В качестве первичного источника электрической энергии для ЭПС используется контактная сеть постоянного или переменного тока с различными уровнями напряжения и частоты. При этом контактная сеть, как правило, обладает достаточно малым сопротивлением, что позволяет ее рассматривать как источник напряжения. Последнее обстоятельство обусловливает достаточно жесткие требования к преобразователям частоты в части генерации высших гармоник, оказывающих мешающее влияние на смежные устройства. Поэтому сами преобразователи должны обеспечивать потребление из контактной сети тока такой же формы, что и форма напряжения в ней.

В структурных схемах преобразователей частоты (рис. 3.1) в зависимости от рода тока в контактной сети можно выделить: входной преобразователь, промежуточное звено и выходной преобразователь ¦111-141.

В соответствии с приведенной структурной схемой преобразования электрической энергии на ЭПС с АТД источниками электрической энергии могут являться контактная сеть постоянного тока напряже нием 600-750 В (/.1 - городской электротранспорт), 1500 В (1.2- промышленный электротранспорт и электропоезда) и 3000 В (1.3 - магистральный и промышленный транспорт), а также контактная сеть переменного тока напряжением 10-15 кВ, 16*/» или 50 Гц (1.4, 1.5-магистральный и промышленный транспорт) и 25 кВ, 50 Гц (1.6 - магистральный транспорт).

В большинстве случаев на ЭПС с АТД осуществляется двукратное преобразование электроэнергии, т. е. электроэнергия, поступающая от контактной сети, преобразуется в электроэнергию постоянного тока (напряжения), а затем в электроэнергию переменного тока с параметрами, необходимыми для питания АТД.

Входные преобразователи наряду с функциями согласования по параметрам электрической энергии источников первичного электро-

Структурные схемы преобразователей частоты для ЭПС с АТД

Рис. 3.1. Структурные схемы преобразователей частоты для ЭПС с АТД: /./-600 В (750 В): 1.2 -1500 В; 1.3 - 3000 В; /.4-15 кВ. 16 */з Гц; 1.5- 15 кВ. 50 Гц; 1.6-25 кВ, 50 Гц: 2.1 - 2<;-5-преобразователь; 2.2 - 14-5-преобразоввтель; 2.3 - прерыватель; 2.4 - прерыватель с рекуперативным торможением; 2.5 - 44-5-пребразователь; 2.6 - 29-5-преоб-разователь: 2.7 - импульсный выпрямитель: 2.8 - импульсный ВИП; 2.9 - выпрямитель с фазовым управлением; 2.10 - выпрямитель с секторным управлением; 3.1 -С- и /.С-фильтр;

3.2 - С-фильтр; 4.1 - АИН; 4.2 - АИТ

снабжения с нагрузкой на выходе могут осуществлять регулирование тока (напряжения) АТД, а также формы тока, потребляемого от источника электроснабжения. Применение входных преобразователей позволяет снизить влияние изменения напряжения питающей сети на работу всего привода и уменьшить мешающее влияние подвижного состава на другие потребители.

На ЭПС, получающем питание от контактной сети постоянного тока, нашли применение импульсные преобразователи постоянного напряжения (тока). В качестве импульсных преобразователей постоянного напряжения, обеспечивающих стабилизацию напряжений на промежуточном звене постоянного напряжения, используются одноквадрантный (1<7-5) и двухквадрантный (2ф-5) преобразователи (см. 2.1 и 2.2 на рис. 3.1). Особенностью преобразователей 1^-5 и 2ф-5 (рис. 3.2, а и б) является включение импульсного прерывателя ИП (ИП1) параллельно входным зажимам после входного реактора Ььх и отсекающего диода КО1 между входным реактором и конденсатором фильтра СВЬ1Х промежуточного звена постоянного напряжения. При таком исполнении преобразователя напряжение иа его выходе /Увых> >ивх. Регулирование выходного напряжения осуществляется путем периодического включения и выключения ИП (ИП1), что позволяет стабилизировать его при изменяющемся входном напряжении. Преобразователь 1ф-5 (см. рис. 3.2, а) обеспечивает только одностороннюю передачу энергии от входных зажимов к выходным, что является его недостатком. Указанный недостаток устранен в преобразователе 2</-5 путем включения дополнительных импульсного прерывателя ИП2 и диода КО 2 (см. рис. 3.2, б). При этом передача электроэнергии от входных зажимов к выходным осуществляется через диод КО/, а ее регулирование - прерывателем ИП1. Обратная передача электроэнергии производится через прерыватель ///72, а диод К02 играет роль нулевого.

Преобразователи постоянного тока (см. 2.3 и 2.4 иа рис. 3.1) используются на ЭПС с АТД для регулирования тока в промежуточном звене и, следовательно, на входе выходного преобразователя. Возможно применение преобразователя постоянного тока и для регулирования напряжения в промежуточном звене, но это требует усложнения промежуточного звена введением в фильтр конденсатора.

Входные преобразователи постоянного тока выполняются в виде импульсных прерывателей ИП, которые включаются между входным

Схемы входных преобразователей постоянного напряжения

Рис. 3.2. Схемы входных преобразователей постоянного напряжения:

а - одноквадрантяый; б - двухквадрантный

Схемы входных преобразователей постоянного тока

Рис. 3.3. Схемы входных преобразователей постоянного тока:

а - прерыватель; б - прерыватель с рекуперативным торможением

^вхСв,-фильтром и реактором промежуточного звена ых

(рис. 3.3, а). Нулевой диод Уй! обеспечивает протекание тока /ВЬ1Х в периоды выключенного состояния ИП. Прерыватель обеспечивает передачу и регулирование потока электроэнергии от входных зажимов к выходным и позволяет реализовать только тяговый режим. Для возможности реализации режима рекуперативного торможения в преобразователь дополнительно вводят диод Уй2 (рис. 3.3, б) и контактор К. Это позволяет при его разомкнутом контакте осуществлять режим рекуперативного торможения, причем направление тока /ВЬ1Х в реакторе промежуточного звена /.ВЬ1Х сохраняется.

Во всех случаях применения импульсных преобразователей постоянного напряжения или тока для уменьшения их влияния на питающую сеть используют многофазные, в частности двухфазные, преобразователи. При относительно небольшой частоте коммутации в каждой фазе результирующая частота пульсаций тока, потребляемого от входного фильтра, может достигать 800 Гц и более, что позволяет в некоторых случаях уменьшить установленную мощность элементов преобразователей благодаря их лучшему использованию.

НаЭПС, получающем питаниеот контактной сети переменного тока, также используются входные преобразователи напряжения или тока в зависимости от типа выходного преобразователя.

Для питания промежуточного звена постоянного напряжения используют четырехквадрантный (4^-5), двухквадрантный (2^-5) преобразователи (см. 2.5 и 2.6 на рис. 3.1), а также выпрямители с фазовым управлением 2.9. При этом преобразователи и 2ф-5

обеспечивают, как правило, стабилизацию напряжения на промежуточном звене в виде С-фильтра. Выпрямитель с фазовым управлением обычно нагружен на ?.С-фильтр промежуточного звена и может обеспечивать как стабилизацию постоянного напряжения, так и его регулирование.

Преобразователь 4</-5 может быть получен из двух преобразователей 2д-Э (см. рис. 3.2, б) и представляет собой автономный инвертор напряжения, зажимы переменного тока которого подключены к обмотке тягового трансформатора, а зажимы постоянного тока-к промежуточному звену постоянного напряжения (рис. 3.4, а). Тиристорные ключи с устройствами принудительной конденсаторной коммута ции ИП1 - ИП4 и диоды УО1 - У?>4 выполняют те же функции, что аналогичные элементы в схеме рис. 3.2, а, б.

Схема преобразователя 2<7-5 переменного напряжения (рис. 3.4, б) отличается от преобразователя 4^-5 отсутствием двух тиристорных ключей, что исключает возможность использования преобразователя 2<?-5 в режиме рекуперативного торможения. Преобразователи 2д-Б и 4^-5 обеспечивают формирование на зажимах переменного тока импульсно-модулированного переменного напряжения с частотой, равной частоте напряжения в контактной сети. При этом в преобразователе 4^-5 осуществляется двухполярная двусторонняя широтно-импульсная модуляция напряжения, а в преобразователе 2^-5 - однополярная двусторонная широтноимпульсная модуляция. При таком способе формирования напряжения на входе преобразователя в зависимости от частоты модуляции и фазы основной гармоники напряжения ток, потребляемый из контактной сети, имеет практически синусоидальную форму и может быть отстающим, опережающим или совпадающим по фазе с напряжением в контактной сети. Для сглаживания пульсаций тока в контактной сети тяговый трансформатор должен иметь повышенные индуктивности рассеяния либо в цепь переменного тока должен быть включен дополнительный реактор. Фильтр промежуточного звена постоянного напряжения, кроме конденсатора, может содержать дополнительный резонансный /ЛС2-фильтр, настроенный на основную гармонику выпрямленного напряжения.

