Принципи побудови електричних схем перетворювачів власних потреб електропоїздів з асинхронним тяговим приводом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.423.2:621.313.333

Д. О. ЗАБАРИЛО, Д. М. МАМАСУСВ (ДНУЗТ)

Каф. «Електрорухомий склад залiзниць», Днiпропетровський нацюнальний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, 49010 Днтропетровськ, УкраТна, тел.+38(063)446 -77 - 38, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-6206-0012, 0000-0003-0313-7574

ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ЕЛЕКТРИЧНИХ СХЕМ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В ВЛАСНИХ ПОТРЕБ ЕЛЕКТРОПО1ЗД1В З АСИНХРОННИМ ТЯГОВИМ ПРИВОДОМ

Вступ

Важливим елементом в забезпеченш стабь льного функцюнування всiх систем електропо!-зда е перетворювач власних потреб. Вiн забез-печуе живленням двигуни допомiжного привода, пристро! зарядки акумуляторних батарей, електричних кш керування, освiтлювальних мереж, систем мшрокимату.

Конфiгурацiя схеми перетворювача власних потреб електропо!зда головним чином визначае параметри таких компонента схеми як чопер, швертор, трансформатор, випрямляч та шдук-тивно-емнюш елементи фiльтрiв [1]. Тому правильно спроектована конф^уращя схеми перетворювача власних потреб дозволяе мiнiмiзува-ти його масу, габарити та вартють. В свою черту конф^уращя схеми живлення пристро!в власних потреб залежить вщ топологи силово! схеми електропо!зда та наявно! елементно! бази силових нашвпровщникових приладiв.

Мета

Визначення рацюнально! структури схеми перетворювача власних потреб електропо]дщв подвiйного живлення з асинхронним тяговим приводом для залiзниць Укра!ни.

Методика

Для вирiшення поставлено! задачi були ви-користанi основнi положення теори статичних перетворювачiв та трансформаторiв.

Результати дослiдження

Для пiдвищення надшносп допомiжного приводу використовують асинхроннi двигуни з короткозамкненим ротором, яю живляться вщ джерела трифазно! змшно! напруги 380 В, про-мислово! частоти 50 Гц, тому обов'язковим е застосування гальвашчно! розв'язки високово-льтних кш з допомiжними машинами. На елек-тропо!здах змiнного струму (рис. 1) роль гальвашчно! розв'язки як правило виконуе тяговий трансформатор, частина вторинно! обмотки якого використовуеться для живлення пристро-

© Забарило Д. О., Мамасуев Д. М., 2015

!в власних потреб. На електропо!здах постшно-го струму (рис. 2) та подвшного живлення (рис. 3) використовуеться додатковий трансформатор. В останньому випадку необхщним е також застосування швертора для живлення обмоток трансформатора.

25 кВ, 50 Гц '

Тягов1 обмотки

J- __

£овп В AIH —►

—-

До

навантаження

Рис. 1. Функцюнальна схема живлення пристро!в власних потреб електропо!'зда змшного струму

ХА

Рис. 2. Функцюнальна схема живлення пристро!в власних потреб електропо!'зда постшного струму

25 кВ.50

До

навантаження

Рис. 3. Функцюнальна схема живлення пристро!в власних потреб електропо!'зда подвшного живлення

Найбшьш розповсюдженими структурами схем перетворювачiв власних потреб електро-по!здiв подвiйного живлення з асинхронним тяговим приводом е:

- схема з застосуванням вхщного чопера;

- схема прямого тдключення однофазного А1Н;

- схема прямого тдключення трифазного А1Н.

Схема з застосуванням вхщного чопера

При живленш вiд мережi постшно! напруги (рис. 4) [2] використовуються eмнiсний подшь-ник i чопер СНР, яю призначенi для зниження напруги мережi до рiвня, необхiдного для робо-ти автономних iнверторiв напруги PWM. Два iнвертори з'eднанi послiдовно, а на !х входi встановлено ще один eмнiсний подiльник напруги. Таки чином напруга мережi постшного струму подiляeться навпiл спочатку одним ем-нiсним подiльником, а по^м ще раз навпiл другим емнюним подiльником, що дозволяе вико-

ристовувати у чопер1 силов1 натвпровщников1 прилади, розраховат на половину максимально! мережево! напруги, а в шверторах - на одну четверту максимально! напруги тягово! мереж1 постшного струму. Така величина напруг на шверторах дозволяе використовувати силов1 нашвпровщников! прилади 17 класу, яю мають значно вищ1 показники частотних характеристик та вщносно низьку вартють пор1вняно до прилад1в такого ж типу бшьш високого класу (наприклад GTO 45 класу або IGBT 65 класу), що дозволяе тдвищити частоту широтно-¡мпульсно! модуляцп (Ш1М), а отже, отримати майже щеальну форму синусо!ди струму наван-таження швертора.

