Электрический полупроводниковый вариатор. Эффективность силовых приборов

разных сценариев изменения потребных объемов

перевозки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бондаренко Н.В., Лебедева Н.А. Концепция формирования области эффективных альтернатив этапного развития облика и мощности мультимодального транспортного узла припортового региона Дальневосточного Приморья для пропуска контейнерного транзита // Проектирование развития региональной сети железных дорог : сб. науч. тр. ; под ред. В.С. Шварцфельда. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2015. С.71-76.

2. Бондаренко, Н.В. Лебедева Н.А., Гончарук С.М. Особенности, актуальность и пути решения проблемы развития облика и мощности мультимодального транспортного узла припортового региона Дальнего Востока для пропуска контейнерного транзита // Проектирование развития региональной сети железных дорог : сб. науч. тр.; под ред. В.С. Шварцфельда. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2015. С.77-85.

3. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года : утв. распоряжением Правительства Рос. Федерации от 22 нояб. 2008 г. № 1734-р.

4. Концептуальные предложения по разработке инновационного проекта развития МТК «АТР -

Европа» для реализации транзитного потенциала России / Вл.А. Анисимов, Н.С. Нестерова, Н.В. Бондаренко, С.М. Гончарук // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 1 (49).

5. Лебедева Н.А. Формирование области эффективных альтернатив изменения облика и мощности мультимодальных транспортных узлов на основе системного подхода : дис. ... канд. тех. наук / Н.А. Лебедева. Хабаровск, 2008. 179 с.

6. Методологические основы проектирования этапного развития облика и мощности мульти-модальной транспортной сети : монография / С.М. Гончарук и др. Хабаровск : ДВГУПС, 2012.227 с.

7. Изыскания и проектирование железных дорог : учебник для вузов ж.-д. трансп. / И.В. Турбин, А.В. Гавриленков и др. ; под ред. И.В. Турбина. М. : Транспорт, 1989. 479 с.

8. Морские порты Дальневосточного бассейного филиала ФГУП «Росморпорт» [Электронный ресурс]. URL : http://www.rosmo-rport.ru/vlf_ seaports.html/. (дата обращения: 25.02.2016).

9. Методика формирования региональной муль-тимодальной транспортной сети и её элементов / Н.С. Нестерова, А.Р. Едигарян, С.М. Гончарук // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 4(40). С. 216-221.

УДК 628.314

Михальчук Николай Львович,

к. т. н.,

тел. 8-915-050-39-85, e-mail: MihalchukNL@center.rzd.ru

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВАРИАТОР. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИЛОВЫХ ПРИБОРОВ

N. L. Mikhalchuk

ELECTRIC SEMICONDUCTOR VARIATOR, EFFICIENCY OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICES

Аннотация. Выполнено обоснование энергоэффективной и энергосберегающей технологии управления тяговым электроприводом на основе уточнения теории энергетических процессов в электрических цепях с полупроводниковыми регуляторами мощности. Предложено в качестве параметра управления мощностью в электроэнергетических системах применять электрическое сопротивление элементов вместо общепринятого напряжения. В отличие от известных аналогов полупроводниковые регуляторы мощности различного назначения с новым параметром управления приобретают свойство электрического вариатора. Доказана целесообразность применения электрических полупроводниковых вариаторов для управления тяговыми режимами электроподвижного состава с коллекторными тяговыми электродвигателями. Предложены технические решения для изготовления перспективного инновационного тягового электроподвижного состава с применением перспективных технических решений регулирования мощности без сокращения продолжительности необратимого преобразования электрической энергии силовыми полупроводниковыми приборами.

Ключевые слова: энергоффективность, энергосбережение, энергия, источник энергии, полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление, регулятор мощности, вариатор, накопитель энергии, потребитель энергии, электромагнитная совместимость.

Abstract. Energy-efficient and energy-saving technology of control traction electric drive is justified on the base of refinement of the theory of energy processes in electrical circuits with semiconductor power regulators. It is proposed as a power control parameter in power systems elements electrical resistance instead of the conventional voltage. In contrast to known analogs, semiconductor power

controllers for different purposes with the new control parameter acquire the property of the electric variator. The expediency of application of semiconductor electrical variator to control the traction mode electric rolling with collector traction motors is proved. We offer technical solutions for the production of promising innovative traction electric rolling stock, with the use of advanced power control technology solutions without reducing the length of the irreversible conversion of electrical energy power semiconductors.

