Двухсетевой импульсный тяговый электропривод для железнодорожного транспорта

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

К основным из них относятся: обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока (

) с высоковольтным вакуумным реверсором (ВР), обратимые нерегулируемые инверторы тока — выпрямители (

_1–12), трансформаторы (Тр_1–12), работающие на повышенной частоте (4–8 кГц), обратимые выпрямители — нерегулируемые инверторы тока (

_1,2), обратимые прямоходовые конверторы (ОПК_1–4) и блок защиты от коротких замыканий (БЗ_к3).

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 М_1–4 получает ШИМ-регулируемое питание от соответствующего повышающе-понижающего обратимого прямоходового конвертора ОПК_1–4, 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 ОВ_1–4 регулируется с помощью резисторов R_ш1,2 и транзисторного ключа VT_ш 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 (V_имп ≤ 13,5 кВ), возникающих при аварийных отключениях АБВ соседних секций электропоезда или находящихся неподалеку электровозов и электропоездов. Для исключения колебательной зарядки емкостного делителя С_1–4 может быть применен шунтирующий диодный или диодно-тиристорный столб VD_cт. Помимо этого в блоке защиты от коротких замыканий Б3_к3 предусмотрена защитная цепь с нелинейным (варисторным) ограничителем напряжения НОН и тиристором защиты VS_з, компенсирующая инерционность АБВ.

При работе с той же сетью в режиме рекуперативного торможения включается тиристор рекуперативного торможения VS_рт и меняются функциями диагональные пары транзисторов ОПК. При этом форсировка возбуждения электродвигателей осуществляется от нижнего звена С