря-мляча та на виход1 високочастотного трансформатора керованого випрямляча.
Контактна мережа Випрямляч1 1нвертор 1 Високочастотний трансформатор
- j------------------
Керований
ВИПряМЛЯЧ
Тяговий дву Гун поспйного струму
Меретевий контур
Тяговий контур здвигунами ПОСТМНОГО струму
Тяговий контур э
двигунами змЫного струму
1нвертор 2 Тяговий двигун
ЭМ1НН0Г0 струму
Рис. 2. Функщональна схема перспективного бага-тосистемного електровоза
© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
Необидно в1д\птити. що керований випрям-ляч необхщний для регулювання випрямлено! напруги на колекторних ТЕД пульсуючого струму, а не для регулювання напруги на швертор! 2. Автономний швертор напруги (швертор 2) автоматично регулюе напругу 1 частоту для живлення асинхронних ТЕД в залежносп вщ швидкост! руху електровоза.
Кр1м того, недощльно подавати напругу тя-гово1 мсрсжл 3 кВ на ¡нвсртор 1. Сучасна еле-ментна база силових керованих нашвпровщни-ив дозволяе вщразу подавати напругу 3 кВ на автономний ¡нвсртор напруги (¡нвсртор 2).
Згодом на баз1 вище описано! схеми було створено нову схему багатосистемного електровоза з трансформатором шдвищено! частота (рис. 3) [8]. В цш схс\н замють випрямляч1в запропоновано використовувати чотирьохквад-рантш перетворювач! 4QS, що дае можливють реал!зацн рекуперативного гальмування. Кр1м того, в схем! запропоновано використання три-фазно! системи, що у пор1внянш з однофазною дозволить зменшити габаритну потужшсть трансформатор!в на 14,6 %.
Необхщно вщмптсти, що схема (див. рис. 3) була запропонована для живлення електровоза вщ мсрсжл зм1нного струму напруги 25 кВ, 50 Гц 1 для живлення вщ мсрсжл постшного струму таких напруг: 3 кВ, 6 кВ, 12 кВ, 24 кВ. Так як на даний час не юнуе силових нашвпровщникових елеменпв яю б змогли витримати напругу мсрсжл 24 кВ, то вона подаеться на мережевий випрям-ляч, а не на автономний ¡нвсртор напруги, що являеться недощльним у випадку живлення електровоза вщ мсрсжл постшного струму напруги 3 кВ. Нсдол1к полягае у тому, що живлення тяго-вий ¡нвсртор (Т1) отримуе не безпосередньо вщ контактно! мсрсжл постшного струму, а поперед-ньо проходить через таи елементи схеми (рис. 3): МВ, ФН, М1, ТВ). В результат! схема мае низький ККД та меншу над!йнють при живленш вщ мереж! постшного струму.
Кр1м того в робот! [8] автором не представлена схема перетворення постшно! напруги в змшну для живлення первинних трьох фаз трансформатора шдвищено!' частота, тобто М11, М12, М13 ! т. д. Також не представлено схему випрямляч!в трифазно! змшно! напруги в пос-тшну вщ вторинних обмоток трифазного трансформатора на ланку постшно! напруги
У випадку несправносп будь-якого з ¡нвсртор! в мережевого контуру М1 порушиться нормальна робота одного з трансформатор!в ТТПЧ ¡. в!дпов!дно, трьох тягових двигушв АТД. А у випадку несправносп одного з випрямляч1в
мережевого конуру MB не тримають живлення, в кшцевому випадку, Bei тягов! двигуни, тобто не передбачено авар¡йну схему.
Так як вихщна напруга на шверторах мере-жевих KOHTypiß MB при живленш ïx вщ мережл 25 кВ, 50 Гц i вщ 3 кВ (в першому випадку
С/мв =0,9-25000/6 = 3750 ß и^в =3000/6 = 500!
