CC BY
33Станислав РЕЗНИКОВ, д. т. н.
masha@stvision.ru
В системах электроснабжения новейших и перспективных транспортных средств с сетевым и автономно-генераторным электропитанием находят широкое применение статические преобразователи (инверторы и конверторы) с полупроводниковыми широтно-импульсными модуляторами (ШИМ). В железнодорожно-транспортных средствах с сетевым и дизель-генераторным электропитанием использование указанных преобразователей затруднено из-за относительно высокого напряжения контактной сети (±3-1,8 кВ) и больших импульсных коммутационных и молниевых перенапряжений (Цимп до 13 кВ).
Практически с помощью сглаживающего L-C-фильтра с приемлемыми массо-габаритными параметрами удается снизить величину импульсного перенапряжения до величины 7,5 кВ. Параметры современных мощных запираемых ЮСТ-тиристоров (например, производства фирмы АВВ) не позволяют превышать величину рабочего напряжения 1,75^2 кВ (при максимально допустимом напряжении 2,9-3 кВ). Поэтому необходимо использовать последовательное соединение не менее пяти тиристоров с энергонеэкономичными R-C-VD-цепочками для статического и динамического самовыравнивания напряжений на них при запирании.
При выборе схемы тягового понижающего конвертора помимо приемлемого КПД необходимо обеспечить обратимость преобразования для реализации рекуперативного торможения. Для этого в классическом варианте понадобится по меньшей мере удвоение
Универсальная система электроснабжения железнодорожно-транспортного средства
с сетевым и дизель-генераторным электропитанием
Предлагается универсальная система электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием, обладающая всеми преимуществами бесконтактного импульсного регулирования приводных электродвигателей переменного тока со всеми видами торможения, надежно защищенная от перенапряжений и сверхтоков, обеспечивающая вспомогательные потребители тремя уровнями постоянного напряжения и имеющая минимальные массу и габариты.
числа ЮСТ-тиристоров. Схема такого понижающего обратимого конвертора на базе двух высоковольтных (в/в) ШИМ с R-C-VD-вы-равнивающими цепочками показана на рис. 1 [1]. Можно применить схему на базе одного в/в ШИМ с теми же выравнивающими цепочками, но со вспомогательными восемью однооперационными в/в тиристорами (У81-8), четыре из которых включаются последовательно с силовой цепью в обоих (прямом и обратном) режимах (рис. 2) [2, 3]. Направления токов в режимах тяги и торможения раздельно показаны на рис. 1 и 2 различными цветными стрелками (сплошной — при нарастании тока в дросселе L в/в ШИМ, а пунктирной — при его спадании). Обе рассмотренные схемы имеют относительно низкий КПД, большую массу, недостаточно высокую надежность и высокую стоимость из-за пассивно-резистивного делителя напряжения.
В [1,4] предложен принципиально новый принцип обратимого активного деления напряжения (ОАДН) с так называемым «транспортированием заряда» (ТЗ) по ступеням емкостного делителя с помощью регулируемых обратимых ШИМ-конверторных ячеек. Основным режимом ОАДН является режим равномерного деления питающего напряжения за вычетом стабилизированного напряжения выходной ступени. В этом режиме регулируемые обратимые конверторные ячейки могут работать независимо друг от друга, выполняя единственную функцию — либо стабилизацию напряжения выходной ступени, либо выравнивание напряжений любых
двух смежных из остальных конденсаторов батареи. Причем нет необходимости в единой схеме управления и синхронизации, которая при наличии резко осциллирующих высоких потенциалов силовой схемы сильно подвержена проникновению внутрисистемных помех, приводящих к несанкционированным «сквозным сверхтокам» в полупроводниковых ключах и другим аварийным ситуациям.
