Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №7

Универсальная система электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием

Резников Станислав


Предлагается универсальная система электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием, обладающая всеми преимуществами бесконтактного импульсного регулирования приводных электродвигателей переменного тока со всеми видами торможения, надежно защищенная от перенапряжений и сверхтоков, обеспечивающая вспомогательные потребители тремя уровнями постоянного напряжения и имеющая минимальные массу и габариты.

Всистемах электроснабжения новейших и перспективных транспортных средств с сетевым и автономно-генераторным электропитанием находят широкое применение статические преобразователи (инверторы и конверторы) с полупроводниковыми широтно-импульсными модуляторами (ШИМ). В железнодорожно-транспортных средствах с сетевым и дизель-генераторным электропитанием использование указанных преобразователей затруднено из-за относительно высокого напряжения контактной сети ( кВ) и больших импульсных коммутационных и молниевых перенапряжений (Uимп до 13 кВ).

Практически с помощью сглаживающего L-C-фильтра с приемлемыми массо-габаритными параметрами удается снизить величину импульсного перенапряжения до величины 7,5 кВ. Параметры современных мощных запираемых IGCT-тиристоров (например, производства фирмы АВВ) не позволяют превышать величину рабочего напряжения 1,75÷2 кВ (при максимально допустимом напряжении 2,9–3 кВ). Поэтому необходимо использовать последовательное соединение не менее пяти тиристоров с энергонеэкономичными R-C-VD-цепочками для статического и динамического самовыравнивания напряжений на них при запирании.

При выборе схемы тягового понижающего конвертора помимо приемлемого КПД необходимо обеспечить обратимость преобразования для реализации рекуперативного торможения. Для этого в классическом варианте понадобится по меньшей мере удвоение числа IGCT-тиристоров. Схема такого понижающего обратимого конвертора на базе двух высоковольтных (в/в) ШИМ с R-C-VD-выравнивающими цепочками показана на рис. 1 [1]. Можно применить схему на базе одного в/в ШИМ с теми же выравнивающими цепочками, но со вспомогательными восемью однооперационными в/в тиристорами (VS1-8), четыре из которых включаются последовательно с силовой цепью в обоих (прямом и обратном) режимах (рис. 2) [2, 3]. Направления токов в режимах тяги и торможения раздельно показаны на рис. 1 и 2 различными цветными стрелками (сплошной— при нарастании тока в дросселе L в/в ШИМ, а пунктирной— при его спадании). Обе рассмотренные схемы имеют относительно низкий КПД, большую массу, недостаточно высокую надежность и высокую стоимость из-за пассивно-резистивного делителя напряжения.

Рис. 1. Схема понижающего обратимого конвертора на базе двух в/в ШИМ с R-C-VD-выравнивающими цепочками
Рис. 1. Схема понижающего обратимого конвертора на базе двух в/в ШИМ с R-C-VD-выравнивающими цепочками

В [1, 4] предложен принципиально новый принцип обратимого активного деления напряжения (ОАДН) с так называемым «транспортированием заряда» (ТЗ) по ступеням емкостного делителя с помощью регулируемых обратимых ШИМ-конверторных ячеек. Основным режимом ОАДН является режим равномерного деления питающего напряжения за вычетом стабилизированного напряжения выходной ступени. В этом режиме регулируемые обратимые конверторные ячейки могут работать независимо друг от друга, выполняя единственную функцию— либо стабилизацию напряжения выходной ступени, либо выравнивание напряжений любых двух смежных из остальных конденсаторов батареи. Причем нет необходимости в единой схеме управления и синхронизации, которая при наличии резко осциллирующих высоких потенциалов силовой схемы сильно подвержена проникновению внутрисистемных помех, приводящих к несанкционированным «сквозным сверхтокам» в полупроводниковых ключах и другим аварийным ситуациям.

Рис. 2. Схема понижающего обратимого конвертора на базе одного в/в ШИМ с R-C-VD-выравнивающими цепочками
Рис. 2. Схема понижающего обратимого конвертора на базе одного в/в ШИМ с R-C-VD-выравнивающими цепочками

Этот новый принцип позволяет реализовать и другие специальные режимы. Например, режим плавного обнуления напряжения на одном из конденсаторов перед бездуговой и безыскровой перекоммутацией нагрузки или режим «плавающего потенциала» в любой точке делителя, что, в свою очередь, при наличии двух или трех делителей позволяет реализовать безфильтровые однофазные или трехфазные инверторы синусоидального напряжения [1–6].

Единственным существенным недостатком всех вышеперечисленных устройств, равно как и других силовых электронных преобразователей с последовательным непосредственным подключением транзисторных или тиристорных пар к фильтровым конденсаторам, является относительно высокая вероятность «сквозных сверхтоков» из-за несанкционированного совместного отпирания ключей, особенно при малых длительностях межимпульсных пауз. В [7] предлагается между силовыми транзисторами каждой мостовой или полумостовой пары включать защитные дроссели, энергия которых вместе с энергией

На рис. 3 приведена разработанная авторами схема универсальной системы электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием.