а в другому випа-
дку ~ В) неоднакова, то па-
раметри фшьтр1в ФН I мережевих контур1в М1 не узгоджуються 1 не забезпечують над¡йну роботу ЕРС. До того ж вщеутня шдуктившеть в якосп вхщного фшьтра м1ж контактною мережею 1 мережевим контуром МВ1, встановлення якого дозволить знизити псофометричний струм гармошк до прийнятного р1вня.
=11м ~Ыу
Рис. 3. Структура тягового перетворювача для режиму: 25 кВ »[¡иного та 3 кВ постшно го струму при 6 АТД з використаниям трифазного трансформатора шдвищено! частота (ТТПЧ) ПР - перемикач режи-м1в, MB - випрямляч мережевого контуру, ФН -фшьтр-накопичувач, Ml - швертор мережевого контуру, ТТПЧ - трифазний трансформатор шдвищено! частота, ТВ - випрямляч тягового контуру, АТД -асинхронний тяговий двигун
Для усунення вказаних недолшв запропоновано нову принципову схему двосистемного ЕРС.
Розробки
Розроблена функцюнальна схема ЕРС по-двшного живлення приведена на рис. 4а. Графой змши напруги на елементах тягового приводу представлено на рис. 46.
При живленш тягових двигушв вщ контактно! мережл змшного струму схема працюе наступним чином: напруга мережл 25 кВ, 50 Гц через стру-моприймач ХА1 i головний вимикач QF1 подаеться на вхщний перетворювач 4QS1, який ви-прямляе напругу до значения 3,75 кВ. Випрямле-на напруга згладжуегься LC фшьтром FLC i подаеться до високочастотного однофазного мостового швертора напруги перетворю 4QS2 в якому постшна напруга перетворюеться в зм1нну 3,4 кВ з частотою £>50 Гц. Дал1 напруга подаеться на первинну обмотку високочастотного трансформатора i з виходу вторинно! надходить до чо-
© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
тирьохквадрантного перетворювача 4QSЗ. В да-ному випадку перетворювач 4(^3 виконуе функ-Щ1 лише випрямляючо-шверторного перетворювача 1 не виконуе функцп ¡мпульсного випрямляючо-шверторного перетворювача. В 4QSЗ на-пруга випрямляеться до значения 3 к В [ подаегься до ланки постшно! напруги ОСЬ. В ланщ постшно! напруги напруга згладжуеться I прикладаеть-ся на вид автономного швертора напруги PWR. 3 виходу Р\¥Я до асинхронних двигушв М подаегься трифазна напруга, яка регулюегься частотою /= уаг.
При живленш тягових двигушв вщ контактно! мерою поел иного струму 3 кВ напруга через струмоприймач ХА2, швидкоддачий вими-кач (^2 I дросель Бг подаеться до ланки постшно! напруги ОСЬ 1 на вхщ автономного ш-вертора напруги Р\¥К, який живить асинхронш тягов! двигуни М.
На рис. 4а представлена функцюнальна схема лише одного тягового кола живлення асинхронного двигуна. Таку схему можливо застосу-вати як на ЕРС з трьохвюними, так 1 на ЕРС з двохвюними в1зками. Тобто на 4-х, 6-ти, 8-ми 1 т. д. вюних локомотивах.
Досвщ експлуатацн зал1зниць Росшсько! Федерацп показав, що оптимальним з точки зору потужност! (щодо електровоз1в) е ство-рення шестивюних електровоз1в [9]. Експлуа-тацшний доевщ затзниць також приходить до такого висновку. Тому дат будуть розглянут! схеми для шестивюного виконання ЕРС.