Рис. 4. Схема з застосуванням вхщного чопера

При живленш вщ мережi змiнного струму (див. рис. 4) напруга обмотки власних потреб тягового трансформатора ТТ випрямляеться некерованим мостовим випрямлячем "У01, згладжуеться у ланщ постшно! напруги DCL i подаеться на вхщ чопера, який знижае i стабш-зуе напругу.

З виходу iнверторiв напруга подаеться до первинних обмоток трифазного трансформатора Т1, який виконуе роль гальвашчно! розв'язки високовольтних кш з допомiжними машинами. Вторинна обмотка трансформатора живить допомiжнi машини трифазною напру-гою 380 В, частотою 50 Гц. Первинш обмотки трифазного трансформатора як правило з'еднаш «трикутником», вториннi - <^ркою». Також до вторинно! обмотки трансформатора Т1 пiдключений трансформатор Т2, на виходi якого встановлений керований випрямляч УТ1 i фiльтр L2C2, якi призначеш для зарядки аку-муляторно! батаре!.

Схема прямого пiдключення однофазного А1Н

При живленш вщ мереж1 постшного i змш-ного струму напруга ланки постшно! напруги DCL перетворюеться за допомогою iнвертора VT1 в змшну однофазну напругу, яка живить первинну обмотку трансформатора власних потреб T1 [2]. Трансформатор виконуе роль гальвашчно! розв'язки i знижае напругу до не-обхщно! величини. Далi напруга вторинно! обмотки випрямляеться однофазним некерованим мостовим випрямлячем VD1 i подаеться до по!-зно! шини власних потреб (train bus supply ). З по!зно! шини отримують живлення трифазш автономнi iнвертори напруги, як живлять до-помiжнi асинхроннi машини та кондищонери. Також вiд по!зно! шини живляться пристро! обiгрiву та зарядки акумуляторних батарей. Як правило напруга по!зно! шини становить 570 В,

© Забарило Д. О., Мамасуев Д. М., 2015

що дозволяе отримати на виход1 1нвертора д1ю-

че значения трифазно! напруги 380 В, 50 Гц.

4= vu

Рис. 5. Схема прямого тдключення однофазного А1Н

Схема прямого тдключення трифазного А1Н

При живленш вщ мереж1 постшного струму (рис. 6) напруга ланки постшно! напруги DCL1 подаеться на вхщ автономного трифазного ш-вертора напруги власних потреб PWM2, який живить трифазний трансформатор власних потреб Т1. Первинш обмотки трансформатора Т1 з'еднаш «трикутником», а вторинш - «з1ркою». На вторинних обмотках трансформатора за до-помого швертора власних потреб пщтримуеть-ся стабшьна трифазна напруга 380 В, 50 Гц.

4QS2 1 через ланку постшно! напруги DCL2 подаеться до автономного швертора напруги PWM2.

Таким чином, при живленш вщ мереж1 постшного струму напруга на вход! швертора ко-ливаеться в д1апазош 2000.. .4000 В, а при живленш вщ мереж1 змшного струму до швертора подаеться стабшьна напруга величиною, як правило 2800 В.

Наступний вар1ант схеми передбачае жив-лення допом1жних машин вщ ланки постшно! напруги при робот електропо!зда як вщ мереж1 постшного струму, так { вщ мереж1 змшного струму. При цьому автономний швертор напруги, який живить первинш обмотки трифазного трансформатора отримуе живлення через чопер (рис. 7) або безпосередньо вщ ланки постшно! напруги (рис. 8).

ХА1 ХА2

До споживачш власних погреб

Рис. 7. Функцюнальна схема живлення допом1жних машин вщ ланки постшного струму з вхщним чопе-ром

ХА1

ХА2

25 кВ,

50 Гц

i; 4QS

S

Рис. 6. Схема прямого тдключення трифазного А1Н

При живленш вщ мереж1 змшного струму напруга обмотки власних потреб тягового трансформатора ТТ випрямляеться, стабшзуеться { пщвищуеться до необхщно! величини за до-помогою чотириквадрантного перетворювача

Рис. 8. Функцюнальна схема живлення допом1жних машин вщ ланки постшного струму без вхщного чопера

При такш топологи схеми силов1 прилади автономних швертор1в, як живлять асинхронш тягов1 двигуни розраховуються на номшальний струм двигушв, а силов1 прилади чотириквад-рантних перетворювач1в на бшьш висок зна-чення струшв, як правило на 20 % бшьше но-мшального струму тягового швертора. Це по-яснюеться тим, що через силов1 прилади вхщ-ного чотириквадрантного перетворювача також

© Забарило Д. О., Мамасуев Д. М., 2015

прот1кае струм навантаження допом1жних машин.

Схема з застосуванням промiжного трансформатора пщвищенот частоти

Новим принципом побудови структур елек-тричних кш власних потреб е застосування пром1жного трансформатора шдвищено! частоти, обмотки якого живляться вщ резонансного швертора напруги (рис. 9) [3,4]. Принцип ди наступний. Вхщна напруга знижуеться до не-обхщного р1вня DC-DC конвертором. Конвертор складаеться з послщовного резонансного швертора, який перетворюе постшну напругу в змшну, частотою, вищою 50 Гц i живить пер-винну обмотку трансформатора. За допомогою трансформатора здiйснюеться гальвашчна розв'язка кiл високо! i низько! напруг. Також трансформатор знижуе напругу до потр!6но! величини для живлення автономного швертора напруги власних потреб. Напруга вторинно! обмотки трансформатора випрямляеться одно-фазним некерованим випрямлячем.

DC-DC послшовний резонансний конвертор

ГХ" FX" посшловинй реюнансний мнтертр

Щ

JL 2i JC 25 Je 25

Ä JCZS

Рис. 10. Схема резонансного конвертора для живлення А1Н власних потреб вщ мереж1 постiйного i змiнного струму

Якщо використовувати два вхщш модул1 перетворювача, як з'еднаш послщовно на пер-виннш сторош { паралельно на вториннш, то можна подавати вхщну напруги вдв1ч1 бшьшо! величини (рис. 11).

Рис. 9. Схема резонансного конвертора для живлення А1Н власних потреб вщ мереж! постшного струму

Хоча в схемi з DC-DC конвертором викори-стовуеться бшьша кшьюсть елементiв вщносно традицшно! схеми, проте з точки зору вартосп, збшьшена кшьюсть елементiв компенсуеться зниженням вартосп низьковольтних iнверторiв. Робоча частота трансформатора знаходиться в дiапазонi 10 кГц, що дозволяе знизити вагу трансформатора з сотень до десятюв кшогра-м!В.

Послщовний резонансний перетворювач працюе без будь-яких зворотних зв'язюв. Фш-соване спiввiдношення вхщно! до вихщно! напруги визначаеться лише коефщентом трансформаций

При використанш такого перетворювача для багатосистемних електропо]дщв (рис. 10) для регулювання вхщно! змшно! напруги на вхщ DC-DC конвертора потр!6но лише встановити двоквадрантний перетворювач 2QS змшного струму.

Рис. 11. Схема з'еднання двох резонансних конвер-торiв для живлення А1Н власних потреб вщ мереж1 постiйного i змiнного струму

Схема под1бно! концепцп, тобто з викорис-танням трансформатора пщвищено! частоти була запропонована для перетворювач1в власних потреб електропо!зда ЭД6 [5,6]. В такш схем1 (рис. 12) [7] замють резонансного швертора використовусться трир1вневий однофаз-ний ¡нвертор.

Р\УМ1

PWM2I

380 В 50 Гц

Рис. 12. Схема електричних шл перетворювача власних потреб електропо!зда ЭД6

Перетворювач отримуе живлення з контактно! мережi 3 кВ i забезпечуе живленням мережу постшно! напруги 110 В та трифазну мережу змшно! напруги 380 В, 50 Гц. В перетворювачi за допомогою трансформатора забезпечуеться гальвашчна розв'язка мереж 3 кВ, 380 В i 110

© Забарило Д. О., Мамасуев Д. М., 2015

^^^^^^^^^^електрорух В. Для зменшення маси i габаритiв трансформатора вш виконуеться на пiдвищену частоту (1000 Гц).

Напруга контактно! мережi перетворюеться в однофазну змiнну напругу вхщним трирiвне-вим iнвертором, який включае в себе чотири транзистори i3 зворотними дiодами, конденса-тори та iншi елементи. Транзистори вмикають-ся по два послщовно в кожному плечi вхiдного iнвертора. Напруга мiж ними розподiляеться за допомогою вхщних конденсаторiв, точка з'еднання яких за допомогою дiодiв сполуча-еться з точками з'еднання одного з шшим тран-зисторiв.