Keywords: energy saving, energy source, energy, semiconductor device, electric resistance, power control, energy storage, consumer energy, electromagnetic compatibility.

Введение

В существующих условиях глобального изменения в геоэкономических системах в приоритетном направлении сформированы инициативы эффективного использования всех видов ресурсов, используемых современными промышленными кластерами многих индустриальных стран.

Непрерывно возрастающие потребности в электрической энергии толкают научно-промышленное сообщество на поиск альтернативных источников энергии, формируют направления развития в области энергооптимальных технологий и, как следствие, поиск в формировании алгоритмов обеспечивающих сохранение потока энергии и максимальное ее использование с учетом требования закона сохранения энергии [1], отраженного в теореме Умова - Пойнтинга.

dW dt

= p - Q-f s„ds,

где W - электромагнитная энергия; Р - работа сторонних электромагнитных сил; Q - объём теплоты; Б - вектор Пойнтинга.

Основная часть

Законы распределения энергии, открытые профессором Н. А. Умовым [2] в 1874 году и формализованные применительно к электромагнитному полю профессором Д. Г. Пойнтингом [3] в 1884 году (2), используются в настоящее время для оценки эффективности энергетической системы в режимах регулирования мощности. Для произвольного объема V, ограниченного поверхностью 5", электромагнитное поле изменяется во времени t. Внутри объема V имеются проводящие тела, а среда однородна и изотропна, сторонние источники энергии отсутствуют, отраженная волна отсутствует.

§(б  H )dS =f(s-E )dV -

'и ?л-E

dt

dt

dV,

Работа сторонних сил источника энергии по обеспечению напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н изменяется в соответствии с объемом потребленной энергии, то есть левая часть равенства (2) равна правой части. В режимах работы электроэнергетической системы, когда за указанную продолжительность цикла передачи энергии регулятором мощности работа сторонних сил источника энергии не изменяется по различным причинам, то есть закон сохранения энергии, обоснованный теоремой Умова - Пойнтинга (2), в системе нарушается.

Теоремой Умова - Пойнтинга учитывается изменение продолжительности необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии из-за реактивных элементов, когда часть времени работа источника энергии затрачивается на изменение электромагнитной энергии.

В данной работе получена зависимость эффективности энергетической системы от изменения продолжительности необратимого преобразования электрической энергии и использования не только реактивными элементами, но и регулятором мощности. Уточненный закон сохранения энергии в электроэнергетической системе [5]

с учетом несоответствия работы в процессе производства электрической энергии и потребленной электрической энергии можно записать в виде

:f(s- E )dV + f

'нЖ - E dD

dt dt

dV,

где Е , Н - вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля соответственно, вызванные действием сторонних сил в процессе

генерирования энергии; 5 - вектор плотности

тока проводимости; В - вектор магнитной

индукции; О - вектор электрического смещения.

V у

где Ео, Но — вектор напряженности электрического поля и вектор напряженности магнитного поля соответственно, вызванные действием сторонних сил в процессе генерирования энергии

в контактную сеть; Ер , Н р — векторы напряженности электромагнитного поля, вызванные работой сторонних сил в процессе генерирования энергии в контактную сеть во время непроводящего состояния силовых полупроводниковых приборов

(СПП) регулятора мощности локомотива; Е, Н — векторы напряженности электромагнитного поля, вызванные работой сторонних сил в процессе ге-

S

S

S

S

S

S

Компания ЗегшБоиГЬ представляет первый транзистор, работающий в режиме обогащения, а Тгап51С -биполярный 51С-транзистор

Выпуск первых SiC-диодов Шоттки на рынок

Выпуск на рынок силового модуля, полностью выполненного на SiC-компонентах

Появление 100-мм SiC-пластины стоимостью менее 1500 долл. Освоение компанией Rohm производства SÍC МОП-транзисторов

Cree начинает массовое производство SiC-пластин диаметром 150 мм

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Начало массового производства приборов на 150-мм пластинах

Infenion объявляет о создании полевого транзистора на напряжение 1200 В семейства CoolSiC

Выпуск на рынок компанией Cree первого Sic МОП-транзистора

Начало продажи малых партий SiC-полевых транзисторов

Начало обработки компанией Cree SiC-пластин диаметром 100 мм

Выпуск гибридного SiC-силового модуля

Рис. 1. Развитие силовых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния ^Ю)

International Rectifier выпустила на рынок первый силовой GaN-прибор Ком пан ия ЕРС выпустила GaN-трэнзисторы на 20-200 В

Компания GaN Systems демонстрирует первый GaN-транзитор на SiC-подложке на напряжение 1200 В Transphorm выпускает на рынок 600-В GaN-транзистор и диод Шоттки Выпуск600-В GaN НЕМТ несколькими компаниями

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Планируемое появление эпитаксиальныхСаМ-пластин на Si-подложках диаметром 200 мм Удачные испытания компанией Fujitsu 600-В GaN-транзистора на Si-подложке Появление GaN-приборэ на 150-мм эпитаксиальной Si-подложке Компания Transphorm объявляет об изготовлении на SiC-подложке 600-В GaN-транзистора

Рис. 2. Развитие силовых полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия

нерирования энергии в контактную сеть во время проводящего состояния СПП регулятора мощности локомотива.

Вторым интегралом в левой части уравнения (3) учитывается изменение регулятором мощности продолжительности использования электрической энергии в контактной сети.

Регулятором мощности для работы большинства электроприборов являются преобразователи, конвертирующие переменный ток в постоянный. Часто применяется и обратное преобразование, например в инверторах. Ключевым компонентом преобразователей тока являются СПП, в частности транзисторы большой мощности, от свойств которых и схемотехнических решений зависят основные характеристики преобразователей, их экономичность и эффективность работы.

Поэтому экономия в преобразовательных установках и питающих энергетических системах, повышение их эффективности, коэффициента мощности и коэффициента полезного действия яв-

ляются важнейшими инициативами в области стратегии энергоэффективности и энергосбережения [6].

За последние годы достигнуты определенные успехи в области разработки и внедрения силовых полупроводниковых приборов и преобразовательных устройств на их основе, хотя просматривается инерционность разработок. Производители предпочитают совершенствовать кремниевую технологию и не вкладывать инвестиции в создание пока рискованных новых силовых полупроводниковых приборов (СПП).

По мере достижения кремниевыми силовыми приборами теоретических пределов все более перспективными становятся приборы на основе полупроводниковых соединений с большой шириной запрещенной зоны, высокими теплопроводностью и напряженностью поля пробоя (широкозонные материалы), карбид кремния ^Ю), нитрид галлия (GaN) и весьма перспективный материал для создания полупроводниковых приборов - алмаз.

Транспорт

Основываясь на полученных результатах, в немецком Институте им. Фердинанда Брауна (FBH) разработали новые полупроводниковые переключатели на основе нитрида галлия. Транзисторы разрабатывались FBH в рамках проекта HiPoSwitch, в котором участвовало восемь европейских научных учреждений и промышленных предприятий-партнеров [7].

По сравнению с существующими устройствами потери в преобразователях тока на галлий-нитридных транзисторах снижены вдвое, а практическая эффективность преобразования выросла до 98 %. В случае широкого распространения такие устройства помогут сохранить значительное количество электроэнергии.

Ежегодно в Европе вырабатывается более 3000 ТВтчас электроэнергии. Если взять всего четверть этой энергии и повысить эффективность ее преобразования на 2 %, то можно будет закрыть как минимум две электростанции, работающие на угле. В России вырабатывается энергии в год более 1000 ТВтчас.

Свойства карбида кремния SiC (рис. 1) и нитрида галлия GaN (рис. 2) определяют перспективность их применения для изготовления СПП, однако разработка и выход на рынок затянулись из-за их высокой стоимости.

Силовые приборы на этой основе применяются в различных блоках питания, преобразовательных установках с коррекцией коэффициента мощности, источниках бесперебойного питания, электробусах и электромобилях, промышленных электроприводах, солнечных преобразователях, тяговом подвижном составе. Так, фирмой Alstom все новые преобразовательные установки (инверторы), используемые на тяговом подвижном составе, компоновались силовыми модулями на 1700 В SiC МОП-транзисторах с током до 250 А компании Danffoss Silicon Power. Это позволило увеличить КПД на 1 %, что является весомым показателем в повышении уровня энергоэффективности тягового подвижного состава [8].

Инженеры Mitsubishi создали специализированные МОП-транзисторы для 3-фазных инверторов тяги из карбида кремния с рабочим током до 1,5 кА и напряжением 3,3 кВ. Это первые в мире инверторы нового типа, задействованные в системах тяги железнодорожных поездов [9].

Компания уже опробовала новую гибридную схему на базе кремниевых БТИЗ и карбид-кремниевых 1,7-кВ диодов Шоттки в системах тяги вагонов метро. Достигнута экономия потребления энергии в пределах 38,6 % по сравнению с традиционными решениями.

Специализированные 3,3-кВ 1,5-кА МОП-транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и диоды Шоттки были разработаны специально в рамках нового проекта «all-SiC» и встроены в модули, включающие по 1 диоду и 1 транзистору. Один инвертор имеет 16 таких модулей. Коммутационные потери в инверторе на 55 % меньше в сравнении с эквивалентами на базе кремния.

Для достижения такого же низкого уровня потерь переключения, как и в кремниевых БТИЗ, разработчик оптимизировал структуру МОП-транзистора. Область управляющего p-n-перехода «JD», была легирована примесью высокоактивного азота, что способствовало снижению сопротивления открытого состояния на высоких температурах.

Зарубежные и отечественные разработчики, проводя исследования в направлении повышения коэффициента мощности, предлагают различные схемотехнические решения преобразовательных установок. В 1974 году в ФРГ впервые предложен преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для питания инверторов тяговых асинхронных двигателей стабилизированным постоянным напряжением, получивший название четырёхквадрантного преобразователя (4-qS), так как способен работать во всех четырех квадрантах вольт-амперной диаграммы при неизменной полярности и величине напряжения в звене постоянного тока. Все разработанные схемотехнические решения преобразователей могут быть сведены к четырем условным группам [10].

Концерн Siemens разработал 4-qS-преобразователь, применяя ШИМ, и способ управления в режиме тяги, совмещая вектор тока и вектор напряжения или сдвигая их на 180 градусов друг относительно друга в режиме торможения.

Несмотря на различные схемотехнические решения и применение новейшей, перспективной элементной базы СПП, остается неизменным тот факт, что основные причины, вызывающие потери энергии, не устраняются, и в настоящее время при потреблении электроэнергии на тягу поездов и на не тяговые нужды в промышленности, как в России, так и за рубежом, в режимах управления снижается мощность на выходе по сравнению с мощностью на входе, при этом нарушается электромагнитная совместимость, вызывая электромагнитные помехи.

Баланс мощности, описанный выше, обоснованный Н.А. Умовым и формализованный -Пойнтингом, используется в учебных заведения и специалистами научно-исследовательских организаций в неизменном виде. Так, если годовые, сезонные и даже суточные циклы энергопотребле-

ния дают возможность изменять левую часть уравнения и обеспечивать эффективное использование электрической энергии на выполнение работы, то часовые, минутные, секундные и микросекундные циклы энергопотребления таким управлением выполнить невозможно и поэтому то, предложенное еще в 1884 г., уравнение (2) целесообразно уточнить.

В управлении тяговым подвижным составом широко применяются импульсно-фазовое управление, пакетные способы регулирования напряжения, широтно-импульсная модуляция. Все эти способы регулируют напряжение. При потреблении электрической энергии, во всех этих методах

продолжительность использования энергии сокращается за счет коммутационного оборудования. Возникает пауза, в течение которой электрический потенциал из контактной сети не используется на тягу поезда.

При этом необходимо учитывать, что коммутационное оборудование в определенную часть времени находится в непроводящем состоянии.

У выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) с активно-индуктивным характером электрического сопротивления нагрузки энергетическая эффективность, которая оценивается коэффициентом мощности Км, снижается с увеличением глубины регулирования мощности тяговых

Рис. 4. Система управления ВИП электровоза Ермак

Транспорт

электродвигателей (ТЭД) (рис. 4):

P P

->0,

Км -

S G U • I

где Р , - активная, полная мощность на входе

ВИП; U, I - действующее значение напряжения, тока на входе ВИП.

В настоящее время разработка и производство преобразовательной техники в основном сосредоточены на изготовлении преобразователей, которые в режимах управления снижают мощность на выходе по сравнению с мощностью на входе, отрицательно воздействуют на показатели качества электрической энергии в питающих сетях и на работу других потребителей электрической энергии [11]. Коэффициент искажения синусоидальности напряжения на токоприемнике электровоза с ВИП составляет 10,87 %, с применением ЭПВ в таком же режиме ведения поезда этот коэффициент равен 7,5 % [12].

Если активное сопротивление элементов системы электроснабжения обозначить Яь , то потери мощности в источнике энергии, в трансформаторах, в электрических линиях системы электроснабжения повышаются со снижением коэффициента мощности

Р

^ - 12 ^ К - , ,

L L и2 • К I

Коэффициент мощности потребителя электрической энергии влияет на коэффициент использования мощности источников энергии и системы электроснабжения Кр:

1^ _ Р _ SGH • Км _ г Кр - ^— - —н-- Км .

Sl

GH

S,

GH

где

я.

установленная мощность источников

составляющей напряжения и гармоническими составляющими тока, кроме основной гармоники.

Коэффициент нелинейных искажений тока V получен в зависимости от угла регулирования а тиристоров ВИП:

а

0,9 • соб-

V -

2

к-а

к

Коэффициент сдвига получен в зависимости от угла регулирования тиристоров а и от угла коммутации у тиристоров ВИП:

а у собю, -—ъ —. 2 4

энергии и электрических сетей.

Для расчета энергетической эффективности тягового электроподвижного состава с ВИП применяется коэффициент мощности (7), выраженный через коэффициент нелинейных искажений тока V и коэффициент сдвига cosфl:

„ Р и, • I, • собш,

Км - I \ ? \ ^ С08ф1,

S л/Р2 + 02 + т2

где £Л, 11 - действующее значение основной гармонической составляющей напряжения, тока на входе ВИП; Р1, Ql - активная мощность, мощность сдвига, создаваемые основной гармонической составляющей напряжения, тока; Т - мощность искажения, создаваемая основной гармонической

Следствием повышенных углов регулирования и углов коммутации тиристоров ВИП в режимах пуска, трогания, разгона, регулирования скоростного и тягового режимов локомотива является низкая энергетическая эффективность тягового электроподвижного состава и его неудовлетворительная совместимость с системой электроснабжения. Расчетные выражения (7-9) применяются в учебном процессе подготовки специалистов и ориентируют их на устранение последствий неудовлетворительной работы оборудования, а не основные причины.

Техническая реализация стратегической инициативы через проекты с научной, инновационной точки зрения будет применима в самых разных отраслях экономики, и кроме непосредственных результатов по созданию конкретных технологий и продуктов будут созданы научные заделы для развития по многим другим направлениям. Значительный объем научных работ выполнен при исследовании электромагнитных процессов во время коммутации СПП-преобразователей, разработаны технические решения, позволяющие уменьшать углы коммутации СПП до минимальных значений. И даже при увеличении тока в контурах коммутации для снижения углов коммутации СПП удается незначительно (в пределах погрешности расчетов и измерений) улучшить энергетические показатели ВИП тягового электропривода и снизить нелинейные искажения напряжения в контактной сети [3].

Разработанной теорией энергетических процессов доказано, что из питающей сети можно потреблять минимальный ток, необходимый для тяги поездов при полном использовании действующего напряжения сети, для этого регулирование мощности локомотива нужно выполнять за счет плавного изменения входного электрического сопротивления тягового электропривода. В настоя-

Рис. 5. Математическая модель выпрямительно-инверторного преобразователя

щее время разработаны полупроводниковые преобразователи для регулирования мощности [13], которые позволяют повышать коэффициент мощности локомотива и его электромагнитную совместимость с системой электроснабжения. Электрическая энергия из контактной сети переменного тока непрерывно поступает на промежуточные накопители электрической энергии локомотива через трансформатор с секционированными вторичными обмотками и неуправляемый выпрямитель, а из контактной сети постоянного тока - через делитель напряжения. Плавное регулирование тока в контурах промежуточные накопители энергии - ТЭД выполняется двухоперационными силовыми полупроводниковыми приборами. Дву-хоперационные приборы в пределах каждой зоны регулирования находятся постоянно в непроводящем состоянии, переводятся в режим управления известными способами импульсного регулирования и импульсной модуляции или постоянно находятся в проводящем состоянии.

Данным способом регулирования и соединением элементов устройства обеспечивается плавное изменение мощности нагрузки за счет регулирования постоянного тока в нагрузке с переключением секций вторичной обмотки трансформатора при питании от источника энергии переменного тока или с переключением выводов дели-

теля напряжения при питании от источника энергии постоянного тока.

Таким образом, заявляемый способ и устройство регулирования мощности нагрузки соответствуют критерию изобретения «новизна» и полученные технические решения позволяют изменять входное электрическое сопротивление, при этом регулятор мощности приобретает новые свойства - электрического полупроводникового вариатора (ЭПВ), названного по аналогии с механическим вариатором, передающим крутящий момент с изменением передаточного отношения, на входе и на выходе изменяя соотношение между частотой вращения и вращающим моментом. Такое же свойство приобретает и электрический вариатор, у которого изменяется соотношение напряжения на входе и выходе и при изменении этого соотношения изменяются соотношения токов на входе и на выходе этого устройства. С другими параметрами управления СПП подводимое напряжение для тяги поездов и для нетяговых нужд будет использоваться полностью. С помощью разработанных технических решений можно приблизить Км к единице, а с помощью элементов вариатора имеем возможность увеличить продолжительность необратимого преобразования, а также компенсировать реактивную энергию как источник электромагнитных помех.

Проведено метаматематическое моделирование разрабатываемых устройств в среде Sim-пакета программ MATLAB [14, 15] в условиях ведения поезда на скорости 5 км/ч с номинальной загрузкой 8 тяговых электродвигателей. Токи во вторичной обмотке тягового трансформатора на входе ВИПа 5511 А (рис. 5), на входе электрического полупроводникового вариатора (ЭПВ) 453 А (рис. 7). В обмотках 8 ТЭД, ток близкий к номинальному. Осциллограммы напряжений и токов во вторичной и первичной обмотках подтверждают результаты расчетов с помощью анализаторов гармоник (красные индикаторы) К = 0,09 при работе ВИПа (рис. 6) и К =0,0545 при работе ЭПВ (рис. 8). Значения результатов моделирования не превышают и половины от номинального тока.

Выводы

1. Применение перспективной элементной базы на основе карбида кремния (SiC), нитрида галлия (GaN) и алмаза для решения обозначенных проблем и повышения энергоэффективности с применением новых схемотехнических решений и алгоритмов даст значительный синергетический эффект в области выполнения стратегии энергоэффективности и энергосбережения.

2. Разработанное устройство универсально и предназначено для регулирования мощности электротехнологических установок в различных областях промышленности: тяговый электропривод подвижного состава железных дорог, город-

ского транспорта с коллекторными и бесколлекторными тяговыми электродвигателями, электропривод вспомогательных машин подвижного состава, технологические процессы электрообогрева помещений, сушильные установки, устройства упрочнения поверхности металлов, кондиционеры и др.

Основные технические характеристики: мощность 20 кВт - 10 МВт, напряжение 400 -3000 В, масса 30 - 2000 кг. Диапазон регулирования мощности: 0 - номинальная мощность.

Преимущества научно-технической разработки: в отличие от регуляторов мощности различного назначения российского и зарубежного производства у электрического полупроводникового вариатора изменяется соотношение токов в электронагревательных элементах и на входе вариатора в процессе регулирования мощности. С увеличением глубины регулирования мощности ток на входе вариатора становится меньше тока в электронагревателях во столько раз, во сколько раз напряжение на выходе вариатора меньше напряжения на входе вариатора. Если потерями мощности в вариаторе пренебречь, то полная мощность на входе вариатора равна активной мощности, а из питающей сети потребляется минимальный ток, необходимый для генерирования тепловой энергии.

Рис. 7. Математическая модель электрического полупроводникового вариатора

Рис. 8. Осциллограммы напряжений и токов во вторичной и первичной обмотках

3. Схемотехническое решение позволяет уйти от многозонного регулирования при такой же мощности тягового привода на электровозах. Коэффициент нелинейных искажений формы кривой тока на входе вариатора позволяет его эксплуатировать без дополнительных фильтров.

Экономический эффект: снижение потерь электрической энергии на 20-40 % от общего электропотребления электротермическими уста-

новками. Устранение затрат на изготовление фильтров за счет снижения электромагнитных помех, генерируемых известными преобразователями, и колебаний напряжения.

4. Коммутация тока в режиме тяги и рекуперации выполняется в момент перехода переменного напряжения через ноль, а электрический потенциал источников энергии используется практически под 100 % и не искажается, коммутация

Транспорт

приборов происходит в момент перехода через ноль на всем интервале скорости и тяговом режиме.

5. Устройство предназначено для регулирования управления производительностью группы мотор-вентиляторов электровозов переменного тока. Электрический полупроводниковый вариатор состоит из тиристоров, системы управления на микроконтроллере, датчиков температуры, датчиков тока, датчиков напряжения и трехфазных асинхронных электродвигателей.

Основные технические характеристики: мощность 30 кВт, напряжение 400 В, частота 50/25 Гц, масса 20 кг. Диапазон регулирования мощности: 30 220 кВт.

Преимущества научно-технической разработки: в отличие от преобразователей частоты различного назначения Российского и зарубежного производства у электрического полупроводникового вариатора в процессе управления производительностью мотор-вентиляторов изменяется частота напряжения на выходе, действующее напряжение и входное электрическое сопротивление устройства, соотношение токов в обмотках электродвигателей и на входе вариатора в процессе регулирования мощности. Коэффициент нелинейных искажений формы кривой тока на входе вариатора на 90 % меньше, чем на входе известных аналогов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тамм И.Е Основы теории электричества. М. : Наука, 1989. 504 с.

2. Умов Н.А. Избранные сочинения. М.-Л. : Гос-техиздат, 1950. 571 с.

3. Poynting J.H. On the Transfer of Energy in the Electromagnetic Field / Philosactions of the Royal Society. London: 175, 1884. Pp. 343-361.

4. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М. : Энергия, 1978. 319 с.

5. Электронные преобразователи для ресурсосберегающих технологий / Т.Л. Алексеева, Н.Л. Рябченок, Н.М. Астраханцева, Л.А. Астрахан-цев. Иркутск : ИрГУПС, 2010. 240 с.

6. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. М. : Техносфера, 2011. 576 с. http : //www .fbh-berlin.com/research/specialpro -jects/hiposwitch.

7. ALSTOM : [site]. URL: http://www.alstom.com /products-services/product-catalogue/rail-systems /compone-nts/auxiliary-converters/. (access date: 12.03.2016).

8. Mitsubishi Electric Corporation : [site]. URL: http://www.mitsubishielectric.com/news/2015/062 2-a.html. (access date: 12.03.2016).

9. Тихменев Б.Н., Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М. : Транспорт, 1988. 311 с.

10.Михальчук Н.Л., Макаров В.В. Электромагнитная совместимость электровозов однофазно-постоянного тока и электроснабжения общего назначения // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы четвертой всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участ. Т. 2. Иркутск, 2013. С. 547.

11. Электронные преобразователи / Н.Л. Рябченок и др. // Железнодорожный транспорт. 2008. №10. С. 78-80.

12.Пат. № 2427878. Рос. Федерация. Способ и устройство регулирования мощности нагрузки / Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, Н.Л. Михаль-чук, Л.А. Астраханцев и др. ; патентообладатель Иркут гос. ун-т путей сообщ. ; опубл. 10.10.2009.

13.Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB-SimPowerSystem-Simulink. СПб. : ПИТЕР, 2008. 288 с.

14. Герман-Галкин С.Г. Школа MATLAB. Урок 12. Исследование импульсного повышающего регулятора постоянного напряжения // Силовая электроника. 2010. № 1.