Електричш схеми електровоз1в на баз1 фун-кцюнально! схеми ( див. рис. 4а) з теоретично! точки зору при компонуванш елеменпв кожного тягового кола мгж собою мають безл1ч вар1а-нпв, що воображено в робот! [8]. Проте найб1-льшу в1дмшшсть з точки зору конструктивно! побудови та практично! значимосп мають на-ступш три вар ¡ант и схем:
1) ¿з застосуванням двох трифазних транс-форматор1в;
2) ¿з одним загальним однофазним шестио-бмоточним трансформатором;
3) з1 ппстьма окремими однофазними трансформаторами.
Нсдолпчи 1 переваги кожно! ¡з схем буде проанатзовано з точки зору надшносп 1 масо-габаритних показ никл в.
Головною перевагою схем з застосуванням трифазних трансформатор!в е виграш у масога-баритних показниках. При застосуванш трифа-зного трансформатора замють трьох однофаз-них трансформатор1в т1е! ж загально! потужност! питом! витрати активних матер1атв змен-
шаться на 19 %. В такому ж сшввщношенш зменшаться й втрати. До того ж, застосування трифазного мостового випрямляча в пор1внянш з трьома однофазними дозволить знизити клль-клеть силових елеменпв вдв1ч1 1 зменшити пульсащю вихщно! напруги майже в 12 раз. Проте трифазш схеми мають сво! недолши в практичному застосуванш.
Дат розглянуто переваги 1 недолши на приклад! функцюнальних схем. Для спрощення елементи схеми зображено в тяговому режим!.
Функцюнальна схема електровоза ¡з застосуванням трифазного високочастотного трансформатора приведена на рис. 5. Напруга вщ контактно! мережл зм1 иного струму на вход! розподшена м1ж двома послщовно з'еднаними перетворювачами В11 та В12. Кожен з перет-ворювач!в утворюе тягове коло для живлення трьох автономних !нвертор!в напруги А1Н ! тягових асинхронних двигушв М.
Принципова електрична схема одного тягового кола зображена на рис. 6. Напруга на вход! перетворювача В11 складае половину номша-льно! напруги контактно! мереж! змшного струму (так як В11 ! В12 з'еднаш послщовно) ! р1вна 25/2=12,5 кВ.
Для захисту обладнання силових електрич-них юл електровоз!в вщ атмосферних перенап-ружень застосовуються розрядники. Вони роз-раховуються на напругу перенапружень яка перевищуе в 2 рази максимальну напругу контактно! мережл. Тому вхщш перетворювач! по-винш короткочасно витримувати напругу 29*2=58 кВ. Оскшьки перетворювач! В11 ! В12 з'еднаш послщовно, то кожен з них повинен витримувати 58/2=29 кВ. Перетворювач! В11 ! В12 представляють собою мостов! кероваш ви-прямляч!, силов! ключ! УТ1...УТ4 (див. рис. 6) яких з'еднаш попарно послщовно. Так як два ключ! з'еднано послщовно, то кожен з них повинен витримувати напругу 29/2=14,5 кВ. Перетворювач! 1В1 ! 1В2 повинш витримувати напругу 29 кВ. Оскшьки, коли УТ5 вщкритий, а УТ6 закритий, то вся напруга на вход! 1В1 приклад аеться до УТ6.
Отже, в номшальному режим! силов! ключ! перетворювач!в В11 ! В12 повинн! витримувати напругу 7,25 кВ ! короткочасш перенапруження 14,5 кВ. Ключ! перетворювач!в 1В1 та 1В2 в номь нальному режим! повинн! витримувати напругу 14,5 кВ ! короткочасш перенапруження 29 кВ.
Силов! нап!впров!дников! ключ!, якл необ-хщш для комутацп вищевказаних напруг не ¡снують на тепершнш час.
© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
Отже, решпзащя схем з використанням три-фазних трансформатор!в при сучасшй елемент-шй баз1 неможлива. Тому пор1вняння 1х з точки зору масогабаритних показниюв не викликае защкав лешсть.
