ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
AUXILIARY CONVERTER FOR RAILWAY

Устройство относится к области преобразовательной техники, в частности к устройствам, устанавливаемых на электровозах и обеспечивающих электроэнергией управляемые асинхронные двигатели, а так же работу других потребителей.
Входным напряжением вспомогательного преобразователя (ВП) является высоковольтное напряжение постоянного тока, в частности, поступающее в диапазоне 2,2…4,0 кВ.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по техническому решению являются преобразователи, описание которых приводится в [1, 2]. В них даны описания преобразователей, входная часть которых построена на основе нескольких модулей по принципу многофазного устройства. Недостатками такого построения ВП являются большая сложность, высокая стоимость и низкая надежность.
В предлагаемой заявке, по мнению авторов, имеются следующие существенные признаки изобретения:
1. ВП выполнен двухступенчатым, входная ступень построена по повышающей схеме с двумя высоковольтными ключами и двумя высоковольтными диодами, а вторая ступень (DC-DC преобразователь) выполнена на основе полумостового резонансного преобразователя с использованием высоковольтных транзисторов, что позволило значительно уменьшить общее число применяемых приборов и, следовательно, повысить надежность, улучшить эксплуатационные показатели и снизить стоимость изделия.
2. Для улучшения работы ВП используется запуск по специальному алгоритму, позволяющему снизить токовую нагрузку на ключи и мощность в них как в повышающей ступени, так и в DC-DC преобразователе.
3. Повышающий преобразователь (первая ступень) работает без перекрытия ключей, то есть при работе схемы нет интервала времени, когда проводят ток два транзистора одновременно. Такой режим не допускает повышенного напряжения как на ключах повышающей ступени, так и DC-DC преобразователя.
В предлагаемой заявке ВП своим входом подключается к сети постоянного напряжения 2200…4000 В 1 (фиг.1). Входное напряжение через зарядный резистор (Rз) 2 и замкнутый контакт 3 зарядного контактора (ЗК) 4 поступает на силовую часть ВП. После заряда конденсаторов большой емкости, находящихся в первой ступени силовой части, замыкается контакт 5 главного контактора (ГК) 6 и начинается процесс запуска.
Силовая часть ВП содержит повышающую ступень (ПС) 7, DC-DC преобразователь 8 и инверторы 9, 10, 11, обеспечивающие работу систем управления, контроля и освещения (И1) 9, а так же работу синхронных двигателей локомотива (И2, И3) 10, 11. Число инверторов может изменяться в зависимости от требований, предъявляемых к локомотиву.
ВП содержит блок вспомогательных напряжений (БВН) 12, работающий от источника 110 B 13 и обеспечивающий требуемыми номиналами напряжений отдельные устройства и всю систему управления 14.
Силовая часть ВП без инверторов И1, И2 и И3 показана на фиг.2. ПС с целью повышения частоты работы дросселя (L) 15, состоит из ключей 16, 17, диодов 18, 19 и двух конденсаторов большой емкости 20, 21. ПС обеспечивает работу ключей и диодов с напряжением на запертом приборе вдвое меньшем, чем напряжение на ее выходе Uпс. Поэтому появляется возможность применить ключи и диоды с лучшими частотными свойствами и меньшими падениями напряжения в открытом состоянии, что позволит получить более высокий КПД всего устройства. К повышающей ступени ВП подключен DC-DC преобразователь, состоящий из ключей 22, 23, трансформатора 24 с первичной обмоткой 25, вторичной 26, выпрямительным мостом 27, подключенным ко вторичной обмотке, и конденсатором 28, включенным последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Последовательно включенные конденсатор 28 и первичная обмотка 25 подключаются к средней точке конденсаторов 20, 21 и точке соединения силовых выводов ключей 22, 23. К выходу выпрямительного моста 27 подключены параллельно конденсатор большой емкости 29 и датчик напряжения ДН 30. Выходное напряжение DC-DC преобразователя получаемое на конденсаторе 29, поступает на силовые входы инверторов и образует напряжение промежуточной шины вспомогательного преобразователя (Uпр).
Система управления показана на фиг.3. Ее основу составляют два контроллера Slave31 и Master32, выполненные на основе цифровых сигнальных процессоров TMS320F808. Контроллер Master обеспечивает мониторинг всей системы и получает информацию от системы управления объектом взаимодействия с контроллером Slave. В свою очередь контроллер Slave воспринимает сигналы управления и защиты от датчиков напряжения, тока и температуры, обеспечивает ШИМ-сигналы к драйверам 33, обеспечивая управление ключами повышающей ступени и DC-DC преобразователя. Алгоритмы поступления ШИМ-сигналов к драйверам 33, включения и отключения ВП формируются в контроллере Slave31.
