Силовая электроника №1'2006

Универсальная схема импульсного регулирования силового электропривода с гальванической развязкой

Станислав Резников
Денис Чуев


Рассмотренная в статье универсальная схема импульсного регулирования силового электропривода с использованием трансформаторной гальванической развязки обеспечивает все виды электрического торможения. Она может использоваться для всех видов электроприводов и при любых типах и параметрах источника первичного питания.


Современные системы импульсного регулирования силового электропривода, особенно тягового или специального назначения, например, с топливно-погружными двигателями, предполагают не только наличие рекуперативного и динамического (реостатного) торможения, но и гальванической развязки между источником питания и электроприводом (асинхронным, синхронным электродвигателем или двигателем постоянного тока). Обеспечение гальванической развязки с приемлемыми массо-габаритными характеристиками предполагает использование, помимо регулирующих узлов, звена повышенной частоты, содержащего простейший однофазный инвертор и трансформаторно-выпрямительный блок. Введение таких узлов несколько затрудняет обеспечение цепей торможения, особенно рекуперативного.

Помимо основной задачи (развязки) введение звена повышенной частоты облегчает согласование цепи питания и обмоток двигателя (якорной и возбуждения) по уровням напряжения. Кроме того, указанное звено способно обеспечить автоматическое самовыравнивание напряжений входного емкостного делителя напряжения при многоканальном электроприводе, например в тяговом электроприводе железнодорожного транспорта с высоковольтным сетевым питанием.

Представляет интерес разработка универсальной схемы импульсного регулирования силового электропривода с гальванической развязкой, которую можно было бы использовать для всех перечисленных электродвигателей и при любых типах и параметрах источника первичного питания (сетевом или автономном). Такая схема, например, применима для дизель-электровозов и дизель-электропоездов с использованием как сетевого высоковольтного питания, так и питания от тягового вентильного дизель-генератора.

На рис. 1 приведены разработанная авторами универсальная схема импульсного регулирования силового электропривода переменного (постоянного) тока с гальванической развязкой и обозначения ее элементов. Расположение узлов на схеме (слева направо) соответствует потоку энергии в режимах пуска, разгона и тяги (Rт отключен) с учетом гальванической развязки. Остальные режимы демонстрируются на рис. 2 в соответствии с частным примером применения схемы.

Помимо гальванической развязки, обратимости преобразования и универсальности в отношении типов и параметров источников питания и электродвигателей приведенная схема обладает следующими достоинствами:

простота управления, отсутствие сквозных сверхтоков и насыщения трансформатора при воздействиях помех и асимметрии параметров в схеме нерегулируемого звена повышенной частоты (НИТ-Тр) [1];

  • минимизация тепловых потерь в РПВ/ПНК при любых изменениях соотношения между входным и выходным напряжениями благодаря его переменной структуре (для однотранзисторных режимов повышения, понижения и «безразличного», то есть двух-транзисторного) [2];
  • использование нового принципа обратимого инверторно-выпрямительного преобразования (принципа «транспортирования заряда»), позволяющее в режимах прямого и обратного преобразования в ТИСН обеспечить синусоидальность формы и высокий cosφ трехфазного напряжения [2-5];
  • простота обеспечения энергоэкономичного независимого возбуждения при использовании коллекторных и синхронных электродвигателей во всех режимах их работы.

Наиболее яркий пример использования предложенной схемы — в составе универсальной тяговой схемы дизель-электропоезда (электровоза) (рис. 2а) [6]. Направления токов и потоков энергии в схеме в различных режимах показаны на рис. 2б-е. Основные достоинства указанной структуры:

  • защита обмоток якоря и возбуждения (ЯО и ОВ) тяговых двигателей от высоких статистических и импульсных (коммутационных) сетевых потенциалов относительно заземленного корпуса;
  • использование относительно низковольтных IGBT-транзисторов без их синхронного последовательно-группового включения;
  • простота и надежность автоматического самовыравнивания напряжений на конденсаторах емкостного делителя напряжения (ЕДН) благодаря закольцованным перекрестным обратным связям (через В ) [2, 7];
  • обобщение режима рекуперативного торможения на случай питания от дизель-генератора (рис. 2е) благодаря одновременному использованию инверторного режима в обратимом управляемом выпрямителе (ОУВ), кинематическому накопителю (КН-маховику) и механическому тормозу (МТ) на валу дизельного двигателя (ДД).

Рассмотрим некоторые из перечисленных достоинств и особенностей предложенной схемы более подробно в следующих аспектах.

  1. Обратимость преобразования (наличие тормозных режимов) и универсальность в отношении типов и параметров источников питания и двигателей достигается за счет переменной структуры, реализуемой переключателями П1–4. На рис. 2б показаны направления токов и потоков энергии в тяговой схеме дизель-электропоезда (электровоза) в режиме тяги с питанием от сети. Питание четырех последовательно включенных однотипных каналов (по числу тяговых двигателей) производится от контактной сети с напряжением 3±1 кВ через токоприемник (ТП), быстродействующий выключатель (БВ) (зашунтирован вместе со всей схемой защитным разрядником Рз), защитный реактор (Lз) и емкостный делитель напряжения ЕДН. Якорные обмотки двигателей (ЯО) питаются слева направо через весь силовой тракт, а обмотки возбуждения (ОВ) — через ответвление от трансформатора (Тр) (независимое возбуждение).

На рис. 2в продемонстрирован режим рекуперативного торможения с возвратом энергии в сеть. Здесь энергия электродвигателя сначала преобразуется через регулируемый повышающе-понижающий конвертор (РПВ/ПНК), а затем — через нерегулируемый инвертор тока и трансформаторно-выпрямительный блок (Тр-В). При этом независимое возбуждение двигателя осуществляется по тому же каналу.

На рис. 2г демонстрируется режим динамического торможения, при котором энергия электродвигателя регулируется с помощью РПВ/ПНК и рассеивается в тормозном резисторе (Rт). При этом независимое возбуждение обеспечивается тем же каналом, что и на рис. 2в.

На рис. 2д показан режим тяги с питанием от дизель-генераторов (ДД-ТГ) через обратимые управляемые выпрямители (ОУВ), минуя нерегулируемый инвертор тока, которые обслуживают в этом режиме независимое возбуждение.

И, наконец, на рис. 2е приведен режим рекуперативного торможения с возвратом энергии в кинетический накопитель (КН) и ее рассеянием в компрессионном и механическом тормозах (в ДД и МТ).

  1. Простота управления, отсутствие сквозных сверхтоков и насыщения трансформатора при воздействиях помех и асимметрии параметров в схеме нерегулируемого инвертора тока достигаются благодаря использованию разделительных реакторов между транзисторами в мостовой схеме и L-C-VD- демпфирующих цепочек, рекуперирующих коммутационную реактивную энергию во входной емкостный фильтр (Сф1,2 на рис. 1). При постоянной относительной длительности импульсов управления транзисторами (γ = 0,5 = const) единственным устойчивым состоянием схемы нерегулируемого инвертора тока в режиме непрерывных токов дросселей является такое, при котором среднеполупериодные напряжения на его входе и выходе равны друг другу и удвоенному среднему напряжению конденсатора демпфирующей цепочки. Указанные преимущества предложенной схемы нерегулируемого инвертора тока многократно компенсируют невозможность использования двухтранзисторных согласно-последовательных полумостовых модульных стоек, полюбившихся разработчикам. Наоборот, перед изготовителями указанных стоек целесообразно поставить задачу выпуска встречно-последовательных стоек, из которых можно составить данную схему.
  2. Новый принцип обратимого инверторно-выпрямительного преобразования (принцип «транспортирования заряда»), примененный в структуре трехфазного инвертора синусоидального напряжения (ТИСН на рис. 1), заключается в следующем. При постоянном напряжении U0 на внешних выводах емкостных делителей на нижних его конденсаторах напряжения изменяются по законам:

а на верхних — по законам:

При этом на первом полупериоде низкочастотного трехфазного напряжения [0; π/ω] энергия из одного конденсатора каждой фазной стойки передается во второй с помощью соответствующего высокочастотного ШИМ-конвертора, образуемого соответствующими транзистором, дросселем и диодом и работающего в «безразличном» (повышающе-пони-жающем, обратноходовом) режиме.

Указанный принцип позволяет в режиме прямого и обратного преобразования в ТИСН обеспечить практическую синусоидальность формы и высокий coscp трехфазного напряжения. При этом схема не подвержена «сквозным сверхтокам», так как транзисторы в стойке работают в ШИМ-режиме поодиночке в течение всего полупериода низкочастотного напряжения.

Заключение

Предложенная универсальная схема импульсного регулирования силового электропривода с гальванической развязкой обеспечивает все виды электрического торможения и может быть использована для всех электродвигателей и при любых типах и параметрах источника первичного питания (сетевом или автономном). Наибольшую эффективность она может иметь в тяговых электроприводах, однако может с успехом применяться и в других видах электроприводов специального назначения, например с топливно-погружными двигателями, рулевыми машинками и др.

Литература

  1. Резников С, Чуев Д., Бутенко П., Савенков А., Кузёный С, Бекетова А. Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно-коммутационными цепочками // Компоненты и технологии. 2005. №5.
  2. Резников С. Б. Новая концепция железнодорожных импульсных тяговых электроприводов на базе реверсивных активных делителей постоянного напряжения и многорежимных обратимых конверторов // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.
  3. Резников С. Б., Молочников А. Ю. Обратимый импульсный преобразователь постоянных напряжений. Патент РФ на полезную модель № 33274. Опубл. 10.10.2003. БИ № 28.
  4. Резников С. Б. Самолетная система электроснабжения квазипостоянного повышенного напряжения // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 4.
  5. Резников С, Булеков В., Болдырев В., Бочаров В. Новый принцип обратимого выпрямительно-инверторного преобразования с ШИМ-коррекцией мощности // Силовая электроника. 2005. № 1.
  6. Резников С, Чуев Д., Бутенко П., Савенков А. Новая структура универсальной тяговой схемы дизель-электропоезда с импульсным регулированием и защитой от перенапряжений // Силовая электроника. 2005. № 3.
  7. Белащенко М. Д., Ламанов А. В., Резников С. Б., Савенков А. И. Преобразователь постоянного напряжения с конденсаторным делителем. Патент РФ на полезную модель № 37293. Опубл. 10.04.2004.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_01_38.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Загрузчик семян
Продажа семян овощей известных мировых компаний! Выгодные цены
zavtotexnology.ru