СТАТИЧЕСКИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Советский патент 1969 года по МПК B60L9/14 H02M7/72 

Широкое внедрение электрической тяги 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 стыкования на слолсных железнодорожных узлах. Кроме того, таким образом не решается вопрос сквозяого движения скорых .пассажирских и моторъагонных поездов.

Более целесообразным оказался другой вариант решения проблемы стыкования: создание электршодвижного 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 которых применяется реостатный .пуск и регулирование скорости перегруппировкой тяговых двигателей, со схемами электроподвижного состава (Переменного тока, сложны и значительно у(дорожают стоимость электрооборудования. Изоляция тяговых двигателей в таjKHx 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 тиристорах, которые при движении ло участкам постоянного тока преобразуют постоянный ток контактной сети 3000 е или 1500 в в .переменный ток частотой 100 гц. Для питания тяговых двигателей переменный ток вновь преобразуется в .постоянный пониженного напряжения, регулируемого посредство.м трансформатора

и выпрямителя, rio для такой схемы двойного преобразования необходимы отдельные инвертор и Выпрямитель, выполненные каждый на полную мощность. Помимо удвоения установленной мощности

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

Предлагаемый статический преобразователь с совмещенным инверторно-вынрямительным звеном и широтно-импульсныл регулированием выхо.дного напряжения, выполненный на тиристорах и кремниевых диодах, для электровозов и моторных вагонов двойного питания требует меньшей установленной мощности вентилей и трансформатора

вижного состава -переменного тока с возможностью использования одного и того же электрооборудовання также и на постоянном токе. При этом тяговые двигатели в обоих случаях могут быть выполнены с корпусной изоляцией 1на 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 общ«х элементах, причем .инверторная часть образована группой тиристоров, присоединенных анодами к одному полюсу И)сточника -питания и (катюдами .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 трансформатора. Тяговые двигатели включены между анодами диодов выпрямительной группы- и средней точкой обмотки трансформатора.

Для обеспечения работы статического полупроводникового преобразователя в режиме литания от сети переменного тока тиристоры и диоды соединены по схеме управляемого выпря мительного .моста, на вход которого включена перви-чная 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 по СТОЯ1ННОГО 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 23 и группу двигателей 24) к «земле (минус источника литания). Одновременно в долуобмотке ВО трансформатора возникает ответный, вторичный ток, практически такой же величины, замьжающийся через диод 25 и нагруз;ку. Таким образом, через нагрузку лротекает двойной ток - сумма первичного и вторичного. В то же время через тиристоры 20 и 21 н индуктивность 26 перезаряжается коммутирующий конденсатор 27 полярностью, необходимой для последующего принудительного запирания тиристора 20. Это происходит следующим образом.

При включении тиристоров 28 и 29 конденсатор 27 начинает разряжаться через тиристор 20 в его непроводящем направлении, тиристор 28 в прямом на1правлении и индуктивность 26. В результате первичный ток коммутирует с тиристора 20 на тиристор 28. Конденсатор теперь продолжает разряжаться через тиристоры 28, 29 и индуктивность 26. В течение времени, когда тиристор 29 проводит ток, прямое падение напряжения на нем является обратным для тиристора 20 и запирает его.

Цепь первичного тока в процессе коммутации проходит через индуктивности 22 и 26, конденсатор 27, тиристор 28, полуобмотку АО

Трансформатора и нагрузку. При этом конденсатор перезаряжается и, когда ток в индуктивности 26 меняет свое направление, тиристор 28 залирается. Первичный ток прекращается, а ток в нагрузке сохраняется, замыкаясь по двум лараллельным цепям: через диод 25 - полуобмотку ВО и через диод 30 - полуобмотку АО.

При включении тиристоров 31 и 32 другого плеча преобразователя первичный ток замыкается по цепи: от токоприемника через индуктивность 22, тиристор 31, полуобмотку ВО трансформатора и нагрузку к «земле. Вторичный ток возникает теперь уже в полуобмот1ке АО и замыкается через диод 30 и нагрузку. Одновременно через тиристоры 31 и 32 и индуктив(ность 26 перезаряжается коммутирующий конденсатор 27 полярностью, необходимой для 1последующего принудительного запирания тиристора 3L

Принудительное запирание тиристора 31 достигается за счет разряда конденсатора 27 при включении тиристоров 33 и 34. Процессы залирания и восстановления тиристора 31 в другом плече преобразователя, а также протекание лервичного и вторичного токов подобны процессам, описанным лри запирании тиристора 20.

