Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №1

Двухсетевой импульсный тяговый электропривод для железнодорожного транспорта

Резников Станислав  
Соколов Александр  

В статье рассмотрены два варианта структур и схем универсального двухсетевого импульсного тягового электропривода для железнодорожного транспорта с питающими сетями постоянного тока (3 кВ) и переменного тока (25 кВ, 50 Гц) на базе современных IGCT-тиристоров и IGВT-транзисторов. В схемах исключены низкочастотные трансформаторы и силовые реакторы, имеющие большие массы и габариты вкупе с низкой ремонтопригодностью.

Электрифицированные российские железные дороги имеют питающие сети двух видов: однофазного переменного напряжения ~25±5 кВ, 50 Гц, либо постоянного напряжения 3±1 кВ. В соответствии с этим используются разные электровозы и электропоезда с высоковольтным тяговым приводом. В первом случае привод содержит громоздкий низкочастотный понижающий трансформаторно-выпрямительный блок со сглаживающим реактором.

В последнее десятилетие остро назрела необходимость создания универсальных двухсетевых электровозов и электропоездов с возможностью переключения схемы тягового привода на нужную сеть. Попытки прямого суммирования на борту двух видов электрооборудования приводят к неоправданному росту массо-габаритных и стоимостных показателей.

Бурное развитие силовой полупроводниковой техники, в частности, широкое распространение транзисторов IGВT и запираемых тиристоров IGCT, позволило найти принципиально новое схемотехническое решение для двухсетевого тягового привода с минимальными массо-габаритными показателями. Что касается стоимости, то она, в основном, будет определяться стоимостью силовых полупроводниковых ключей, которая имеет явную тенденцию к снижению.

Рассмотрим возможность исключения низкочастотного понижающего трансформатора, масса которого при мощности 1 МВт составляет 3,5 т.

В качестве одного из возможных вариантов рассмотрим схему универсального двухсетевого тягового электропривода электропоезда на базе последовательно-модульных трехкаскадных преобразователей, подключенных к двум обратимым делителям постоянного напряжения (ОДПН на рис. 1) [1]. В таблице 1 приведены наименования узлов и элементов схемы.

Рис. 1. Универсальный четырехканальный импульсный тяговый электропривод ~/= (25/3 кВ) на базе последовательно-модульных 3-каскадных преобразователей (вариант с на базе 3Т — 2 кВ, 240 А или IGBT — 1700 В, 300 А
Таблица 1. Перечень основных узлов на рис. 1

К основным из них относятся: обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока () с высоковольтным вакуумным реверсором (ВР), обратимые нерегулируемые инверторы тока — выпрямители (1–12), трансформаторы (Тр1–12), работающие на повышенной частоте (4–8 кГц), обратимые выпрямители — нерегулируемые инверторы тока (1,2), обратимые прямоходовые конверторы (ОПК1–4) и блок защиты от коротких замыканий (БЗк3).

Аналогичная структура может быть использована и для питания бесколлекторных двигателей.

