CC BY
60
I. ЕЛЕКТРОТЕХН1КА
УДК 621. 331: 621. 311.4: 621: 314. 632
Ю. П. Гончаров, М. В. Панасенко, В. В. Божко, М. В. Хворост, О. В. Сресько, В. В. Замаруев, В. В. 1вахно, А. В. Васькевич, Р. I. Любiч
Перетворювач з вольтододатком на повшстю керованих напiвпровiдникових приладах для тягових пщстанцш
постiйного струму
Розглянута структура джерела живлення контактноУ мережi на основi послiдовного з'еднання фазо- i широтно регульованого випрямлячiв, яка дозволяе (поряд з п/'двищенням коефiцieнта по-тужностi приблизно до одиниц0 реалiзувати ряд додаткових корисних функцй щодо перетво-рювача живлення. Запропонованi вузли комутацйного захисту дозволяють використовувати iснуючi на промисловому ринку напiвпровiдниковi прилади.
1. Аналiз стану проблеми задачi роботи
постановка
Для живлення контактних мереж електр^ кова-них залi зниць, а також метрополi тену та i ншого мi ського транспорту у даний час використовують на-твпровщнию^ перетворювачi. Вони можуть бути не-керованi по вихщш й напруз i, що суттево знижуе як сть електропостачання та пропускну здатн сть маг стра-лей. Для регулювання вихщноТ напруги найбтьш по-ширене практичне застосування мають два методи:
- переключення секцi й обмоток трансформатора, однак його недолi ками е невисока надi йнiсть механ ь чних перемикачi в, неплавнi сть та обмежена швидко-дi я регулювання;
- використання тиристорних випрямлячi в з фазо-вим керуванням, однак його недолi ком е споживання реактивноТ потужностi вщ мережi живлення, що при-мушуе додатково встановлювати досить складнi та дорог фiльтро-компенсуючi пристроТ.
Окр i м того, ц методи не дозволяють реалiзувати кориснi та додатков i функц и, як пояснюються далi.
Подальше пщвищення ефективност системи електропостачання контактноТ мережi пост йного струму можна досягти за рахунок використання на тягових пщстанцях натвпровщникових перетворювачi в, реа-лiзуючих при забезпеченнi високого коефi цента ко-рисноТ дм i високоТ надi йност наступнi функцп:
- безконтактне регулювання вихщноТ напруги з метою компенсацп в щхилень напруги у живлячi й мережi i падi ння напруги в контакты й мережi при прот каннi струму навантаження;
- компенсац i ю реактивноТ потужностi у живлячi й мережi з метою доведення коеф iцi ента потужност до величини не нижче за 0,98, рекомендованою новими св ¡товими стандартами на як сть споживчоТ електрое-нерг i Т;
- швидкодi юче обмеження аварi йних струмi в на р i внi порядка 1,2 ^ 1,3 в щ максимального робочого струму;
© Ю. П. Гончаров, М. В. Панасенко, В. В. Божко, М. В. В. В. Замаруев, В. В. 1вахно, А. В. Васькевич, Р. I. Люб iч
- використання активноТ фтьтрацп вихщних гар-монi к з метою зменшення установленоТ потужностi силових пасивних ф iльтрi в та зменшення, як наслщок, динамi чних коливань вихщноТ напруги при рi зких змi нах навантаження. Перерахованi задачi вир i шують-ся при сполученн дванадцятипульсного напi вкерова-ного або повн стю керованого випрямляча, в якому тиристорн мости у сталому режимi працюють з кутом управлшня а = 0, та реверсивного вольтододатка на повнстю керованих нашвпровщникових приладах в щпов щно структурноТ схеми рис. 1 [1-3].
Основний випрямляч ОВ у випадку його нап вке-рованост мае окр i м дi одного також i тиристорний три-фазний мют, який у сталому режимi працюе при кут управлi ння а = 0, що мi н мiзуе споживання iз мережi реактивноТ потужност. Запираючий вольтододаток ЗВ
га
Рис. 1. Структурна схема перетворювача вольтододаткового типу: ОВ - основний дванадцятипульсний випрямляч; ЗВ - запираючий вольтододаток; - вихщний ф тьтр вольтододатка;
Ян - екв1 валентний резистор, враховуючий навантаження, Т - силовий трансформатор Хворост, О. В. Сресько, 2007 р.
виконуеться по схемi трифазного мостового перетво-рювача з широтно-iмпульсною модуляцею (Ш1М) на частотi порядка 900-1200 Гц. 1з двох основних схем ШIМ-перетворювачi в [4] з основним випрямлячем безпосередньо сумi сним е перетворювач на двоквад-рантних ключах знакозмi нноТ напруги, як i можуть бути реалiзованi шляхом послщовного з'еднання запира-ючого одноквадрантного прилада, наприклад аси-метричного ОТО чи ОСТ або 1ОВТ, iз прямим дi одом, а також з дроселем снабера (рис. 2).
