Преобразователь постоянного напряжения тягового привода электропоезда

April 29, 2012 by admin Комментировать »

Для тягового привода поезда «Сокол» входной преобразователь напряжения контактной сети в стабилизированное постоянное напряжение разрабатывался в двух вариантах. В одном ва­рианте с входным преобразователем 4QS (рассмотренным в предыдущем разделе) привод питает­ся от сети переменного напряжения 25 кВ, 50 Гц. В другом варианте входной преобразователь обеспечивает питание от контактной сети постоянного напряжения 3 кВ (работа выполнялась в ФГУП ЦНИИ СЭТ при участии РАО ВСМ, МГУПС и др.).

Упрощенная схема тягового привода поезда «Сокол» в варианте питания от контактной се­ти постоянного напряжения 3 кВ представлена на рис. 20.1 (подобные схемы используются также другими фирмами [47]).

Рис. 20.1 Схема тягового привода поезда «Сокол» в варианте питания от контактной сети постоянного напряжения 3 кВ

Тяговый привод содержит четыре асинхронных двигателя АД1-АД4, четыре транзистор­ных инвертора ТИ1-ТИ4, фильтр стабилизированной цепи постоянного напряжения с индуктивно­стью Id и емкостью с3, входной преобразователь постоянного напряжения, входной фильтр с ин­дуктивностью If и емкостями Ci и с2. а также цепи защиты от перенапряжений с резисторами rzl-rz3 и защитными ключами. Питание привода осуществляется от контактной сети постоянного напря­жения, которое может изменяться в пределах от 2,2 кВ до 4 кВ. С помощью входного преобразо­вателя напряжение контактной сети преобразуется в стабилизированное постоянное напряжение 1650 В.

Математическая модель входного преобразователя постоянного напряжения разработана при использовании расчетной схемы, изображенной на рис. 20.2.

Рис. 20.2 Расчетная схема входного преобразователя постоянного напряжения тягового привода поезда «Сокол»

В расчетной схеме учитываются ЭДС es, индуктивность ls и активное сопротивление rs контактной сети. Контактная сеть имеет напряжение us, в ней протекает ток is.

В дросселе входного фильтра учитываются индуктивность If и активное сопротивление rf.

В конденсаторах фильтров учитываются емкости Ci, С2, С3 и активные сопротивления гс]. гс2, гс3. В конденсаторах протекают токи, соответственно, ici, ic2, iC3- Конденсаторы имеют напряжения

Ucl, UC2, Uc3.

Во входном преобразователе в качестве управляющих элементов использованы тиристоры IGCT. В математической модели тиристоры и обратные диоды рассматриваются как идеальные ключи. Преобразователь имеет четыре плеча. При этом состояния вентилей описываются двумя функциями ki и k2. Если в верхней паре плеч преобразователя открыто верхнее плечо, а нижнее плечо закрыто, то ki=l, в противоположном случае ki=0 (другие комбинации открытых и закры­тых плеч преобразователя считаются невозможными). Аналогично функцией к2 описываются два нижних плеча.

В цепи стабилизированного напряжения учитывается индуктивность сглаживающего дросселя ld и его активное сопротивление rd. Ток в сглаживающем дросселе равен id.

В цепях защиты от перенапряжений состояния тиристоров описываются функциями kzl, kz2, и kz3. Токи в цепях защиты равны iz]. iz2 и iz3.

Нагрузка входного преобразователя представлена в схеме рис. 20.2 индуктивностью 1н, ак­тивным сопротивлением гн и источником ЭДС ен. Ток нагрузки равен iH. Напряжение нагрузки uH=urc3.

Необходимо отметить, что в рассматриваемой установке имеется система регулирования. Во внешнем контуре осуществляется стабилизация напряжения игс3 на уровне заданного напряже­ния Uz пропорционально-интегральным регулятором, который на выходе формирует заданный ток в сглаживающем дросселе Idz. Во внутреннем контуре регулирования осуществляется сравнение заданного тока сглаживающего дросселя с фактическим током id. При этом с помощью пропор- ционально-интегрального регулятора тока формируется напряжение управления тиристорами входного преобразователя.

Входной преобразователь работает в режиме широтно-импульсного преобразования на­пряжения. Для переключения верхней пары тиристоров используется пилообразное однополярное опорное напряжение иоп, с которым сравнивается напряжение управления иуь Для переключения нижней пары тиристоров используется то же пилообразное напряжение и напряжение управления uy2=l-uyi.

Тиристоры в цепях защиты от перенапряжений открываются в тех случаях, когда в соот­ветствующей цепи напряжение превысит заданную уставку.

В нагрузке в установившихся режимах ЭДС постоянна. Переход из режима тяги в режим торможения осуществляется путем плавного изменения значения ЭДС в цепи нагрузки.

