статические преобразователи в системе

МПС России

Московский Государственный Университет

путей сообщения

/ МИИТ /

РЕФЕРАТ

Статические преобразователи в системе

электрической тяги.

Выполнил:
выпускник кафедры “Электрическая тяга“
Данилов Д. К.

Принял:
профессор
Иньков Ю.М.

Москва - 1998

Вопрос экономии энергии в системе электриче­ской тяги приобретает все большую остроту. Возмож­ности снижения ее затрат изыскиваются, как на тя­го­вом подвижном составе, так и в системе электро­снабжения. Важным ша­гом, в этом направления яви­лось внедрение надежных и экономичных стати­ческих преобразователей в качестве тяговых на электровозах и электропоез­дах, а за­тем и в системе тягового электроснабжения для стыкования систем электро­снабжения промышленной частоты стяговы­ми сетями, использую­щими час­тоту 16 2/3 Гц.

Уже около 20 лет ведутся интенсивные разработки в области статических преобразователей, предназна­ченных для питания трехфазных тяговых двига­те­лей. Эта техника дает большой технический и экономиче­ский эффект. На се­го­дняшний день разработки, в этой области достигли такого уровня, что боль­шая часть нового тягового подвижного состава, разрабатывае­мого в странах Западной Европы, оборудуется этими преобразователями.

Ниже рассмотрены преобразователи, используе­мые только с асинхрон­ными трехфазными тяговыми двигателями, поскольку им при сравнении с синхрон­ными чаще отдается предпочтение.

Асинхронная машина интересна в качестве тяго­вого двигателя, прежде всего потому, что трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — это наиболее простая, легкая и надежная электри­ческая машина. Кроме подшипников в ней нет изна­шивающихся частей. Она нечувствительна к меха­ническим воздействиям, загрязнению и снегу.

Поскольку эта машина не имеет коллектора, огра­ничивающего частоту вра­щения ротора, современные асинхронные тяговые двигатели мощностью по­рядка 1000 кВт имеют максимальную частоту вращения 4000 об/мин (у дви­гателей постоянного тока 2500 об/мин). Для пригородного тягового подвиж­но­го состава разработаны еще более высокооборотные тяго­вые двигатели с максимальной частотой враще­ния до 6000 об/мин. При этом окружная ско­рость ро­тора достигает 70-80 м/с, в то время как для двигателей постоянного тока коллектор ограничивает этот показатель величиной 50 м/с.

Это наглядно подтверждается табл. 1, в которой, сопоставлены электри­че­ские параметры и размеры тяговых двигателей электровозов серий Е 103 (кол­лекторные двигатели) и Е 121 (асинхронные трехфаз­ные). Хотя двигатель по­следнего мощнее на 30 %, его масса ниже на 25 % и объем тоже заметно меньше. Отсюда следует, что поезд Eurosprinter мощнос­тью 6400 кВт с кол­лек­торными двигателями реали­зовать было бы невозможно.

Сравнение параметров коллекторного и трехфазного асинхрон­ного

тяговых двигателей.

Асинхронные двигатели не подвержены опаснос­ти загорания при непод­вижном роторе. Современ­ный тяговый преобразователь, являющийся своего рода электронным коллектором, при правильно выбранных параметрах не­чувствителен к эксплуата­ции с низкими частотами вращения, необходимыми для трогания с места тяжеловесных поездов. Един­ственное обязательное усло­вие при этом — доста­точная вентиляция двигателя. Дополнительные дос­тоин­ства дает сочетание этого двигателя с современ­ным преобразователем на ти­ристорах, и в частности на запираемых:

простейшая реализация рекуперативного тормо­жения;

возможность работы с большим диапазоном ос­лабления поля без дополни­тельных аппаратных зат­рат,

использование в сочетании с современным быстродействующим регулиро­ва­нием жесткой механи­ческой характеристики тяговых двигателей для реали­зации эффективной защиты от боксования и юза.

Для питания тяговых двигателей в последние го­ды во всем мире стали ши­роко использоваться так называемые преобразователи с промежуточным зве­ном постоянного напряжения. Это явилось следствием разработки запирае­мых тиристоров, значительно упростивших коммутационные устрой­ства си­ловой цепи. Такой преобразователь (рис. 1) состоит из включенного со сто­роны двигателя импульсного инвертора, который создает трехфазную сис­тему для питания тяговых двигателей, и включенного со стороны сети регуля­тора, который питает инвертор более или менее постоянным напряжением. Оба звена связаны промежуточным звеном постоянного напря­жения, пред­став­ляющим собой батарею конденсато­ров большой емкости. Благодаря вы­сокой мощности запираемых тиристоров (рабочее напряжение серий­ных вен­тилей составляет 4500 В, максимальный от­ключаемый ток 4000 А) могут быть реа­лизованы практически любые встречающиеся на электропоез­дах мощности без параллельного или последователь­ного соединения вентилей. В связи с этим в боль­шинстве случаев применяются простейшие импульс­ные инверторы — с двухточечной схемой.

