Экспериментальный стенд для исследования процессов работы тиристорного и транзисторного выпрямительно-инверторных преобразователей электровоза переменного тока в режиме тяги на первой зоне регулирования

На сегодняшний день проблема повышения энергетических показателей электровозов переменного тока является актуальной. Так, на современных отечественных электровозах с тиристорными выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) коэффициент мощности в режиме тяги при номинальной нагрузке не превышает 0,84. На базе таких преобразователей созданы электровозы переменного тока серий ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, ЭП1М, ВЛ80ТК и 2(3)ЭС5К (Ермак) [1–3]. Все они имеют одинаковую основополагающую силовую схему, которая на сегодняшний день с точки зрения энергосбережения не отвечает современным требованиям. Ранее учеными ИрГУПС была предложена разработка ВИП на IGBT-транзисторах, обеспечивающего высокие значения коэффициента мощности [4, 5].

Описание экспериментального стенда

В данной статье описывается стенд для имитации работы ВИП электровоза в режиме тяги на первой зоне регулирования. Интерес к первой зоне заключается в том, что электромагнитные процессы на ней несколько отличаются от процессов в

ВИП на высших зонах. На рис. 1 представлена функциональная схема экспериментального стенда ВИП электровоза в режиме тяги на тиристорах и IGBT-транзисторах.

В качестве нагрузки используется колёсномоторный блок (КМБ) с тяговым двигателем НБ-514, который позволяет наиболее адекватно исследовать электромагнитные процессы работы тиристорного и транзисторного ВИП.

Стенд позволяет исследовать различные режимы работы ВИП и алгоритмы их управления, производить замеры значений коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощностей, переменного напряжения и тока сети, выпрямленного напряжения и тока нагрузки, производить построение необходимых зависимостей. С целью упрощения конструкции стенда и системы его управления предполагается имитация трех зон регулирования вместо четырех зон, которые имеются на реальном электровозе. Разница между этими вариантами состоит лишь в масштабе амплитуды напряжения на каждой зоне. В то же время в схеме каждой зоны сохраняется вся физическая суть электромагнитных процессов, присутствующих на реальном электровозе. Повышение

Рис. 1. Функциональная схема экспериментального стенда ВИП электровоза в режиме тяги на тиристорах и IGBT-транзисторах

напряжения при переходе на высшие зоны осуществляется последовательным подключением друг за другом необходимого количества вторичных обмоток тягового трансформатора. На рис. 2 представлена электрическая принципиальная силовая схема экспериментального стенда ВИП электровоза в режиме тяги на тиристорах и IGBT-транзисторах.

Как видно из рис. 1, стенд включает в себя две различные схемы ВИП, выбор которых осуществляется с помощью пакетного переключателя SB1. Каждое плечо тиристорного ВИП содержит один тиристор типа Т153-630-20.

Технические характеристики тиристоров Т153-630-20, используемых в экспериментальном стенде, представлены в табл. 1.

Плечи транзисторного ВИП состоят из IGBT-транзисторов типа СМ1000НА-24Н, технические характеристики которых представлены в табл. 2.

В каждом плече транзисторного ВИП транзистор СМ1000НА-24Н включен последовательно с диодом типа Д253-1600-22, основные технические характеристики которого представлены в табл. 3.

На рис. 1 и 2 содержатся следующие элементы: X1 – клеммная рейка, предназначенная для подключения напряжения сети к стенду; VS1–VS8 – плечи штатного ВИП на тиристорах; VT1–VT6, VD1–VD6, VD7, VD8 – плечи транзисторного

ВИП; К1 – контактор электромагнитный; ТН – трансформатор напряжения; ТТ – трансформатор тока; СЭТ – счетчик электроэнергии; Т1 – тяговый трансформатор ОСЗМ-16 380/65В; А3 – блок системы управления; М1 – тяговый двигатель; ОВ – обмотка возбуждения; А – амперметр; V – вольтметр; SF1 – электрический автомат (автоматический выключатель); X2, X3 – розетки ~220В; АВ – автоматический выключатель; Панель питания; Блок управления; ВИП транзисторный; ВИП тиристорный; Блок измерения параметров работы ВИП; V – вольтметр; ДН – датчик напряжения LEM LV 25; ДС1 – дроссель ДС1; ТЭД – тяговый электродвигатель; ДТ – датчик тока LEM LT 1000.

В выходную цепь ВИП включен дроссель ДС-1, который необходим для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепи тягового двигателя. Основные технические характеристики дросселя типа ДС-1 представлены в табл. 4.

В стенде применен тяговый трансформатор типа ОСЗМ-16 380/65 с напряжением первичной обмотки 380 В и тремя вторичными обмотками, напряжение каждой из которой равно 65 В.

Для обеспечения управления комбинированным ВИП разработана система управления, которая позволяет реализовывать различные алгоритмы управления. Питание блока управления осуществляется от сети ~220 В.

Стенд включает в себя следующие блоки:

– имитатор тягового трансформатора;

– комбинированный ВИП, предназначенный для выпрямления однофазного переменного тока в постоянный и плавного регулирования выпрямленного напряжения на тяговом двигателе;

– сглаживающий реактор, предназначенный для уменьшения пульсации выпрямленного тока ТЭД;

– блок управления БУ ВИП состоит из блока процессора, блока ключей, блоков драйверов, панели питания с индикатором;

– счетчик СЭТ-1М.01М, предназначенный для замеров значений коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощностей;

– осциллограф предназначен для наглядного представления формы кривых напряжения и тока первичной обмотки трансформатора, напряжения и тока ВИП, а также для сохранения полученных результатов на usb-накопитель;

– нагрузка в виде КМБ электровоза ВЛ85 с тяговым двигателем НБ-514.

В состав комбинированного ВИП входят следующие элементы:

– IGBT-транзистор;

– диод;

– тиристор;

– разрядное диодное плечо;

– снабберная цепь.

Панель питания с индикатором содержит следующие элементы:

– блок процессора, предназначенный для формирования импульсов управления плеч ВИП;

Рис. 2. Электрическая принципиальная силовая схема стенда ВИП электровоза в режиме тяги на тиристорах и IGBT-транзисторах

Таблица 1

Основные технические характеристики тиристора Т153-630-20

Климатическое исполнение	УХЛ2; Т2
Тип корпуса тиристора	РТ53
Тип применяемого охладителя	О153, О253
Средний ток в открытом состоянии, А	630
Постоянное обратное напряжение, В	2000
Повторяющийся импульсный ток в открытом состоянии, А	1610
Масса, кг	0,5

Таблица 2

Основные технические характеристики транзистора СМ1000НА-24Н

Максимальное напряжение коллектор–эмиттер, В	1200
Напряжение насыщения коллектор – эмиттер, В	2,5
Номинальный ток одиночного трансформатора, А	1000
Максимальная частота модуляции, кГц	25
Входная емкость затвора, нФ	20
Драйвер управления	Внешний
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт	5800
Максимальный ток эмиттера, А	2000
Максимально допустимое напряжение затвор – эмиттер, В	6
Напряжение эмиттер – коллектор, В	2,7
Время нарастания импульса тока в цепи К–Э транзистора на индуктивной нагрузке, нс	1500
Напряжение изоляции, В	2500
Температурный диапазон, °С	40…150

Таблица 3

Основные технические характеристики диода типа Д253-1600-22

Средний прямой ток, А	1600
Ударный прямой ток, А	35000
Повторяющийся импульсный обратный ток, мА	90
Импульсное прямое напряжение, В	1,50
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В	2200
Максимальная температура перехода, °С	190
Тепловое сопротивление переход–корпус, град/Вт	0,018
Рекомендуемые охладители	О153, О253
Масса, кг	0,55

Таблица 4

Основные технические характеристики дросселя типа ДС-1

Номинальное напряжение, В	150
Номинальный ток, А	90 (пульсирующий)
Частота, Гц	100
Охлаждение	Воздушное, естественное
Масса, кг	58

– блок ключей, предназначенный для распределения управляющих импульсов по плечам тиристорного ВИП;

– драйвера, предназначенные для управления IGBT-транзисторами, а также обеспечивающие гальваническую развязку силовой цепи и цепи управления;

– панель включения/выключения БУ с индикатором работы.

