Преобразователь типа 4QS тягового привода электропоезда

May 2, 2012 by admin Комментировать »

Четырехквадрантные преобразователи переменно-постоянного напряжения типа 4QS ис­пользуются на железнодорожном транспорте, например, при питании приводов от однофазной контактной сети переменного напряжения [25], [48], [69], [71]. Эти преобразователи можно отне­сти к активным выпрямителям [15]. Преобразователи 4QS решают следующие задачи:

–                   преобразование однофазного напряжения контактной сети, изменяющегося в широких пределах, в стабилизированное постоянное напряжение;

–                    поддержание синусоидальной формы тока контактной сети;

–                    обеспечение работы привода с заданным коэффициентом мощности сети;

–                    передача энергии нагрузке в режимах тяги, возврат энергии в сеть при торможении.

Схема силовой части преобразователя типа 4QS изображена на рис. 19.1.

Рис. 19.1 Схема преобразователя типа 4QS

В схеме рис. 19.1 преобразователь содержит дроссель lsd, однофазный транзисторный вы­прямитель с ключами kvi и kv2, резонансный LC-фильтр с емкостью с2 и индуктивностью 12, а так­же конденсаторный фильтр с емкостью с. Для реализации перечисленных задач регулирования обеспечивается работа транзисторного моста в режиме ТТТИМ

Резонансный фильтр с элементами с2 и 12 рассчитывается на частоту, равную удвоенной частоте напряжения питающей сети. При частоте сети 50 Гц фильтр рассчитывается на резонанс­ную частоту 100 Гц. Именно такую частоту имеют основные высшие гармонические составляю­щие выпрямленного напряжения однофазного моста. Для этих составляющих сопротивление ре­зонансного фильтра равно 0 (если не учитываются активные сопротивления), и для них выходная цепь выпрямителя замкнута накоротко. Поэтому для ограничения токов на входе выпрямителей используются дроссели со значительной индуктивностью. Другие высшие гармонические вы­прямленного напряжения ограничиваются конденсаторным фильтром.

Одна из разработок преобразователя типа 4QS была выполнена для тягового привода вы­сокоскоростного поезда «Сокол» для варианта питания от контактной сети переменного напряже­ния 25 кВ, 50 Гц. Упрощенная схема привода представлена на рис. 19.2.

Рис. 19.2 Схема тягового привода поезда «Сокол» в варианте питания от контактной сети переменного напряжения 25 кВ, 50 Гц

Разработка привода выполнялась в ФГУП ЦНИИ СЭТ при участии РАО В СМ, МГУПС и др. Привод содержит два трансформатора Тр1 и Тр2, два входных преобразователя 4QS1 и 4QS2, четыре транзисторных инвертора ТИ1-ТИ4 (размещенные в двух контейнерах) и четыре асин­хронных двигателя АД1-АД4.

Каждый двигатель и каждый инвертор имеют максимальную мощность 675 кВт. Мощ­ность двигателей при работе в длительном режиме 540 кВт.

Каждый входной преобразователь имеет, соответственно, мощность 1350 кВт. Трансфор­маторы типа ОРНДЦ-2000/25У 3 имеют реактанс 50 %.

Номинальное напряжение контактной сети 25 кВ. При работе тягового привода напряже­ние сети может изменяться от 19 до 29 кВ. Индуктивность и активное сопротивление сети являют­ся переменными величинами и изменяются при движении поезда.

Коэффициент трансформации трансформатора равен 26,595. Для увеличения индуктивно­сти рассеяния трансформатора в него встроен дроссель, обмотка которого включена последова­тельно со вторичной обмоткой трансформатора. Суммарная индуктивность рассеяния обмоток с учетом дросселя, приведенная ко вторичной обмотке, равна 1,2 мГн. Активное сопротивление, приведенное ко вторичной обмотке, равно 0,011 Ом.

Емкость конденсаторной батареи 5000 мкФ. Активное сопротивление конденсаторной ба­тареи 0,001 Ом.

Емкость конденсатора резонансного фильтра 1000 мкФ. Индуктивность резонансного фильтра 2,5 мГн. Активное сопротивление резонансного фильтра 0,015 Ом.

Выпрямленное напряжение преобразователя поддерживается на уровне 1650 В.

Инверторы выполнены на транзисторах IGBT фирмы HITACHI. Преобразователи 4QS вы­полнены на полностью управляемых тиристорах IGCT фирмы АВВ.

В связи с использованием в преобразователях 4QS тиристоров IGCT частота широтно­импульсной модуляции принята сравнительно низкой. В частности, при выполнении проектных работ она была принята равной 450 Гц. В процессе испытаний частота ШИМ была увеличена до 900 Гц.

Разработка и изготовление преобразователей осуществлялись в ФГУП ЦНИИСЭТ при участии РАО ВСМ.

Для расчета и анализа электромагнитных процессов в преобразователе типа 4QS тягового привода поезда использовалась упрощенная схема замещения установки, изображенная на рис. 19.3. В схеме полностью управляемые тиристоры заменены транзисторами. На приведенное ниже математическое описание установки эта замена не влияет.

Рис. 19.3 Схема для моделирования входного преобразователя типа 4QS тягового привода поезда «Сокол»

В схеме рис. 19.3 в контактной сети учитывается синусоидальная ЭДС es, индуктивность ls и активное сопротивление rs. Сеть имеет напряжение us, в ней протекает ток is. При выполнении расчетов заданное действующее напряжение сети обеспечивается пропорционально-интегральным регулятором, на выходе которого формируется заданная амплитуда ЭДС сети Esm.

При выполнении расчетов параметры сети приводятся ко вторичной обмотке трансформа­тора. При выводе токов и напряжений в файл результатов ток и напряжение сети приводятся к первичной обмотке.

В трансформаторе учитывается коэффициент трансформации Ктр, индуктивность рассея­ния lsd и активное сопротивление rsd, приведенные ко вторичной обмотке. Ток вторичной обмотки равен isd.

В преобразователе состояния ключей описываются двумя функциями kvi и kv2, принимаю­щими значения 0 или 1. Токи в плечах преобразовательного моста обозначены ivi-iV4- Выпрямлен­ный ток моста idv.

Ток в резонансном фильтре i2. Ток в конденсаторном фильтре ic. Напряжение конденсатор­ного фильтра (выпрямленное напряжение) игс. В схеме рис. 19.3 изображена также цепь защиты от перенапряжений, содержащая коммутирующий ключ kz и защитный резистор rz. В этой цепи про­текает ток iz.

Нагрузка преобразователя 4QS представлена индуктивностью 1н, активным сопротивлени­ем гн и источником ЭДС ен. В нагрузке протекает ток iH.

Все полученные подсхемы взаимосвязаны через зависимые источники напряжения игс и

При математическом описании схемы рис. 19.3 конденсатор в цепи выпрямленного напря­жения заменяется зависимым источником напряжения в соответствии с (1.1). Затем этот источник переносится в ветви схемы, которые соединяются друг с другом в положительном полюсе цепи выпрямленного напряжения. В результате выделяются подсхемы, изображенные на рис. 19.4.

Рис. 19.4 Разделение схемы с преобразователем 4QS на подсхемы

Ток резонансного фильтра определяется из уравнения:

Напряжение конденсатора резонансного фильтра:

Выходной ток транзисторного моста:

Токи в плечах транзисторного моста:

где со – частота напряжения чети, At – шаг расчета.

В подсхеме с транзисторами преобразовательного моста ток isd и ток сети is могут быть определены из следующих уравнений:

ЭДС питающей сети:

тока ic.

Ток в защитном резисторе:

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

Ток в конденсаторе:

Рис. 19.8 Токи и напряжения в преобразователе 4QS поезда «Сокол» 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

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