RU2332777C1

RU2332777C1 - Locomotive converter of auxiliaries

Info

Publication number: RU2332777C1
Application number: RU2007111426/09A
Authority: RU
Inventors: Константин Павлович Солтус (RU); Константин Павлович Солтус; вский Игорь Владимирович Син (RU); Игорь Владимирович Синявский; Владимир Михайлович Турулев (RU); Владимир Михайлович Турулев
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-08-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: locomotive converter of auxiliaries contains two identical input converters connected in series to terminals for connecting to one-phase alternating-current source. Each input converter contains constant voltage pulse up-converter (VPC), rectifier, between rectifier and VPC the reactance is connected, filter condenser and resonant LC-filter are connected to VPC output, each of VPCs contains two connected in series gate arms consisting of transistor modules IGBT. Transistor modules are connected by emitter to negative phase of load circuit, and by collector - to "positive" circuit of load power supply. Diodes are connected by their anodes to collector circuit of each VPC, cathodes of diodes and emitters of IGBT modules are connected to segment of constant voltage which is connected in parallel to VPC output terminals. Output of constant voltage segment is connected in parallel to several (at least two) three-phase independent voltage inverters for feeding mainly three-phase loads.

EFFECT: widening of converter functionality by lowering the loading of semiconductor devices and arrangement of individual channels for load feeding.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводу электроподвижного состава переменного тока, и предназначено, в частности, для питания вспомогательных трехфазных нагрузок.The invention relates to electrical engineering, in particular to an electric drive of electric rolling stock of alternating current, and is intended, in particular, to power auxiliary three-phase loads.

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.Known locomotive converter for auxiliary needs of alternating current (RF Patent No. 2285328), containing a traction transformer having a primary winding connected to the mains, auxiliary winding with end and intermediate terminals, a frequency converter consisting of four thyristors and a control unit connected by its outputs with control inputs of thyristors. Thyristors are connected in two groups of two serially connected thyristors and are connected to the terminal terminals of the auxiliary winding. One group of thyristors is included in accordance with the direction of the winding, and the second is counter. An asynchronous three-phase electric motor is connected by the first phase to the common connection point of the thyristors of the second group, and by the third phase - to the intermediate terminal of the auxiliary winding.

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.The disadvantage of the converter is the need to use power semiconductor devices and an induction motor with an insulation voltage equal to the voltage of the secondary winding of the transformer, which significantly worsens their working conditions, overall dimensions and increases the cost of the converter as a whole. In addition, the specified Converter does not provide redundant power supplies.

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).The closest in technical essence is a locomotive converter of auxiliary needs, containing clamps for connecting to a single-phase alternating current source, to which an uncontrolled bridge rectifier is connected, at the output of the rectifier, a boost type DC-DC converter is connected, an inductor is connected between the rectifier and IPN, to a filter capacitor and a resonant LC filter, forming a DC link, are connected to the output of the IPN, to the output of the DC link of the parallel A three-phase autonomous voltage inverter is connected to supply three-phase loads. IPN and AIN are based on power semiconductor devices - IGBT transistors. (B.I. Khomenko, G.I. Kolpakhchyan, I.V. Pekhotsky / Auxiliary transistor converters for advanced EPS // Electric locomotive construction: Collection of scientific papers of the All-Russian Scientific Research and Design Institute t electric locomotive building "(OJSC" VELNIIG). - Novocherkassk, 2003. - T.45. S.185, Fig. 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.The disadvantage of the converter is the high load of the valves of the input converters - the rectifier and the surge protector in current, the lack of individual load supply channels. In the event of a failure of an IPN or an autonomous voltage inverter, all loads, including critical ones, lose power.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя путем снижения загрузки силовых полупроводниковых приборов, а также организации индивидуальных каналов питания нагрузки.The objective of the invention is to expand the functionality of the Converter by reducing the load of power semiconductor devices, as well as the organization of individual power supply channels of the load.

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.The problem is solved in that the locomotive converter of auxiliary needs, containing clamps for connecting to a single-phase alternating current source, to which an uncontrolled bridge rectifier is connected, an up-converter type pulsed DC converter is connected to the rectifier output, a choke is connected between the rectifier and the IPN, to the output TIN connected filter capacitor and resonant LC filter, forming a DC link, to the output of the DC link in parallel a three-phase autonomous voltage inverter for supplying three-phase loads is provided, it is additionally equipped with two identical input converters, connected in parallel to the terminals for connecting to a single-phase alternating current source. Each of the PIDs contains two parallel-connected valve arms, consisting of IGBT transistor modules, connected by an emitter to the negative phase of the load circuit, and by a collector to the “positive” load supply circuit. Diodes, cathodes of diodes, and emitters of IGBT modules are connected to the collector circuit of each of the IPNs by an anode connected to a DC link parallel to the output terminals of the IPN. Several, at least two, three-phase autonomous voltage inverters are connected in parallel to the output of the DC link for supplying mainly three-phase loads. The inverter load can most often be three-phase squirrel-cage induction motors.

