Determination of optimal parameters of the pulse width modulation of the 4qs transducer for electriс rolling stock

Abstract

Дослiджено режими роботи однофазного 4qs-перетворювача з широтно-iмпульсною модуляцiєю в складi електрорухомого складу змiнного струму. Розроблено методу визначення параметрiв ШIМ, при яких реалiзується оптимальний за критерiєм мiнiмiзацiї величини реактивної потужностi в системi «локомотив -тягова мережа» режим роботи перетворювача.Особливостями запропонованої методи є роздiлення процесу визначення оптимальних параметрiв ШIМ на 2 етапи, що дозволяє видалити з iмiтацiйної моделi непотрiбнi на даному етапi блоки та зменшити сумарний час моделювання. На першому етапi визначаються значення коефiцiєнту потужностi та струму ланки постiйного струму в усьому дiапазонi коефiцiєнтiв модуляцiї та зсуву мiж мережевим струмом та опорним синусоїдальним сигналом. Далi, з отриманого масиву даних видiляються пари значень параметрiв ШIМ, за яких реалiзується найвищiй коефiцiєнт потужностi системи «електровоз -тягова мережа», та заносяться до табличною системи завдання параметрiв ШIМ. На другому етапi визначається залежностi електричних втрат, а, отже, й ККД, та коефiцiєнту нелiнiйних спотворювань мережевого струму вiд тактової частоти перетворювачi. Визначення електричних втрат ґрунтується на обчисленнi енергiї, що була розсiяна протягом 1 с на IGBT-транзисторi та снаберному резисторi в залежностi вiд миттєвих значень струму через них. Для знаходження параметрiв ШIМ за наведеною методою розроблено iмiтацiйну модель 4qs-перетворювача, проведено iдентифiкацiю параметрiв ШIМ перетворювача електровозу для тестової задачi. Визначено, що енергетичнi показники перетворювача залежать нелiнiйно вiд трьох керуючих величин, що є параметрами ШIМ: коефiцiєнту модуляцiї, зсуву мiж мережевим струмом та опорним синусоїдальним сигналом, та тактовою частоти ШIМ. Визначено, що перетворювач з iдентифiкованими параметрами ШIМ забезпечує одиничний коефiцiєнт потужностi тягової мережi при навантаженнi бiльше 10 % вiд номiнального в режимах тяги та рекуперативного гальмування. Отримано залежнiсть електричних втрат перетворювача та коефiцiєнту нелiнiйних спотворень в тяговiй мережi вiд тактової частоти ШIМ. Визначено, що рацiональне значення тактової частоти лежить в iнтервалi 900…2000 Гц, при цьому ККД перетворювача досягає 98…95 %, коефiцiєнт нелiнiйних спотворень складає 12…5 %. Визначено, що виключення з силового кола снаберної ланки може суттєво зменшити сумарнi електричнi втрати. Встановлено, що втрати на паразитних опорах фiльтрiв незначнi, тому їх можна не враховувати в загальному балансi втратКлючовi слова: 4qs-перетворювач, електрорухомий склад, коефiцiєнт потужностi, ШIМ, iмiтацiйне моделювання, електричнi втрати

Improving the energy characteristics of a four-quadrant converter with pulse-width modulation

“…The issue of using 4QS converters on modern electric rolling stock and their further improvement are considered in many scientific works [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]. One of the main tasks set in these studies were attempts to solve the problem of compensation of higher harmonics and reduction of the level of harmonic current distortions in the power supply system of the electric locomotive based on the improvement of converter control methods and algorithms.…”

“…Therefore, studies of processes related to the operation of 4QS converters are currently important and necessary for improving their characteristics. Issues of improving the technical and economic characteristics of 4QS converters are considered in many works [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]. Technical solutions known today, which ensure the improvement of the energy characteristics of 4QS converters, can be conditionally combined into three main groups:…”

“…Work [15] presents the developed methodology for determining the optimal parameters of pulse width modulation of a single-phase 4qs converter to minimize the reactive power of the converter. The features of the proposed method are the separation of the PWM parameter determination process into 2 stages.…”

Prospective Technologies of Maintenance and Repair of the Contact Network According to the State of Urban Electric Transport

“…Передумовою до постановки і рішення задачі удосконалення електротягових мереж міського електротранспорту та забезпечення ресурсоенергозбереження при їх експлуатації стали праці вчених [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10]. Запропонований підхід до розробки ресурсозберігаючих технологій експлуатації КМ дозволив узагальнити фундаментальні дослідження відмічених вище авторів у області якості електропостачання міського електротранспорту.…”

“…Запропоновані науково обґрунтовані принципи розвитку технології експлуатації електричних систем з тяговими навантаженнями міського електротранспорту за станом і мінімальними витратами в процесі їх життєвого циклу, що в сукупності вирішує проблему ресурсозбереження [10][11][12][13][14][15].…”