Анотація до роботи:

Нікулін В.С. Підвищення ефективності тягових електропередач

метровагонів з асинхронними двигунами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.22.09 – електротранспорт. Українська державна академія залізничного транспорту, Харків, 2007.

В дисертації розглянуто шляхи підвищення ефективності тягових електропередач метровагонів з асинхронними двигунами. Для вирішення цієї задачі запропоновано схему ВДОК, яка дозволяє практично позбавитися від комутаційних втрат в силових напівпровідникових приладах комутатора інвертора, при одночасному обмеженні крутизни фронтів вихідної напруги, а також удосконалені методики розрахунку елементів фазного модуля, що дозволяє мінімізувати їх енергетичні та масогабаритні параметри.

Запропоновано демпфувати коливальні процеси в LC-фільтрі, що обумовлені початковим зарядом фільтрового конденсатора, а також процесами його заряду при повторному торканні струмоприймачем контактної рейки після відриву, використовуючи регулятор динамічного гальма, та використовувати гібридний фільтр послідовного типу для забезпечення електромагнітної сумісності тягової асинхронної електропередачі метровагона і тягової мережі метрополітену.

Розроблено узагальнену теплову модель УСК ПРБ, визначено найбільш доцільні методи дослідження перехідних і стаціонарних теплових режимів УСК і дано рекомендації щодо застосування несиметричної та симетричної конструкцій УСК.

Дисертаційна робота присвячена розробці науково обґрунтованих основ підвищення ефективності тягових електропередач метровагонів з асинхронними двигунами шляхом поліпшення техніко-економічних показників основних вузлів: БЕМС та ПРБ при використанні гібридних фільтрів в БЕМС та одноопераційної комутації в силових ключах ПРБ.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Виконано аналіз силових схем частотно-регульованого електроприводу електрорухомого складу постійного струму з асинхронними двигунами, який дозволив обґрунтувати вибір структури тягової асинхронної електропередачі метровагона для метровагона підвищеної потужності. Проведено порівняльну оцінку трифазних і двофазних схем тягових асинхронних електропередач і встановлено, що для тягової асинхронної електропередачі метровагона при рівних комутаційних втратах в ключах більш доцільно використовувати двофазну схему тягової асинхронної електропередачі, що дозволяє вдвічі збільшити частоту ШІМ і отримати зниження потужності LC- фільтра БЕМС.

2. Встановлено, що коли тривалість імпульсу комутаційної перенапруги мережі на вході LC- фільтра тягової електропередачі метровагона менша чверті періоду власних коливань недемпфованого LC- фільтра, то величина перенапруги на виході LC- фільтра буде меншою в порівнянні з величиною перенапруги () на його вході; при більших тривалостях імпульсу комутаційної перенапруги ця величина буде близькою до і не буде залежати від тривалості комутаційного імпульсу перенапруги мережі.

3. Запропоновано демпфувати коливальні процеси в LC- фільтрі, що обумовлені початковим зарядом фільтрового конденсатора, а також процесами його заряду при повторному торканні струмоприймачем метровагона контактної рейки після відриву, використовуючи регулятор динамічного гальма, який є невід’ємною частиною тягової електропередачі метровагонів.

4. Запропоновано для забезпечення електромагнітної сумісності тягової асинхронної електропередачі метровагона і тягової мережі метрополітену використовувати гібридний фільтр послідовного типу, який складається із пасивного LC- фільтра, котрий забезпечує придушення високочастотних гармонік, та активного фільтра послідовного типу – для придушення низькочастотних гармонік. В порівнянні з чисто пасивним, гібридний фільтр має масу в 3,5 рази менше.

5. Для забезпечення високих енергетичних та масогабаритних показників ПРБ тягової асинхронної електропередачі метровагона розроблено фазовий модуль для мостових інверторів, який складається із двоквадрантних силових напівпровідникових ключів знакозмінного струму і схеми ВДОК з комутуючим дроселем, штучною нульовою точкою джерела живлення, створеною ємнісним дільником, чотириквадрантним ключем, в котрому практично відсутні комутаційні втрати в силових напівпровідникових приладах ключів при одночасному обмеженні крутизни фронтів вихідної напруги.

6. Виконано дослідження з підвищення ефективності ВДОК для ПРБ метровагонів. Встановлено, що для тягових перетворювачів метровагонів найбільш доцільно застосовувати конструкції комутуючих дроселів з замикаючим ярмом. Аналіз їх конструкції дозволив виявити раціональні значення в напрямку мінімізації втрат потужності в ньому.

7. Встановлено співвідношення, які дозволяють отримати раціональні значення за відносною товщиною котушки комутуючого дроселя з замикаючим ярмом, що дало можливість визначити максимально-допустиму товщину стрічки за умов мінімізації втрат від вихрових струмів в обмотці дроселя.

8. Запропоновано удосконалені методики розрахунку елементів ВДОК та втрат у снаберних конденсаторах силових ключів, що дозволяє отримати раціональні значення їх параметрів (комутаційні втрати, масогабарити, втрати у комутуючому дроселі та снаберних конденсаторах) стосовно використання ВДОК в ПРБ метровагонів.

9. Проаналізовано теплові моделі управляючих силових ключів (УСК) та розроблено узагальнену теплову модель УСК з урахуванням їх розміщення в герметичній оболонці блока ПРБ метровагону, яка дозволяє суттєво спростити розрахунок теплових режимів силових напівпровідникових ключів. Визначено найбільш доцільний метод дослідження перехідних і стаціонарних теплових режимів УСК (метод вузлових потенціалів). Виконано моделювання перехідних та стаціонарних теплових режимів УСК і дано рекомендації щодо застосування несиметричної та симетричної конструкцій УСК.

