Proposed improvements of GOST 33726-2016: Static Non-Tractive Converters for Railway Rolling Stock. General Specifications

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день одним из наиболее востребованных видов транспорта является скоростное железнодорожное сообщение, где для выполнения различного рода задач применяются импульсные преобразователи электроэнергии: начиная от высокомощных, управляющих тяговыми электродвигателями, и заканчивая низкомощными, формирующими однофазную сеть переменного напряжения для подключения бытовых приборов.

Для обеспечения бортовой электросети бытового типа (220 В 50 Гц), а также для обеспечения электропитания при «опущенном» токоприемнике в электропоезде «Сапсан» применен специализированный импульсный источник, преобразующий постоянное напряжения аккумуляторной батареи (АКБ) в переменное напряжение однофазной сети. Данные преобразователи установлены из-за того, что преобразователь собственных нужд (ПСН) формирует трехфазную сеть 440 В 60 Гц, что делает невозможным, даже с учетом применения понижающего трансформатора, использование электроприборов, рассчитанных на 50 Гц. С учетом опыта успешной эксплуатации «Сапсан» и планами разработки отечественного скоростного электропоезда, а также ввиду необходимости питания электроприборов, когда поезд не подключен к высоковольтной контактной сети, допустимо предположить, что использовавшаяся ранее структура электропитания будет реализована на новых составах.

Основным документом, регламентирующим технические и эксплуатационные характеристики и функции для преобразовательного оборудования, установленного на подвижной состав железных дорог, является ГОСТ 33726-2016 «Преобразователи статические нетяговые для железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия», введенный в 2016 году [1]. Важно уточнить, что электронная компонентная база (ЭКБ), применяемая в преобразовательной технике, в частности, в маломощных преобразователях (до десятков кВт), претерпела значительные изменения в период с 2016 года по текущий момент. Например, в связи с широкой доступностью и конкурентной стоимостью SiC транзисторов распространилось их применение в преобразовательной технике. Основное преимущество SiC относительно ранее используемых IGBT заключается в кратно превышающей рабочей частоте [2]. Увеличение частоты коммутации позволяет увеличить КПД и, в случае источников синусоидального напряжения, значительно снизить номинальные значения компонентов выходных синус-фильтров, а, следовательно, и массогабаритные размеры конечного устройства. Несмотря на положительные эффекты применения высокочастотной ЭКБ, повысилась сложность данных устройств. Следовательно, появилась необходимость более детально оценивать корректность работоспособности для дальнейшей безопасной эксплуатации в составе электропоезда.

Таким образом, целью работы является детальное рассмотрение и доработка требований к импульсным источникам однофазного напряжения, установленным на подвижном железнодорожном составе и питающимся от АКБ.

ТРЕБОВАНИЯ К ПОКАЗАТЕЛЯМ ВЫХОДНЫХ КАНАЛОВ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

Как было сказано выше, рассматриваемые преобразователи, формируют напряжение однофазной сети стандартного номинала, предназначенную для питания бытовых электроприборов. Из назначения формируемой сети вполне логичным является заключение о режиме работы преобразователя – продолжительный. Согласно ГОСТ 33726-2016 рассматриваемый преобразователь относится к источникам, формирующим переменное напряжение синусоидальной формы, а по назначению выходного канала «питание бортовой сети, в т.ч. освещения лампами накаливания синусоидальным напряжением». Данный преобразователь невозможно отнести к другим типам, т.к. они предназначены для питания двигателей с и без регулирования скорости вращения [3].

В ГОСТ 33726-2016, указаны требования к отклонениям формируемого напряжения в установившемся режиме при различной нагрузке, которые приведены в Табл. Фактически, измерения направлены на проверку работоспособности с точки зрения искажения формируемого напряжения при различной нагрузке, когда контролируется частота, напряжение и коэффициент гармоник [4]. Безусловно, данные измерения необходимы, т.к. преобразователи (в случае исследования – однофазные) имеют структуру системы управления, состоящую из двух регуляторов. В качестве задания контура напряжения используется синусоидальный сигнал (на практике в данных системах управления не применяются координатные преобразования для перехода во вращающуюся систему), а далее из управляющего воздействия контура напряжения вычитается выходной ток (ток нагрузки с током фильтра) [5]. Именно приведенные испытания позволяют оценить корректность работы контура напряжения регулятора системы управления при различном токе нагрузки.

Таблица. Показатели выходных каналов нетяговых преобразователей, определяемые при испытаниях в установившихся режимах

Table. Output channel performance of non-traction converters determined during steady-state testing

Согласно требованиям ГОСТ 33726-2016, приведенным в Табл., при минимальном количестве измерений крайне затруднительным является обеспечение равномерного шага нагрузки (0,1111…Iмах) как с точки зрения определения величины тока нагрузки, так и с практической точки зрения. Кроме того, в Табл. указаны допустимые отклонения к измеряемым параметрам, но не регламентированы возможные отклонения нагрузки, что позволило бы значительно упростить процесс испытаний. Таким образом, первым предложением по доработке ГОСТ 33726-2016 является изменение минимального количества измерений при проведении испытаний контроля качественных характеристик формируемого напряжения с 10 на 11 для фиксированного шага нагрузки 0,1Iмах и добавления допустимых отклонений, например, ±2% [6].