Выпрямители с фазовым управлением (см. 2.9 на рис. 3.1) могут применяться как в качестве преобразователей напряжения, так и преобразователей тока. Такие выпрямители обычно выполняются миогозонными с использованием во всех плечах тиристоров либо с использованием тиристоров только в. половине плеч. В последнем случае исключается возможность рекуперативного торможения.

Для питания промежуточного звена постоянного тока на ЭПС переменного тока разработаны импульсный выпрямитель (см. 2.7 на рис. 3.1), импульсный выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) 2.8 и выпрямитель с секторным управлением 2.10.

Импульсный выпрямитель (рис. 3.5) представляет сложный преобразователь, состоящий из однофазного мостового выпрямителя на диодах

Схемы входных преобразователей напряжения ЭПС переменного тока

Рис. 3.4. Схемы входных преобразователей напряжения ЭПС переменного тока:

а -4<7-5; б - 2<?-5

VDI - VD4, преобразователя Iq-S постоянного напряжения (прерыватель ИП1 и диод VD5) и преобразователя постоянного тока (прерыватель ИП2 и диод VD6).

На входе выпрямителя включен реактор LBX, что при соответствующем алгоритме работы преобразователя 1^-S позволяет формировать практически синусоидальный ток в контактной сети и обеспечивать стабилизацию напряжения на конденсаторе С.

Импульсный выпрямительноинверторный преобразователь содержит четыре полностью управляемых тиристорных ключа VI - V4 (рис. 3.6), четыре отсекающих диода VD1 - VD4, конденсаторы С1 и С2 и представляет собой однофазный мостовой инвертор тока. Нагружен импульсный ВИП на промежуточное звено постоянного тока (реактор LBbIX).

Зажимами переменного тока ВИП подключен к обмотке тягового трансформатора. Преобразователь позволяет регулировать ток в промежуточном звене и одновременно формировать синусоидальную форму тока контактной сети, обеспечивая высокий коэффициент мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения.

Выпрямитель с секторным (двусторонним фазовым) управлением при сохранении преимуществ импульсного ВИП имеет относительно простую схему и обладает еще одним достоинством - низкой частотой коммутации тиристоров, равной частоте напряжения в питающей сети. Увеличение коэффициента мощности достигается вследствие сдвига основной гармоники тока питающей сети относительно напряжения.

К выходным зажимам входных преобразователей, как правило, подключают промежуточные звенья (см. 3.1 и 3.2 на рис. 3.1), которые выполняют роль фильтров и предназначены для обеспечения работоспособности выходного преобразователя, снижения влияния питающей сети на работу АТД, снижения обратного воздействия АТД на контактную сеть и уменьшения мешающего влияния на другие потребители.

В зависимости от схемы выходного преобразователя промежуточное звено выполняют как звено постоянного напряжения (С- и LC-фильт-ры) или как звено постоянного тока (L-фильтр).

Рнс. 3.5. Схема импульсного выпрямителя

Упрощенная схема импульсного выпрямительно-ниверторного преобразователя

Рис. 3.6. Упрощенная схема импульсного выпрямительно-ниверторного преобразователя

В некоторых случаях (при питании от контактной сети постоянного тока) входной преобразователь в структуре преобразователя частоты может отсутствовать, и тогда промежуточное звено в виде ЬС-фильтра выполняет одновременно и роль входного фильтра.

Выходные преобразователи осуществляют функции изменения параметров электроэнергии промежуточного звена и обеспечивают питание АТД регулируемыми током и напряжением. При этом в зависимости от принятой структуры преобразования электроэнергии на ЭПС выходные преобразователи могут изменять только частоту выходного тока (напряжения) либо одновременно частоту и значение выходного напряжения.

