COMPARATIVE ANALYSIS OF CONVERTER STRUCTURES OF THE TRACTION DRIVE PROSPECTIVE MULTI-SYSTEM ELECTRIC LOCOMOTIVES WITH DC TRACTION MOTORS

<jats:p>In the article the structured schemes of steady-state converter are offered for traction drive of promising multisystem electric locomotives with traction engines of direct current and their comparative analysis is conducted.</jats:p>

section_content: In the article the structured schemes of steady-state converter are offered for traction drive of promising multisystem electric locomotives with traction engines of direct current and their comparative analysis is conducted.

section_content: Сучасний рівень розвитку силової електроніки дозволяє створювати перетворювачі, які забезпечують якісне регулювання потоку електричної енергії. Наявність повністю керованих силових напівпровідникових вентилів забезпечує можливість побудови відносно простих перетворювачів з покращеними енергетичними показниками, ніж це було можливим декілька років тому [1, 2]. 

Загальновідомі недоліки системи тягового електропостачання напругою 3 кВ постійного струму [3 та ін. ] та необхідність забезпечення процесу перевезень на електрифікованих залізницях незалежно від роду струму та значення напруги у контактній мережі без заміни електровозів на станціях стикування вимагає використання тягового електрорухомого складу, який може працювати як при постійному, так і при змінному струмах за різних рівнів напруги у контактній мережі. Такий тяговий електрорухомий склад (ЕРС) називаємо багатосистемним. 

На пострадянському просторі використовується електрорухомий склад подвійного живлення (3 кВ постійного струму та 25 кВ змінного струму) який є окремим випадком багатосистемного ЕРС. 

В наш час постає питання підвищення напруги у контактній мережі постійного струму з 3 кВ до 6, 12 або 24 кВ [4] -це дозволить підвищити пропускну спроможність залізниць, електрифікованих постійним струмом. 

Але на шляху такого рішення постає досить важлива проблема -відсутність ЕРС на підвищену напругу у контактній мережі.
section_name: Вступ

section_content: Провести порівняльний аналіз можливих варіантів побудови статичних перетворювачів тягового приводу для багатосистемного ЕРС залізниць з тяговими двигунами постійного струму (ТДПС).
section_name: Мета роботи

section_content: В роботі [5] запропоновано структурну схему статичного перетворювача для електровоза подвійного живлення, але ця схема не враховує можливості підвищення напруги у контактній мережі постійного струму. 

Враховуючі вищевикладене та аналізуючи схемні рішення статичних перетворювачів, які використовуються в інших галузях промисловості, пропонується наступна структурна схема тягового статичного перетворювача для багатосистемного електровозу з тяговими двигунами (рис. 1). 

Такий перетворювач дозволяє реалізувати два основних напрямки покращення якості споживаної електричної енергії [6] :

-використання багатофазних перетворювачів, що працюють зі зсувом по фазі відносно один одного;

-використання при перетворенні електричної енергії підвищеної частоти. 

Використання багатофазних систем з ланкою підвищеної частоти дозволяє зменшити масогабаритні показники фільтрів та трансформатора. Крім того, в подібних багатофазних системах є можливість керувати струмами та напругами, які перевищують максимально до-пустимі параметри одиночних силових елементів перетворювача. 

Структурна схема (рис. 1) складається з двох контурів: мережевого та тягового (з двигуном постійного струму). 

Перший контур призначено для перетворення електричної енергії з контактної мережі в напругу змінного струму підвищеної частоти, яку знімаємо зі вторинної обмотки трансформатора підвищеної частоти. Первина обмотка підключена до виходу високовольтного інвертора 1, вхід якого підключено безпосередньо до контактної мережі постійного струму або до виходу випрямляча 1 (керованого або некеро-ваного), при змінному струмі у контактній мережі. 

Використання некерованого випрямляча 1, підключеного до контактної мережі змінного струму, дозволить виключати вплив кута комутації ключових елементів вхідного перетворювача на енергетичні показники електровозу, що має місце при застосуванні керованого випрямляча. Використання керованого випрямляча дозволить реалізувати рекуперативне гальмування, з поверненням енергії до контактної мережі. Підтримка напруги мережевого контуру на заданому рівні здійснюється інвертором 1.
section_name: Матеріал і результати дослідження

section_content: При використанні тягового двигуна постійного струму для його живлення можливо використовувати керований випрямляч, підключений до вторинної обмотки трансформатора підвищеної частоти (тяговий контур постійного струму). Керування режимами роботи тягового двигуна можливо за рахунок зміни режимів роботи керованого випрямляча та інвертора 1. 

Як бачимо з рис. 1, до складу запропонованого перетворювача входить трансформатор підвищеної частоти, що дозволить зменшити габарити не тільки самого трансформатора, але й інших реактивних елементів та вузлів, зокрема фільтрів. 

Вихідними даними для порівняльного аналізу перетворювальних структур тягового приводу багатосистемних електровозів з тяговими двигунами постійного струму приймаємо:

1. Напруга у контактній мережі постійного струму 3 кВ та підвищена до рівня 6, 12 або 24 кВ. 

2. Напруга у контактній мережі змінного струму 25 кВ частотою 50 Гц. 

Фактично схема, представлена на рис. 3, реалізує перетворювач типу М3, тобто один силовий модуль на три тягових двигуна. Але ж проведені у [7] дослідження показали, що доцільно використовувати силовий модуль М2. Тоді схема, представлена на рис. 3, змінюється до вигляду, представленого на рис. 4. 

Як бачимо з рис. 4, структура тягового перетворювача представляє. собою три трифазних канали, кожен з яких живить два тягових двигуна (реалізується силовий модуль М2), але кожен з тягових двигунів працює від свого керованого трифазного тягового випрямляча, тобто має місце індивідуальний привод. 

Крім того, в даному варіанті побудови тягового перетворювача на вході кожного МВ діє напруга, яка дорівнює: В цілому з точки зору рівномірності розподілення напруги між МВ у різних режимах роботи перетворювача доцільно використовувати в якості підвищеної напруги у контактній мережі 24 кВ постійного струму, яке є близьким до 25 кВ 50 Гц, що дозволить використовувати ті ж самі схемні рішення та той самий режим роботи ПР. 

Таким же чином можливо дослідити всі інші варіанти побудови статичного перетворювача тягового приводу перспективних багатосистемних електровозів з шістьма або чотирма тяговими двигунами постійного струму, які представлені у табл. 1. 

Особливістю реалізації статичного перетворювача для тягового приводу перспективних багатосистемних електровозів з чотирма тяговими двигунами постійного струму є те, що його можливо будувати з силових модулів М1 або М2. 

Слід відмітити, що з точки зору надійності використовувати модулі М6 для шестивісного електровозу та М4 чотиривісного електровозу є недоцільним [7]. 

Структура тягового перетворювача 25 кВ змінного та 3 кВ постійного струму при 4 ТДПС при реалізації модулями М2 буде відрізнятися від тієї, що представлена на рис. 4, відсутністю третього трифазного каналу, який живить ТДПС5 та ТДПС6 (рис. 6). 1. З точки зору габаритних потужностей трансформаторного обладнання та коефіцієнта використання функціональних вузлів статичного перетворювача, у складі перетворювача пропонується використовувати трифазні трансформатори підвищеної частоти. 

2. Представлений у роботі порівняльний аналіз запропонованих перетворювальних структур тягового приводу перспективних багатосистемних електровозів з тяговими двигунами постійного струму дозволив визначитись з раціональними структурами з точки зору напруг, діючих на вхідних елементах перетворювача. 

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК
section_name: Рис.1 Узагальнена структурна схема статичного перетворювача тягового приводу з тяговими двигунами постійного струму та ланкою підвищеної частоти