ANALIZA OBWODÓW WEJŚCIOWYCH PRZETWORNICY GŁÓWNEJ LOKOMOTYWY ELEKTRYCZNEJ, ZASILANEJ Z NAPIĘCIA 3 KV

Transkrypt

1 Marcin PARCHOMIUK ANALIZA OBWODÓW WEJŚCIOWYCH PRZETWORNICY GŁÓWNEJ LOKOMOTYWY ELEKTRYCZNEJ, ZASILANEJ Z NAPIĘCIA 3 KV STRESZCZENIE W pracy zamieszczono analizę przekształtnika trakcyjnego DC/AC/DC z transformatorem pośredniczącym na napięcie 3 kv. Omówiono topologie układowe stosowane do tego typu zasilaczy oraz zawarto porównanie nowoczesnych materiałów magnetycznych wykorzystywanych do budowy transformatorów. Zaprezentowane zostały badania i wyniki symulacyjne typowych topologii przekształtnika DC/AC/DC zasilanego napięciem 3kV. W ramach potwierdzenia załoŝeń teoretycznych przedstawiono wyniki badań zbudowanego przekształtnika DC/AC/DC o mocy 3 kw, 3x400 V. Słowa kluczowe: DC/AC/DC, przekształtnik, układy trakcyjne, transformator, materiały magnetyczne 1. WSTĘP Artykuł omawia prace badawczo-rozwojowe związane z analizą przekształtnika DC/AC/DC z transformatorem pośredniczącym, przeznaczonym do zasilania potrzeb własnych układów trakcyjnych kv DC (rys.1). Układy przekształtnikowe tego typu coraz częściej stosowane są w nowych jak i modernizowanych lokomotywach elektrycznych. Zastępują one przetwornice maszynowe, które stosowane były do tej pory w lokomotywach elektrycznych do przetwarzania prądu stałego na przemienny. Nowoczesne urządzenia trakcyjne charakteryzują się duŝą niezawodnością i sprawnością. Zbudowane są z za- mgr inŝ. Marcin PARCHOMIUK, m.parchomiuk@iel.waw.pl Zakład Przekształtników Mocy Instytut Elektrotechniki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 236, 2008

2 170 M.Parchomiuk awansowanych technologicznie elementów, podzespołów i rozwiązań układowych. Przykładem jest stosowanie nowej generacji modułów tranzystorowych, HV-IGBT, amorficznych lub nanokrystalicznych materiałów magnetycznych, oraz mikroprocesorowych układów sterowania i kontroli. Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza przetwornicy głównej lokomotywy, 1- Obwody wejściowe, 2- Przekształtnik DC/AC/DC, 3- ObciąŜenie 2. TOPOLOGIE STOSOWANYCH PRZEKSZTAŁTNIKÓW W przekształtnikach DC/AC/DC duŝej mocy, zasilanych z napięcia trakcyjnego, zwykle wymagana jest izolacja galwaniczna odbiornika od źródła zasilania. W celu wykonania tego typu zasilaczy stosuje się przekształtniki prądu stałego o zwiększonej częstotliwości z transformatorami pośredniczącymi. Układy przekształtników tego typu podzielone są wg literatury [1, 3] na dwie grupy: dwutaktowe i jednotaktowe. Przetwornice dwutaktowe to układy o działaniu obniŝająco-podwyŝszającym (flyback converter), w których transformator oprócz izolacji galwanicznej i dopasowaniu poziomu napięcia wyjściowego przekształtnika pełni równieŝ rolę magazynowania energii w rdzeniu. Po kaŝdorazowym wyłączeniu łącznika sterowanego, zgromadzona energia przekazywana jest do obwodu odbiornika. W układach tego typu transformator powinien charakteryzować się duŝym przekrojem rdzenia oraz duŝą szczeliną powietrzną. Ze względu na swoje właściwości, przetwornice dwutaktowe nie są wykorzystywane w układach duŝych mocy. Drugą grupę stanowią przetwornice jednotaktowe (forward converter), które są układami obniŝającymi napięcie. Przekazują one energię z obwodu pierwotnego do wtórnego w czasie przewodzenia łączników sterowanych. W takim układzie transformator charakteryzuje się małą indukcyjnością rozproszenia ( uzwojenie bifilarne, brak szczeliny) oraz duŝą indukcyjnością główną (mały prąd magnesujący). Do układów tego typu zaliczamy struktury przekształtników symetrycznych w układach dwutranzystorowych oraz asymetrycznych. Do pierwszej grupy naleŝą układy: push-pull, półmostkowe (half-bridge, rys. 2) i pełno-mostkowe (full-bridge, rys. 3). Wymienio-

