Розвиток наукових основ створення тягових електропередач багатосистемних електровозів
Loading...
Files
Date
2011
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Abstract
UKR: Дисертація присвячена проблемам, які пов’язані зі створенням уніфікованих тягових електропередач багатосистемних електровозів для забезпечення процесу перевезень одним видом локомотива при різних можливих сполученнях напруг у контактній мережі (3 кВ, 6 кВ, 12 кВ, 24 кВ постійного струму та 25 кВ змінного струму). Запропоновано і науково обґрунтовано варіанти структурних схем статичних перетворювачів підвищеної частоти, які при різних сполученнях видів напруг та тягових двигунів забезпечують підвищення коефіцієнта корисної дії електричної тяги постійного струму до 79…84%. Отримані наукові результати дозволяють надати рекомендації щодо проектування та виробництва нового енергоефективного багатосистемного електрорухомого складу, тягова електропередача якого базується на статичному перетворювачі підвищеної частоти.
RUS: Диссертация посвящена проблемам, которые связаны с созданием унифицированных тяговых электропередач многосистемных электровозов для обеспечения процесса перевозок одним видом локомотива при разных возможных сочетаниях напряжений в контактной сети (3 кВ, 6 кВ, 12 кВ, 24 кВ постоянного тока и 25 кВ переменного тока), что является целесообразным с точки зрения повышения эффективности эксплуатации как системы электроснабжения, так и электродвижущего состава. В составе тяговой электропередачи многосистемного электровоза предлагается использовать статический преобразователь со звеном повышенной частоты. Такой преобразователь состоит из двух контуров: сетевого и тягового. Сетевой контур отвечает за взаимодействие тягового преобразователя с питающей контактной сетью, в независимости от уровня напряжения в ней. В режиме переменного тока в его состав входит: выпрямитель, фильтр-накопитель, инвертор, трансформатор повышенной частоты. В режиме питания от контактной сети постоянного тока из состава сетевого контура исключается входной выпрямитель. Тяговый контур обеспечивает питание и реализацию необходимых режимов работы тягового двигателя. При использовании асинхронных тяговых двигателей в состав тягового контура входят: выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора повышенной частоты и трехфазный инвертор. Для уменьшения массогабаритных показателей электрооборудования многосистемного электровоза требуется повысить его рабочие частоты. С точки зрения уменьшения габаритов достаточной являться частота 500 Гц, а для уменьшения массы – 1400 Гц. Разработаны теоретические положения по унификации преобразовательных структур многосистемных электровозов, определен уровень надежности этих структур. Сравнение структурной надежности преобразовательных структур позволили выделить системы с наименьшим временем достижения вероятности безотказной работы уровня 0,95, которые были исключены из дальнейших исследований. При проведении оптимизации преобразовательных структур, с целью выявления системы, имеющей наибольший уровень унификации, использовалась целевая функция. Целевая функция – есть математическое описание зависимости затрат на производство и использование данной продукции от значений параметров, которые оптимизируются, и от временных параметров. В частности, в работе зависимость стоимости силовых полупроводниковых приборов от их параметров учтено при помощи параметра «ток-класс». Исследованы основные вопросы относительно построения тягового трансформатора повышенной частоты и конструктивных показателей преобразователя. Обосновано, что с учетом влияния специфических условий эксплуатации тягового электроподвижного состава, для обеспечения нужных габаритов оборудования, энергетических показателей и других требований частота тока в предлагаемых преобразователях должна быть от 2076 Гц до 827 Гц, при использовании современных материалов для магнитопроводов трансформаторов мощностью от 1000 кВА до 6300 кВА и современных полупроводниковых приборов. Использование SGCT, IGCT приборов в составе преобразователей является более предпочтительным по отношению к IGBT: использование SGCT тиристоров с принудительным воздушным охлаждением, по сравнению со статическими преобразователями на IGBT транзисторах с водяным охлаждением, позволяет уменьшить удельный объем статического преобразователя для асинхронного привода в 1,5 раза. Рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости многосистемного электровоза с системами СЦБ и связи электрифицированных участков железных дорог. Предложенные и научно обоснованные варианты структурных схем статических преобразователей повышенной частоты, которые при разных сочетаниях видов напряжений и тяговых двигателей обеспечивают повышение коэффициента полезного действия электрической тяги постоянного тока до 79...84%. Полученные научные результаты позволяют дать рекомендации по проектированию и производству нового энергоэффективного многосистемного электроподвижного состава, тяговая электропередача которого базируется на статическом преобразователе повышенной частоты.
ENG: The thesis deals with designing of the uniform traction electric power transmissions for multisystem electric locomotives for realization of the transportation process with one type of locomotive at different values of voltage in overhead contact system (kV DC: 3kV, 6kV, 12kV, 24kV and 25 kV AC). Variants of block diagrams of overfrequency static converters have been proposed and scientifically substantiated. These converters allow to raise coefficient of efficiency of DC electric traction up to 79...84%. Scientific results obtained in the work allow to give recommendations for designing and manufacturing of a new energy efficient multisystem electric rolling stock, which traction electric power transmission is based on the static overfrequency converter.
