Назначение, основные требования, предъявляемые к преобразователям для собственных нужд
1. Назначение, основные требования, предъявляемые к преобразователям для собственных нужд. Источники энергии преобразователей собственных нужд.
2. Потребители энергии преобразователей собственных нужд.
3. Схемные решения, электромагнитные процессы, диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах высокочастотного однофазного резонансного инвертора.
 |
Определение. Под собственными нуждами подвижного состава подразумеваются все нетяговые потребители, размещённые на его борту и предназначенные для обеспечения его нормального функционирования.
Нетяговые потребители могут получать питание, как от контактной сети, так и от других источников (включая аккумуляторную батарею), различающихся не только величиной выходного напряжения, но и родом тока. Как правило, на подвижном составе суммарная мощность потребителей собственных нужд , питающихся пониженным (по отношению к контактной сети) напряжением, не превышает 3…6 кВт. Для питания таких потребителей может быть использован двигатель-генератор собственных нужд, двигатель которого подключается к контактной сети, либо статический преобразователь собственных нужд, также подключаемый к контактной сети.
Вращающиеся преобразователи собственных нужд подвижного состава в последних разработах не применяются в силу известных недостатков.
Требования, предъявляемые к преобразователям:
1.Технические – стабильность выходных параметров и характеристик при изменении температуры в диапазоне от -50 до +400С, влажности воздуха до 100% на высотах до 1200 метров над уровнем моря;
Рекомендуемые материалы
– повышенная механическая прочность деталей и узлов и высокая надежность их крепления, обеспечивающая восприятие вертикальных колебаний с частотой 3 Гц при амплитуде до 6 мм и с частотой до 0,5 Гц при амплитуде до 25 мм;
– повышенная электрическая прочность за счет применения двух ступеней изоляции;
– изоляционные и изолированные детали должны иметь влагостойкую изоляцию, а все металлические детали — надежно защищены антикоррозионными покрытиями;
– рассчитаны также на работу в условиях частых и резких изменениях напряжения в контактной сети;
– иметь малые массогабаритные показатели.
2. Экологические – отсутствие электромагнитного излучения или снижение его до допустимых норм;
– отсутствие шума и вибраций (или минимизация их до допустимых уровней по нормам).
3. Эксплуатационные – к преобразователям должен быть обеспечен хороший доступ для осмотров и ремонтов обслуживающим персоналом;
– их окраска должна быть отличной от окраски остального оборудования;
– крышки и люки для доступа к высоковольтным цепям преобразователей должны иметь предупредительные знаки и надписи;
– блок преобразователя не должен иметь выступающих частей и деталей и снабжен ручками для снятия и установки на подвижной состав (или другими приспособлениями для механизированного монтажа и демонтажа).
Потребителями электрической энергии преобразователей собственных нужд в общем случае являются:
– низковольтные электрические цепи подвижного состава, включающие в себя: цепи питания электрических аппаратов силовых цепей, цепей вспомогательного электрического оборудования, управления, освещения, сигнализации, отопления, кондиционирования и т.д.;
– аккумуляторная батарея.
 |
Элементной базой сильноточных высоковольтных цепей, применяемых в настоящее время на подвижном составе преобразователей для питания собственных нужд, являются те же, но рассчитанные на меньшие токи полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы).
Наибольший интерес представляют представляет инверторы, позволяющие:
– произвести гальваническую развязку высоковольтных цепей подвижного состава и низковольтных цепей собственных нужд;
– поднять рабочую частоту преобразования, за счёт чего, во-первых, обеспечить бесшумную его работу, и, во-вторых, существенно снизить массогабаритные показатели преобразователя, повысив при этом удельные энергетические показатели.
Ранее указывалось, что использование ключевого режима работы инверторов приводит к необходимости применения мощных фильтровых устройств для подавления гармоник, обусловленных крутыми фронтами отпирания полупроводниковых приборов. Эффективным средством борьбы с этим явлением становится применение мостовых резонансных инверторов, принципиальная электрическая схема цепей которого в однофазном варианте приведена на рис. 52. Инвертор образуют 4 IGBT-транзистора, соединённые по схеме моста, в одну диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора Т с параллельно подключённым к ней конденсатором С, а на вторую – через Г-образный LC-фильтр подаётся напряжение источника питания. Со вторичной обмотки трансформатора (их может быть несколько) переменное напряжение подаётся на выпрямитель.
Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Пусть в начальный момент времени напряжение на конденсаторе имело полярность, указанную без скобок, а управляющий сигнал подан на транзисторы VT1,VT4. По цепи «+» источника питания – транзистор VT1 – конденсатор С2 – первичная обмотка трансформатора Т – транзистор VT4 – «-» источника питания начинает протекать ток. Поскольку конденсатор и первичная обмотка трансформатора образуют резонансный контур, то протекающий в нём ток носит синусоидальный характер. После перезаряда конденсатора до напряжения источника питания с полярностью, указанной в скобках, ток в контуре прекращается, с транзисторов VT1 и VT4 снимаются сигналы управления, и они переходят в режим отсечки. Длительность перезаряда конденсатора определяется собственной частотой резонансного контура. После спадания тока в обмотке трансформатора до нуля подаётся управляющий сигнал на транзисторы VT2 и VT3 , переводящий их из режима отсечки в режим насыщения. При этом образуется контур для протекания тока: «+» источника питания – транзистор VT2 – конденсатор С2 – первичная обмотка трансформатора Т – транзистор VT3 – «-» источника питания. После перезаряда конденсатора до напряжения источника питания с полярностью, указанной без скобок, ток в контуре прекращается, с транзисторов VT2 и VT3 снимаются сигналы управления, и они переходят в режим отсечки. Далее вновь отпираются транзисторы VT1 и VT4 и процессы в цепях повторяются.
Поскольку при работе преобразователя во избежание режима короткого замыкания недопустимо одновременное нахождение в проводящем состоянии пар транзисторов VT1 и VT3 и VT2 и VT4, то после спадания тока до нуля необходимо выдерживать определённую паузу Δt при включении транзисторов (см. рис. 53).
Электромагнитные процессы в каждом полупериоде описываются одной и той же системой уравнений, при составлении которой приняты следующие допущения:
– напряжение на конденсаторе С1постоянно и равно напряжению питания U;
– падение напряжения на проводящих ключах пренебрежимо мало;
– величина (приведённая) индуктивности трансформатора LТ – неизменна.
Падение напряжения на элементах цепи инвертора (рис. 52) при протекании тока по первичной обмотке
Решение системы уравнений относительно uC2 и iC2 имеет вид
Информация в лекции "18 Рельсовые цепи с частотой 50 Гц постоянного тока" поможет Вам.
где постоянные интегрирования А=U, 
и φ1= -πω0 определяются из первого уравнения при подстановке в него значения напряжения на конденсаторе 
для момента начала периода (t=0), и 
– для четверти периода (
).
Кривые напряжения на конденсаторе и тока, протекающего через него, с учётом приведённых выше замечаний приведены на рис. 53.
Упрощенным вариантом рассмотренной схемы цепей резонансного инвертора является полумостовая схема, в которой одна пара плеч моста образована конденсаторами, выполняющими роль делителя напряжения источника питания (см. схему на рис. 54).
Принцип работы схемы преобразователя с конденсаторными делителями напряжения ничем не отличается от рассмотренного выше: поочерёдное подключение резонансного контура к плюсовому и минусовому выводу источника питания приводит к смене направления тока в резонансном контуре и наведению на вторичной обмотке трансформатора синусоидального напряжения.
