CC BY
52Двухсетевой импульсный тяговый электропривод
для железнодорожного транспорта
Станислав РЕЗНИКОВ, д. т. н.
rezn@formatek.ru Сергей КОНЯХИН, к. т. н.
Александр СОКОЛОВ
В статье рассмотрены два варианта структур и схем универсального двухсетевого импульсного тягового электропривода для железнодорожного транспорта с питающими сетями постоянного тока (3 кВ) и переменного тока (25 кВ, 50 Гц) на базе современных Ю^-тиристоров и ЮВ^транзи-сторов. В схемах исключены низкочастотные трансформаторы и силовые реакторы, имеющие большие массы и габариты вкупе с низкой ремонтопригодностью.
Электрифицированные российские железные дороги имеют питающие сети двух видов: однофазного переменного напряжения ~25±5 кВ, 50 Гц, либо постоянного напряжения 3±‘ кВ. В соответствии с этим используются разные электровозы и электропоезда с высоковольтным тяговым приводом. В первом случае привод содержит громоздкий низкочастотный понижающий трансформаторно-выпрямительный блок со сглаживающим реактором.
В последнее десятилетие остро назрела необходимость создания универсальных двухсетевых электровозов и электропоездов с возможностью переключения схемы тягового привода на нужную сеть. Попытки прямого суммирования на борту двух видов электрооборудования приводят к неоправданному росту массо-габаритных и стоимостных показателей.
Бурное развитие силовой полупроводниковой техники, в частности, широкое распространение транзисторов ЮВТ и запираемых тиристоров ЮСТ, позволило найти принципиально новое схемотехническое решение для двухсетевого тягового привода с минимальными массо-габаритными показателями. Что касается стоимости, то она, в основном, будет определяться стоимостью силовых полупроводниковых ключей, которая имеет явную тенденцию к снижению.
Рассмотрим возможность исключения низкочастотного понижающего трансформатора, масса которого при мощности 1 МВт составляет 3,5 т.
В качестве одного из возможных вариантов рассмотрим схему универсального двухсетевого тягового электропривода электропоезда на базе последовательно-модульных трехкаскадных преобразователей, подключенных к двум обратимым делителям постоянного напряжения (ОДПН на рис. 1) [1].
В таблице 1 приведены наименования узлов и элементов схемы.
К основным из них относятся: обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока (ОУВ-ИТ) с высоковольтным вакуумным реверсором (ВР), обратимые нерегулируемые инверторы тока — выпрямители (ОНИТ-В,-12), трансформаторы (Тр1-12), работающие на повышенной частоте (4-8 кГц), обратимые выпрямители — нерегулируемые инверторы тока (ОВ-НИТ12), обратимые прямоходовые конверторы (ОПК1-4) и блок защиты от коротких замыканий (БЗк3).
Аналогичная структура может быть использована и для питания бесколлекторных двигателей.
При работе в режиме тяги от сети постоянного тока 3±1 кВ ОДПН1 отключен, а питание ОДПН2 осуществляется через токоприемник ТП, ключ Кл1, активный быстродействующий выключатель АБВ, ключ Кл2, силовой реактор СР, замкнутые ключ Кл3 и линейный контактор ЛК, выпрямитель, реверсор возбуждения РВ, диод защиты от короткого замыкания УБ3 и устройство заземления УЗ. При этом каждый из четырех электродвигателей М1-4 получает ШИМ-регулируемое питание от соответствующего повышающе-понижающе-го обратимого прямоходового конвертора ОПК1-4, включенного по входу последовательно с остальными. В этом режиме в ОПК работают два диагонально-противорасположен-ных ЮВТ-транзистора: левый верхний и правый нижний, причем один из них включен постоянно, а другой — в режиме ШИМ, меняясь режимами в зависимости от необходимости понижения или повышения напряжения. Ослабление тока обмоток возбуждения ОВ1-4 регулируется с помощью резисторов Яш12 и транзисторного ключа УТш шунта. Роль силового реактора СР (массой 0,8-1 т при мощности 1 МВт) в этом режиме сводит-
ся к защите транзисторов ОПК и изоляции якорных обмоток электродвигателей от коммутационных импульсных перенапряжений в сети (Уимп^ 13,5 кВ), возникающих при аварийных отключениях АБВ соседних секций электропоезда или находящихся неподалеку электровозов и электропоездов. Для исключения колебательной зарядки емкостного делителя С1-4 может быть применен шунтирующий диодный или диодно-тиристорный столб УЭст. Помимо этого в блоке защиты от коротких замыканий Б3к3 предусмотрена защитная цепь с нелинейным (варисторным) ограничителем напряжения НОН и тиристором защиты У8з, компенсирующая инерционность АБВ.
При работе с той же сетью в режиме рекуперативного торможения включается тиристор рекуперативного торможения У8р1 и меняются функциями диагональные пары транзисторов ОПК. При этом форсировка возбуждения электродвигателей осуществляется от нижнего звена С"4 ОДПН через транзисторный ШИМ-регулятор независимого возбуждения УТрнв.
Режим динамического (резистивного) торможения отличается от предыдущего тем, что линейный контактор ЛК выключен, а тормозной переключатель ПКт в цепи тормозного резистора Ит включен.
При работе в режиме тяги от однофазной сети переменного тока ~25±5 кВ ключи Кл12 3 разомкнуты, а питание ОДПН1 осуществляется через высоковольтный (вакуумный) быстродействующий выключатель ВБВ, обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока ОУВ-ИТ, высоковольтный (вакуумный) реверсор ВР, силовой реактор СР и ключ Кл4.
Каждое из двенадцати звеньев последовательно включенных по входу ОНИТ-В содержит входной емкостный делитель, полу-мостовой инвертор тока, силовой обратный
-ЦЯД.'ЇЧ .'"V :лн“-І1>Я
н* \ / Нкш
Рис. 1. Универсальный четырехканальный импульсный тяговый электропривод ~/=(25/3 кВ)
на базе последовательно-модульных 3-каскадных преобразователей (вариант с ОВ-НИТ на базе 3Т — 2 кВ, 240 А или ЮВТ — 1700 В, 300 А
выпрямитель и уравнительный выпрямитель, подключенный для самовыравнивания напряжений ко входному емкостному делителю последующего звена (зажимы а, Ь, с последнего уравнительного выпрямителя подключены ко входному делителю первого звена). Выход каждого ОНИТ-В через соответствующий развязывающий трансформатор ТР1-6 подключен ко входу одного их четырех обратимых мостовых выпрямителей — нерегулируемых инверторов тока ОВ-НИТ, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего ОПК. Роль силового реактора СР при этом сводится к повышению коэффициента мощности в питающей сети и к снижению низкочастотных пульсаций в цепи питания двигателей (/ = 100 Гц). При этом осуществляется независимое возбуждение электродвигателей от С"4.
При работе с той же сетью в режиме рекуперативного торможения высоковольтный реверсор ВР переключает ОУВ-ИТ в режим мостового инвертора тока, ведомого сетью. Роль силового реактора СР при этом сводится к обеспечению запирания однооперационных тиристоров У81-12 сетевым напряжением, а также к повышению коэффициента мощности сети в процессе рекуперации энер-
гии. В этом режиме также осуществляется независимое возбуждение двигателей.
Основным достоинством рассмотренного варианта является исключение громоздкого и тяжелого низкочастотного понижающего трансформатора. Ко второму существенному достоинству можно отнести замену реостатного (при сети 3 кВ) и отпаечного (при сети ~25 кВ) дискретных способов регулирования на плавное импульсное управление. К остальным (менее значимым) преимуществам относятся: отсутствие специального источника независимого возбуждения (для форсировки при рекуперативном и резистивном торможении) с требуемой пиковой мощностью 60-100 кВт; простота исключения бок-сований и юзов благодаря индивидуальным регуляторам (ОПК).
К недостаткам варианта можно отнести сохранение громоздкого и тяжелого силового реактора, а также непосредственной гальванической связи обмоток электродвигателя с сетью постоянного тока. Кроме того, несколько усложнены схемы ОПК и отсутствуют вспомогательные защитно-дем-пфирующие цепочки для исключения перенапряжений и «сквозных сверхтоков» в полупроводниковых ключах.
Таблица 1. Перечень основных узлов на рис. 1
ОУВ-ИТ №-12, У^і-8) обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока
ВР высоковольтный (вакуумный) реверсор
СР силовой реактор
онит-В обратимый нерегулируемый инвертор тока — выпрямитель
ТР1-4 трансформатор
ОВ-НИТ обратимый выпрямитель — нерегулируемый инвертор тока
ОДПН обратимый делитель напряжения
ОПК обратимый прямоходовой конвертор
В выпрямитель
ЗТ'1,2 запираемые ЮСТ-тиристоры инвертора тока
УТрнв транзисторный регулятор независимого возбуждения
УТш транзисторный ключ шунта
«6 балластный резистор
тормозной резистор
ПР1 тормозной переключатель
Ск компенсирующий конденсатор
С% С''2-24 конденсаторы емкостного делителя
С"'1-4 конденсаторы активного делителя напряжения
^р уравнительная обмотка
АБВ активный быстродействующий выключатель
ВБВ высоковольтный (вакуумный) быстродействующий выключатель
РВ(ВП,НЗ) реверс возбуждения (вперед-назад)
ТП токоприемник
ЗУ,С3,УБК схема запирания тиристора с зарядным устройством
УЗ устройство заземления
УБш защитный шунтирующий тиристор
УЭрт тиристор рекуперативного торможения
УОз диод защиты от КЗ
УРст диодный столб
Рис. 2. Двухсетевой импульсный тяговый электропривод ~/=(25/3 кВ) с рекуперативным и динамическим торможением (на базе модульных этажерочно-каскадных преобразователей с гальванической развязкой и коррекцией мощности)
Таблица 2. Перечень основных узлов на рис. 2
В/В ОУВ-ИТ высоковольтный обратимый управляемый выпрямитель — инвертор тока
В/В Р высоковольтный реверсор (вакуумный)
онит-В обратимый нерегулируемый инвертор тока — выпрямитель
ОВ-НИТ обратимый выпрямитель — нерегулируемый инвертор тока
РКМ реверсивный ШИМ-корректор мощности (повышающе-понижающий)
КВ ШИМ-конвертор возбуждения
ВВ выпрямитель возбуждения
Вур уравнительный выпрямитель
РВ реверсор возбуждения
Кт контактор торможения
Кр контактор рекупераций
тормозной резистор
ТП токоприемник
АБВ активный быстродействующий выключатель
ВБВ вакуумный высоковольтный быстродействующий выключатель
■& & о фильтровые конденсатор и дроссель
УБ запираемый тиристор ЮСТ
УТ ЮБТ-транзистор
ЗДЦ защитно-демпфирующая цепочка
УР-УБ диодно-тиристорная защитная цепь
На рис. 2 приведена схема двухсетевого импульсного тягового электропривода —/=(25/3 кВ) на базе модульных этажерочно-каскадных преобразователей с гальванической развязкой и коррекцией мощности. В таблице 2 дан перечень ее основных узлов.
Данная схема также обеспечивает все виды торможения, однако выигрывает перед рассмотренной выше по массе силового реактора, надежности, стоимости и ремонтопригодности.
При работе в режиме тяги от сети постоянного тока 3±‘ кВ питание шестнадцати ОНИТ-В1-16, соединенных с помощью ключей в параллель по входу, подается по цепи ТП-АБВ-Ьф-УБ-УЗ. Каждый парный модуль ОНИТ-В состоит из двух последовательно соединенных по входу полумостовых инверторов тока. Выходы двух парных модулей подключены к соответствующим первичным обмоткам N каждого из четырех трансформаторов Тр1-4. Напряжение вторичной основной обмотки каждого трансформатора выпрямляется по цепи ОВ-НИТ и через реверсивный повышающе-понижающий ШИМ-корректор мощности РКМ подается на якорную обмотку электродвигателя. Обмотка возбуждения этого двигателя получает независимое питание от вторичной вспомогательной обмотки трансформатора ^В через выпрямитель возбуждения ВВ и регулируемый конвертор возбуждения КВ.
В режиме рекуперативного торможения при питании от той же сети переключаются
контакты мостового реверсора РКМ и выключается контактор рекуперации Кр, а поток энергии имеет обратное направление — от М к ТП. В режиме резистивного (динамического) торможения энергия от М подается через РКМ в тормозной резистор Ит, рассеиваясь в нем.
При работе в режиме тяги от однофазной сети переменного тока с помощью ключей все НИТ-В соединяются по входам последовательно, а питание на них подается через ВБВ, ОУВ-ИТ, вход-выход Р и Ьф с глубокими 100-герцовыми пульсациями, повторяемыми после модуляции в ОНИТ-В и демодуляции в ОВ-НИТ. Здесь РКМ работает в режиме ШИМ-корректора мощности, при котором форма тока синхронно повторяет форму напряжения, чем обеспечивается высокое значение коэффициента мощности в сети.
В режиме рекуперативного торможения при том же питании переключаются контакты мостового реверса РКМ и включается контактор рекуперации Кр, а поток энергии имеет обратное направление. Резистивное торможение аналогично вышеописанному.
Следует заметить, что закольцованная цепь самовыравнивания напряжений на входном
емкостном делителе обеспечивается за счет дополнительных уравнительных обмоток трансформаторов Тр и уравнительных вы-
прямителей Вур.
Заключение
Рассмотренный в статье второй вариант двухсетевого тягового электропривода для железнодорожного транспорта имеет следующие достоинства:
• обеспечивает эффективное рекуперативное резистивное торможение при питании от обеих сетей и в широком скоростном диапазоне;
• исключает низкочастотные трансформатор и силовой реактор, имеющие большую массу (4 т при 1 МВт), большие габариты и низкую ремонтопригодность;
• обеспечивает высокий коэффициент мощности в сети переменного тока (более 0,9) благодаря ШИМ-коррекции мощности в режимах тяги и рекуперативного торможения;
• не содержит специального источника независимого возбуждения с пиковой мощностью 60-100 кВт;
• исключает боксования и юзы благодаря индивидуальным регуляторам якорных токов двигателей;
• обеспечивает эффективную защиту полупроводниковых ключей
от перенапряжений и сверхтоков благодаря защитно-демпфиру-ющим цепочкам. ■
Литература
1. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электропоездов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов. // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.