3 Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy 171 ne zostały układy symetryczne, gdyŝ to właśnie one stosowane są w układach duŝych mocy i pozwalają na pełne wykorzystanie magnetyczne rdzenia transformatora. Lepsze wykorzystanie magnetyczne powoduje, Ŝe transformatory tych przekształtników są lŝejsze i mniejsze w porównaniu z przekształtnikami asymetrycznymi. JeŜeli chodzi o przekształtniki trakcyjne, to naleŝy wyeliminować symetryczny układ push-pull, ze względu na złoŝoną budowę uzwojenia pierwotnego transformatora (uzwojenie dwusekcyjne) oraz na niekorzystne pełne napięcie, jakie się pojawia na połowie uzwojenia pierwotnego w tym układzie. Dodatkowo układy push-pull wykorzystywane są do układów wysokich częstotliwości i średniej mocy (od 0,5 kw do kilkunastu kw). Rys. 2. Przekształtnik DC/AC/DC pół-mostkowy (half-bridge) Rys. 3. Przekształtnik DC/AC/DC pełno-mostkowy (full-bridge) W literaturze spotykane są równieŝ inne układy przekształtnikowe, stosowane do zasilaczy trakcyjnych duŝych mocy. Przykładem moŝe być zastosowanie przetwornicy obniŝającej napięcie (ang. buck converter, czoper) z powyŝszymi przetwornicami mostkowymi (rys.4). Zadaniem takiego czopera jest wtedy obniŝenie oraz stabilizowanie napięcia wejściowego podawanego na przetwornicę. Innym rozwiązaniem moŝe być zastosowanie przetwornic wielopoziomowych, które mogłyby pracować równolegle. Wybór docelowego rozwiązania zaleŝy jednak od analizy techniczno ekonomicznej.

4 172 M.Parchomiuk Rys. 4. Przykład układu czopera z przetwornicą pół-mostkową W układach tego typu teoretycznie prąd magnesujący oraz strumień transformatora nie powinien zawierać składowej stałej, która moŝe pojawić się w wyniku braku symetrii sterowania tranzystorów. Częstym powodem wystąpienia składowej stałej jest róŝnica w czasach przełączania tranzystorów lub róŝne spadki napięć na tranzystorach. Dla układów mostkowychi pół-mostkowych, oprócz odpowiedniej regulacji układu sterowania, skutecznym sposobem jest zastosowanie kondensatora symetryzującego, włączonego szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora. Kondensator uniemoŝliwia przepływ składowej stałej prądu pierwotnego. W momencie pojawienia się niesymetrii kondensator szeregowy ładuje się do stałej wartości, która dodaje się lub odejmuje od wartości chwilowej. W rezultacie do uzwojenia pierwotnego jest doprowadzone napięcie przemienne, pozbawione składowej stałej. Generowanie składowej stałej w uzwojeniu pierwotnym transformatora doprowadza do występujących losowo zwarć w urządzeniu i jego wyłączeń, dlatego teŝ konieczna jest eliminacja tego zjawiska. 3. NOWOCZESNE MATERIAŁY MAGNETYCZNE Bardzo waŝnym elementem analizy obwodów wejściowych przetwornicy jest transformator separujący, który zapewnia izolację odbiorów od źródła zasilania oraz dopasowanie napięcia wyjściowego. Obecnie coraz bardziej popularne są technologie wysokich częstotliwości, które pozwalają na znaczną redukcję masy oraz wymiarów urządzeń energoelektronicznych, a takŝe wzrost ich efektywności działania. Obwody magnetyczne coraz częściej wykonywane są z materiałów magnetycznie miękkich tj. ferromagnetyków [6], które łatwo namagnesować do nasycenia oraz posiadających mniejsze stratności energii w stosunku do Ŝelaza. W dobie rozwoju produkcji przemysłowej transformatorów, podstawowym materiałem są rdzenie amorficzne na bazie Fe i Co oraz nowocześniejsze materiały nanokrystaliczne (tab.1). Stosowane w układach

