CC BY
60
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ
УДК 621.771.23.016.01
Д. О. ЗАБАРИЛО1*
1 Каф. «Електрорухомий склад з^зниць», Дтпропетровський нацюнальний ушверситет з^зничного транспорту iMeHi академша В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпропетровськ, Укра!на, 49010, тел. +38 (063) 446 77 38, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-6206-0012
ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСТОТИ ВИСОКОЧАСТОТНО? ЛАНКИ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНО? СХЕМИ ЕЛЕКТРОРУХОМОГО СКЛАДУ
Мета. Загальна протяжнiсть електрифшованих дiлянок залiзниць Укра!ни розподiлена приблизно навпiл м1ж дiлянками постiйного та змшного струмiв. Для проходження мюць стикування рiзних род1в струму без зупинки по!зда застосовуеться двосистемний електрорухомий склад. Тому перспективним для залiзниць Укра!ни е впровадження саме такого рухомого складу ново! концепци, тобто, з використанням асинхронного тягового привода. О^м ряду переваг iснуе вагомий недолiк рухомого складу подiбно! концепцц, який полягае в iмпульсному ввдбиранш енерги з джерела живлення, що може вплинути на надiйнiсть роботи колшних пристро!в автоматики, а, отже, i на безпеку руху поддав. Крiм того, питома потужнiсть тягового трансформатора значно поступаеться питомш потужностi iнших елементiв тягового кола. Для усунення таких недолiкiв були запропонованi перспективнi схеми iз застосуванням пром1жно! ланки щдвищено! частоти. Ланка складаеться iз трансформатора та ^ертора. Першочерговою задачею для впровадження перспективних схем являеться визначення робочо! частоти високочастотно! ланки. Методика. Для визначення максимально! робочо! частоти комутаци транзисторiв в роботi використовуеться методика розрахунку теплових параметрiв для нашвпроввдникових приладiв. Для отримання аналiтичного виразу криво! залежносп енергi!, яка видiляегься при комутаци IGBT (insulated-gate bipolar transistor) ввд струму його навантаження, застосовуеться метод апроксимаци криво!. Результата. Встановлено, що допустима частота високочастотно! ланки ви-значаеться струмом навантаження пром1жного трансформатора. Визначено даапазон робочих частот ланки в залежносп вiд струмiв навантаження. Для заданого дiапазону струмiв виконано порiвняльний аналiз комута-цшних характеристик IGBT 65 класу виробництва компанiй Infineon та ABB. Наукова новизна. Отримав подальший розвиток метод визначення максимально! робочо! частоти пром1жно! ланки в схемi з використанням пром1жного трансформатора пiдвищено! частоти. Практична значимкть. Визначений дiапазон робочих частот високочастотно! ланки дозволить розвинути подальшi дослiдження роботи силово! схеми з застосуванням трансформатора щдвищено! частоти електрорухомого складу подвiйного живлення з асинхронним тяговим приводом, що зробить можливим оцiниги ефективнiсть впровадження схем подiбно! конфiгурацi!.
Ключовi слова: асинхронний тяговий двигун; електрорухомий склад подвшного живлення; трансформатор пвдвищено! частоти; ланка пiдвищено! частоти; IGBT; автономний швертор напруги
Вступ
Зал1зниц1 Украши електрифшоваш дшянка-ми постшного i змшного струму та роздшеш пунктами стикування. Для проходження таких пунктов без зупинки поiздiв застосовуеться двосистемний електрорухомий склад (ЕРС),
використання якого дозволяе знизити кiлькiсть iнвентарного парку локомотивiв та шдвищити пропускну спроможнiсть залiзниць.
Станом на початок 2014 року швентарний парк електрорухомого складу подвшного живлення складае 61 одиницю. З них 49 одиниць -електровози сери ВЛ82М, як практично повш-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
стю вичерпали св1и ресурс 1 вимагають зам1ни на електрорухомиИ склад нового поколшня.
ЕРС нового поколшня характеризуются використанням асинхронних тягових двигушв, яю мають низку переваг вщносно колекторних двигушв постшного та пульсуючого струму.