Схема включенного со стороны сети регулятора зависит от рода тока в кон­тактной сети. На линиях, электрифицированных на переменном токе, к этим регуляторам предъявляются следующие общие тре­бования:

энергообмен с контактной сетью должен происхо­дить при cos , близком к единице;

уровень гармонических составляющих должен быть минимальным, т. е.

= 1;

переход от потребления энергии из сети к ее возврату в сеть (от режима тяги к режиму рекуператив­ного торможения) должен происходить плавно и бес­контактно.

Этим требованиям отвечает четырехквадрантный регулятор (4QS), показан­ный на рис. 2. Фактически он представляет собой однофазный инвертор, кото­рый со стороны переменного тока через дроссель, реализуемый обычно за счет высокой индуктивности рассеяния трансформатора, соединяется с контакт­ной сетью, а со стороны постоянного тока — с конденсатором звена постоянного напряжения. В преоб­разователях, собранных на запираемых тиристорах, вы­бирается тактовая частота до 350 Гц, так что для сетей с частотой 50 Гц имеет место максимум семи­кратная подача тактовых импульсов за период. В сетях частотой 16 2/3 Гц работают преобразователи с 15-19-кратной подачей такто-­

Рис. 1. Тяговый преобразователь с промежуточным звеном

постоянного напряжения

Рис.2. Четырехквадрантный регулятор

вых импульсов. По­скольку регулятор 4QS является автономным инвер­тором, при отключении напряжения сети во время рекуперативного торможе­ния не возникают комму­тационные токи короткого замыкания, как это имеет место в обычных инверторах, ведомых сетью. Это значит, что на линиях пере­менного тока режим рекуперативного торможения реализуется относительно просто и без какой-либо дополнительной защиты.

Наряду с высшими гармониками, которые возникают под действием так­то­вых импульсов регулятора 4QS в контактной сети и на конденсаторах про­ме­жуточного звена постоянного напряжения, при передаче мощности на сто­рону постоянного напряжения генерируется вторая гармоника сетевой час­тоты, имеющая большой уровень. Для ее ограничения параллельно конденса­торам промежуточного звена включают поглощающую цепочку. Поскольку необхо­димые для этого схемные элементы (дроссели и конденсаторы) имеют до­вольно большую массу, возникла необходимость отказаться от этой цепи и ис­ключить влияние второй гармоники на импульсный инвертор и тяговые дви­гатели соответствующим ре­гулированием. Этот метод, получивший назва­ние Beat-Control, был испытан фирмой Siemens в Японии на новом поезде се­рии Е 501 городской железной до­роги компании JR-East. Результаты испыта­ний ока­зались положительными.

На линиях, электрифицированных на постоянном токе, при достаточной электрической прочности си­ловых вентилей импульсный инвертор присоеди­ня­ется через индуктивно-емкостный фильтр непос­редственно к контактной сети. Из опыта эксплуата­ции тиристорных преобразователей известно, что при таком подключении необходим коэффициент за­паса по электрической прочности, равный трем. Ес­ли перенести его на технику запираемых тиристо­ров, то инвертор на таких вентилях, имеющих рабочее напряжение 4,5 кВ, мо­жет подключаться к контакт­ной сети с напряжением до 1500 В.

Подобное подключение для преобразователей на обычных тиристорах невоз­можно, поскольку дей­ствие используемых в этом случае коммутирующих це­почек зависит от напряжения контактной сети, ко­торое может колебаться в определенных пределах. При наличии запираемых тиристоров процесс от­клю­чения выполняется через управляющий элект­род, т. е. независимо от на­пряже­ния в контактной сети. При непосредственном подключении преобра­зователя к контактной сети значительно снижаются затраты.

На линиях постоянного тока напряжением 3000 В при заданном коэффи­циенте запаса по электричес­кой прочности на каждую ветвь инвертора необ­хо­димы два последовательно соединенных запираемых тиристора с рабочим напряже­нием 4,5 кВ. Посколь­ку непосредственное последовательное соедине­ние этих вентилей проблематично из-за очень быстрых коммутационных про­цессов, нужно было искать другие оригинальные решения.

Все предложения сводились к делению напряже­ния между двумя последо­ва­тельно включенными вентилями с помощью мощного входного фильтра или конденсаторов промежуточного звена. Для это­го, например, в так назы­ваемых трехточечных ин­верторах конденсаторы входного фильтра разделе­ны на две параллельные группы, а их средняя точка через диод соединена со сред­ней точкой двух после­довательно включенных запираемых тиристоров (рис. 3). Благодаря наличию двух больших групп конденсаторов, каждая из кото­рых включена парал­лельно одному из запираемых тиристоров и заряжа­ется в среднем только на половину напряжения контактной сети, включения и от­ключения обоих за­пираемых тиристоров не могут происходить одно­временно. Включенные параллельно вентилям конденсато­ры удерживают примерно по­стоянным напряжение на них в течение периода, длительного по сравнению с временем включения, поэтому процессы коммута­ции обоих вентилей можно замедлять, чтобы полу­чать на выходе преобразователя качественное трехфаз­ное напряжение. Кривые напряжения в этом случае имеют значи­тельно меньше высших гармо­ник, чем на выходе двухточечного инвертора, что в итоге ведет к меньшим потерям в двигателях и сни­жению уровня излу­чаемого ими шума. Недостатком трехточечной схемы являются более высокие затра­ты на запираемые тиристоры (примерно в 2 раза), чем у двухточечного инвер­тора.

С точки зрения затрат более предпочтительны ре­шения с входным регуля­тором, который выдает в промежуточное звено качественное напряжение пи­тающее более простой двухточечный инвертор. Таким регулятором может быть так называемый двухступенчатый прерыватель постоянного тока (ИППТ), показанный на рис. 4. Здесь конденсатор сетевого фильтра разбит на две части, и средняя точ­ка через диоды соединяется со средней точкой после­-

Рис.3. Фаза трехточечного инвертора

Рис.4. Двухступенчатый импульсный прерыватель постоянного тока

довательно включенных запираемых тиристоров. Если оба тиристора управ­ляются сетевым напряжением, то частота, воздействующая на промежу­точ­ный контур, может быть удвоена и колебания напря­жения соответственно умень­шатся в 2 раза. Это сни­жает стоимость дросселя промежуточного звена на 25 % по сравнению с ее величиной в обычном ре­жиме работы ИППТ. Бла­годаря антипараллсльно включенным вентилям можно возвращать в контак­тную сеть энергию при рекуперативном торможе­нии. Тем самым здесь (как ив слу­чае 4QS) обеспе­чивается возможность плавного перехода от режима тяги к ре­жиму рекуперативного торможения.

В мощных электровозах, у которых для каждого двигателя предусмотрен от­дельный инвертор, деле­ние напряжения можно выполнять тоже с помощью конденсаторов промежуточного звена постоянного 'напряжения (рис. 5). При этом параллельно каждому из двух конденсаторов подключается двухквад­рант­ный регулятор 2QS. Два таких регулятора соединя­ются между собой через дроссели.

Если исходить из того, что напряжение, приходя­щееся на один конденса­тор, меньше, чем в контакт­ной сети, то при открытых тиристорах GT01
и GT04
конденсаторы Сд и Сд оказываются включен­ными параллельно вход­ному фильтру или контакт­ной сети. Ток в дросселях L1
и L2
при этом увели­чива­ется. Если тиристоры запираются, то ток течет через диоды VD2
и VD3.
При этом конденсаторы Сд и Сд оказываются включенными последователь­но, и ток в дросселях L1
и L 2
снижается.

Благодаря соответствующему выбору моментов коммутации вентилей напря­жение промежуточной цепи удерживается стабильным и не зависящим от ко­лебаний напряжения в контактной сети. В режиме рекуперативного тор­може­ния отпираются тиристо­ры GT02
и GT03,
что влечет за собой последова­тель­ное соединение двух конденсаторов промежу­точного звена постоянного на­пряжения. При этом ток в дросселях L1
и L2
растет. После запирания тири­сторов 2 и 3
ток течет через диоды VD1
и VD4,
при­чем теперь конденсаторы оказываются включен­ными параллельно.

Из сказанного следует, что для тягового привода электропоездов могут ис­пользоваться три вида пре­образователей. В табл. 2 обобщены варианты вклю­чения с учетом различных случаев использования.