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

и 31 работают в инверторном режиме, а диоды 25 и 30 - IB выпрямительном, причем как через тиристоры 20 и 31, так и через диоды 25 и 30 лротекает половина тока нагрузки. В то же время к нагрузке прикладывается

половина литающего напряжения, а другая половина лрскладывается к полуобмотке АО или ВО трансформатора.

В этом режиме преобразователь является делителем питающего напряжения в отнощеНИИ 2:1, что позволяет изоли1ровать тяговые двигатели на электроподвижном составе двойного питания на половину на)пряжения сети.

Пуск тяговых двигателей и выход на -номинальную характеристику осуществляется имлульсным регулирование.м выходного напряжения преобразователя. .Посредством изменения момента запирания тиристоров 20 и 31 изменяют длительность открытого состояния

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

В результате этого достигается широтно.«млульсное регулирование выходного напряжения, при котором основной поток в трансвремя как реактивные элементы 22 и 35 входного 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 iK зажимам А и В обмоток трансформатора прикладывается напряжение сети переменно меняющейся полярности (с частотой 50 гц), а тяговые двигатели питаются выпрямленным напряжением, регулируемым от нуля ЯО .половины напряжения сети.

На режим питания от сети леременного тока П|реобразователь 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 (групп тяговых двигателей) .

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

Схема работает следующим образом.

На высшей ступени регулирования преобразователь работает как обычный выпрямитель. В течение одного лолупериода напряжения трансформатора ток нагрузки протекает через тиристор 20 и диод 25, а в течение другого - через тиристоры 31 и диод 30. Тяговые двигатели запускаются и скорость их регулируется также широтно-импульсным регулированием выпрямленного напряжения путем многократного отпирания и принудительного запирания в течение одного полупериода напряжения тиристора 20, а в течение другого - тиристора 31. 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 31 ток нагрузки замыкается через этот тиристор, обмотку В А и диод 30. Для принудительного запирания тиристора 31 включаются вспомогательные тиристоры 33 и 34. Одновременно с этим подается управляющий импульс на отпирание основного тиристора 20 противоположного плеча преобразователя. При этом тиристор 20 пока не проводит ток, так как напряжение трансформатора является для него обратным.

Конденсатор 27 разряжается и заряжается, а тири;стор 31 запирается так , как и ранее. При перезарядке конденсатора 27, когда потенциал анода и катода тиристора 20 становится равен О и более, ток в нагрузке замыкается через тиристор 20 и диод 30. По этой цепи ток протекает до повторного включения тиристоров 31 и 32. Тогда ток снова коммутирует в цепь: т иристор 31, обмотка ВА, диод 30, тяговые двигатели 23 и 24. Одновременно через тиристор 32 перезаряжается конденсатор 27 полярностью, необходимой для последующего принудительного запирания тиристора 31. Такое включение и запирание тиристора производятся, как уже говорилось, многократно в течение данного полупериода напряжения трансформатора. В следующем полупериоде также многократно включается и запирается тиристор 20 - в другом плече преобразователя, а цепь для непрерывности тока двигателей создается через тиристор 31 и диод 25 в те интервалы времени, когда закрыт тиристор 20.

Выходное напряжение от нуля и до номинального регулируется также изменением момента запирания основных тиристоров 20 и 31, а следовательно, и продолжительности их включенного состояния.

При использовании предлагаемого преобразователя только для преобразования постоянного тока в постоянный его схема будет аналогична схеме на фиг. 2, в которой тиристоры 21, 29 и 32, 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 тИ|ристорного 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 1встречно- включенные тиристоры 20, 31 и диоды 30, 25, причем тиристоры 20, 31 через общую индуктивность 36 соединены с диодами 37, 38, и диоды 25, 30 через свою общую индуктивность 39 соединены с тиристорами

40, 41 инвертора.

Предмет изобретения

1. Статический полупроводниковый преобразователь для электроподвижното состава

двойного пигания, содержащий трансформатор, выпрямитель и инвертор, подсоединенные ко вторичной обмотке указанного трансформатора, нагрузку в виде тяговых двигателей и коммутирующие аппараты, отличающийся тем, что, с целью упрощения электрооборудования, инвертор и выпрямитель выполнены как одно звено на общих элементах, причем инварторная часть образована группой тиристоров, присоединенных анодами к

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 катотора, а тяговые двигатели включены между анодами диодов вылрямительной г руппы и средней точкой обмотки трансформатора.

2. Статический полупроводниковый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеопечения работы в режиме питания

от сети переменного тока, указанные тирнсторы и диоды соединены по схеме управляемого выпрямительного моста, «а вход которого включена первичная обмотка трансфор:матора, а нагрузкой моста служат тяговьге двигатели.