Структура високовольтно! частини привода визначае Иого ККД, масо-габаритш показники, надшшсть та р1вень впливу на сушжш системи. В загальному вигляд1 структура силово! схеми ЕРС подвшного живлення нового поколшня зо-бражена на рис. 1 [11]. Працюе схема таким чином. При живлент вщ мереж змшного струму 25 кВ, 50 Гц напруга знижуеться головним трансформатором ГТ, дал випрямляеться, тд-вищуеться { стабшзуеться чотириквадрантним перетворювачем ПЧ, згладжуеться у ланщ по-стшно! напруги ЛПН та подаеться на автономний 1нвертор напруги А1Н, якиИ живить тяговиИ аси-нхронниИ двигун АТД. При живлент вщ мереж постшного струму 3 кВ напруга подаеться безпо-середньо до ланки поспИно! напруги ЛПН.
25 кВ, 50 Гц _3 кВ
17" у"'
АТД
ГТ
ПЧ _ЛПН_А1НЗ§)
□
Рис. 1. Структура силово! схеми ЕРС подвшного живлення з асинхронним тяговим приводом
Fig. 1. Power circuit structure of doubly-fed ERS asynchronous traction drive
Головним недолшом схем под1бно! конф1гу-рацп е ¡мпульсний в1дб1р енерги з вторинно! обмотки трансформатора чотириквадрантним перетворювачем шляхом короткочасного замикан-ня обмотки для пщвищення напруги ЛПН [3]. Тага замикання створюють 1мпульси струму з т-ковими значеннями, як передаються, в остаточному пщсумку, в рейков1 кола i можуть виклика-ти збш в роботi колiйних пристро!в автоматики, в результат чого знижаеться безпека руху по!з-дiв. Крiм того, питома вага тягового трансформатора значно поступаеться питомiй вазi перетво-рювача, а традицiйнi методи ii зниження (засто-сування електротехнiчних сталей шших марок) не дають суттевого виграшу, тому потрiбно за-стосовувати альтернативы способи полiпшення масогабаритних показниюв трансформатора.
Для усунення вказаних недолтв були запро-поноваш конфпурацп схем [2, 3, 12, 13], в яких використовуеться пром1жниИ трансформатор пщвищено! частоти, що дозволить покращити масогабаритш показники тягового трансформатора та усунути 1мпульсниИ вщб1р енерги.
Загальну структуру функщонально! схеми запропоновано! конфпурацп зображено на рис. 2. Схема працюе таким чином. При живлеш вщ мереж1 змшного струму 25 кВ, 50 Гц напруга випрямляеться вхщним випрямлячем В1, пере-творюеться в змшну напругу пщвищено! частоти швертором I, перетворюеться трансформатором пщвищено! частоти ТПЧ до потр1бного р1вня, випрямляеться випрямлячем В2, згладжуеться фшьтром в ланщ постшно! напруги ЛПН та подаеться на вхщ автономного шверто-ра напруги А1Н, якиИ живить асинхронниИ тяговиИ двигун АТД. При живлеш вщ мереж постшного струму 3 кВ напруга подаеться до ланки постшно!' напруги ЛПН.
Рис. 2. Функциональна схема ЕРС подвшного живлення з використанням трансформатора шдвищено! частоти
Fig. 2. Doubly-fed ERS functional diagram using a high frequency transformer
В режимi рекуперацп випрямлячi В1 та В2 працюють як швертори, а швертор I працюе випрямлячем.
З точки зору конфпурацп дану структуру схеми силових кш можна використовувати для ЕРС з будь-якою кiлькiсть осей [1], а з точки зору потужност - як для електропоiздiв, так i для електровозiв.
Силова електрична схема запропоновано! конфпурацп для одного тягового плеча представлена на рис. 3.