Таблица 2

Как видно из приведенных схем (см. рис. 1, 2, 4), все преобразователи со­стоят из одинаковых блоков, так называемых фазовых модулей. Каждый из них содержит два последовательно включенных запирае­мых тиристора с ан­типа­раллельно соединенными с ними диодами. Такой принцип позволяет легко стан­дартизировать все схемы преобразователей, причем это дало бы следую­щие преимущества, если сравни­вать с традиционными принципами компо­новки преобразователей:

универсальное применение в основных схемах преобразователей;

простую, с точки зрения проектировщика, конфи­гурацию, облегчающую мон­таж на различных типах подвижного состава для пригородного и дальнего со­общения;

оптимальную адаптацию к концепции и мощнос­ти тягового привода;

меньшую стоимость вследствие стандартизации и достаточно больших вы­пус­каемых серий;

удобство обслуживания благодаря простой заме­не небольших блоков;

уменьшение объемов складского хранения запас­ных частей.

Наряду с силовыми вентилями в каждом модуле имеются схемные эле­менты, ограничивающие ком­мутационные перенапряжения, а также блок управ­ления запираемыми тиристорами, в котором генерируются отпирающие и запираю­щие импульсы управления. Чтобы перекрывался весь диапазон мощностей, блок управления должен быть рассчитан на величину тока в им­пульсе до 1000 А с крутизной переднего фронта до 70 А/мкс. Для соединения бло­ка управле­ния с прибором регулирования тягового привода применяют медные провода или световоды. Поскольку напряжения аккумулятор­ных ба­тарей в разных ти­пах электропоездов различны, блок управ­ления тири­сто­рами выполняется в расчете на рабо­чие напряжения от 24 до 110В.

Для обеспечения возможности максимального ис­пользования качеств за­пи­раемых тиристоров боль­шое значение имеет выбор гасящих цепочек. Как пра­вило, используют одну из двух схем, а именно асимметричную схему Мар­квардта (рис. 6) или сим­метричную Вагнера (рис. 7). Первая из них характе­ри­зуется малыми потерями, низкими коммутацион­ными перенапряжениями и относительно большим накопительным конденсатором (последнее качество является недостатком). Вторая схема имеет неболь­шой конденсатор и, следо­вательно, малый монтаж­ный объем. В то же время для обеспечения таких же, как в первой схеме, малых значений коммутацион­ных перенапряжений в ней, а также и во всем модуле Должны использоваться низкоиндуктивные соедине­ния. Это требование относится также и к соедине­нию модуля с промежуточ­ным звеном постоянного напряжения. В симметричной схеме для каждой фазы необходимо отдельное гасящее сопротивление, а в асимметричной схеме для всех фаз используется одно общее.

Поскольку в технике тягового привода электро­поездов используется диа­пазон мощностей от 100 до 3000 кВт, было бы неэкономичным применять во всех случаях только один типоразмер модуля. В свя­зи с этим были разрабо­таны три фазовых модуля на выключаемых тиристорах, различающиеся кон­ст­рук­цией и системой охлаждения. Для нижнего диа­пазона мощностей пред­назна­чен модуль с воздуш­ным охлаждением, укомплектованный запираемыми ти­ристорами с рабочим током 3000 А и напряжением 2,5 или 4 кВ. В нем сило­вые вентили через теплопроводящие, но электроизолирующие керамические диски закреплены на охлаждающей плите, другая сторона которой обдувается охлаждающим возду­хом. В качестве гасящей схемы здесь выбрана асиммет­ричная. Все ее элементы, за исключением гасяще­го сопротивления, которое смонтировано вне моду­ля, охлаждаются на той же плите. Блок управления ти­ристорами, состоящий из двух частей (управляю­щей и силовой), расположен над силовыми венти­лями.

Все внутреннее пространство модуля после мон­тажа в шкафу герметично отделяется от потока ох­лаждающего воздуха. Этот модуль может приме­няться

Рис.6. Фаза инвертора с асимметричной гасящей цепочкой

Рис.7. Фаза инвертора с симметричной гасящей цепочкой

в преобразователях с напряжением промежу­точного звена до 2400 В или с на­пряжением в кон­тактной сети постоянного тока 1500 В. Размеры модуля 270 х 330 х 850 мм (длина, высота, ширина), масса около 65 кг. Применяется он, главным обра­зом, в подвижном составе пригородного сообщения. Так, на­пример, им оборудованы новые поезда мет­рополитена в Сингапуре и поезд серии Е501 городс­кой железной дороги компании JR-East в Японии.