5 Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy 173 o podwyŝszonej częstotliwości pozwalają one na obniŝenie strat energii w rdzeniu oraz zmniejszenie gabarytów transformatorów i dławików. Stopy amorficzne [10] uzyskiwane są poprzez gwałtowne schłodzenie ciekłego stopu metalu i charakteryzują się nieuporządkowaną strukturą atomów. W większości stopy amorficzne składają się z pierwiastków Fe, Co, Ni lub ich kombinacji. W zaleŝności od zastosowanego pierwiastka podstawowego, materiały róŝnią się właściwościami magnetycznymi. Dla stopu, który zawiera w większości domieszkę Fe, materiał charakteryzuje się wysoką indukcją nasycenia (1,5 T). Z połączenia Fe i Ni uzyskuje się duŝą przenikalność magnetyczną. Obecnie na skalę przemysłową produkowane są materiały amorficzne w postaci taśmy µm. Najbardziej popularnymi w zastosowaniach elektrotechnicznych są materiały: Metglas 2605SA1 [7] oraz Vitrovac 6030f [8]. Stopy nanokrystaliczne [10] uzyskuje się poprzez unormowaną krystalizację szkieł metalicznych. Dzięki temu powstają krystality o wielkości mniejszej niŝ 100 nm. Otrzymany w ten sposób materiał charakteryzuje się duŝą indukcją nasycenia (1,2 T), zerową magnetostrykcją, duŝą przenikalnością początkową. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są stopy Vitropermu (rys.5,6), produkowanego przez firmę Vacuumschmelze, oraz materiały Finmet firmy Metglas. Warto wspomnieć o rozwijającej się technologii blach elektrotechnicznych, z wysoką zawartością krzemu (6,5% Si). Charakteryzują się one mikrokrystaliczną strukturą z ziarnami 0,1-10 µm. Dzięki moŝliwości zwiększenia zawartości krzemu, materiał charakteryzuje się zwiększoną rezystywnością, znacznym obniŝeniem strat oraz indukcji nasycenia 1,3 T. (Tabela 1, [11,12]). Blachy elektrotechniczne 6,5% Fe-Si wytwarzane są w japońskiej firmie JFE Steel Corporation do produkcji rdzeni JNEX oraz JNHF. W tabeli 1 zestawiono kilka materiałów magnetycznych i porównano ich parametry techniczne. TABELA 1 Porównanie parametrów technicznych materiałów magnetycznych Typ materiału Amorficzny Amorficzny Amorficzny Nanokrystaliczny Mikrokrystaliczny Nazwa Blacha transf. M089-27N Metglas 2605SA1 VITROVAC 6030F VITROPERM 500F Blach transf. 6.5%Si, JNEX Grubość blach 270 µm 25 µm 0,7-1,5mm µm 0,1-10µm Indukcja 1,77 T 1,56 T 0,82 T 1,2 T 1,3T nasycenia Stratność Hz, 1,7 T P=20 khz, 03 T P<140W/kg (@100 khz) P=110W/kg (@100 khz) khz, 0,3 T Rezystywność 48 µω cm 137 µω cm 115 µω cm 82 µω cm Magnetostrykcja 1* *10-6 < 0,2*10-6 < 0,5*10-6 0,1*10-6 Temp. Curie 476 ºC 415 ºC 365 ºC > 600 ºC -