RUS: Диссертация посвящена проблемам, которые связаны с созданием унифицированных тяговых электропередач многосистемных электровозов для обеспечения процесса перевозок одним видом локомотива при разных возможных сочетаниях напряжений в контактной сети (3 кВ, 6 кВ, 12 кВ, 24 кВ постоянного тока и 25 кВ переменного тока), что является целесообразным с точки зрения повышения эффективности эксплуатации как системы электроснабжения, так и электродвижущего состава. В составе тяговой электропередачи многосистемного электровоза предлагается использовать статический преобразователь со звеном повышенной частоты. Такой преобразователь состоит из двух контуров: сетевого и тягового. Сетевой контур отвечает за взаимодействие тягового преобразователя с питающей контактной сетью, в независимости от уровня напряжения в ней. В режиме переменного тока в его состав входит: выпрямитель, фильтр-накопитель, инвертор, трансформатор повышенной частоты. В режиме питания от контактной сети постоянного тока из состава сетевого контура исключается входной выпрямитель. Тяговый контур обеспечивает питание и реализацию необходимых режимов работы тягового двигателя. При использовании асинхронных тяговых двигателей в состав тягового контура входят: выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора повышенной частоты и трехфазный инвертор. Для уменьшения массогабаритных показателей электрооборудования многосистемного электровоза требуется повысить его рабочие частоты. С точки зрения уменьшения габаритов достаточной являться частота 500 Гц, а для уменьшения массы – 1400 Гц. Разработаны теоретические положения по унификации преобразовательных структур многосистемных электровозов, определен уровень надежности этих структур. Сравнение структурной надежности преобразовательных структур позволили выделить системы с наименьшим временем достижения вероятности безотказной работы уровня 0,95, которые были исключены из дальнейших исследований. При проведении оптимизации преобразовательных структур, с целью выявления системы, имеющей наибольший уровень унификации, использовалась целевая функция. Целевая функция – есть математическое описание зависимости затрат на производство и использование данной продукции от значений параметров, которые оптимизируются, и от временных параметров. В частности, в работе зависимость стоимости силовых полупроводниковых приборов от их параметров учтено при помощи параметра «ток-класс». Исследованы основные вопросы относительно построения тягового трансформатора повышенной частоты и конструктивных показателей преобразователя. Обосновано, что с учетом влияния специфических условий эксплуатации тягового электроподвижного состава, для обеспечения нужных габаритов оборудования, энергетических показателей и других требований частота тока в предлагаемых преобразователях должна быть от 2076 Гц до 827 Гц, при использовании современных материалов для магнитопроводов трансформаторов мощностью от 1000 кВА до 6300 кВА и современных полупроводниковых приборов. Использование SGCT, IGCT приборов в составе преобразователей является более предпочтительным по отношению к IGBT: использование SGCT тиристоров с принудительным воздушным охлаждением, по сравнению со статическими преобразователями на IGBT транзисторах с водяным охлаждением, позволяет уменьшить удельный объем статического преобразователя для асинхронного привода в 1,5 раза. Рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости многосистемного электровоза с системами СЦБ и связи электрифицированных участков железных дорог. Предложенные и научно обоснованные варианты структурных схем статических преобразователей повышенной частоты, которые при разных сочетаниях видов напряжений и тяговых двигателей обеспечивают повышение коэффициента полезного действия электрической тяги постоянного тока до 79...84%. Полученные научные результаты позволяют дать рекомендации по проектированию и производству нового энергоэффективного многосистемного электроподвижного состава, тяговая электропередача которого базируется на статическом преобразователе повышенной частоты.
ENG: The thesis deals with designing of the uniform traction electric power transmissions for multisystem electric locomotives for realization of the transportation process with one type of locomotive at different values of voltage in overhead contact system (kV DC: 3kV, 6kV, 12kV, 24kV and 25 kV AC). Variants of block diagrams of overfrequency static converters have been proposed and scientifically substantiated. These converters allow to raise coefficient of efficiency of DC electric traction up to 79...84%. Scientific results obtained in the work allow to give recommendations for designing and manufacturing of a new energy efficient multisystem electric rolling stock, which traction electric power transmission is based on the static overfrequency converter.
Description
А. Муха: ORCID 0000-0002-5629-4058
Захист – 2011 р., Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Захист – 2011 р., Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Keywords
багатосистемні електровози, підвищена напруга постійного струму, коефіцієнт корисної дії, тяговий перетворювач, електротранспорт, підвищена частота, уніфікація, енергетична ефективність, многосистемные электровозы, повышенное напряжение постоянного тока, коэффициент полезного действия, тяговый преобразователь, повышенная частота, унификация, энергетическая эффективность, multisystem electric locomotives, DC excess voltage, coefficient of efficiency, traction converter, overfrequency, unification, energy efficiency, КАЕ
Citation
Муха А. М. Розвиток наукових основ створення тягових електропередач багатосистемних електровозів : автореф. дис. … д-ра техн. наук : 05.22.09. Дніпропетровськ, 2011. 35 с.