На боц змi нного струму пульсацп з частотою Ш1М придушуються фтьтром С, створеним i ндуктивнiстю роза ювання силового трансформатора Т i додатко-вими конденсаторами з реактивною потужнютю порядка (30-50 %) в iд потужностi вольтододатка, що е достатнi м. Реверсивний характер вольтододатка (пе-рехщ iз випрямляючого у i нверторний режим i навпа-ки) дозволяе в свою чергу скоротити його сталу по-тужнi сть вдвiчi, що дозволяе створити при реальних значеннях коливань напруги i навантаження установ-лену потужн сть перетворювача-вольтододатка на рi внi 0,2 + 0,3 вщ установлено! потужност основного випрямляча.
Ш1М дозволяе забезпечити регулювання вихiдноí напруги ы^ вольтододатка не ттьки без споживання реактивно! потужност, але й створити невеликий ви-переджуючий реактивний струм, пропорцi йний струму навантаження , з метою компенсацп споживання реактивно! потужност в основному перетворювачi
УБ1
№31 УБ3
УБ5
А Л 7\
-Гу-^Г^
¡жу^д Ю7 А
Т Сф1...Сф3
УБ2
УБ4
УВ6\ " 2\
У82 ДшЖУЗбД
А А
Ят
Рис. 2. Вольтододатковий перетворювач ЗВ на двоквадрантних ключах знакозм шноТ напруги у вигляд I
послщовного з'еднання двооперацшного наш впров щникового приладу без зворотних блокуючих властивостей прямого д ода
ОВ, обумовленого наявн стю шдуктивносл розс ювання силового трансформатора Т. Тим самим i досягаеть-ся високий результуючий коефiцiент потужност жив-лячо! мереж .
Для органiзац и швидкодi ючого струмообмеження в аварi йних режимах вольтододатковий перетворювач короткочасно переводиться в СО-режим, при яко-му чередуеться стан холостого ходу (ХХ), коли вс i клк^ моста вимкнен i , i короткого замикання (КЗ), коли вв i мкнен два ключа одн е! i т е! ж фази з чергуванням фаз для рiвномi рного завантаження ключi в моста по струму. При переходi в ХХ-стан пщвищуеться напруга
ы^в на виходi моста, що веде до отпирання тиристора
УБ1 i переводу струму /^ на баластний резистор Ят, опi р якого визначаеться iз спi ввiдношення
Ят • ¡ат - 0г
(1)
де /¿т - потрi бний пор iг струмообмеження; ы^отах -максимальна напруга на виходi основного випрямляча.
Вводячи пстирезис Д/^ порога струмообмеження, можна чередувати ХХ i КЗ - стани по релейному принципу, виконуючи швидкодi юче струмообмеження до тих т р, коли керований мi ст ОВ не буде переведений в i нверторний режим i основний перетворювач не приймае на себе функц ю струмообмеження, що в щбу-ваеться iз запзненням на час порядку п впер i ода напруги живлячо! мережi.
I накнець, вольтододаток у основному режимi при частот Ш1М у вiдмi чених вище межах може прий-мати на себе функцií активного фтьтра друго!', чет-верто! i шосто! гармонi к вихiдноí напруги, як вини-кають в результат рiзного роду несиметрi й: напруги у живлячi й трифазнi й мережi, i ндуктивностей розс i -ювання обмоток зi рки i трикутника у основному два-надцятипульсному випрямлячi i т. п.
Розглянемо деяк з можливих альтернативних рi шень. Одне з них полягае у повн й вщмовi вщ викори-стання некерованого i фазокерованого основного вип-рямлячi в та використання випрямляча з Ш1М в якост основно! i едино! ланки. Однак для такого вир i шення питання ще немае напi впровiдникових приладi в iз необхщними характеристиками одночасно i по напруз i i по струму, а використання посл щовного чи паралель-ного з'еднання багатьох чарунок е дуже варт сним i склад-ним рi шенням. Перевагою рi шення на рис. 1 е те, що для нього потр i бн запираю^ тиристори на величину
робочо! напруги б тя П^ отах/2 i , що не менш важли-во, при цi й напрузi цi тиристори працюють лише короткочасно (ттьки в СО-режим i ), тобто комутацi йнi втрати потужност, як i при пщвищених частотах Ш1М перевищують шш i складов i втрати у дектька раз i в, не в д грають вир i шально! ролi. У сталому режимi вольтододаток працюе при напруз i у дектька раз i в менш i й
у пор iBHЯHHi з Пйотах .
