Структурные схемы преобразователей частоты

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-

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 Ь_ьх и отсекающего диода КО1 между входным реактором и конденсатором фильтра С_ВЬ1Х промежуточного звена постоянного напряжения. При таком исполнении преобразователя напряжение иа его выходе /У_вых> >и_вх. 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

Рис. 3.2. Схемы входных преобразователей постоянного напряжения:

а - одноквадрантяый; б - двухквадрантный

Рис. 3.3. Схемы входных преобразователей постоянного тока:

а - прерыватель; б - прерыватель с рекуперативным торможением

^вхС_в,-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

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 L_BX, 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 L_BbIX).

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

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.