Диплом (1231003), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

, (3.2)

где С – ёмкость конденсатора источника реактивной мощности; U_C – напряжение на обкладках конденсатора источника реактивной мощности.

В замкнутом контуре электрической цепи, включающего в себя I-II-III секции вторичной обмотки трансформатора напряжения Тр, вторичную обмотку вольтодобавочного трансформатора ВДТ, индуктивность L и ёмкость С источника реактивной мощности в соответствии со вторым законом Кирхгофа выполняется соотношение:

, (3.1)

где u₂ – напряжение I-II-III секций вторичной обмотки тягового трансформатора Тр; u_ВДТ–2 – напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора ВДТ.

Изменение Q_КРМ предлагается осуществлять за счёт изменения напряжения на конденсаторе С источника реактивной мощности. При фиксированном значении напряжения u₂ вторичной обмотки трансформатора Тр это можно реализовать путём изменения напряжения на вторичной обмотке u_ВДТ–2 вольтодобавочного трансформатора ВДТ. Напряжение u_ВДТ–2 формируется с помощью автономного инвертора напряжения АИН из постоянного напряжения E_d, поступающего с конденсатора C_E. Заряд С_Е выполняется через выпрямитель В, подключённый ко II-III секции вторичной обмотки тягового трансформатора Тр. Также конденсатор C_E выполняет роль фильтра, обеспечивающего снижение пульсаций выпрямленного напряжения E_d.

Напряжения первичной u_ВДТ-1 и вторичной u_ВДТ-2 обмоток ВДТ связаны между собой соотношением:

, (3.3)

где k_ВДТ – коэффициент трансформации ВДТ.

Амплитудное значение напряжения на первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора вычисляется по формуле

, (3.4)

где μ – глубина модуляции сигналов; E_d – постоянное напряжение на входе АИН (E_d=600 В).

Таким образом, плавное изменение реактивной мощности КРМ Q_КРМ, возможно за счёт изменения величины напряжения на вторичной обмотке ВДТ u_ВДТ–2,которое рассчитывается по формуле:

(3.5) (3.6)

При постоянных значениях E_d и k_ВДТ изменение u_ВДТ–2 осуществляется за счёт глубины модуляции µ.

Автономный инвертор напряжения, используемый в предлагаемом устройстве, предназначен для формирования на своём выходе заданной величины напряжения для компенсации реактивной мощности нагрузки (рисунок 3.3). Он представляет собой схему, ключевыми элементами которой являются полностью управляемые VS1–VS4 и неуправляемые VD1–VD4 вентили, соединённые встречно-параллельно. По своему схемному исполнению и способу подключения через трансформатор ВДТ к цепи LC-фильтра АИН является четырёхквадрантным (4qS) преобразователем. Источник переменного напряжения e_c в электрической цепи (рисунок 3.3) эквивалентен напряжению первичной обмотки трансформатора ВДТ. Соединённые последовательно согласующий дроссель L_С и e_c включены между анодами VD1, VD3 и катодами VD2, VD4. Дроссель L_С служит для ограничения скорости нарастания тока нагрузки i_c. Между анодами VD2, VD4 и катодами VD1, VD3 подключён источник постоянного напряжения E_d, а также конденсатор С, выполняющий роль фильтра высших гармоник тока i_и.

Рисунок 3.3 – Схема включения автономного инвертора напряжения

Алгоритм переключения транзисторов VS1–VS4 АИН осуществляется по закону, обеспечивающего широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения по форме модулирующего напряжения U_м1, U_м2 (рисунок 3.4) [5]. Импульсы управления VS1–VS4 генерируются в моменты равенства напряжений u_м1, u_м2 и u_ГПН и соответствуют ниже приведённым логическим функциям:

; ; (3.6)

; .

Логическая 1 соответствует проводящему состоянию транзистора, а 0 – закрытому.

Рисунок 3.4 – Диаграммы напряжений, поясняющих работу автономного

инвертора напряжения

Во время работы АИН к цепи переменного тока прикладывается напряжение u_н с амплитудой ±E_d. Выходное переменное напряжение u_н вычисляется по формуле:

. (3.7)

Также напряжение u_н можно определить как

, (3.8)

где E_d – постоянное напряжение на входе АИН.

Глубина модуляции сигналов определяется как:

, (3.9)

где U_м – амплитуда модулирующего напряжения; U_ГПН – амплитуда несущего пилообразного напряжения.

Автономный инвертор напряжения при управлении методом ШИМ может работать в режимах выпрямления, инвертирования и тактирования, и их сочетании [26].

При работе АИН в режиме выпрямителя (рисунок 3.5) ток в цепи i_c протекает в один полупериод через обратные диоды VD1, VD4, а в другой через – VD2, VD3. В этой цепи потребителем электрической энергии является источник постоянного напряжения E_d, поскольку направление тока i_d противоположно потенциалу E_d.

Рисунок 3.5 – Выпрямительный режим работы АИН

Инверсия электрической энергии от источника E_d выполняется путём включения двух диагональных транзисторов VS1, VS4 или VS2, VS3 (рисунок 3.6). В этом случае ток i_и, протекающий в преобразователе, совпадает с полярностью E_d, что указывает на режим генерирования энергии источником E_d.

