Для тягового приводу потягу «Сокіл» вхідний перетворювач напруги контактної мережі в стабілізовану постійну напругу розроблявся у двох варіантах. В одному варіанті з вхідним перетворювачем 4QS (розглянутим у попередньому розділі) привід живиться від мережі змінного напруги 25 кВ, 50 Гц. В іншому варіанті вхідний перетворювач забезпечує живлення від контактної мережі постійної напруги 3 кВ (робота виконувалася в ФГУП ЦНДІ СЕТ за участю РАО ВСМ, МГУПС та ін.)

Спрощена схема тягового приводу потягу «Сокіл» у варіанті живлення від контактної мережі постійної напруги 3 кВ представлена ​​на рис. 20.1 (подібні схеми використовуються також іншими фірмами [47]).

Рис. 20.1 Схема тягового приводу потягу «Сокіл» у варіанті живлення від контактної мережі постійної напруги 3 кВ

Тяговий привід містить чотири асинхронних двигуна АД1-АД4, чотири транзисторних інвертора ТІ1-ТІ4, фільтр стабілізованої ланцюга постійної напруги з індуктивністю Id і ємністю з3, Вхідний перетворювач постійної напруги, вхідний фільтр з індуктивністю If і ємностями Ci і з2. а також ланцюги захисту від перенапруг з резисторами rzl-rz3 і захисними ключами. Харчування приводу здійснюється від контактної мережі постійного напруження, яке може змінюватися в межах від 2,2 кВ до 4 кВ. За допомогою вхідного перетворювача напруга контактної мережі перетвориться в стабілізовану постійну напругу 1650 В.

Математична модель вхідного перетворювача постійної напруги розроблена при використанні розрахункової схеми, зображеної на рис. 20.2.

Рис. 20.2 Розрахункова схема вхідного перетворювача постійної напруги тягового приводу потягу «Сокіл»

У розрахунковій схемі враховуються ЕРС es, Індуктивність ls і активний опір rs контактної мережі. Контактна мережа має напругу us, В ній протікає струм is.

У дроселі вхідного фільтра враховуються індуктивність If і активний опір rf.

В конденсаторах фільтрів враховуються ємності Ci, С2, С3 і активні опори гс]. гс2, Мс3. В конденсаторах протікають струми, відповідно, ici, ic2, iC3 – Конденсатори мають напруги

Ucl, UC2, Uc3.

У вхідному перетворювачі в якості керуючих елементів використані тиристори IGCT. У математичній моделі тиристори й зворотні діоди розглядаються як ідеальні ключі. Перетворювач має чотири плеча. При цьому стану вентилів описуються двома функціями ki і k2. Якщо у верхній парі плечей перетворювача відкрито верхнє плече, а нижнє плече закрито, то ki = l, в протилежному випадку ki = 0 (інші комбінації відкритих і закритих плечей перетворювача вважаються неможливими). Аналогічно функцією до2 описуються два нижніх плеча.

У ланцюзі стабілізованої напруги враховується індуктивність згладжує дроселя ld і його активний опір rd. Струм в згладжуючому дроселі дорівнює id.

У колах захисту від перенапруг стану тиристорів описуються функціями kzl, kz2, І kz3. Токи в ланцюгах захисту рівні iz]. iz2 і iz3.

Навантаження вхідного перетворювача представлена ​​в схемі рис. 20.2 індуктивністю 1н, Активним опором гн і джерелом ЕРС ен. Ток навантаження дорівнює iH. Напруга навантаження uH=urc3.

Необхідно відзначити, що в даній установці є система регулювання. У зовнішньому контурі здійснюється стабілізація напруги ігс3 на рівні заданої напруги Uz пропорційно-інтегральним регулятором, який на виході формує заданий струм в згладжуючому дроселі Idz. У внутрішньому контурі регулювання здійснюється порівняння заданого струму згладжує дроселя з фактичним струмом id. При цьому за допомогою пропорційно-інтегрального регулятора струму формується напруга управління тиристорами вхідного перетворювача.

Вхідний перетворювач працює в режимі широтно-імпульсного перетворення напруги. Для перемикання верхньої пари тиристорів використовується Пікоподібне однополярної опорне напруга йоп, З яким порівнюється напруга управління тауь Для перемикання нижньої пари тиристорів використовується той же Пікоподібне напруга і напруга управління uy2=l-uyi.

Тиристори в ланцюгах захисту від перенапруг відкриваються в тих випадках, коли у відповідній ланцюга напруга перевищить задану уставку.

В навантаженні в сталих режимах ЕРС постійна. Перехід з режиму тяги в режим гальмування здійснюється шляхом плавної зміни значення ЕРС в ланцюзі навантаження.

Математичний опис схеми рис. 20.2 здійснюється при поділі її на взаємопов’язані підсхеми. Ця операція грунтується на заміні всіх конденсаторів залежними джерелами напруги:

де номер конденсатора ш = 1, 2, 3.

