Разработка энергоэффективного инвертора для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью

Одной из тенденций нескольких последних десятилетий является внедрение инновационных систем ТЭП подвижного состава электрического транспорта на базе синхронных и ИМ. Использование ВИЛ на транспорте обусловлено его характерными достоинствами: высоким уровнем надежности и простотой конструкции ИМ, возможностью гибкого управления скоростью, относительно высоким моментом. ВИЛ находит свое применение в основном на ГЭТ, электромобилях и гибридных автомобилях, что вызвано спецификой движения описанных транспортных средств: постоянными ускорениями и торможениями в плотном городском трафике.

Одной из особенностей ВИЛ является обязательное наличие инвертора, ключами которого коммутируются фазы ИМ по команде СУ, формирующей ее по сигналам датчика положения ротора и датчиков тока. Присутствие инвертора вызвано дискретной структурой ИМ и необходимостью соответствующего регулирования тока обмоток для поддержания постоянного момента на валу ИМ. Пульсации момента и акустический шум являются одними из основных недостатков ВИП, и для их устранения требуется гибкое управление фазным током, возможное только при достаточно высокой частоте коммутации транзисторов инвертора. При этом максимальная частота коммутации ограничивается мощностью динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме переключения ключей при номинальном значении тока и напряжения коллектор-эмиттер транзистора. Такой режим называется жесткой коммутацией, и существенно ограничивает область безопасной работы силовых транзисторов. Режим жесткой коммутации ключей инвертора средней мощности (от 1кВт до 100кВт) на частоте до 20кГц приводит к высокому уровню динамических потерь в инверторе и перенапряжений изоляции ИМ, а так же к ухудшению ЭМС ВИП. Возможный перегрев транзисторов и высокий уровень перенапряжений снижает надежность инвертора, а наличие эффективного охладителя снижет массогабаритные показатели привода.

Актуальность темы

.

Увеличение количества электронной техники на подвижном составе, а также оборудования вдоль тяговых линий приводит к ужесточению требований, предъявляемых к ЭМС силовых потребителей и преобразователей электрической энергии. Кондуктивные высокочастотные помехи увеличивают потери в силовой цепи: преобразователях энергии и в линиях электропередач, а индуктивные помехи, излучаемые оборудованием, могут вызывать неисправности в смежном электронном оборудовании.

Существует ряд способов улучшения ЭМС преобразователей с внешней сетью электроснабжения переменного напряжения: использование активных и пассивных фильтров, особые алгоритмы работы ключей инвертора и управляемого выпрямителя, конструирование усложненной магнитной системы ИМ и т. д. Однако эти методы не подходят для улучшения ЭМС непосредственно на подвижном составе автономных транспортных средств и ГЭТ и обладают низкой энергоэффективностью, обусловленной жесткой коммутацией.

Решением проблемы улучшения ЭМС, снижения динамических потерь в инверторе и перенапряжений может являться применение КРП в цепи инвертора, обеспечивающего коммутацию силовых ключей в определенные интервалы при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, а так же при низкой скорости роста напряжения du/dt на транзисторе. Такой режим называется мягкой коммутацией и обеспечивает меньшие динамические потери в полупроводниковых приборах.

Цель и задачи исследований.

Целью диссертации является исследование эффекта улучшения показателей ЭМС и уменьшения динамических потерь в силовых ключах тягового ВИЛ при питании от источника постоянного напряжения в результате применения КРП с ограничением напряжения на звене постоянного тока совместно с асимметричным мостом в качестве преобразователя для ИМ.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Исследование электромагнитных и электромеханических процессов в ИМ аналитическим способом для определения оптимальных режимов работы, пригодных для ТЭП.

2. Определение оптимальной схемы РП и исследование электромагнитных процессов для определения параметров элементов резонансного контура и алгоритмов управления преобразователем.

3. Разработка имитационной модели ИМ, силового инвертора и РП для исследования динамических характеристик обычного ВИЛ и ВИЛ с РП для уточнения теоретических результатов исследования.

4. Разработка методики расчета суммарных, динамических и статических потерь во всех элементах привода и преобразователя.

5. Получение спектра потребляемого ВИП тока, анализ гармонического состава, определение параметров ЭМС привода.

6. Сравнение результатов исследования обычного ВИП и ВИП с КРП, выработка рекомендаций по уменьшению ЭМВ и потерь в ВИП.

Объектом исследования является ВИП с КРП с активным ограничением напряжения и асимметричным мостом в качестве инвертора напряжения, коммутируемом при нулевом напряжении на полупроводниковых приборах.

Предметом исследований являются электромагнитные процессы в КРП, переключаемом при нулевом напряжении и работающего в составе инвертора ВИПэлектромагнитные и механические характеристики ВИП с КРП, алгоритмы работы СУ ВИП и ключами КРП.

Научная новизна полученных результатов.

В настоящее время имеется достаточное количество исследований, посвященных улучшению характеристик ВИЛ, в большинстве своем направленных на снижение пульсаций момента и улучшение виброакустических характеристик привода.

Применение КРП в составе ТЭП для уменьшения динамических потерь и улучшения ЭМС встречает ряд сложностей, таких как необходимость реализации режима рекуперативного торможения и обеспечения ШИМ регулирования фазного тока с учетом противоэдс машины.

В рамках работы достигнуты следующие новые научные результаты:

1. Предложено схемно-техническое решение построения инвертора для ВИП с КРП, обеспечивающее меньшие пульсации момента на валу ИМ на скоростях, близких к номинальной скорости вращения.

2. Разработан алгоритм управления силовыми инвертора и вспомогательными ключами КРП на основе синхронизации тактов управления ключами инвертора с электромагнитными процессами в КРП с реализацией режима ШИМ регулирования тока ИМ.

3. Доказано, что увеличение емкости конденсаторов, входящих в состав КРП, позволяет реализовать режим рекуперативного торможения без нарушения стабильности работы резонансного контура.

4. Разработана методика имитационного моделирования ВИП с КРП с возможностью исследования работы привода в различных режимах.

Практическое значение полученных результатов.

1. Доказано, что применение КРП в цепи инвертора ИМ по сравнению с обычным ВИП: улучшает форму потребляемого приводом тока благодаря уменьшению амплитуды высших гармоник и их благоприятному распределению по спектрупозволяет уменьшить на 10% суммарные потери в приводе и в три раза снизить коммутационные потери в ключах асимметричного моста при частоте коммутации ЗОкГцулучшает условия работы силовых ключей инвертора благодаря меньшей скорости роста тока и напряжения на них, уменьшает величину коммутационных перенапряжений.

2. Разработанная в рамках работы имитационная модель КРП и обобщенной системы управления (СУ) ВИП может быть применена для исследования электромагнитных процессов преобразователя при его работе на различную нагрузку.

3. Создана программа расчета динамических потерь в полупроводниковых элементах в режиме мягкой коммутации при нулевом напряжении коллектор-эмиттер.

4. Предложенный принцип коммутации был использован в созданном макетном образце импульсного генератора тока в рамках НИР «Генератор-12», проводимой ФГУП ВЭИ им. Ленина. КРП используется для предотвращения перегрева силовых ЮВТ.

Методика исследования.

При решении поставленных задач используется теория электрических цепей, методы дифференциального исчисления, спектральный анализ, математическое моделирование с использованием компьютерной программы МаЛСАО, имитационное моделирование с использованием приложения 8ипи1тк из пакета программ Matlab, расчеты и построения диаграмм с помощью MS Excel, создание 3D моделей в среде AutoCAD.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Возможность использования КРП совместно с ВИП с реализацией генераторного режима и ШИМ формы тока.

2. Целесообразность применения КРП для уменьшения суммарных потерь в инверторе в режимах, близких к номинальному режиму при частоте коммутации более 1 ОкГц.

3. Имитационная модель для исследования процессов в КРП и ВИП, расчета потерь в транзисторах, переключаемых при нулевом напряжении коллектор-эмиттер, проведения спектрального анализа.

4. Результаты моделирования работы КРП совместно с ВИП: электрические характеристики инвертора, механические характеристики ИМ.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы были апробированы в НИОКР «Разработка модели резонансного преобразователя и адаптация его к двигателю» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2012» в соответствии с протоколом от «21» февраля 2012 г. заседания Экспертного совета Программы и решением конкурсной комиссии Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере от «27» марта 2012 г.

Результаты диссертационной работы использованы при создании макетного образца импульсного генератора на напряжение до 3 кВ и ток до 3 кА в рамках.

НИР «Генератор-12» в виде конструктивных решений при создании силового коммутатора на основе ГСВТ в соответствии с актом внедрения (см. прил. З).

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. ХЫ Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (Москва, 2011);

2. Ежегодной Научно — Технической Конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ» (Москва, 2012);

3. XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2012).

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в шести печатных трудах, из них три публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Москалев М. В. Моделирование тягового вентильно-индукторного привода для автономных транспортных средств/ М. В. Москалев, М. А. Слепцов, А.И. Маматов// Электричество-М.: Изд-во Знак, 2011.-№ 10. -С.31−35.

2. Москалев М. В. Гибридный накопитель энергии для транспорта/ М. В. Москалев, М. Г. Колобов, В. И. Климов и др.// Электричество — М.: Изд-во Знак, 2011. № 10. — С.26−30.

3. Москалев М. В. Моделирование вентильно-индукторного привода с использованием резонансного преобразователя в цепи инвертора/ М. В. Москалев, М.А. Слепцов// Вестник МЭИ — М.: Изд-во МЭИ, 2013 — № 2-С.95−101.

4. Москалев М. В. Резонансный преобразователь для вентильно-индукторного привода/ М. В. Москалев, А. И. Маматов, М.А. Слепцов// Материалы конференции Федоровские чтения 2011. М.: Изд-во МЭИ, 2011. — С.145−146.