ЗкВ
а и о
m
м
BI1
IB1
ТВ1
В21
В12
IB1
ТВ2
В22
AIHI
А1Н2
Зш)
В£)
AIH3
AIH4 —( М4
AIH5 —( M 5
AIH6
={g)
ЗкВ
о щ
m
и
1 —
В11 IB1 В21 AIH1
1
В12 IB2 В22 АГН2
1
В13 IB3 В23 AIH3
1 1В
В14 IB4 В24 А1Н4
1
В15 1В5 В25 AIH5
I
BI6 IB6 В26 А1Н6
Зш)
HS)
Рис. 5. Функцюнальна схема з застосуванням трифа-зного мостового ¡нвсртора для живлення обмоток трифазного трансформатора живлення обмоток трифазного трансформатора
Функцюнальна схема ¡з застосуванням шес-тиобмоточного трансформатора представлена на рис. 7. В таюй схем1 застосовуеться один високочастотний про м ¡жни й трансформатор обмотки якого працюють синфазно.
Для реашзацп тако! схеми достатньо засто-сувати в перетворювачах силов1 елементи з ро-бочою напругою 6,5 кВ. Таю елементи юнують 1 широко застосовуються на електрорухомому склад1 з асинхронним приводом.
При виход1 з ладу одного з перетворювач1в в кол1 до трансформатора напруга на вах шести тягових двигунах знизиться на 1/6 «16,7% вщ номшально!. Вщповщно, сумарна потужшсть шестивюного електровоза буде р1вна потужно-сп п'яти двигушв.
Вщомо, що обертовий момент асинхронного двигуна пропорщйний квадрату напруги
М — и2, тод1, якщо номшальну напругу на вслх тягових двигунах прийняти за 100 %, тобто и = 1, то отримаемо:
М ~ и2 ~12 =1.
Тобто момент буду р1вний 100 % при ном1-нальн1й напруз1 100%.
При зниженш напруги на вах двигунах на 16,7 % загальний момент стане р1вним 0,832 =0,68 вщ загально! потужност1.
Потужшсть електровоза прямопропорщйна сум1 обертових момент ¡в тягових двигушв: Р ~У М
ел ТЕд '
Рис. 7. Функц1ональна схема ¡ ! застосуванням шес-тиобмоточного трансформатора
Тому при зниженш сумарного моменту тягових двигушв на 32 % потужшсть електровоза також знизиться на 32 %.
Отже, у раз1 виходу з ладу одного з перетво-рювач1в, який знаходиться в юш до трансформатора загальна потужн1сть електровоза знизиться на 32 %, 1 обертовий момент також на 32 %.
У раз1 виходу ¿з ладу одного з перетворюва-ч1в (В21... В26) в кол1 шеля трансформатора на вслх шести двигунах збережеться ном1нальне значения напруги, так як вел автономш ¡нверто-ри (А1Н1...А1Н5) включеш паралельно м1ж собою. Проте загальний струм в п'яти робочих перетворювачах збшыпиться на 16,7 %. В такому випадку загальна потужшсть електровоза знизиться на 16,7 %. А так як напруга на п'яти двигунах матиме номшальнс значения, то 1 загальний обертовий момент знизиться на 16,7 %, тобто буде становити 100 % - 16,7 % = 83,3 %, що на 15,3 % (83,3-86) бшыпе, шж у першому випадку виникнення аваршно!' ситуацп (в кол1 до трансформатора).
При виход1 з ладу трансформатора електро-воз буде повшетю у неробочому сташ, що яв-ляеться суттевим недол1ком.
Функц1ональна схема електровоза ¡з застосуванням шести однофазних трансформатор1в приведена на рис. 8. Така схема мае плеть окремих тягових юл для живлення ¿ндивщуа-льних двигун1в.
У раз1 виходу з ладу одного з перетворюва-ч1в в кол1 до чи теля трансформатора, або одного з трансформатор1в загальна потужшсть [ момент знизяться на 16,7 % якщо вщключити один двигун. Якщо не вщключати двигун, то загальш потужшсть 1 момент зменшаться не бшыпе шж на 10 %.
