Четирехквадрантние перетворювачі змінно-постійного напруги типу 4QS використовуються на залізничному транспорті, наприклад, при харчуванні приводів від однофазної контактної мережі змінного напруги [25], [48], [69], [71]. Ці перетворювачі можна віднести до активних випрямлячів [15]. Перетворювачі 4QS вирішують такі завдання:

перетворення однофазного напруги контактної мережі, що змінюється в широких межах, в стабілізовану постійна напруга;

підтримання синусоїдальної форми струму контактної мережі;

забезпечення роботи приводу із заданим коефіцієнтом потужності мережі;

передача енергії навантаженні в режимах тяги, повернення енергії в мережу при гальмуванні.

Схема силової частини перетворювача типу 4QS зображена на рис. 19.1.

Рис. 19.1 Схема перетворювача типу 4QS

У схемі рис. 19.1 перетворювач містить дросель lsd, Однофазний транзисторний випрямляч з ключами kvi і kv2, Резонансний LC-фільтр з ємністю з2 і індуктивністю 12, А також конденсаторний фільтр з ємністю с. Для реалізації перерахованих завдань регулювання забезпечується робота транзисторного моста в режимі ТТТІМ

Резонансний фільтр з елементами з2 і 12 розраховується на частоту, рівну подвоєною частотою напруги мережі живлення. При частоті мережі 50 Гц фільтр розраховується на резонансну частоту 100 Гц. Саме таку частоту мають основні вищі гармонійні складові випрямленої напруги однофазного моста. Для цих складових опір резонансного фільтра дорівнює 0 (якщо не враховуються активні опори), і для них вихідна ланцюг випрямляча замкнута накоротко. Тому для обмеження струмів на вході випрямлячів використовуються дроселі зі значною індуктивністю. Інші вищі гармонійні випрямленої напруги обмежуються конденсаторним фільтром.

Одна з розробок перетворювача типу 4QS була виконана для тягового приводу високошвидкісного потягу «Сокіл» для варіанту живлення від контактної мережі змінного напруги 25 кВ, 50 Гц. Спрощена схема привода представлена ​​на рис. 19.2.

Рис. 19.2 Схема тягового приводу потягу «Сокіл» у варіанті живлення від контактної мережі змінного напруги 25 кВ, 50 Гц

Розробка приводу виконувалася в ФГУП ЦНДІ СЕТ за участю РАО В СМ, МГУПС та ін Привід містить два трансформатора Тр1 і Тр2, два вхідних перетворювача 4QS1 і 4QS2, чотири транзисторних інвертора ТІ1-ТІ4 (Розміщені у двох контейнерах) і чотири асинхронних двигуна АД1-АД4.

Кожен двигун і кожен інвертор мають максимальну потужність 675 кВт. Потужність двигунів при роботі в тривалому режимі 540 кВт.

Кожен вхідний перетворювач має, відповідно, потужність 1350 кВт. Трансформатори типу ОРНДЦ-2000/25У 3 мають реактанс 50%.

Номінальна напруга контактної мережі 25 кВ. При роботі тягового приводу напруга мережі може змінюватися від 19 до 29 кВ. Індуктивність і активний опір мережі є змінними величинами і змінюються при русі поїзда.

Коефіцієнт трансформації трансформатора дорівнює 26,595. Для збільшення індуктивності розсіювання трансформатора в нього вбудований дросель, обмотка якого включена послідовно з вторинною обмоткою трансформатора. Сумарна індуктивність розсіювання обмоток з урахуванням дроселя, наведена до вторинної обмотки, дорівнює 1,2 мГн. Активний опір, наведене до вторинної обмотки, так само 0,011 Ом.

Ємність конденсаторної батареї 5000 мкФ. Активний опір конденсаторної батареї 0,001 Ом.

Ємність конденсатора резонансного фільтра 1000 мкФ. Індуктивність резонансного фільтра 2,5 мГн. Активний опір резонансного фільтра 0,015 Ом.

Випрямлена напруга перетворювача підтримується на рівні 1650 В.

Інвертори виконані на транзисторах IGBT фірми HITACHI. Перетворювачі 4QS виконані на повністю керованих тиристорах IGCT фірми АВВ.

У зв’язку з використанням в перетворювачах 4QS тиристорів IGCT частота шіротноімпульсной модуляції прийнята порівняно низькою. Зокрема, при виконанні проектних робіт вона була прийнята рівною 450 Гц. В процесі випробувань частота ШІМ була збільшена до 900 Гц.

Розробка та виготовлення перетворювачів здійснювалися в ФГУП ЦНІІСЕТ за участю РАО ВСМ.

Для розрахунку й аналізу електромагнітних процесів в перетворювачі типу 4QS тягового приводу поїзда використовувалася спрощена схема заміщення установки, зображена на рис. 19.3. У схемі повністю керовані тиристори замінені транзисторами. На наведене нижче математичний опис установки ця заміна не впливає.

Рис. 19.3 Схема для моделювання вхідного перетворювача типу 4QS тягового приводу потягу «Сокіл»

У схемі рис. 19.3 в контактній мережі враховується синусоїдальна ЕРС es, Індуктивність ls і активний опір rs. Мережа має напругу us, В ній протікає струм is. При виконанні розрахунків задане чинне напруга мережі забезпечується пропорційно-інтегральним регулятором, на виході якого формується задана амплітуда ЕРС мережі Esm.

При виконанні розрахунків параметри мережі наводяться до вторинної обмотки трансформатора. При виведенні струмів і напруг в файл результатів струм і напруга мережі приводяться до первинної обмотці.

У трансформаторі враховується коефіцієнт трансформації Ктр, Індуктивність розсіювання lsd і активний опір rsd, Наведені до вторинної обмотки. Ток вторинної обмотки дорівнює isd.

У перетворювачі стану ключів описуються двома функціями kvi і kv2, Що приймають значення 0 або 1. Токи в плечах перетворювального моста позначені ivi-iV4 – випрямлені-ний струм моста idv.

Струм в резонансному фільтрі i2. Струм в конденсаторному фільтрі ic. Напруга конденсаторного фільтра (випрямлена напруга) ігс. У схемі рис. 19.3 зображена також ланцюг захисту від перенапруг, що містить комутуючих ключ kz і захисний резистор rz. У цьому ланцюзі протікає струм iz.

Навантаження перетворювача 4QS представлена ​​індуктивністю 1н, Активним опором гн і джерелом ЕРС ен. В навантаженні протікає струм iH.

Всі отримані підсхеми взаємопов’язані через залежні джерела напруги тагс і

При математичному описі схеми рис. 19.3 конденсатор в ланцюгу випрямленої напруги замінюється залежним джерелом напруги відповідно до (1.1). Потім це джерело переноситься в галузі схеми, які з’єднуються один з одним в позитивному полюсі ланцюга випрямленої напруги. У результаті виділяються підсхеми, зображені на рис. 19.4.

Рис. 19.4 Поділ схеми з перетворювачем 4QS на підсхеми

Ток резонансного фільтра визначається з рівняння:

Напруга конденсатора резонансного фільтра:

Вихідний струм транзисторного моста:

Токи в плечах транзисторного моста:

де з – частота напруги чоти, At – крок розрахунку.

В подсхеме з транзисторами перетворювального моста ток isd і струм мережі is можуть бути визначені з наступних рівнянь:

ЕРС живильної мережі:

струму ic.

Струм в захисному резисторі:

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

Струм в конденсаторі:

Рис. 19.8 Токи і напруги в перетворювачі 4QS потягу «Сокіл» 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.