локомотивный преобразователь собственных нужд

Формула изобретения

Локомотивный преобразователь собственных нужд, содержащий зажимы для подключения к источнику однофазного переменного тока, к которым подключен неуправляемый мостовой выпрямитель, на выходе выпрямителя подключен импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа (ИПН), между выпрямителем и ИПН подключен дроссель, к выходу ИПН подключены фильтровый конденсатор и резонансный LC фильтр, образующие звено постоянного напряжения, к выходу звена постоянного напряжения параллельно подключен трехфазный автономный инвертор напряжения для питания трехфазных нагрузок, отличающийся тем, что преобразователь содержит два идентичных входных преобразователя, параллельно подключенных к зажимам для подключения к источнику однофазного переменного тока, каждый из ИПН содержит два параллельно соединенных вентильных плеча, состоящих из транзисторных модулей IGBT, эмиттером подключенных к отрицательной фазе цепи нагрузки, а коллектором к «плюсовой» цепи питания нагрузки, к коллекторной цепи каждого из ИПН анодом подключены диоды, катоды диодов и эмиттеры модулей IGBT подключены к звену постоянного напряжения, параллельно подключенного к выходным зажимам ИПН, к выходу звена постоянного напряжения параллельно подключены несколько, по крайней мере два, трехфазных автономных инверторов напряжения для питания преимущественно трехфазных нагрузок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава переменного тока, и предназначено, в частности, для питания вспомогательных трехфазных нагрузок.

Известен локомотивный преобразователь собственных нужд переменного тока (Патент РФ № 2285328), содержащий тяговый трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную к питающей сети, обмотку собственных нужд с концевыми и промежуточными выводами, преобразователь частоты, состоящий из четырех тиристоров и блока управления, соединенного своими выходами с управляющими входами тиристоров. Тиристоры соединены в две группы по два последовательно включенных тиристора и подключены к концевым выводам обмотки собственных нужд. Одна группа тиристоров включена согласно с направлением обмотки, а вторая - встречно. Асинхронный трехфазный электродвигатель подключен первой фазой к общей точке соединения тиристоров второй группы, а третьей фазой - к промежуточному выводу обмотки собственных нужд.

Недостатком преобразователя является необходимость применения силовых полупроводниковых приборов и асинхронного двигателя с напряжением изоляции, равным напряжению вторичной обмотки трансформатора, что значительно ухудшает условия их работы, массогабаритные показатели и увеличивает стоимость преобразователя в целом. Кроме того, указанный преобразователь не обеспечивает резервирования питания нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности является локомотивный преобразователь собственных нужд, содержащий зажимы для подключения к источнику однофазного переменного тока, к которым подключен неуправляемый мостовой выпрямитель, на выходе выпрямителя подключен импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа (ИПН), между выпрямителем и ИПН подключен дроссель, к выходу ИПН подключены фильтровый конденсатор и резонансный LC фильтр, образующие звено постоянного напряжения, к выходу звена постоянного напряжения параллельно подключен трехфазный автономный инвертор напряжения для питания трехфазных нагрузок. ИПН и АИН выполнены на базе силовых полупроводниковых приборов - транзисторов IGBT. (Б.И.Хоменко, Г.И.Колпахчьян, И.В.Пехотский / Вспомогательные транзисторные преобразователи для перспективного ЭПС // Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО "Всеросс. научно-иссп. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИГ). - Новочеркасск, 2003. - Т.45. С.185, рис.1).

Недостатком преобразователя является высокая загрузка вентилей входных преобразователей - выпрямителя и ИПН по току, отсутствие индивидуальных каналов питания нагрузки. При выходе из строя ИПН или автономного инвертора напряжения все нагрузки, в том числе ответственные, теряют питание.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя путем снижения загрузки силовых полупроводниковых приборов, а также организации индивидуальных каналов питания нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что локомотивный преобразователь собственных нужд, содержащий зажимы для подключения к источнику однофазного переменного тока к которым подключен неуправляемый мостовой выпрямитель, на выходе выпрямителя подключен импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа (ИПН), между выпрямителем и ИПН подключен дроссель, к выходу ИНН подключены фильтровый конденсатор и резонансный LC фильтр, образующие звено постоянного напряжения, к выходу звена постоянного напряжения параллельно подключен трехфазный автономный инвертор напряжения для питания трехфазных нагрузок, дополнительно снабжен двумя идентичными входными преобразователями, параллельно подключенными к зажимам для подключения к источнику однофазного переменного тока. Каждый из ИПН содержит два параллельно соединенных вентильных плеча, состоящих из транзисторных модулей IGBT, эмиттером подключенные к отрицательной фазе цепи нагрузки, а коллектором - к «плюсовой» цепи питания нагрузки. К коллекторной цепи каждого из ИПН анодом подключены диоды, катоды диодов и эмиттеры модулей IGBT подключены к звену постоянного напряжения, параллельно подключенного к выходным зажимам ИПН. К выходу звена постоянного напряжения параллельно подключены несколько, по крайней мере два, трехфазных автономных инверторов напряжения для питания преимущественно трехфазных нагрузок. Нагрузкой преобразователя чаще всего могут являться трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Положительный эффект изобретения проявляется в том, что предлагаемое техническое решение позволит снизить загрузку СПП по току за счет параллельного соединения входных преобразователей, а применение двух вентильных плеч ИПН позволяет организовать поочередную работу транзисторов параллельно соединенных вентильных плеч каждого из ИПН, что также снижает их загрузку. При этом дополнительно снижается температура нагрева корпуса силовых полупроводниковых приборов и реактивных элементов, главным образом силовых вентилей (транзисторных модулей IGBT). Все это расширяет функциональные возможности локомотивного преобразователя собственных нужд - повышает вентильную прочность СПП преобразователя. Кроме того, преобразователь содержит индивидуальные каналы питания нагрузки, что позволяет регулировать отдельные нагрузки с различным напряжением и частотой. В качестве нагрузок могут выступать, например, двигатели мотор-вентиляторов, мотор-компрессоров, маслонасосов или трехфазные трансформаторы с нулевым проводом для питания однофазных нагрузок.

На чертеже показана схема локомотивного преобразователя собственных нужд.

Локомотивный преобразователь собственных нужд переменного тока содержит зажимы 1 и 2 для подключения к источнику однофазного переменного тока частотой преимущественно 50 Гц, неуправляемые выпрямители 3 и 4, выполненные по мостовой схеме, подключенные параллельно к зажимам 1 и 2. На выходе каждого из выпрямителей 3 и 4 в катодную цепь подключены дроссели 5 и 6 соответственно. Параллельно выпрямителям 3 и 4 через дроссели 5 и 6 подключены импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИПН) соответственно 7 и 8. Каждый из ИПН 7 и 8 содержит два параллельно соединенных вентильных плеча 9, 10 и 11, 12 соответственно состоящих из транзисторных модулей IGBT, эмиттером подключенные к отрицательному зажиму цепи нагрузки, а коллектором - к положительной цепи питания нагрузки. К коллекторной цепи каждого из ИПН 7 и 8 анодом подключены диоды соответственно 13 и 14. Катоды диодов 13 и 14 и эмиттеры модулей IGBT 9, 10 и 11, 12 соответственно подключены к общему минусу звена постоянного напряжения. Звено постоянного напряжения содержит фильтровый конденсатор 15 и резонансный LC фильтр 16, параллельно подключенные к выходным зажимам преобразователей постоянного напряжения 7 и 8. К выходу звена постоянного напряжения параллельно подключены несколько, по крайней мере два, трехфазных автономных инверторов напряжения 17 и 18 для питания преимущественно асинхронных двигателей, подключенных к фазным проводам соответственно 19, 20, 21 и 22, 23, 24.

Преобразователь работает следующим образом. Питание локомотивного преобразователя осуществляют от источника переменного тока. Переменное напряжение, приложенное к зажимам 1 и 2, поступает на входы неуправляемых мостовых выпрямителей 3 и 4. Пульсацию выпрямленного тока на выходе выпрямителей 3 и 4 сглаживают дросселями 5 и 6 соответственно. Выпрямленное напряжение прикладывают к ИПН 7 и 8. Каждый из ИПН 7 и 8 содержит по два параллельно соединенных транзистора 9, 10 и 11, 12 соответственно. Для изменения напряжения на выходе ИПН выполняют импульсное регулирование напряжения прикладываемого к ИПН 7 и 8. С целью снижения мощности потерь и соответственно нагрева транзисторов 9, 10 и 11, 12 выполняют их поочередное включение для каждого из ИПН 7 и 8. То есть первый IGBT в каждом ИПН 7 и 8 включают для нечетных импульсов, а второй IGBT в каждом ИПН 7 и 8 включают для четных импульсов коммутации. При этом несущая частота ИПН равняется удвоенной частоте работы каждого из транзисторов и соответственно частота коммутации каждого из ИПН 7 и 8 вдвое ниже необходимой по условиям качества тока, потребляемого локомотивным преобразователем собственных нужд. В соответствии с требуемым напряжением на выходе ИПН 7 и 8 происходит повышение напряжения на выходе ИПН по сравнению с входным.

Пульсации напряжения на выходе ИПН 7 и 8 сглаживают фильтровым конденсатором 15. Вторую гармонику выпрямленного тока подавляют LC фильтром 16. Диоды 13 и 14 препятствуют протеканию тока разряда конденсатора 15.

Постоянное напряжение прикладывают к параллельно подключенным трехфазным автономным инверторам напряжения 17 и 18. Инвертором 17 выполняют регулирование трехфазного напряжения по частоте и амплитуде асинхронных двигателей, подключаемых к зажимам 19, 20 и 21. Инвертором 18 выполняют регулирование трехфазного напряжения по частоте и амплитуде асинхронных двигателей, подключаемых к зажимам 22, 23 и 24.

ИПН могут управлять, например, способом широтно-импульсного регулирования, автономные инверторы напряжения - способом широтно-импульсной модуляции (синусоидальной или пространственно-векторной). Для снижения нагрева корпуса транзисторов IGBT каждый из транзисторов ИПН 7 и 8 работает поочередно. При выходе одного из транзисторов из строя оба ИПН 7 и 8 работают в аварийном режиме с несущей частотой, вдвое меньшей, чем в стационарном режиме. Работа второго входного преобразователя может быть сдвинута по управлению относительно фазы управления первого входного преобразователя на половину длительности интервала коммутации. Это способствует улучшению формы потребляемого тока на входе локомотивного преобразователя, приблизив ее к синусоидальной.

Таким образом, предложенный локомотивный преобразователь собственных нужд позволяет улучшить условия работы СПП - снизить их загрузку по току за счет параллельного соединения входных преобразователей, а применение двух вентильных плеч ИПН позволяет организовать поочередную работу транзисторов параллельно соединенных вентильных плеч каждого из ИПН, что также снижает их загрузку. При этом дополнительно снижается температура нагрева корпуса силовых полупроводниковых приборов, главным образом транзисторных модулей IGBT, и реактивных элементов.

Все это расширяет функциональные возможности локомотивного преобразователя собственных нужд - снижает загрузку силовых полупроводниковых приборов по току, преобразователь содержит индивидуальные каналы питания нагрузок.