На електропоїздах для живлення освітлювальних мереж, обігрівачів, двигунів компресорів та інших навантажень використовуються перетворювачі власних потреб. Ці пристрої отримують електроенергію від високовольтних контактних мереж, напруга яких змінюється в широких межах, і забезпечують харчуванням стабілізовані електричні мережі поїздів.

Одне з можливих технічних рішень – статичний перетворювач власних потреб. На рис. 21.1 представлена ​​розрахункова схема перетворювача власних потреб, який може використовуватися на електропоїздах ЕД6 (робота виконувалася «Лабораторією перетворювальної техніки» за участю РАО ВСМ, ФГУП ЦНДІ СЕТ та ін.)

Рис. 21.1 Розрахункова схема статичного перетворювача власних потреб для електропоїзди ЕД6

В даному випадку перетворювач отримує живлення від контактної мережі постійної напруги 3 кВ. Напруга контактної мережі змінюється в межах від 2,2 кВ до 4 кВ. Перетворювач має потужність 80 кВт. Він забезпечує харчуванням мережа постійної напруги 110 В і трифазну мережу змінної напруги 380 В, 50 Гц. У перетворювачі за допомогою трансформатора забезпечується гальванічна розв’язка мереж 3 кВ, 380 В і 110В. Для зменшення маси і габаритів трансформатора він виконується на підвищену частоту (1000 Гц).

У розрахунковій схемі контактна мережа представлена ​​джерелом ЕРС ек, індуктивністю Ik і активним опором Гк. Контактна мережа має напругу Uk і струм ik.

На вході перетворювача є дросель з індуктивністю 1ь рівною 0,0055 Гн, і активним опором р,.

Напруга контактної мережі перетвориться в однофазне змінну напругу вхідним трирівневим транзисторним інвертором. Вхідний інвертор містить чотири транзистора із зворотними діодами, конденсатори та інші елементи. В конденсаторах враховуються ємності Ci і С2 (по 600 мкФ) і активні опори гз. Транзистори включаються по два послідовно в кожному плечі вхідного інвертора. Напруга між ними розподіляється за допомогою вхідних конденсаторів, точка з’єднання яких за допомогою діодів об’єднується з точками з’єднання один з одним транзисторів. Стани транзисторів і зворотних діодів описуються

функціями kti і k |<2. Вхідний інвертор працює в режимі широтно-імпульсної модуляції з частотою опорних напруг порядку 1000 Гц.

У вхідному инвертор паралельно конденсаторам включені також захисні резистори (в схемі рис. 21.1 вони не показані). Управління цими резисторами здійснюється за допомогою транзисторів.

Вихідна напруга вхідного інвертора подається на однофазний триобмотковий трансформатор. У трансформаторі враховуються активні опори обмоток гь г2, М3, Індуктивності розсіювання обмоток lsb ls2,ls3, Індуктивність намагнічування 1т, Активний опір гілки намагнічування rm, Коефіцієнт трансформації від 1 обмотки до 2 обмотці дотр12, Коефіцієнт трансформації від 1 обмотки до 3 обмотці kTpi3. Трансформатор має напруги обмоток Ui, u2, u3, Струми обмоток ib i2, i3, Ток намагнічування im. У першій обмотці трансформатора 17 витків, у другій обмотці 11 витків, в третій обмотці 2 витка.

Напруга третьої обмотки трансформатора перетворюється доданими мостовим випрямлячем у постійну напругу живлення мережі 110 В. Напруга цієї мережі фільтрується 1с-фільтром. У дроселі фільтра враховується індуктивність ld2 (0,0012 Гн) і активний опір rd2. У дроселі протікає струм id2. У конденсаторі фільтру враховується ємність з4 (1000 мкФ) і активний опір гс4. У конденсаторі протікає струм ic4.

Навантаження мережі 110 В представлена ​​активно-індуктивним опором з індуктивністю 1п і активним опором гп. В навантаженні протікає струм in. Напруга цього навантаження иц0.

Напруга другого обмотки трансформатора перетворюється доданими мостовим випрямлячем у постійну напругу близько 630 В. При цьому випрямлена напруга фільтрується lc-фільтром. У дроселі фільтра враховується індуктивність 1зц (0,01 Гн) і активний опір rdi. У дроселі протікає струм idl. У конденсаторі фільтру враховується ємність з3 (800 мкФ) і активний опір гс3. У конденсаторі протікає струм ic3. Конденсатор має напругу ігс3.

Паралельно конденсатору з3 включений захисний резистор rz. Управління цим резистором здійснюється за допомогою транзистора, стан якого описується функцією kz. Уставка включення захисного резистора 700 В.

Постійна напруга ігс3 перетвориться в трифазне змінну напругу 380 В, 50 Гц транзисторним інвертором. Стани ключів інвертора описуються функціями km. Вхідний струм транзисторного моста idl, Струми в плечах моста im (П = 1, 2, … 6). Напруження на виході інвертора un, Струми на виході in (П = 1, 2, 3). Вихідний інвертор працює в режимі шіротноімпульсной модуляції з частотою пилоподібного напруги порядку 2000 Гц.

Вихідна напруга інвертора фільтрується трифазним lc-фільтром. У дроселі фільтра враховуються індуктивності фаз 1др (2×0, 0004 Гн) і активні опори фаз гдр. У колах конденсаторів враховуються ємності Сф (54 мкФ), активні опори Гф і «паразитні» індуктивності проводів 1ф. В цих ланцюгах протікають струми i, |,n (П = 1, 2, 3).

Мережа 380 В, 50 Гц має фазні напруги um. Симетрична навантаження цього ланцюга представлена ​​індуктивностями 1н і активними опорами гн. У симетричному навантаженні в фазах протікають струми iHn.

У розрахунковій схемі враховується також однофазна навантаження, яка представлена ​​індуктивністю 1о і активним опором г0. В цьому навантаженні протікає струм i0.

У системі регулювання перетворювача забезпечується стабілізація напруги мережі 110 В шляхом впливу на напруги керування однофазного вхідного інвертора. Стабілізація напруги мережі 380 В забезпечується шляхом впливу на напруги управління трифазного вихідного інвертора.

Номінальна потужність навантаження перетворювача в ланцюзі 110 В дорівнює 17 кВт. Номінальна потужність навантаження перетворювача в ланцюзі 380 В дорівнює 63 кВт.

Математичний опис схеми рис. 21.1 виконано при поділі її на взаємопов’язані підсхеми.

Одна з операцій розділення вихідної схеми на частини полягає в заміні трифазного навантаження залежними джерелами напруги відповідно до формули:

Далі здійснюється перенесення залежних джерел інп в фази інвертора, в фази ємнісного фільтру і в галузі однофазного навантаження.

Подальший поділ схеми на частини виконується при заміні конденсаторів залежними джерелами напруги іДСП:

де номер фільтра постійної напруги в схемі п = 1, 2, 3, 4, ucn – Напруга ємності фільтра, At – крок інтегрування.

Залежний джерело напруги urci переноситься в гілку вхідного дроселя 1, і в гілку верхнього транзистора вхідного інвертора.

Залежний джерело напруги іГС2 переноситься в гілку вхідного дроселя і в гілку нижньої транзистора вхідного інвертора.

Залежний джерело напруги ігсз переноситься в гілку згладжує дроселя ldi, в гілку захисного резистора rz і в гілку вхідного струму трифазного інвертора.

Залежний джерело напруги іГС4 переноситься в гілку згладжує дроселя 1 ^2 і в гілку навантаження 1п.

В результаті перерахованих перетворень вихідної схеми вона розпадається на взаємопов’язані підсхеми, як зображено на рис. 21.2.

Рис. 21.2 Поділ схеми статичного перетворювача власних потреб на взаємопов’язані підсхеми

Слід зазначити, що, крім зазначеного, здійснюється поділ схеми на взаємопов’язані частини також за потоками взаємної індукції між обмотками трансформатора. При цьому первинна обмотка представляється у вторинних обмотках залежними джерелами напруги, а вторинні обмотки представляються в первинній обмотці залежним джерелом струму.

Опис подсхем рис. 21.2 та їх взаємних зв’язків аналогічно опису подібних схем, розглянутих вище. Відповідно до цього описом розроблена модель перетворювача власних потреб у виді програми розрахунку на ЕОМ електромагнітних процесів (програма 21 представлена ​​на CD). Як приклад нижче представлені результати розрахунків.

Один з розрахунків виконаний для випадку номінального навантаження перетворювача при напрузі контактної мережі 3 кВ. Результати представлені на рис. 21.3 і в таблиці 21.1.

Рис. 21.3 Токи і напруги вхідного перетворювача власних потреб електропоїзди при напрузі контактної мережі 3 кВ і номінальному навантаженні мереж 380 В і 110 В

Таблиця 21.1 Результати аналізу струмів і напруг в схемі рис. 21.1 при напрузі живлення 3 кВ

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

2998.882

3001.123

2996.557

Ток контактної мережі, А

27.964

Максимальне значення, А

29.812

Мінімальне значення, А

26.970

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

25

0.543

-164.4469

75

0.395

171.9355

100

0.370

-100.3195

Ток конденсатора Сь А

41.344

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

1000

33.458

-90.4806

2000

18.423

-91.7852

Ток навантаження 1 ключа вхідного інвертора, А

49.928

Середнє значення, А

28.022

Максимальне значення, А

98.511

Ток 1 обмотки трансформатора, А

80.734

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

1000

77.609

72.7331

Ток 2 обмотки трансформатора, А

98.485

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

1000

94.490

70.6526

Ток 3 обмотки трансформатора, А

145.972

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

1000

135.803

84.9441

Випрямлений струм 1 випрямляча, А

108.297

Випрямлена напруга 1 випрямляча, В

611.152

Ток фази вихідного дроселя, А

111.837

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

111.028

140.2532

Струм в конденсаторах вихідного фільтра, А

14.023

Лінійне вихідна напруга ланцюга 380 В, В

382.695

Коефіцієнт гармонік

0.1072

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

380.486

-159.7058

Ток навантаження ланцюга 380 В, А

113.016

Коефіцієнт гармонік

0.03628

Частоти гармонік, Гц

Діючі значення

Фази, гр.

50

112.942

138.6108

Напруга ланцюга 110 В, В

109.165

Потужність навантаження 380 В, кВт

63.272

Потужність навантаження 110 В, кВт

16.757

На рис. 21.4 представлена ​​діаграма струмів і напруг перетворювача в режимі номінального навантаження при стрибку напруги контактної мережі з 3 кВ до 4 кВ.

Рис. 21.4 Токи і напруги вхідного перетворювача власних потреб електропоїзди при стрибку напруги контактної мережі з 3 кВ до 4 кВ

Перетворювач власних потреб повинен працювати в широкому діапазоні зміни навантажень мереж 380 В і 110 В. Одна з особливостей даного перетворювача полягає в тому, що при зниженні навантаження мережі 380 В підвищується напруга на конденсаторі Сз. Якщо не включати захисний резистор rz, То при відсутності навантаження зазначеної мережі напруга на конденсаторі може перевищити 1000 В.

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