Отже, з точки зору надшност1 схема з шести однофазними трансформаторами мае перевагу над
© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
схемою з одним шестиобмоточним трансформатором, осилыси при будь якому аваршному випадку електровоз втратить 16,7 % потужносп 1 моменту.
3 кВ
Ei U О
m
BI1 IB1 TBI В21 AIH1
В12 [ В2 ТВ2 В22 AIH2
В13 IB3 ТВЗ В23 AIH3
В14 1В4 ТВ4 В24 AIH4
В15 IBS ТВ5 В25 А1Н5
BI6 IB6 ТВ6 В26 AIH6
нэ
=?М6)
G-S4
(4)
Тод1, питом1 витрати активних матер1ал1в g визначаються за наступним сшввщношенням:
_g__1_
g s i ' S4
(5)
= 4 = 1,
gl= I l4
J_
64
= 0,639.
Рис. 8. функцюнальна схема електровоза п застосу-ванням шести однофазних транс форматор1в
Розглянут1 дв1 нижче приведен! схеми (рис. 7, 8) конструктивно вщр1зняються лише трансформаторами. Тому, з точки зору масогабарит-них показниюв, розглянуто сшввщношення м1ж трансформаторами.
Як вщомо, з ростом потужносп трансформатора збшыпуеться його ККД, тобто зменшуються втрати. Зв'язок м1ж масою активних матер1ал1в в 1 потужнютю 8 маетаке сшввщношення [10]:
Якщо прийняти потужнють однофазного од-нообмоточного трансформатора^ за одну вщно-сну одиницю, то потужнють однообмоточного трансформатора буде р1вна шести вщносним одиницям, тобто = '. S6=6 Скориставшись вшце приведеною формулою отримаемо:
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Ротанов Н. А. Электроподвижной состав с тяговыми асинхронными двигателями / Н. А. Ротанов, А. С. Курбасов, Ю. Г. Быков, В. В. Литовченко. -М.: Транспорт, 1991. - 336 с.
2. Литовченко В. В. Современные многосистемные электровозы / В. В. Литовченко, О. Б. Баранцев // Локомотив. - 2000. - №9. - С. 45-46.
3. Готтлиб И. М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы /
Пор1внявши м i ж собою значения витрат двох трансформаторi в отримаемо:
g6 0,639
Отже, витрати активних матер1ал1в пистьох однофазних транс фор матор i в будуть приблизно на 56 % перевищувати витрати на один шести-обмоточний трансформатор.
3 точки зору ремонтопридатност1 схема Î3 ппстьма однофазними трансформаторами бшып випдна. так як у випадку пошкодження одного з т р а не ф о р м ато р i в його можливо зняти для усунення несправhoctî i зам ¡нити шшим. У випадку ж пошкодження одше! з обмоток шес-тиобмоточного трансформатора необхщно роз-бирати весь трансформатор для усунення не-справносп, що вимагатиме бшыпо! затрата часу та пращ.
Не дивлячись на OKpcvii недолши схеми з шестиобмоточним трансформаторам вона мае суттеву перевагу в масогабаритних показниках трансформатора i тому в подалыпому матиме бшып детальне достижения.
Висновки
В робот! проанал1зовано способи зниження масогабаритних иоказниктв трансформатора, ви-конано анал1з силових схем ЕРС Î3 застосуванням високочастотного трансформатора. Запропонова-но альтернативну схему силових кш двосистем-ного ЕРС з тяговим асинхронним приводом, що дозволить знизити масогабаритш показники тягового трансформатора, i вщповщно всього приводу. На вщмшу вщ рашше розроблених схем запропонована схема мае бшып високий коефщ-ент корисно! дп при живленш ЕРС вщ тягово! мсрсжл поелиного струму. KpiM того, запропонована схема мае бшып високий показник електро-магштно! сумюносп на вщм1ну вщ ¡снуючих еле-ктричних схем ЕРС, оскшыси в кот перетворення потужносп вщсутнш ¡мпульсний вщб1р енерп! вщ джерела живлення.