Этот новый принцип позволяет реализовать и другие специальные режимы. Например, режим плавного обнуления напряжения на одном из конденсаторов перед бездуговой и безыскровой перекоммутацией нагрузки или режим «плавающего потенциала» в любой точке делителя, что, в свою очередь, при наличии двух или трех делителей позволяет реализовать безфильтровые однофазные или трехфазные инверторы синусоидального напряжения [1-6].
Единственным существенным недостатком всех вышеперечисленных устройств, равно как и других силовых электронных преобразователей с последовательным непосредственным подключением транзисторных или тиристорных пар к фильтровым конденсаторам, является относительно высокая вероятность «сквозных сверхтоков» из-за несанкционированного совместного отпирания ключей, особенно при малых длительностях межимпульсных пауз. В [7] предлагается между силовыми транзисторами каждой мостовой или полумостовой пары включать защитные дроссели, энергия которых вместе с энергией
Рис. 2. Схема понижающего обратимого конвертора на базе одного в/в ШИМ с R-C-VD-выравниваюш,ими цепочками
рассеяния выходного трансформатора, накопленные за время импульса, рекуперируется по его окончании во входной фильтровый конденсатор с помощью вспомогательных демпферно-коммутационных L-C-VD-цепочек (ДКЦ). В схемах ОАДН роль таких защитных дросселей могут играть основные дроссели ШИМ-конверторных ячеек, причем без рекуперативных вспомогательных ДКЦ.
На рис. 3 приведена разработанная авторами схема универсальной системы электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием.
Основное звено схемы — обратимый конвертор (OKj) на базе обратимого активного делителя напряжения (ОАДН) с ТЗ, состоящим из запираемых тиристоров (ЗТ1-6), дросселей (L[:5) с шунтирующими тиристорами, батареи конденсаторов (С1-6), зашунтиро-ванных варисторами, и обратных диодов. Питание ОК1 может осуществляться либо от контактной сети через токоприемник (ТП), активный быстродействующий выключатель (АБВ), силовой реактор (СР), зашунтирован-ный обратной тиристорно-диодной цепью (VS-VD), заземляющее устройство (ЗУ) и защитный диод (VDз), зашунтированный обратной схемой бездугового расцепления (СБР), либо от дизельно-генераторной силовой установки (СУ-Г) через шестифазный расщепленный управляемый выпрямитель (УВ12) с выходным напряжением 0±500 В, вакуумные выключатели (ВВ12) и индуктивный фильтр ^ф). С его помощью осуществляется питание всех бортовых потребителей, а также рекуперация энергии в сеть при торможении.
Приводной двигатель (ПД1), в качестве которого может использоваться асинхронный двигатель (АД) или бесщеточный двигатель постоянного тока (БДПТ), получает питание через регулируемый трехфазный инвертор (РТИ1) синусоидального напряжения с амплитудно-частотным управлением (АЧУ) на базе трех обратимых конверторных звеньев с плавающим потенциалом (ЗПП).
Питание остальных бортовых потребителей производится через нерегулируемый однофазный инвертор повышенной частоты (7 кГц) с демпферно-коммутационными цепочками (ДКЦ), понижающий трансформатор (Тр) и два неуправляемых выпрямителя (В1 и В2) с выходными напряжениями ±270 В и 0±55 В.
Резистивное (динамическое) торможение ПД1 осуществляется с помощью тормозного ШИМ-регулятора (VTt-Rt).