Процессы работы тиристорного и транзисторного преобразователей и их алгоритмы управления

Регулирование выпрямленного напряжения на первой зоне в тиристорном преобразователе обеспечивается с помощью плеч VS5–VS8, а в транзисторном с помощью плеч VD5, VT5, VD6, VT6 и VD7, VD8.

Алгоритм управления плечами тиристорного преобразователя заключается в том, что в первом полупериоде напряжения сети на плечо VS8 подают импульсы управления с фазовым нерегулируемым углом α0, а на плечо VS5 – с фазовым регулируемым углом αр. Во втором полупериоде напряжения на плечо VS7 подают импульсы управления с фазовым нерегулируемым углом α0, а на плечо VS6 – с фазовым регулируемым углом αр.

Алгоритм управления плечами транзисторного преобразователя заключается в том, что импульсы управления с фазовым регулируемым углом αreg в первом полупериоде напряжения сети подают на плечо VТ5, а во втором полупериоде напряжения – на плечо VS6.

В результате реализации таких алгоритмов управления происходит регулирование выпрямленного напряжения преобразователя на интервале от начала до конца первой зоны.

В ходе проведения сравнительных испытаний на стенде работы тиристорного и транзисторного преобразователей на первой зоне регулирования выпрямленного напряжения получены осциллограммы напряжения и тока в первичной обмотке трансформатора, выпрямленного напряжения и тока в цепи тягового двигателя, а также значения коэффициентов мощности.

На рис. 3 представлены осциллограммы процессов работы преобразователей: тиристорного (а), транзисторного (б), полученные на эксперимен- тальном стенде в режиме тяги электровоза на половине (0,5) первой зоны регулирования.

Результаты исследований на экспериментальном стенде

Проанализировав полученные осциллограммы, можно сделать вывод, что низкий коэффициент мощности тиристорного преобразователя объясняется тем, что в первой половине первой зоны тиристоры открываются во второй половине полупериода (см. рис. 3, а). Кроме того, индуктивный характер нагрузки обуславливает дополнительный сдвиг фазы первичного тока трансформатора относительно его напряжения. В транзисторном же преобразователе с разработанным способом его управления предлагается производить открытие плеч импульсами управления αр с опережением по времени относительно максимума напряжения сети (см. рис. 3, б). Это частично компенсирует сдвиг фаз, вносимый индуктивным характером нагрузки, и обуславливает значительно больший коэффициент мощности [4, 5].

Диодные плечи VD7 и VD8, подключенные параллельно цепи выпрямленного тока преобразователя, позволяют поддерживать ток двигателей в промежуток времени между выключением и включением IGBT-транзисторов при смене полупериода напряжения сети.

На рис. 4 представлена экспериментально по-

а)

Рис. 3. Осциллограммы процессов работы преобразователя на половине (0,5) первой зоны регулирования: а – тиристорного, б – транзисторного

б)

Рис. 4. Зависимость коэффициента мощности электровоза от напряжения первой зоны в режиме тяги для тиристорного и транзисторного преобразователей

Таблица 5

Коэффициенты мощности тиристорного и транзисторного преобразователей для половины (0,5) и полного (1,0) значения напряжения первой зоны

Зона регулирования Коэффициент мощности Разница, % Тиристорный ВИП Tранзисторный ВИП 0,5 0,45 0,83 84 1,0 0,74 0,95 28 лученная зависимость коэффициента мощности электровоза от напряжения первой зоны для тиристорного и транзисторного преобразователей в режиме тяги электровоза.

Из графика видно, что на интервале всей первой зоны коэффициент мощности транзисторного преобразователя значительно выше, чем у тиристорного преобразователя и может достигать значения 0,95 в конце зоны.

В табл. 5 приведено сравнение значений коэффициентов мощности для тиристорного и транзисторного преобразователей в режиме тяги электровоза для половины (0,5) и полного (1,0) значения напряжения первой зоны.

Заключение

По результатам проведенных испытаний на экспериментальном стенде можно сделать следующие выводы:

– коэффициент мощности на половине (0,5) первой зоны регулирования у тиристорного преобразователя равен 0,45, а у транзисторного преобразователя 0,83, что больше на 84 %;

– коэффициент мощности на полной (1,0) первой зоне регулирования у тиристорного преобразователя равен 0,74, а у транзисторного 0,95, что больше на 28 %.