Спаренные однотактные импульсные конверторы и их применение в силовых электроприводах постоянного и переменного тока

Однотактные импульсные преобразователи постоянного напряжения в постоянное— конверторы (понижающий, повышающий и инвертирующий)— широко используются самостоятельно, а также в составе различных многотактных преобразователей: конверторов, инверторов, преобразователей частоты, управляемых выпрямителей, корректоров мощности и др. К основным достоинствам однотактных конверторов относятся: просто-та и надежность, в частности отсутствие цепей для «сквозных сверхтоков», хорошие регулировочные характеристики для отношения выход/вход (γ, 1/1–γ и γ/1–γ). К недостаткам— сложность использования трансформаторов для гальванической развязки и согласования источников с нагрузкой, а также относительно низкий КПД из-за недоиспользования части периода преобразования (пауз в отборе либо в передаче мощности). Устранить последние позволяет группирование однотактных конверторов во взаимосвязанные пары [1, 2].

На рис.1а приведена схема спаренного однотактного инвертирующего импульсного конвертора с дополнительными прямоходовыми цепями (ПХЦ). В режиме повышения напряжения, когда относительная длительность импульсов γ< 1/2 иU2 = (γ/1–γ)U1 >U1, ПХЦ не работают. Зато в режиме понижения напряжения, когда γ >1/2 иU2 = (γ/1–γ)U1< U1, ПХЦ работают с прерывистыми токами в их дросселях, так как для обеспечения их непрерывности необходимо выполнение условия: U2 = γU1. Таким образом, в режиме понижения напряжения в интервале времени, когда транзисторы VT’ и VT»включены, одновременно с процессом набора энергии в основных дросселях L’ и L» происходит прямоходовая передача мощности от источника в нагрузку (через ПХЦ’ и ПХЦ») с одновременным набором энергии в дополнительных дросселях ПХЦ, а в интервале запертых VT — одновременная передача накопленной энергии основных и дополнительных дросселей в нагрузку. При этом КПД схемы в режиме понижения напряжения существенно повышается.

Рис. 1. Спаренные однотактные импульсные конверторы с дополнительными прямоходовыми цепями (ПХЦ):
а) инвертирующий;
б); в) обратноходовые с развязывающими трансреакторами и цепями рекуперации энергии рассеяния (ЦРЭ)— пассивной (б) и активной (в)

Существует возможность попарного объединения магнитных сердечников основных и (или) дополнительных дросселей, требующая синхронизации управления транзисторами.

Основной проблемой применения трансформаторов в ключевых схемах является рекуперация или утилизация энергии индуктивности рассеяния. В то же время в схемах однотактных конверторов оптимально использование трансреакторов, совмещающих функции дросселей и трансформаторов, что существенно упрощается в случае указанных спаренных конверторов.

На рис. 1 показаны спаренные однотактные обратноходовые конверторы с ПХЦ, с развязывающими трансреакторами (TP’ и TР») и цепями рекуперации энергии рассеяния (ЦРЭ) — пассивной (б) и активной (в). Первая из них существенно проще, но работоспособна только в случае режима с понижением напряжения, приложенного к первичной обмотке трансреактора. В противном случае ЦРЭ будет отсасывать преобразуемую энергию, полностью рекуперируя ее обратно во входной емкостный фильтр. Вторая, активная цепь рекуперации представляет собой дополнительные емкостные накопители (буферы) и понижающие ШИМ-регуляторы. Цепь работоспособна при любом режиме преобразования. Трансреакторы в обеих схемах могут иметь общий магнитопровод, если сигналы управления основными ключами синхронизированы.

Одним из дополнительных достоинств, приведенных схем является возможность обратимости преобразования путем определенной модернизации. Это важно для построения тягово-приводных преобразователей с обеспечением рекуперативного торможения, особенно при высоковольтном питании.

В качестве примера рационального использования спаренных однотактных импульсных конверторов рассмотрим тяговую схему с активным делителем сетевого напряжения и модульно-трансформаторной развязкой.

Известна тяговая схема электропоезда постоянного тока ЭМ2И с типовыми однотактными импульсными конверторами на базе двух пар последовательно включенных запираемых IGCT-тиристоров. В режиме тяги конвертор включен по схеме понижения напряжения, а в режиме резистивного торможения— повышения напряжения. Помимо цепи последовательного возбуждения в режиме торможения используются регуляторы возбуждения (РВ) с питанием от отдельного источника.

К основным недостаткам этой схемы относятся:

• отсутствие режима рекуперативного торможения;
• последовательное соединение силовых полупроводниковых ключей, требующее резистивно-емкостных выравнивающих цепей, снижающих КПД;
• отсутствие гальванической (трансформа-торной) развязки между высоковольтной сетью (с импульсным напряжением на вы-ходе фильтра U’с.имп. = 6 кВ) и якорными обмотками двигателей с рабочим напряжением Uя = 1,5 кВ.

Менее значимые недостатки:

• относительно узкий скоростной диапазон эффективного торможения из-за использования только режима повышения напряжения;
• отсутствие быстродействующих активных устройств защиты силовых полупроводниковых ключей от перенапряжений;
• необходимость специального дополнительного источника с существенной пиковой мощностью для форсирования возбуждения двигателей при торможении;
• отсутствие антибоксовательных устройств;
• большая энергоемкость (масса, габариты) входного фильтра;
• наличие цепи для якорного сверхтока по цепи резистивного шунта в случае пробоя корпуса изоляции одной из якорных обмоток;
• необходимость завышения энергоемкости дросселей L1-2 иL3-4 для снижения высокочастотных пульсаций напряжения на об-мотках двигателя при резистивных шунтах (потери встали).

Применение спаренных однотактных импульсных конверторов позволяет исключить вышеперечисленные недостатки.

На рис. 2 приведена альтернативная тяговая схема с обратимым активным делителем сетевого напряжения (ОАДН) и модульно-трансформаторной (трансреакторной) развязкой. ОАДН помимо емкостного делителя С1-С4 со-держит два спаренных обратимых импульсных модулятора-выпрямителя (ОИМ— В1,2) и четыре развязывающих трансреактора(ТР1-4), два из которых содержат также уравнительные обмотки Nур1,2 для выравнивания напряжений на конденсаторах делителя и передачи рекуперируемой мощности. Вторичные обмотки ТР1-4 через обратимые управляемые выпрямители— импульсные модуляторы (ОУВ-ИМ1,2)—подключены к якорным обмоткам двигателей М1-4. Два трансреактора содержат также обмотки NВ1,2 для питания обмоток возбуждения ОВ1-4 через регуляторы возбуждения РВ1,2. Средние точки парных выходных емкостных фильтров заземлены, благодаря чему потенциалы якорных обмоток двигателей не превышают их номинального рабочего напряжения. Параллельно каждой паре конденсаторов ОАДН через тормозной контактор Кт подключены соответствующий тормозной резистор Rт, а также защитная тиристорно-диодная цепочка VSз—VDз для защитыVS1-4 от перенапряжений. Входной силовой реактор L (СР) также зашунтирован тиристор-но-диодной цепочкой VS-VD для исключения колебательных перенапряжений на С1-4.Навходе схемы включен активный быстродействующий выключатель (АБВ), срабатывающий по сигналу системы ранней диагностики неисправностей перегрузок, утечек тока в изоляции и коротких замыканий.

Рис. 2. Тяговая схема с обратимым активным делителем сетевого напряжения (ОАДН) и модульно-трансформаторной развязкой

На рис.3 в качестве фрагмента рассмотренной системы показана схема обратимого канала питания двигательной пары.

Рис. 3. Схема обратимого канала питания двигательной пары

Режим тяги осуществляется ШИМ-регулированием IGCT-тиристорами VS3 иVS4.Привключенном VS3 напряжение вторичной обмотки N’1 трансреактора TP3 подается на прямоходовую цепь ПХЦ’4, через которую заряжается конденсатор C’4 парного емкостного фильтра C’3-4, подключенного к якорным обмоткам М3 иМ4. Одновременно с этим в намагничивающем контуре ТР3 накапливается электромагнитная энергия, определяемая разностным током в обмотках N1иN’1, имеющих равное число витков. После выключения VS3 и одновременного отпирания VS’3 накопленная энергия ТP3 передается через VS»3 в конденсатор C’3, а энергия ПХЦ’4— в конденсатор С’4 через обратный диод. При этом энергия рассеяния первичной обмотки N1 через диод VD3 рекуперирует в конденсатор С4. При указанном ШИМ-регулировании сердечник трансреактора ТР3 работает с постоянным по знаку пульсирующим магнитным потоком.

При боксовании одной из колесных пар, связанных сМ3 и сМ4, замыкается антибоксовательный контактор КАБ3-4, и путем ШИМ-регулирования соответствующим тиристором VS’3 или VS’4 осуществляется пере-распределение напряжений (токов) между М3 и М4 для парирования боксования.

Режим рекуперативного торможения осуществляется ШИМ-регулированием IGCT-тиристорами VS’3 иVS’4. При включенном VS’3 напряжение якорных обмоток прикладывается ко вторичным обмоткам N’1 TP3,4, вызывая набор энергии в их намагничивающих контурах. При этом прямоходовая цепь ПХЦ3 не работает, так как напряжение на конденсаторе С3 выше, чем на обмотке N1. После выключения VS»3 основная часть энергии TP3 с помощью уравнительной обмотки Nур2 передается в конденсатор С2 и далее через ОИМ-В1—в питающую высоковольтную сеть. Энергия рассеяния вторичной обмотки N’1 TP3 сначала передается в буферный конденсатор активной ЦРЭ, а затем через вспомогательный относительно маломощный ШИМ-регулируемый IGCT-тиристор и дроссель ПХЦ’3—в конденсатор С’3. В этом режиме питание обмоток возбуждения ОВ3-4 обеспечивается от обмотки Nв2 TP4 через тиристорный регулятор возбуждения PB2 (управляемый выпрямитель).

Режим резистивного торможения происходит с понижением напряжения. Поэтому в этом режиме участвует ПХЦ3 (при включенном VS’3). После выключения VS’3 энергия, накопленная в TP3, передается в конденсатор С3 и далее— в тормозной резистор RT2, а энергия рассеяния обмотки N’1— через VS»3— обратно вС’3. При малых скоростях, когда даже при максимально форсированном токе возбуждения ЭДС двигателей в генераторном ре-жиме относительно низка, для поддержания максимального тормозного момента может использоваться защитный IGCT-тиристор VSЗ-2, подключенный к отпайке RT2. Возможен также вариант подключения тормозных резисторов ко вторичным об-моткам трансреакторов (показаны пунктиром).

На рис.4 приведена схема транзисторного варианта построения канала питания двигателей. Ее отличия от предыдущей схемы:

• применены парно-модульные IGBT-транзисторы (VT3,3′, VT4,4′, VT’3,3′, VT’4,4′) с меньшим максимально допустимым напряжением (1700 В) и с большей рабочей частотой (до 5–10 кГц); управление затворами осуществляется с небольшим временным сдвигом;
• оба вида торможения (рекуперативное и резистивное) осуществляются в обратноходовом режиме (за исключением варианта непосредственного подключения RT, RT’ к вторичным обмоткам TP3,4);
• прямое выпрямление является нерегулируемым, а регулирование в режиме тяги осуществляется только за счет импульсной модуляции (ИМ);
• введены два тормозных переключателя (ПТ, П’Т).

Рис.4. Транзисторный вариант обратимого канала питания двигателей

Благодаря использованию защитных диодов VD3,4 и VD3,4′, а также временному сдвигу при управлении парномодульными транзисторами (начиная с правого транзистора в каждой паре) исключаются перенапряжения на запертых транзисторах, что является важнейшим достоинством данной схемы. Применение IGВT-транзисторов позволяет, увеличив частоту модуляции, существенно снизить массу и габариты трансреакторов (ТР). Существенные затруднения в силовой пред-образовательной технике возникают при создании инверторов синусоидального напряжения, особенно обратимых трехфазных регулируемых (по амплитуде и частоте) инверторов с гальванической развязкой. В то же время потребность в таких инверторах очень велика, в частности в тяговых и других электроприводах переменного тока. Их создание представляется возможным на базе вышеописанного спаренного конвертора, работающего в циклическом режиме со знакопостоянным синусоидально-пульсирующим выходным напряжением. Комбинация из двух или трех таких конверторов выполняет функцию так называемого обратимого циклоконвертора (ОЦК).

Рис. 5. Трехфазный регулируемый обратимый циклоконвертор (ОЦКA,B,C) с гальванической развязкой для электропривода переменного тока:
а— схема фазного канала ОЦКА;
б— временные диаграммы его выходных напряжений;
в— структура трехфазного ОЦКA,B,C

На рис.5 приведены схема фазного канала ОЦКА (рис.5а), временные диаграммы его выходных напряжений (рис.5б) и структура трех фазного регулируемого обратимого циклоконвертора с гальванической развязкой для электропривода (рис.5в). Он позволяет обеспечить высокое качество регулируемого по амплитуде и частоте выходного напряжения при относительно малой энергоемкости выходного фильтра. При этом обеспечиваются рекуперативное и динамическое торможение, а также гальваническая (трансформаторная) развязка.