Визначення частоти високочастотної ланки для перспективної схеми електрорухомого складу
Loading...
Files
Date
2014
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпропетровськ
Abstract
UK: Мета. Загальна протяжність електрифікованих ділянок залізниць України розподілена приблизно навпіл між ділянками постійного та змінного струмів. Для проходження місць стикування різних родів струму без зупинки поїзда застосовується двосистемний електрорухомий склад. Тому перспективним для залізниць України є впровадження саме такого рухомого складу нової концепції, тобто, з використанням асинхронного тягового привода. Окрім ряду переваг існує вагомий недолік рухомого складу подібної концепції, який полягає
в імпульсному відбиранні енергії з джерела живлення, що може вплинути на надійність роботи колійних пристроїв автоматики, а, отже, і на безпеку руху поїздів. Крім того, питома потужність тягового трансформатора значно поступається питомій потужності інших елементів тягового кола. Для усунення таких недоліків були запропоновані перспективні схеми із застосуванням проміжної ланки підвищеної частоти. Ланка складається із трансформатора та інвертора. Першочерговою задачею для впровадження перспективних схем
являється визначення робочої частоти високочастотної ланки. Методика. Для визначення максимальної робочої частоти комутації транзисторів в роботі використовується методика розрахунку теплових параметрів для напівпровідникових приладів. Для отримання аналітичного виразу кривої залежності енергії, яка виділяється при комутації IGBT (insulated-gate bipolar transistor) від струму його навантаження, застосовується метод апроксимації кривої. Результати. Встановлено, що допустима частота високочастотної ланки визначається струмом навантаження проміжного трансформатора. Визначено діапазон робочих частот ланки в залежності від струмів навантаження. Для заданого діапазону струмів виконано порівняльний аналіз комутаційних характеристик IGBT 65 класу виробництва компаній Infineon та ABB. Наукова новизна. Отримав подальший розвиток метод визначення максимальної робочої частоти проміжної ланки в схемі з використанням проміжного трансформатора підвищеної частоти. Практична значимість. Визначений діапазон робочих
частот високочастотної ланки дозволить розвинути подальші дослідження роботи силової схеми з застосуванням трансформатора підвищеної частоти електрорухомого складу подвійного живлення з асинхронним тяговим приводом, що зробить можливим оцінити ефективність впровадження схем подібної конфігурації.
RU: Цель. Общая протяженность электрифицированных участков железных дорог Украины распределена приблизительно в равных долях между участками постоянного и переменного токов. Для прохождения мест стыкования разных родов тока без остановки поезда применяется двухсистемный электроподвижной состав. Поэтому перспективным для железных дорог Украины является внедрение именно такого подвижного состава новой концепции, то есть с применением асинхронного тягового привода. Помимо ряда преимуществ существует весомый недостаток у подвижного состава подобной концепции, который заключается в импульсном отборе энергии от источника питания, что может повлиять на надежность работы путевых устройств автоматики, а, следовательно, и на безопасность движения поездов. Кроме того, удельная мощность тягового трансформатора значительно уступает удельной мощности других элементов тяговой цепи. Для устранения таких недостатков были предложены перспективные схемы с применением промежуточного звена повышенной частоты, которое состоит из трансформатора и инвертора. Первоочередной задачей для дальнейшего внедрения перспективной схемы является определение рабочей частоты высокочастотного звена. Методика. Для определения максимальной рабочей частоты коммутации транзисторов в работе используется методика расчета тепловых параметров полупроводниковых приборов. Для получения аналитических выражений кривых зависимости энергии, выделяемой при коммутации IGBT (insulated-gate bipolar transistor) от тока его нагрузки, применяется метод аппроксимации. Результаты. Установлено, что допустимая частота высокочастотного звена определяется током нагрузки промежуточного трансформатора. Определен диапазон рабочих частот звена в зависимости от токов нагрузки. Выполнен сравнительный анализ коммутационных характеристик IGBT 65 класса производства компаний Infineon и ABB. Научная новизна. Получил дальнейшее развитие метод определения максимальной рабочей частоты промежуточного звена в схеме с использованием промежуточного трансформатора повышенной частоты. Практическая значимость. Установленный диапазон рабочих частот высокочастотного звена позволит развить дальнейшие исследования работы силовой схемы с применением трансформатора повышенной частоты электроподвижного состава двойного питания с асинхронным тяговым приводом, что сделает возможным оценить эффективность внедрения схем подобной конфигурации.
EN: Purpose. Total mileage of Ukrainian electric railways is distributed approximately equally between the areas of direct and alternating current. A double system of electric rolling stock is used to pass jointing places of different current kinds without train’s stop. Therefore introduction of such rolling stock of a new concept that is using an asynchronous traction drive is prospective for Ukrainian railways. Apart from advantages a rolling stock of similar concept has significant disadvantages, it is pulse energy consumption from the power supply, and it can affect the reliability of track automatic devices, and consequently, the train traffic safety. In addition the specific power of traction transformer is considerably inferior to the power density of other traction elements. The promising schemes using an intermediary link of increased frequency, which consist of a transformer and inverter, have been proposed for disadvantages amendments. The main task for the further introduction of prospective circuit is to determine the operating frequency for high frequency link. Methodology. The method of thermal parameters calculation of semiconductor devices has been used for determination switching transistors of maximum operating frequency. To obtain analytical expressions curves of energy, released during the IGBT (insulated-gate bipolar transistor) switching from its current load approximation method is used. Findings. The permissible frequency of low-frequency link is determinated by load current of intermediate transformer. Operating frequency range of a link depending on load current has been determined. A comparative analysis of the switching characteristics of 65 class IGBT production by companies Infineon and ABB has been performed. Originality. The further determination method of the maximum operating frequency of intermediate link for circuit with high-frequency transformer has been developed. Practical value. The established operating frequency range of the highlevel link will develop further research of tractive circuit with high-frequency transformer use for double feed electric rolling stock with asynchronous tractive drive. It will evaluate the introduction effectiveness of similar configuration circuits.
RU: Цель. Общая протяженность электрифицированных участков железных дорог Украины распределена приблизительно в равных долях между участками постоянного и переменного токов. Для прохождения мест стыкования разных родов тока без остановки поезда применяется двухсистемный электроподвижной состав. Поэтому перспективным для железных дорог Украины является внедрение именно такого подвижного состава новой концепции, то есть с применением асинхронного тягового привода. Помимо ряда преимуществ существует весомый недостаток у подвижного состава подобной концепции, который заключается в импульсном отборе энергии от источника питания, что может повлиять на надежность работы путевых устройств автоматики, а, следовательно, и на безопасность движения поездов. Кроме того, удельная мощность тягового трансформатора значительно уступает удельной мощности других элементов тяговой цепи. Для устранения таких недостатков были предложены перспективные схемы с применением промежуточного звена повышенной частоты, которое состоит из трансформатора и инвертора. Первоочередной задачей для дальнейшего внедрения перспективной схемы является определение рабочей частоты высокочастотного звена. Методика. Для определения максимальной рабочей частоты коммутации транзисторов в работе используется методика расчета тепловых параметров полупроводниковых приборов. Для получения аналитических выражений кривых зависимости энергии, выделяемой при коммутации IGBT (insulated-gate bipolar transistor) от тока его нагрузки, применяется метод аппроксимации. Результаты. Установлено, что допустимая частота высокочастотного звена определяется током нагрузки промежуточного трансформатора. Определен диапазон рабочих частот звена в зависимости от токов нагрузки. Выполнен сравнительный анализ коммутационных характеристик IGBT 65 класса производства компаний Infineon и ABB. Научная новизна. Получил дальнейшее развитие метод определения максимальной рабочей частоты промежуточного звена в схеме с использованием промежуточного трансформатора повышенной частоты. Практическая значимость. Установленный диапазон рабочих частот высокочастотного звена позволит развить дальнейшие исследования работы силовой схемы с применением трансформатора повышенной частоты электроподвижного состава двойного питания с асинхронным тяговым приводом, что сделает возможным оценить эффективность внедрения схем подобной конфигурации.
EN: Purpose. Total mileage of Ukrainian electric railways is distributed approximately equally between the areas of direct and alternating current. A double system of electric rolling stock is used to pass jointing places of different current kinds without train’s stop. Therefore introduction of such rolling stock of a new concept that is using an asynchronous traction drive is prospective for Ukrainian railways. Apart from advantages a rolling stock of similar concept has significant disadvantages, it is pulse energy consumption from the power supply, and it can affect the reliability of track automatic devices, and consequently, the train traffic safety. In addition the specific power of traction transformer is considerably inferior to the power density of other traction elements. The promising schemes using an intermediary link of increased frequency, which consist of a transformer and inverter, have been proposed for disadvantages amendments. The main task for the further introduction of prospective circuit is to determine the operating frequency for high frequency link. Methodology. The method of thermal parameters calculation of semiconductor devices has been used for determination switching transistors of maximum operating frequency. To obtain analytical expressions curves of energy, released during the IGBT (insulated-gate bipolar transistor) switching from its current load approximation method is used. Findings. The permissible frequency of low-frequency link is determinated by load current of intermediate transformer. Operating frequency range of a link depending on load current has been determined. A comparative analysis of the switching characteristics of 65 class IGBT production by companies Infineon and ABB has been performed. Originality. The further determination method of the maximum operating frequency of intermediate link for circuit with high-frequency transformer has been developed. Practical value. The established operating frequency range of the highlevel link will develop further research of tractive circuit with high-frequency transformer use for double feed electric rolling stock with asynchronous tractive drive. It will evaluate the introduction effectiveness of similar configuration circuits.
Description
Д. Забарило: ORCID 0000-0002-6206-0012
Keywords
асинхронний тяговий двигун, електрорухомий склад подвійного живлення, трансформатор підвищеної частоти, ланка підвищеної частоти, IGBT, автономний інвертор напруги, асинхронный тяговый двигатель, электроподвижной состав двойного питания, трансформатор повышенной частоты, автономный инвертор напряжения, высокочастотное звено, asynchronous tractive motor, double feed electric rolling stock, high-frequency transformer, autonomous voltage inverter, high frequency link, КЕРС
Citation
Забарило, Д. О. Визначення частоти високочастотної ланки для перспективної схеми електрорухомого складу / Д. О. Забарило // Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. – 2014. – № 5 (53). – С. 65–73. – doi: 10.15802/stp2014/30448.