THE SPECIFIC VOLUME DETERMINATION OF STATIC CONVERTERS OF THE TRACTION DRIVE WITH DC MOTORS FOR MANY SYSTEM OF ELECTRIC LOCOMOTIVES

УДК

629.423

А

.

М

.

МУХА

,

О

.

В

.

КУЗНЄЦОВ

(

ДІІТ

)

ВИЗНАЧЕННЯ

ПИТОМОГО

ОБ

’

ЄМУ

СТАТИЧНИХ

ПЕРЕТВОРЮ

-ВАЧІВ

ТЯГОВОГО

ЕЛЕКТРОПРИВОДУ

З

ДВИГУНАМИ

ПОСТІЙ

-НОГО

СТРУМУ

ДЛЯ

БАГАТОСИСТЕМНИХ

ЕЛЕКТРОВОЗІВ

Устаттіпорушеніпитаннявизначенняпитомогооб’ємустатичнихперетворювачівдлябагатосистемно

-гоелектрорухомогоскладізалізниць.

Встатье затронуты вопросы определения удельного объемастатических преобразователей для много

-системногоэлектроподвижногосоставажелезныхдорог.

The issues of determination of specific volume of static converters for multisystem railway electric rolling stock are touched on in the article.

Вступ

Основою сучасноготягового електроприво

-ду є статичні перетворювачі, структура яких визначається видом тягового двигуну. Основні структуриі схемо технічні рішення для тради

-ційного електрорухомого складу (ЕРС) досить повно представлені у літературі [1, 2, 3, 4 та ін.]. Але ж загально відомі недоліки системи тяговогоелектропостачаннянапругою 3 кВпо

-стійногоструму [5 та ін.] танеобхідністьзабез

-печення процесу перевезень на електрифікова

-них залізницях незалежно від роду струму та значеннянапругиуконтактніймережібеззамі

-ниелектровозівнастанціяхстикуваннявимагає використаннятяговогоелектрорухомогоскладу який може працювати якпри постійному так і змінному струмах прирізних рівнях напругиу контактній мережі. Такий тяговий електрору

-хомийскладназиваємобагатосистемним.

Створення багатосистемних електровозів стало можливим дякуючи успіхам силової на

-півпровідникової техніки – появі повністю ке

-рованих вентилів, підвищення класу приладів таїхробочихструмів.

Поява нової елементної бази призвела до удосконалення існуючих та створення нових схемних та конструктивних рішень для пере

-творювачів. Ведучими фірмами-виробниками статичних перетворювачів зокрема були ство

-рені загальнопромислові приводи з двигунами постійного та змінного струмів та перетворю

-вачііншогофункціональногопризначення.

Безумовно, такізміни не обминули й тягові статичніперетворювачі, якіживлятьтяговідви

-гуниелектровозівтаелектропоїздів.

Але ж питання визначення взаємного зв’язку між потужністю тягового приводу та масо-габаритними показниками статичного пе

-ретворювача, щоєневід’ємноюйогочастиною,

непорушувалось, тому авторомпроведеноана

-ліз промислових перетворювачів для розробки рекомендацій по раціональних конструктивних показникахперетворювачівтяговогоприводу.

Мета роботи

Дослідити питання визначення питомого об’єму статичних перетворювачів для багато

-системногоелектрорухомогоскладузалізницьз тяговимидвигунамипостійногоструму.

Матеріал і результати дослідження Традиційно питомий об’єм визначаємо як:

P

V V

P

= [м3_{/кВт], де V – об’ємстатичного пере}

-творювача, м3; P – потужність перетворювача, кВт [6].

Вихідними даними є: потужність, габарити,

елементнабазатавидохолодженнянапівпрові

-дниковихключівіснуючихперетворювачів.

У представленій роботі проаналізовані ос

-новні показники перетворювачів таких фірм та підприємств: Siemens, ВАТ «Запорізький завод

«Преобразователь» (Запоріжжя, Україна), ВАТ НДІ «Преобразователь» (Запоріжжя, Україна),

ВО «Электровыпрямитель» (Саранськ, Росія), «Харківський електромеханічний завод» (Хар

-ків, Україна) та інших підприємств країн СНД

(колишньогоСРСР).

Загалом проаналізовано 322 перетворювача,

з них: фірми Siemens (60), ВАТ «Запорізький завод «Преобразователь» (163), підприємств колишньогоСРСР (99).

