Випрямно-інверторні перетворювачі
Завантажити конспект в форматі “docx” ви можете в кінці опису
У керованих однофазних випрямлячах використовуються тиристори. Як уже відзначалось, у них є електрод керування, а перехід від закритого до відкритого стану здійснюється за умови додатного потенціалу на аноді та наявності імпульсу керування на електроді керування. Схеми керованих випрямлячів такі ж самі, як і в некерованих. Для формування імпульсів керування, зміни моменту їх подання використовуються відповідні системи керування (СК). В більшості СК імпульси керування формуються відносно анодної напруги випрямляча.
Прикладом використання такого випрямляча може бути випрямна установка збудження обмоток головних полюсів тягових електродвигунів електровозів змінного струму ВЛ80, 2ЕЛ5, що працюють в режимі реостатного або рекуперативного гальма. Часові діаграми (рис. 6.15, б) ілюструють роботу тиристорів на прикладі двонапівперіодної схеми. Імпульси керування UKi, UK2 подаються електроди керування тиристорів із зсувом за фазою на кут а, відносно переходу через нуль додатної півсинусоїди напруги між анодом і катодом кожного з тиристорів.
Цей кут сг називають кутом керування тиристора. Після подання імпульсу керування на тиристор він переходить у відкритий стан і закривається тільки тоді, коли струм через нього стає менший, ніж струм утримання тиристора (практично, коли струм тиристора дорівнює нулю). Вимоги до імпульсів керування такі: достатня для надійного відкривання тиристора амплітуда напруги і струму імпульсу (UKep = 10…20 В, Ікер = 20…2000 мА); крутий передній фронт імпульсу (105 А/с); певна ширина імпульсу (10°…15°).
Зміною кута керування тиристора а регулюють середнє значення випрямленої напруги Ua керованого випрямляча. На електровозах змінного струму серій 2ЕЛ2, 2ЭС5К «Ермак», виробництва Новочеркаського та Луганського заводів, в якості випрямних установок використовують випрямно-інверторні перетворювачі (ВИП-4000М).
Рис. 6.15 Схема двонапівперіодного керованого випрямляча – а) і часові діаграми напруг – б)
Ці пристрої побудовані на тиристорах, що керуються імпульсами, сформованими мікропроцесорною системою управління та діагностики (МСУД). Використання ВІП дало можливість покращити техніко-економічні показники роботи електровоза та автоматизувати процес управління локомотивом. Так, порівняно з електровозом ВЛ80, на якому використовується метод регулювання потужності на стороні вторинної обмотки тягового трансформатора та діодні випрямні установки, ці електровози витрачають на 20 % менше електроенергії при тих самих технічних характеристиках.
Також вас може зацікавити:
Розташування обладнання та схеми вентиляції (docx)
Встановлення тиристорних ВІП під управлінням МСУД дає можливість:
- звести до мінімуму використання в електричних колах комутаційних апаратів;
- відмовитись від ступінчастого регулювання напруги, що покращує процес комутації тягових електродвигунів;
- ефективніше використовувати потужність локомотива, підвищивши його коефіцієнт корисної дії;
- автоматизувати процес управління локомотивом, не допускаючи перевантажень по струму, напрузі та буксувань;
- створити систему діагностики стану елементів електричного обладнання;
- проводити керовану рекуперацію в контактну мережу змінного струму;
- інтегрувати систему пожежегасіння та контролю за безпекою руху в електричні кола локомотива;
- покращити надійність локомотива та збільшити величини пробігів між капітальними ремонтами.
При проведенні капітальних ремонтів електровозів ВЛ80 та ВЛ40 проводиться їх модернізація з встановленням ВІП та системи МСУД. Такі електровози отримують назву ВЛ80тк. їх електричні кола ідентичні колам електровозів 2ЕЛ5, 2ЭС5К.
Рис. 6.16 Схема регулювання ВІП в режимі тяги: Зони регулювання: перша – а); друга – б); третя – в); четверта – г)
На рис. 6.16 наведена спрощена силова схема включення ВІП електровоза 2ЕЛ5. Цифрами 1-8 позначені плечі ВІП, цифрами І-Ill секції силових обмоток тягового трансформатора. Кількість витків секції III рівна сумі витків обмоток секцій І і II. Суцільною стрілкою вказано струм в перший напівперіод, пунктирною — у другий. Діапазон регулювання напруги на тягових електродвигунах розбито на чотири зони. В першій зоні регулювання працюють тиристорні плечі V3, V4, V5, V6.