Змiнна напруга одше! вторинно! обмотки випрямляеться випрямлячем VD1 i живить трифазний А1Н, який в свою чергу живить три-фазною напругою 380 В, 50 Гц вщповщш спо-живачi. Напруга друго! вторинно! обмотки трансформатора випрямляеться i живить спожива-чi напругою 110 В.

Така конфиуращя схеми дозволяе викорис-товувати в перетворювачi силовi прилади бiльш

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Пронин М. В. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / М. В. Пронин, А. Г. Воронцов, Е. А Крутикова. - СПб: «Электросила», 2003. - 172 с.

2. Забарило Д. О. Принципи побудови силових схем багатосистемних електровоз1в нового поколшня / Д. О. Забарило // Локомотив-информ. - Х., 2013. - №8 (86). - С.4-12.

3. Висин Н. Г. Повышение надежности работы систем автоматического управления электропоездов: Монография / Н. Г. Висин, Б. Т. Власенко, Д. А. Забарило/ - Дн-вск: Изд-во Маковецкий, 2012. - 256 с.

4. Литовченко В. В.Особенности тягового привода электропоезда ЭД6 / В. В. Литовченко, В. А. Шаров, О. Б. Баранцев, Е. В. Корзина // Локомотив. - 2002. -№8. - С. 17-19.

5. Сиротинкин С. Б. Знакомьтесь: электропоезд ЭД6 / С. Б. Сиротинктн, М. В. Куприянов // Локомотив. - 2001. - №7. - С. 40-42.

6. Steiner M. Medium frequency topology in railway applications / M. Steiner, H. Reinold // Power Electronics and Applications. - Aalborg, 2-5 Sept, 2007. -. P 1-10.

7. Hoffman H. High voltage IGBTs and medium frequency transformer in DC-DC converters for railway applications / H. Hoffman H., B. Piepenbreier // Power Electronics Drive Automation and Motion (SPEEDAM) - Pisa, 14-16 June, 2010. - P. 744-749.

Надшшла до друку 01.12.2012.

низького класу та зменшити масу i габарити трансформатора власних потреб.

Висновки

1. Серед ддачих схем перетворювачiв влас-них потреб електропо!здiв з асинхронним тяго-вим приводом найбшьш широко використову-еться схема з «по!зною шиною живлення». За-стосування тако! схеми дозволяе реалiзувати живлення допомiжних машин та шших при-стро!в вщ шдивщуальних iнверторiв, що дае можливють регулювати потужнють окремих допомiжних машин. При цьому в шверторах використовуються прилади вщносно низького (9...12) класу.

2. Застосування схеми перетворювача влас-них потреб з використанням промiжного трансформатора тдвищено! частоти дозволить зни-зити масо-габаритнi показники перетворювача та його вартють в цшому. Тому схеми подiбно! концепцi! можна вважати найбшьш перспекти-вними.

REFERENCES

1. Pronin M. V., Vorontsov A. G., Krutyakova E. A Silovyie polnostyu upravlyaemyie poluprovodnikovyie preobrazovateli (modelirovanie i raschet) [Power fully controllable semiconductor converters (modeling and calculation)]. SPb, «Elektrosila» Publ., 2003. 172 p.

2. Zabarilo D. O. Printsipi pobudovi silovih shem bagatosistemnih elektrovozIv novogo pokollnnya [Constructions principles of power circuits of new generation multi systems electric locomotive] Lokomotiv-inform -Locomotive-inform, 2013, vol. 8 (86), pp. 4-12.

3. Visin N. G., Vlasenko B. T., Zabarilo D. A. Povy-ishenie nadezhnosti rabotyi sistem avtomaticheskogo up-ravleniya elektropoezdov [Improving the reliability of trains automatic control systems]. Dn-vsk: Izd-vo Ma-kovetskiy, 2012. 256 p.

4. Litovchenko V. V., Sharov V. A., Barantsev O. B., Korzina E. V. Osobennosti tyagovogo privoda elektro-poezda ED6 [Features of traction drive of train ED6]. Lokomotiv - Locomotive, 2002, vol. 8, pp. 17-19.

5. Sirotinkin S. B., Kupriyanov M. V. Znakomtes: el-ektropoezd ED6 [Meet train ED6]. Lokomotiv - Locomotive,, 2001, vol. 7, pp. 40-42.

6. Steiner M., Reinold H. Medium frequency topology in railway applications / Power Electronics and Applications. - Aalborg, 2-5 Sept, 2007. -. P 1-10.

7. Hoffman H., Piepenbreier B. High voltage IGBTs and medium frequency transformer in DC-DC converters for railway applications / Power Electronics Drive Automation and Motion (SPEEDAM) - Pisa, 14-16 June, 2010. - P. 744-749.