Мета
Одним з головних завдань, яю потрiбно ви-рiшити для впровадження схеми з застосуван-ням трансформатора пiдвищеноi частоти, е виз-начення робочо! частоти блока швертора.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Рис. 3. Силова схема ЕРС подвшного живлення з використанням трансформатора пвдвищено! частоти:
QS1, QS7 - випрямлячц FLC1, DCL1 - фшьтри; BI1 - блок швертора, який складаеться з швертора та трансформатора тдвищено! частоти; QT1 - гальмшний чопер; PWR1 - автономний iнвертор напруги; M1 - асинхронний тяговий двигун;
Dr - вх1дний дросель
Fig. 3. Doubly-fed ERS power circuit of using high frequency transformer
Методика
Блок швертора складаеться iз трансформатора тдвищено! частоти та швертора, який його живить.
Допустима робоча частота трансформатора визначаеться, головним чином, магштними та електричними властивостями матерiалу магш-топроводу. Пщвищення частоти призводить до зростання на^ву сердечника, що зумовлено, з одного боку, дiею вихрових струмiв, а з шшо-го - зменшенням площi поверхнi охолодження (внаслщок зменшення габаритiв трансформатора). Тому для зменшення температури на^ву необхщно знижати вихровi струми в сердечнику. Для цього потрiбно застосовувати магшто-м'якi матерiали з питомим опором бшьшим, нiж у електротехшчних сталях.
Останнiм часом широке розповсюдження отримали аморфнi сплави - це сплави, яю ма-ють випадкову (некристалiчну) структуру. До складу сплаву входять двi групи елементiв: перехщш метали (Бе, Со, ...) й так зваш амор-фоутворюючi елементи (В, С, 81, ...). Аморфна структура сплаву виходить тшьки при визначе-нiй швидкостi його охолодження - сотш й ти-сячi градусiв за секунду.
Для силового трансформаторобудування ра-цiональним е застосування аморфних сплавiв на основi залiза. Такi сплави мають iндукцiю насичення 1,5-1,6 Тл.
Найбiльш потужною кра!ною-виробником аморфних сплавiв е США, яю в цiй кра!ш нази-ваються Metglas. Серед велико! номенклатури аморфних сплавiв вигiдно вiдрiзняеться сплав марки 2 605 НВ1М [6], який мае бшьш низью пи-
томi втрати (0,083 Вт/кг при В = 1,3 Тл, 1 = 50 Гц) та бшьш високу iндукцiю насичення (1,63 Тл) порiвняно з аналогами.
На ЕРС змшного струму, який експлуату-еться на залiзницях Укра!ни, використовуються тяговi трансформатори, магнiтопроводи яких виконано з електротехшчно! сталi марок 3 414 i 3 407 товщиною листа 0,30 мм та 0,35 мм вщ-повiдно. Щд час замiни магнiтопроводiв з електротехшчно! сталi вказаних марок на аморфний сплав марки 2 605 НВ1М можна знизити втрати холостого ходу в 8,5. 10,6 разу [2]. Тому вико-ристання аморфного сплаву марки 2 605 НВ1М дозволить знизити температуру на^ву сердечника трансформатора тдвищено! частоти. Таю сердечники ^ вщповщно, трансформатори мо-жуть працювати на частотах до 100 кГц [6].
Порiвняння питомих втрат в електротехнiчнiй сталi та аморфному сплавi наведено в табл. 1.
Допустима робоча частота швертора обме-жуеться комутацiйними властивостями силових ключiв. Сучаснi силовi кероваш нашвпровщ-никовi ключi велико! потужносп працюють на частотах до десятюв кiлогерц, а !х допустима робоча частота обмежуеться, головним чином, тепловими параметрами.
Для надшно! роботи схеми (рис. 3) необхщно в перетворювачах застосовувати при-лади не нижче 65 класу [1]. На сьогодш такими приладами е ЮВТ. Тому при визначеному клас ЮВТ допустима частота високочастотно! ланки залежить вiд струму навантаження, який визначаеться допустимими втратами потужносп.
Загальнi втрати потужносп в ЮВТ Р ви-значаються тепловими параметрами приладу та складаються iз таких складових:
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Порiвняння питомих втрат в електротехшчнш craii та аморфному см. i;iiii
Comparison of specific losses in electrical steel and amorphous alloys
Таблиця 1
Table 1
Марка стал1, сплаву 3 414 3 407 2 605 HB1M
Питом1 втрати, Вт/кг 0,878 0,737 0,083
Вщношення питомих втрат в стал1 до аморфного сплаву 10,6 8,5 -
P = P
cond
Pw + P
УпР
Pc
(1)
де Pcond - втрати потужносп у провщному (вщ-критому) сташ, Вт; Psw - втрати потужносп при комутаци, Вт; р,пр - втрати потужносп на упра-
влшня приладом, Вт; Рзс - втрати потужносп, спричинеш пропканням зворотного струму, Вт. Втрати потужносп Рупр та Рзс мають
вщносно низью значення, тому ними можна знехтувати, що не вплине на точшсть при роз-рахунках. Тодк
P = Pc
cond
Pw
(2)
Втрати потужносп у провщному станi Pcond в IGBT при синусощальнш Ш1М для двор!вж-вого А1Н визначаються за формулою [10]:
Pcond = 0,5
( I I2 ^ U -2 + г —
и CEO т CE . V п 4 /
(
+m cos ф
U -2.-
CEO
г2 Л
3п
(3)
d
(4)
де Id - ддаче значення струму навантаження трансформатора пщвищено! частоти, А.
Втрати потужносп при комутаци визначаються за виразом [5, 10]:
P = f
sw J sw
a bi ci2 ^
UD
Un
(5)
де fsw - частота комутаци, Гц; a, b, c, -коефщенти полшому, який апроксимуе залежнiсть енергii втрат при комутаци IGBT вщ струму колектора (рис. 5);
— т, --- т. = 25"С = 125°С
;
/ :
/
.У
де UCEO - порогова напруга IGBT у вщкритому станi, В (рис. 4); rCE - динамiчний опiр IGBT у вщкритому сташ, Ом; m - коефiцiент моду-ляцii; cos ф - коефiцiент потужностi трансформатора пщвищено! частоти; Im - амплгтудне значення струму навантаження трансформатора пщвищено! частоти:
Im =V2Id
0,0 1,0 2.0 3,0 4,0 5,0 6,0 VraM
Рис. 4. Залежшсть падшня напруги на транзистор! вщ струму колектора IGBT типу FZ750R65KE3 компани Infineon
Fig. 4. Dependence of the lost volts on the transistor from IGBT collector current, type FZ750R65KE3, Infineon company
UDC - напруга ланки постшного струму, В; Unom - значення напруги, при якому визначають-ся параметри вмикання та вимикання IGBT, В.
допустим! значення повних втрат визначаються за формулою [9].
Повш втрати потужносп P визначаються за формулою:
P =
max
T - T
} a
R,
(6)
thja
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
де Tj - максимально допустима температура нагр1ву нашвпровщникового кристалу; Ta -температура навколишнього середовища, °С. Rthja - тепловий отр кристал - середовище
охолодження, Вт/°С.
- 1 1 1 1 Vcc = 3600 V ±15 V Rq«i - 2.7 ohm Ra,i(= 15 ohm CqE - 220 n F T„=125°C L„= 280 nH
/
>
/
/
JV
/
у
........
750 1000 ЫА]
Рис. 5. Залежнiсть енергп комутацп вiд струму колектора за iмпульс для IGBT типу 5SNA0750G650300 фiрми ABB
Fig. 5. Dependence of switching energy per pulse collector current for IGBT type 5SNA0750G650300, the ABB firm
Тепловий отр Rthja складових (рис. 6): R = R
thja thjc
' Rthch + Rthha , (7)
де Rthjc - тепловий отр кристал - корпус, Вт/°С;
thjc
Rthch - тепловий оп1р корпус - охолоджувач, Вт/°С; Rt^hha - тепловий отр охолоджувач - охо-лоджувальне середовище, Вт/°С;
Rthjc Rthch Rthha
Pv
Tj unction Tease Theatsink Tambient
Рис. 6. Теплова схема замщення Fig. 6 Thermal equivalent circuit Значення величин Rth]c та Rthch наводяться у паспортних даних на прилад, а Rthha - на охо-лоджувач. Doi 10.15802/stp2014/30448
Загальн1 втрати потужност1 P не повинн1 перевищувати допустимих втрат Pmax , тому !х значення можна прир1вняти:
T - Ta
P
cond
P =■
sw
Rt
(8)
thja
З урахуванням вираз1в (2), (3), (5)... (8) до-пустиму частоту комутацп IGBT можна визна-чити за формулою (9).