Підключена секція І силової обмотки тягового трансформатора. Тиристори плечей V5, V6 відкрито повністю, а на виводи керування тиристорів V3, V4 подаються імпульси регулювання кута їх відкриття. В перший напівперіод створюється коло живлення — вивід 1 силової обмотки трансформатора, вщкрите плече V3, згладжуючий реактор PC, тяговий електродвигун ТЕД, плече регулювання V6, вивід (3) силової обмотки трансформатора.
В другий напівперіод створюється електричне коло живлення — вивід (2) обмотки трансформатора, регульоване плече V5, згладжуючий реактор PC, електродвигун ТЕД, відкрите плече V4, вивід (1) обмотки трансформатора. Напруга на тяговому електродвигуні змінюється від нуля до % номінального значення. В другій зоні регулювання плечі V3, V4 закриваються і відкриваються тиристорні регулюючі плечі V1, V2. До секції І силової обмотки трансформатора підключається секція II. Тиристорні плечі V5, V6 залишаються відкритими.
Подачею регулюючих імпульсів на тиристорні плечі V1, V2 проводиться регулювання напруги на ТЕД від % до Уг номінального значення. В третій зоні регулювання плечі V1, V2, V5, V6 закриваються. Відкриваються плечі V3, V4, V7, V8. Підключаються секції II та III силової обмотки тягового трансформатора. В перший напівперіод працюють плечі V3, V8, у другий — V4, V7. Тиристорні плечі V7, V8 відкриті повністю, а тиристорними плечима V3, V4 проводиться регулювання напруги на ТЕД в межах від 1/2 до Ул номінальної величини. В четвертій зоні регулювання підключено всі три секції силової обмотки.
Тиристорні плечі V3, V4 закриті, тиристорами плечей V1, V2 проводиться регулювання амплітуди напруги на тяговому електродвигуні від 3Л до номінального значення. Перетворювач може працювати в режимі перетворення електричної енергії постійного струму, генерованої тяговими електродвигунами, в змінний струм частотою 50 гЦ (інвертування) з можливістю повертання її в контактну мережу (рекуперації). Підвищення напруги до 25 кВ здійснюється обмоткою тягового трансформатора.
Рис. 6.17 Діаграма напруги ВІП при роботі в режимі тяги – а) та рекуперативного гальмування – б)
Схема включення ВІП в режимі рекуперації представлена на рис. 6.18. Для рекуперації використовуються тільки три зони регулювання, перша зона не використовується, тому що напруга, генерована тяговими електродвигунами, дуже низька для інвертування. Четверта зона регулювання найбільш ефективна. В ній до тягового електродвигуна підключено три секції силової обмотки тягового трансформатора.
Рис. 6.18 Схема регулювання ВІП в режимі рекуперації. Зони регулювання: а) четверта; б) третя; в) друга
Таблиця 6.2 Алгоритм спрацьовування тиристорів ВІП-4000
Тиристорні плечі V7, V8 відкриті повністю, а регулюванням кута відкриття тиристорних плечей V1, V2 здійснюється живлення обмотки трансформатора постійним струмом, згенерованим тяговим електродвигуном ТЕД. Плечі відкриваються попарно — V1, V8, потім V2, V7 подачею відкриваючих імпульсів МСУД з частотою 50 гЦ. Таким чином у силовій обмотці формується змінний струм промислової частоти. Напруга підвищується трансформатором до величини 21…29кВ і повертається в контактну мережу.
В третій зоні — включенням тиристорних плечей V3, V8 та V4, V7 підключаються II та III секції силової обмотки. Плечі V3 та V4 регулюються. У другій зоні регулювання підключені секції І та II. Регулювання напруги на силовій обмотці здійснюється регулюванням плечей V1 та V2, плечі V5 та V6 відкриті повністю. Формування синусоїди напруги рекуперації здійснюється плавним зсувом імпульсів кута відкриття тиристорних плечей. Для нормальної роботи електровоза необхідно, щоб напруга рекуперації була вищою напрут в контактній мережі.
Трансформатори напрут відслідковують цю напругу і подають сигнал МСУД, яка корегує кут відкриття тиристорів ВІП для дотримання цієї умови. Алгоритм керування тиристорами наведений у таблиці 6.2. В таблиці позначено: аО — плече, що не регулюється за фазою в режимі тяги; ар — плече, що регулюється за фазою; аОЗ — плече, що не регулюється, затримане за фазою; (S — плече, що не регулюється за фазою в режимі рекуперації.
Конструктивно ВИП-4000М виконано в вигляді двох шаф, розташованих поперек кузова електровоза, і має примусове повітряне охолодження. Установка розрахована на номінальний випрямлений струм — 3150 А, номінальну випрямлену напругу — 1400 В. Вона має такі габаритні розміри: ширина — 1900 мм, глибина — 860 мм, висота — 1250 мм. Маса блоку — 1400 кг. Силова частина ВІП має вісім плечей і виконана за схемою, наведеною на рис. 6.19, б.
Кожне плече ВІП складається із чотирьох паралельних гілок тиристорів Т353-800-28-80 УХЛ2. Плечі VI, V2, V7, V8 мають три, а плечі V3, V4, V5, V6 — два послідовно з’єднаних тиристори. Перспективними напівпровідниковими пристроями для використання у випрямних установках є IGBT транзистор. Транзистор має хороші частотні властивості (частота роботи більше 20 кГц), низькі значеннями потужності керування і спадання напруги (2,5..3,5 В) у провідному стані, робочу напругу до 1500… 1700 В і струм 1200 А.
Завдяки цим якостям область використання IGBT транзисторів постійно розширюється і починає займати домінуюче положення в пристроях перетворювальної техніки середньої та великої потужності.
Рис. 6.19 Шафа випрямно-інверсного перетворювача ВИП-4000М – а) та електрична схема включення тиристорів – б)
На основі IGBT транзисторів у цей час розробляється більшість силових електронних пристроїв. Практично всі найбільші фірми світу, які виробляють силову електронну продукцію, використовують технології на основі IGBT транзисторів. З використанням модулів IGBT транзисторів побудовано випрямно-інверторний перетворювач енергії електровоза з асинхронними тяговими електродвигунами ДСЗ Дніпропетровського електровозобудівного заводу.
Для збільшення припустимого діапазону робочих потужностей статичного перетворювача енергії IGBT транзистори можуть працювати паралельно. При цьому для забезпечення оптимального розподілу струмів повинні бути враховані наступні умови:
- паралельно включені IGBT транзистори повинні бути розташовані поруч один з одним для забезпечення електричного і теплового контакту. Із цієї причини вони виконуються у вигляді модулів із двох, чотирьох або шести транзисторів з діодами, які відтинають електричний потенціал, на загальній підкладці;
- всі силові електричні з’єднання повинні бути виконані симетрично з мінімальною індуктивністю з’єднань;
- з’єднання між схемою управління та паралельно включеними IGBT транзисторами повинні бути симетричні й мати мінімальну індуктивність;
- значення граничної напруги затвора і напруги насичення відкритого транзистора повинні бути близькими.
Тяговий перетворювач електровоза ДСЗ призначений для живлення тягових двигунів електровоза регульованою по амплітуді і частоті трифазною напругою змінного струму. Перетворювач розрахований на номінальну вхідну напругу 988…1508 В, частоту вхідної напруги 50 Гц. Номінальний діапазон регульованої вихідної напруги в режимі тяги — 0…1850 В, діапазон регульованої вихідної частоти струму 0…150 Гц. Тяговий перетворювач включає два канали регулювання (рис. 6.20).
Кожен канал складається з мережного роз’єднувача із блоком попередньої зарядки, чотирьохквадрантного випрямляча, ланки постійної напруги (проміжного контуру), імпульсного інвертора. Кожен тяговий перетворювач електровоза підключається до двох тягових обмоток трансформатора. При цьому кожна тягова обмотка підключається до чотирьохквадрантного випрямляча (4QS). Підключення проводиться однофазними мережними роз’єднувачами.
Рис. 6.20 Принципова схема тягового перетворювача електровоза ДСЗ: 31…34 – конденсатори проміжного контуру; 331 …334 – конденсатори контуру, що відсмоктує; Q1S1, Q1S2 – мережний роз’єднувач; К4, К5 – контактор попередньої зарядки; L-SK – дросель контуру, що відсмоктує; R1.1, R1.2 – опір попередньої зарядки; R21.2…R21.5 – опір постійної розрядки проміжного контуру; R21.8 – опір постійної розрядки контуру, що відсмоктує; 4QS – чотириквадрантний випрямляч; PWR – імпульсний інвертор; V – модуль захисту.
Кожний з розєднувачів з єднаний перемичками із блоком попередньої зарядки, який складається з контактора попередньої зарядки й опору. При запуску перетворювача через нього заряджається конденсатор проміжного контуру перетворювача, перш ніж буде замкнутий мережний роз’єднувач. Мережний роз’єднувач включається, коли напруга проміжного контуру досягне 95 % теоретичного значення зарядки. Функцією чотирьохквадрантного випрямляча 4QS, є перетворення однофазної змінної напруги тягової обмотки трансформатора у задану постійну напругу проміжного контуру.