Рассмотрим вначале принцип действия одной стойки РТИ1 на базе пары транзисторов (VT12), конденсаторов (СА12), дросселя (LA) и обратных диодов. При равенстве напряжений на СА1 и СА2 потенциал фА их средней точки (фазы А) относительно заземляющего устройства (ЗУ) равен нулю. Используя для управления транзистором VT1 режим ШИМ с отрицательной обратной связью
Рис. 3. Схема универсальной системы электроснабжения железнодорожного транспортного средства с сетевым и дизель-генераторным электропитанием
и сравнением потенциала фА с синусоидальным программным генератором, можно обеспечить такую перекачку энергии из СА1 в СА2 и в нагрузку, при которой фА синусоидально повышается от 0 до потенциала верхней точки делителя С5-С6 (фшах). При этом иСА1 = 0. Затем УТ1 выключается, в режим ШИМ вступает УТ2, и потенциал фА синусоидально уменьшается от величины фтах до величины -фшах, при которой иСА2 = 0. После этого УТ2 выключается, а в режим ШИМ вновь вступает УТ1. Таким образом, потенциалы фА, фв и фс поддерживаются изменяющимися по законам:
Фа = Ф,шх®ІП^+70);
ФВ = Фтах8Ш
ФС = Фта*81П
2 71
®t + Yo + ^-
' 2пл
®t + Yo- —
/
где фтах(1), ю(1), у0(1) задаются программным генератором с учетом сигналов обратной связи от датчиков положения и скорости вращения вала приводного двигателя (ПД1), а также возможного перехода от режима тяги к режиму торможения.
В обратимом конверторе ОК1 каждая пара смежных звеньев работает аналогичным образом. Однако функцией ШИМ-запираемых тиристоров (ЗТ) является стабилизация напря-
жения на двух нижних звеньях С5 иС6 по 500 В, а также равномерное деление остального напряжения (иС — 500 В) между остальными четырьмя звеньями. Все дроссели ОК1, кроме двух крайних, зашунтированы однооперационными тиристорами ^$-5): каждый из них замыкает цепь того из двух смежных дросселей, который не участвует в ШИМ-регулиро-вании на данном промежутке времени. Цепи управления этими тиристорами существенно загрублены, чтобы практически исключить вероятность «сквозного» отпирания ЗТ и двух смежных с ним тиристоров одновременно.
Нерегулируемый однофазный инвертор (НОИ) содержит защитные дроссели ^ 2),
исключающие «сквозные сверхтоки» и демпферно-коммутационные цепочки (ДКЦ) для рекуперации энергии этих дросселей в фильтровые конденсаторы С5 и С6 ОК1.
Наличие тиристорно-диодного (VS-VD) шунтирования силового реактора (СР) исключает, с одной стороны, колебательное перенапряжение на батарее С1-5 при включении АБВ и при импульсном всплеске сетевого напряжения (иимп < 13 кВ) и перегрев диода (VD) из-за существенных пульсаций сетевого напряжения (до 10%, 300 Гц при шестипульсном выпрямлении на подстанции).
Защитный диод VDз в цепи ЗУ исключает разрядку емкостной батареи ОК1 на цепи короткого замыкания в данной или соседних секциях электротранспорта.
Заключение
Предложенная универсальная система электроснабжения железнодорожно-транспортного средства с сетевым и дизель-гене-раторным электропитанием обладает всеми преимуществами бесконтактного импульсного регулирования приводных электродвигателей переменного тока со всеми видами торможения, надежно защищена от перенапряжений и сверхтоков, обеспечивает вспомогательные потребители тремя уровнями постоянного напряжения и имеет минимальные массу и габариты. ■
Литература
1. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электроприводов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.
2. Резников С. Б. Самолетная система электроснабжения с распределенным преобразованием «переменная скорость — стабильная частота» // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 4.
3. Резников С., Гильбурд О. Системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконверторов // Силовая электроника. 2004. № 2.
4. Патент РФ на полезную модель № 33274 от 10.10.2003. Обратимый импульсный преобразователь постоянных напряжений. / Резников С. Б., Молочников А. Ю.
5. Резников С., Булеков В., Болдырев В., Бочаров В. Новый принцип обратимого выпрямительно-инверторного преобразования с ШИМ-кор-рекцией мощности // Силовая электроника. 2005. № 1, с. 84-86.
6. Резников С. Б. Самолетная система электроснабжения квазипостоянного повышенного напряжения // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 4, с. 62-67.
7. Резников С., Чуев Д. и др. Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно-коммутационными цепочками // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