REFERENCES
1. Rotanov N. A. Kurbasov A. S., Bykov Yu. G., Li-tovchenko V. V. Elektropodvizhnoy sostav s tyagovymi asinkhronnymi dvigatelyami [Electric rolling stock with traction induction motors]. Moscow, Transport Publ., 1991.336 p.
2. Litovchenko V. V., Barantsev О. B. Sovremennye mnogosistemnye elektrovozy [Modern multi-system electric locomotives]. Lokomotiv - Locomotive, 2000, issue 9, pp. 45-46.
3. Gottlib I. M. Istochniki pitaniya. Invertory, konver-© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
И. М. Готтлиб. - М: Посмаркет, 2002. - 544 с.
4. Мэк Р. Импульсные источники питания, теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению / Р. Мэк. - Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2008. - 272 с.
5. М. Kunz. Тяговые преобразователи уменьшенной массы / Железные дороги мира. - 2000. - №8 С. 31-34.
6. Victor М. Преобразование энергии на электроподвижном составе переменного тока с помощью трансформатора повышенной частоты / М. Victor // Железные дороги мира. - 2006. - №6 - С. 49-53.
7. . Дубинец JT. В. Структурна схема перспективного електровоза подвшного живлення / JT. В. Дубинец, М. Г. Чшшн, А. М. Муха // Зб1рник наукових праць Дшпродзержинського державного техшчного ушверситету (техшчш науки): [тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Тео-р1я й практика»]. - Дншродзержинськ: ДДТУ. -2007. - С. 356-357.
8. Муха А. М. Розвиток наукових основ ство-рення тягових електропередач багатосистемних еле-ктровонв / А. М. Муха // Автореферат дисертацп на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук. Спещальшсть 05. 22.09 - Електротранспорт. Днш-ропетровськ -2011.-36с.
9. . Орлов Ю. А. Особенности схем и конструкций базового электровоза нового поколения / Ю. А. Орлов, В. П. Янов // Транспорт Российской Федерации. - 2008. - №1 (14). - С. 60-64.
10.. Тихомиров Г. М. Расчет трансформаторов: учеб. пособие для вузов / Г. М. Тихомиров. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.
Надшшла до друку 10.04.2013.
Ключов1 слова: високочастотний трансформатор, електрорухомий склад, силова схема, трифазний трансформатор, автономний ¡нвертор напруги, тяго-вий асинхронний двигун.
tory, lineynye i impulsnye stabilizatory [Power sources. Inverters, converters linear and switching regulators]. Moscow, PosmarketPubl., 2002. 544 p.
4. Mek R. Impulsnye istochniki pitaniya, teoretiches-kie osnovy proektirovaniya i rukovodstvo po praktich-eskomu primeneniyu [Switching power supply, theory designing and guide for practical use]. Izdatelskiy dom «Do-deka-XXI» Publ., 2008. 272 p.
5. M. Kunz. Tyagovye preobrazovateli umenshennoy massy [Reduced weight traction converters]. Zheleznye dorogi mira - Railways of the World, 2000. - issue 9, pp. 31-34.
6. Victor M. Preobrazovanie energii na el-ektropodvizhnom sostave peremennogo toka s pomoshchyu transformatora povyshennoy chastity [Energy transformation for electric rolling AC with high frequency transformer], Zheleznye dorogi mira - Railways of the World, 2006. - issue 6, pp. 49-53.
7. Dubynets L. V., Chilikin M. H, Mukha A. M. Strukturna skhema perspektyvnoho elektrovoza podviinoho zhyvlennia [Structural circuit for the prospective dual power supply electric locomotive]. Zbirnyk naukovykh prats Dniprodzerzhynskoho derzhavnoho tekhnichnoho univer-sytetu (tekhnichni nauky): [tematychnyi vypusk «Problemy avtomatyzovanoho elektropryvoda. Teoriia y praktyka»] -Dniprodzerzhynsk: DDTU. -2007. - S. 356-357.
8. Mukha A. M. Rozvytok naukovykh osnov stvoren-nia tiahovykh elektroperedach bahatosystemnykh el-ektrovoziv [The development of scientific bases of creation tractive electric drive for multisystem electric locomotive]. Avtoreferat dysertatsii na zdobuttia naukovoho stupenia doktora tekhnichnykh nauk. Spetsialnist 05. 22.09 - El-ektrotransport - Abstract of the thesis for obtaining of academic degree of Doctor of Technical Sciences. Speciality 05.22.09 - Electric transport, Dnipropetrovsk, 2011. 36 p.
9. Orlov Yu. A., Yanov V. P. Osobennosti skhem i konstruktsiy bazovogo elektrovoza novogo pokoleniya [Specifics of circuits and construction of basic electric locomotive of new generation]. Transport Rossiyskoy Fed-eratsii - Transport of the Russian Federation, 2008, issue 1 (14), pp. 12-14.
10. Tikhomirov G. M. Raschet transformatorov: ucheb. posobie dlya vuzov [Calculation of transformers: a manual for high schools study guide]. Energoatomizdat Publ., 1986. 528 p.
Статтю рекомендовано до друку д.т.н., професоромМ В. Панасенком
Перспективним напрямком в обласп зал1зничного транспорту являеться розвиток \ впровадження бага-тосистемного електрорухомого складу на якому застосовано тяговий асинхронний привод. Тяговий привод являеться основною системою перетворення потужносп на рухомому склад1 \ включае в себе трансформатор, перетворювач \ двигун. Тяговий трансформатор являеться найбшьш гром1здким елементом привода \ мае значну масу \ об'ем. Тому знижуючи його масогабаритш показники можливо отримати бтьш компакт-ний \ економнний привод в цшому.
Одним ¡з способт суттевого зниження масогабаритних показниюв тягового трансформатора являеться пщвищення його робочоТ частоти. Для реал1заци цього необхщно розробити спец1альш схеми для живлення високочастотного трансформатора. 1снуюч1 схемотехшчш ршення не дозволяють в значнш м1р1 спрос-тити схеми, а також, в деяких випадках, мають низький коефщгёнт корисноТ дм. Тому необхщно розробити схему силових кш електрорухомого складу, яка матиме високий ККД, просту реал1зац1ю з точки зору схе-мотехшки та надшну в експлуатаци.
В робот1 виконано анал1з ¡снуючих схем багатосистемного електрорухомого складу, яю використовують високочастотний трансформатор та розроблено новий вар1ант схеми.
Запропонований авторами новий вар1ант схеми двосистемного електрорухомого складу з тяговим асин-хронним приводом дозволить знизити масогабаритш показник трансформатора, пщвищити ККД ЕРС при живленш вщ мереж1 постшного струму 3 кВ \ пщвищити надшшсть в аваршних режимах роботи. Кр1м того, в запропонованш схем1 вщсутнш ¡мпульсне вщбирання енерги вщ тяговоТ мереж1, що пщвищуе ртень еле-ктромап-нтноТ сумюносп ЕРС з пристроями автоматики.
© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
УДК 629.423:621.314
ВИСИН Н. Г., ЗАВАРИЛО Д. А. (ДНУЖТ)
Кафедра Электроподвижной состав железных дорог, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, 49010 Днепропетровск, Украина, тел.+38(063) 446-77-38, эл. почта [email protected]
АНАЛИЗ СИЛОВЫХ СХЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ПИТАНИЯ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Перспективным направлением в области железнодорожного транспорта является развитие и внедрение многосистемного электроподвижного состава на котором применен тяговый асинхронный привод. Тяговый привод является основной системой преобразования мощности на подвижном составе и включает в себе трансформатор, преобразователь и двигатель. Тяговый трансформатор является наиболее громоздким элементом привода и имеет значительную массу и объем. Поэтому снижая его массогабаритные показатели возможно получить более компактный и экономичный привод в целом.