На электроподвижном составе с АТД преимущественное распространение получили преобразователи двух типов, осуществляющие преобразование:

постоянного напряжения в переменное, регулируемое по частоте и значению, - автономные инверторы напряжения (см. 4.1 на рис. 3.1);

постоянного тока в переменный - автономные инверторы тока (см. 4.2 на рис. 3.1).

В АИН в качестве ключей используются тиристоры, зашунтирован-ные включенными встречно диодами. Выключение тиристоров осуществляется устройствами коммутации, исполнением которых в основном определяются различия схем АИН.

В зависимости от принятого способа регулирования выходного напряжения и закона управления длительностью включенного состояния тиристоров форма выходного напряжения АИН будет различной.

При амплитудном способе регулирования напряжения путем изменения его значения на входе инвертора и длительности включенного состояния тиристоров 180° эл. выходное напряжение имеет прямоугольно-ступенчатую форму и не зависит от параметров нагрузки- АТД.

При импульсном регулировании форма выходного напряжения определяется принятым способом формирования его полуволн из импульсов с изменяемой шириной. Применительно к тяговым АИН получили распространение способы широтно-импульсного регулирования (ШИР) и широтно-импульсной модуляции (ШЙМ).

В случае регулирования напряжения способом ШИР частота следования импульсов кратна частоте выходного напряжения инвертора, а их ширина остается неизменной в течение полупериода. Как правило, кратность частоты коммутации в АИН изменяется в зависимости от выходной частоты инвертора и выбирается из условия, чтобы максимальная частота коммутаций не превышала 300-400 Гц. ШИМ выходного напряжения по синусоидальному закону осуществляют только в зоне низких (менее 20 Гц) частот.

Применительно к АИН для питания асинхронных тяговых двигателей получили распространение инверторы с фазными и общими узлами искусственной коммутации.

Автономные инверторы всех типов обеспечивают двигательный и генераторный режимы работы АТД. При этом переход в генераторный режим сопровождается изменением направления тока инвертора при сохранении полярности напряжения на его входе. Последнее обстоятельство обеспечивает автоматический переход в режим рекуперативного торможения ЭПС, получающего питание от контактной сети постоянного тока без входного преобразователя или при наличии входного преобразователя, обладающего двусторонней проводимостью при питании также и от сети переменного тока.

Из всех схем автономных инверторов тока на ЭПС в качестве выходного преобразователя наибольшее распространение получил автономный инвертор тока с отсекающими диодами. Как наиболее простой, содержащий шесть тиристоров, шесть отсекающих диодов и шесть коммутирующих конденсаторов, этот инвертор применен на ЭПС при питании от контактных сетей постоянного и переменного тока. В таком инверторе включение очередного тиристора сопровождается выключением предшествующего тиристора. Ток на выходе инвертора представляет собой двухполярные импульсы шириной 120° эл. при однократной коммутации тиристоров анодной и катодной групп за период.

Одним из основных преимуществ АИТ наряду с простотой схемы является возможность применения тиристоров с относительно большим временем восстановления (150-200 мкс), что в отличие от АИН с внутренним регулированием позволяет применять обычные тиристоры среднего быстродействия, единичная мощность которых может достигать десятков киловатт.

Поскольку инвертор тока по принципу действия осуществляет распределение подводимого к нему тока по фазам двигателя, то применение АИТ требует обязательного использования входного преобразователя, осуществляющего регулирование силы тока, независимо от типа первичного источника питания.

Как и инвертор напряжения, АИТ обеспечивает тяговый и тормозной режимы работы асинхронного двигателя. Однако в отличие от АИН в АИТ при работе асинхронного двигателя в тормозном (генераторном) режиме происходит изменение полярности напряжения на входе инвертора при сохранении направления тока инвертора. Последнее обстоятельство заставляет во входном преобразователе использовать дополнительные диоды и контакторы тормозного переключателя при питании от контактной сети постоянного тока (см. рис.3.3,6). При использовании АИТ иа ЭПС переменного тока не требуются дополнительные устройства для осуществления генераторного режима АТД.

Основные требования к преобразователям частоты | Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями | Основные требования и »цементной базе преобразователей частоты

Рекомендуемый контент: