05.22.09 "Електротранспорт"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/19872
Переглянути
Документ Енергоефективний безредукторний тяговий привод приміського електропоїзду на базі синхронного двигуна з постійними магнітами(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Демидов, Олександр ВікторовичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 "Електротранспорт" (275 – Транспортні технології) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2021. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-практичної задачі щодо підвищення енергоефективності приміських електропоїздів змінного струму на основі концепції електромеханічного перетворювання енергії за допомогою безредукторного тягового приводу з синхронним двигуном зі збудженням від постійних магнітів та вхідного 4 qs- перетворювача. Проведений аналіз світових тенденцій систем перетворювання енергії тягових приводів приміських електропоїздів змінного струму показує, що підвищення їх енергоефективності відбувається за рахунок переходу до безредукторних колісно-моторних блоків з одночасною заміною тягових двигунів на синхронні зі збудженням від постійних магнітів, а також застосуванням в якості вхідного 4qs-перетворювача. На основі узагальненої математичної моделі електромеханічного перетворювача створено математичну модель безредукторного синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів для приміського електропоїзду. Модель заснована на вирішенні рівняння Лагранжа для електромеханічної системи без внесення спрощення на лінійність магнітної системи, а також з урахуванням "зубчастості" статору та геометрії ротору. Розроблено методику попереднього вибору головних розмірів оберненого тягового синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів, що входить до складу безредукторного тягового привода, яка базується на розрахунку магнітного кола двигуна з урахуванням геометричних обмежень щодо компоновки колісно-моторного блоку у складі візка та технологічних обмежень щодо створення двигуна. Вперше за результатами цифрових експериментів з розрахунку магнітного поля методом скінчених елементів та регресійного аналізу цих результатів проведено ідентифікацію параметрів математичної моделі безредукторного синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів для приміського електропоїзду. За результатами розрахунків магнітного поля та наступного регресійного аналізу отримані поліноміальні залежності похідних потокозчеплень за струмом та кутовою координатою, які дають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів. При проведені регресійного аналізу вперше визначено раціональний порядок функції, що апроксимує потокозчеплення фаз двигуна та його похідних, а також електромагнітного моменту. Для безредукторного синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів визначено: число гармонік – 7 а ступінь полінома – 3 при максимальному відхиленні 2,7%. Розроблено імітаційну модель ланки "тяговий синхронний двигун зі збудженням від постійних магнітів – тяговий інвертор", особливістю якої є визначення миттєвих складових втрат інвертора за регресійними залежностями, які отриманні на основі паспортних даних напівпровідникових елементів. Такий підхід дозволяє отримати електричні втрати в інверторі при використанні різних типів IGBT-транзисторів та негармонійному характері живлячих струмів. На основі імітаційної моделі ланки "тяговий синхронний двигун зі збудженням від постійних магнітів – тяговий інвертор" створено методику визначення втрат в двигуні, яка заснована на гармонійному аналізі фазних струмів та враховує втрати від вищих гармонійних струму. Визначені втрати в тяговому інверторі та двигуні є складовими енергоефективності ланки "тяговий двигун – тяговий інвертор". Вперше за результатами імітаційного моделювання визначено, що для ланки "тяговий синхронний двигун зі збудженням від постійних магнітів – тяговий інвертор" втрати в сталі двигуна залежать майже виключно від швидкості руху електропоїзду та досягають максимуму в 1500 Вт при максимальній швидкості. Втрати в міді мають максимальне значення в 3500 Вт на етапі початкового розгону та стабілізуються на рівні 1100…1400 Вт в подальшому. Збільшення тактової частоти до максимального значення призводить до зменшення втрат в міді двигуна майже на 25 %. Визначено, що раціональна тактова частота широтно-імпульсної модуляції для розглянутого інвертору лежить у межах 300...1500 Гц. Розроблено методику ідентифікації параметрів системи керування 4qs-перетворювача приміського електропоїзду, що забезпечує його високу енергетичну ефективність в режимах тяги і рекуперативного гальмування в широкому діапазоні робочих струмів. Методика містить два етапи. Перший етап присвячено визначенню векторів вхідних параметрів системи керування 4qs-перетворювача, що оптимальні за критерієм мінімуму реактивної потужності тягової мережі при зміні коефіцієнту модуляції та коефіцієнту зсуву між мережевим струмом та опорним синусоїдальним сигналом. Визначені вектори складають параметри обмежень в системі керування перетворювача. На другому етапі визначаються електричні втрати в перетворювачі, що є складовими його енергоефективності, з використанням паспортних даних IGBT-транзисторів та урахуванням зміни параметрів в залежності від поточного струму та напруги на них. Створено імітаційні моделі 4qs-перетворювача тягового приводу приміського електропоїзду, що дозволяють проводити моделювання його роботи за двома етапами цієї методики. Вперше за результатами імітаційного моделювання для приміського електропоїзду знайдено залежність коефіцієнту модуляції та зсуву між мережевим струмом та опорним синусоїдальним сигналом від струму ланки постійного струму, при яких забезпечується максимальний за модулем коефіцієнт потужності для всього діапазону струмів в режимах тяги та рекуперативного гальмування електропоїзду. Визначено, що для 4qs-перетворювача тягового приводу приміського електропоїзду раціональна тактова частота перетворювача лежить в проміжку 900…2000 Гц. При такій тактовій частоті ККД перетворювача дорівнює 95…98 %, коефіцієнт нелінійних спотворень мережевого струму складає 5…12% в діапазоні навантажень 10…100 % від номінального. Запропоновано концептуальний проект приміського електропоїзду змінного струму на з безредукторним тяговим приводом на базі синхронних двигунів зі збудженням від постійних магнітів із живленням від автономних інверторів напруги та 4qs-перетворювача, що забезпечуює живлення 16-ти ланок "тяговий двигун – тяговий інвертор". Використання запропонованого тягового приводу дозволяє підвищити ККД електропоїзду до 0,93 при збереженні коефіцієнту потужності близькому до 1 в діапазоні навантажень 10…100 % від номінального. Результати дисертаційної роботи впроваджені в Структурному підрозділі "Служба приміських пасажирських перевезень" регіональної філії "Південна залізниця" АТ "Укрзалізниця", ПАТ "Крюківський вагонобудівний завод", ТОВ "Науково-виробнича компанія "СПЕЦЕНЕГОСЕРВІС" та навчальному процесі в НТУ "ХПІ".