Одним из способов существенного снижения массогабаритных показателей тягового трансформатора является повышение его рабочей частоты. Для реализации этого способа не обходимо разработать специальные схемы для питания высокочастотного трансформатора. Существующие схемотехнические решения не позволяют в значительной степени упростить схемы, а также, в некоторых случаях, имеют низкий коэффициент полезного действия. Поэтому необходимо разработать схему силовых цепей электроподвижного состава, которая будет иметь высокий КПД, простую реализацию с точки зрения схемотехники и надежную в эксплуатации.
В работе выполнено анализ существующих схем многосистемного электроподвижного состава, которые используют высокочастотный трансформатор и разработано новый вариант схемы.
Предложенный авторами новый вариант схемы двухсистемного электроподвижного состава с тяговым асинхронным приводом позволит снизить массогабаритные показатели трансформатора, повысить КПД ЭПС при питании от тяговой сети постоянного тока 3 кВ и повысить надежность в аварийных режимах работы. Кроме того, в предложенной схеме отсутствует импульсный отбор энергии от тяговой сети, что повышает уровень электромагнитной совместимости ЭПС с устройствами автоматики.
Ключевые слова: высокочастотный трансформатор, электроподвижной состав, силовая схема, трехфазный трансформатор, автономный инвертор напряжения, тяговый асинхронный двигатель.
Статью рекомендовано к печати д.т.н, профессором Н. В. Пансенком UDC 629.423:621.314 VISIN N. G., ZABARILO D. A. (DNURT)
Department Electric rolling stock of railways, Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after V. Lazaryan, Lazaryana street 2, 49010 Dnipropetrovsk, Ukraine, tel. : + 38(056)373-15-04, e-mail [email protected]
THE ANALYSIS OF POWER CIRCUITS USING A HIGH-POWER TRANSFORMER FOR THE FEEDING OF INDUCTION TRACTION MOTORS OF ELECTRIC ROLLING STOCK
The perspective direction in the field of railway transport is the development and implementation of multisystem electric rolling stock which used asynchronous traction drive. Traction drive is the main power conversion system for rolling stock and includes transformers, converters and motor. Traction Transformer is the most cumbersome part of the drive and has great weight and volume. Therefore, reducing its weight and dimension parameters can obtain a more compact and economical drive in general.
One way to significantly reduce weight and size parameters of traction transformer is increasing its operating frequency. To achieve this it is necessary to develop special circuits for feeding high-frequency transformer. Existing circuit engineering solutions do not allow greatly simplified scheme and, in some cases, have low efficiency. It is therefore necessary to develop a circuit of power circuits electric rolling stock which will have high efficiency, easy realization in terms of circuitry and reliable in operation.
In this work analyzed the existing circuits of multisystem electric rolling stock which use high-frequency transformer and developed a new version of the circuit.
Authors proposed a new version of the circuit of dual-system electric rolling stock with asynchronous traction drive will reduce the weight and size of transformer parameter, increase efficiency of electric rolling stock in direct current power supply 3 kV and increase reliability in emergency modes. Besides in the proposed circuit is missing sampling pulse energy from power network that increases the level of electromagnetic compatibility of electric rolling stock with automation devices.
Keywords: high-frequency transformer, electric rolling stock, power circuit, three-phase transformer, self-excited voltage inverter, traction induction motor.
Prof. M. V. Panasenko, D. Sc. (Tech.) recommended this article to be published.
© BiciH M. Г., Забарило Д. О., 2013
