Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ базовых технических решений по электропитанию собственных нужд подвижного состава от контактного сети постоянного тока 15
1.1. Общие положения по электропитанию собственных нужд электропоездов 15
1.2. Функции импульсных преобразователей в системе электропитания вспомогательных (бортовых) нагрузок мотор-вагонного электроподвижного состава 16
1.3. Структурные схемы бортовых преобразовательных систем для электроподвижного состава постоянного тока 19
1.4. Импульсные преобразователи электроэнергии классического типа (импульсные преобразователи постоянного напряжения - ИППН) 25
1.4. Импульсные преобразователи электроэнергии классического типа (импульсные преобразователи постоянного напряжения - ИППН) 26
2. Анализ качественных структурных решений по электропитанию собственных нужд электропоездов постоянного тока 3000 в 33
2.1. Назначение систем бортового электроснабжения и возможности их реализации на базе полупроводниковых преобразователей 33
2.2. Анализ структурных схем преобразователей для питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока 40
2.3. Варианты структурных схем для питания бортовых цепей электропоездов типов ЭР1 и ЭР2 44
2.4. Источники питания бортовых цепей электропоездов, оборудованных системой рекуперативно-резисторного торможения 48
3. Анализ зарубежных решений по электропоездам постоянного тока (системы бортового электропитания) ...59
3.1. Сферы применения электрической тяги постоянного тока за рубежом 59
3.2. Полупроводниковые преобразователи для электропитания вспомогательных цепей пригородных электропоездов зарубежного производства 60
3.3. Статический преобразователь вспомогательных цепей электропоезда серии 481/482 городской железной дороги Берлина 74
3.4. Обобщение зарубежного опыта по преобразователям на силовых транзисторах 79
4. Анализ электромагнитных процессов и расчёт характеристик импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей 88
4.1. Энергетические процессы в обобщённой схеме преобразователя ...88
4.2. Преобразователь с понижением входного напряжения 91
4.3. Преобразователь с повышением входного напряжения 95
4.4. Универсальный преобразователь 100
4.5. Практические рекомендации по расчету импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей 102
5. Обоснование рекомендаций по практическому использованию импульсных преобразователей в системах бортового электроснабжения 106
5.1. Сфера применения ...106
5.2. Практические рекомендации 106
5.3. Энергетические показатели агрегатов электропитания собственных нужд 108
Заключение 112
Использованные источники 115
- Структурные схемы бортовых преобразовательных систем для электроподвижного состава постоянного тока
- Анализ структурных схем преобразователей для питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока
- Полупроводниковые преобразователи для электропитания вспомогательных цепей пригородных электропоездов зарубежного производства
- Практические рекомендации по расчету импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей
Введение к работе
Наиболее распространённой в мире является система электрической тяги постоянного тока. Обычно в этой системе используют питание электроподвижного состава от контактной сети (верхний контактный провод на железнодорожном, промышленном и городском электротранспорте, контактный рельс в метрополитене). Однако, перспективна также и автономная электрическая тяга с питанием от электрохимических аккумуляторов (электромобиль, контактно-аккумуляторные и аккумуляторные электровозы, электропогрузчики, электрокары, электроаккумуляторные рельсовые вагоны и платформы различного назначения).
Особую проблему здесь представляет электропитание собственных нужд соответствующего транспортного средства, т.е. бортовых потребителей и преобразователей электроэнергии, которые весьма разнообразны по назначению, потребляемой мощности и критериям в части безотказности и бесперебойности электроснабжения. Обобщённые данные для магистрального и пригородного электроподвижного состава даны в таблице В. 1.
Особую сложность представляет преобразование высокого напряжения постоянного тока 3 кВ на железных дорогах или 600-800 В на городском электротранспорте, включая метро. Эта задача может быть решена на базе автономного инвертора (с однофазным или трёхфазным выходом) с последующим понижением напряжения с помощью трансформатора. Для уменьшения массы электрооборудования целесообразно повысить частоту инвертирования хотя бы до 400-800 Гц, но современные полупроводниковые приборы позволяют реализовать частоты инвертирования до 20 кГц.
Однако во всех указанных случаях имеем либо значительное повышение массы преобразователя - за счёт трансформатора (низкая частота), либо резкое снижение к.п.д. и соответственно рост коэффициента потерь (повышенные частоты). Последнее особенно характерно для преобразователей на силовых тран-
Таблица В. 1. Общеевропейские стандарты по электропитанию бортовых потребителей вагонов железнодорожного транспорта
Система тяги
Страна применения
Постоянный ток
Примечание: * - на участках с тепловозной тягой - выпрямленное напряжение с частотой пульсации свыше 600 Гц при минимальной частоте оборотов дизеля. зисторах с изолированной базой (JGBT). Для исключения указанной тупиковой ситуации предложен специальный конденсаторно-индуктивный безтрансфор-маторный импульсный преобразователь электроэнергии постоянного тока. Этот преобразователь работает в двухфазном режиме: в первой фазе преобразования энергия источника электропитания достоянного тока преобразуется в энергию, накапливаемую во входной индуктивности преобразователя в форме электрического тока; во второй фазе накопленная во входной индуктивности энергия тока постепенно переводится в энергию напряжения, накапливаемую в выходной ёмкости.
Рис. В.1. Классификация систем тягового и бортового электроснабжения
В процессе этого преобразования реализуется понижение напряжения источника (контактная сеть) с обеспечением принципа гарантированного гальванического разделения входных и выходных цепей без использования трансформатора.
В диссертации рассмотрены и детально исследованы три базовых варианта таких преобразователей и обоснованы сферы их применения.
Однако, предварительно целесообразно дать общий обзор по данной проблеме для контактного и аккумуляторного электротранспорта в целом.
Электропреобразовательные устройства для питания собственных нужд широко используются на транспортных средствах всех видов транспорта [1, 5, 10, 13, 16, 19, 63]. Поскольку имеется четкая тенденция к росту установленной мощности бортового электрооборудования, то соответственно всё более значимой становится проблема экономичного (с минимальными потерями) его электропитания [4, 29, 39, 43], т. е. оптимального выполнения всей системы «источник электроэнергии - преобразователь - потребители». Кроме того, для бортовых источников важное значение имеют критерии обеспечения отказоустойчивости и минимума массы. Соответствующие системы для автономных и неав-
Преобразователи системы электроснабжения для транспортных средств с питанием от контактной сети постоянного тока или от аккумулятора
Одвозвеяные
Двухзвенные
8000 В
1500 В
750 В
55 В 24 В
ИП оди
220 В 60 Гц (65-3000 В)
220 В 50 Гц _^ 3x380 В 50Гц (55-3000 В)
3x380 В 50 Гц
24В 55В
Рис. В.2. Обобщённые структуры питания собственных нужд тономных транспортных средств можно разделить на две основные функциональные группы (см. рис. В.1): для питания тяговых электродвигателей на электротранспортных средствах (электровозы, электровагоны, тепловозы с электропередачей, троллейбусы, электромобили); для питания собственных нужд транспортных средств, которое обычно должно быть бесперебойным и поэтому предполагает основное питание от контактной сети или от первичного теплового двигателя (например дизель или газовая турбина) посредством отдельного валогенератора, а также резервное питание от аккумуляторной батареи.
При этом достаточно просто осуществляется преобразование электроэнергии в системе с источником переменного тока путем использования трансформаторов и при необходимости - выпрямителей (диодных и тиристорных). Однако, основную проблему представляет выполнение системы бортового электропитания при первичных источниках постоянного тока. Об этом свидетельствует, в частности, наличие разнообразных систем электропреобразования постоянного тока, основные из которых представлены на рис. В.2 в виде структурных схем [71]. В них используют импульсные преобразователи ИП [55, 67, 69], однофазные автономные ОАИ, автономные инверторы АИ с 3-фазным выходным напряжением [1, 6], а также выпрямители В [25, 29].
Ниже рассмотрена задача преобразования электроэнергии постоянного тока при помощи наиболее простых импульсных преобразователей с ключевым элементом на тиристоре или силовом транзисторе.
Проблема повышения или понижения напряжения от источников электроэнергии постоянного тока, включая задачи изменения величины регулирования и стабилизации напряжения, является весьма актуальной для транспортной электротехники. В качестве соответствующих источников электроэнергии могут использоваться аккумуляторные батареи 12-110 В, контактная сеть (метро - 750 В, железные дороги - 3000 В). Потребителями электроэнергии после её преобразования обычно являются различные виды бортового электрооборудования. Как правило, они требуют стабилизированного или регулируемого электропитания. При питании бортового электрооборудования от источника электроэнергии постоянного тока возможно также требование преобразования постоянного напряжения в переменное (инвертирование), например, для питания асинхронных или индукторных электродвигателей, люминесцентных ламп. Но и в этом случае целесообразна предварительная ступень преобразования постоянного напряжения в постоянное со стабилизацией выходного напряжения этой ступени, от которой питается инверторное звено преобразователя.
Известные схемы индуктивно-ёмкостных преобразователей напряжения источника Е представлены на рис. В.З, где: а) преобразователь универсального типа; б) преобразователь для повышения напряжения источника; в) преобразователь для понижения напряжения источника.