Було проведено аналіз статичних перетво

825 (низьковольтні) та високовольтні перетво

-рювачізнапругами 1050, 2500, 3000, 3300 В.

До уваги приймалися перетворювачі з по

-тужністюпонад 75 кВт включно, оскільки ана

-ліз конструкцій існуючих перетворювачів ве

-дучих фірм виробників показав, що саме з цієї потужності починається ряд конструктивного виконаннявсіхпотужнихперетворювачів.

Представлені надалі залежності питомого об’єму V_P = f P

( )

відпотужностіперетворюва -чів враховують тип елементної бази, вид охо

-лодження.

По-перше, розглянемо конструктивні показ

-ники перетворювачів виробництва країн СНД,

оскількивонимаютьтужсамуінженернушко

-лу, атомусхожітехнічнірішення.

На рис. 1 представлена залежність

( )

P

V = f P , побудована за експериментальним даними для перетворювачів ВАТ «Запорізький завод «Преобразователь» (елементнабаза – ти

-ристор, охолодження – примусове повітряне) з діапазономробочихнапругдоодногокВ.

Рис. 1. Залежністьпитомогооб’ємуперетворювачів ВАТ «Запорізькийзавод «Преобразователь» (елеме

-нтнабаза – тиристор, охолодження – примусовепо

-вітряне) здіапазономробочихнапругдоодногокВ,

відпотужностіперетворювачів

Для отримання аналітичних залежностей для питомого об’єму від їх потужності прове

-демо апроксимацію експериментальних зна

-чень (рис. 2).

Залежністьпитомогооб’ємуперетворювачів відпотужності апроксимувались за допомогою наступних виразів (у загальному вигляді):

( )

1 2

0 1 2

⎛₋ ⎞ ⎛₋ ⎞

⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= + +

x x

t t

y x y A e A e (експоненціальна другогопорядку).

Прицьому коефіцієнти апроксимації мають наступні значення: y₀ =0; A1=0,00223;

1 3942,92663

t = ; A2 =0,01657; t2=239,70193.

Тоді вираз для апроксимованої залежності

( )

P

V = f P маєвигляд:

( )

3942.92663

P

239.70193

0 0,00223

0.01657 .

P

P

V P e

e

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

= + ⋅ +

+ ⋅

Рис. 2. Результатиапроксимаціїзалежностіпитомо

-гооб’ємуперетворювачівВАТ «Запорізькийзавод

«Преобразователь» (елементнабаза – тиристор,

охолодження – примусовеповітряне) здіапазоном робочихнапругдоодногокВ, відпотужності

перетворювачів

Рис. 3. Результатиапроксимаціїзалежностіпитомо

-гооб’ємуперетворювачівВАТ «Запорізькийзавод

«Преобразователь» (елементнабаза – тиристор,

охолодження – водяне) здіапазономробочихнапруг доодногокВ, відпотужностіперетворювачів Аналогічноотримуємоаналітичнізалежнос

-тіпитомогооб’ємудляіншихперетворювачів.

Представимо коефіцієнти апроксимації за експоненціальноюзалежністюдругого порядку для залежності V_P = f P

( )

по кожному з типів перетворювачівувиглядітабл. 1.

Отриманізалежностідозволяютьупершому наближенні оцінитивплив системи охолоджен

-ня перетворювача на його габаритні розміри,

-стізрис. 2 тарис. 3 воднійсистемікоординат

(рис. 4).

Рис. 4. Впливвидуохолодженнянагабаритнірозмі

-риперетворювачівВАТ «Запорізькийзавод «Пре

-образователь» (елементнабаза – тиристор)

здіапазономробочихнапругдоодногокВ Аналізпредставленихнарис. 4 залежностей тавикористанняпредставленихутабл. 1 коефі

-цієнтівапроксимації дозволяє порівняти, у від

-сотках, виграшвідвикористанняводяного охо

-лодження в перетворювачах, які живлять дви

-гунипостійногоструму.

Так, використання водяного (рідинного)

охолодження для перетворювачем потужністю

4000 кВтдозволяєвигратиприблизно 7,4 % від загальногооб’ємуперетворювача, упорівнянні зтакимсамим за потужністю перетворювачем,

якийпобудованозвикористанням примусового повітряногоохолодження.

Представимоцейрозрахунок.

Питомий об’єм перетворювача потужністю

4000 кВт, набазітиристорівзпримусовимохо

-лодженнямдорівнює:

(

)

3942,926634000

PПП

4000

3 4 239,70193

4000 0 0,00223

м

0,01657 8,086 10 _кВт .

V e

e

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟ ₋

⎝ ⎠

= + ⋅ +

⎡ ⎤

+ ⋅ = ⋅ _{⎢ ⎥}

⎣ ⎦

Питомий об’єм перетворювача потужністю

4000 кВт на базі тиристорів з водяним охоло

-дженнямдорівнює:

(

)

331,482364000

PВод

4000

3 4 3063,27429

4000 0,000158 0,01263

м

0,00218 7,488 10 _кВт .

V e

e

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟ ₋

⎝ ⎠

= + ⋅ +

⎡ ⎤

+ ⋅ = ⋅ _{⎢ ⎥}

⎣ ⎦

Приймаючи показники системи з примусо

-вимповітряним охолодженнямза 100 %, отри

-маємо наступну відносну зміну питомого об’ємуперетворювача:

PПП PВод

P

PПП

4 4

4

100 %

8,086 10 7,488 10

100 % 7,39 %. 8,086 10

V V

V

V

− −

− −

∆ = ⋅ =

⋅ − ⋅

= ⋅ =

⋅

Проаналізуємо конструктивні показники інших перетворювачів виробництва підпри

-ємствколишньогоСРСР [7]. Нарис. 5 предста

-влені результати апроксимації залежності пи

-томого об’єму перетворювачів виробництва підприємств колишнього СРСР (елементна ба

-за – тиристор, охолодження – примусовеповіт

-ряне) з діапазоном робочих напруг до одно-

гокВ.

На рис. 6. представлено порівняння резуль

-татів апроксимації залежностіпитомогооб’єму перетворювачівпідприємствколишньогоСРСР та перетворювачів ВАТ «Запорізький завод

«Преобразователь».

Рис.5. Результатиапроксимаціїзалежностіпитомого об’ємуперетворювачіввиробництвапідприємств

колишньогоСРСР (елементнабаза – тиристор,

охолодження – примусовеповітряне) здіапазоном робочихнапругдоодногокВ, відпотужності

перетворювачів

При аналізі розглянуто перетворювачі для живлення двигунівпостійного струм напругою доодногокВ.

Як бачимо (рис. 6), показники питомого об’єму перетворювачів ВАТ «Запорізький за

-вод «Преобразователь» єкращимиупорівнянні з аналогічними показниками перетворювачів іншихпідприємствколишньогоСРСР.

Саме тому для подальшого дослідження впливу типу елементної бази та призначення перетворювачів (загальнопромислового або тягового виконання) за базові показники при

-ймаємо показники перетворювачів ВАТ «Запо

Рис. 6. Порівняннярезультатівапроксимаціїзалеж

-ностіпитомогооб’ємуперетворювачівпідприємств колишньогоСРСРтаперетворювачівВАТ «Запорі

-зькийзавод «Преобразователь»

Розглянемо вплив тягового виконання на конструктивні показники перетворювачів, по

-будованих звикористанням тиристорів тапри

-мусового повітряного охолодження (яке вико

-ристовуєтьсяна тягових перетворювачах рухо

-мого складу виробництва колишнього СРСР,

щоексплуатуєтьсяназалізницяхУкраїни).

Нарис. 7 таутабл. 1 представленірезульта

-ти апроксимації показників питомого об’єму тягових перетворювачів для рухомого складу виробництва колишнього СРСР (елементна ба

-за – тиристор, охолодження – примусовеповіт

-ряне).

Нарис. 8 представимопорівнянняпитомого об’єму перетворювачів тягового виконання та загальнопромислового (наприкладі перетворю

-вачів ВАТ «Запорізький завод «Преобразова

-тель») (елементна база – тиристор, охолоджен

-ня – примусовеповітряне).

Використовуючиметодикувизначеннякіль

-кісної оцінки виграшу від використання водя

-ногоохолодження, визначимонаскільки відсо

-тків відрізняються габаритні розміри загально

-промислових та тягових перетворювачів на прикладіперетворювачапотужністю 4000 кВт.

Питомийоб’ємзагальнопромислового пере

-творювачапотужністю 4000 кВт, набазітирис

-торівзпримусовимохолодженнямдорівнює:

(

)

3942,926634000

PЗагПром

4000

3 4 239,70193

4000 0 0,00223

м

0,01657 8,086 10 _кВт .

V e

e

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟ ₋

⎝ ⎠

= + ⋅ +

⎡ ⎤

+ ⋅ = ⋅ _{⎢ ⎥}

⎣ ⎦

Питомий об’ємтягового перетворювача по

-тужністю 4000 кВтна базітиристорівзприму

-совимохолодженнямдорівнює:

(

)

2778,602494000

PТяг

4000

3

4 4378,89879 4

4000 0 0,00273

м

7,18075 10 3,59 10 _кВт .

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛₋ ⎞

⎜ ⎟

− ⎝ ⎠ −

= + ⋅ −

⎡ ⎤

− ⋅ ⋅ = ⋅ _{⎢ ⎥}

⎣ ⎦

V e

e

Рис. 7. Результатиапроксимаціїпоказниківпитомо

-гооб’ємутяговихперетворювачівдлярухомого складувиробництваколишньогоСРСР (елементна

база – тиристор, охолодження – примусове

повітряне)

Рис. 8. Порівнянняпитомогооб’ємуперетворювачів тяговоговиконаннятазагальнопромислового

(елементнабаза – тиристор, охолодження –

примусовеповітряне)

Приймаючи показники загальнопромисло

-вого перетворювача з примусовим повітряним охолодженням за 100 %, отримаємо наступну відносну зміну питомого об’єму перетворю

-вача:

PЗагПром PТяг

P

PЗагПром

4 4

4

100 %

8,086 10 3,59 10

100 % 55,6 %. 8,086 10

V V

V

V

− −

− −

∆ = ⋅ =

⋅ − ⋅

= ⋅ =

⋅

Тобто тягові перетворювачі займають при

обумовлено обмеженістю кузовного простору електровозу.

Слід відмітити, що перетворювачі, констру

-ктивні показники яких досліджував автор, по

-будовані за класичною структурою: трансфор

-матор – керований випрямляч (з відповідними фільтрами), живлення цих перетворювачів, в

т.ч. тягових, здійснюється від мережі змінного струму.

Тому при використанні некласичної струк

-туриперетворювача або при живленівід мере

-жіпостійного струмуконструктивні показники можутьзмінюватися.

Перетворювачівітчизняноговиробництвата виробництва країн колишнього СРСР, проана

-лізовані автором, побудовані з використанням елементноїбазисвогочасу.

На сучасному рівні розвитку силової напів

-провідникової техніки параметри приладів до

-зволяють будуватиперетворювачі без викорис

-тання групового з’єднання приладів. Крупні світові компанії, наприклад Siemens, маютьго

-тові технічні рішення з використанням найсу

-часніших силових напівпровідникових венти

-лів. Виходячи з вищезазначеного, доцільним є проаналізувати, яким чином тип елементної базивпливаєнаконструктивніпоказники пере

-творювачів.

Для виконання цього завдання порівняємо питомі об’єми загальнопромислових перетво

-рювачів ВАТ «Запорізький завод «Преобразо

-ватель» та перетворювачів серії Simoreg DC Master фірми Siemens (елементна база – тирис

-тор, охолодження – примусовеповітряне).

На рис. 9 представлена залежність

( )

P

V = f P для перетворювачів серії Simoreg

DC Master фірми Siemens (елементнабаза – ти

-ристор, охолодження - примусове повітряне) з діапазономробочихнапругдоодногокВ.

Провести порівняння показників питомого об’ємуміжперетворювачами заводу «Преобра

-зователь» и перетворювачамисерії Simoreg DC Master фірми Siemens на підставі отриманих залежностей можливо тільки в обмеженому

діапазоні потужностей (Simoreg тільки до 2000 кВт). Але ж якщо розташувати отримані апроксимовані залежності в одній системі ко

-ординат (рис. 10), то підтверджуєтьсязагально

-відомий факт доцільності використання сучас

-нихпотужнихнапівпровідниковихелементів.

Рис. 9. Результатиапроксимаціїпоказниківпитомо

-гооб’ємуперетворювачівсерії Simoreg DC Master

фірми Siemens (елементнабаза – тиристор, охоло

-дження – примусовеповітряне) здіапазоном

робочихнапругдоодногокВ

Рис. 10. Порівнянняпитомогооб’ємуперетворюва

-чівзагальнопромисловихперетворювачівВАТ «Запорізькийзавод «Преобразователь» таперетво

-рювачівсерії Simoreg DC Master фірми Siemens

Загальні висновки

1. Проведенийаналіз габаритнихпоказни

-ків перетворювачів різної потужностідля тяго

-вого електроприводу з двигунами постійного струму дозволив визначити аналітичні залеж

-ність питомого об’ємутягового перетворювача відпотужності.

