ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится асинхронным тяговым приводам на основе инверторов тока и предназначено для использования, например, в электропоездах.

В известных схемах силовых цепей электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями на основе автономных инверторов напряжения характерно использование быстродействующих тиристоров со временем выключения 50…63 мкс или запираемых тиристоров, быстровосстанавливающихся диодов со временем обратного восстановления до 10 мкс, частотных коммутирующих конденсаторов и коммутирующих реакторов с высокой добротностью для узлов принудительной конденсаторной коммутации. Тиристоры и диоды должны быть рассчитаны на импульсные токи, в 3…4 раза превышающие средние значения. Скорости нарастания напряжения могут достигать 500…1000 В/мкс, а скорость изменения тока — 50…100 А/мкс. Для ограничения скоростей изменения токов и напряжений необходимо применять специальные средства, которые могут в 1,5 раза увеличить повторяющиеся напряжения на полупроводниковых приборах преобразователя.

Для схем с автономными инверторами напряжения характерно тяжелое протекание аварийных режимов при «опрокидывании» инвертора, так как при этом конденсатор фильтра разряжается на аварийную фазу, а асинхронный двигатель переходит в режим трехфазного короткого замыкания со всеми вытекающими из этого последствиями. Простота схем тягового привода с использованием автономных инверторов напряжения встречает определенные трудности в обеспечении электромагнитной совместимости с системой энергоснабжения, сигнализации, связи и железнодорожной автоматики. Так, масса фильтра (конденсатора и реактора) может в 1.5…2 раза превышать массу непосредственно преобразователя частоты.

Известны асинхронные тяговые приводы на основе инверторов тока. В тяговых приводах с инверторами тока упомянутые недостатки устранены.

В схемах с автономными инверторами тока могут использоваться тиристоры и диоды среднего и малого быстродействия со временем выключения тиристоров 300…500 мкс. Тиристоры и диоды нагружены прямоугольными импульсами тока с амплитудой, не превышающей среднего значения тока промежуточного звена постоянного тока. Скорость изменения прямого напряжения на тиристорах и обратного напряжения на диодах не превышает 10…50 В/мкс, а скорость изменения тока может быть ограничена величиной 30-50 А/мкс. Коммутирующие конденсаторы могут быть среднечастотными со временем полного перезаряда 0,5…1,5 мс. Одним из основных недостатков схем с автономными инверторами тока является наличие больших перенапряжений на его элементах, превышающих в 2…3 раза напряжение на двигателе, что требует применения высоковольтных тиристоров, диодов и конденсаторов. Однако аварийные режимы в схеме с автономными инверторами тока имеют более легкий характер протекания, так как включенный последовательно с инвертором реактор ограничивает скорость нарастания аварийного тока, а асинхронный двигатель не подвергается воздействию ударных токов короткого замыкания.

Хотя схема автономного инвертора тока является предельно простой, для асинхронного тягового привода необходим дополнительный входной преобразователь, что в целом усложняет преобразовательную установку. Наличие входного преобразователя, хотя и увеличивает установленную мощность электрооборудования, тем не менее, вносит в процесс преобразования энергии ряд положительных моментов: снижается или полностью устраняется влияние изменения напряжения в контактной сети на работу выходного преобразователя (инвертора); снижается мешающее влияние выходного преобразователя на питающую сеть; имеется возможность понизить напряжение на выходных преобразователях, обеспечив наилучшее согласование напряжения в промежуточном звене с предельными параметрами; упрощается решение вопросов защиты тягового привода от аварийных режимов. И, хотя масса и габариты непосредственно преобразователя на основе автономного инвертора тока больше, чем на основе автономного инверторе, напряжения, суммарные массы электрооборудования при равной мощности нагрузки в двух вариантах оказываются практически равными.

Наиболее часто используют автономные инверторы тока для городского электрического транспорта (трамваи, троллейбусы, метро), а также электропоездов городской железной дороги и пригородных электропоездов.

Известно, что фирма AEG — Telefunken в 1979-80 г. г. переоборудовала двухчастотный электровоз Государственных железных дорог ФРГ серии 182001 для испытаний электрооборудования тягового привода с асинхронными двигателями и преобразователями на основе автономного инвертора тока [1]. В качестве входного преобразователя использован уже опробованный на электроподвижном составе с коллекторными двигателями выпрямитель по двухполупериодной мостовой схеме с полууправляемыми плечами и искусственной коммутацией. Эта схема позволяет без дополнительных затрат на силовые полупроводниковые приборы или коммутирующие цепи переключаться в тормозной режим с резисторным регулятором. Считалось, что рекуперативное торможение при дополнительных затратах на тиристоры и электронику управления дает при работе электровоза малую экономию энергии. Поэтому от режима рекуперативного торможения сознательно отказались. Тяговый трансформатор имеет соответствующие отпайки для возможности работы электровоза от контактной сети переменного напряжения 15 кВ, 16 2/3 Гц и 25 кВ, 50 Гц. Другим достоинством принятой схемы выпрямителя является возможность использования второго моста преобразователя в режиме торможения для возбуждения асинхронного двигателя.

Для прямого переключения из режима тяги в режим торможения ток в промежуточном звене сохраняют на короткое время с помощью регулятора тока. При таком переключении возможно обеспечить появление тормозном силы за время менее чем 1 с. Тормозной регулятор работает с постоянной частотой 44 Гц. Диапазон регулирования величины тормозного резистора — от 95% до 5% его номинального значения.

В автономном инверторе тока использовано последовательное соединение двух среднечастотных тиристоров. В настоящее время возможно уменьшение до одного мощного тиристора.

Преобразовательная установка на основе автономного инвертора тока из-за своей простоты конструкции и малой стоимости дает хорошие предпосылки для возможно более экономичного внедрения асинхронных тяговых двигателей на электроподвижном составе.

Известен электровоз «Шкода» третьего поколения — заводской прототип 85ЕО с асинхронными тяговыми двигателями [2]. Питание осуществляется от контактной сети постоянного напряжения 3 кВ. Компоновка преобразователей определяется при мощности тягового двигателя 800-900 кВт оптимальным выбором параметров силовой части привода при использовании минимального количества полупроводников. Принята схема, в которой два асинхронных двигателя одной тележки питаются от одного инвертора. Схемы питания двигателей обеих тележек выполнены одинаковыми. Общим является входной фильтр. Кроме входных импульсных прерывателей, автономных инверторов тока и асинхронных тяговых двигателей, в схему включены сглаживающие реакторы в промежуточных звеньях, коммутирующие конденсаторы преобразователей, а также входной фильтр с тиристорной защитой короткого замыкания и соответствующие контакторы. Такая схема обеспечивает также работу привода в тормозном режиме при реостатном торможении, а в случае необходимости может быть введено и рекуперативное торможение.

Для электровоза «Шкода» предполагается применение асинхронных тяговых двигателей в двух вариантах исполнения. В первом варианте используется тихоходный двигатель с непосредственным приводом оси колесной пары без редуктора и мощностью длительного режима 650…700 кВт. Во втором варианте применяется быстроходный асинхронный двигатель с одноступенчатым редуктором и мощностью 800…900 кВт.

Полупроводниковые преобразователи охлаждаются маслом. Конструктивно преобразователи состоят из двух блоков с самостоятельной системой охлаждения. В импульсных прерывателях применяются быстродействующие главные и коммутирующие тиристоры по 5 последовательно. В инверторах включены последовательно 5 тиристоров и 4 диода. В общей сложности в преобразователе одной секции электровоза установлено 50 тиристоров и 32 диода, в локомотиве в целом — 100 тиристоров и 64 диода.

В схему преобразователей входят также соответствующие элементы (дроссели, конденсаторы) и цепи защиты полупроводниковых приборов с принудительным воздушным охлаждением. Широтно-импульсное регулирование входных преобразователей производится с частотой 100 и 300 Гц. Выходная частота тока инверторов изменяется в диапазоне 0,5…75 Гц (или 0,5…120 Гц) при максимальной скорости электровоза 120 км/ч.

Известны электропоезда фирмы Ganz с асинхронными двигателями, питаемыми от инверторов тока [2]. В 1989 г. в Венгрии были введены в эксплуатацию 10 четырехвагонных электропоездов с одним моторным вагоном, рассчитанных на питание от контактной сети переменного напряжения 25 кВ, 50 Гц. Использован групповой привод двух осей тележки одним асинхронным двигателем. Мощность тяговых двигателей (двух) моторного нагона составляет 1444 кВт. Максимальная скорость электропоезда равна 120 км/ч. Пятиплечий двухзонный управляемый выпрямитель, выполненный с воздушным охлаждением, обеспечивает в промежуточном звене номинальное напряжение 772 В и номинальный ток 1250 А. Масса выпрямителя — 920 кг, а автономного инвертора тока — 950 кг. При пуске поезда для снижения пульсации момента асинхронного тягового двигателя применяется специальный метод регулирования преобразователя «интертакт» при изменении частоты тока статора от 0,5 до 6 Гц. С помощью модуляции выходного тока выпрямителя по заданному закону внутри тактов работы инвертора достигается уменьшение пульсации электромагнитного момента тягового двигателя.

Известен электропоезд серии Z20500 (Франция) [3] с асинхронными тяговыми двигателями, рассчитанными на питание от контактной сети переменного напряжения 25 кВ, 50 Гц и постоянного напряжения 1,5 кВ. Преобразование параметров электрической энергии выполняется по традиционной двухступенчатой схеме: импульсный прерыватель — автономный инвертор тока.

В случае питания от контактной сети переменного тока роль источника постоянного напряжения выполняет выпрямитель, обеспечивающий на входе импульсного прерывателя постоянное напряжение 1,5 кВ. Выпрямитель выполнен в виде двух встречно-параллельно включенных однофазных «мостов» для обеспечения тягового и рекуперативного режимов работы и подключен ко вторичной обмотке трансформатора мощностью 1700 кВА. Масса трансформатора — 2410 кг. Особенностями схемы являются:

— последовательное соединение инверторов тока с целью снижения напряжения на коммутирующих конденсаторах;

— введение в схему импульсного прерывателя «нониусного» тиристора, обеспечивающего «амплитудное» регулирование напряжения на выходе прерывателя и расширяющего диапазон регулирования напряжения;

— использование тормозного тиристора, позволяющего осуществлять бесконтакторный переход из режима тяги в режим торможения.

Применение «нониусного» тиристора позволило поднять частоту работы импульсного прерывателя до 600 Гц без ухудшения регулировочных свойств преобразователя.

На моторном вагоне электропоезда установлено 4 тяговых двигателя мощностью 375 кВт каждый при частоте вращения 1460 об/мин. Максимальная частота вращения — 3355 об/мин. Масса двигателя 1380 кг, что на 460 кг меньше, чем аналогичного двигателя постоянного тока.

Двигатели каждой тележки соединены последовательно через инверторы и подключены через реакторы 5 мГн к импульсному прерывателю. Питание двигателей второй тележки осуществляется аналогично. Входной индуктивно-емкостной фильтр установлен один на вагон и используется при работе от контактной сети постоянного 1,5 кВ и переменного 25 кВ напряжения. Индуктивность входного реактора 9,5 мГн. Для снижения пульсации момента при низких скоростях используется широтно-импульсная модуляция тока с переменной кратностью от 36 при V=0 км/ч до 12 при V=12,5 км/ч. Конструктивно все оборудование выполнено в виде ряда блоков по функциональному признаку.

Известна схема силовых цепей электропоезда Венского метро [3], в которой импульсный прерыватель выполнен полностью на запираемых тиристорах. Кроме того, ключ регулятора тормозного резистора также выполнен на запираемом тиристоре. Импульсный прерыватель рассчитан на максимальный ток 1120 А и длительный 720 А. Частота коммутаций прерывателя составляет 250 Гц. Автономный инвертор тока имеет на выходе максимальное напряжение 700 В и ток 875 А при изменении частоты тока статора в диапазоне 0,2…200 Гц. Максимальная мощность четырех асинхронных тяговых двигателей, подключенных к одному инвертору, составляет 570 кВт. Типовая мощность инвертора равна 760 кВА.

Среди отечественных разработок подвижного состава однофазного напряжения промышленной частоты с АТД следует отметить электропоезд ЭН3, выпущенный Новочеркасским электровозостроительным заводом [4].

В силовой схеме моторного вагона электропоезда ЭН3 тяговый электропривод включает в себя две силовые преобразовательные установки, питающие тяговые двигатели каждой тележки. Преобразовательная установка одной тележки состоит из выпрямительно-инверторного преобразователя ВИП1 (ВИП2) и инвертора тока с отсекающими диодами АИТ1 (АИТ2). Входные и выходные преобразователи силовой схемы выполнены на базе отечественных тиристоров и диодов и содержат узлы принудительной коммутации. Каждая преобразовательная установка имеет свою собственную функционально независимую систему автоматического регулирования. Защита электрооборудования от токов короткого замыкания и отключение при неисправностях осуществляется главным выключателем QF1. Для снижения уровня радиопомех, создаваемых при работе электрооборудования, во входную цепь включены дроссель L1 и фильтр Z1. Преобразовательная установка одной тележки питается от собственной вторичной обмотки тягового трансформатора Т1 через разъединители QS1, QS2. В цепь между выпрямителем и инвертором включены сглаживающие реакторы L 2, L3 и быстродействующие выключатели QF2, QF3. Схема электропривода обеспечивает разгон электропоезда с переходом из одной зоны регулирования ВИП в другую при плавном изменении силы тяги и рекуперативного торможения.

Последняя разработка может служить в качестве прототипа предлагаемому устройству.

Задачей, решаемой предлагаемой схемой асинхронного тягового привода, является улучшение характеристик устройства.

Для решения поставленной задачи асинхронный тяговый привод электропоезда, содержащий асинхронные тяговые электродвигатели, снабжен системой питания с инверторами тока.

На фиг.1 изображена схема асинхронного тягового привода, на фиг.2 представлен алгоритм тиристорного прерывателя (ТП1) в режиме фазоимпульсной модуляции, а на фиг.3 — результаты математического моделирования ТП1 в режиме фазоимпульсной модуляции. На фиг.4 представлен алгоритм ТП1 в режиме широтно-импульсного регулирования, а на фиг.5 — результаты математического моделирования ТП1 в режиме широтно-импульсного регулирования.

 http://www.ntpo.com/paten...s_6/electronics_478.shtml