При работе в режиме тяги от сети постоянного тока 3±1 кВ ОДПН1 отключен, а питание ОДПН2 осуществляется через токоприемник ТП, ключ Кл1, активный быстродействующий выключатель АБВ, ключ Кл2, силовой реактор СР, замкнутые ключ Кл3 и линейный контактор ЛК, выпрямитель, реверсор возбуждения РВ, диод защиты от короткого замыкания VD3 и устройство заземления УЗ. При этом каждый из четырех электродвигателей М1–4 получает ШИМ-регулируемое питание от соответствующего повышающе-понижающего обратимого прямоходового конвертора ОПК1–4, включенного по входу последовательно с остальными. В этом режиме в ОПК работают два диагонально-противорасположенных IGBT-транзистора: левый верхний и правый нижний, причем один из них включен постоянно, а другой — в режиме ШИМ, меняясь режимами в зависимости от необходимости понижения или повышения напряжения. Ослабление тока обмоток возбуждения ОВ1–4 регулируется с помощью резисторов Rш1,2 и транзисторного ключа VTш шунта. Роль силового реактора СР (массой 0,8–1 т при мощности 1 МВт) в этом режиме сводится к защите транзисторов ОПК и изоляции якорных обмоток электродвигателей от коммутационных импульсных перенапряжений в сети (Vимп ≤ 13,5 кВ), возникающих при аварийных отключениях АБВ соседних секций электропоезда или находящихся неподалеку электровозов и электропоездов. Для исключения колебательной зарядки емкостного делителя С1–4 может быть применен шунтирующий диодный или диодно-тиристорный столб VD. Помимо этого в блоке защиты от коротких замыканий Б3к3 предусмотрена защитная цепь с нелинейным (варисторным) ограничителем напряжения НОН и тиристором защиты VSз, компенсирующая инерционность АБВ.

При работе с той же сетью в режиме рекуперативного торможения включается тиристор рекуперативного торможения VSрт и меняются функциями диагональные пары транзисторов ОПК. При этом форсировка возбуждения электродвигателей осуществляется от нижнего звена С4 ОДПН через транзисторный ШИМ-регулятор независимого возбуждения VTрнв.

Режим динамического (резистивного) торможения отличается от предыдущего тем, что линейный контактор ЛК выключен, а тормозной переключатель П в цепи тормозного резистора Rт включен.

При работе в режиме тяги от однофазной сети переменного тока ~25±5 кВ ключи Кл1,2,3 разомкнуты, а питание ОДПН1 осуществляется через высоковольтный (вакуумный) быстродействующий выключатель ВБВ, обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока , высоковольтный (вакуумный) реверсор ВР, силовой реактор СР и ключ Кл4.

Каждое из двенадцати звеньев последовательно включенных по входу содержит входной емкостный делитель, полумостовой инвертор тока, силовой обратный выпрямитель и уравнительный выпрямитель, подключенный для самовыравнивания напряжений ко входному емкостному делителю последующего звена (зажимы а, b, с последнего уравнительного выпрямителя подключены ко входному делителю первого звена). Выход каждого через соответствующий развязывающий трансформатор ТР1–6 подключен ко входу одного их четырех обратимых мостовых выпрямителей — нерегулируемых инверторов тока , выход каждого из которых соединен со входом соответствующего ОПК. Роль силового реактора СР при этом сводится к повышению коэффициента мощности в питающей сети и к снижению низкочастотных пульсаций в цепи питания двигателей (ƒn = 100 Гц). При этом осуществляется независимое возбуждение электродвигателей от С4.

При работе с той же сетью в режиме рекуперативного торможения высоковольтный реверсор ВР переключает в режим мостового инвертора тока, ведомого сетью. Роль силового реактора СР при этом сводится к обеспечению запирания однооперационных тиристоров VS1–12 сетевым напряжением, а также к повышению коэффициента мощности сети в процессе рекуперации энергии. В этом режиме также осуществляется независимое возбуждение двигателей.

Основным достоинством рассмотренного варианта является исключение громоздкого и тяжелого низкочастотного понижающего трансформатора. Ко второму существенному достоинству можно отнести замену реостатного (при сети 3 кВ) и отпаечного (при сети ~25 кВ) дискретных способов регулирования на плавное импульсное управление. К остальным (менее значимым) преимуществам относятся: отсутствие специального источника независимого возбуждения (для форсировки при рекуперативном и резистивном торможении) с требуемой пиковой мощностью 60–100 кВт; простота исключения боксований и юзов благодаря индивидуальным регуляторам (ОПК).

К недостаткам варианта можно отнести сохранение громоздкого и тяжелого силового реактора, а также непосредственной гальванической связи обмоток электродвигателя с сетью постоянного тока. Кроме того, несколько усложнены схемы ОПК и отсутствуют вспомогательные защитно-демпфирующие цепочки для исключения перенапряжений и «сквозных сверхтоков» в полупроводниковых ключах.

На рис. 2 приведена схема двухсетевого импульсного тягового электропривода ~/=(25/3 кВ) на базе модульных этажерочно-каскадных преобразователей с гальванической развязкой и коррекцией мощности. В таблице 2 дан перечень ее основных узлов. Данная схема также обеспечивает все виды торможения, однако выигрывает перед рассмотренной выше по массе силового реактора, надежности, стоимости и ремонтопригодности.

Рис. 2. Двухсетевой импульсный тяговый электропривод ~/=(25/3 кВ) с рекуперативным и динамическим торможением (на базе модульных этажерочно+каскадных преобразователей с гальванической развязкой и коррекцией мощности)
Таблица 2. Перечень основных узлов на рис. 2

При работе в режиме тяги от сети постоянного тока 3±1 кВ питание шестнадцати 1–16, соединенных с помощью ключей в параллель по входу, подается по цепи ТП-АБВ-Lф-VD-УЗ. Каждый парный модуль состоит из двух последовательно соединенных по входу полумостовых инверторов тока. Выходы двух парных модулей подключены к соответствующим первичным обмоткам N1 каждого из четырех трансформаторов Тр1–4. Напряжение вторичной основной обмотки каждого трансформатора выпрямляется по цепи и через реверсивный повышающе-понижающий ШИМ-корректор мощности РКМ подается на якорную обмотку электродвигателя. Обмотка возбуждения этого двигателя получает независимое питание от вторичной вспомогательной обмотки трансформатора N через выпрямитель возбуждения ВВ и регулируемый конвертор возбуждения КВ.

В режиме рекуперативного торможения при питании от той же сети переключаются контакты мостового реверсора РКМ и выключается контактор рекуперации Кр, а поток энергии имеет обратное направление — от М к ТП. В режиме резистивного (динамического) торможения энергия от М подается через РКМ в тормозной резистор Rт, рассеиваясь в нем.

При работе в режиме тяги от однофазной сети переменного тока с помощью ключей все соединяются по входам последовательно, а питание на них подается через ВБВ, , вход–выход Р и Lф с глубокими 100-герцовыми пульсациями, повторяемыми после модуляции в и демодуляции в . Здесь РКМ работает в режиме ШИМ-корректора мощности, при котором форма тока синхронно повторяет форму напряжения, чем обеспечивается высокое значение коэффициента мощности в сети.

В режиме рекуперативного торможения при том же питании переключаются контакты мостового реверса РКМ и включается контактор рекуперации Кр, а поток энергии имеет обратное направление. Резистивное торможение аналогично вышеописанному.

Следует заметить, что закольцованная цепь самовыравнивания напряжений на входном емкостном делителе обеспечивается за счет дополнительных уравнительных обмоток Nур трансформаторов Тр и уравнительных выпрямителей Вур.

Заключение

Рассмотренный в статье второй вариант двухсетевого тягового электропривода для железнодорожного транспорта имеет следующие достоинства:

  • обеспечивает эффективное рекуперативное резистивное торможение при питании от обеих сетей и в широком скоростном диапазоне;
  • исключает низкочастотные трансформатор и силовой реактор, имеющие большую массу (4 т при 1 МВт), большие габариты и низкую ремонтопригодность;
  • обеспечивает высокий коэффициент мощности в сети переменного тока (более 0,9) благодаря ШИМ-коррекции мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения;
  • не содержит специального источника независимого возбуждения с пиковой мощностью 60–100 кВт;
  • исключает боксования и юзы благодаря индивидуальным регуляторам якорных токов двигателей;
  • обеспечивает эффективную защиту полупроводниковых ключей от перенапряжений и сверхтоков благодаря защитно-демпфирующим цепочкам.

Литература

  1. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электропоездов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов. // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке