Статический преобразователь собственных нужд поездов постоянного напряжения

May 11, 2012 by admin Комментировать »

На электропоездах для питания осветительных сетей, обогревателей, двигателей компрес­соров и других нагрузок используются преобразователи собственных нужд. Эти устройства полу­чают электроэнергию от высоковольтных контактных сетей, напряжение которых изменяется в широких пределах, и обеспечивают питанием стабилизированные электрические сети поездов.

Одно из возможных технических решений – статический преобразователь собственных нужд. На рис. 21.1 представлена расчетная схема преобразователя собственных нужд, который может использоваться на электропоездах ЭД6 (работа выполнялась «Лабораторией преобразова­тельной техники» с участием РАО ВСМ, ФГУП ЦНИИ СЭТ и др.).

Рис. 21.1 Расчетная схема статического преобразователя собственных нужд для электропоезда ЭД6

В рассматриваемом случае преобразователь получает питание от контактной сети посто­янного напряжения 3 кВ. Напряжение контактной сети изменяется в пределах от 2,2 кВ до 4 кВ. Преобразователь имеет мощность 80 кВт. Он обеспечивает питанием сеть постоянного напряже­ния 110 В и трехфазную сеть переменного напряжения 380 В, 50 Гц. В преобразователе с помо­щью трансформатора обеспечивается гальваническая развязка сетей 3 кВ, 380 В и 110В. Для уменьшения массы и габаритов трансформатора он выполняется на повышенную частоту (1000 Гц).

В расчетной схеме контактная сеть представлена источником ЭДС ек, индуктивностью Ik и активным сопротивлением Гк. Контактная сеть имеет напряжение Uk и ток ik.

На входе преобразователя имеется дроссель с индуктивностью 1ь равной 0,0055 Гн, и ак­тивным сопротивлением г,.

Напряжение контактной сети преобразуется в однофазное переменное напряжение вход­ным трехуровневым транзисторным инвертором. Входной инвертор содержит четыре транзистора с обратными диодами, конденсаторы и другие элементы. В конденсаторах учитываются емкости Ci и С2 (по 600 мкФ) и активные сопротивления гс. Транзисторы включаются по два последовательно в каждом плече входного инвертора. Напряжение между ними распределяется с помощью вход­ных конденсаторов, точка соединения которых с помощью диодов объединяется с точками соеди­нения друг с другом транзисторов. Состояния транзисторов и обратных диодов описываются

функциями kti и k|<2. Входной инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции с час­тотой опорных напряжений порядка 1000 Гц.

Во входном инверторе параллельно конденсаторам включены также защитные резисторы (в схеме рис. 21.1 они не показаны). Управление этими резисторами осуществляется с помощью транзисторов.

Выходное напряжение входного инвертора подается на однофазный трехобмоточный трансформатор. В трансформаторе учитываются активные сопротивления обмоток гь г2, г3, индук­тивности рассеяния обмоток lsb ls2,ls3, индуктивность намагничивания 1т, активное сопротивление ветви намагничивания rm, коэффициент трансформации от 1 обмотки ко 2 обмотке ктр12, коэффи­циент трансформации от 1 обмотки к 3 обмотке kTpi3. Трансформатор имеет напряжения обмоток Ui, u2, u3, токи обмоток ib i2, i3, ток намагничивания im. В первой обмотке трансформатора 17 вит­ков, во второй обмотке 11 витков, в третьей обмотке 2 витка.

Напряжение третьей обмотки трансформатора преобразуется диодным мостовым выпря­мителем в постоянное напряжение питания сети 110 В. Напряжение этой сети фильтруется 1с- фильтром. В дросселе фильтра учитывается индуктивность ld2 (0,0012 Гн) и активное сопротивле­ние rd2. В дросселе протекает ток id2. В конденсаторе фильтра учитывается емкость с4 (1000 мкФ) и активное сопротивление гс4. В конденсаторе протекает ток ic4.

Нагрузка сети 110 В представлена активно-индуктивным сопротивлением с индуктивно­стью 1п и активным сопротивлением гп. В нагрузке протекает ток in. Напряжение этой нагрузки иц0.

Напряжение второй обмотки трансформатора преобразуется диодным мостовым выпрями­телем в постоянное напряжение порядка 630 В. При этом выпрямленное напряжение фильтруется lc-фильтром. В дросселе фильтра учитывается индуктивность 1сц (0,01 Гн) и активное сопротивле­ние rdi. В дросселе протекает ток idl. В конденсаторе фильтра учитывается емкость с3 (800 мкФ) и активное сопротивление гс3. В конденсаторе протекает ток ic3. Конденсатор имеет напряжение игс3.

Параллельно конденсатору с3 включен защитный резистор rz. Управление этим резистором осуществляется с помощью транзистора, состояние которого описывается функцией kz. Уставка включения защитного резистора 700 В.

Постоянное напряжение игс3 преобразуется в трехфазное переменное напряжение 380 В, 50 Гц транзисторным инвертором. Состояния ключей инвертора описываются функциями km. Входной ток транзисторного моста idl, токи в плечах моста im (п=1, 2,…6). Напряжения на выходе инвертора un, токи на выходе in (п=1, 2, 3). Выходной инвертор работает в режиме широтно­импульсной модуляции с частотой пилообразного напряжения порядка 2000 Гц.

Выходное напряжение инвертора фильтруется трехфазным lc-фильтром. В дросселе фильтра учитываются индуктивности фаз 1др (2×0,0004 Гн) и активные сопротивления фаз гдр. В цепях конденсаторов учитываются емкости Сф (54 мкФ), активные сопротивления Гф и «паразит­ные» индуктивности проводов 1ф. В этих цепях протекают токи i,|,n (п=1, 2, 3).