Далі залежний джерело напруги urci переноситься в гілку вхідного дроселя, в гілку 1 захисного резистора і в гілку 1 плеча перетворювача. Залежний джерело напруги іГС2 переноситься в гілку вхідного дроселя, в гілку 2 захисного резистора і в гілку 4 плеча перетворювача. Залежний джерело напруги ігсз переноситься в гілку згладжує дроселя, в гілку 3 захисного резистора і в гілку навантаження. При цьому вихідна схема розпадається на кілька подсхем, взаємопов’язаних залежними джерелами напруги і струму. Отримані підсхеми зображені на рис. 20.3.

Рис. 20.3 підсхеми перетворювача постійної напруги тягового приводу потягу «Сокіл»

Для підсхеми контактної мережі рівняння для визначення струму:

Токи в захисних резисторах:

де kzm – функція стану захисного транзистора (0 або 1). Струм в навантаженні визначається з рівняння:

Струм в згладжуючому дроселі ланцюга стабілізованої напруги:

Токи в конденсаторах:

Формування напруг управління перетворювача здійснюється системою регулювання, в якій використовується наступне співвідношення напруг на конденсаторах:

З урахуванням (20.7) регулятор напруги описується наступними виразами:

де Uz – Задане напруга навантаження, Кш і Кио – Коефіцієнти в зворотних зв’язках по інтегралу відхилення і по відхиленню напруги від заданого, uymax, uymm – Максимальне і мінімальне напруження управління, Aty – Час циклу роботи системи управління.

Далі напруга управління фільтрується з постійною часу Ту:

Пікоподібне опорне напруга формується відповідно до рівняннями:

На основі наведеного математичного опису схеми рис. 20.1 розроблена математична модель для розрахунку сталих і перехідних електромагнітних процесів (програма 20, приведена на CD).

За вказаною програмою виконано ряд розрахунків з вказаними вище даними вхідного перетворювача постійної напруги потягу «Сокіл».

Один з розрахунків виконаний для режиму роботи установки при зміні напруги контактної мережі від 3 кВ до 4 кВ. Прийнято, що в ланцюзі навантаження потужність 1355 кВт, напруга 1650 В, активний опір 0,5 Ом, ЕРС 1239,5 В, індуктивність 3 мГн. В контактної мережі індуктивність 2мГн, активний опір 0,1 Ом. У вхідному перетворювачі індуктивність вхідного дроселя 20 мГн, активний опір вхідного дроселя 0,01 Ом, ємність конденсаторів Ci і С2 складає по 4200 мкФ, активний опір конденсаторів 0,001 Ом. Дросель в ланцюзі стабілізованої напруги має індуктивність 1,15 мГн і активний опір 0,01 Ом. Конденсаторна батарея в ланцюзі стабілізованої напруги має ємність 400 мкФ і активний опір 0,001 Ом. Резистори в ланцюгах захисту від перенапруг вхідних конденсаторів мають опору 4,8 Ом. Резистор в ланцюзі захисту від перенапруг конденсатора на виході має опір 5,22 Ом. Частота пилоподібного напруги 450 Гц. Тривалість циклу роботи системи управління 222 мкс. Крок розрахунку 1 мкс. Крок виводу інформації у файл результатів 50 мкс. Результати розрахунку представлені на рис. 20.4 і в табли-цях 20.1 і 20.2.

Рис. 20.4 Напруги і струми перетворювача при зміні напруги мережі від ЗКВ до 4кВ

Таблиця 20.1 Результати аналізу струмів і напруг вхідного перетворювача при напрузі живлення 3 кВ

Напруга контактної мережі, В

2953.730

Максимальне значення, В

2957.511

Мінімальне значення, В

2948.269

Ток контактної мережі, А

459.575

Максимальне значення, А

478.798

Мінімальне значення, А

449.768

Напруга конденсатора Сь В

1469.039

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

450.00

30.414

-175.3744

Напруга конденсатора С2, В

1476.979

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

450.00

30.651

4.2952

Ток конденсатора Сь А

407.566

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

450.00

362.591

-86.1280

900.00

72.635

72.9778

1350.00

100.966

89.2155

1800.00

65.643

-97.3600

Ток id згладжує дроселя, А

818.691

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

900.00

42.638

177.1239

1800.00

18.452

1.0171

Напруга конденсатора С3, В

1648.645

Максимальне значення, В

1692.311

Мінімальне значення, В

1603.649

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

900.00

19.358

87.4921

1800.00

4.103

-88.4548

Ток конденсатора С3, А

49.535

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

900.00

43.794

177.1755

1800.00

18.565

1.0226

Струм навантаження, А

818.677

Напруга управління uvb о.е.

0.561

Таблиця 20.1 отримана в результаті аналізу струмів і напруг в сталому режимі роботи вхідного перетворювача при напрузі контактної мережі 3 кВ. Як видно з табл. 20.1, при частоті опорного напруги 450 Гц частота найбільших гармонійних складових у струмі й напрузі на виході дорівнює 900 Гц.

При збільшенні напруги контактної мережі від 3 кВ до 4 кВ виникає перехідний процес, при якому збільшуються також напруги конденсаторів urci, іГС2 і вихідна напруга перетворювача ігсз. При цьому, як видно з рис. 20.4, на короткий час в роботу включаються ланцюга захисту від перенапруг, в яких протікають струми izb iz2 і iz3.

Після затухання перехідного процесу встановлюється режим роботи вхідного перетворювача при напрузі контактної мережі близько 4 кВ. Для цього режиму в таблиці 20.2 представлений результат аналізу струмів і напруг.

Таблиця 20.2 Результати аналізу струмів і напруг вхідного перетворювача при напрузі живлення 4 кВ

Напруга контактної мережі, В Максимальне значення, В Мінімальне значення, В

3965.646

3973.501

3957.458

Ток контактної мережі, А Максимальне значення, А Мінімальне значення, А

347.313

363.596

315.668

Напруга конденсатора Сь В

1982.959

Частоти гармонік, Гц 450.00

Діючі значення ‘30.622

Фази, гр. 176.6467

Напруга конденсатора С2, В

1982.989

Частоти гармонік, Гц 450.00

Діючі значення ‘30.399

Фази, гр. -3.3846

Ток конденсатора Сь А

412.134

Частоти гармонік, Гц

450.00

900.00

1350.00

1800.00

Діючі значення ‘362 .371 98.579 88.686 79.596

Фази, гр. -94.1450 -108.6976 99.5115 85.4483

Ток id згладжує дроселя, А

826.661

Частоти гармонік, Гц 900.00 1800 .00

Діючі значення ‘73.037 29.813

Фази, гр.

5.0182

-175.5843

Напруга конденсатора С3, В Максимальне значення, В Мінімальне значення, В

1652.548

1735.288

1590.991

Частоти гармонік, Гц

900.00

1800.00

Діючі значення ‘33.141 6.635

Фази, гр. -84.5052 94.6746

Ток конденсатора С3, А

82.830

Частоти гармонік, Гц

900.00

1800.00

Діючі значення ‘74.960 30.023

Фази, гр.

5.0710

-175.5794

Струм навантаження, А

826.783

Напруга управління uYi, в.о.

0.419

Аналогічний розрахунок виконаний для випадку зміни напруги контактної мережі від 3 кВ до 2,2 кВ. Результати розрахунку представлені на рис. 20.5 і в таблиці 20.3.

Рис. 20.5 Напруги і струми перетворювача при стрибку напруги мережі від ЗКВ до 2,2 кВ

Після затухання перехідного процесу встановлюється режим роботи вхідного перетворювача при мінімальному напрузі контактної мережі, що дорівнює 2200 В. Результати аналізу струмів і напруг установки в цьому режимі роботи представлені в таблиці 20.3.

Таблиця 20.3 Результати аналізу струмів і напруг вхідного перетворювача при напрузі живлення 2,2 кВ

Напруга контактної мережі, В

2136.059

Максимальне значення, В

2138.398

Мінімальне значення, В

2133.203

Ток контактної мережі, А

639.427

Максимальне значення, А

639.812

Мінімальне значення, А

639.043

Напруга конденсатора Сь В

1044.595

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

450.00

19.944

-172.3107

Напруга конденсатора С2, В

1085.099

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

450.00

19.905

5.2895

Ток конденсатора Сь А

348.986

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

450.00

237.750

-82.9096

900.00

192.821

78.1852

1350.00

107.150

-69.2871

Ток id згладжує дроселя, А

820.990

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

900.00

78.435

-172.0708

Напруга конденсатора С3, В

1649.986

Максимальне значення, В

1710.950

Мінімальне значення, В

1599.181

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

900.00

35.591

98.2693

Ток конденсатора С3, А

81.786

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

900.00

80.531

-172.0222

Струм навантаження, А

820.990

Напруга управління uvb о.е.

0.778

До числа основних режимів роботи вхідного перетворювача постійної напруги відноситься також режим гальмування двигунів, при якому здійснюється рекуперація енергії в живильну мережу. На рис. 20.6 представлений процес переходу системи з режиму тяги в режим гальмування. В режимі тяги напруга контактної мережі 3 кВ, потужність навантаження 1355 кВт. У режимі гальмування напруга мережі та потужність зберігаються, але змінюється напрям передачі енергії. У математичній моделі перехід з одного режиму в інший відбувається за час 0,1 с шляхом зміни ЕРС в ланцюзі навантаження від 1239,5 В до 2064,5 В.

Рис. 20.6 Напруги і струми вхідного перетворювача при переході з режиму тяги в режим гальмування

Пронін М.В., Воронцов А.Г., Силові повністю керовані напівпровідникові перетворювачі (моделювання і розрахунок) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: «Електросила», 2003. – 172 с.