Active traction converter with pulse-width modulation for AC electric locomotives with DC traction motors

ІНФОРМАЦІЙНО–КЕРУЮЧІ СИСТЕМИ НА ЗАЛІЗНИЧНОМУ ТРАНСПОРТІ УДК 629.423:621.314.5 КРАСНОВ О. О. (ПВІЗТ ПАТ «Укрзалізниця»), ЯГУП В. Г., д. т. н., професор (ХНУМГ імені О. М. Бекетова), БОЖКО В. В., к. т. н., с. н. с. (ПВІЗТ ПАТ «Укрзалізниця») Активний тяговий перетворювач з широтно-імпульсною модуляцією для електровоза змінного струму з колекторними тяговими двигунами З метою підвищення енергетичної ефективності електровозів змінного струму з колекторними тяговими двигунами розроблено силову схему і алгоритм управління активного тягового перетворювача з двозонним регулюванням напруги і широтно-імпульсною модуляцією. Результати комп’ютерного моделювання показали можливість підвищення коефіцієнта потужності електровоза 2ЕЛ5 з новим перетворювачем до 0,99 при несинусоїдальності струму в контактній мережі THDi до 13 %. Ключові слова: електровоз змінного струму, активний тяговий перетворювач, коефіцієнт потужності, широтно-імпульсна модуляція. Вступ Основу парку електровозів змінного струму залізниць України складають електровози з колекторними тяговими двигунами постійного струму і тяговими перетворювачами, побудованими на діодах або тиристорах. При діодних випрямлячах регулювання випрямленої напруги здійснюється ступінчатим способом за рахунок перемикання секцій вторинної обмотки трансформатора. Тиристорні перетворювачі забезпечують плавне зонно-фазове регулювання напруги з можливістю переведення електровоза в режим рекуперативного гальмування [1]. Разом з тим, найбільшим недоліком діодних або тиристорних схем є низький коефіцієнт потужності електровоза. У залежності від навантаження, конфігурації і параметрів системи тягового електропостачання, його величина в режимі тяги становить 0,65…0,85 [2] при рекомендованому значенні не менше 0,95 [3]. Коефіцієнт потужності електровоза з тиристорним перетворювачем в режимі рекуперації — 0,45…0,65 [4]. Наслідком цього є підвищене споживання реактивної потужності тяговим навантаженням. Основними причинами зниження коефіцієнта потужності є [3-5]: — високий реактивний опір системи електропостачання і тягового трансформатора електровоза, що обумовлює необхідність відкривання тиристорів з кутом затримки (9 ± 2)°; — генерація тяговими перетворювачами гармонік частотою 150…1000 Гц в результаті процесів комутації тиристорів;  О. О. Краснов, В. Г. Ягуп, В. В. Божко, 2018 — коливання напруги з частотою 750…1950 Гц на струмоприймачі електровоза в результаті перехідних процесів в системі «тягова мережа — електровоз»; — несинусоїдальна форма струму електровоза внаслідок індуктивного характеру навантаження та інших причин. Відомо, що серед усіх типів високовольтних перетворювачів найкращі енергетичні показники забезпечують активні перетворювачі на повністю керованих напівпровідникових приладах [6]. Тому задача дослідження режимів роботи такого перетворювача з тяговим двигуном постійного струму являє інтерес з теоретичної та практичної точки зору. Аналіз останніх досліджень та публікацій Серед значної кількості робіт, присвячених проблемі підвищення коефіцієнта потужності електровозів змінного струму, можна виділити кілька основних напрямків дослідження: 1) зменшення фазового зсуву між напругою та струмом електровоза шляхом підключення пасивного компенсатора реактивної потужності в коло вторинної обмотки тягового трансформатора. Такий компенсатор може бути дволанковим [3] або одноланковим [7]. У режимі роботи з компенсатором коефіцієнт потужності електровоза збільшується до 0,92, а в окремих випадках і до 0,97. При цьому дещо покращується форма напруги на струмоприймачі за рахунок зменшення 3-ї, 5-ї та 7-ї гармоніки; 2) удосконалення алгоритмів управління без принципової зміни силової схеми електровоза. Такими алгоритмами є одночасна комутація тиристорів [4] та різнофазне управління паралельно ввімкненими 11 ІКСЗТ, 2018 №4 ІНФОРМАЦІЙНО–КЕРУЮЧІ СИСТЕМИ НА ЗАЛІЗНИЧНОМУ ТРАНСПОРТІ перетворювачами із увімкненням у коло випрямленого струму діодного розрядного плеча [8]. Випробування модернізованого перетворювача на електровозі показали зменшення питомих витрат електроенергії на 7,6 %, а коефіцієнт потужності в номінальному режимі збільшився до 0,88 [9]; 3) застосування гібридного фільтра, в якому пасивний LC-фільтр забезпечує компенсацію реактивної потужності, компенсацію 3-ї гармоніки напруги, і частково 5-ї та 7-ї гармонік. Активний фільтр компенсує всі інші вищі гармоніки напруги. Відомо кілька варіантів таких фільтрів, в тому числі з плавним регулюванням реактивної потужності компенсатора [2]. За результатами досліджень, коефіцієнт потужності електровоза ВЛ85 при обладнанні гібридним фільтром збільшується до 0,996 в режимі тяги і до 0,985 в режимі рекуперації [3]; 4) останнім часом розвивається напрямок, пов’язаний з розробкою активних тягових перетворювачів. Алгоритмом управління IGBTтранзисторами може бути модифіковане зонно-фазове регулювання, запропоноване в [5, 8, 10] для електровозів ВЛ80Р і 2ЭС5К, або широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) при різних варіантах структур систем автоматичного управління. Випрямлячі з ШІМ [11-13] розглядають, в основному, як активні фільтри. Крім того, на їх базі можлива реалізація регуляторів випрямленої напруги, але цей напрямок, на наш погляд, сьогодні є дослідженим недостатньо. Мета і задачі дослідження Метою цього дослідження є підвищення енергетичної ефективності електровозів змінного струму з колекторними тяговими двигунами за рахунок використання в електроприводі активних тягових перетворювачів (АТПр). Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: — розробити силову схему активного тягового перетворювача з двозонним регулюванням випрямленої напруги і широтно-імпульсною модуляцією, а також алгоритм його управління; — провести дослідження електромагнітних процесів та оцінити за обраними критеріями енергетичну ефективність запропонованого тягового перетворювача; — визначити напрямки подальших досліджень активних тягових перетворювачів електровозів змінного струму. Схема і принцип роботи активного тягового перетворювача Враховуючи особливості роботи тягових електроприводів магістральних електровозів змінного струму з колекторними тяговими двигунами, можна сформулювати загальні задачі управління такими електроприводами: — реалізація заданої сили тяги та швидкості руху електровоза шляхом регулювання випрямленої напруги двигуна (режим тяги); — реалізація заданої гальмівної сили та швидкості руху електровоза шляхом регулювання та інвертування випрямленої напруги в контактну мережу (режим рекуперації). Виходячи з цього до тягового перетворювача електровоза змінного струму можна сформулювати ряд основних вимог: — можливість реалізації випрямного та інверторного режимів роботи; — по можливості одноступінчате перетворення електроенергії; — високі енергетичні показники при мінімальних втратах енергії в елементах перетворювача. Активний тяговий перетворювач пропонується розробити на базі двозонної схеми активного випрямляча струму з розрядним діодом. Схему такого перетворювача подано на рис. 1. Бу (...truncated)