Рис. В.З. Индуктивно-конденсаторные преобразователи а - преобразователь универсального типа; б - преобразователь для повышения напряжения источника; в - преобразователь для понижения напряжения источника
Каждая из них содержит импульсный прерыватель ИП, который обычно выполнен на базе тиристорного или транзисторного ключа, но в расчётной схеме представлен идеальным контактом. Энергия от источника Е передаётся сначала во входную индуктивность L преобразователя - при этом происходит преобразование напряжения Е в ток iL. Затем эта энергия передаётся в выходной конденсатор С - при этом происходит преобразование тока iL в напряжение ис.
В рассматриваемой расчётной схеме в качестве нагрузки преобразователя принят стабилизатор тока /н = const, хотя данная расчётная методика может быть использована и при других видах нагрузки, например в виде эквивалентного сопротивления.
В рассматриваемых преобразователях при квазистационарном режиме, который характеризуется постоянством рабочей частоты / и соответственно периода T = \jf импульсного прерывателя, принимаем также постоянными средние значения тока индуктивности lL, и напряжения ис на конденсаторе.
Максимальные значения пульсаций тока ic и напряжения ис обозначим ML и
Поскольку в практически реализуемых преобразователях рассматриваемого типа обычно имеем AIL«IL, AUC«UC, то вводим допущение, согласно которому изменение мгновенных значений iL(t) и uc(t) в течение характерных интервалов в цикле регулирования ИП считаем линейными, как показано на временных диаграммах в нижней части рис. В.З. Это допущение будет необходимо для расчёта пульсаций. Расчёт же средних значений проводим по методу энергобаланса, т. е. равенства значений энергии, потребляемой в течение периода Т от источника Е и отдаваемой в течение этого же времени в нагрузку. При этом рассматриваем обобщённый цикл регулирования с коэффициентом заполнения к, который равен отношению длительности т включенного состояния ИП к периоду, т. е: * = 1 = 0 + 1, Т так что период Т содержит интервал включенного состояния ИП длительностью кТ и интервал выключенного состояния ИП длительностью (l-fc)r, что соответствует двум фазам преобразования, указанным выше.
Исходные уравнения энергобаланса для всех показанных на рис. В.З преобразователей сведены в таблице В.2. Там же дано их решение, позволяющее выразить выходное напряжение ис в функции коэффициента заполнения импульсного цикла к.
Таким образом, предложенный метод позволяет получить приемлемые для инженерной практики расчётные выражения упрощённого типа (см. таблицу В.2).
Анализ результирующих выражений в этой таблице позволяет оценить основные регулировочные качества преобразователей по рис. В.З, а именно:
Таблица В.2 Расчёт преобразователей методом энергобаланса
Примечание: * - буква обозначения схемы соответствует букве на рис. В.З. преобразователь по рис. В.З, а позволяет регулировать выходное напряжение как ниже, так и выше напряжения источника электропитания Е; преобразователь по рис. В.З, б обеспечивает регулирование только выше напряжения источника, т. е. он является повышающим напряжение; преобразователь по рис. В.З, в даёт возможность только понижать напряжение источника электропитания, т. е, является понижающим.
Таким образом, проведённый предварительно аналитический обзор позволяет сделать вывод о том, что в рамках поставленной задачи в качестве бортовых преобразователей для транспортных средств при наличии первичного источника постоянного тока целесообразно использовать импульсные индуктивно-конденсаторные преобразователи рассмотренных типов.
При этом инженерную методику для предварительного расчёта преобразователя для конкретных условий выполнения бортового источника электропитания целесообразно выполнять рассмотренным в данной статье методом энергобаланса, используя результирующие выражения по таблице В.2. Этот же принцип целесообразно положить в основу соответствующей математической модели для анализа квазистационарных режимов преобразования и для иссле- дования регулировочных свойств индуктивно-конденсаторных преобразователей.
Актуальность проблемы определяется широким распространением электрического подвижного состава с питанием от контактной сети постоянного тока (на железнодорожном, промышленном и городском транспорте). При этом возникают значительные трудности с электропитанием от контактной сети 600-3000 В постоянного тока бортовых потребителей, входящих в состав собственных нужд электровоза, электропоезда, вагона метро, трамвая, троллейбуса. Сейчас для этих целей используют исключительно электромашинные преобразователи типа динамотор или мотор-генераторный агрегат. Опытные статические преобразователи на полупроводниковых приборах пока не достигли по своим параметрам требуемых нормативов по надёжности, отказоустойчивости и удельной мощности.
Поэтому задача создания бортового полупроводникового преобразователя для электропитания собственных нужд электроподвижного состава постоянного тока является весьма актуальной как для новых, так и для модернизируемых средств электротранспорта (электровозы, электропоезда пригородного сообщения, метро, трамвай, троллейбус), а в перспективе и для принципиального нового электротранспорта (электромобили, электротракторы и т.п.).
Целью настоящей работы является уточнение методов расчёта полупроводниковых индуктивно-конденсаторных преобразователей с управляемыми ключевыми элементами на базе тиристоров. Это уточнение при вновь введённых и обоснованных допущениях касается обобщённого анализа квазипериодических режимов широтно-импульсного регулирования, на основе чего поставлена и решена задача расчёта универсальных регулировочных и пульса-ционных характеристик для процессов импульсного регулирования. Это должно обеспечить систему универсальных характеристик бортового преобразователя для всего возможного набора исходных параметров преобразователя высокого напряжения постоянного тока при необходимых требованиях по стабиль- ности и регулировочным свойствам системы электропитания собственных нужд.
Для этого предполагается разработать соответствующие математические модели, прямо и косвенно учитывающие специфические особенности, в том числе нелинейности объекта регулирования и требования гальванической развязки высоко- и низковольтных электрических цепей.
В конечном итоге должно быть получено универсальное решения для структурного и схемного исполнения системы электропитания собственных нужд электроподвижного состава постоянного тока.
Методы исследований базируются на алгебраизации исходной нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих квазистационарный процесс импульсного регулирования в индуктивно-конденсаторном преобразователе постоянного тока. Для указанной алгебраизации, составляющей основу данной математической модели, являющейся основным инструментом исследования, предложены методологические ПОДХОДЫ VK основам исследований, заключающиеся в предложении о линейности изменения тока в функции времени в пределах, характерных интервалов фаз цикла импульсного регулирования в системах типа «включено - выключено» (допущение Глазенко Т.А. - Феоктистова В.П.). Это допущение является общепринятым для расчёта систем импульсного регулирования.
Научная новизна работы заключается в обосновании и уточнении комплексной математической модели преобразователя высокого напряжения постоянного тока в низкое напряжение с одновременной реализацией функций стабилизации или регулирования. На базе этой модели получены обобщённые регулировочные и пульсационные характеристики исследуемой электропреобразовательной системы. Эти характеристики позволяют обосновать расчётные методики для проектирования и уточнения структурных и схемных решений для систем бортового электропитания.
Практическая ценность работы состоит в том, что обоснованы конкретные рекомендации по выполнению бортовых преобразовательных агрегатов для электропитания нетяговых (бортовых) потребителей электроподвижного состава постоянного тока на железнодорожном, промышленном и городском электротранспорте постоянного тока. Дана инженерная методика расчёта этих преобразователей на основе исходных требований по стабильности выходного напряжения при учёте ограничений по пульсациям его уровня.
Реализация работы выполнена путём передачи расчётных методик в ОАО АЭК «Динамо», в ЗАО «Спецремонт», Департаменту пригородных перевозок ОАО «РЖД», Демиховскому машиностроительному заводу, ГУЛ «Мос-гортранс» и Московскому метрополитену для использования на новом и модернизированном электроподвижном составе постоянного тока 600-3000 В.
Апробация работы выполнена путём её доклада на научных семинарах кафедры «Электрическая тяга» МИИТа, а также на научно-технических конференциях и симпозиумах в 2000-2004 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объём работы. Диссертация содержит 123 страницы и включает следующие разделы: введение, главы 1-4, заключение, список литературы.
Структурные схемы бортовых преобразовательных систем для электроподвижного состава постоянного тока
Преобразование электроэнергии высокого напряжения (свыше 1000 В) постоянного тока в электроэнергию низкого напряжения постоянного или переменного тока представляет сложную и окончательно нерешённую техническую задачу. Её реальная и виртуальная сложность объясняется даже не столько невозможностью или технической неопределенностью и сложностью решения указанной задачи, но исключительно многовариантностью и неоднозначностью технико-экономической оценки всех возможных вариантов различных схемо-технических решений. Эти решения отличаются возможностями использования известных и уже отработанных в практике концепций по преобразовательным устройствам для постоянного и переменного тока, а также требованиями по качеству преобразованной электроэнергии. К последним относятся стабилизация уровня выходного напряжения, обеспечение надежной токовой и потенциальной защиты, обеспечение высокого К.П.Д. преобразователя, массо-габаритные показатели системы преобразования. К тому же особое значение имеют перспективные варианты преобразователей на базе транзисторов IGBT.
