Содержание материала

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА с асинхронным тяговым двигателем

Основные требования к преобразователям частоты

Преобразователи частоты, устанавливаемые на ЭПС, служат для согласования параметров электрической энергии первичных источников с параметрами электрической энергии на зажимах тяговых двигателей. Исходя из этого можно сформулировать требования к преобразователям частоты электроподвижного состава с асинхронным тяговым двигателем.
Для возможности реализации тяговым двигателем любой характеристики в областях, ограниченных предельными тяговой и тормозной характеристиками, преобразователь должен обеспечивать независимое регулирование частоты тока статора асинхронного тягового двигателя в диапазоне от 0,5—1,0 Гц до 100—150 Гц и амплитуды первой гармоники напряжения на обмотках двигателя от минимальной, близкой к нулю, до максимальной, равной или превосходящей номинальное напряжение на статоре.
Преобразователь должен обеспечивать работу асинхронных тяговых двигателей в режимах тяги и электрического рекуперативного, реостатного или рекуперативно-реостатного торможения во всем диапазоне изменения скоростей движения. При этом переход от одного режима работы к другому не должен сопровождаться скачкообразными изменениями сил, действующих на поезд.
Достижение высоких динамических показателей привода требует, чтобы быстродействие преобразователей было на порядок больше, чем скорость протекания электромагнитных процессов в асинхронном тяговом двигателе, а для реализации предельных по условиям сцепления колес с рельсами сил тяги (торможения) преобразователь должен выдерживать кратковременные перегрузки по току.
Работоспособность преобразователя должна сохраняться при значительных колебаниях напряжения в контактной сети и цепях управления, в широком диапазоне изменения окружающей температуры (от — 50 до + 50 0 С) и влажности воздуха.
Исходя из условий размещения на ЭПС габаритные размеры и масса преобразователя должны быть такими, чтобы обеспечить его размещение в кузове электровоза или подвагонном пространстве электропоезда.
Преобразование параметров электрической энергии полупроводниковыми преобразователями частоты происходит в результате быстрых, практически мгновенных, переключений в электрической цепи. Это приводит к тому, что формы токов и напряжений на выходе преобразователя могут существенно отличаться от синусоидальных. Дискретность процессов преобразования вызывает значительные пульсации электромагнитного момента асинхронного тягового двигателя, а импульсный характер потребления мощности от источника первичного электроснабжения оказывает мешающее влияние на другие потребители, а также устройства СЦБ и связи. Поэтому преобразователи частоты должны обеспечивать такую форму напряжения или тока на асинхронном тяговом двигателе, которые не приводили бы к значительному возрастанию потерь в двигателе, исключали динамические нагрузки на механическую передачу привода. Скорость нарастания напряжения на обмотках двигателя должна быть ограничена, так как от этого существенно зависит процесс старения изоляции.
Преобразователь не должен вызывать в питающей сети искажений тока и напряжения выше регламентируемых нормативами уровней и оказывать мешающее влияние на устройства СЦБ и связи, а уровень генерируемых радиопомех не должен превышать нормы.
Энергетические показатели тягового привода с асинхронными двигателями, КПД, а при питании от контактной сети переменного тока и коэффициент мощности должны быть не хуже, чем соответствующие параметры тягового привода с коллекторными двигателями.
Преобразователь частоты снабжают устройствами защиты от аварийных режимов, устройствами контроля и диагностики; он должен обладать хорошей ремонтопригодностью и иметь удовлетворяющие требованиям эксплуатации показатели надежности.
Возможность удовлетворения указанным требованиям зависит от элементной базы, конструктивного исполнения и в первую очередь от структурной схемы преобразователя частоты.

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.
В соответствии с приведенной структурной схемой преобразования электрической энергии на ЭПС с асинхронным тяговым двигателем источниками электрической энергии могут являться контактная сеть постоянного тока напряжением 600—750 В (1.1— 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, 162/3 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 асинхронным тяговым двигателем 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 асинхронных тяговых двигателей.
схемы преобразователей частоты для ЭПС с АТД
Рис. 3.1. Структурные схемы преобразователей частоты для ЭПС с асинхронным тяговым двигателем: 1.1—600 В (750 В); 1.2 -1500 В; 1.3 - 3000 В; 1.4-15 кВ. 1.6 -Гц; 1.5—15 кВ. 50 Гц; 1.6- 25 кВ, 50 Гц: 2.1 — 2,5-преобразователь; 2.2 — l-S- преобразователь; 2.3 — прерыватель; 2.4 — прерыватель с рекуперативным торможением; 2.5 — 4-5-пребразователь; 2.6 — 2--преобразователь; 2.7 — импульсный выпрямитель; 2.S — импульсный ВИП; 2.9 — выпрямитель с фазовым управлением; 2.10 — выпрямитель с секторным управлением; 3.1 —С-фильтр; 3.2 — фильтр; 4.1 — АИН; 4.2 — АИТ