Серед багатьох свггових виробниюв натв-пров1дникових прилад1в лише окрем1 виробни-ки виготовляють IGBT 65 класу, тому для по-дальших розрахунк1в обрано IGBT виробницт-ва компан1й Infineon та ABB [7, 8]. До табл. 2 зведет значення максимально! частоти залеж-но вiд струму навантаження та типу IGBT. На рис. 8, 9 наведет графши залежност частоти вщ струму для IGBT компани Infineon та ABB вiдповiдно.
складаеться з таких
Рис. 8. Графши залежносп частоти вiд струму для IGBT компани Infineon
Fig. 8. Frequency-versus-current for IGBT, company Infineon
Рис. 9. Графши залежносп частоти вiд струму для IGBT компани ABB
Fig. 9. Frequency-versus-current for IGBT, company ABB
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2014, № 5 (53)
T - T
} a
f =
J sw
V Rthjc
R
-thch
-R
'thha
f f J j2 >
0,5I UCEO + rc^-^2
v V n 4 J
- m cos ф
f I J2
u CEO о T 'CE -,
. 8 3n .
V JVJ
Un
a bi ci2 л — +— + —
V2 П 4 J
Значення максимальних частот вiд CTpyMiB для IGBT The value of maximum frequency of the currents for IGBT
U
(9)
DC
Таблиця 2 Table 2
Виробники IGBT
Струм навантаження обмотки Infineon ABB
Номшальний (паспортний) струм навантаження IGBT, А
трансформатора, А 250 400 500 600 750 400 500 750
Максимально допустима частота IGBT, Гц
200 1 491 2 410 2 487 2 882 2 804 2 661 1 857 1 973
250 1 076 1 857 1 970 2 326 2 330 2 037 1 530 1 705
300 - 1 491 1 622 1 977 1 987 1 582 1 269 1 477
350 - 1 201 1 327 1 649 1 704 1 208 1 053 1 282
400 - 971 1 100 1 391 1 494 932 871 1 121
450 - - 920 1 194 1 267 - 719 973
500 - - 759 1 008 1 094 - 586 841
550 - - - 864 955 - - 734
600 - - - 736 826 - - 629
Як видно з табл. 2, IGBT компани Infineon за частотними параметрами переважають IGBT компани АВВ для всього розглянутого д1апа-зону струм1в навантаження (200... 600 А). Та-кож з та-блищ видно, що для досягнення максимально! частоти комутаци IGBT при струм1 навантаження трансформатора 200 А потр1бно використовувати прилад з номшальним пас-портним струмом навантаження 600 А, для решти величин струму, розглянутого д1апазону, - 750 А.
Результати
Встановлено, що допустима частота високо-частотно! ланки в схем! з використанням про-м!жного трансформатора визначасться струмом його навантаження. Визначено д!апазон робо-чих частот для високочастотно! ланки.
Наукова новизна та практична значимкть
Набув подальшого розвитку метод визна-чення максимально! робочо! частоти високочастотно! ланки для схеми з використанням трансформатора пщвищено! частоти, що дозволить визначити д!апазон робочих частот ланки залежно вщ потужност! навантаження та типу нашвпровщникового приладу.
Висновки
1. Частота високочастотно! ланки в схем! з використанням трансформатора пщвищено! частоти визначасться струмом навантаження трансформатора.
2. За комутацшними властивостями в д!апа-зош струм!в навантаження 200... 600 А IGBT 65 класу компани Infineon значно випереджають IGBT такого ж класу компани АВВ.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
3. Максимально допустима частота комута-ци IGBT при струм1 навантаження 200 А стано-вить 2 882 Гц, при 600 А - 826 Гц.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7. Характеристики IGBT виробництва компанп ABB [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://www05.abb.com/global/scot/scot256.nsf/ver itydisplay/bfeb34b019a8d50383257ca700384dff/$ file/5sna%200750g650300_5sya%201600-03%2001-2014.pdf. - Назва з екрана. - Перевь
Вiсiн, М. Г Аналiз силових схем з використан-ням високочастотного трансформатора для живлення асинхронних тягових двигушв елек-трорухомого складу / М. Г. Вкш, Д. О. Забари-ло // Електрифiкацiя трансп. - 2013. - № 5. -С. 25-32.
Вюш, М. Г. Шестивюний магiстральний ван-тажний електровоз подвiйного живлення iз за-стосуванням трансформатора з високочастот-ною розв'язкою та асинхронними тяговими двигунами / М. Г. Вiсiн, Д. О. Забарило // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад.
B. Лазаряна. - Д., 2011. - Вип. 36. - С. 64-69. Забарило, Д. О. Перспективи застосування аморфних сплавiв для тягового рухомого складу / Д. О. Забарило // Локомотив-информ. -2014. - № 7 (97). - С. 44-47.
Муха, А. М. Розвиток наукових основ створен-ня тягових електропередач багатосистемних електровозiв : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05. 22. 09 / Муха Андрш Миколайович ; Дншропетр. нац. ун-т залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Д., 2011. - 36 с.
Остренко, В. С. Определение максимального допустимого значения частоты коммутации модуля ЮБТ / В. С. Остренко // Електро-техшка та електроенергетика. - 2012. - № 2. -
C. 28-33.
Параметри аморфного сплаву марки 2605НБ1М [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.metglas.com/assets/pdf/msds/msds260 5sa1.pdf. - Назва з екрана. - Перевiрено : 02.06.2014.
рено : 02.06.2014.
8. Характеристики IGBT виробництва компанп Infineon [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.infineon.com/cms/en/product/power/ igbt/igbt-module/igbt-module-4500v-6500v/ channel.html?channel=ff80808112ab681d0112ab6 9f8450396. - Назва з екрана. - Перев1рено : 02.06.2014.
9. Чебовский, О. Г. Силовые полупроводниковые приборы : справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1985. -400 с.
10. Applying IGBT [Електронний ресурс] / Bjorn Backlund, Raffael Schenell, Ulrich Schlapbach, Roland Fisher, Evgeny Tsyplakov / ABB Semiconductors. - Режим доступу: http://www05abb.com свободный. - Назва з екрана. - Перевiрено : 02.06.2014.
11. Comparison of multi-system traction converters for high-power locomotives / M. M. Bakran, H.-G. Eckel, P. Eckert et al. // 35th Annal IEEE Power Electronics Specialists Conference (20.0625.06.2004). - Aachen, 2004. - Vol. 1. -P. 697-703. doi: 10.1109/PESC.2004.1355833.
12. Kunz, M. Entvicklung einer massearmen Energie-versongung für elektrische Triebfahrzeuge / M. Kunz, F. Hörl, Th. Klockw // ZED+DET Glass Ann. 123. - 1999. - № 11/12. - P. 423-426.
13. Victor, M. Energieumwandlung aut AC-Triebfa-rzeugen mit Mittle frequen ztansformator / M. Victor // Elekrtische Bahnen 103. - 2005. - № 11. -P. 505-510.