С учетом указанных требований может быть сформулирована информационно-системная база сравнительной оценки всех возможных вариантов для композиционного анализа структур, предназначенных для преобразования напряжения контактной сети постоянного тока 3000 В в комплексный ряд напряжений постоянного, переменного (однофазного и трехфазного) тока для питания вспомогательного электрооборудования электровоза или электропоезда. Как правило, эти структуры являются многофункциональными, поскольку они должны реализовать не только функции преобразования, но также ряд других важных для электроподвижного состава функций (стабилизация, регулирование, гальваническая развязка, защита, обеспечение заданных электроэнергетических показателей). Поэтому все преобразовательные структуры приходится выполнять многозвенными, причем функции преобразования и регулирования распределены (дислоцированы) по их отдельным звеньям, что в принципе упрощает проектирование и практическую реализацию этих звеньев в составе системы. Ниже приведены их конкретные примеры, дана их качественная оценка, обоснованы критерии выбора параметров.
На рис. 1.1, а представлена наиболее распространенная по выполненным разработкам структурная схема, в которой функцию снижения и стабилизации высокого напряжения контактной сети выполняет импульсный преобразователь ИП, а основную функцию преобразования постоянного тока в переменный трёхфазный ток - автономный инвертор АИ. Кроме того, для реализации функции гальванической развязки предусмотрен трансформатор Тр. Дополнительные локальные функции питания цепей постоянного тока на выходе системы преобразования выполняются управляемыми выпрямителями УВ1-УВ2 в соответствии с конкретными требованиями к потребителям (по уровням колебаний напряжения и частоты).
Недостаток этой структуры связан с большим количеством преобразовательного оборудования; кроме того, выполнение разделительного понижающего трансформатора на относительно низкой частоте 50 Гц ведёт к его существенному утяжелению, в основном по железу.
В принципе, возможно некоторое структурное упрощение данной схемы по рис 1.1, а, если функции стабилизации выходного напряжения возложить на контур переменного тока, т.е. на автономный инвертор. При этом он должен быть выполнен по принципу инвертора с широтно-ймпульсной модуляцией (АИ-ШИМ), как показано на рис. 1.1, б. Однако, такие преобразователи значительно сложнее обычных нерегулируемых автономных инверторов напряжения (АИН); к тому же они, как правило, требуют для своей реализации специальных силовых полупроводниковых приборов, способных работать в высокочастотном диапазоне (силовые транзисторы IGBT и им подобные приборы).
Ещё один общий недостаток обеих преобразовательных структур, приведенных на рис. 1.1, а и на рис. 1.1, б, связан с отсутствием в них источника (преобразовательного звена) для частотного регулирования мотор-вентиляторов, например, по закону академика М.П. Костенко. Этот недостаток в некотором роде и только отчасти восполняется введением в структуру рассмотренных выше преобразовательных систем дополнительного блока ДБ, ограниченного на рис. 1.1, о, б пунктирной линией abed. Этот блок решает проблему регулирования MB, но он значительно усложняет систему. С другой стороны, такой блок необходим, особенно для перспективных электровозов (на электропоездах применяют, в основном, самовентиляцию тяговых двигателей).
Некоторую экономию по массе преобразовательного оборудования можно получить усовершенствованием указанных структур при переходе на высокочастотное промежуточное звено (рис. 1.2). Здесь функции входного звена выполняет однофазный автономный инвертор высокой частоты например,/" 300, 600 или даже 1200 Гц. Это позволяет, согласно известной формуле электротехники М = 1/л// , снизить массу М трансформатора Тр - соответственно в
2,5; 3,5; 4,9 раз. Дальнейшее преобразование однофазного переменного напряжения повышенной частоты для питания цепей постоянного тока осуществляется однофазными выпрямителями УВ1-УВ2, а для цепей переменного тока -непосредственными преобразователями частоты НПЧ1 (для нерегулируемых нагрузок) и НПЧ2 - для регулируемых нагрузок (вместо НПЧ2 можно использовать дополнительный блок ДБ (рис. 1.1).
Возможности дальнейшего совершенствования бортовых преобразовательных систем связаны с применением (рис. 1.3) специального импульсного преобразователя СИП, который реализует функции: - снижение и стабилизация напряжения постоянного тока на уровне, соответствующем переменному напряжению 3 380 В (после инвертирования); - гальваническое разделение низковольтных выходных цепей от контактной сети. Конкретное исполнение СИП рассмотрено в [6, 73]. Для объективной сравнительной оценки анализируемых структур их обобщённые показатели сведены в табл. 1.2. За базу сравнения принят коэффициент кратности преобразования электроэнергии ККПЭ. При этом полное преобразование энергии в каждой ступени полупроводникового преобразователя или в трансформаторе оценивается значением ККПЭ, равным 1. Полученные по этому принципу суммарные значения ККПЭ, приведенные в табл. 1.2, соответствуют принятому в электротехнической практике показателю установленной мощности. Этот показатель в значительной степени отражает коэффициент полезного действия и массу преобразовательного оборудования, так что он вполне может быть принят для сравнительной оценки вариантов преобразовательных структур и для выбора наивыгоднейшей из них.
Анализ структурных схем преобразователей для питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока
При разработке преобразователя и в первую очередь при составлении его структурной схемы необходимо определить основные элементы, входящие в систему электроснабжения бортовых цепей. Такими основными частями системы питания бортовых цепей (рис. 2.1) являются: питающая (контактная) сеть, входной преобразователь, разделительно-изолирующее устройство, выходной преобразователь, потребитель (нагрузка).
В зависимости от конкретного технического решения системы она может содержать либо все указанные элементы, либо только часть их. Таким образом, структура преобразователя для питания собственных нужд состоит из пяти основных элементов, перечисленных выше. Каждый из элементов содержит определённое число свойств, представляющих собой варианты возможных технических решений того или иного элемента системы. Первый элемент, характеризующий основные параметры питающей сети, имеет только одно свойство, так как преобразователь предназначен для принятой в России системы тягового электроснабжения напряжением 3 кВ постоянного тока.
Элемент, определяющий тип входного преобразователя, имеет пять свойств, определяющих четыре типа наиболее подходящих к данной системе преобразователей либо отсутствие этого типа вообще: понижающий импульсный преобразователь постоянного тока (импульсный прерыватель), автономный инвертор напряжения, электромашинный делитель напряжения, электромашинный мотор-генератор постоянного или переменного тока, отсутствие входного преобразователя. В качестве выделенного разделительно-изолирующего устройства может использоваться понижающий трансформатор.
Тип выходного преобразователя определяется типом потребителей электроэнергии. Поэтому, например, для электропоездов типа ЭР2, имеющих мотор-компрессоры постоянного тока напряжением 1,5 кВ и систему бортовых цепей с напряжением 50 В, используются преобразователи, имеющие постоянное напряжение на выходе, и указанный признак состоит из трёх свойств, отражающих два преобразователя подобного типа: выпрямителя или импульсного преобразователя, а также его отсутствие.
Схемы электропоездов следующего поколения, построенные аналогично схеме электропоезда типа ЭР2Т и оборудованные, рекуперативно-резисторным торможением, имеют систему питания бортовых цепей постоянного тока с двумя уровнями напряжения (50 В и 110 В) и систему переменного трёхфазного тока с напряжением 220 В. Поэтому к уже перечисленным выше преобразователям добавятся преобразователи, имеющие переменное выходное напряжение: непосредственные преобразователи частоты, инверторы напряжения, инверторы тока и электромашинные.
На электропоездах типов ЭР2Р, ЭР2Т, а также ЭД2Т и ЭТ2 в качестве приводного двигателя для мотор-компрессоров применяют, как правило, асинхронный двигатель, требующий трёхфазного питания. Асинхронные двигатели имеют также вентиляторы системы отопления салонов, в связи с чем можно сказать, что эти электропоезда имеют бортовые трёхфазные цепи с частотой питающего напряжения 50 Гц. На электропоездах указанных типов применяется система 127/220 В, что обусловливает включение большинства потребителей, имеющих номинальное напряжение 220 В, по схеме треугольника, если потребитель трёхфазный, либо на линейное напряжение.
На типовых электропоездах все асинхронные машины работают по схеме прямого включения, что вызывает значительные пусковые перегрузки как самой машины, так и источника питания бортовых цепей.
В связи с тем, что при анализе вариантов под «выходным преобразователем», т.е. подключенным непосредственно к нагрузке, понимается любой из известных преобразователей, в том числе и полупроводниковый, способный регулировать как величину напряжения, так и его частоту, имеет смысл разделить рассматриваемые потребители на две группы.
К первой из них относятся элементы и электрические машины, не требующие особого режима при пуске (система освещения вагонов, а также маломощные (1 ... 3 кВт) вентиляторы системы отопления салонов). В другую группу потребителей входят асинхронные электроприводы мощностью более 5 кВт, реализация режима частотного пуска которых сулит существенную выгоду как по массе и габаритным размерам преобразователя, так и по продлению срока службы электропривода за счёт снижения пусковых перегрузок. Большинство систем питания бортовых электроприводов, производимых зарубежными фирмами для электропоездов и пассажирских вагонов, например Siemens, ABB, также разделяют свои трёхфазные системы по этому признаку.
Таким образом, по типу нагрузки система питания бортовых цепей электропоездов постоянного тока, оборудованных системами электрического торможения, разделяется на бортовые цепи постоянного тока с напряжением 50 В, бортовые цепи постоянного тока с напряжением ПО В, бортовые трехфазные цепи с напряжением 127/220 В и цепи питания асинхронного двигателя компрессора с напряжением 220 В.
К выходным преобразователям относятся различные типы преобразователей, имеющих выходные напряжения, согласованные с указанными параметрами нагрузок. К таким типам преобразователей относятся: автономные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ), импульсные преобразователи постоянного тока (ИП), непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), электромашинные расщепители фаз (ФР). В том случае, если выходной преобразователь отсутствует, его роль будет играть один из предыдущих по структуре элементов.
Полупроводниковые преобразователи для электропитания вспомогательных цепей пригородных электропоездов зарубежного производства
Как находящиеся в эксплуатации, так и проектируемые современные электропоезда имеют большое количество бортовых потребителей электроэнергии, которые нуждаются в стабилизированном, гальванически развязанном от потенциала контактной сети напряжении, величина которого намного меньше напряжения контактной сети [1, 62, 72]. Непосредственно от напряжения контактной сети такие потребители питаться не могут. Для их питания необходимы специальные преобразователи для электроснабжения вспомогательных цепей, обычно эти потребители относят к собственным нуждам поезда. На выходе таких преобразователей формируются напряжения постоянного и переменного тока, в ряде случаев вынужденно содержащие большой процент высших гармоник напряжения и соответственно тока. Типичная выходная сеть преобразователя для питания вспомогательных цепей электропоезда состоит из трёхфазной сети переменного тока для питания мотор-компрессоров, климатических установок и мотор-вентиляторов, а также бортовой сети постоянного тока для таких низковольтных преобразователей и потребителей как освещение, цепи управления и устройства заряда аккумуляторной батареи. В современных электропоездах освещение с люминесцентными лампами обычно питается однофазным переменным напряжением.
Современный бортовой преобразователь для питания вспомогательных цепей на электропоезде должен соответствовать большому количеству требований, в ряде случаев, противоречащих друг другу. Среди важнейших требований - снижение стоимости его содержания в течение расчётного срока службы (LCC), т.е. уменьшение эксплуатационных расходов и расходов на техническое содержание. Особо важными также являются: высокая надёжность, простота и малый объём работ, связанных с техническим содержанием, высокий к.п.д., уменьшение потерь, особенно в режиме холостого хода и малых нагрузок, а, следовательно, упрощение системы охлаждения, модульность конструкции, ограниченное число применяемых стандартизированных модулей, малая стоимость этих модулей, малый вес, возможность простого объединения модулей в единую конструкцию и простота их взаимной адаптации в составе преобразователей, изготовленных по принципу кооперации различных заводов-изготовителей.
В идеале бортовые преобразователи изготавливаются (компонуются) из стандартных модулей, которые могут без каких-либо изменений использоваться в преобразователях различных типов и различного функционального назначения; эти модули рассчитаны на определённую мощность, легко объединяются и взаимозаменяемы; помимо вентилей в состав модулей входят элементы электроники управления, коммутирующие и защитные элементы, а также радиаторы охлаждения. Модули автономны и могут диагностироваться перед их установкой на электропоезд в режиме тестовой диагностики, а при необходимости и прямо на поезде методом функциональной диагностики. При последовательном или параллельном соединении модулей к ним предъявляются жёсткие требования по мощности и напряжению. При проектировании модулей учитываются требования помехоустойчивости и работоспособности в заданном температурном диапазоне. Модульная конструкция снижает стоимость технического содержания. При появившемся отказе система диагностики локализует неисправность на уровне модуля; замена неисправных модулей на запасные может быть осуществлена достаточно быстро, конструкция преобразователя, обеспечивает лёгкий доступ к любому модулю.
Аналогичным образом выполняются все сервисные и обслуживающие системы. Подобно узлам преобразователя, сопровождающая техническая и сервисная документация также построена по модульному принципу. Описание узлов преобразователя и инструкция по техническому обслуживанию могут быть быстро и дёшево составлены из готовых текстов и рисунков методом комплектования и компилирования.
Применение силовых транзисторов с изолированным затвором IGBT в качестве элементной базы преобразователей вспомогательных цепей позволяет существенно уменьшить массу и размеры силовых трансформаторов, уменьшить Потери электроэнергии и сократить затраты на охлаждение устройства за счёт повышения рабочей частоты и сокращения потерь энергии в устройствах коммутации, управления и автоматического регулирования.
