КОМПЬЮТЕРНЫЙ ИМИТАЦИОННЫЙ МОДЕЛЬ 4Q-S ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СЕРИИ «O’ZBEKISTON»

АННОТАЦИЯ

Цель: Создать компьютерной имитационной модель 4q-s преобразователей электровоза переменного тока серии «O’zbekiston» с различными алгоритмами управления, силовыми ключами, в режимах тяги и рекуперативного торможения. Для изучения энергетической эффективности алгоритмов управления в пакете «Matlab Simulink» создана имитационная модель тягового электропривода электровоза переменного тока серии «O’zbekiston» с входными 4q-s преобразователями. В ходе моделирования электромагнитных процессов в 4q-s преобразователях электровоза серии «O’zbekiston» произведен Фурье-анализ, определены коэффициенты гармонических искажений входного тока и напряжения. Полученные результаты моделирования свидетельствуют о том, что компьютерная имитационная модель позволяет исследовать с достаточной степенью достоверности электромагнитные процессы в силовых цепях электровозов серии «O’zbekiston». Компьютерная модель дает возможность воспроизводить электромагнитные процессы, близкие к реальным, протекающим в преобразователях и тяговом приводе электровоза переменного тока серии «O’zbekiston» в режимах тяги и рекуперативного торможения.

ABSTRACT

Target: To create a computer simulation model of 4q-s converters for an AC electric locomotive of the O’zbekiston series with various power switch control algorithms, in traction and regenerative braking modes. Methods: To study the energy efficiency of control algorithms in the "Matlab + Simulink" package, a simulation model of the traction electric drive of the O'zbekiston AC electric locomotive with input 4q-s converters was created. Results: In the course of modeling electromagnetic processes in 4q-s converters of the electric locomotive of the “O’zbekiston” series, a Fourier analysis was performed, and the coefficients of harmonic distortion of the input current and voltage were determined. Practical significance: The obtained simulation results indicate that the computer simulation model allows you to investigate with a sufficient degree of reliability electromagnetic processes in the power circuits of electric locomotives of the O’zbekiston series. The computer model makes it possible to reproduce electromagnetic processes close to real, occurring in the converters and traction drive of the O'zbekiston AC electric locomotive in traction and regenerative braking modes.

Ключевые слова: Четырехквадрантный преобразователь, моделирование, электровоз, переменный ток, тяговый трансформатор.

Keywords: Four-quadrant converter, modeling, electric locomotive, alternating current, traction transformer.

Запросы современного общества в Республики Узбекитан увеличились в последние годы. Учитывая во внимание, что это требование становится все более выраженным в удовлетворении, необходимо, чтобы общественный транспорт также соответствовал этим требованиям. Обеспечение заданного графика движения железнодорожного транспорта при нормальной эксплуатации является важном фактором, однако управленческие обязанности диспетчера не позволят этого если в электроподвижном составе возникнут неисправности и технические проблемы, то в системе создаётся неблагоприятные условия, которые противоречат нормальному графику движения. В среднеазиатской железной дороге поезда дальнего следования приводятся в движение однофазной линией переменного тока 25 кВ частотой 50 Гц.  Традиционно в тяговый привод подводится з однофазный переменный ток а его преобразует в постоянной ток преобразователь 4q-s и с постоянного тока в трехфазный переменный автономный инвертор напряжения. В прошлом звена постоянного тока получали через диодные выпрямители, генерирующие линейные токи с большим гармоническим искажением и низким коэффициентом мощности. Чтобы уменьшить эти проблемы, в настоящее время преобразователи переменно-постоянного тока основаны на четырехквадрантных преобразователях (4QS).

Концепция четырехквадрантного преобразователя использовалась с основной целью уменьшить помехи между током гармоники, генерируемые выпрямителем и контактной сетью. Из-за высокой мощности, требуемой электровозу, 4QS был одно из решений, способных эффективно снизить гармонику тока и создать почти синусоидальный линейный ток. Чтобы поезда шли по графику, исследования и методы повышения надежности общедоступных транспортных услуг становятся актуальными и таким образом, основополагающими для оператора [6].

Решение актуальной проблемы повышения энергоэффективности железнодорожного транспорта неразрывно связано с повышением энергоэффективности ЭПС. Важным шагом в этом направлении является создание компьютерной имитационной модели, позволяющей воспроизводить электромагнитные процессы в преобразователях и электрической тяге, а также выполнять функции обработки, соответствующие результатам моделирования, полученным в реальных условиях. Использование преобразователей с различными алгоритмами управления в режиме тяги и рекуперативного торможения в ЭПС [1].

Шестиосные электровозы переменного тока серии «Ўзбекистон» (Рисунок 1) спроектированы с учетом последних тенденций в области электровозостроения. К особенностям электровозов относятся: применение асинхронного тягового электропривода, тяговых преобразователей GTO тиристорах, смешанное регулирование тягового и тормозного усилия, микропроцессорная система управления.

Каждые две группы тяговых силовых цепей электровоза (Рисунок 2) состоят из преобразователя 4q-s, обеспечивающего высокую энергоэффективность электровоза, и автономного инвертора напряжения (АИН), осуществляющего гибридное регулирование асинхронных тяговых двигателей (АТД) [1].

Рисунок. 1. Электровоз «O’zbekiston»

Главный преобразователь состоит из: главного преобразовательный шкафа, камеры предварительного заряда, автоматического выключателя, конденсаторов вставки постоянного тока в промежуточном звене, постоянного разрядного элемента, резонансного конденсатора, защитного модуля, регистрационного дефекто-заземлителя, резонансного реактора, изолятора. Произведен компанией SIEMENS AG [1].

Рисунок. 2. Силовой цеп электровоза серии «O’zbekiston»
Компьютерная имитационная модель преобразователя 4q-s электровоза серии «O’zbekiston»

Комплексная имитационная модель, реализованная в приложении Simulink пакетa Matlab, включает подсистему тяговой подстанции, контактную сеть, силовая цепь электровоза с преобразователями 4q-s (Рисунок 3) [2].

Рисунок 3. Компьютерная модель силовой цепи электровоза серии «Узбекистон»

Модель подстанции состоит из трехфазных модулей напряжения 110 кВ, линия электроснабжения, понижающий трансформатор - на выходе развивает линейное напряжение 27,5 кВ.

В модели контактная сеть представлена ​​упрощенной схемой замещения, состоит из последовательно соединенного резистора и катушки индуктивности. Параметры контактной сети соответствуют середине зоны подачи по нахождению электровоза в 20 км от зоны подстанции принимающий двухстороннее питание. Схемная модель электровоза содержит модуль тягового трансформатора, преобразователь 4q-s, емкостной фильтр промежуточной цепи DC, модуля нагрузки [4]. Чтобы видеть эффекты мощности и основные факторы, связанные с алгоритмами управления ключей преобразователь 4q-s, с точки зрения содержания гармоник тока тягового сети и работа тяги в широком диапазоне изменения нагрузки преобразователя и АТД в модуль нагрузки упрощены источниками тока. Модель преобразователя 4q-s содержит четыре модуля GTO (Рисунок 4) с обратными диодами по мостовой схеме (Рисунок 5) [7]. Для управления модуля GTO выбран управляемый ключевой элемент в библиотеке «Simulink» типовой модуль «GTO» [3].

Скорость переключения также делают проблему электромагнитной совместимости более заметной. Как система преобразователя большой мощности, тяговый преобразователь менее чувствителен к магнитным шумам, поэтому противоречие в основном отражается во внешних электромагнитных помехах преобразователя. Синфазный электромагнитный подавление помеха и электромагнитной совместимость систем тяговых преобразователей делает систему управления сложным. Функция четырехквадрантного преобразователя состоит в стабилизации постоянного напряжения, повышения коэффициента мощности на стороне сети и уменьшения гармонического тока.

Рисунок. 4. Внешний вид GTO модуля

Реализовать двусторонний поток электроэнергии, то есть получить энергию со стороны сети в условиях тяги, и коэффициент мощности на стороне входа близок к максимальному КПД и в условиях торможения подводимая энергии в сеть и входной коэффициент мощности близки к КПД-1. Скорость переключателей четырехквадрантного преобразователя (частота) составляет 250 Гц, и при низких частотах переключения получить лучшую форму кривой тока труднее, поскольку  в контроле постоянного тока именно система управления имеет преимущества быстрого динамического отклика и хорошей стабильности, в  длительный период регулирования сложно увеличить ширину токовый контура. Регулировка амплитуды и фазы также называется косвенным регулированием тока. Хотя при этом более медленный отклик по току, эффект регулирования зависит от параметров GTO модуля. Однако он может гарантировать целостность неидеального волнового течения. Неидеальные факторы в реальной цепи и в процессе настройки системы будут создавать постоянную составляющую входного тока. Наличие составляющей постоянного тока вызовет смещение постоянного тока трансформатора, вызовет звуковой шум, электромагнитные помехи и увеличит потери в сердечнике. Искажение тока может даже повлиять на нормальную работу преобразователей на других вторичных обмотках и в тяжелых случаях повредить оборудование. Электричество при управлении потоком устранение составляющей постоянного тока также является проблемой, которую необходимо полностью учитывать [6].

Для анализа гармонических составляющих тока и напряжения на входе тягового трансформатора компьютерная модель снабжена модулем анализа Фурье, измеряющим среднеквадратичное значение входной переменной, величины основной и высших гармонических составляющих и   среднеквадратичное значение суммы гармонических составляющих [5].

Рисунок. 5. Общая схема цепи управления и преобразователя 4q-s с GTO тиристорах

Заключение

Для электровозов переменного тока серии «Узбекистон» разработана комплексная имитационная модель преобразователя 4q-s с системой стабилизации режима нагрузки, позволяющая исследовать электромагнитные процессы в силовой цепи.

Сдвиг фаз между синхронизирующими сигналами, используемыми для управления силовыми ключами преобразователей 4q-s, действует параллельно в течение интервала времени, равного половине периода питающего напряжения, обеспечивая минимальные искажения тока и напряжения относительно количества преобразователей, синусоида на входе тягового трансформатора электровоза. Компьютерные модель воспроизводят электромагнитный процесс близкие к реальным, происходящие в преобразователях и тяговых приводах электровозов переменного тока «Ўзбекистон» в режимах тяги и рекуперативного торможения.

Список литературы:

1. Викулов И. П. Сравнительный анализ технических характерик электровозов серий «O’Z-ELR» и «O’zbekiston» / И. П. Викулов, Т. М. Назирхонов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2019. – Т. 16. Вып. 1. – С. 68–76.
2. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учебное пособие / С. Г. Герман-Галкин., // – СПб.: Корона 2001- 320 с.
3. Дьяконов, В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. / В. П. Дьяконов. // М.: СОЛОН-Пресс 2005. – 800с. (Серия «Библиотека профессионала»).
4. Назирхонов Т. М. Компьютерная модель тягового трансформатора электровоза переменного тока серии «O’Z-ELR» / Назирхонов Т. М., А. Я. Якушев // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2020. – Т. 17. – №. 3. – С. 416-427.
5. Назирхонов Т. М. Анализ спектрального состава входного тока и напряжения 4q-s преобразователя электровоза переменного тока серии «O’Z-ELR» с использованием компьютерной имитационной модели / Т.М. Назирхонов, А.Я. Якушев, И.П. Викулов // Бюллетень результатов научных исследований. – 2020. – №. 3. – С. 41-63.
6. Плакс, А. В. Системы управления электрическим подвижным составом / М.: Маршрут, 2005 – 224 с.
7. Якушев А. Я. Определение основных параметров асинхронного тягового электродвигателя / А. Я. Якушев, Т.М. Назирхонов, И.П. Викулов, К.В. Марков // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2019. – Т. 16. – Вып. 4. – С. 592–601.