1ншим альтернативним рi шенням е використання вольтододаткового перетворювача на баз i i нвертора напруги на боц i змi нного струму. Але при цьому уск-ладнюеться реалiзацiя функцп активно! фтьтрацп на
а
в
с
боц i пост йного струму Використання того ж перетво-рювача в якостi вольтододатка на пост йному CTpyMi ускпаднюеться тим, що з цього боку перетворювач дi е тльки як пщвищуючий i не може обмежувати струмов i перевантаження.
Недолi ком рi шення на рис. 1 е потреба у пщвищеш й частотi Ш1М, яка безпосередньо не може бути одержана.
Метою дано''' роботи е аналi з шпяхi в пщвищення ефективност системи епектропостачання контактно!' мережi за рахунок використання повнi стю керованого послщовного перетворювача, зокрема шляхi в одер-жання пщвищеноТ частоти Ш1М, що потрi бно для реал i-зац i ï перелiчених вище функц iй структурно'1' схеми на рис. 1. Це досягаеться за рахунок запропонованого алгоритму керування у сполученн з i схемами снаберi в вимикання та вв i мкнення, що також пропонуються у дан й робот. Вщзначимо, що деяга iз потужних повн i стю керованих наш впров щникових приладi в в принципi можуть працювати i без снаберi в, але це не дозволяе одержа-ти прийнятних величин 'х частоти перемикань i , отже, частоти Ш1М у перетворювачах. Особливо це в вноситься до повн стю керованих тиристорi в, як на даний час е фактично безальтернативними приладами для систем тягового електропостачання електрифi кованих зал зниць.
2. Алгоритм керування i3 видтенням структурних iнтервалiв з максимальним струмом завдання
Особлив i сть силово' схеми вольтододаткового перетворювача (рис. 2) полягае у тому, що в робочих режимах, коли баластний ланцюг VS, Rт не пщключаеть-ся, в любий i нтервал часу проводить струм один iз кпючiв у катодн й групi i один у анодн й. В результат чергуються робочi стани, при яких проводять струм id два ключа рiзних фаз i КЗ-стан, при якому проводять два ключа одн е' i т е' ж фази. У КЗ-стан вс i три фазн струми на входi комутатора рi внi нулю.
Вихщна щея алгоритму запропонована у робот [5] i полягае у тому, що видтяються штервали часу з мак-
симальним струмом завдання у одн й iз вхщних фаз (структурн iнтервали) i кожний такий структурний штер-вал в свою чергу дтиться на цте число такт в Ш1М. Такт Ш1М також дтиться на два штервали, iз яких перший в щпов щае робочому, а другий КЗ-стану. В щносна тривалiсть робочого штервала рiвна вщносному струму фази iз максимальним струмом завдання
= гзт / , i в цй фаз i струм ^ тече у всьому iнтервалi
. Робочий штервал , в свою чергу, подтяеться на
два пд нтервала i у пропорцТ, рiвнi й вщносним струмам завдання двох шших фаз i на кожному iз цих пд нтервалi в струм id повертаеться до другого полюса виходу через в щпов щну фазу.
У вщпов щност до цього алгоритму у фаз i з максимальним струмом завдання анодний або катодний ключ замкнутий на всьому структурному i нтервал i, а переми-кання вщбуваються тльки у iншiй групi ключ iв. При при-пущеннi про безкшечну частоту Ш1М за допомогою да-ного алгоритма забезпечуються синусощальш струми у фазах, а при к нцев i й частот вони наближаються до синусоТдальних. На рис. 3 показана форма фазного струму при частот Ш1М 1200 Гц, одержана на МаАаЬ-моделi перетворювача.
Цей алгоритм керування працюе у широкому дi а-пазон змi ни струмового навантаження впритул до режиму холостого хода пщстанцп, що також перев i ря-лось на Matlab-моделi перетворювача. Завдання по вихщному активному струму формуеться в функцп вихщноТ напруги, а також додаеться завдання по випе-реджаючому реактивному струму для компенсацп реактивного струму основного випрямляча. Тому резуль-туюче завдання завжди в щр iзняеться в щ нуля i про-цес вибi рки максимального струму не порушуеться у режим i , коли активна складова переходить через нульове значення. Результуючий коеф iцi ент потужност пщтримуеться при цьому на рi внi вище 0,985 у дi апа-зон змi нення вихiдного струму вщ 100 до 20 % в щ номi нального, а при малих струмах пщтримувати таке значення не мае необхщним. Функцi я активного ф тьтра збер i гаеться у тому раз i i у режимi переривча-
Рис. 3. Струм фази А вольтододатка при частот Ш1П 1200 Гц
стого вихщного струму, а у реж^ «чистого» холостого хода вона також не е потрi бною, тому що напруга на конденсаторi вихiдного фiльтра природним чином пщтримуеться iдеально згладженою.
Щоб був працездатним запропонований у розд mi 4 снабер BBi мкнення, пропонуеться удосконалити розг-лянутий вище алгоритм керування таким чином, щоб зберегти незм i нним напрямок чергування фаз при пе-ремиканнях.
