Статический полупроводниковый преобразователь для электроподвижного состава двойного питания

ОПИСАН И ЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 242954 Союз Советских Социалистических Республикмитет по дел обретении и открцти ри Совете МинистровСССР Авторы изобретения, Н, Тихмеиев, А. нев и Г. Г. Гомо есоюзный научно-исследовательский институт железнтранспорта ог явител СТАТИЧЕСКИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЪ 1 Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ на полное напряж е трудности в ра особенно на мото 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 стыкования на сложных железнодорожных узлах. Кроме того, таким образом не решается вопрос сквозного движения скорых,пассажирских и моторвагонных поезд,ов.Более целесообразным 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 которых применяется реостатный .пуск и регулирование скорости перегруппировкой тяговых двигателей, со схемами электроподвижного состава переменного тока, сложны и значительно удорожаот стоимость электроаборудования, Изоляция тяговых двигателей в та,ких схемах при режиме постоянного тока должна быть выполнена ение сети, Возникают такж з.мешении оборудования, Р ных вагонах.5 Выпускаемые для железных дорог ФРГчетырехсистемные электровозы Е 410 оборудованы преобразователями на тпристорах, которые при движении,по участкам постоянного тока преобразуют постоянньш ток кон 1 о тактной сети 3000 в или 1500 в в переменныйток частотой 100 гц, Для питания тяговых двигателей переменный ток вновь преобразуется в,постоянный пониженного напряжения, регулируемого посредством трансформатора 15 и выпрямителя. 11 о для такой схемы двойного преобразования необходимы отдельные инвертор и выпрямитель, выполненные каждый на полную мощность.Помимо удвоения установленной мощности 20 преобразователя двойное преобразование вызывает существенное понижение его к.п.д.Предлагаемый статический преобразователь с совмещенным инверторно-выпрями- тельным звеном и широтно-им пульсным ре гулираванием выходного напряжения, выполненный на тиристорах и кремниевых диодах, для электровозов и моторных вагонов двойного питания требует меньшей установленной мощности вентилей и трансформатора 30 и может быть выполнен на базе электроподвижного 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. Выпрями- тельная 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 питания от сети переменного тока тири- стары и диоды соединены по схеме управляемого выпрямительного моста, на вход которого 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 постоянного 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 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 2 б перезаряжается коммутирующий конденсатор 27 полярностью, необходимой для последующего принудительного запирания тиристора 20. Это происходит следующим образом.При включении тиристаров 28 и 29 конденсатор 27 начинает разряжаться через тири- стор 20 в его непроводящем направлении, тиристор 28 в прямом направлении и индуктивность 2 б. В результате первичный ток коммутирует с тиристара 20 на тиристор 28. Конденсатор теперь продолжает разряжаться Через тиристоры 28, 29 и индуктивность 2 б.В течение времени, когда тиристор 29 праводит ток, прямое падение напряжения на нем5 является обратным для тиристора 20 и запирает его,Цепь первичного тока в процессе коммутации проходит через индуктивности 22 и 2 б,конденсатор 27, тиристор 28, полуобмотку АО10 трансформатора и нагрузку. При этом конденсатор перезаряжается и, когда ток в индуктивности 2 б меняет свое направление, тиристор 28 запирается. Первичный ток прекращается, а ток в нагрузке сохраняется, замы 15 каясь по двум параллельным цепям; черездиод 25 - полуобмотку ВО и через диод30 - пол уобмотку А О.При включении тиристаров 31 и 32 другогоплеча преобразователя первичный так замы 20 кается по цепи: от токоприемника через индуктивность 22, тиристор 31, полуобмотку ВОтрансформатора,и нагрузку к земле. Вторичный так возникает теперь уже в полуобмоэке АО и замыкается через диод 30 и на 25 грузку. Одновременно через тиристары 31 и32 и индуктивность 2 б перезаряжается коммутирующий конденсатор 27 полярностью,необходимой для последующего принудительного запирания тиристора Л.30 Принудительное запирание тиристора 31достигается за счет разряда конденсатора 27при включении тиристоров 33 и 34. Процессызапирания и восстановления тиристора Л вдругом плече преобразователя, а также про 35 текание первичного и вторичного токов подобны процессам, описанным при запираниитиристара 20.Таким образом, при питании преобразователя от сети постоянного тока тиристоры 2040 и 31 работают в инверторном режиме, а диоды 25 и 30 - в выпрямительном, причем какчерез тиристары 20 и 31, так и через диоды25 и 30,протекает половина тока нагрузки.В то же время к нагрузке прикладывается45 половина питающего напряжения, а другаяполовина прикладывается к полуобмотке АОили ВО трансформатора.В этом режиме преобразователь являетсяделителем питающего напряжения в отноше 50 нии 2: 1, что позволяет изолировать тяговыедвигатели на электраподвижном составедвойного питания на половину напряжениясети.Пуск тяговых двигателей и выход на номи 55 нальную характврис пику осуществляется импульсным регулированием выходного напряжения преобразователя.,Посредством изменения момента запирания тиристоров 20 и 31 изменяют длительность открытого состояния60 этих тиристоров, а следовательно, и среднюювеличину выпрямленного напряжения.В результате этого достигается широтно:импульсное регулирование выходного напряжения, при котором основной поток в транс 65 форматоре изменяется с частотой 50 гц, в то50 55 60 65 время как реактивные элементы 22 и 35 вход- ното фильтра и элвменты 26 и 27 коммутирующего звена работают при повышенной частоте (частоте управления), что позволяет уменьшить их габариты ивес. 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 натрузки (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 тиристор 20 и диод 25, а в течение другого - через тиристоры Л 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 друтого - тиристора 31. Причем для обеспечения непрерывности тока тяговых двигателей используются те же тиристоры 20 и 31 при не- проводящем для них полупериоде напряжения трансформатора. Достигается это следующим образом. При открытом тиристоре 31 ток нагрузки замыкается через этот тиристор, обмотку ВА 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 разряжае 1 ся 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 30. По этой цепи ток протекает до повторного включения тиристоров 31 и 32. Тогда ток снова коммутирует в цепь; тиристор 31, обмотка ВА, диод 30, тяговые двигатели 23 и 24. Одновременно через тиристор 32 перезаряжает 5 10 15 го г 5 30 35 40 45 ся 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 тири- стор Л и диод 25 в те интервалы времени, когда закрыт тиристор 20.Выходвсе 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 йреобразователя 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 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 30, 25, причем тиристоры 20, 31 через общую индуктивность 3 б соединены с диодами 37, 38, и диоды 25, 30 через свою общую индуктивность 39 соединены с тиристорами 40, 41 инвертора. Предмет изобретения1. 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 диодовприсоединенных их анодами к другому полюсу источника питания и катодами к тем же выводам обмотки трансформатора, 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 тяговыедвигатели,242954Ильина Редакторектор Л, И. Гавриловахред 3. Н. Таранен Заказ 735/8 Тираж 480 Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Миииетров СССР Москва, Ж.35, Раушская наб., д. 4/5апунова,пографн