Енергоефективний безредукторний тяговий привод приміського електропоїзду на базі синхронного двигуна з постійними магнітами

Abstract

Дисертація 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".The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences on a specialty 05.22.09 "Electrotransport" (275 - Transport technologies) - National technical university "Kharkiv polytechnic institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the solution of the actual scientific and practical problem on increase of energy efficiency of commuter electric AC trains on the basis of the concept electromechanical energy conversion by means of direct traction drive with PMSM and input 4 qs-converter. The analysis of world trends in the development of traction drives of commuter AC electric trains shows that the increase in their energy efficiency is possible by transition to direct wheel-motor drive units with simultaneous replacement of traction motors with PMSM and use as an input 4qs-converters. On the basis of the generalized mathematical model of the electromechanical converter the mathematical model of the commuter electric train direct drive PMSM is developed. The model is based on solving the Lagrange equation for an electromechanical system without simplifying the linearity of the magnetic system, as well as taking into account real geometry of stator and rotor. A method of pre-selection of the main dimensions of the outer-rotor traction PMSM, which is part of the direct traction drive, based on the calculation of the magnetic circuit of the motor taking into account the geometric constraints on the layout of the wheel-motor unit in the bogie and technological constraints on the creation of PMSM was developed. For the first time, based on the results of digital experiments on the calculation of the magnetic field by finite element method and regression analysis of these results parameters of the mathematical model of commuter electric train direct drive PMSM were identified. By the results of magnetic field calculations and subsequent regression analysis, polynomial dependences of current and angular coordinate derivatives of flux linkage were obtained, which make it possible to identify a generalized mathematical model of PMSM. For the first time the rational order of the approximating flux linkages of phases of the engine, its derivatives, and electromagnetic moment functions is defined during the regression analysis. For an electromechanical energy converter based on PMSM is determined: the number of harmonics is 7, and the degree of the polynomial is 3 with a maximum deviation of 2.7%. A simulation model of the link "traction PMSM - traction inverter" has been developed. The feature of simulation model is determination of the instantaneous components of inverter losses by regression dependences wich obtained on the basis of datasheet data of semiconductor elements. This approach allows to obtain electrical losses in the inverter when using different types of IGBT-transistors and the disharmonious nature of the supply currents. A simulation model of the link "traction PMSM - traction inverter" based method for determining losses in the motor, which uses harmonic analysis of phase currents and takes into account losses from higher harmonic currents, created. Determinated losses of the traction inverter and motor are components of energy efficiency of the link "traction motor – traction inverter". For the first time by the results of simulation it was determined that for the link "traction PMSM - traction inverter" electrical losses in the engine steel depend almost exclusively on the speed of the electric train and reach a maximum of 1500 W at a maximum speed. Copper losses have a peak value of 3500 W at the stage of initial acceleration and become stabile at 1100… 1400 W in the future. Increasing PWM frequency from minimum to maximum value leads to a decrease copper losses by 25%. The magnitude of total losses is described by the dependence of a complex form. The rational clock frequency for the considered drive is in the range of 300...1500 Hz. A method for identifying the parameters of the control system of a 4qs converter of a suburban electric train which provides its high energy efficiency in traction and regenerative braking modes in a wide range of operating currents has been developed. The method contains two stages. The first stage is devoted to determining the vectors of the input parameters of the 4qs-converter control system by changing the modulation factor and the shift factor between the mains current and the sinusoidal reference signal, which are optimal by the criterion of minimum reactive power of the traction network. The defined vectors are the parameters of the constraints in the control system of the converter. In the second stage the electrical losses, wich are components of converter energy efficiency, are determined using the datasheet data of IGBT-transistors and taking into account the change of IGBT-transistors parameters depending on the current and voltage on them. Simulation models of the 4qs-converter of the traction drive of a commuter electric train have been created, which allow modeling of its operation according to two stages of this technique. For the first time, based on the results of simulation modeling for a commuter electric train dependence of the modulation and bias coefficients between mains current and reference sinusoidal signal on DC link current, at which the maximum modulus power factor for the whole current range in traction and regenerative braking modes was found. It is determined that for a 4qs-converter of a traction drive of a commuter electric train the rational clock frequency of the converter lies in the range of 900…2000 Hz. At this clock frequency, the efficiency of the converter is 95… 98%, the mains current coefficient of nonlinear distortion is 5…12% in the load range of 10…100% of the nominal. A conceptual design of a commuter AC electric train based on a direct PMSM traction drive powered by autonomous voltage inverters and a 4qs-converter, which provides power to 16 links "traction PMSM - traction inverter", is proposed. The use of the proposed traction drive allows to increase the efficiency of the electric train to 0.93 while maintaining a power factor close to 1 in the load range of 10… 100% of the nominal. The developed scientific provisions are an effective tool for modernization and creation of new traction electrical equipment of AC electric trains. The results of the dissertation are implemented in LLC "Research and Production Company" SPETSENEGOSERVICE", Subdivision "Suburban Passenger Transport Service" of the regional branch "Southern Railway" JSC "Ukrzaliznytsia", PJSC "Kryukovsky railway car building works" and the educational process of NTU "KhPI".