Якщо прийняти, наприклад, пряме чергування фаз, то у катодн й групi перемикання вщбуваються тльки
у прямi й послщовност..... 135135... Аналопчна пряма
послщовж сть формуеться i у анодн й групi. Ясно, що в межах одного структурного i нтервала таке впорядку-вання не визивае труднощi в. Однак при переходi до другого структурного i нтервалу може бути потрiбним зворотне перемикання, наприклад, з тиристора 1 на тиристор 5. Щоб зберегти при цьому пряме чергування фаз, пропонуеться короткочасно перевести струм id на тиристор 3, i ттьки m сля цього переводити на тиристор 5. Щоб мi н мiзувати пов'язан з додатковим перемиканням скривлення форми, необхщно мi н мi зувати тривалi сть додаткового мiжкомутацi йно-го ¡нтервала. Ця тривалi сть повинна бути достатньою для пщготовки снаберi в до чергового перемикання.
3. ICD-снабер вимикання
Позитивна особливiсть вольтододаткового пере-творювача з алгоритмом керування, запропонованим у розд mi 2, полягае у тому, що стрибки (перепади) напруги на ключах комутатора безпосередньо переда-ються на його вихщ i не накладаються один на одного. Це дозволяе застосовувати загальний для шести кпю^в трифазного моста снабер вимикання, пщклю-чаемий на боц i пост йного струму.
Вщомо, що дi я снабера вимикання може тракту-ватися як передача в його конденсатор енергм кому-тац iï, яка видтяеться на активному iнтервалi комута-цi йного процесу при змi нi миттевоï пров ¡дност ключа мiж великим i малим значеннями [6]. В традиц йному RCD-снабер i [5] ця енерп я пот м видiляеться у виг-лядi тепла в резистор i снабера. Використання ж за-гального снабера вимикання дозволяе вщмовитися в ¡д розсi ювання енергм снаберних конденсаторi в у резисторах, реалi зуючи повернення енергм комутац iï у живлячу мережу. Для цього необхщно замi нити роз-рядний резистор R традиц йного снабера вимикання на розрядне джерело пост йного струму I, роль якого виконуе вщносно малопотужний (1 % в i д потужност вольтододатка) введений i нвертор струму.
Базова схема ICD-снабера наведена на рис. 4, а. Вона пщключаеться паралельно мосту ЗВ на рис. 2, або рис. 4.
Кожний раз, коли запираеться один з тиристор i в моста, виникае негативний перепад (зниження напруги) udB, що приводить до в ¡дкриття д¡ ода VD i переходу струму id в коло снабера. Конденсатор С при цьому пщключаеться паралельно зовн шн м виводам моста АБ i тим самим обмежуе швидк сть спаду напруги и^в i , отже, швидк сть наростання напруги на вимикаемому клк^ комутатора. При позитивному перепад¡ напруги д¡ од VD запираеться i в ¡дбуваеться в ¡дпов ¡дна зм¡ на
Г] -Î
С
А
Сф1...Сф3
(-)
(+)
№
А
id
а)
б)
Рис. 4. Базова схема ICD-снабера (а) i характер зм ¡ни напруги UdB на одному такт Ш1М Тш у рЬних режимах роботи вольтододатка, показаних на загальн й в i с часу
напруги на конденсатор¡ з передачею енергм комутац iï розрядному джерелу струму i. Конденсатор при цьому буде в i др ¡заний в ¡д вивод¡ в комутатора i зм¡ на напруги UdB не затримуеться (рис. 4, б). Ц процеси в ¡дбуваються незалежно в ¡д того, у якому режим¡ пра-цюе вольтододаток: випрямляючому, i нверторному або коли середня напруга UdB р¡ вна нулю.