Этой цели можно достигнуть за счёт повышения частоты переключений входной части преобразователя и одновременно путём существенного уменьшения потерь на переключения. В отличие от старых схем преобразователей, в которых гальваническая развязка напряжений осуществлялась с помощью трансформатора на выходе системы, при применении IGBT соответствующий трансформатор устанавливается на входе системы. Входная ступень преобразователя работает на частоте около 20 кГц, т.е. вне акустического диапазона слышимости, что гарантирует решение проблем экологии. Новое решение снижает уровень шума, создаваемого преобразователем вспомогательных цепей. Структурная схема стандартного преобразователя вспомогательных цепей, применяемого на электроподвижном составе, питающемся от высоковольтного источника, т.е. контактной сети постоянного тока, приведена на рис. 3.1, где в обобщённом виде показаны базовые модули, входящие в состав системы.
Практические рекомендации по расчету импульсных индуктивно-конденсаторных преобразователей
Электропитание бортовых потребителей электроэнергии на подвижном составе постоянного тока целесообразно осуществлять при помощи статических преобразователей, выполненных с применением импульсных прерывателей постоянного тока, обеспечивающих гальваническое разделение высоковольтных входных цепей от низковольтных потребителей постоянного и переменного тока. Для обоснования номинальной мощности преобразовательной установки, её многозвенной структуры и необходимых регулировочных свойств выполнена классификация бортовых потребителей и для каждой функциональной группы сформулированы требования по стабилизации или по пределам регулирования параметров электропитания.
Для бортовой системы, предназначенной для преобразования высокого напряжения постоянного тока на электропоездах и электровозах при питании от контактной сети постоянного тока, целесообразно использовать индуктивно-конденсаторные импульсные преобразователи. Исследованы три базовых типа этих преобразователей; для них рассчитаны регулировочные и пульсационные характеристики, на основе чего для практического применения на эдектропод-вижном составе постоянного тока рекомендован преобразователь с включением накопительного конденсатора в цепь обратного диода, шунтирующего индуктивность. Такой преобразователь имеет приемлемые характеристики даже на частотах 400-500 Гц, обеспечиваемых современными тиристорними с паспортным временем восстановления запирающих свойств 100-150 мкс. Однако, существенное улучшение массогабаритных показателей этих преобразователей может быть получено при переходе на силовые транзисторы JGBT путём повышения рабочей частоты импульсного прерывателя до 10-20 кГц. При этом обеспечивается также существенное улучшение регулировочных свойств преобразовательной системы, включая быстродействие, особенно при резких скачках напряжения контактной сети.
Уточнен и адаптирован применительно к задаче анализа квазистацио нарных процессов импульсного регулирования в индуктивно-конденсаторных преобразователях метод расчёта, базирующийся на следующих допущениях: — процесс изменения индуктивности и напряжения на конденсаторе в течение характерных интервалов импульсного цикла (включено - вы ключено) предполагается линейным в функции времени; - мгновенные значения тока и напряжения для всех реактивных элемен тов импульсного преобразователя в пределах каждого характерного интервала импульсного цикла условно принимаются равными их средним значениям за соответствующий характерный интервал. Эти допущения позволяют перейти от системы дифференциальных уравнений, соответствующих 2-му закону Кирхгофа, к системе линеаризованных алгебраических уравнений. Их решение методом подстановки и взаимного исключения неизвестных даёт возможность перейти к явным функциональным зависимостям в обобщённой форме для регулировочных и пульсационных характеристик преобразователей всех рассмотренных типов. 4. Работоспособность и эффективность предложенных преобразовательных систем в условиях электрического подвижного состава в значительной степени зависит от построения соответствующих устройств автоматического регулирования. Это определяется чувствительностью наиболее ответственных ПОг требителей электроэнергии (асинхронные двигатели, люминесцентные лампы, цепи управления, электронная аппаратура) к колебаниям напряжения. Поэтому в структуре преобразователей должны быть предусмотрены соответствующие контура автоматического регулирования «по отклонению» с элементами параметрического регулирования по возмущению. 5. Внедрение полупроводниковых преобразователей на базе импульсных прерывателей целесообразно и экономически эффективно на всех видах электроподвижного состава с питанием от контактной сети постоянного тока (на железных дорогах - 3 кВ, в метро и на наземном городском электротранспорте). При этом исключаются сложные и неэкономичные системы электромашинного преобразования (динамоторы, мотор-генераторные преобразователи), а высоковольтные вспомогательные коллекторные машины постоянного тока можно заменить на трёхфазные асинхронные двигатели общепромышленного исполнения. Это обеспечивает снижение затрат по электропитанию собственных нужд примерно вдвое, а эксплуатационные и ремонтные затраты в течение жизненного цикла электроподвижного состава могут быть снижены в 4-5 раз. Одновременно существенно улучшаются условия в части комфорта для пассажиров в моторвагонных электропоездах по причине исключения электромашинных преобразователей и генерируемого ими акустического шума и вибраций.
