Тяговые преобразователи установлены на моторных вагонах односистемных и двухсистемных поездов (вагоны 01, 04, 07, 10) в подвагонном пространстве. Сам преобразователь расположен в тяговом контейнере (рис. 5.47). Преобразователи подразделяют на однорежимные (установлены на поездах В1) и двухрежимные (установлены на поездах В2).

Маркировка однорежимного и двухрежимного тяговых преобразователей приведена на рис. 5.48.

Электрическая схема контейнера с однорежимным тяговым преобразователем приведена на рис. 5.49, а с двухсистемным — на рис. 5.50.

Ниже представлены основные технические данные преобразователей.

Технические характеристики четырехквадрантного регулятора
Номинальное напряжение переменного тока........................... 1550 В
Диапазон изменения напряжения переменного тока.................... 1187—1789 В
Частота входного напряжения....................................... 50 Гц
Несущая частота................................................... 450 Гц (кратность — 9)
Номинальный входной ток (тяговый режим)........................... 2x920 А
Номинальный ток (тормозной режим)................................. 2x600 А
Номинальное напряжение постоянного тока........................... 3000
Диапазон изменения напряжения постоянного тока.................... 2200—4000 В
Номинальный ток................................................... 950
Технические характеристики автономного инвертора напряжения
Диапазон изменения выходной частоты............................... 0—200
Номинальный входной ток (тяговый режим) .......................... 920
Номинальный выходной ток (тормозной режим)........................ 870
Максимальная частота переключения транзистора..................... 460 Гц
Масса однорежимного преобразователя составляет 2150 кг, а масса двухрежимного — 2530 кг.

Как видно из рис. 5.49 и 5.50, однорежимный преобразователь отличается от двухрежимного отсутствием четырехквадрантных преобразователей 4QS. Рассмотрим сначала конструкцию тягового преобразователя, а затем принцип работы его компонентов. Расположение основных элементов в контейнере тягового преобразователя приведено на рис. 5.51.

В однорежимном тяговом преобразователе фазовые модули четырехквадрантного регулятора отсутствуют. Преобразователи оборудованы установками пожаротушения, включающими баллоны с жидким азотом, открывающиеся по команде пожарных датчиков. Внешний вид баллонов, установленных на тяговом контейнере, приведен на рис. 5.52.

Все полупроводниковые преобразователи, входящие в состав тягового контейнера, собраны на фазовых модулях SP-3000WL, в основе которых — IGBT-модули (по два последовательно соединенных в каждом). Упрощенная схема фазового модуля приведена на рис. 5.53, а его внешний вид представлен на рис. 5.54.

Подробное описание конструкции, принципов работы, и характеристик IGBT-транзисторов выходит за рамки настоящего издания. На рис. 5.55 приведены структура, схема замещения, графики процессов коммутации и вольт-амперные характеристики IGBT-транзисторов, которые будут полезны при рассмотрении некоторых вопросов работы преобразователей.

Рис. 5.52. Баллоны с азотом для установки

Рис. 5.53. Упрощенная принципиальная схема фазового модуля

Фазовые модули имеют жидкостное охлаждение. В качестве охлаждающего вещества используется смесь воды и антифриза N в соотношении 40/60. Расход охлаждающей жидкости составляет 190 л/мин для двухрежимного преобразователя и 110 л/мин для однорежимного преобразователя. Общий объем охлаждающей жидкости в преобразователе составляет порядка 20 л, в системе охлаждения — 57 л. Необходимое ограничение объема потока для однорежимного преобразователя обеспечивается с помощью соответствующего дросселя (диафрагмы с отверстиями) на боковой части системы охлаждения. Контур охлаждения не должен включать содержащие медь материалы. Модули преобразователя включаются в контур охлаждения с помощью гидравлических разъемов (рис. 5.56).

Расположение фазовых модулей в преобразователе показано на рис. 5.57.

Помимо фазовых модулей, в тяговом преобразователе имеется модуль короткоза-мыкателя. Его принципиальная схема представлена на рис. 5.58, а его внешний вид — на рис. 5.59.

С помощью короткозамыкателя в случае неисправностей (например, короткое замыкание фазовых модулей) происходит быстрая разрядка промежуточного контура через внутренний дроссель. Короткозамыкатель выполнен на основе двух тиристоров, соединенных последовательно. Параллельно каждому тиристору включен симметричный резистор.

На рис. 5.60 продемонстрирован монтаж модуля короткозамыкателя в тяговом преобразователе.