Негативною особлив¡ стю емнi сних снабер¡ в вимикання е те, що вони не можуть працювати у широкому дiапазонi змi ни струму навантаження id в i д нуля до максимального. При зниженн струму навантаження до нуля тривал¡ сть фронт в спаду вихщно'1' напруги стае невизначно великою, що порушуе нормальну роботу схеми. Однак при малих струмах навантаження в ¡дпа-дае i необхщш сть у робот снабера, оскльки комутац йн втрати при id ^ 0 знижуються до нуля, тобто при зниженн струму до деяко1 мало1 величини мож-на вщключити снабер. Для цього можна прим¡ нити ключ S з однооперац йного тиристора, провщш сть якого спi впадае з напрямком прот кання розрядного струму i (рис. 5). Якщо цей тиристор не в ¡дкривати, то конденсатор С залишаеться зарядженим до максимально! зворотньо! напруги i снабер не д¡ е. Кр i м цього, корисно подтити снабер на дв i паралельш чарун-ки, одна з яких д¡ е тiльки в режим¡ п'ятихвилинного струмового перевантаження подв i йним струмом, який передбачений д¡ ючими стандартами для тягових пщстанц i й. ni сля переходу до тривалого режиму ця чарунка в ¡дключаеться, що дозволяе швидше забез-печити за допомогою джерела струму i початкову на-пругу на конденсат^ перед формуванням чергового
0
с >> (+)
VSs у 21 VD:
VJ 2\vd
Рис. 5. Схема ICD-снабера з можливим в ¡дключенням снаберного конденсатора при малих струмах навантаження
нутого алгоритму перемикань на пер i од i Ш1М Тш в ¡дбуваеться три перемикання, в ходi яких струм id по-чергово переходить на один iз трьох тиристорi в групи моста - анодно' або катодно'. I iнш iй груп при цьому проводить струм тльки один з трьох тирист^ в i ня-ких комутацi й не вщбуваеться. Можна показати, що величина сумарного перепаду напруги на примусово вимикаемих тиристорах е близькою до амплтуди илт лi н йно' напруги на входi вольтододаткового моста, яка пов'язана з найб ¡льшою середньою напругою Ud 0в на виходi вольтододатка спi вщношенням:
ud0в -
2л/3 и лт.
(3)
робочого фронту вихщно'1 напруги (фронта спаду). Тим самим стае менш жорстким обмеження по мi н маль-ному часу вв мкненого стану силового тиристора, на протяз i якого через конденсатор тече струм розряд-ного джерела.
Розрахунок ICD-снабера базуеться на слдуючих трьох сп вв ¡дношеннях для енергп комутацм, циркулю-ючо' у схемi перетворювача:
A0 -- S • ta
A* - A/ A0 - — •Ц-,
0 12 t /
1 rt
си2 2
• /ш - u0i,
(2)
де S - id • ик - потужнi сть комутац il тиристорного ключа, що визначаеться як добуток комутуемого ключем струму id на комутуему напругу uk, яка з'являеться на ключ i п i сля зага нчення комутацм; ta - час знаходження ключа у активному режим i , тобто при одночасно в ¡дм i нних в ¡д нуля струмi i напруз i (активний час); цей час визначаеться часом спаду струму при л¡ н ар i зац i' закону його зм¡ ни у час ; А0 i А - енерпя тепловидтення
в тирист^ при в ¡дсутност i наявност снабера; t^a -
активний час ключа з ¡деальним тиристором, який рi вний часу наростання напруги на ньому при допущены миттевого переходу струму на конденсатор снабера; U0 - середня напруга на виводах джерела роз-рядного струму i; /ш -1/Тш - частота Ш1М.
Вщм^имо, що пщ ключем у загальному випадку розум¡ еться сукупн сть ¡з вимикаючого тиристора i снабера, який при кожн й комутацм приеднуеться пара-лельно тиристору.
Прокоментуемо спi вв ¡дношення (2). У зв'язку з малою тривал¡ стю комутацм напруга на вимикаемому клк^ при вщсутност снабера може бути прийнятою пост йною i рюною величин ик. Тодi перша формула (2) вит кае ¡з того, що середн й струм на активному ¡нтервал¡ ta i з урахуванням припущення про пi н йний закон змi ни струму е р¡ вним поповинi максимального струму id. Величина ик в принцип змi нюеться в ¡д однi е' комутац м до i ншо' у залежност вiд конкретних зна-чень напруги на конденсаторах вхщного ф ¡льтра вольтододатка (рис. 4, а). При використанн вище розгля-
При пщстановц i у (2) величини ик « илт визначаеться повна енергя примусових вимикань на перь од i Ш1М i для переходу до сумарноТ потужност комута-цi йних втрат ТТ треба помножити на частоту Ш1М /ш.
Друга (середня) формула спввщношення (2) об-грунтована в робот [5] при припущенн про те, що закон змi ни струму вимикаемого тиристора при пщкпю-ченн снабера залишаеться таким же.
Третя (остання) формула спввщношення (2) доз-воляе визначити середню потужн сть ы0) ■ г , яка прий-маеться розрядним джерелом струму, при пщстановЦ сумарного ик « илт.
Приймаемо для прикладу слщуюч i вхщн i дан i : илт = =1000 В, ¡а^ = 2400 А, ¡ат = 21с^[ (п'ятихвилинне пе-
ревантаження), час вимикання тиристора = 20 ■ 10-6 сек,
частота Ш1М /ш = 1000 Гц. З урахуванням рi вня стру-мообмеження 125 % потр i бнi тиристори на робочий
струм 1,25 ¡т = 6000 А.
Максимальн втрати потужност в тиристорi на i нтервалi провщност
Р0П -AU • Idcp -AU
dcp
idm
3
- 4800 Вт.
Втрати потужност в тирист^ в режим¡ пров ¡дност у номi нальному режим i :
Р - Р
1onN 1 on
idm
idN
- 2400 Вт.