5. Москалев М. В. Резонансный преобразователь с активной цепью ограничения напряжения как решение вопроса электромагнитной совместимости вентильно-индукторного привода/ М. В. Москалев, М.А. Слепцов// Труды ежегодной Научно — Технической Конференции «Молодые специалисты ФГУП ВЭИ"М., 2012;

6. Москалев М. В. Инвертор для вентильно-индукторного привода с улучшенной электромагнитной совместимостью/ М. В. Москалев, М.А. Слепцов// Труды XIV Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». -Крым, Алушта, 2012.-С. 174−176.

Структура и объем работы.

Диссертация общим объемом 170 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников (108 наименований) и четырех приложений. В работе 7 таблиц и 104 рисунка.

5.6 Выводы по главе 5.

1. Определены характеристики ИМ мощностью 50кВт и инвертора для нее, выбраны полупроводниковые приборы с охладителями и элементы КРП.

2. Проведено эскизное проектирование исходного ВИП и ВИП с КРП в цепи инвертора, определены массогабаритные показатели этих систем.

3. Выполнен проверочный расчет на допустимый нагрев IGBT модулей в программе Semisel. По результатам расчета с использований данных имитационного моделирования, выявлено, что КПД инвертора с КРП в цепи инвертора практически не отличается (больше на 1,7%) от КПД исходного привода. Суммарная масса всего привода, включая инвертор, элементы резонансного контура, ИМ и электрохимические конденсаторные модули так же практически одинакова: масса привода с КРП в цепи инвертора на 1,8% больше. Иными словами, удалось незначительно увеличить КПД привода за счет незначительного увеличения массы.

4. Удалось достичь уменьшения на 30% объема элементов инвертора привода с КРП в цепи инвертора благодаря использованию менее производительной системы охлаждения, так как динамические потери в ключах инвертора существенно снижены. Это привело к незначительному увеличению на 11% температуры кристалла IGBT модуля в инверторе с КРП, однако максимальная температура сборки не превышает допустимую температуру модуля в 125 °C.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При выполнении работы по исследованию возможности создания тягового энергоэффективного инвертора ВИП с улучшенной ЭМС инвертора были получены следующие результаты:

1. Доказано, что применение КРП положительно сказывается на ЭМС привода: общее распределение гармоник в спектре потребляемого тока благоприятнее, субгармоники имеют в несколько раз меньшую амплитуду, чем в обычном инверторе. При этом ярко выраженные максимумы в спектре проявляются на частотах, кратных несущей частоте ШИМ, что позволяет использовать узкополосные фильтры для улучшения ЭМС.

2. Показана энергетическая целесообразность применения КРП в составе ТЭП при частоте коммутации выше 10 кГц в режимах, близких к номинальному: в несколько раз снижены динамические потери в силовых транзисторах, суммарные потери несколько ниже, чем в обычном инверторе, КПД ВИП с КРП практически не отличается от КПД обычного привода. Уменьшенные динамические потери позволяют увеличить частоту коммутации ключей до 50 кГц для привода средней мощности (от нескольких кВт до 100кВт).

3. Увеличена надежность инвертора, которая определяется условиями работы силовых транзисторов: существенно снижена скорость изменения напряжения на силовых полупроводниковых элементах ниже значения ЮООВ/мкс при частоте коммутации 50 кГц, при этом перенапряжения в силовой цепи уменьшены практически до нулевого значения.

4. Разработан алгоритм управления ВИП с КРП, обеспечивающий работу при- • вода в основных режимах, в том числе рекуперативного торможения и ШИМ формы тока. Несущая частота ШИМ и частота резонансного контура должны находиться в соотношении 1/5 для стабильной работы преобразователя.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

АД — асинхронный двигатель.

АЦП — аналогово-цифровой преобразователь.

ВАХ — вольтамперная характеристика.

ВИП — вентильно-индукторный привод.

ГЭТ — городской электрический транспорт.

ДМ — дельта модуляция.

ДПТ — двигатель постоянного тока.

ДПФ — дискретное преобразование Фурье.

ИМ — индукторная машина.

ИСУ — импульсная система управления.

КЗ — короткое замыкание.

КПД — коэффициент полезного действия.

КРП — квазирезонансный преобразователь.

ПИД — пропорционально-интегрально-дифференциальный.

Пс — преобразований в секунду.

ПЧ — преобразователь частоты.

РП — резонансный преобразователь.

СДМ — сигма-дельта модуляция.

СМ — синхронная машина.

СУ — система управления.

ТЭП — тяговый электропривод.

XX — холостой ход.

ШИМ — широтно-импульсная модуляция ЭДС — электродвижущая сила ЭМВ — электромагнитное воздействие ЭМС — электромагнитная совместимость.

DSP — digital signal processor (цифровой сигнальный процессор).

ESR — equivalent series resistance (эквивалентное последовательное сопротивление).

GTO — gate Turn off Thyristor (запираемый тиристор).

IGBT — insulated-gate bipolar transistor (биполярный транзистор с изолированным затвором).

MOSFET — metal-oxide-semiconductor field effect transistor (металл — оксид — полупроводник).

THD — total harmonic distortion (коэффициент нелинейных искажений).