Входные преобразователи наряду с функциями согласования по параметрам электрической энергии источников первичного электроснабжения 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 (1q-S) и двухквадрантный (2q-S) преобразователи (см. 2.1 и 2.2 на рис. 3.1). Особенностью преобразователей S (рис. 3.2, а и б) является включение импульсного прерывателя ИП (ИП1) параллельно входным зажимам после входного реактора LbX и отсекающего диода VD1 между входным реактором и конденсатором фильтра СВыХ промежуточного звена постоянного напряжения. При таком исполнении преобразователя напряжение на его выходе. Регулирование выходного напряжения осуществляется путем периодического включения и выключения ИП (ИП1), что позволяет стабилизировать его при изменяющемся входном напряжении. Преобразователь 1q-S (см. рис. 3.2, а) обеспечивает только одностороннюю передачу энергии от входных зажимов к выходным, что является его недостатком. Указанный недостаток устранен в преобразователе 2q-S путем включения дополнительных импульсного прерывателя ИП2 и диода VD2 (см. рис. 3.2, б). При этом передача электроэнергии от входных зажимов к выходным осуществляется через диод VDI, а ее регулирование — прерывателем ИП1. Обратная передача электроэнергии производится через прерыватель ИП2, а диод VD2 играет роль нулевого.
Преобразователи постоянного тока (см. 2.3 и 2.4 на рис. 3.1) используются на ЭПС с асинхронным тяговым двигателем 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.

Рис. 3.2. Схемы входных преобразователей постоянного напряжения:
а — одноквадрантный; б — двухквадрантный


Рис. 3.3. Схемы входных преобразователей постоянного тока:
а — прерыватель; б — прерыватель с рекуперативным торможением

Входные преобразователи постоянного тока выполняются в виде импульсных прерывателей ИП, которые включаются между входным Свх-фильтром и реактором промежуточного звена LBЫX (рис. 3.3, а). Нулевой диод VD1 обеспечивает протекание тока  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 VD2 (рис. 3.3, б) и контактор К. Это позволяет при его разомкнутом контакте осуществлять режим рекуперативного торможения, причем направление тока  в реакторе промежуточного звена LBЫX 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.
На ЭПС, получающем питание от 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 (4q-S), двухквадрантный (2q-S) преобразователи (см. 2.5 и 2.6 на рис. 3.1), а также выпрямители с фазовым управлением 2.9. При этом преобразователи 4q-S и 2q-S обеспечивают, как правило, стабилизацию напряжения на промежуточном звене в виде С-фильтра. Выпрямитель с фазовым управлением обычно нагружен на LC-фильтр промежуточного звена и может обеспечивать как стабилизацию постоянного напряжения, так и его регулирование.
Преобразователь 4q-S может быть получен из двух преобразователей 2q-S (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 коммутации ИП1 — ИП4 и диоды VD1 — VD4 выполняют те же функции, что аналогичные элементы в схеме рис. 3.2, а, б.
Схема преобразователя 2q-S переменного напряжения (рис. 3.4, б) отличается от преобразователя 4q-S отсутствием двух тиристорных ключей, что исключает возможность использования преобразователя 2q-S в режиме рекуперативного торможения. Преобразователи 2q-S и 4q-S обеспечивают формирование на зажимах переменного тока импульсно-модулированного переменного напряжения с частотой, равной частоте напряжения в контактной сети. При этом в преобразователе 4q-S осуществляется двухполярная двусторонняя широтно-импульсная модуляция напряжения, а в преобразователе     2 q-S — однополярная двусторонняя 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 С2-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 многозонными 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.

Рис. 3.4. Схемы входных преобразователей напряжения ЭПС переменного тока:
а —Aq~S\ б — 2q-S
Импульсный выпрямитель (рис. 3.5) представляет сложный преобразователь, состоящий из однофазного мостового выпрямителя на диодах VD1 — VD4, преобразователя 1q-S постоянного напряжения (прерыватель ИП1 и диод VD5) и преобразователя постоянного тока (прерыватель ИП2 и диод VD6).

Рнс. 3.5. Схема импульсного выпрямителя

Рис. 3.6. Упрощенная схема импульсного выпрямительно-ниверторного преобразователя
На входе выпрямителя включен реактор LBX, 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.
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 асинхронных тяговых двигателей, снижения обратного воздействия асинхронных тяговых двигателей 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-фильтры) или как звено постоянного тока.
В некоторых случаях (при питании от контактной сети постоянного тока) входной преобразователь в структуре преобразователя частоты может отсутствовать, и тогда промежуточное звено в виде LC- фильтра выполняет одновременно и роль входного фильтра.
Выходные преобразователи осуществляют функции изменения параметров электроэнергии промежуточного звена и обеспечивают питание асинхронного тягового двигателя 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 асинхронным тяговым двигателем 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, зашунтированные 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— асинхронных тяговых двигателей.
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 асинхронного тягового двигателя. 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 на ЭПС переменного тока не требуются дополнительные устройства для осуществления генераторного режима асинхронного тягового двигателя.