Рисунок 3.6 – Инверторный режим работы АИН

В режиме тактирования вход АИН закорочен открытым транзистором одного и обратным диодом другого плеча преобразователя. При полярности входного источника e_c, приведённой на рисунке 3.7, ток i_c может протекать через транзистор VS3 и обратный диод VD1 или VS2, VD4. Во время тактирования в индуктивности L_C происходит запасание магнитной энергии, а выходная цепь с источником постоянного напряжения E_d отключёна от преобразователя.

Рисунок 3.7 – Режим тактирования АИН

3.2 Математические модели узлов компенсатора реактивной мощности

3.2.1 Автономный инвертор напряжения

Схема автономного инвертора напряжения, выполненная в программе OrCAD Capture, приведена на рисунке 3.8

Рисунок 3.8 – Схема АИН, выполненная в программе OrCAD Capture

Элементы E1–E4, являются источниками напряжения управляемые напряжением (ИНУН) с коэффициентом усиления равным единице и предназначены для гальванической развязки силовых цепей с цепями управления. В качестве управляемых вентилей выбрана библиотечная модель IGBT-транзистора CM600HA-24H, ряд параметров которой изменён следующим образом: Max collector current – максимально допустимый ток коллектора (1200 А); Max C-G voltage – максимально допустимое напряжение сток-затвор (2400 В); Max C-E voltage – максимально допустимое напряжение сток-исток (2400 В). Неуправляемые вентили АИН выполнены на библиотечных диодах BYT30P-600, некоторые параметры которых изменены: Max forward current – максимальный прямой ток диода (100 А); Peak reverse voltage – максимально допустимое обратное напряжение (1200 В).

3.2.2 Устройство формирования импульсов управления

Схема устройства формирования импульсов управления для работы АИН, выполненная в программе OrCAD Capture, приведена на рисунке 3.9

Рисунок 3.9 – Схема устройства формирования импульсов управления,

выполненная в программе OrCAD Capture

Устройство формирования импульсов управления состоит из двух аналогичных блоков широтно-импульсной модуляции ШИМ-1, ШИМ-2 (рисунок 3.9). В состав блока ШИМ-1 входят: операционный усилитель U1, включённый по схеме компаратора, два диода D1, D2 и ABS – элемент, вычисляющий абсолютное значение сигнала. На инвертирующие входы операционных усилителей блоков ШИМ-1 и ШИМ-2 поступает несущее напряжение, имеющее пилообразную форму U_ГПН (рисунок 3.10), а на неинвертирующие входы – синусоидальные противофазные модулирующие напряжения U_м1 и U_м2 (рисунок 3.10). Сигнал с выхода компаратора U1 поступает на анод диода D1 и катод диода D2. Эти диоды предназначены для разделения сигнала между смежными транзисторами АИН (VS1–VS2, VS3–VS4) в зависимости от полярности этого сигнала. На выходе элемента ABS формируется модуль входного сигнала. На рисунке 3.11 приведены диаграммы напряжений работы устройства формирования импульсов управления.

Рисунок 3.10 – Диаграммы модулирующих напряжений U_м1, U_м2 и пилообразного

напряжения U_ГПН

Рисунок 3.11 – Диаграммы импульсов управления IGBT-транзисторов VS1-VS4

Из диаграмм (рисунок 3.11) видно, что импульсы управления смежными транзисторами (VS1–VS2, VS3–VS4) всегда находятся в противофазе, поэтому пробой IGBT-транзисторов при работе автономного инвертора напряжения исключён.

3.3 Работа электровоза в режиме тяги

Выполним моделирование работы электровоза в режиме тяги при различных значениях потребляемого тока i на первой, второй и третьей зонах регулирования. В рассматриваемых моделях принято, что локомотив находится на расстоянии 4-х километров от тяговой подстанции ТП1 , питание межподстанцинного участка – двухстороннее, полная длина участка составляет 50 километров. Во всех режимах работы неуправляемый по фазе угол α₀ и угол регулирования α_р приняты равными, соответственно α₀=9° и α_р=90°.

Результаты моделирования работы электровоза со штатной схемой и предлагаемым устройством компенсации реактивной мощности на трёх зонах регулирования приведены на рисунках 3.12–3.14.

Рисунок 3.12 – Мгновенные диаграммы питающего напряжения u и потребляемого тока i

при работе электровоза ЭП1 в режиме тяги на 1-ой зоне: а – штатная схема;

б – с предлагаемым компенсатором

Рисунок 3.13 – Мгновенные диаграммы питающего напряжения u и потребляемого тока i

при работе электровоза ЭП1 в режиме тяги на 2-ой зоне: а – штатная схема;

б – с предлагаемым компенсатором

Рисунок 3.14 – Мгновенные диаграммы питающего напряжения u и потребляемого тока i

при работе электровоза ЭП1 в режиме тяги на 3-ей зоне: а – штатная схема;

Характеристики

Список файлов ВКР