10. Вірогідність теоретичних розробок і можливість практичної реалізації УСК з одноопераційною комутацією ПРБ тягової асинхронної електропередачі метровагона стосовно метровагонів підвищеної потужності підтверджено цифровим імітаційним та фізичним моделюванням при високій збіжності результатів.

11. Результати дисертації використовуються при проведенні науково-дослідних робіт в УкрДАЗТ, НТУ «ХПІ», МК «Енергозберігання», в СКБ ВАТ «Електромашина» та в КП «Київський метрополітен» при розробці технічних вимог до тягової електропередачі на базі асинхронних двигунів для наступного покоління рухомого складу метрополітену, а також в навчальному процесі УкрДАЗТ при викладанні дисциплін «Основи промислової електроніки» і «Тягові статичні перетворювачі ЕРС» та дипломному проектуванні студентів спеціальності «Електричний транспорт», що підтверджено відповідними актами про впровадження.

Публікації автора:

1. Темкина Л.М., Панасенко Н.В., Никулин В.С. Сравнительный анализ коммутирующих дросселей // Вестник Харьковского политехнического института. - Харьков: Вища школа. Изд – во при Харьк. ун – те, 1981. - Вып. 6. – С. 51 – 52.

Здобувачем рекомендовано конструкцію дроселя із замикаючим ярмом для ВДОК транспортних перетворювачів.

2. Панасенко Н.В., Аникеева К.Н., Никулин В.С. Расчет стационарного теплового режима полупроводниковых преобразовательных устройств // Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1989. - №4. - С. 50 – 53.

Здобувачем розроблена узагальнена теплова модель силових ключів напівпровідникових перетворювальних пристроїв.

3. Анікєєва К.М., Нікулін В.С. Вплив різних факторів на тепловий режим напівпровідникових пристроїв // Зб. наук. пр. ХарДАЗТ. – Харків: ХарДАЗТ, 2000. – Вип. 39. - С. 18 – 24.

Здобувачем визначено фактори, які необхідно враховувати при складанні теплової моделі напівпровідникових пристроїв.

4. Гончаров Ю.П., Панасенко М.В., Хворост М.В., Чумак В.В., Нікулін В.С. Тягові інвертори з одноопераційною комутацією // Зб. наук. пр. УкрДАЗТ. – Харків: УкрДАЗТ, 2003. – Вип. 55 - С. 31 – 40.

Здобувачем виконано аналіз електромагнітних процесів у вузлах одноопераційної комутації тягового інвертора.

5. Хворост М.В., Гончаров Ю.П., Семененко О.І., Нікулін В.С. Комутуючі дроселі тягових автономних перетворювачів з вузлами двоступеневої одноопераційної комутації // Зб. наук. пр. УкрДАЗТ. – Харків: УкрДАЗТ, 2004. – Вип. 57. - С. 46 – 53.

Здобувачем встановлено раціональні значення параметрів комутуючого дросселя із замикаючим ярмом.

6. Нікулін В.С., Хворост М.В., Гончаров Ю.П., Семененко О.І. Оптимізація параметрів вузлів двоступеневої одноопераційної комутації тягових автономних перетворювачів рухомого складу // Зб. наук. пр. УкрДАЗТ. – Харків: УкрДАЗТ, 2004. – Вип. 64. - С. 153 – 158.

Здобувачем визначено раціональні геометричні характеристики комутуючого дроселя.

7. Хворост М.В., Гончаров Ю.П., Панасенко М.В., Замаруєв В.В., Чумак В.А., Панасенко Н.М. Хворост В.Ю., Нікулін В.С. Види комутації та енергетичні характеристики в електричних колах з ключовими елементами // Електротехніка і Електромеханіка, 2005. – №4. - С. 67 - 72.

Здобувачем проаналізовані електромагнітні процеси у вузлі дросельної комутації.

8. Хворост Н.В., Никулин В.С., Капустян М.А. Построение входного фильтра блока электромагнитной совместимости тяговой асинхронной электропередачи метровагона // Зб. наук. пр. УкрДАЗТ. - Харків: УкрДАЗТ, 2005. - Вип. 69. – С. 115 – 124.

Здобувачем запропонована структура вхідного фільтра з активним фільтром послідовного типу.

9. Хворост Н.В., Никулин В.С., Гончаров Ю.П., Ивахно В.В., Замаруев В.В. Методика определения потерь в коммутирующих конденсаторах тяговых преобразователей подвижного состава // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – Харків: УкрДАЗТ, 2005. - №6 – С. 94 – 97.

Здобувачем доопрацьована інтегральна методика розрахунку втрат в конденсаторах ключів.

10. Нікулін В.С. Обґрунтування вибору структури тягової асинхронної електропередачі метровагонів // Зб. наук. пр. УкрДАЗТ. - Харків: УкрДАЗТ, 2006. - Вип. 76. – С. 139 – 142.

11. Хворост Н.В., Никулин В.С. Оценка эффективности гибридного фильтра блока электромагнитной совместимости тяговой электропередачи метровагона и контактной сети питания метрополитена //Інформаційно – керуючі системи на залізничному транспорті. – Харків: УкрДАЗТ, 2006. - №4. – С. 97 – 100.

Здобувачем проведена оцінка ефективності за масою гібридного та чисто пасивного фільтрів.

12. Тимченко Н.А., Никулин В.С. Математическое моделирование тепловых режимов тиристорного блока //: Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Компьютер: наука, техника, технология, здоровье». – Харьков, Мишкольц: ХПИ, МУ, 1993. – С. 88 - 90.

Здобувачем запропоновано застосування метода вузлових потенціалів при моделюванні теплових характеристик тиристорного блоку у перехідному режимі.