Д. А. ЗАБАРИЛО1*
1 Каф. «Электроподвижной состав железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (063) 446 77 38, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-6206-0012
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЗВЕНА ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Цель. Общая протяженность электрифицированных участков железных дорог Украины распределена приблизительно в равных долях между участками постоянного и переменного токов. Для прохождения мест стыкования разных родов тока без остановки поезда применяется двухсистемный электроподвижной состав. Поэтому перспективным для железных дорог Украины является внедрение именно такого подвижного состава новой концепции, то есть с применением асинхронного тягового привода. Помимо ряда преимуществ существует весомый недостаток у подвижного состава подобной концепции, который заключается в им-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ
пульсном отборе энергии от источника питания, что может повлиять на надежность работы путевых устройств автоматики, а, следовательно, и на безопасность движения поездов. Кроме того, удельная мощность тягового трансформатора значительно уступает удельной мощности других элементов тяговой цепи. Для устранения таких недостатков были предложены перспективные схемы с применением промежуточного звена повышенной частоты, которое состоит из трансформатора и инвертора. Первоочередной задачей для дальнейшего внедрения перспективной схемы является определение рабочей частоты высокочастотного звена. Методика. Для определения максимальной рабочей частоты коммутации транзисторов в работе используется методика расчета тепловых параметров полупроводниковых приборов. Для получения аналитических выражений кривых зависимости энергии, выделяемой при коммутации IGBT (insulated-gate bipolar transistor) от тока его нагрузки, применяется метод аппроксимации. Результаты. Установлено, что допустимая частота высокочастотного звена определяется током нагрузки промежуточного трансформатора. Определен диапазон рабочих частот звена в зависимости от токов нагрузки. Выполнен сравнительный анализ коммутационных характеристик IGBT 65 класса производства компаний Infineon и ABB. Научная новизна. Получил дальнейшее развитие метод определения максимальной рабочей частоты промежуточного звена в схеме с использованием промежуточного трансформатора повышенной частоты. Практическая значимость. Установленный диапазон рабочих частот высокочастотного звена позволит развить дальнейшие исследования работы силовой схемы с применением трансформатора повышенной частоты электроподвижного состава двойного питания с асинхронным тяговым приводом, что сделает возможным оценить эффективность внедрения схем подобной конфигурации.
Ключевые слова: асинхронный тяговый двигатель; электроподвижной состав двойного питания; трансформатор повышенной частоты; IGBT; автономный инвертор напряжения; высокочастотное звено
D. O. ZABARYLO1*
1 Dep. «Electric Rolling Stock of Railways», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6206-0012
FREQUENCY DETERMINATION OF HIGH-FREQUENCY LINK FOR PERCPECTIVE ELECTRIC ROLLING STOCK
Purpose. Total mileage of Ukrainian electric railways is distributed approximately equally between the areas of direct and alternating current. A double system of electric rolling stock is used to pass jointing places of different current kinds without train's stop. Therefore introduction of such rolling stock of a new concept that is using an asynchronous traction drive is prospective for Ukrainian railways. Apart from advantages a rolling stock of similar concept has significant disadvantages, it is pulse energy consumption from the power supply, and it can affect the reliability of track automatic devices, and consequently, the train traffic safety. In addition the specific power of traction transformer is considerably inferior to the power density of other traction elements. The promising schemes using an intermediary link of increased frequency, which consist of a transformer and inverter, have been proposed for disadvantages amendments. The main task for the further introduction of prospective circuit is to determine the operating frequency for high frequency link. Methodology. The method of thermal parameters calculation of semiconductor devices has been used for determination switching transistors of maximum operating frequency. To obtain analytical expressions curves of energy, released during the IGBT (insulated-gate bipolar transistor) switching from its current load approximation method is used. Findings. The permissible frequency of low-frequency link is determinated by load current of intermediate transformer. Operating frequency range of a link depending on load current has been determined. A comparative analysis of the switching characteristics of 65 class IGBT production by companies Infineon and ABB has been performed. Originality. The further determination method of the maximum operating frequency of intermediate link for circuit with high-frequency transformer has been developed. Practical value. The established operating frequency range of the high-level link will develop further research of tractive circuit with high-frequency transformer use for double feed electric rolling stock with asynchronous tractive drive. It will evaluate the introduction effectiveness of similar configuration circuits.