6 174 M.Parchomiuk Rys. 5. Straty w rdzeniach w funkcji indukcji nasycenia przy róŝnych częstotliwościach [Vacuumschmelze] Rys. 6. Porównanie charakterystyka magnesowania dla Ferrytu i Vitropermu 500F [Vacuumschmelze] 4. SYMULACJA OBWODÓW MAGNETYCZNYCH Obecnie profesjonalnym narzędziem do symulacji nieliniowych obwodów elektro-magnetycznych jest program Opera firmy VectorFields [9] (przykład symulacji rys.7). Program jest narzędziem obliczeniowym umoŝliwiającym symulowanie pól elektromagnetycznych i elektrostatycznych w złoŝonych obiektach w przestrzeni dwuwymiarowej 2D i trójwymiarowej 3D. Opisywanie modelów w 2D realizowane jest zgodnie z zasadami projektowania obiektów CAD, natomiast budowanie modelów w 3D odbywa się w module zwanym modeller, poprzez składanie elementów trójwymiarowych. Projektowany obiekt w programie Opera definiowany jest jako połączenie obszarów wielobocznych (opera 2D) lub

7 Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy 175 połączenie przestrzennych figur geometrycznych (opera 3D), które są automatycznie dzielone z zastosowaniem metody elementów skończonych. Program posiada moŝliwość opisywania właściwości materiałów, np. charakterystyk magnesowania dla materiałów magnetycznych (amorficznych, nanokrystalicznych ) z kontrolą ich poprawności. Opera zawiera pakiet programów obliczeniowych, które przeznaczone są do rozwiązywania ukierunkowanych zagadnień. RozróŜniane są programy, które pozwalają na: rozwiązywanie nieliniowych magnetostatycznych i elektrostatycznych pól analizowanie zagadnień magnetostatycznych i elektrostatycznych występujących w maszynach elektrycznych, analizę zjawisk stałych i zmiennych w czasie, analizę zjawisk w obiektach poruszających się w polu prądów stałych ruchem liniowym lub obrotowym, rozwiązywanie rozkładów pól cieplnych wyznaczonych ze źródeł ciepła np. przepływu prądów wirowych. Rys. 7. Przykład symulacji obwodów magnetycznych w programie Opera Program Opera został wyposaŝony w łatwy w obsłudze moduł postprocesora, pozwalający na wizualizację modelowanych obiektów. UmoŜliwia on równieŝ prezentację wyników rozwiązania w postaci obiektów trójwymiarowych, wykresów liniowych oraz obrazów wektorów pola (rys.7). W ten sposób uŝytkownik posiada dogodne moŝliwości weryfikacji poprawności uzyskanego rozwiązania. Postprocesor daje moŝliwość obliczania energii, strat mocy, siły i momentów działających na obiekt. Pozwala on równieŝ określić całki liniowe oraz powierzchniowe z dowolnych wyraŝeń opisanych przez projektanta. Program posłuŝy do zaprojektowania transformatora, spełniającego wymagania trakcyjnych obwodów wejściowych.

