Силові схеми частотно-регульованого тягового електроприводу електрорухомого складу постійного струму з асинхронними двигунами

Abstract

Мета роботи: Підвищення енергетичної та експлуатаційної ефективності тягового електрорухомого складу постійного струму шляхом дослідження, оптимізації та розробки раціональних топологій силових кіл частотно-регульованого електроприводу на базі асинхронних тягових двигунів та транзисторних перетворювачів, а також провести аналіз, обґрунтування та синтез топологій силових кіл перетворювачів частоти для тягового рухомого складу (електровозів та електропоїздів), що живиться від контактної мережі постійного струму, з метою забезпечення високоефективного керування асинхронними тяговими двигунами у режимах тяги та гальмування. Для досягнення поставленої мети необхідно виконати такі завдання: Здійснити ретроспективний та сучасний аналіз еволюції силових схем тягового електроприводу рухомого складу постійного струму (магістральних електровозів, електропоїздів, міського транспорту). Проаналізувати структурну побудову силового ланцюга від струмоприймача до тягового двигуна, враховуючи специфіку живлення постійним струмом (відсутність головного трансформатора та мережевого випрямляча). Розробити математичні моделі взаємодії ключових елементів силового ланцюга: "контактна мережа – вхідний LC-фільтр – автономний інвертор напруги (АІН) – асинхронний тяговий двигун (АТД)". Дослідити параметри та функції вхідного мережевого (LC) фільтра, який забезпечує згладжування пульсацій напруги, захист інвертора від атмосферних і комутаційних перенапруг контактної мережі, а також локалізацію вищих гармонік, що генеруються інвертором. Дослідити вплив коливань напруги в тяговій мережі на стійкість роботи частотно-регульованого приводу та алгоритми векторного керування. Обґрунтувати вибір топології автономного інвертора напруги (АІН). Для мереж 3 кВ постійного струму порівняти використання дворівневих інверторів на базі високовольтних IGBT-модулів (класу 6,5 кВ) та трирівневих інверторів із фіксацією нульової точки (NPC), що дозволяють використовувати транзистори нижчого класу напруги. Проаналізувати режими електричного гальмування (рекуперативного та реостатного) і синтезувати структуру гальмівних чоперів для забезпечення максимального повернення енергії. Спроектувати контур гальмівного переривача (чопера) та гальмівного резистора для реалізації реостатного гальмування у випадках, коли тягова підстанція або контактна мережа не здатні прийняти енергію рекуперації. Провести оцінювання комутаційних втрат і електромагнітної сумісності (ЕМС) різних варіантів побудови перетворювачів (на базі IGBT- та SiC-модулів). Розробити систему захисту силової схеми від струмів короткого замикання (за допомогою швидкодіючих вимикачів) та динамічних перевантажень.