Для следующего, более высокого диапазона мощ­ностей разработан фазо­вый модуль с испаритель­ным охлаждением. Он в основном комплектуется за­пи­раемыми тиристорами с рабочим напряжением 4,5 кВ и коммутируемым то­ком 3 кА. В нем также использована асимметричная гасящая цепочка. Здесь все элементы силовой цепи смонтированы в герметично закрытом корпусе, выполненном из алю­миния, имеющем ребра охлаждения и крышку из эпок­сидной смолы с залитыми токовводами. Цель­ная, специально отформованная деталь из литого алюминия образует внутренний каркас модуля, на котором монтируются все элементы. В конце процес­са изготовления модуль под вакуу­мом заполняют хладагентом (около 17 кг), после чего он остается герметично закрытым. По сравнению с другими сис­темами охлаждения в используемой не требуются трубопроводы для подвода в ходе монтажа охлажда­ющей жидко­сти и соответствующие соединения и за­порная арматура. Охлаждение полно­стью автоном­но, причем здесь не требуется насос. В качестве ново­го хлада­гента использован фторуглеводород FC 72, не содержащий соединений хлора, разрушающих озоновый слой. Размеры модуля 380 х 309 х 630 мм, масса 95 кг. Он был разработан несколько лет назад. По состоянию на март 1995 г. было выпущено более 11 500 таких модулей. Они используются на поездах ICE 1, электровозах серии S 252 Государственных железных дорог Испании, на поез­дах городских же­лезных дорог Испании и Португалии, а также на всех тепло­возах фирмы General Motors с асинхрон­ным трехфазным приводом в Север­ной Америке.

Чтобы достичь еще больших мощностей при меньших объемах, в сле­дующем фазовом модуле ис­пользовали водяное охлаждение. В нем применена симмет­ричная гасящая цепочка, все элементы, вклю­чая гасящее сопротивле­ние, дрос­сели, ограничивающие броски тока, и блок управления тиристорами смонти­рованы в модуле и охлаждаются водой. В противоположность схеме с испари­тельным охлаж­дением, где все схемные элементы погружены в хла­дагент, при водяном охлаждении применяются миниатюрные цилиндриче­ские радиаторы, прижи­маемые к торцам таблеточных тиристоров или дио­дов. Оба радиатора, расположенные с двух сторон силового вентиля, соединены между собой трубками, обеспечивающими циркуляцию воды.

Поскольку в данном случае используется обыч­ная вода, все электрические элементы изолированы от радиаторов. У силовых вентилей это достигается за счет применения керамических шайб. В охлажда­ющем контуре вода сначала подводится к блоку уп­равления тиристорами, а затем по трем трубкам идет к силовым вентилям и дросселям, ограничиваю­щим броски тока. Далее вода вновь по одной трубке подводится к сопротивлению гасящей цепочки. Все фа­зовые модули в контуре охлаждения шкафа с преобразователем включены па­раллельно. Они размещены в литом алюминиевом корпусе с ин­тег­рированной системой распределения охлаждающей воды.

Электрически и механически весь модуль скомпо­нован так, что в нем мо­гут использоваться запирае­мые тиристоры с рабочим напряжением 4,5 кВ и от­ключаемым током до 4 кА. Модуль имеет разме­ры 450 х 415 х 312 мм и массу 70 кг. Его конструкция обеспечивает защиту всех элементов от загряз­нений (класс защиты IP 54). Два таких модуля (комплект­ных преобразователя) должны были испытывать на электровозе Eurosprinter. Ими же планировалось ос­настить мощный электровоз серии 1012 Федераль­ных железных дорог Авст­рии, высокоскоростные поезда ICE 2/2 и поезда системы InterCity DBAG с на­клоняемыми кузовами вагонов.

Помимо запираемых тиристоров, в тяговых пре­образователях электропо­ездов все чаще применяют силовые транзисторы. В нижнем диапазоне мощно­с­тей используют управляемые полевыми транзисто­рами биполярные транзи­сторы (IGBT), которые по сравнению с запираемыми тиристорами имеют сле­дующие преимущества:

незначительную мощность, затрачиваемую на уп­равление силовыми тран­зи­сторами;

низкие коммутационные потери, так что частота срабатываний может дос­ти­гать 2000 Гц;

возможность реализации защиты простыми сред­ствами.

Сегодня рынок предлагает модули на силовых транзисторах, рас­считанные на напряжения до 1600 В и токи до 1000 А. Все охлаждаемые эле­менты, модуля, как и в случае запираемых тиристоров, смонтированы на плите, которая на­прямую охлаж­дается воздухом или водой. Такой фазовый модуль применим до напряжений в промежуточной цепи 900 В или до напря­жения в контактной сети 750 В (постоянного тока). В этом секторе в ближай­шие го­ды следует ожи­дать дальнейшего прогресса. В лабо­раториях фирмы Siemens уже должны были испы­тываться модули на напряжение 3,5 кВ и ток 800 А. Можно ожи­дать, что область применения преобра­зователей с IGBT распространится и на диапазон бо­лее высоких мощностей.