Применение импульсного преобразователя напряжения для компенсации характеристик автономного источника энергии электроподвижного состава

УДК 621.337.2.07

В. А. Васильев, А. Е. Цаплин

ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Дата поступления: 21.11.2017 Решение о публикации: 28.1 1.2017

Аннотация

Цель: Повысить энергетическую эффективность использования автономных источников энергии на электрическом подвижном составе применением импульсного преобразователя. Методы: Использованы методы расчета электрических цепей и имитационного моделирования с помощью компьютерных программ MATLAB с применением пакета библиотек Simulink. Результаты: Предложено схемное решение, позволяющее расширить границы применения автономных источников энергии на электрическом подвижном составе. Разработана имитационная компьютерная модель в соответствии с предложенной схемой импульсного преобразователя, позволяющая исследовать переходные процессы регулирования токов и напряжений тяговых двигателей при разгоне и рекуперативном торможении. Работоспособность предложенного схемного решения при работе с тяговым электроприводом электроподвижного состава с автономным источником питания подтверждается результатами имитационного моделирования. Практическая значимость: Применение импульсного преобразователя позволит расширить диапазон использования по напряжению автономного источника питания на основе емкостного накопителя энергии.

Ключевые слова: Накопитель энергии, электрический подвижной состав, импульсный преобразователь, имитационное моделирование.

Vladislav V. Vasilyev, senior lecturer; *Alexey Ye. Tsaplyn, Cand. Sci. Eng., associate professor (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) PULSE VOLTAGE CONVERTER APPLICATION FOR COMPENSATING THE CHARACTERISTICS OF SELF-GENERATED POWER SUPPLY OF AN ELECTRIC STOCK

Summary

Objective: To improve energy efficiency of self-generated power supply usage on an electric stock, by means of pulse converter application. Methods: Calculation methods of electric lines, as well as simulation modeling with Matlab software programs and Simulink library package application were used. Results: A circuitry was offered, making it possible to extend the limits of self-generated

power sources on an electric stock. A simulation computer program was developed in accordance with the suggested pulse converter circuit, providing an opportunity to study transient processes of tractive motors current and voltage regulation during acceleration and regenerative braking. Availability of the suggested circuit when dealing with an electric traction drive of a self-powered electric stock is corroborated by the results of simulation modeling. Practical importance: Switching converter application will make it possible to extend the range of use, by means of independent voltage source on the basis of capacity storage.

Keywords: Energy store, electric stock, switching converter, simulation modeling.

Специфика работы автономного источника энергии, применяемого на электрическом подвижном составе для питания тяговых двигателей, требует разработки специальных алгоритмов управления тяговым электроприводом при пуске и торможении. Одним из таких автономных источников может служить емкостной накопитель энергии, который при сравнении с традиционными аккумуляторными батареями обладает лучшими свойствам при отдаче и получении энергии, но меньшими удельными энергетическими характеристиками [1, 2]. При согласовании характеристик автономного источника питания и тягового двигателя в режиме разгона и торможения возникает необходимость использовать промежуточный преобразователь. Этим преобразователем может служить широтно-импульсный регулятор, с помощью которого изменяется продолжительность подключения нагрузки к накопителю.

Импульсный преобразователь с автономным источником энергии

Для компенсации изменения уровня напряжения емкостного накопителя энергии, которое снижается в процессе питания тяговых двигателей, что влияет на тяговые свойства электроподвижного состава, может оказаться целесообразным после повышения напряжения на тяговых электродвигателях до уровня напряжения источника питания использовать дополнительный преобразователь, продолжающий повышение напряжения до максимальной величины, на которое рассчитаны тяговые двигатели [3, 4]. Такой алгоритм работы преобразователя можно реализовать с помощью схемы, представленной на рис. 1. Основным элементом этой схемы является преобразователь, выполненный на транзисторах УТ1, VT2.

Представленная на рис. 1 схема позволяет регулировать выходное напряжение от минимального до максимального напряжения источника питания с помощью транзистора УТ2, а затем без дополнительных переключений транзистором УТ1 повышать напряжение до необходимого уровня.

При работе транзистора УТ2 среднее напряжение на выходе широтно-импульсного преобразователя составляет

1 ги

ин =—| тйг = хиНЭ, Т 0

где инэ - напряжение накопителя; ин - напряжение на нагрузке; X - коэффициент заполнения.

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного регулятора напряжения на тяговом электродвигателе

Транзистор УТ2 периодически замыкает емкостной накопитель на дроссель L. В процессе замыкания транзистора на дросселе наводится значительная ЭДС, направленная согласно напряжению емкостного накопителя.