Внутршнш рецензентАфанасов А. М. Зовтшнш рецензентAndpienKo П. Д.

Визначено рацюнальну структуру схеми перетворювача власних потреб електропоТзда з асинхронним тяговим приводом для залiзниць УкраТни. Внаслщок проведеного аналiзу були визначен такi основнi структури перетво-

© Забарило Д. О., Мамасуев Д. М., 2015

рювачiв власних потреб: схема з застосуванням вхщного чоперу, схема прямого пщключення однофазного автономного iнвертора, схема прямого пщключення трифазного автономного Ывертора. Встановлено, що найбiльш ра-цюнальною структурою е схема прямого пщключення однофазного автономного Ывертора напруги. В таюй схемi для гальванiчноí розв'язки високовольтних кт з низьковольтними колами використовуеться трансформатор пщ-вищено' частоти. В якостi перетворювача можна використовувати резонансний iнвертор або трирiвневий Ывертор напруги. Застосування тако' структури дозволить знизити масу i об'ем перетворювача власних потреб, а викорис-тання трирiвневого iнвертора дасть можливiсть знизити клас силових напiвпровiдникових приладiв i вiдповiдно, вартiсть перетворювача.

Ключовi слова: електропо'зд, асинхронний привод, перетворювач власних потреб, трансформатор пщвищено' частоти, автономний Ывертор напруги, допомiжнi машини, резонансний конвертор.

УДК 629.423.2:621.313.333

Д. А. ЗАБАРИЛО, Д. Н. МАМАСУЕВ (ДНУЖТ)

Каф. «Электроподвижной состав железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, 49010 Днепропетровск, Украина, тел.+38(063)446 - 77 - 38, эл. почта [email protected], ОЯСЮ 0000-0002-6206-0012, 0000-0003-0313-7574

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ

Определена рациональная структура схемы преобразователя собственных нужд электропоезда с асинхронным тяговым приводом для железных дорог Украины. В результате выполненного анализа были определены такие основные структуры: схема с применением входного чопера, схема прямого подключения однофазного автономного инвертора, схема прямого подключения трехфазного автономного инвертора. Установлено, что наиболее рациональной структурой является схема прямого подключения однофазного автономного инвертора напряжения. В такой схеме для гальванической развязки высоковольтных цепей с низковольтными цепями используется трансформатор повышенной частоты. В качестве преобразователя можно использовать резонансный инвертор либо трехуровневый инвертор напряжения. Применение такой позволит снизить массу и объем преобразователя собственных нужд, а использование трехуровневого инвертора даст возможность снизить класс силовых полупроводниковых приборов и соответственно, стоимость преобразователя.

Ключевые слова: электропоезд, асинхронный привод, преобразователь собственных нужд, трансформатор повышенной частоты, автономный инвертор напряжения, вспомогательные машины, резонансный конвертор.

UDC 629.423.2:621.313.333

D. A. ZABARILO, D. N. MAMASUJEV (DNURT)

Department «Electric rolling stock of railways» of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after V. Lazaryan, Lazaryana street 2, 49010 Dnipropetrovsk, Ukraine, tel.+38(056)373 - 15 - 04, E-mail [email protected], ORCID 0000-0002-6206-0012, 0000-0003-0313-7574

CONSTRUCTION PRINCIPLES OF ELECTRIC CIRCUIT OF AUXILIARY CONVERTER OF TRAIN WITH ASYNCHRONOUS TRACTION DRIVE

The rational structure of the converter circuit auxiliary electric with asynchronous traction drive for the railways of Ukraine was determined. As a result of the analysis was to determine the main structure of the circuit using the input choppers, the circuit directly connecting single-phase autonomous inverter, circuit directly connecting the three-phase autonomous inverter. Found that the most rational structure is the circuit of direct connection of single-phase voltage inverter autonomous. In such a circuit for electrical isolation of high voltage circuits with low-voltage circuits using high frequency transformer. As the converter can be used resonance inverter or three-level voltage inverter. Applying this will reduce the weight and volume of auxiliary inverter, and the use of a three-level inverter will enable to reduce the class of power semiconductor devices, and accordingly, the cost of the converter.

Keywords: train, asynchronous drive, auxiliary converter, high frequency transformer, autonomous voltage inverter, auxiliary machines, resonant converter.

Внутренний рецензент Афанасов А. М.

Внешний рецензент Андриенко П. Д.

Internal reviewer Afanasov A. M.

External reviewer Andrienko P. D.

© Забарило Д. О., Мамасуев Д. М., 2015