Для предотвращения недопустимо высоких нагрузок током обратного перезаряда диодов, интегрированных в IGBT-модули (безинерционные диоды) в тяговый преобразователь, с помощью низкоиндуктивной шины включены четыре диода обратных колебаний (рис. 5.61).

Рассмотрим назначение и работу статических преобразователей, входящих в силовую схему. На рис. 5.62 представлена упрощенная силовая схема при питании от сети постоянного тока.

Как видно из рис. 5.62, силовая схема содержит два преобразователя:

• трехфазный автономный инвертор напряжения (АИН) (обозначение в заводской документации — PWR);
• импульсный регулятор напряжения ИР (обозначение в заводской документации — BST).

Теперь рассмотрим упрощенную силовую схему при питании от сети переменного тока (рис. 5.63).

Как видно из рис. 5.63, в силовую схему добавляются два включенных параллельно друг другу четырехквадрантных преобразователя 4QS. Подробно теория и работа статических преобразователей рассмотрена в специальной литературе [2, 17, 70], поэтому остановимся лишь на основных моментах, необходимых для понимания работы силовой схемы ЭВС «Сапсан».

Импульсный регулятор напряжения (BST)

Упрощенная схема импульсного регулятора (ИР) напряжения и диаграмма выходного напряжения, поясняющая принцип его работы приведена на рис. 5.64. Он предназначен для регулирования потока энергии между входным конденсатором АИН (CSK) и тормозным резистором (Rb) в случае срыва рекуперации (например, внезапное отключение потребителя). Вследствие ограничения мощности тормозного резистора поезд в этом случае реализует электрическим тормозом лишь 40 % возможного тормозного усилия.

Как видно из рис. 5.64, период работы ИР Т состоит из двух интервалов: времени импульса t_и и времени паузы t_п:

Отношение времени импульса к периоду выходной частоты называется коэффициентом заполнения:

В этом случае выходное напряжение может быть рассчитано по формуле

 

Как видно из рис. 5.65, в интервале паузы при активно-индуктивном характере нагрузки образуется контур сброса тока нагрузки через обратный диод VD0. В интервале импульса он запирается приложенным к нему обратным напряжением. Возможны два основных способа регулирования коэффициента заполнения: широтно-импульсное регулирование (ШИР) и частотно-импульсное регулирование (ЧИР) (рис. 5.66).

В первом случае меняется длительность подаваемых импульсов, а их частота остается постоянной, а в случае частотного регулирования — наоборот. ШИР предпочтительнее с точки зрения электромагнитной совместимости (постоянная частота помех). При использовании однооперационных тиристоров применялся также широтно-частотный способ регулирования, однако это было связано с ограничениями полупроводниковых приборов по быстродействию.

В фазовом модуле, выполняющем функцию импульсного регулятора, используется один IGBT-транзистор (нижний). Второй (верхний) отключен и в работе не участвует.

Автономный инвертор напряжения (PWR)

Автономный инвертор напряжения (АИН) служит для преобразования постоянного напряжения 3 кВ в трехфазное переменное напряжение, необходимое для питания асинхронных тяговых двигателей. При этом выходное напряжение и частота могут меняться. Принципиальная схема силовой части АИН приведена на рис. 5.67.

Рассмотрим принцип формирования кривой выходного напряжения на примере 180-градусного алгоритма управления АИН. Алгоритм открытия транзисторов АИН, мгновенные схемы замещения АТД и значения фазных напряжений сведены в табл. 5.6. Алгоритм удовлетворят следующим условиям:

1. Каждый транзистор открыт в течение 180 электрических градусов (1/2 периода выходной частоты).
2. Одновременно работают три транзистора.
3. Все три фазных обмотки двигателя находятся под напряжением в течение всего периода выходного напряжения.
4. Переключения транзисторов осуществляются через 60 электрических градусов (1/6 периода выходной частоты).

Напряжения на фазах двигателя (U_A, U_B, U_C)определяются по следующим правилам:

1. Если фаза подключена «в одиночку», то абсолютное значение напряжения на ней составит 2/3 питающего напряжения U_d.
2. Если две фазы подключены параллельно, то абсолютное значение напряжения на них составит 1/3 питающего напряжения U_d.
3. Фазы, подключенные к плюсу источника питания (на схемах замещения в табл. 5.5 вверху), имеют положительный потенциал, к минусу — отрицательный.

Кривые фазных напряжений при 180-градусном алгоритме управления приведены на рис. 5.68. Можно доказать, что величина фазного напряжения при 180-градусном алгоритме будет составлять:

U_ф = 0,4545U_d,

где U_d — входное напряжение преобразователя.