2. При проведенні аналізу перетворювачі групувались за наступними критеріями: вироб

-ник, діапазон робочих напруг, елементна база,

системаохолодження.

3. Проведений аналіз конструктивних по

-казників показав, що тягові перетворювачі за

-ймаютьприблизнона 50…60 % меншийоб’єм,

у порівнянні з загальнопромисловими перетво

-рювачами, що обумовлено обмеженістю кузов

Таблиця 1

КоефіцієнтиапроксимаціїдлязалежностіV_P = f P

( )

длярізнихперетворювачів

Коефіцієнти Типперетворювача

0

y A₁ t₁ A₂ t₂

ПеретворювачіВАТ «Запорізькийзавод

«Преобразователь» (тиристор, примусове

повітрянеохолодження), доодногокВ 0 0,00223 3942,9266 0,01657 239,70193 ПеретворювачіВАТ «Запорізькийзавод

«Преобразователь» (тиристор, водяне

охолодження), доодногокВ 1,580E-4 0,01263 331,48236 0,00218 3063,2712 Перетворювачіпідприємствколишнього

СРСР (тиристор, примусовеповітряне

охолодження), доодногокВ 0 0,01041 525,68619 0,00412 20755,954 Тяговіперетворювачіпідприємствколи

-шньогоСРСР (тиристор, примусовепові

-трянеохолодження), доодногокВ 0 0,00273 2778,6024 -7,1807E-4 4378,8987 Перетворювачісерії Simoreg DC Master

фірми Siemens (елементнабаза – тирис

-тор, охолодження – примусовеповітряне),

доодногокВ

0 1,0221E-4 361,08463 0,00127 62,8627

4. Вплив елементної бази перетворювача на залежність питомого об’єму перетворювача від потужності пояснюється, в першу чергу,

залежністю габаритних розмірів системи охо

-лодженнявідвтратпотужності насиловихеле

-ментах перетворювача. Так, перетворювачі ви

-робників країн колишнього СРСР характери

-зуються гіршими показниками у порівнянні з перетворювачами західних виробників, оскіль

-ки елементною базою цих перетворювачів є прилади з меншим класом та номінальним струмом.

5. Перетворювачі, конструктивні показни

-ки яких досліджував автор, побудовані за кла

-сичною структурою: трансформатор – керова

-ний випрямляч (з відповідними фільтрами),

живлення цих перетворювачів, в тому числі тягових, здійснюється від мережі змінного струму.

6. При використанні некласичної структу

-ри перетворювача або при живлені від мережі постійного струму отримані конструктивні по

-казникиєбазовимидлявизначеннявідповідних показниківнетрадиційнихперетворювачів.

7. Отримані результати досліджень є ба

-зоюдлявизначенняконструктивнихпоказників перетворювачів тягового електроприводу на базітяговихдвигунівпостійногоструму.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙСПИСОК

1. Захарченко, Д. Д. Тяговые электрические ма

-шины[Текст]: учебникдлявузовж.-д. трансп. /

Д. Д. Захарченко, Н. А. Романов. – М.: Транс

-порт, 1991. – 343 с.

2. Калинин, В. К. Электровозы и электропоезда. [Текст] / В. К. Калинин. – М.: Транспорт, 1991. – 480 с.

3. Безрученко, В. М. Тягові електричні машини електрорухомогоскладу [Текст]: навч. посібник

/ В. М. Безрученко, В. К. Марченко, В. В. Чу

-мак. – Д.: Вид-воДНУЗТ, 2003. – 252 с.

4. Преобразовательныеустройстваэлектропоездов сасинхроннымитяговымидвигателями. [Текст] / А. М. Солодунов и др.; под ред. А. М. Соло

-дунова. – Рига: Зинантне, 1991. – 351 с.

5. Котельников, А. В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы

[Текст] / А. В. Котельников. – М.: Интекст, 2002. – 104 с.

6. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники

[Текст]: учебник. – Ч. 1 / Г. С. Зиновьев. – Но

-восибирск: Изд-воНГТУ, 1999. – 199 с.

7. Чиженко, И. М. Справочник попреобразовате

-льной технике [Текст] / И. М. Чиженко,

П. Д. Андриенко; подред. И. М. Чиженко. – К.:

Техніка, 1978. – 447 с.