Другим немаловажным требованием, не указанным в ГОСТ, но имеющим рациональное обоснование и схожесть с реальным режимом эксплуатации является скачкообразное изменение нагрузки («сброс»/«наброс»), т.е. мгновенный переход преобразователя из режима холостого хода, например, на полную нагрузку. В ГОСТ 33726-2016 указаны методы контроля: «6.6 Контроль работоспособного состояния при граничных условиях электроснабжения цепей управления» и «6.8 Контроль устойчивости работы преобразователя при скачкообразном изменении питающего входного напряжения», которые относятся исключительно к изменению питающего напряжения, но не включают ненормированное изменение нагрузки. Подобные испытания, например, описаны для преобразователей, соответствующих российскому морскому регистру судоходства (РМРС). В правилах «технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов» в «Часть IV. Техническое наблюдение за изготовлением изделий», где в пункте 10.7.3.5 указано: «Проверка работы преобразователя при набросах и сбросах нагрузки осуществляется при номинальных параметрах на входе преобразователя путем внезапного включения и отключения нагрузки по схеме: 0–50%–0, 0–100%–0, 0–допустимая нагрузка–0» [7]. Включение подобного типа испытаний для железнодорожных преобразователей, с точки зрения автора, является необходимым и позволит более детально анализировать работу устройств в переходных процессах.

Другим актуальным вопросом, не рассмотренным ГОСТ 33726-2016 в области контроля параметров формируемого напряжения, является вопрос типа нагрузки (активной/реактивной) при проведении испытаний. При подключении реактивной нагрузки (нагрузки с реактивной составляющей), наиболее ярким примером является микроволновка, искажения выходного напряжения будут больше, чем при активной. Данные искажения влияют на коэффициент гармоник напряжения (англ. Total Harmonic Distortion (THD)), который указан в ГОСТ. Тем не менее к cosφ подключаемой нагрузки не предъявляются требования. Аналогично не рассмотрены требования к устойчивости преобразователя при подключении нагрузки, имеющей гармонические искажения тока, например, зарядных устройств гаджетов, не имеющих корректор коэффициента мощности (ККМ) (Рис. 1) [8].

Рис. 1. Токи потребления зарядного устройства смартфона без ККМ

Fig. 1. Current consumption of a smartphone charger without a PFC

Приведенные осциллограммы получены при подключении зарядного устройства мощностью 45 Вт при этом THD выходного напряжения составляет 1,8%, хотя при работе преобразователя на активную нагрузку большей мощности THD=1,6% (Рис. 2).

Рис. 2. Ток, напряжение и THD преобразователя при работе на активную нагрузку

Fig. 2. Current, voltage and THD of the converter when operating on an active load

Кроме того, в продолжение рассмотрения устойчивости работы устройств при гармонических искажениях тока нагрузки в ГОСТ для преобразователей, формирующих бортовую сеть, не указаны требования к крест-фактору (англ. Crest Factor) [9]. Крест-фактор определяется как отношение максимального амплитудного значения тока в реактивной нагрузке к действующему значению тока в линейной нагрузке. Например, если преобразователь рассчитан на среднеквадратичное значение выходного тока 7 А (~10 А амплитудное значение) и имеет крест-фактор 2:1 (для промышленных ИБП крест-фактор составляет 2–3:1), то его максимальный выходной импульсный ток должен составлять 14 А. Стоит отметить, что, если требование к устойчивости источника при гармонических искажениях потребляемого тока необходимо только при подключении электронных устройств без ККМ (устройства, оборудованные ККМ, имеют минимальные гармонические искажения потребляемого тока, а также cosφ ≥0,95), то требования по крест-фактору к преобразователю необходимо предъявлять вне зависимости от типа устройств [10]. Данная необходимость обусловлена структурой современных электронных устройств. В начальный момент подключения электронных устройств, до запуска ККМ, происходит заряд емкости, а ток ограничивается специализированными зарядными цепями. Но, несмотря на применение специализированных цепей, амплитудное кратковременное значение зарядного тока в десятки раз превышает среднее значение, потребляемое при номинальной нагрузке и работе ККМ. Именно из-за протекания данных процессов одним из параметров, характеризующих современные импульсные источники переменного напряжения, является крест-фактор, требования к которому также необходимо указать в рассматриваемом ГОСТе.

Ключевым параметром, характеризующим качество формируемой сети преобразователем, является THD выходного напряжения, который, согласно ГОСТ, во всем диапазоне нагрузки не должен превышать 8%. Например, для измерения гармонических искажений, допустимо применять анализатор качества электроэнергии C.A 8336 фирмы Chauvin Arnoux, который включен в госреестр средств измерений (ГРСИ РФ) [11]. Данный прибор имеет возможность мерить искажения до 50-й гармоники включительно, что соответствует частоте 2,5 кГц. Кроме того, согласно IEC 61000-4-7 [12], в соответствии с которым разрабатывался отечественный стандарт, измерения проводят до 40-й гармоники т.е. 2 кГц. Из-за того, что современные преобразователи, особенно в которых применены SiC транзисторы, работают на частотах в десятки кГц, измерения искажения до 40-й или 50-й гармоники не в полной мере отражают реальные искажения. На Рис. 3 приведены примеры гармонических искажений определенных гармоник на примере однофазного напряжения [13].

Рис. 3. Гармонические искажения однофазного напряжения

Fig. 3. Harmonic distortion of single-phase voltage

Наибольший интерес представленных осциллограмм заключается в нижнем примере, где смоделированы максимально допустимые значения искажения согласно ГОСТ для 60-й гармоники. Так, согласно результатам, при измерении до 40-й гармоники THD=0,2%, а при измерении до 60-й гармоники THD=6,89% [14]. Данные результаты являются наглядным примером, подтверждающим ограниченность и неточность оценки качества формируемого напряжения путем вычисления гармонических искажений до определенной гармоники, частота которой ниже возможных искажений.

Именно THD формируемого напряжения, по мнению автора, является ключевым параметром, методы измерения которого необходимо существенно усовершенствовать, что позволит более корректно выполнять оценку работы устройства.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

В ГОСТ 33726-2016 достаточно подробно рассмотрены различные технические требования к функциональным возможностям преобразователя, в частности, наличие защит, возможность автоматического повторного включения (АПВ) и др., а также стандартные эксплуатационные требования: сопротивление/прочность изоляции; степень защиты оболочки; температурный диапазон в зависимости от размещения; уровень шума и т.д. Кроме того, приведены требования к КПД: «При номинальном входном напряжении коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя без внутренней гальванической развязки должен быть не менее 0,9 в диапазоне нагрузок от 10% до 100% от номинальной мощности». Но, несмотря на отличия требований к КПД с и без гальванической развязки, непосредственных требований к ее наличию для различного типа преобразователей не предъявляется. Отметим, что рассматриваемый преобразователь, подключен непосредственно к АКБ и питает бытовые потребители, но существуют другие типы преобразователей, получающих питание от аналогичного источника, но их выходные цепи подключены к потребителям, которые в нормальном режиме эксплуатации питаются от преобразователя собственных нужд (ПСН), например, преобразователи системы вентиляции. Данный тип преобразователей в случае аварийной ситуации и при наличии пассажиров в салоне предназначен для подачи наружного воздуха, т.к. в электропоезде «Сапсан» не предусмотрена штатная система естественной вентиляции. Из чего следует, что цепи трехфазного переменного напряжения в преобразователе, где отсутствует гальваническая развязка, при аварийной ситуации могут быть замкнуты с цепями АКБ, что приведёт к серьезной неисправности.

По мнению автора, требования к наличию обязательной гальванической развязки необходимо предъявлять ко всем преобразователям, получающим питание от АКБ. Системе электропоезда необходимо обеспечить как можно более безопасное подключение потребителей при отсутствии высоковольтной контактной сети, когда АКБ является единственным источником электроэнергии, от которого, в том числе, питаются системы связи. Применение гальванической развязки при неконтролируемых аварийных ситуациях вторичной части преобразователя (например, при коротком замыкании цепей или нагрузки) позволяет обеспечить безопасное отключение без воздействия на источник (АКБ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в работе недостатки действующего ГОСТ 33726-2016 «Преобразователи статические нетяговые для железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия» на примере определенного типа преобразователя – импульсного источника однофазного напряжения, питающегося от АКБ, требуют доработки в области контроля качества формируемого напряжения. При оценке работы преобразователя необходимо дополнить и регламентировать требования при работе на нагрузку, ток потребления которой имеет различного типа искажения (cosφ и/или гармонические искажения). С точки зрения устойчивости работы, необходимо разработать и внедрить требования к крест-фактору, а также к неравномерному шагу подключения нагрузки.

Кроме рассмотренных требований, ключевым вопросом исследования является корректность оценки THD формируемого напряжения. Приведенные в работе примеры искажений, а также их последующая оценка, подтверждают необходимость изменения как методов измерения, так и применяемого оборудования, в частности, увеличения диапазона измеряемых гармоник и/или использования другого типа устройств, например, спектроанализаторов, имеющих значительно большую полосу измерения (до единиц ГГц).

Дальнейшие исследования направлены на разработку и последующее возможное внедрение детальных предложений по доработке методов, методик и способов контроля параметров работы преобразователей при проведении испытания.

РЕКОМЕНДАЦИЯ

Профессор кафедры систем автоматического управления Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ Кузнецов Владимир Евгеньевич рекомендует данную статью к публикации.

Автор заявляет, что настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The author declare that this article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Nikita K. Tretiakov

Author for correspondence.
Email: nktretyakov@stud.etu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4795-5181
SPIN-code: 2747-2242

postgraduate student

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Current consumption of a smartphone charger without a PFC

Download (182KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Current, voltage and THD of the converter when operating on an active load

Download (205KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Harmonic distortion of single-phase voltage

Download (719KB)

Indexing metadata