ВП работает следующим образом. После подачи команды на включение конденсаторов 20, 21 фиг.2, входящих в состав повышающей ступени, включается главный контактор ГК 6, а зарядный контактор отключается. Продолжается процесс запуска ВП по алгоритму, который будет рассмотрен позже. После окончания запуска ключи 16, 17 повышающей ступени работают в режиме ШИМ без перекрытия, поддерживая напряжение Uпс на уровне несколько большем, чем максимальное напряжение входной сети Uвх.max. Регулировочная характеристика ПС в режиме без перекрытия определяется выражением:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>П</mi><mi>С</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
вх
где U - изменяющееся по уровню напряжение постоянного тока входной сети; D - коэффициент заполнения импульсов ключа 16 или 17 повышающей ступени, под которым понимается отношение длительности включенного состояния ключа к половине периода его работы. Коэффициент D может изменяться от 0 до 1, при этом напряжение Uпс (сумма напряжений на конденсаторах 20, 21 повышающей ступени) изменяется от Uвх до 2 Uвх. Изменением коэффициента D напряжение Uпс поддерживается цепью обратной связи приблизительно постоянным на уровне несколько большем, чем Uвх.max. При входном напряжении Uвх.min напряжение Uпс почти равно удвоенному Uвx.min. Режим без перекрытия ключей 16, 17 повышающей ступени используется с целью не допустить повышенного напряжения Uпс, что могло бы вызвать выход из строя транзисторов повышающей ступени и DC-DC преобразователя.
И
П
Ключи DC-DC преобразователя после запуска работают поочередно с постоянным коэффициентом заполнения D, причем длительность включенного состояния каждого ключа t (22, 23) значительно меньше половины периода переключения (фиг.4). Большая длительность паузы t необходима для гарантированного запирания обоих ключей DC-DC преобразователя, поскольку высоковольтные IGBT транзисторы рабочим напряжением несколько киловольт имеют затянутый спад тока при выключении и одновременное открытие двух ключей DC-DC преобразователя недопустимо.
Ключи 22 и 23 DC-DC преобразователя работают в режиме синусоидального резонансного тока, что обеспечивает минимальные потери в каждом ключе как при отпирании, так и при его запирании. Переключение транзистора происходит при нулевом токе коллектора, что можно видеть из фиг.5.
P
Для создания резонансного тока в ключе DC-DC преобразователя используется конденсатор 28 (фиг.5) и индуктивность рассеивания трансформатора 24, приведенная к его первичной обмотке 25. Частота резонансного процесса f определяется из соотношения:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>P</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>28</mn></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
где
Lp - суммарная индуктивность рассеивания трансформатора и индуктивность дополнительного дросселя;
28
C - емкость конденсатора 28;
fp=1/Тр, Тр - период резонансного процесса.
Напряжения на всех обмотках трансформатора 24 имеют прямоугольную импульсную форму без пауз (меандр), а после выпрямления и сглаживания пульсаций конденсатором 29 напряжение постоянного тока Uпр на выходе DC-DC преобразователя поступает на силовые входы инверторов 9, 10, 11 (фиг.1).
Процесс запуска вспомогательного преобразователя с целью защиты IGBT модулей повышающей ступени и DC-DC преобразователя проходит в несколько ступеней по специально разработанному алгоритму. После замыкания силового контакта 5 главного контактора 6 (фиг.1) напряжение Uпс на конденсаторах 20, 21 равно Uвх, а конденсатор 29 (фиг.2) полностью разряжен. По команде от контроллера Master после процесса инициализации устройств контроллера Slave начинают с нуля и с определенной скоростью изменения D (коэффициента заполнения) поступать управляющие импульсы на затворы IGBT модулей DC-DC преобразователя. Происходит заряд конденсатора 29 (фиг.2), при этом режим работы ключей DC-DC преобразователя не резонансный и в них имеются потери на переключение. Скорость изменения D выбирается такой, что бы на первом этапе ток в ключах и мощности, рассеиваемые в них, не превышали определенных безопасных значений. Напряжение на выходе DC-DC преобразователя (напряжение на конденсаторе 29) контролируется датчиком напряжения ДН 30 (фиг.2) и в течение определенного времени (несколько секунд) должно достигнуть определенного уровня (Uпр.ст.). Если напряжение Uпр.ст. не достигнуто, процесс запуска прекращается и контроллер Master посылает сообщение о возникшей неисправности. В случае успешного окончания первого этапа ключи DC-DC преобразователя выключаются, при этом все ключи вспомогательного преобразователя выключены и напряжение на конденсаторе 29 не изменяется. Указанная пауза в работе всех ключей является вторым этапом процесса запуска. На следующем этапе происходит с нуля расширение длительности управляющих импульсов на затворах повышающей ступени и одновременно расширение импульсов на затворах транзисторов DC-DC преобразователя, причем скорость изменения коэффициента заполнения D DC-DC преобразователя выше, чем на первом этапе. Кроме того, скорость изменения коэффициента D управляющих импульсов повышающей ступени на данном этапе обратно пропорционально входному напряжению. Это делается для повышения надежности работы ключей во время запуска, снижения в них мощности и токов.
При достижении напряжения на промежуточной шине (Uпр) равного 0,9 от номинального значения, в процессоре Slave подключается цепь обратной связи и напряжение Uпр начинает стабилизироваться. Временная диаграмма изменения параметров во время запуска показана на фиг.6. После окончания процесса запуска происходит подключение инверторов к нагрузке в соответствии с режимом работы локомотива.
Библиография
1. Патент RU (11)2282933(13) C2 МПК H02M 33/335 Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов. Авторы: Ройтман Александр Соломонович (RU); Яцук Владимир Григорьевич (RU). Патентообладатель: Ройтман Александр Соломонович (RU); Яцук Владимир Григорьевич (RU).
2. Скороход Ю.Ю. "Сравнительный анализ потерь мощности в высоковольтных статических преобразователях", Электронный научный журнал "Исследовано в России", стр.1451-1460, http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2007/132.pdf.