Данный алгоритм позволяет менять частоту на выходе преобразователя (а значит, и частоту вращения АТД) за счет изменения частоты коммутации транзисторов. Однако как известно из курса «Электрические машины», момент асинхронного двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения и обратно пропорционален частоте питающего напряжения:

Поэтому одновременно с частотой необходимо менять и напряжение. В связи с этим алгоритм 180-градусного управления используют при наличии возможности изменения напряжения на входе инвертора (например, при включении на входе АИН импульсного регулятора или управляемого выпрямителя, а также на тепловозах, где напряжение регулируется тяговым генератором). В схеме ЭВС «Сапсан» при его питании от сети постоянного тока такая возможность не предусмотрена, поэтому АИН работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Принцип формирования алгоритма ШИМ поясняется рис. 5.69 и 5.70. Формируются три опорные синусоиды (U_A, U_B, U_C) с частотой f со сдвигом в 120° и кривая пилообразного напряжения (U_пил) с частотой f_нес. Отношение f_нес/f_вых называется кратностью выходного напряжения. Транзисторы АИН переключаются в моменты равенства напряжений опорных синусоид (U_A, U_B, U_C) и пилообразного напряжения U_пил (нагляднее видно на рис. 5.70) следующим образом.

U_A >U_пил ⇒ VT4↑ VT1↓

U_B>U_пил ⇒ VT2↑ VT5↓

U_C >U_пил ⇒ VT6↑ VT3↓

где VT4↑ означает, что транзистор VT4 открыт, VT1↓ означает, что транзистор VT1 закрыт.

Частота выходного напряжения АИН с ШИМ может регулироваться одновременным изменением частоты опорных синусоид и пилообразного напряжения, а величина — путем изменения их амплитуд. В этом случае поменяется коэффициент скважности выходного напряжения (суммарный коэффициент заполнения за период выходной частоты). На периоде несущей частоты определение коэффициента заполнения не имеет смысла, поскольку длительность импульсов выходного напряжения увеличивается к середине полупериода выходного напряжения и уменьшается к моменту перехода через ноль. Это позволяет приблизить форму фазных токов к синусоиде и уменьшить высшие гармоники. Кратность работы АИН уменьшается с увеличением выходной частоты преобразователя. На рис. 5.71 и 5.72 приведены алгоритмы управления транзисторами АИН, а также осциллограммы фазных и линейных напряжений, фазных токов при кратностях 15 (максимальная кратность в начале пуска) и 3 (минимальная кратность в зоне высоких скоростей). Уменьшение кратности с увеличением выходной частоты работы АИН связано с ограничением частоты коммутации транзисторов на уровне 460 Гц. Превышение этой частоты вызовет увеличение коммутационных потерь и дополнительный нагрев полупроводниковых приборов, что приведет к необходимости усиления системы охлаждения, а следовательно, к увеличению массогабаритных показателей преобразователя. Сохранение низкой кратности при пуске при низких выходных частотах преобразователя может привести к возникновению режима прерывистых токов в фазах АТД и увеличению процента высших гармоник. Это приведет к пульсациям момента, что неблагоприятно скажется на работе тяговой передачи. Соотношения выходной и несущей частот АИН ЭВС «Сапсан» приведено на рис. 5.73.

Экспериментальные осциллограммы фазного тока АИН для различных скоростей приведены на рис. 5.74, из которого видно, что чем ниже скорость (а значит, и выходная частота АИН) и выше кратность, тем форма тока ближе к синусоиде. В современных микропроцессорных системах моменты переключения транзисторов определяются не путем сравнения опорных сигналов, а на основании решения системы алгебраических уравнений, описывающих аналогичные функции. Соотношения выходной частоты АИН и скорости движения для различных диаметров колесных пар приведены на рис. 5.75.

Четырехквадрантный преобразователь (4QS)

Четырехквадрантные преобразователи служат для преобразования переменного напряжения вторичных обмоток тягового трансформатора в постоянное напряжение для питания автономного инвертора напряжения в тяговом режиме и наоборот — в режиме рекуперативного торможения. Т.е. они выполняют теже функции, что и полностью управляемые выпрямители, которые также могут работать в режиме ведомых сетью инверторов, однако принципы их работы существенно различаются. Основным преимуществом 4QS преобразователей по сравнению с управляемыми выпрямителями является возможность поддержания коэффициента мощности близким к единице во всех режимах работы тягового привода. Подробно теория 4QS-преобразователей рассмотрена в [2] и ее описание выходит за рамки настоящего издания, поэтому ниже будут приведены лишь основные принципы работы данных преобразователей.

Следует обратить внимание, что в отличие от однофазных выпрямителей, в которых выходное напряжение ниже входного, 4QS-преобразователи являются повышающими. Так, на ЭВС «Сапсан» напряжение, подаваемое на вход преобразователя от вторичной обмотки тягового трансформатора составляет 1550 В, а выходное напряжение, подаваемое на вход АИН, — 3000 В. Четырехквадрантные преобразователи установлены только на поездах В2. На поездах В1 фазовые модули 4QS отсутствуют. Схема двухквадрантного преобразователя, поясняющая принцип работы 4QS, приведена на рис. 5.76. При кратковременном замыкании ключа S источник переменного напряжения Uс замыкается накоротко, его ток начинает возрастать и энергия накапливается в реакторе L. При размыкании ключа S в реакторе L образуется ЭДС самоиндукции, направленная в ту же сторону, что и напряжение источника питания, и происходит сброс энергии на конденсатор Сф. Причем, даже если Uс < Uсф, сброс энергии все равно произойдет, так как с Uс суммируется E_L. Поглощающий контур, состоящий из реактора L2 и конденсатора С2, настроен на резонансную частоту 2fс и служит для отвода переменной составляющей из кривой выходного напряжения. Однако преобразователь, схема которого приведена на рис. 5.76, не может обеспечить обратную передачу электрической энергии.

Упрощенная схема 4QS-преобразователя приведена на рис. 5.77 (поглощающий контур не показан).

Преобразователь представляет собой мостовую однофазную схему и собирается из двух соединенных параллельно фазовых модулей. Моменты переключения вентилей (транзисторов) преобразователя совпадают с равенством двух модулирующих напряжений: синусоидального и пилообразного. Алгоритм переключения транзисторов можно записать в следующем виде:

Рассмотрим подробнее работу преобразователя в тяговом режиме:

1. Интервал времени 0—1. Открыты транзисторы VT2 и VT4. Через транзистор VT2 и диод VD8 источник питания замыкается накоротко, ток в нем увеличивается, происходит накопление энергии в реакторе L (рис. 5.78).
   

   Рис. 5.78. Контур тока источника питания в интервале времени 0—1

2. Интервал времени 1—2. Открыты транзисторы VT1 и VT4. Транзистор VT2 закрывается, размыкая контур тока короткого замыкания. Через диоды VD5 и VD8 запасенная энергия передается на входной фильтр АИН. Ток в источнике питания уменьшается (рис. 5.79).
   

   Рис. 5.79. Контур тока источника питания в интервале времени 1—2

3. Интервал времени 2—3. Открыты транзисторы VT1 и VT3. Через транзистор VT3 и диод VD5 источник питания замыкается накоротко, ток в нем увеличивается, происходит накопление энергии в реакторе L (рис. 5.80).
   

   Рис. 5.80. Контур тока источника питания в интервале времени 2—3

4. Интервал времени 3—4. Аналогично интервалу 1—2. и т.д.

На рис. 5.81 представлен алгоритм работы четырехквадрантного преобразователя для кратности (отношения f_пил/f_sin ) 5. На поездах В2 преобразователи работают с несущей частотой 450 Гц (кратность 9). Алгоритм работы четырехквадрантного преобразователя для кратности 9 приведен на рис. 5.82.

На рис. 5.83 приведен фрагмент силовой схемы поезда В2. Как видно из схемы, АИН питается от двух параллельно включенных 4QS-преобразователей. Преобразователи работают со сдвигом на 1/2 периода несущей частоты. Такое решение позволяет уменьшить содержание высших гармоник в кривой потребляемого тока без увеличения частоты работы самих преобразователей. Диаграмма совместной работы двух 4QS-преобразователей приведена на рис. 5.84.

Из схемы, приведенной на рис. 5.83 видно, что для заряда конденсаторов CSK и С2 предусмотрены высокоомные резисторы R1 и R2. Такое схемное решение применяется, чтобы исключить колебательный заряд конденсаторов. Как известно из курса ТОЭ, при включении R-L-C цепи на постоянное напряжение возможен как апериодический, так и колебательный заряд конденсатора (рис. 5.85). Вид процесса зависит от параметров цепи. Если , то процесс будет носить апериодический характер. Если наоборот — колебательный. Зарядка силовых конденсаторов через высокоомные резисторы (которые потом шунтируются) позволяет избежать перенапряжения на элементах схемы и их перегрузку ударными токами заряда.