Математическое описание схемы рис. 20.2 осуществляется при разделении ее на взаимо­связанные подсхемы. Эта операция основывается на замене всех конденсаторов зависимыми ис­точниками напряжения:

где номер конденсатора ш=1, 2, 3.

Далее зависимый источник напряжения urci переносится в ветвь входного дросселя, в ветвь 1 защитного резистора и в ветвь 1 плеча преобразователя. Зависимый источник напряжения игс2 переносится в ветвь входного дросселя, в ветвь 2 защитного резистора и в ветвь 4 плеча преобра­зователя. Зависимый источник напряжения игсз переносится в ветвь сглаживающего дросселя, в ветвь 3 защитного резистора и в ветвь нагрузки. При этом исходная схема распадается на несколь­ко подсхем, взаимосвязанных зависимыми источниками напряжения и тока. Полученные подсхе­мы изображены на рис. 20.3.

Рис. 20.3 Подсхемы преобразователя постоянного напряжения тягового привода поезда «Сокол»

Для подсхемы контактной сети уравнение для определения тока:

Токи в защитных резисторах:

где kzm – функция состояния защитного транзистора (0 или 1). Ток в нагрузке определяется из уравнения:

Ток в сглаживающем дросселе цепи стабилизированного напряжения:

Токи в конденсаторах:

Формирование напряжений управления преобразователя осуществляется системой регули­рования, в которой используется следующее соотношение напряжений на конденсаторах:

С учетом (20.7) регулятор напряжения описывается следующими выражениями:

где Uz – заданное напряжение нагрузки, Кш и Кио – коэффициенты в обратных связях по интегралу отклонения и по отклонению напряжения от заданного, uymax, uymm – максимальное и минимальное напряжения управления, Aty – время цикла работы системы управления.

Далее напряжение управления фильтруется с постоянной времени Ту:

Пилообразное опорное напряжение формируется в соответствии с уравнениями:

На основе приведенного математического описания схемы рис. 20.1 разработана матема­тическая модель для расчета установившихся и переходных электромагнитных процессов (про­грамма 20, приведена на CD).

По указанной программе выполнен ряд расчетов с указанными выше данными входного преобразователя постоянного напряжения поезда «Сокол».

Один из расчетов выполнен для режима работы установки при изменении напряжения контактной сети от 3 кВ до 4 кВ. Принято, что в цепи нагрузки мощность 1355 кВт, напряжение 1650 В, активное сопротивление 0,5 Ом, ЭДС 1239,5 В, индуктивность 3 мГн. В контактной сети индуктивность 2мГн, активное сопротивление 0,1 Ом. Во входном преобразователе индуктив­ность входного дросселя 20 мГн, активное сопротивление входного дросселя 0,01 Ом, емкость конденсаторов Ci и С2 составляет по 4200 мкФ, активное сопротивление конденсаторов 0,001 Ом. Дроссель в цепи стабилизированного напряжения имеет индуктивность 1,15 мГн и активное со­противление 0,01 Ом. Конденсаторная батарея в цепи стабилизированного напряжения имеет ем­кость 400 мкФ и активное сопротивление 0,001 Ом. Резисторы в цепях защиты от перенапряжений входных конденсаторов имеют сопротивления 4,8 Ом. Резистор в цепи защиты от перенапряжений конденсатора на выходе имеет сопротивление 5,22 Ом. Частота пилообразного напряжения 450 Гц. Длительность цикла работы системы управления 222 мкс. Шаг расчета 1 мкс. Шаг вывода информации в файл результатов 50 мкс. Результаты расчета представлены на рис. 20.4 и в табли­цах 20.1 и 20.2.

Рис. 20.4 Напряжения и токи преобразователя при изменении напряжения сети от ЗкВ до 4кВ

Таблица 20.1 Результаты анализа токов и напряжений входного преобразователя при напряжении питания 3 кВ

Напряжение контактной сети, В

2953.730

Максимальное значение, В

2957.511

Минимальное значение, В

2948.269

Ток контактной сети, А

459.575

Максимальное значение, А

478.798

Минимальное значение, А

449.768

Напряжение конденсатора Сь В

1469.039

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

450.00

30.414

-175.3744

Напряжение конденсатора С2, В

1476.979

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

450.00

30.651

4.2952

Ток конденсатора Сь А

407.566

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

450.00

362.591

-86.1280

900.00

72.635

72.9778

1350.00

100.966

89.2155

1800.00

65.643

-97.3600

Ток id сглаживающего дросселя, А

818.691

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

900.00

42.638

177.1239

1800.00

18.452

1.0171

Напряжение конденсатора С3, В

1648.645

Максимальное значение, В

1692.311

Минимальное значение, В

1603.649

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

900.00

19.358

87.4921

1800.00

4.103

-88.4548

Ток конденсатора С3, А

49.535

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

900.00

43.794

177.1755

1800.00

18.565

1.0226

Ток нагрузки, А

818.677

Напряжение управления uvb о.е.

0.561

Таблица 20.1 получена в результате анализа токов и напряжений в установившемся режи­ме работы входного преобразователя при напряжении контактной сети 3 кВ. Как видно из табл. 20.1, при частоте опорного напряжения 450 Гц частота наибольших гармонических состав­ляющих в токе и напряжении на выходе равна 900 Гц.

При увеличении напряжения контактной сети от 3 кВ до 4 кВ возникает переходный про­цесс, при котором увеличиваются также напряжения конденсаторов urci, иГС2 и выходное напряже­ние преобразователя игсз. При этом, как видно из рис. 20.4, на короткое время в работу включаются цепи защиты от перенапряжений, в которых протекают токи izb iz2 и iz3.

После затухания переходного процесса устанавливается режим работы входного преобра­зователя при напряжении контактной сети около 4 кВ. Для этого режима в таблице 20.2 представ­лен результат анализа токов и напряжений.

Таблица 20.2 Результаты анализа токов и напряжений входного преобразователя при напряжении питания 4 кВ

Напряжение контактной сети, В Максимальное значение, В Минимальное значение, В

3965.646

3973.501

3957.458

Ток контактной сети, А Максимальное значение, А Минимальное значение, А

347.313

363.596

315.668

Напряжение конденсатора Сь В

1982.959

Частоты гармоник, Гц 450.00

Действующие значения ‘ 30.622

Фазы, гр. 176.6467

Напряжение конденсатора С2, В

1982.989

Частоты гармоник, Гц 450.00

Действующие значения ‘ 30.399

Фазы, гр. -3.3846

Ток конденсатора Сь А

412.134

Частоты гармоник, Гц

450.00

900.00

1350.00

1800.00

Действующие значения ‘362.371 98.579 88.686 79.596

Фазы, гр. -94.1450 -108.6976 99.5115 85.4483

Ток id сглаживающего дросселя, А

826.661

Частоты гармоник, Гц 900.00 1800.00

Действующие значения ‘ 73.037 29.813

Фазы, гр.

5.0182

-175.5843

Напряжение конденсатора С3, В Максимальное значение, В Минимальное значение, В

1652.548

1735.288

1590.991

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения ‘ 33.141 6.635

Фазы, гр. -84.5052 94.6746

Ток конденсатора С3, А

82.830

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения ‘ 74.960 30.023

Фазы, гр.

5.0710

-175.5794

Ток нагрузки, А

826.783

Напряжение управления uYi, о.е.

0.419

Аналогичный расчет выполнен для случая изменения напряжения контактной сети от 3 кВ до 2,2 кВ. Результаты расчета представлены на рис. 20.5 и в таблице 20.3.

Рис. 20.5 Напряжения и токи преобразователя при скачке напряжения сети от ЗкВ до 2,2кВ

После затухания переходного процесса устанавливается режим работы входного преобра­зователя при минимальном напряжении контактной сети, равном 2200 В. Результаты анализа то­ков и напряжений установки в этом режиме работы представлены в таблице 20.3.

Таблица 20.3 Результаты анализа токов и напряжений входного преобразователя при напряжении питания 2,2 кВ

Напряжение контактной сети, В

2136.059

Максимальное значение, В

2138.398

Минимальное значение, В

2133.203

Ток контактной сети, А

639.427

Максимальное значение, А

639.812

Минимальное значение, А

639.043

Напряжение конденсатора Сь В

1044.595

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

450.00

19.944

-172.3107

Напряжение конденсатора С2, В

1085.099

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

450.00

19.905

5.2895

Ток конденсатора Сь А

348.986

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

450.00

237.750

-82.9096

900.00

192.821

78.1852

1350.00

107.150

-69.2871

Ток id сглаживающего дросселя, А

820.990

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

900.00

78.435

-172.0708

Напряжение конденсатора С3, В

1649.986

Максимальное значение, В

1710.950

Минимальное значение, В

1599.181

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

900.00

35.591

98.2693

Ток конденсатора С3, А

81.786

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

900.00

80.531

-172.0222

Ток нагрузки, А

820.990

Напряжение управления uvb о.е.

0.778

К числу основных режимов работы входного преобразователя постоянного напряжения относится также режим торможения двигателей, при котором осуществляется рекуперация энер­гии в питающую сеть. На рис. 20.6 представлен процесс перехода системы из режима тяги в ре­жим торможения. В режиме тяги напряжение контактной сети 3 кВ, мощность нагрузки 1355 кВт. В режиме торможения напряжение сети и мощность сохраняются, но изменяется направление пе­редачи энергии. В математической модели переход из одного режима в другой происходит за вре­мя 0,1 с путем изменения ЭДС в цепи нагрузки от 1239,5 В до 2064,5 В.

Рис. 20.6 Напряжения и токи входного преобразователя при переходе из режима тяги в режим торможения

Пронин М.В., Воронцов А.Г., Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Электросила», 2003. – 172 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты