Статический полупроводниковый преобразователь для электроподвижного состава двойного питания

 

О П И С А Н И Е 242954

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Заявлено 18.11.1967 (№ 1134670/24-7) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 20.XI.1969. Бюллетень № 36

Дата опубликования описания 10.IV.1970

Кл. 201, 5

21d>, 12/03

МПК В 61п

Н 02m

УДК 621.314.58:621..335(088.8) Номитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

Авторы изобретения

Б, Н. Тихменев, А. В, Каменев и Г. Г. Гомола

Заявитель Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта

СТАТИЧЕСКИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЪ1Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ

ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

Широкое внедрение электрической тяти переменного тока на магистральных железных дорогах потребовало решения проблемы стыкования участков постоянного и переменного токов.

Стыкование посредством станций с переключаемой контактной сетью не решает этой проблемы полностью, так как во многих случаях сложность и высокая стоимость устройств для переключения сети вынуждают отказываться от стьп<ования на .сложных железнодорожных узлах. Кроме того, таким образом не решается вопрос сквозного движения окорых, пассажирских и моторвагонных поезд,ов.

Более целесообраз ным оказался другой вариант решения проблемы стыкования: создание электроподвижного состава двойного питания, способного работать от сети переменного и постоянного токов.

Однако известные схемы двойного питания, основанные на сочетании схем электроподвижного состава постоянного тока, в KQTOpbIx при меняется реостаpHbIH .пуск и регулирование скорости перегруппировкой тяговых двигателей, со схемами электроподвижного состава переменного тока, сложны и значительно у1дорожают стоимость электроаб орудования. Изоляция тяговых двигателей в та,ких схемах при режиме постоянного тока должна быть выполнена на полное напряжение сети. Возникают также трудности в размещении оборудования, особенно на моторных вагонах.

Выпускаемые для железных дорог ФРГ четырехсистемные электровозы Е 410 оборудованы преобразователями на тпристорах, которые при движении,по участкам постоянного тока преобразуют постоянньш ток кон1р тактной сети 3000 в или 1500 в в переменный ток частотой 100 2LI. Для питания тяговых двигателей переменный ток вновь преобразуется в,постоянный пониженного напряжения, регулируемого посредством трансформатора

15 и вы прямител",. г1о для такой схемы двойного преобразования необходимы отдельные инвертор и выпрямитель, выполненные каждый на полную мощность.

Помимо удвоения установленной мощности

2р преобразователя двойное преобразование вызывает существенное понижение его к.п.д.

Предлагаемый статический преобразователь с совмещенным инверторно-выпрямительным звеном и широтно-им пульсным ре25 гулираванием выходного напряжения, выполнен ный на тиристорах и кремниевых диодах, для электровозов и моторных вагонов двойного питания требует меньшей установленной мощности вентилей и трансформатора

Зр и может быть выполнен на базе электропод24Ж4 вижного состава переменного тока с возможностью использования одного и того же электрооборудования также и на постоянном токе. При этом тяговые двигатели в обоих случаях могут быть выполнены с корпусной изоляцией на 1,5 кв., т. е. половинное напряжение контактной сети постоянного тока.

Его особенность заключается в том, что инвертор и выпрямитель выполнены как одно звено на общих элементах, причем инверторная часть образована группой тиристоров, присоединенных анодами к одному полюсу всточника питанйя и катодами .к крайним выводам обмотки трансформатора. Выпрямительная часть образована группой диодов, присоединенных их анодами к другому полюсу и сточника питания и катодами к тем же выводам обмотки трансформатора. Тяговые двигатели включены между анодами диодов выпрямительной группы и средней точкой обмотки трансформатора.

Для обеспечения работы статического полупроводникового преобразователя в режиме питания от сети переменного тока тиристоры и диоды соединены по схеме управляемого выпрямительного .моста, на вход кото рого включена первичная обмотка трансформатора, а нагрузкой моста служат тяговые двигатели.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 — схема для режима постоянного тока; на фиг. 3 — то же, для режима переменного тока; на фиг. 4 — вариант схемы для сетей энергоснабжения.

При работе преобразователя в режиме постоя нного тока включаются контакты 1 — 9 и автомат 10, в режиме постоянного тока— контакты 11 — 18 и автомат 19.

Преобразователь в режиме постоянного тока (см. фиг. 2) работает следующим образом.

При отпирании тиристоров 20 и 21 первичный ток замыкается по цепи: токоприемник (плюс источника питания) через индуктивность 22, тиристор 20, полуобмотку АО трансформатора и нагрузку (группу тяговых двигателей 28 и группу двигателей 24) к «земле» (минус источника питания). Одновременно в полуобмотке ВО трансформатора возникает ответный, вторичный ток, практически такой же величины, замыкающийся через диод 25 и нагрузку. Таким образом, через нагрузку протекает двойной ток — сумма первичного и вторичного. В то же время через тиристоры

20 и 21 и индуктивность 2б перезаряжается коммутирующий конденсатор 27 полярностью, необходимой для последующего принудительного запирания ти ристора 20. Это происходит следующим образом.

При включении тиристоров 28 и 29 конденсатор 27 начинает разряжаться через тиристор 20 в его непроводящем направлении, тири стор 28 в прямом направлении и индуктивность 2б. В результате первичный ток коммутирует с тиристора 20 на тиристор 28. Конденсатор теперь продолжает разряжаться Через тиристоры 28, 29 и индуктивность 2б.

В течение времени, когда тиристор 29 проводит ток, прямое падение напряжения на нем

5 является обратным для тиристора 20 и запирает его.

Цепь первичного тока в процессе коммутации проходит через индуктивности 22 и 2б, конденсатор 27, тиристор 28, полуобмотку АО

10 трансформатора и нагрузку. При этом конденсатор перезаряжается и, когда ток в индуктивности 2б .меняет свое направление, тиристо р 28 запирается. Первичный ток прекращается, а ток в нагрузке сохраняется, замы15 каясь по двум параллельным цепям: через диод 25 — полуобмотку ВО и через диод

80 — пол уобмотку А О.

При включении тиристоров 81 и 82 другого плеча преобразователя первичный ток замы20 кается по цепи: от токоприемника через индуктивность 22, тиристор 81, полуобмотку ВО трансформатора,и нагрузку к «земле». Вторичный ток возникает теперь уже в полуоб>rome АО и замыкается через диод 80 и на25 грузку. Одновременно через тиристоры 81 и

82 и индуктивность 2б перезаряжается коммутирующий конденсатор 27 полярностью, необходимой для последующего принудительного запирания тиристора 81.

30 Принудительное запирание тиристора 81 достигается за счет разряда конденсатора 27 при включении тиристоров 33 и 34. Процессы запирания и восстановления тиристора 81 в другом плече преобразователя, а также про35 текание первичного и вторичного токов подобны процессам, описанным при запирании тиристора 20.

Таким образом, при питании преобразователя от сети постоянного тока тиристоры 20

40 и 81 работают в инверторном режиме, а диоды 25 и 80 — ia выпрямительном, причем как через тиристары 20 и 81, так и через диоды

25 и 80,протекает половина тока нагрузки.

В то же время к нагрузке прикладывается

45 половина питающего напряжения, а другая половина прикладывается к полуобмотке АО или ВО трансформатора.

В этом режиме преобразователь является делителем питающего напряжения в отноше50 нии 2: 1, что позволяет изолировать тяговые двигатели на электроподвижном составе двойного питания на половину напряжения сети.

Пуск тяговых двигателей и выход на номи55 нальную характврис пику осуществляется импульсным регулированием выходного напряжения преобразователя.,Посредством изменения момента запирания тиристоров 20 и 81 изменяют длительность открытого состояния

60 этих тиристоров, а следовательно, и среднюю величину выпрямленного напряжения.

В результате этого достигается широтно:импульсное регулирова ние выходного напряжения, при котором основной поток в транс65 форматоре изменяется с частотой 50 гц, в то

242954

65 время ка к реактивные элементы 22 и 85 входното фильтра и элементы 26 и 27 коммутирующего звена работают при повышенной частоте (частоте управления), что позволяет уменьшить их габариты и!вес. Таким образом, при питании преобразователя от сети постоянного тока к зажимам А и В обмоток трансформатора прикладывается напряжение сети переменно меняющейся .полярности (с частотой 50 ги), а тяговые двигатели питаются выпрямленным напряжением, регулируемым от нуля до половины напряжения сети.

На режим питания от сети, переменного тока преобразователь переводится выключением контактов 1 — 9,и автомата 10 и включением контактов 11 — 18 переключателя и автомата 19.

В результате этих переключений преобразователь превращается в управляемый мостовой выпрямитель (см. фиг. 3) с заземленной средней точкой нагрузки (трупп тяговых двигателей).

Источником питания в схеме теперь уже является вторничная обмотка АВ трансформатора.

Схема работает следующим образом.

На высшей ступени регулирования преобразователь работает как обычный выпрямитель. В течение одного .полупериода напряжения трансформатора ток натрузки протекает через ти!ристор 20 и диод 25, а в течение другого — через тиристоры 81 и диод 80, Тяговые двигатели запускаются и скорость их регулируется также широтно-импульсным регулированием выпрямленного напряжения путем многократного отпирания и принуд ительного запирания в течение одного полупериада напряжения тиристора 20, а в течение друтого — тиристора Л. Причем для обеспечения непрерывности тока тяговых двигателей используются те же тиристоры 20 и 31 при непроводящем для них полупериоде напряжения трансформатора. Достигается это следующим образом. При открытом тиристоре 81 ток нагрузки замыкается через этот тиристор, обмотку ВА и диод 80. Для принудительного запирания тиристора 81 включаются вспомогательные тиристоры 38 и 84. Одновременно с этим подается управляющий импульс на отпирание основного ти ристора 20 противоположного плеча, преобразователя. При этом тиристор 20 пока не проводит ток, так как напряжение трансформатора является для него обратным.

Конденсатор 27 разряжае1ся и заряжается, а тиристор Л запирается так же, как и ранее. При перезарядке конденсатора 27, когда потенциал анода и катода тиристора 20 становится равен 0 и более, ток в нагрузке замыкается через тиристор 20 и диод 80. По этой цепи ток протекает до .повторного включения тиристоров 81 и 82. Тогда ток снова коммутирует в цепь: тиристор 81, обмотка

ВА, диод 30, тяговые двигатели 28 и 24. Одновременно через тиристор 32 перезаряжает5

45 ся конденсатор 27 полярностью, необходимой для последующего принудительного запирания тиристора 81. Такое включение и запирание тиристора производятся, как уже говорилось, многократно в течение данного полупериода напряжения трансформатора. В следующем полупериоде также многократно включается и за пирается тиристор 20 — в другом плече преобразователя, а цепь для непрерывности тока двигателей создается через тиристор Л и диод 25 в те интервалы времени, когда закрыт тиристор 20.

Выход все напряжение от нуля и до номинального регулируется также изменением момента запирания основных тиристоров 20 и

81, а следовательно, и продолжительности их включенного состояния.

При использовании предлагаемого йреобразователя только для преобразования постоянного тока в постоянный его схема будет аналогична схеме на фиг. 2, в которой тиристоры 21, 29 и 82, 34 могут быть заменены неуправляемыми кремниевыми диодами.

Если не требуется регулирование выходного,напряжения преобразователя (преобразовательные подстанции сетей электроснабжения промышленности и транспорта), предлагаемый преобразователь может применяться, как статический делитель постоянного тока.

Он представляет собой совмещенный инвертор-выпрямитель с постоянной емкостью конденсатора (см. фиг. 4), котором обеспечивается работа тиристорного автономного инвертора с конденсатором постоянной емкости в широком диапазоне нагрузки, а также режим холостого хода и предотвращается повышение напряжения на элементах схемы сверх величины .питающего напряжения. Для этого к крайним выводам обмотки АВ присоединены встречно-включенные тиристоры 20, Л и диоды 80, 25, причем тиристоры 20, 81 через общую индуктивность 86 соединены с диодами 87, 88, и диоды 25, 30 через свою общую индуктивность 89 соединены с тиристорами

40, 41 инвертора.

Предмет изобретения

1. Статический полупроводниковый преобразователь для электроподвижното состава двойного пигания, содержащий трансформ атор, выпрямитель и инвертор, подсоединенные ко вторичной обмотке указанного трансформатора, нагрузку в виде тяговых двигателей и коммутирующие аппараты, отличаюш,ийся тем, что, с целью упрощения электрооборудования, инвертор и выпрямитель выполнены как одно звено на общих элементах, причем инверторная часть образована группой тиристоров, присоединенных анодами и одному полюсу источника питания и катодами — к крайним выводам обмотки трансформатора, выпрямительная часть образована группой диодов,,присоединенных их анодами к другому полюсу источника питания и катодами к тем же выводам обмотки трансформа242954 тора, а тяговые двигатели включены между анодами диодов выпрямительной,группы и средней точкой обмотки трансформатора.

2. Статический полупроводниковый лреобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеопечения работы в режиме питания от сети переменного тока, указанные тири.сторы и диоды соединены по схеме управляемого выпрямительного моста, на вход которого включена первичная обмотка трансфор,матора, а нагрузкой моста служат тяговые двигатели.

242954

Редактор Л. А. Ильина Техред 3. Н. Тараненко Корректор Л, И. Гаврилова

Заказ 735/8 Тираж 480 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Миииетров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2