8 176 M.Parchomiuk 5. BADANIA SYMULACYJNE PRZEKSZTAŁTNIKA DC/AC/DC W ramach potwierdzenia załoŝeń teoretycznych dla zasilacza trakcyjnego przeprowadzono kilka badań symulacyjnych w programie TCAD7.0 [13]. Symulator TCAD jest oprogramowaniem opracowanym przez Politechnikę Gdańską. UŜywany jest on do symulowania złoŝonych układów energoelektronicznych i elektromaszynowych, z zastosowaniem modelów funkcjonalnego układu sterowania. Do opisu symulowanych układów zastosowano metodę potencjałów węzłowych oraz jako metodę całkowania numerycznego zastosowano stabilny algorytm Geare a I rzędu. Przebadano typowe przekształtniki w układzie pół-mostkowym i pełnomostkowym z transformatorem separującym. Schematy symulowanych układów zamieszczono na rysunku 8 i rysunku 9. Działanie obu przekształtników jest podobne. Oba układy naleŝą do grupy układów jednotaktowych, przekazujących energię do odbiornika w czasie przewodzenia tranzystorów oraz umoŝliwiają kontrolę napięcia wyjściowego od zera do n*uwe. W przekształtniku półmostkowym, kondensatory na wejściu dzielą napięcie na pół, które w wyniku przewodzenia tranzystorów podawane jest na uzwojenie pierwotne. W układzie pełno-mostkowym na uzwojenie pierwotne podawane jest pełne napięcie wejściowe. Wielkość napięcia podawanego na uzwojenie pierwotne transformatora ma duŝy wpływ na parametry projektowanego transformatora, dlatego teŝ wybrany układ przekształtnikowy do zasilacza powinien być dokładnie przeanalizowany. Rys. 8. Symulacja przekształtnika DC/AC/DC w układzie pół-mostkowym w programie TCAD

9 Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy 177 Rys. 9. Symulacja przekształtnika DC/AC/DC w układzie pełno-mostkowym w programie TCAD m 10m 10.5m 11m 11.5m 12m 12.5m 13m 13.5m 14m 14.5m 15m 15.5m 16m 0 1k 2k 9.5m 10m 10.5m 11m 11.5m 12m 12.5m 13m 13.5m 14m 14.5m 15m 15.5m 16m -1k 0 1k 9.5m 10m 10.5m 11m 11.5m 12m 12.5m 13m 13.5m 14m 14.5m 15m 15.5m 16m 0 9.5m 10m 10.5m 11m 11.5m 12m 12.5m 13m 13.5m 14m 14.5m 15m 15.5m 16m m 10m 10.5m 11m 11.5m 12m 12.5m 13m 13.5m 14m 14.5m 15m 15.5m 16m Rys. 10. Symulacja przekształtnika DC/AC/DC w układzie półmostkowym w programie TCAD. Przypadek prądu impulsowego dławika wyjściowego. Oznaczenia przebiegów od góry: 1- Sterowanie T1, 2- napięcie na T1, 3- napięcie na wyjściu transformatora, 4- prąd wtórny transformatora, 5- prąd impulsowy dławika wyjściowego

10 178 M.Parchomiuk 6. WYNIKI BADAŃ PRZEKSZTAŁTNIKA DC/AC/DC 3KW Dodatkowo w celu potwierdzenia wyników symulacji zbudowano i przebadano model przekształtnika DC/AC/DC z transformatorem o mocy 3 kw, zasilany z napięcia sieciowego 3x400 V (rys. 11, rys. 12). Przekształtnik został zrealizowany w układzie czopera i przetwornicy pół-mostkowej z kondensatorem symetryzującym. Częstotliwość pracy czopera i przetwornicy została ustawiona na 16 khz. Do przekształtnika zastosowano gotowy transformator z rdzeniem typu AMCC PowerLite ze stopu amorficznego Metglas 2605SA1 (tab.1). Na rysunku 13 przedstawiono przebiegi prądów czopera i przetwornicy. Do przekształtnika zaprojektowano równieŝ mikroprocesorowy układ sterowania, zapewniający większe moŝliwości dostrojenia parametrów pracy zasilacza. Rys. 11. Widok przekształtnika DC/AC/DC z transformatorem o mocy 3 kw, 3x400 V

11 Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy 179 Rys. 12. Widok stanowiska do badania przekształtnika DC/AC/DC z transformatorem o mocy 3 kw, 3x400 V Rys. 13. Przebiegi sygnałów sterujących, prądu czopera i przetwornicy w zasilaczu DC/DC 3 kw, 3x400 V 7. WNIOSKI Omówione w artykule prace związane z analizą obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy elektrycznej prowadzą do podjęcia wyboru optymalnego rozwiązania układowego. Polegać to będzie na zastosowaniu od-

12 180 M.Parchomiuk powiedniego układu przekształtnikowego, który dostosowany będzie do załoŝonej mocy układu, napięcia na wejściu i wyjściu oraz doborze częstotliwości pracy falownika. Odpowiedni dobór rodzaju przekształtnika związany jest z jego kosztami, gabarytami i stopniem złoŝoności rozwiązania. Mając na uwadze koszty samych elementów półprzewodnikowych, których cena pojedynczego elementu sięga rzędu kilku tysięcy złotych, struktura musi być przemyślana i uzasadniona. Przykładem moŝe być wybór pomiędzy przekształtnikiem półmostkowym, a pełnym mostkiem, w którym występuje dwa razy więcej elementów mocy. Powodem podejmowanej pracy jest równieŝ modernizacja istniejących rozwiązań analogowego sterowania przetwornicą przez zastąpienie układem mikroprocesorowym, którego zastosowanie daje wyraźne korzyści ekonomiczne i techniczne w stosunku do stosowanych obecnie układów analogowych. W przyszłości opracowany układ przekształtnikowy oraz zebrane doświadczenia zostaną wykorzystane przy projektowaniu przetwornic kolejowych Rys. 14. Przetwornica kolejowa 3 kv DC, 80 kw, zbudowana w Zakładzie Przekształtników Mocy IEL średnich i małych mocy. W ostatnich latach pojawiło się zwiększone zapotrzebowanie na urządzenia tego rodzaju w związku z modernizacją taboru trakcyjnego, polegające między innymi na zastąpieniu przetwornic maszynowych układami energoelektronicznymi. Układy tego rodzaju są juŝ obecnie oferowane przez Instytut Elektrotechniki. W latach 2006/2007 w Zakładzie Przekształtników Mocy został wykonany, zbadany w laboratorium oraz wprowadzony do ru-

13 Analiza obwodów wejściowych przetwornicy głównej lokomotywy 181 chu na lokomotywie elektrycznej prototyp przetwornicy statycznej 3 kv o mocy 80 kw (rys.14). W trakcie badań eksploatacyjnych układu stwierdzono potrzebę doskonalenia istniejących rozwiązań. LITERATURA 1. Nowak M., Barlik R.: Poradnik inŝyniera energoelektronika. WNT Warszawa Nowak M., Kaźmierkowski M.P., Wójciak A.: Układy przekształtnikowe w elektronice przemysłowej. WKiŁ, Warszawa Tunia H., Barlik R.: Teoria Przekształtników. OWPW, Warszawa Groschtwitz H., Holtz J.: An expert system on transformer design for switched mode power supplies., IECON Rajashekara, K., Bhat, A.K.S., Bose, B.K.: Power Electronics., CRC Press LLC, Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. OWPW Warszawa McHenry M.E., Williard M.A., Laughl i n D.E.: Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnets. Progress in Material Science, 44 (1999), Najgebauer M., Szczygłowski J.: Nowoczesne tendencje rozwojowe w inŝynierii materiałów magnetycznych. Przegląd Elektrotechniczny, Rękopis dostarczono dnia r. Opiniował: prof. dr hab. inŝ. Jan Sikora INPUT CIRCUIT ANALYSIS OF 3 KV STATIC CONVERTER IN ELECTRIC LOCOMOTIVES Marcin PARCHOMIUK ABSTRACT This paper presents analysis of 3kV DC/AC/DC converter with transformer. It also describes circuit topologies used for traction type of converters and also includes comparison of modern magnetic materials used in modern transformers. In addition author shows simulation results of typical converter 3kV DC. In order to check theoretical results the paper presents laboratory measurements of DC/AC/DC converter for 3kW, 3x400V.