Резерв на комутац йн втрати потужност у ном i-нальнм режим i :
AP - Pon - PonN - 2400 Вт.
Приймемо у ном нальному режим
t'a - t<L - 10 • 10-6 сек, a 2
тод
A* -1
2
6
Базисн комутацi йнi втрати в тиристорi:
Рк0 - 12 • Плт • -с1М • • /ш - 4800 Вт.
Фактичнi комутацi йн втрати в тиристорi:
Ркм - Л* • Рк0 - 800 Вт (33 % в ¡д Ра„М i тльки 1/3 в ¡д резерва).
Номi нальна емнють снаберного конденсатора:
См - - 24 •Ю-6 Ф.
М П
^ ПГУ1
Враховуючи вище сказане, для режиму переван-таження збтьшимо емнi сть снаберного конденсатора втрич i , пщкпючивши ще чарунку з конденсатором
емн стю 2 См. Тодi
,/ - 3СМ 1а
3См • Плш - 15 •Ю"6 сек;
-с1т
Ркот - 2Рко - 9600 Вт;
'ко
Лт - - • Ц- - 0,111; т 12 /
Ркт Лт • Рк/
-1070 Вт,
тобто комутац йнi втрати у режимi п'ятихвилинного перевантаження складають всього 20 % вщ Роп, що можна допустити прийнятним.
Приймемо струм розрядного джерела снабера р i вним 10 % в ¡д -т, що складае - ~ 500 A. При цьому час встановлення початково! напруги на конденсаторi при номi нальном режимi буде дор i внювати:
4. Безобмоточний шдуктивний снабер ввiмкнення
1ндуктивний снабер вв i мкнення ^ (рис. 2) забезпе-чуе затримку переднього фронта iмпульсу струму у вми-каемому ключ i , i , отже, виконання вимог щодо фактора критично! швидкост наростання прямого струму по-вн i стю керованих тиристорi в. ^ м цього, таким снабе-ром обмежуються крiзнi струми, обумовлен запi знен-ням розсмоктування носив заряду у дi одах комутато-ра (рис. 2). Принцип дм iндуктивного снабера iз наси-чуючимся феритовим осердям в щомий i полягае у тому, що при переходi струму ключа через нульове значен-ня включений послщовно з ключем дросель виходить iз стану насичення i створюе рi вень малого струму. Ефект дм цього р i вня залежить в ¡д знака лi нi йно! напруги, дi ючо! на входi комутатора при перемиканнi пари ключ i в, наприклад, 1 i 3 у схемi рис. 2. Нехай в результат перемикання ключ 3 повинен вв i мкнутися, а ключ 1 вимкнутися. Тод i при позитивному полюс у точцi «в» дросель ключа 3 повинен бути ненасиченим, що створить затримку наростання прямого струму, а дросель ключа 1 при переходi його струму через нуль створить затримку наростання зворотнього струму. При негативному полюс в точц «в» обидв i ц операцп стають непотрi бними, так як перехщ струму на ключ 3 з ключа 1 в щбуваеться за рахунок примусового вимикання ос-таннього по колу управлi ння. Мало того, якщо дросель 3 при цьому ненасичений, то в i н створюе оп р процесу переходу струму i збтьшуе, тим самим, комутац йнi втрати в клк^ 1. Отже, при данi й полярност лi нi йно! напруги необхщно забезпечити насичення дроселя 3 за рахунок ланцюга зовн i шнього пщмагтчування. Розгля-нутий у роздл 2 алгоритм керування ключами моста комутатора вольтододатка дозволяе це зробити.
Принцип роботи ланцюга зовн шнього пщмагжчування тюструе вебер-амперна характеристика дроселя, наведена на рис. 6.
1У - См 'Плт - 48 -10"6 сек,
Ум - '
а це всього б тя 10 % в ¡д пер i оду Ш1М, що е прийнятним.
Потужнi сть i максимальна середня напруга розрядного джерела -:
3С и 2
Рг - ы0 • - - С •Пмт • /ш - 43,2 • 103 Вт.
ы0 - Р - 86,4 В. -
Як бачимо, потужн сть розрядного джерела Р-складае всього б тя 0,5 % тривало! потужностi пере-творювача, що для практики е прийнятним.
Необхщно також в щм^ити, що на в ^^ ну в щ часто рекомендуемого традиц йного снабера [7], розгляну-тий вище снабер забезпечуе плавне наростання напруги на вимикаемому тиристор i вщ нульового зна-чення.
у 5
/ У^с
/ У0
/ 1 -
О /
-л ^
Рис. 6. !деал1 зована вебер-амперна характеристика дроселя I ндуктивного снабера: у^ - потокозчепленя
насичення; ¥с - поперечний зр1з осердя; - I ндукця
насичення
Приймемо безобмоточну конструкц ю дроселя, при як й електричн провщники просто просуненi у вi кно осердя, що р¡ внозначно числу витк в дроселя, рi вному одиниц i.