Keywords: asynchronous tractive motor; double feed electric rolling stock; high-frequency transformer; IGBT; autonomous voltage inverter; high frequency link
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
REFERENCES
1. Visin M.H., Zabarylo D.O. Analiz sylovykh skhem z vykorystanniam vysokochastotnoho transformatora dlia zhyvlennia asynkhronnykh tiahovykh dvyhuniv elektrorukhomoho skladu [Analysis of power circuits using a high-frequency transformer for feed of asynchronous traction motors of electric rolling stock]. Elektryfi-katsiia transportu - Electrification of transport, 2013, no. 5, pp. 25-32.
2. Visin M.H., Zabarylo D.O. Shestyvisnyi mahistralnyi vantazhnyi elektrovoz podviinoho zhyvlennia iz zasto-suvanniam transformatora z vysokochastotnoiu rozviazkoiu ta asynkhronnymy tiahovymy dvyhunamy [The six-axel mainline freight electric locomotive of double feed using the transformer with high-frequency junction and asynchronous tractive motors]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zal-iznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2011, issue 36, pp. 132-136.
3. Zabarylo D.O. Perspektyvy zastosuvannia amorfnykh splaviv dlia tiahovoho rukhomoho skladu [Prospects of amorphous alloys application for traction rolling stock]. Lokomotiv-inform - Locomotive-inform, 2014, no. 7 (97), pp. 44-47.
4. Mukha A.M. Rozvytok naukovykh osnov stvorennia tiahovykh elektroperedach bahatosystemnykh elektrovoziv. Avtoreferat Diss. [The development of scientific bases of tractive electric drive creation for multisystem electric locomotives. Author's abstract]. Dnipropetrovsk, 2011. 36 p.
5. Ostrenko V.S. Opredeleniye maksimalnogo dopustimogo znacheniya chastoty kommutatsii modulya IGBT [Determination of the maximum permissible value of the switching frequency of IGBT module]. Elektro-tekhnika ta elektroenerhetyka - Electrical Engineering and Power Industry, 2012, no. 2, pp. 28-33.
6. Parametry amorfnoho splavu marky 2605HB1M (Parameters of amorphous alloy of brand 2605HB1M). Available at: http://www.metglas.com/assets/pdf/msds/msds2605sa1.pdf (Accessed 02 June 2014).
7. Kharakterystyky IGBT vyrobnytstva kompanii ABB (IGBT specifications manufactured by ABB). Available at: http://www05.abb.com/global/scot/scot256.nsf/veritydisplay/bfeb34b019a8d50383257ca700384dff/Sfile/ 5sna%200750g650300_5sya%201600-03%2001-2014.pdf (Accessed 02 June 2014).
8. Kharakterystyky IGBT vyrobnytstva kompanii Infineon (IGBT specifications manufactured by Infineon). Available at: http://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/igbt-module/igbt-module-4500v-6500v/ channel.html?channel=ff80808112ab681d0112ab69f8450396 (Accessed 02 June 2014).
9. Chebovskiy O.G., Moiseyev L.G., Nedoshivin R.P. Silovyye poluprovodnikovyye pribory [Power semiconductor devices]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985. 400 p.
10. Backlund B., Schenell R., Schlapbach U., Fisher R., Tsyplakov E. Applying IGBT. ABB. Semiconductors. Available at: http://www05 abb (Accessed 02 June 2014).
11. Bakran M.M., Eckel H.-G., Eckert P., Gamach H., Wenkemann U. Comparison of multi-system traction converters for high-power locomotives. 35th Annal IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen, 2004, pp. 697-703. doi: 10.1109/PESC.2004.1355833.
12. Kunz M., Hörl F., Klockw Th. Entvicklung einer massearmen Energieversongung für elektrische Triebfahrzeuge. ZED+DET Glass Ann. 123, 1999, no. 11/12, pp. 423-426.
13. Victor M. Energieumwandlung aut AC-Triebfarzeugen mit Mittle frequen ztansformator. Elekrtische Bahnen 103, 2005, no. 11, pp. 505-510.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. Г. К. Гетьманом (Украта); д.т.н.,
проф. Ф. П. Шкрабцем (Украта)
Надшшла до редколегп: 20.06.2014
Прийнята до друку: 14.09.2014