Рис. 3. Схема универсальной системы электроснабжения железнодорожного транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием
Рис. 3. Схема универсальной системы электроснабжения железнодорожного транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием

Основное звено схемы— обратимый конвертор (ОК1) на базе обратимого активного делителя напряжения (ОАДН) с ТЗ, состоящим из запираемых тиристоров (ЗТ1–6), дросселей (LI–II1–5) с шунтирующими тиристорами, батареи конденсаторов (С1–6), зашунтированных варисторами, и обратных диодов. Питание ОК1 может осуществляться либо от контактной сети через токоприемник (ТП), активный быстродействующий выключатель (АБВ), силовой реактор (СР), зашунтированный обратной тиристорно-диодной цепью (VS–VD), заземляющее устройство (ЗУ) и защитный диод (VDз), зашунтированный обратной схемой бездугового расцепления (СБР), либо от дизельно-генераторной силовой установки (СУ–Г) через шестифазный расщепленный управляемый выпрямитель (УВ1,2) с выходным напряжением 0±500 В, вакуумные выключатели (ВВ1,2) и индуктивный фильтр (Lф). С его помощью осуществляется питание всех бортовых потребителей, а также рекуперация энергии в сеть при торможении.

Приводной двигатель (ПД1), в качестве которого может использоваться асинхронный двигатель (АД) или бесщеточный двигатель постоянного тока (БДПТ), получает питание через регулируемый трехфазный инвертор (РТИ1) синусоидального напряжения с амплитудно-частотным управлением (АЧУ) на базе трех обратимых конверторных звеньев с плавающим потенциалом (ЗПП).

Питание остальных бортовых потребителей производится через нерегулируемый однофазный инвертор повышенной частоты (7 кГц) с демпферно-коммутационными цепочками (ДКЦ), понижающий трансформатор (Тр) и два неуправляемых выпрямителя (В1 и В2) с выходными напряжениями ±270 В и 0±55 В.

Резистивное (динамическое) торможение ПД1 осуществляется с помощью тормозного ШИМ-регулятора (VTT–RT).

Рассмотрим вначале принцип действия одной стойки РТИ1 на базе пары транзисторов (VT1,2), конденсаторов (СА1,2), дросселя (LA) и обратных диодов. При равенстве напряжений на СА1 и СА2 потенциал φA их средней точки (фазы А) относительно заземляющего устройства (ЗУ) равен нулю. Используя для управления транзистором VT1 режим ШИМ с отрицательной обратной связью и сравнением потенциала φA с синусоидальным программным генератором, можно обеспечить такую перекачку энергии из СА1 в СА2 и в нагрузку, при которой φA синусоидально повышается от 0 до потенциала верхней точки делителя С5–С6 (φ). При этом UСА1 = 0. Затем VT1 выключается, в режим ШИМ вступает VT2, и потенциал φA синусоидально уменьшается от величины φmaxдо величины – φmax, при которой UСА2 = 0. После этого VT2 выключается, а в режим ШИМ вновь вступает VT1. Таким образом, потенциалы φA, φB и φC поддерживаются изменяющимися по законам:

где φmax(t), ω(t), γ0(t) задаются программным генератором с учетом сигналов обратной связи от датчиков положения и скорости вращения вала приводного двигателя (ПД1), а также возможного перехода от режима тяги к режиму торможения.

В обратимом конверторе ОК1 каждая пара смежных звеньев работает аналогичным образом. Однако функцией ШИМ-запираемых тиристоров (ЗТ) является стабилизация напряжения на двух нижних звеньях С5 и С6 по 500 В, а также равномерное деление остального напряжения (UC— 500 В) между остальными четырьмя звеньями. Все дроссели ОК1, кроме двух крайних, зашунтированы однооперационными тиристорами (VSI–II 1–5): каждый из них замыкает цепь того из двух смежных дросселей, который не участвует в ШИМ-регулировании на данном промежутке времени. Цепи управления этими тиристорами существенно загрублены, чтобы практически исключить вероятность «сквозного» отпирания ЗТ и двух смежных с ним тиристоров одновременно.

Нерегулируемый однофазный инвертор (НОИ) содержит защитные дроссели (L1,2), исключающие «сквозные сверхтоки» и демпферно-коммутационные цепочки (ДКЦ) для рекуперации энергии этих дросселей в фильтровые конденсаторы С5 и С6 ОК1.

Наличие тиристорно-диодного (VS–VD) шунтирования силового реактора (СР) исключает, с одной стороны, колебательное перенапряжение на батарее С1–5 при включении АБВ и при импульсном всплеске сетевого напряжения (Uимп ≤ 13 кВ) и перегрев диода (VD) из-за существенных пульсаций сетевого напряжения (до 10%, 300 Гц при шестипульсном выпрямлении на подстанции).

Защитный диод VDЗ в цепи ЗУ исключает разрядку емкостной батареи ОК1 на цепи короткого замыкания в данной или соседних секциях электротранспорта.

Заключение

Предложенная универсальная система электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием обладает всеми преимуществами бесконтактного импульсного регулирования приводных электродвигателей переменного тока со всеми видами торможения, надежно защищена от перенапряжений и сверхтоков, обеспечивает вспомогательные потребители тремя уровнями постоянного напряжения и имеет минимальные массу и габариты.

Литература

  1. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электроприводов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.
  2. Резников С. Б. Самолетная система электроснабжения с распределенным преобразованием «переменная скорость— стабильная частота» // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 4.
  3. Резников С., Гильбурд О. Системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконверторов // Силовая электроника. 2004. № 2.
  4. Патент РФ на полезную модель № 33274 от 10.10.2003. Обратимый импульсный преобразователь постоянных напряжений. / Резников С. Б., Молочников А. Ю.
  5. Резников С., Булеков В., Болдырев В., Бочаров В. Новый принцип обратимого выпрямительно-инверторного преобразования с ШИМ-коррекцией мощности // Силовая электроника. 2005. № 1, c. 84–86.
  6. Резников С. Б. Самолетная система электроснабжения квазипостоянного повышенного напряжения // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 4, c. 62–67.
  7. Резников С., Чуев Д. и др. Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно-коммутационными цепочками // Компоненты и технологии. 2005. № 5.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке