Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи

Подождите немного. Документ загружается.

Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет)

Таблица 20.1 Результаты анализа токов и напряжений

входного преобразователя при напряжении питания 3 кВ

Напряжение контактной сети, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

2953.730

2957.511

2948.269

Ток контактной сети, А

Максимальное значение, А

Минимальное значение, А

459.575

478.798

449.768

Напряжение конденсатора С

, В 1469.039

Частоты гармоник, Гц

450.00

Действующие значения

30.414

Фазы, гр.

-175.3744

Напряжение конденсатора С

, В 1476.979

Частоты гармоник, Гц

450.00

Действующие значения

30.651

Фазы, гр.

4.2952

Ток конденсатора С

, А 407.566

Частоты гармоник, Гц

450.00

900.00

1350.00

1800.00

Действующие значения

362.591

72.635

100.966

65.643

Фазы, гр.

-86.1280

72.9778

89.2155

-97.3600

Ток i

сглаживающего дросселя, А 818.691

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения

42.638

18.452

Фазы, гр.

177.1239

1.0171

Напряжение конденсатора С

, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

1648.645

1692.311

1603.649

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения

19.358

4.103

Фазы, гр.

87.4921

-88.4548

Ток конденсатора С

, А 49.535

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения

43.794

18.565

Фазы, гр.

177.1755

1.0226

Ток нагрузки, А 818.677

Напряжение управления u

, о.е. 0.561

Таблица 20.1 получена в результате анализа токов и напряжений в установившемся режи-

ме работы входного преобразователя при напряжении контактной сети 3 кВ. Как видно из

табл. 20.1, при частоте опорного напряжения 450 Гц частота наибольших гармонических состав-

ляющих в токе и напряжении на выходе равна 900 Гц.

При увеличении напряжения контактной сети от 3 кВ до 4 кВ

возникает переходный про-

цесс, при котором увеличиваются также напряжения конденсаторов u

rc1

, u

rc2

и выходное напряже-

ние преобразователя u

rc3

. При этом, как видно из рис. 20.4, на короткое время в работу включаются

цепи защиты от перенапряжений, в которых протекают токи i

, i

и i

После затухания переходного процесса устанавливается режим работы входного преобра-

зователя при напряжении контактной сети около 4 кВ. Для этого режима в таблице 20.2 представ-

лен результат анализа токов и напряжений.

151

М.В.Пронин, А.Г.Воронцов

Таблица 20.2 Результаты анализа токов и напряжений

входного преобразователя при напряжении питания 4 кВ

Напряжение контактной сети, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

3965.646

3973.501

3957.458

Ток контактной сети, А

Максимальное значение, А

Минимальное значение, А

347.313

363.596

315.668

Напряжение конденсатора С

, В 1982.959

Частоты гармоник, Гц

450.00

Действующие значения

30.622

Фазы, гр.

176.6467

Напряжение конденсатора С

, В 1982.989

Частоты гармоник, Гц

450.00

Действующие значения

30.399

Фазы, гр.

-3.3846

Ток конденсатора С

, А 412.134

Частоты гармоник, Гц

450.00

900.00

1350.00

1800.00

Действующие значения

362.371

98.579

88.686

79.596

Фазы, гр.

-94.1450

-108.6976

99.5115

85.4483

Ток i

сглаживающего дросселя, А 826.661

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения

73.037

29.813

Фазы, гр.

5.0182

-175.5843

Напряжение конденсатора С

, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

1652.548

1735.288

1590.991

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения

33.141

6.635

Фазы, гр.

-84.5052

94.6746

Ток конденсатора С

, А 82.830

Частоты гармоник, Гц

900.00

1800.00

Действующие значения

74.960

30.023

Фазы, гр.

5.0710

-175.5794

Ток нагрузки, А 826.783

Напряжение управления u

, о.е. 0.419

Аналогичный расчет выполнен для случая изменения напряжения контактной сети от 3 кВ

до 2,2 кВ. Результаты расчета представлены на рис.

20.5 и в таблице 20.3.

Рис. 20.5 Напряжения и токи преобразователя при скачке напряжения сети от 3кВ до 2,2кВ

152

Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет)

После затухания переходного процесса устанавливается режим работы входного преобра-

зователя при минимальном напряжении контактной сети, равном 2200 В. Результаты анализа то-

ков и напряжений установки в этом режиме работы представлены в таблице 20.3.

Таблица 20.3 Результаты анализа токов и напряжений

входного преобразователя при напряжении питания 2,2 кВ

Напряжение контактной сети, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

2136.059

2138.398

2133.203

Ток контактной сети, А

Максимальное значение, А

Минимальное значение, А

639.427

639.812

639.043

Напряжение конденсатора С

, В 1044.595

Частоты гармоник, Гц

450.00

Действующие значения

19.944

Фазы, гр.

-172.3107

Напряжение конденсатора С

, В 1085.099

Частоты гармоник, Гц

450.00

Действующие значения

19.905

Фазы, гр.

5.2895

Ток конденсатора С

, А 348.986

Частоты гармоник, Гц

450.00

900.00

1350.00

Действующие значения

237.750

192.821

107.150

Фазы, гр.

-82.9096

78.1852

-69.2871

Ток i

сглаживающего дросселя, А 820.990

Частоты гармоник, Гц

900.00

Действующие значения

78.435

Фазы, гр.

-172.0708

Напряжение конденсатора С

, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

1649.986

1710.950

1599.181

Частоты гармоник, Гц

900.00

Действующие значения

35.591

Фазы, гр.

98.2693

Ток конденсатора С

, А 81.786

Частоты гармоник, Гц

900.00

Действующие значения

80.531

Фазы, гр.

-172.0222

Ток нагрузки, А 820.990

Напряжение управления u

, о.е. 0.778

К числу основных режимов работы входного преобразователя постоянного напряжения

относится также режим торможения двигателей, при котором осуществляется рекуперация энер-

гии в питающую сеть. На рис.

20.6 представлен процесс перехода системы из режима тяги в ре-

жим торможения. В режиме тяги напряжение контактной сети 3 кВ, мощность нагрузки 1355 кВт.

В режиме торможения напряжение сети и мощность сохраняются, но изменяется направление пе-

редачи энергии. В математической модели переход из одного режима в другой происходит за вре-

мя 0,1 с путем

изменения ЭДС в цепи нагрузки от 1239,5 В до 2064,5 В.

153

М.В.Пронин, А.Г.Воронцов

Рис. 20.6 Напряжения и токи входного преобразователя

при переходе из режима тяги в режим торможения

154

Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет)

§ 21 Статический преобразователь

собственных нужд поездов постоянного напряжения

На электропоездах для питания осветительных сетей, обогревателей, двигателей компрес-

соров и других нагрузок используются преобразователи собственных нужд. Эти устройства полу-

чают электроэнергию от высоковольтных контактных сетей, напряжение которых изменяется в

широких пределах, и обеспечивают питанием стабилизированные электрические сети поездов.

Одно из возможных технических решений – статический преобразователь собственных

нужд. На рис.

21.1 представлена расчетная схема преобразователя собственных нужд, который

может использоваться на электропоездах ЭД6 (работа выполнялась «Лабораторией преобразова-

тельной техники» с участием РАО ВСМ, ФГУП ЦНИИ СЭТ и др.).

rd1

ld1

idi

ic3

rc3

ii3ii2ii1

ki1 ki2 ki3

ii4 ii5 ii6

rн

lн

rф

cф

lф

iф3

rф

iф1

lф

cф

rф

iф1

lф

cф

lдр

rдр

iн3

iн2

iн1

uн1

uн2

uн3

ls2

lm,rm

ls1

ik3

ik2

ik1

ik4

ic1

ic2

ls3

rd2

ld2

rc4

ic4

Нагрузка 110 В

Нагрузка

380 В

50 Гц

urc3 uнnИУ ИУ

Система регулирования напряжения ~380 В, 50 Гц

Система регулирования напряжения =110 В

ИУ

rc4

kk1

kk2

Рис. 21.1 Расчетная схема статического преобразователя

собственных нужд для электропоезда ЭД6

В рассматриваемом случае преобразователь получает питание от контактной сети посто-

янного напряжения 3 кВ. Напряжение контактной сети изменяется в пределах от 2,2 кВ до 4 кВ.

Преобразователь имеет мощность 80 кВт. Он обеспечивает питанием сеть постоянного напряже-

ния 110 В и трехфазную сеть переменного напряжения 380 В, 50 Гц. В преобразователе с помо-

щью трансформатора обеспечивается гальваническая развязка

сетей 3 кВ, 380 В и 110 В. Для

уменьшения массы и габаритов трансформатора он выполняется на повышенную частоту

(1000 Гц).

В расчетной схеме контактная сеть представлена источником ЭДС e

, индуктивностью l

активным сопротивлением r

. Контактная сеть имеет напряжение u

и ток i

На входе преобразователя имеется дроссель с индуктивностью l

, равной 0,0055 Гн, и ак-

тивным сопротивлением r

Напряжение контактной сети преобразуется в однофазное переменное напряжение вход-

ным трехуровневым транзисторным инвертором. Входной инвертор содержит четыре транзистора

с обратными диодами, конденсаторы и другие элементы. В конденсаторах учитываются емкости c

и c

(по 600 мкФ) и активные сопротивления r

. Транзисторы включаются по два последовательно

в каждом плече входного инвертора. Напряжение между ними распределяется с помощью вход-

ных конденсаторов, точка соединения которых с помощью диодов объединяется с точками соеди-

нения друг с другом транзисторов. Состояния транзисторов и обратных диодов описываются

155

М.В.Пронин, А.Г.Воронцов

функциями k

и k

. Входной инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции с час-

тотой опорных напряжений порядка 1000 Гц.

Во входном инверторе параллельно конденсаторам включены также защитные резисторы

(в схеме рис.

21.1 они не показаны). Управление этими резисторами осуществляется с помощью

транзисторов.

Выходное напряжение входного инвертора подается на однофазный трехобмоточный

трансформатор. В трансформаторе учитываются активные сопротивления обмоток r

, r

, индук-

тивности рассеяния обмоток l

, l

, индуктивность намагничивания l

, активное сопротивление

ветви намагничивания r

, коэффициент трансформации от 1 обмотки ко 2 обмотке k

тр12

, коэффи-

циент трансформации от 1 обмотки к 3 обмотке k

тр13

. Трансформатор имеет напряжения обмоток

, u

, токи обмоток i

, i

, ток намагничивания i

. В первой обмотке трансформатора 17 вит-

ков, во второй обмотке 11 витков, в третьей обмотке 2 витка.

Напряжение третьей обмотки трансформатора преобразуется диодным мостовым выпря-

мителем в постоянное напряжение питания сети 110 В. Напряжение этой сети фильтруется lc-

фильтром. В дросселе фильтра учитывается индуктивность l

(0,0012 Гн) и активное сопротивле-

ние r

. В дросселе протекает ток i

. В конденсаторе фильтра учитывается емкость с

(1000 мкФ) и

активное сопротивление r

. В конденсаторе протекает ток i

Нагрузка сети 110 В представлена активно-индуктивным сопротивлением с индуктивно-

стью l

и активным сопротивлением r

. В нагрузке протекает ток i

. Напряжение этой нагрузки u

110

Напряжение второй обмотки трансформатора преобразуется диодным мостовым выпрями-

телем в постоянное напряжение порядка 630 В. При этом выпрямленное напряжение фильтруется

lc-фильтром. В дросселе фильтра учитывается индуктивность l

(0,01 Гн) и активное сопротивле-

ние r

. В дросселе протекает ток i

. В конденсаторе фильтра учитывается емкость с

(800 мкФ) и

активное сопротивление r

. В конденсаторе протекает ток i

. Конденсатор имеет напряжение u

rc3

Параллельно конденсатору c

включен защитный резистор r

. Управление этим резистором

осуществляется с помощью транзистора, состояние которого описывается функцией k

. Уставка

включения защитного резистора 700 В.

Постоянное напряжение u

rc3

преобразуется в трехфазное переменное напряжение 380 В,

50 Гц транзисторным инвертором. Состояния ключей инвертора описываются функциями k

Входной ток транзисторного моста i

, токи в плечах моста i

(n=1, 2,…6). Напряжения на выходе

инвертора u

, токи на выходе i

(n=1, 2, 3). Выходной инвертор работает в режиме широтно-

импульсной модуляции с частотой пилообразного напряжения порядка 2000 Гц.

Выходное напряжение инвертора фильтруется трехфазным lc-фильтром. В дросселе

фильтра учитываются индуктивности фаз l

др

(2х0,0004 Гн) и активные сопротивления фаз r

др

. В

цепях конденсаторов учитываются емкости c

(54 мкФ), активные сопротивления r

и «паразит-

ные» индуктивности проводов l

. В этих цепях протекают токи i

фn

(n=1, 2, 3).

Сеть 380 В, 50 Гц имеет фазные напряжения u

нn

. Симметричная нагрузка этой цепи пред-

ставлена индуктивностями l

и активными сопротивлениями r

. В симметричной нагрузке в фазах

протекают токи i

нn

В расчетной схеме учитывается также однофазная нагрузка, которая представлена индук-

тивностью l

и активным сопротивлением r

. В этой нагрузке протекает ток i

В системе регулирования преобразователя обеспечивается стабилизация напряжения сети

110 В путем воздействия на напряжения управления однофазного входного инвертора. Стабилиза-

ция напряжения сети 380 В обеспечивается путем воздействия на напряжения управления трех-

фазного выходного инвертора.

Номинальная мощность нагрузки преобразователя в цепи 110 В равна 17 кВт. Номиналь-

ная мощность нагрузки преобразователя в цепи 380 В равна

63 кВт.

Математическое описание схемы рис.

21.1 выполнено при разделении ее на взаимосвязан-

ные подсхемы.

Одна из операций разделения исходной схемы на части заключается в замене трехфазной

нагрузки зависимыми источниками напряжения в соответствии с формулой:

.3,2,1, =+= n

liru

нn

ннnннn

(21.1)

Далее осуществляется перенос зависимых источников u

нn

в фазы инвертора, в фазы емко-

стного фильтра и в ветви однофазной нагрузки.

156

Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет)

Дальнейшее разделение схемы на части выполняется при замене конденсаторов зависи-

мыми источниками напряжения u

rcn

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

∆

cncncnrcn

cncn

iruu

(21.2)

где номер фильтра постоянного напряжения в схеме n=1, 2, 3, 4, u

– напряжение емкости фильт-

ра, ∆t – шаг интегрирования.

Зависимый источник напряжения u

rc1

переносится в ветвь входного дросселя l

и в ветвь

верхнего транзистора входного инвертора.

Зависимый источник напряжения u

rc2

переносится в ветвь входного дросселя и в ветвь

нижнего транзистора входного инвертора.

Зависимый источник напряжения u

rc3

переносится в ветвь сглаживающего дросселя l

, в

ветвь защитного резистора r

и в ветвь входного тока трехфазного инвертора.

Зависимый источник напряжения u

rc4

переносится в ветвь сглаживающего дросселя l

и в

ветвь нагрузки l

В результате перечисленных преобразований исходной схемы она распадается на взаимо-

связанные подсхемы, как изображено на рис.

21.2.

rd1

ld1

rc3

ii3ii2ii1

ki1 ki2 ki3

ii4 ii5 ii6

rн

lн

rф

cф

lф

iф3

rф

iф2

lф

cф

rф

iф1

lф

cф

lдр

rдр

iн3

iн2

iн1

ls2

lm,rm

ls1

ik3

ik2

ik1

ik4

ls3

rd2

ld2

rc4

kk1

kk2

uн1 uн2

uн1 uн2 uн3

uн1

uн2

uн3

urc4

ic4

u110

urc3

ic3

ic1

rc1

ic2

rc2

urc1

urc2 urc2

Рис. 21.2 Разделение схемы статического преобразователя собственных нужд

на взаимосвязанные подсхемы

Следует отметить, что, кроме указанного, осуществляется разделение схемы на взаимосвя-

занные части также по потокам взаимной индукции между обмотками трансформатора. При этом

первичная обмотка представляется во вторичных обмотках зависимыми источниками напряжения,

а вторичные обмотки представляются в первичной обмотке зависимым источником тока.

Описание подсхем рис.

21.2 и их взаимных связей аналогично описанию подобных схем,

рассмотренных выше. В соответствии с этим описанием разработана модель преобразователя соб-

ственных нужд в виде программы расчета на ЭВМ электромагнитных процессов (программа 21

представлена на CD). В качестве примера ниже представлены результаты расчетов.

157

М.В.Пронин, А.Г.Воронцов

Один из расчетов выполнен для случая номинальной нагрузки преобразователя при на-

пряжении контактной сети 3 кВ. Результаты представлены на рис.

21.3 и в таблице 21.1.

Рис. 21.3 Токи и напряжения входного преобразователя собственных нужд электропоезда

при напряжении контактной сети 3 кВ и номинальной нагрузке сетей 380 В и 110 В

158

Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет)

Таблица 21.1 Результаты анализа токов и напряжений

в схеме рис. 21.1 при напряжении питания 3 кВ

Напряжение контактной сети, В

Максимальное значение, В

Минимальное значение, В

2998.882

3001.123

2996.557

Ток контактной сети, А

Максимальное значение, А

Минимальное значение, А

27.964

29.812

26.970

Частоты гармоник, Гц

100

Действующие значения

0.543

0.395

0.370

Фазы, гр.

-164.4469

171.9355

-100.3195

Ток конденсатора С

, А 41.344

Частоты гармоник, Гц

1000

2000

Действующие значения

33.458

18.423

Фазы, гр.

-90.4806

-91.7852

Ток нагрузки 1 ключа входного инвертора, А

Среднее значение, А

Максимальное значение, А

49.928

28.022

98.511

Ток 1 обмотки трансформатора, А 80.734

Частоты гармоник, Гц

1000

Действующие значения

77.609

Фазы, гр.

72.7331

Ток 2 обмотки трансформатора, А 98.485

Частоты гармоник, Гц

1000

Действующие значения

94.490

Фазы, гр.

70.6526

Ток 3 обмотки трансформатора, А 145.972

Частоты гармоник, Гц

1000

Действующие значения

135.803

Фазы, гр.

84.9441

Выпрямленный ток 1 выпрямителя, А 108.297

Выпрямленное напряжение 1 выпрямителя, В 611.152

Ток фазы выходного дросселя, А 111.837

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

111.028

Фазы, гр.

140.2532

Ток в конденсаторах выходного фильтра, А 14.023

Линейное выходное напряжение цепи 380 В, В

Коэффициент гармоник

382.695

0.1072

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

380.486

Фазы, гр.

-159.7058

Ток нагрузки цепи 380 В, А

Коэффициент гармоник

113.016

0.03628

Частоты гармоник, Гц

Действующие значения

112.942

Фазы, гр.

138.6108

Напряжение цепи 110 В, В 109.165

Мощность нагрузки 380 В, кВт

Мощность нагрузки 110 В, кВт

63.272

16.757

На рис. 21.4 представлена диаграмма токов и напряжений преобразователя в режиме но-

минальной нагрузки при скачке напряжения контактной сети с 3 кВ до 4 кВ.

159

М.В.Пронин, А.Г.Воронцов

Рис. 21.4 Токи и напряжения входного преобразователя собственных нужд электропоезда

при скачке напряжения контактной сети с 3 кВ до 4 кВ

Преобразователь собственных нужд должен работать в широком диапазоне изменения на-

грузок сетей 380 В и 110 В. Одна из особенностей рассматриваемого преобразователя заключается

в том, что при снижении нагрузки сети 380 В повышается напряжение на конденсаторе c

. Если не

включать защитный резистор r

, то при отсутствии нагрузки указанной сети напряжение на кон-

денсаторе может превысить 1000 В.

160