Analiza stabilności przekształtnikowych napędów trakcyjnych bezpośrednią metodą Lapunowa

• Autorzy: Stobiecki A. , Dudek R.

Warianty tytułu

EN

Stability analysis of converter-based tractions drives using Lyapunov's direct method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Trakcyjne układy napędowe z silnikami prądu stałego lub prądu przemiennego, sterowane poprzez układy energoelektroniczne, wyposażone są w filtry wejściowe typu LC w celu ograniczenia negatywnego wpływu tak sterowanych napędów na źródło zasilania i sieć zasilającą. Wieloletnie doświadczenia z eksploatacji elektrycznych lokomotyw kopalnianych (P = 60 kW–100 kW, U = 250 V) z impulsowymi układami sterowania pozwalają stwierdzić, że najczęstszą przyczyną awarii przekształtników są uszkodzenia kondensatorów filtru wejściowego [4]. Również liczne publikacje w literaturze krajowej i zagranicznej dotyczą warunków pracy filtrów wejściowych w stanach dynamicznych [1, 2, 6, 8]. Jednym z powodów uszkodzeń kondensatorów filtru wejściowego mogą być niskoczęstotliwościowe oscylacje, które pojawiają się w wyniku niestabilnej pracy układu napędowego. Dostępne obecnie tranzystory IGBT oraz moduły IPM umożliwiają pracę przekształtników ze znacznie wyższymi częstotliwościami, co pozwala na zmniejszenie wartości pojemności i indukcyjności filtru wejściowego, a tym samym gabarytów i kosztu urządzenia, przy niezmienionych tętnieniach prądu i napięcia sieci trakcyjnej. Jednak istotne zmniejszenie wartości pojemności kondensatora filtru może być niedopuszczalne między innymi z powodu konieczności zapewnienia warunków stabilnej pracy trakcyjnego układu napędowego. W pracach [3, 7] do badań warunków stabilnej pracy układu napędowego wykorzystano pierwszą (pośrednią) metodę Lapunowa, bazującą na linearyzacji układu w punkcie równowagi. W niniejszym artykule zaproponowano wykorzystanie bardziej ogólnej, bezpośredniej metody Lapunowa. Metoda ta pozwala określić warunki oraz obszar stabilnej pracy, co jest istotne w specyficznych stanach pracy napędu trakcyjnego, na przykład podczas przejazdu przez przerwy sekcyjne.

EN

New semiconductor power switches make considerable increase of operation frequency of converters in traction drives possible. For this reason the values of the capacitance and inductance of the input filter components could be significantly decreased. However, the significant decrease of the parameter values of these components can be unacceptable due to necessity to ensure the stable operation of the drive system. The method of obtaining the Lyapunov function and the conditions of stable drive’s operation are presented in this paper. On the basis of the simplified equivalent diagram of the traction system, which is frequently encountered in literature, the analysis of system operation was carried out. The non-linear differential equation describing the system was formulated, the points of balance were calculated and the practical meaning of these points was discussed. After taking into account the equilibrium points and appropriate transformation of the formulas the known in literature Liénard equation was obtained. On the basis of dependences related to Liénard equation the Lyapunov function for the system analysed in the paper was found. Results of the simulations and laboratory tests of stability of the system with pulse-mode converter supplying the traction motor with rated power of 45 kW of the electric mine locomotive Ld 31 are also presented here.

Słowa kluczowe

PL

przekształtnikowe napędy trakcyjne; analiza stabilności; metoda Lapunowa

EN

converter traction drives; stability analysis; Lyapunov method

• Wydawca: Wydawnictwo "Druk-Art" SC
• Czasopismo: Napędy i Sterowanie
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 15, nr 9
• Strony: 154--160
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Stobiecki A.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii

autor

Dudek R.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej, Katedra Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii

Bibliografia

• [1] Bae B-H., Cho B-H., Sul S-K.: Damping control strategy for vector controlled traction drives. Proc. of EPE 2001, Graz.
• [2] Carpita M., Zueger H., Pellerin M., Stefanutti P.: Transformer used as a DC link filter inductance in DC high power traction applications. Proc. of EPE 2005, Dresden.
• [3] Dudek R., Kosiorowski S., Stobiecki A.: Stany przejściowe w filtrach wejściowych napędów trakcyjnych sterowanych impulsowo przy pracy silnikowej i prądnicowej. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne 80/2008, Wyd. BOBRME Kornel, s. 113-118.
• [4] Dudek R., Kosiorowski S., Żuchowicz M.: Doświadczenia eksploatacyjne tyrystorowych układów sterowania lokomotyw kopalnianych. Mat. konf. MET 1995, Warszawa, s. 57-62.
• [5] Grabowski P.: Nonlinear control systems, www.ia.agh.edu.pl/~ pgrab/grabowski_files/nonlinear/nonlinear.xml (luty 2012).
• [6] Karwowski K., Skibicki J.: Analiza stabilności pracy sieciowych pojazdów z napędem energoelektronicznym. Mat. konf. SEMTRAK 2004, Kraków - Zakopane, s. 223-230.
• [7] Kosiorowski S., Stobiecki A.: Analiza stabilności przekształtnikowych napędów trakcyjnych. Przegląd Elektrotechniczny 6/2009, s. 50-53.
• [8] Mosskull H.: Stabilization of an induction motor drive with resonant input filter. Proc. of EPE 2005, Dresden.
• [9] Struble R.A.: Równania różniczkowe nieliniowe. PWN, Warszawa 1965.