Щоб реалзувати характеристику виду рис. 6, введе-мо в осердя немагн ¡тну щтину 8, достатньо велику для того, щоб можна було знехтувати впливом реальних фактор i в петл i п стирезиса матер¡ алу осердя, за вик-люченням ¡ндукц iï насичення Bs. Тод i для струму насичення is вщповщно закону повного струму маемо:
is = HS -8 =
Bs-8, Ц0 '
(4)
де H s - напружен сть поля насичення;
Цо = 4л-10-7 Гн/м - магнiтне проникнення середо-
вища в щ лин 8.
Введемо два ланцюги п^магт чення: постi йним струмом is позитивного знаку, щоб вивести початкову точку у положення «S», i струмом iл негативного знаку, пропорц йним поточному значенню л¡ нi йноï напруги и л
iл = К ■ ил,
(5)
де K - пост йний коеф iц iент.
З урахуванням обох ланцюг в початкова точка «О» при нульовому струм¡ ключа буде в ¡дповщати значенню потокозчеплення у о, пропорц йному поточному значенню л i н йно1 напруги живлячо1 мережi. При позитивному полюс у точц «в» при цьому буде забезпече-на пост йна тривал сть затримки наростання струму
t3 =у о/ ил
(6)
незалежна вщ конкретного значення напруги. При негативному полюс струм ia, вщповщно (5), зм¡ нюе знак i початкова точка виводиться на верхню насиче-ну гтку вебер-амперно1 характеристики, у результат чого дросель не створюе нi якоГ затримки наростаю-чому струму. Нтко1 затримки не буде також при будь-якому полюсi при дуже малих струмах навантаження, однак у не при цьому немае потреби.
З урахуванням прийнятого у роздл 2 прямого чер-гування фаз при перемиканнях дросель даного ключа повинен пщмагжчуватися струмом, пропорц йним попередн й л¡ нi йнi й напруз i : иав для ключа 3, uca для ключа 1 т. д.
На рис. 7 показана конструкця безобмоточного ¡ндуктивного снабера, в ¡дпов ¡даюча розглянутому вище принципу побудови.
Осердя Fc над¡ ваеться на провiдник ¡з струмом силового ключа, i у його в i кно просовуються ще три пров ¡дника. Струм пост йного пщмагтчування is може бути прийнятий р¡ вним струму розрядного джерела i (див. схему снабера вимикання на рис. 4, а). 1ндук-тивж сть L дроселя у ланцюгу л¡ ж йного пщмагжчуван-ня приймаеться достатньо великою для згладжуван-ня пульсац й струму, обумовлених i ндукованою ¡з ро-бочого ланцюга напругою, а ампл^уда напруги иф
Рис. 7. Конструкця i електрична схема безобмоточного i ндуктивного снабера: Fc - феритове осердя i з щтьн i стю;
иф джерело фазноУ напруги, зсунуте в ¡дносно даного ил на 90 ел. град; L - дросель в ланцюгу л i н i йного п ¡дмагн i чення; Жл - пров ¡дник пщмагн ¡чення протифазного снабера; eр - джерело проти ерс розмагн чування
визначае ампл^ду 1лт струму лi н йного пiдмагнiчен-ня. Джерело проти ерс ep приймаеться рi вним або трохи б ¡льшим у пор iвняны з ампл^дою илт лi нi йноï напруги, щоб обмежити напругу на робочому витку при повернен^ робочоï точки на вебер-ампернй харак-теристиц у початковий стан. Деяким недол¡ ком тут е те, що при цьому поверненн пщвищуеться напруга на тирист^ i дi од i силового ключа. Однак це пщвищен-ня ¡з урахуванням низько1 вхiдноï напруги вольтодо-датка е прийнятним.
В якост eр може бути використаний автономний ¡нвертор напруги, тзд енергя комутацм повертаеться у живлячу мережу, а при використанн¡ резистора з па-ралельним ф ¡льтровим конденсатором ця енергт буде видтятися у виглядi тепла.
Величину затримки наростання струму достатньо приймати р¡ вною половин тривалост допустимого л¡ нi йного фронта.
Як показуе оц нка для прикладу, розглянутого у роздл 3, маса феритових осердь складае б ¡ля 15^20 кг, що е прийнятим для практики конструювання ндук-тивних снаберв.
Висновки
1. Послщовне з'еднання фазокеруемого випрям-ляча ¡з реверсивним широтно-керованим вольтодо-датком на повнi стю керованих тиристорах дозволяе усунути недолi ки кожного i з цих двох клас i в перетво-рювач¡ в i реалiзувати джерело живлення контактно1 мережi, задовольняючого сучасним вимогам при ви-користаннi нашвпровщникових силових приладiв, що е вже сьогодн¡ на ринку.