Сеть 380 В, 50 Гц имеет фазные напряжения um. Симметричная нагрузка этой цепи пред­ставлена индуктивностями 1н и активными сопротивлениями гн. В симметричной нагрузке в фазах протекают токи iHn.

В расчетной схеме учитывается также однофазная нагрузка, которая представлена индук­тивностью 1о и активным сопротивлением г0. В этой нагрузке протекает ток i0.

В системе регулирования преобразователя обеспечивается стабилизация напряжения сети 110 В путем воздействия на напряжения управления однофазного входного инвертора. Стабилиза­ция напряжения сети 380 В обеспечивается путем воздействия на напряжения управления трех­фазного выходного инвертора.

Номинальная мощность нагрузки преобразователя в цепи 110 В равна 17 кВт. Номиналь­ная мощность нагрузки преобразователя в цепи 380 В равна 63 кВт.

Математическое описание схемы рис. 21.1 выполнено при разделении ее на взаимосвязан­ные подсхемы.

Одна из операций разделения исходной схемы на части заключается в замене трехфазной нагрузки зависимыми источниками напряжения в соответствии с формулой:

Далее осуществляется перенос зависимых источников инп в фазы инвертора, в фазы емко­стного фильтра и в ветви однофазной нагрузки.

Дальнейшее разделение схемы на части выполняется при замене конденсаторов зависи­мыми источниками напряжения игсп:

где номер фильтра постоянного напряжения в схеме п=1, 2, 3, 4, ucn – напряжение емкости фильт­ра, At – шаг интегрирования.

Зависимый источник напряжения urci переносится в ветвь входного дросселя 1, и в ветвь верхнего транзистора входного инвертора.

Зависимый источник напряжения иГС2 переносится в ветвь входного дросселя и в ветвь нижнего транзистора входного инвертора.

Зависимый источник напряжения игсз переносится в ветвь сглаживающего дросселя ldi, в ветвь защитного резистора rz и в ветвь входного тока трехфазного инвертора.

Зависимый источник напряжения иГС4 переносится в ветвь сглаживающего дросселя 1^2 и в ветвь нагрузки 1п.

В результате перечисленных преобразований исходной схемы она распадается на взаимо­связанные подсхемы, как изображено на рис. 21.2.

Рис. 21.2 Разделение схемы статического преобразователя собственных нужд на взаимосвязанные подсхемы

Следует отметить, что, кроме указанного, осуществляется разделение схемы на взаимосвя­занные части также по потокам взаимной индукции между обмотками трансформатора. При этом первичная обмотка представляется во вторичных обмотках зависимыми источниками напряжения, а вторичные обмотки представляются в первичной обмотке зависимым источником тока.

Описание подсхем рис. 21.2 и их взаимных связей аналогично описанию подобных схем, рассмотренных выше. В соответствии с этим описанием разработана модель преобразователя соб­ственных нужд в виде программы расчета на ЭВМ электромагнитных процессов (программа 21 представлена на CD). В качестве примера ниже представлены результаты расчетов.

Один из расчетов выполнен для случая номинальной нагрузки преобразователя при на­пряжении контактной сети 3 кВ. Результаты представлены на рис. 21.3 и в таблице 21.1.

Рис. 21.3 Токи и напряжения входного преобразователя собственных нужд электропоезда при напряжении контактной сети 3 кВ и номинальной нагрузке сетей 380 В и 110 В

Таблица 21.1 Результаты анализа токов и напряжений в схеме рис. 21.1 при напряжении питания 3 кВ

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

2998.882

3001.123

2996.557

Ток контактной сети, А

27.964

Максимальное значение, А

29.812

Минимальное значение, А

26.970

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

25

0.543

-164.4469

75

0.395

171.9355

100

0.370

-100.3195

Ток конденсатора Сь А

41.344

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

1000

33.458

-90.4806

2000

18.423

-91.7852

Ток нагрузки 1 ключа входного инвертора, А

49.928

Среднее значение, А

28.022

Максимальное значение, А

98.511

Ток 1 обмотки трансформатора, А

80.734

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

1000

77.609

72.7331

Ток 2 обмотки трансформатора, А

98.485

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

1000

94.490

70.6526

Ток 3 обмотки трансформатора, А

145.972

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

1000

135.803

84.9441

Выпрямленный ток 1 выпрямителя, А

108.297

Выпрямленное напряжение 1 выпрямителя, В

611.152

Ток фазы выходного дросселя, А

111.837

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

111.028

140.2532

Ток в конденсаторах выходного фильтра, А

14.023

Линейное выходное напряжение цепи 380 В, В

382.695

Коэффициент гармоник

0.1072

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

380.486

-159.7058

Ток нагрузки цепи 380 В, А

113.016

Коэффициент гармоник

0.03628

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

Фазы, гр.

50

112.942

138.6108

Напряжение цепи 110 В, В

109.165

Мощность нагрузки 380 В, кВт

63.272

Мощность нагрузки 110 В, кВт

16.757

На рис. 21.4 представлена диаграмма токов и напряжений преобразователя в режиме но­минальной нагрузки при скачке напряжения контактной сети с 3 кВ до 4 кВ.

Рис. 21.4 Токи и напряжения входного преобразователя собственных нужд электропоезда при скачке напряжения контактной сети с 3 кВ до 4 кВ

Преобразователь собственных нужд должен работать в широком диапазоне изменения на­грузок сетей 380 В и 110 В. Одна из особенностей рассматриваемого преобразователя заключается в том, что при снижении нагрузки сети 380 В повышается напряжение на конденсаторе Сз. Если не включать защитный резистор rz, то при отсутствии нагрузки указанной сети напряжение на кон­денсаторе может превысить 1000 В.

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