иЬ = иНЭ = Ь^ = Ь

Ь НЭ йг хт

где Ь - индуктивность дросселя; Дгнэ - размах пульсаций тока дросселя; иь -напряжение на дросселе.

Зависимость напряжения на тяговом двигателе от напряжения емкостного накопителя при различном коэффициенте заполнения

инэ = (1 -Х)ин.

При закрытом транзисторе УТ2 энергия, накопленная в дросселе L, складывается с напряжением накопителя и через диод поступает в тяговый двигатель, а подключенный параллельно нагрузке конденсатор заряжается до значения напряжения выше, чем у источника питания.

Моделирование режимов тяги и импульсного торможения при работе с автономным источником энергии

С целью исследования динамических характеристик, возникающих в преобразователе и тяговом приводе, разработана структурная схема (рис. 2), в соответствии с которой создана компьютерная модель тягового электропривода моторного вагона с импульсным преобразователем. Компьютерная модель создана в среде МА^АВ с применением пакета библиотек ЗтиНпк на основе построения блочных схем из библиотеки стандартных блоков [5].

Рис. 2. Структурная схема модели

Компьютерная модель содержит следующие основные блоки: емкостной накопитель энергии, систему управления повышающим и понижающим преобразователем, широтно-импульсный преобразователь (ШИП) на ЮВТ-транзисторах УТ1, УТ2, тяговый электродвигатель (ТЭД) с механической частью электропривода (рис. 3). Транзисторный преобразователь в тяговом режиме в процессе пуска и разгона выполняет следующие функции:

• обеспечивает автоматическое плавное повышение напряжения на тяговых двигателях до величины напряжения накопителя при постоянном якорном токе в процессе разгона электрического подвижного состава;

• после достижения напряжения на тяговом двигателе, равным напряжению источника питания, повышает выходное напряжение преобразователя относительно напряжения емкостного накопителя энергии до номинального значения тягового двигателя.

Напряжение на тяговом электродвигателе повышается до уровня источника питания с помощью широтно-импульсного регулятора на транзисторе УТ1. При полностью открытом транзисторе УТ1 начинает работать повышающий преобразователь, выполненный на транзисторе УТ2.

По результатам моделирования получена разгонная характеристика (рис. 4) тягового привода с электродвигателем при питании от емкостного накопителя энергии. Рассмотренный импульсный регулятор дает возможность компенсировать уменьшение напряжения на емкостном накопителе.

ЧО О1*

Рис. 3. Имитационная модель импульсного регулятора напряжения на тяговом электродвигателе

О 12 3 4 5 6 7 8 с

Рис. 4. Графики зависимостей тока, напряжения и скорости на тяговом электроприводе от времени

Представленная по результатам моделирования зависимость (рис. 4) /Н(7) показала, что при последовательной работе совмещенного преобразователя коэффициент неравномерности тока составил 0,041, что может считаться приемлемым результатом. На рис. 5 приведены напряжение и ток емкостного накопителя энергии. За время пуска напряжение ине уменьшилось на

100 в. не

Для возврата в автономный источник энергии, затраченной на разгон тягового двигателя электрического подвижного состава, целесообразно использовать режим импульсного рекуперативного торможения, при котором двигатель используется как генератор постоянного тока независимого возбуждения, преобразуя механическую энергию движения в электрическую, вырабатываемую в тяговом электродвигателе. Характерной особенностью такого режима является возможность торможения с отдачей энергии автономному источнику питания при низких и близких к нулю скоростях, когда ЭДС тягового двигателя намного меньше, чем ЭДС накопителя [6, 7].

Разработанная компьютерная модель тягового электропривода в среде МА^АВ в режиме импульсного рекуперативного торможения на емкостной

"-"не. В 1нс. А

______

1

I С

Рис. 5. Зависимость тока и напряжения емкостного накопителя энергии от времени

накопитель представлена на рис. 6. Компьютерная модель содержит следующие блоки: емкостной накопитель энергии, систему управления и силовой блок импульсного преобразователя ИП2, тяговый электродвигатель с нагрузкой и возбудитель.

эы

-,"С1 Д

иргЗ'иНэЕту] чрпат^Е!

9ссрЕ 1

Рис. 6. Имитационная модель в режиме импульсного рекуперативного торможения

Результаты моделирования режимов импульсного рекуперативного торможения с отдачей энергии рекуперации на емкостной накопитель приведены на рис. 7, 8.

Моделирование проводилось при начальной скорости ¥нт = 30 км/ч. На рис. 7 построена реализованная характеристика при тормозном токе

Рис. 7. Графики зависимостей тока, скорости и ЭДС вращения тягового двигателя

на тяговом электроприводе от времени

Рис. 8. Зависимость тока и напряжения емкостного накопителя энергии от времени

импульсной рекуперации I . Зарядная характеристика емкостного накопителя /н соответствует току импульсного рекуперативного торможения I (рис. 8).

Заключение

Автономные источники энергии на основе емкостных накопителей энергии в последнее время нашли применение в электрическом подвижном составе. Анализ технических решений применения автономных источников энергии на электрическом подвижном составе показал, что основным направлением их использования в настоящее время является повышение надежности тягового привода электроподвижного состава. Предложенное схемотехническое решение позволит увеличить продолжительность работы тягового привода от емкостного накопителя энергии. Разработана компьютерная модель электрического подвижного состава, работающая совместно с емкостным накопителем энергии, по результатам исследования которой получены переходные процессы режимов пуска и импульсного рекуперативного торможения с подключенным емкостным накопителем энергии.

Библиографический список

1. Евстафьев А. М. Об использовании суперконденсаторов / А. М. Евстафьев // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 2. - С. 31-32.

2. Мазнев А. С. Применение энергонакопительных устройств на электроподвижном составе / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Железнодорожный транспорт. - 2009. -№ 2(21). - С. 83-85.

3. Бирзниекс Л. В. Импульсные преобразователи постоянного тока / Л. В. Бирзни-екс. - М. : Энергия, 1974. - 256 с.

4. Васильев В. А. Исследование имитационной модели тягового электропривода с повышающим импульсным регулятором при питании от емкостного накопителя энергии / В. А. Васильев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. -№ 1. - С. 263-266.

5. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Sym-PowerSystems и Simulink / И. В. Черных. - М. : ДМК-Пресс ; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.

6. Васильев В. А. Анализ возможности применения емкостных накопителей энергии на электрическом подвижном составе / В. А. Васильев // Изв. ПГУПС. - 2011. - Вып. 1(26). -С. 35-44.

7. Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения пригородных электропоездов постоянного тока/ А. М. Евстафьев, А. П. Зе-ленченко, В. М. Мищенко // Изв. ПГУПС. - 2014. - Вып. 3 (40). - С. 63-69.

References

1. Yevstafyev A. M. On the use of supercapacitors [Ob ispolzovanii superkondensatorov]. Railway transp. [Zheleznodorozhnyi transport], 2010, no. 2, pp. 31-32.

2. Maznev A. S. & Yevstafyev A. M. Energy store application on the electric stock [Pry-meneniye energonakopytelnykh ustroystv na elektropodvyzhnom sostave]. Railway transp. [Zheleznodorozhnyi transport], 2009, no. 2

3. Birzniyeks L. V. Direct current switching converters [Impulsniye preobrazovately postoyannogo toka]. Moscow, Energiya, 1974, 256 p.

4. Vasylyev V. A. The study of an electric traction drive simulation model with boosting switching regulator when powered by capacity storage [Issledovaniye imitatsionnoy modely tyagovogo elektropryvoda s povyshayushym impulsnym regulyatorom pry pytanii ot yemko-stnogo nakopytelya energii]. Sci. probl. transp. Siberia and the Far East [Nauchniyeproblemy transporta Sibiri i Dalnego Vostoka], 2011, no. 1, pp. 263-266.

5. Chernykh I. V. Modeling of electric devices in Matlab, SymPowerSystems and Simulink [Modelyrovaniye elektrotekhnicheskykh ustroystv v MATLAB, SymPowerSystems i Simulink]. Moscow, DMK-Press; St. Petersburg, Piter, 2008, 288 p.

6. Vasylyev V.A. The analysis of possibility of capacity storage application on the electric stock [Analyz vozmozhnosty prymeneniya yemkostnykh nakopyteley energii na elektrycheskom podvyzhnom sostave]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestiya PGUPS], 2011, is. 1

7. Yevstafyev A. M., Zelenchenko A. P. & Mishenko V. M. Povysheniye energetycheskoy effektyvnosty rekuperatyvnogo tormozheniya prygorodnykh elektropoyezdov postoyannogo toka [Energy efficiency improvement of regeneration braking of suburban direct current electric trains]. Proc. Petersburg Transp. Univ. [Izvestiya PGUPS], 2014, is. 3

ВАСИЛЬЕВ Владислав Всеволодович - старший преподаватель; *ЦАПЛИН Алексей Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).