2. Використання удосконаленого алгоритма керу-вання вольтододатком у сполученн¡ ¡з запропонова-ними схемними р¡ шеннями щодо снабер¡ в ввi мкнен-ня i вимикання дозволяе одержати прийнятн кому-тацi йнi втрати в ключах вольтододатка при частот Ш1М 900-1200 Гц, достатньо1 для виконання вс ¡х функц i й вольтододаткового перетворювача.
Перелш посилань
1. Хворост М. В. Пщвищення ефективност дванад-цятипульсних випрямлячi в тягових перетворю-вальних агрегат в метропол^еж в з повздовжньою високовольтною лi Hi ею живлення пост йного струму // 1нформац йно-керук^ системи на залiзнич-ному транспорт.- 2004. - № 3 - С. 50-54.
2. Хворост М. В., Божко В. В. Силов i схеми перетво-рювальних агрегат в головних тягових пщстанц й метропол^ена з повздовженою лi нi ею живлення // Електротехн ка та Електромехан ка. - 2005. -№ 1 - С. 106-109.
3. Хворост М. В., Божко В. В. Демпфований вхщний ф тьтр вольтододатка на двооперац йних тиристорах дванадцятипульсних випрямлячi в тягових перетворювальних агрегатв метропол^ена // 1нформац йно-керуючi системи на залiзнично-му транспорт. - 2006. - № 3 - С. 41-45.
4. Гончаров Ю. П., Панасенко М. В., Семененко О. I., Хворост М. В. Статичн перетворювачi тягового рухомого складу. За ред. Гончарова Ю. П. - Харю в, НТУ «ХП1», 2007. - 192 с.
5. Гончаров Ю. П., Будьоний О. В., Морозов В. Г., Панасенко М. В. та шш i. Перетворювальна техн ка, ч. II. За ред. Руденка В .С. - Харк в, Фолi о, 2000. -357 с.
6. Хворост М. В., Гончаров Ю. П,, Панасенко М. В. та шш. Види комутацп та електричн характеристики в електричних колах з ключовими елементами // Електротехн ка та Електромехан ка. - 2005. -№ 4 - С. 67-72.
7. Электроснабжение контактной сети постоянного тока с питанием повышенным напряжением преобразователя по усиливающему проводу / А. А. Федотов, М. П. Анхимов, М. П. Васильев и др. // Материалы ЕКгапз'2003, СПб, 2003. - С. 291-296.
Поступила в редакцию 28.09.07 г.
После доработки 20.11.07 г.
Рассмотрена структура источника питания контактной сети на основе последовательного соединения фазо- и широтно регулированного выпрямителей, которая позволяет (наряду с повышением коэффициента мощности примерно до единицы) реализовать ряд дополнительных полезных функций, касающихся преобразователя электропитания. Предложены узлы коммутационной защиты, позволяющие использовать существующие на промышленном рынке полупроводниковые приборы.
The structure of the contact network power supply on the basis of series connection of angle- and PWM-controlled rectifiers is considered; it allows (alongside with the capacity factor increase almost up to unit) to realize a number of the additional useful functions concerning the power supply converter. The switching protection nodes, allowing to use semi-conductor devices available in the market are offered.
УДК 621.313.222:62-83
П. Д. Андриенко, С. И. Шило, И. Ю. Немудрый
Исследование режимов торможения в системе импульсного регулирования
сериесного электродвигателя
С помощью разработанной имитационной модели исследованы электромеханические процессы тягового электропривода с сериесным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения.
В настоящее время в электротранспорте широко применяются электроприводы постоянного тока с двигателями последовательного возбуждения (ДПВ). Это объясняется тем, что изменение момента нагрузки для данных механизмов хорошо согласуется с электромеханической характеристикой ДПВ. Недостатком существующих систем является наличие большого количества контактной аппаратуры, что ведет к снижению надежности и значительно сокращает срок безобслу-живаемой работы электроподвижного состава. Важным фактором повышения рентабельности работы электротранспорта в целом может стать замена существующего тягового электропривода (ТЭП) на более современные их виды [1-3].
© П. Д. Андриенко, С. И. Шило, И. Ю. Немудрый 2007 р.
В работе [3] проведены результаты исследования электромеханических процессов усовершенствованной схемы импульсного регулирования двигателя постоянного тока последовательного возбуждения (показанной на рис. 1) и сравнения их с процессами в существующих схемах регулирования. Исследуемая схема отличается от классической схемы импульсного регулирования тем, что в ней дополнительно содержатся: диод 03, шунтирующий обмотку П возбуждения ДПВ; диод 04, включенный последовательно с обмоткой П возбуждения ДПВ.
Проведенное моделирование [3] позволило выполнить сравнительный анализ нескольких схем импульсного регулирования, исходя из которого установ-