Також вас може зацікавити:
2006. ДС3 руководство по эксплуатации
Випрямляч 4QS складається із двох паралельно включених фазних модулів. Фазний модуль (рис. 6.21) містить силові напівпровідникові прилади (IGBT- транзистори), а також шунтувальні (захисні) діоди та розвантажувальні елементи, які виконують функцію потужного вимикача, що дозволяє виконувати комутаційні операції з великою частотою. Розвантажувальні елементи служать для зменшення потужності втрат, які виникають в IGBT-транзисторах при кожному процесі включення й вимикання
Рис. 6.21 Схема фазного модуля: V1, V2 – потужні IGBT-транзистори; С1, С2 – розвантажувальні конденсатори; L1, L2 – розвантажувальні котушки індуктивності; V3, V4 – шунтувальні (захисні) діоди; V5, V6 – розвантажувальні діоди; RB – розвантажувальний резистор; Р, N – вивід проміжних кіл; L – вивід навантаження.
Чотирьохквадрантний випрямляч управляє переміщенням потоку енергії й забезпечує регулювання кута зрушення фаз між напругою й струмом у чотирьох робочих квадрантах, за допомогою регулювання фази включення і черговості роботи IGBT-модулів. Електровоз може як споживати енергію з контактної мережі в тяговому режимі, так і віддавати енергію в мережу в режимі рекуперації. Зрушення фаз між струмом і напругою досягається за рахунок різного ступеня модуляції IGBT-модулів.
Напруга проміжного контуру вище, ніж амплітудне значення напруги вторинної обмотки трансформатора. Таким чином, чотирьохквадрантний випрямляч працює як підвищувальний випрямляч. Роль дроселя виконує обмотка головного трансформатора. Випрямляч 4QS працює таким чином, що вторинна обмотка трансформатора по черзі закорочується і підключається до проміжного контуру. При цьому виникає пульсація струму. За рахунок високої індуктивності обмотки трансформатора пульсація струму згладжується. Пульсації струму передаються на первинну сторону трансформатора.
Проміжний контур з’єднує вхідні випрямлячі з вихідними інверторами. Напруга проміжного контуру постійна і підтримується конденсатором проміжного контуру. За допомогою постійного струму, що протікає в проміжному контурі, здійснюється переміщення потоку енергії між входом і виходом тягового перетворювача. Потік енергії може бути спрямований як від входу до виходу (режим тяги), так і у зворотному напрямку (режим рекуперації). Потужність на виході тягового перетворювача повинна бути постійна в часі, однак потужність, одержувана від тягової мережі пульсує з подвійною частотою мережі.
Тому для нагромадження енергії необхідний проміжний буфер, що є присутнім у вигляді контуру відсмоктування. Резонансна частота контуру відсмоктування відповідає подвійній частоті мережі. Контур відсмоктування складається з конденсатора, який вбудований у шафу перетворювача, а дросель вбудований у тяговий трансформатор електровоза. Імпульсний інвертор PWR генерує з напруги проміжного контуру трифазну систему напруг.
На виході тягового перетворювача знаходяться два вихідних інвертори PWR, до кожного з яких підключений тяговий двигун. За допомогою імпульсного інвертора можна регулювати вихідну напругу і частоту. Таким чином, PWR являє собою регульоване джерело напруги. Імпульсний інвертор (рис. 6.22) складається із трьох фазових модулів аналогічних фазовим модулям чотирьохквадрантного випрямляча.
Рис. 6.22 Принципова схема інвертора частоти на IGBT-транзисторах.
IGBT-транзистори фазних модулів імпульсного інвертора, виконуючи функцію потужного високочастотного перемикача, дозволяють три вихідні клеми U, V та W з’єднувати з «+» або з «-» проміжного контуру за законом, обумовленим системою керування. У тяговому режимі ці перемикання проводяться із заданою регульованою частотою і фазою таким чином, що на вихідних клемах тягового перетворювача встановлюється трифазна синусоїдальна характеристика струму. Максимально можлива амплітуда вихідної напруги залежить від величини напруги проміжного контуру.
При рекуперативному гальмуванні тяговий двигун може працювати в режимі генератора. Інвертор PWR віддає енергію в проміжний контур, що передається через чотирьохквадрантний випрямляч назад у контактну мережу. Напруга на виході імпульсного інвертора не є синусоїдальною, а містить вищі гармоніки. Хоча струм і згладжується індуктивністю розсіювання тягового двигуна, у ньому все-таки присутні вищі гармоніки, які викликають коливальні моменти і втрати в тяговому двигуні.
За рахунок високої тактової частоти перемикань PWR пульсація струму мінімізується. У тяговий перетворювач вбудовані пристрій керування електроприводом (ASG), який управляє роботою чотирьохквадрантного випрямляча і імпульсного інвертора, а також забезпечує функції захисту від юза й буксування, і центральний пристрій керування (ZSG), який забезпечує керування електровозом.
Також вас може зацікавити:
Електрорухомий склад (електровози, електропоїзди) Електронний підручник (docx)