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.The positive effect of the invention manifests itself in the fact that the proposed solution will reduce the current load of the SPP due to the parallel connection of the input converters, and the use of two gate arrester IPN allows you to organize the alternate operation of transistors in parallel connected valve arms of each of the IPN, which also reduces their load. In this case, the heating temperature of the case of power semiconductor devices and reactive elements, mainly power valves (IGBT transistor modules) is further reduced. All this extends the functionality of the locomotive converter of own needs - increases the valve strength of the SPP converter. In addition, the converter contains individual load supply channels, which allows you to adjust individual loads with different voltages and frequencies. The loads can be, for example, motors of motor-fans, motor-compressors, oil pumps or three-phase transformers with zero wire for supplying single-phase loads.

На чертеже показана схема локомотивного преобразователя собственных нужд.The drawing shows a diagram of a locomotive auxiliary converter.

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.The locomotive AC auxiliary converter contains clamps 1 and 2 for connecting to a single-phase alternating current source with a frequency of mainly 50 Hz, uncontrolled rectifiers 3 and 4, made according to the bridge circuit, connected in parallel to clamps 1 and 2. At the output of each of the rectifiers 3 and 4 inductors 5 and 6 are connected to the cathode circuit, respectively. In parallel to rectifiers 3 and 4, pulse inverters of direct voltage (IPI) 7 and 8 are connected through reactors 5 and 6, respectively. Each of the IPNs 7 and 8 contains two parallel connected valve arms 9, 10 and 11, 12, respectively, consisting of IGBT transistor modules, emitter connected to the negative terminal of the load circuit, and a collector to the positive circuit of the load. Diodes 13 and 14 are connected to the collector circuit of each of the IEDs 7 and 8 by the anode, respectively. The cathodes of the diodes 13 and 14 and the emitters of the IGBT modules 9, 10 and 11, 12 are respectively connected to the common minus of the DC link. The DC link contains a filter capacitor 15 and a resonant LC filter 16, connected in parallel to the output terminals of the DC / DC converters 7 and 8. Several, at least two, three-phase autonomous voltage inverters 17 and 18 are connected in parallel to the output of the DC link, to supply mainly asynchronous motors connected to phase wires, respectively 19, 20, 21 and 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.The converter operates as follows. The locomotive converter is powered by an AC source. The alternating voltage applied to the terminals 1 and 2 is supplied to the inputs of uncontrolled bridge rectifiers 3 and 4. The ripple of the rectified current at the output of the rectifiers 3 and 4 is smoothed by the chokes 5 and 6, respectively. The rectified voltage is applied to the IDI 7 and 8. Each of the IDNs 7 and 8 contains two parallel-connected transistors 9, 10 and 11, 12, respectively. To change the voltage at the output of the IPN, pulse voltage regulation is applied to the IPN 7 and 8. In order to reduce the power of the losses and, accordingly, heat the transistors 9, 10 and 11, 12, they are switched on alternately for each of the IDNs 7 and 8. That is, the first IGBT in each IDN 7 and 8 is turned on for odd pulses, and the second IGBT in each IDN 7 and 8 is turned on for even switching pulses. At the same time, the carrier frequency of the surge arrester is equal to the doubled frequency of operation of each of the transistors and, accordingly, the switching frequency of each of the surge arresters 7 and 8 is half that required by the quality of the current consumed by the locomotive converter of auxiliary needs. In accordance with the required voltage at the output of the IPN 7 and 8, there is an increase in voltage at the output of the IPN compared to the input.

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.The voltage ripples at the output of the IPN 7 and 8 are smoothed by the filter capacitor 15. The second harmonic of the rectified current is suppressed by the LC filter 16. The diodes 13 and 14 prevent the discharge current of the capacitor 15 from flowing.

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.A constant voltage is applied to the parallel connected three-phase autonomous voltage inverters 17 and 18. The inverter 17 controls the three-phase voltage in frequency and amplitude of asynchronous motors connected to the terminals 19, 20 and 21. The inverter 18 adjusts the three-phase voltage in frequency and amplitude of the asynchronous motors connected to terminals 22, 23 and 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.IPNs can control, for example, the method of pulse-width regulation, autonomous voltage inverters - the method of pulse-width modulation (sinusoidal or spatial-vector). To reduce the heating of the housing of IGBT transistors, each of the IPN transistors 7 and 8 works alternately. When one of the transistors fails, both of the SPDs 7 and 8 operate in emergency mode with a carrier frequency that is half as much as in stationary mode. The operation of the second input converter can be shifted in control relative to the control phase of the first input converter by half the duration of the switching interval. This helps to improve the shape of the current consumption at the input of the locomotive converter, bringing it closer to a sinusoidal one.

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.Thus, the proposed locomotive converter of auxiliary needs can improve the operating conditions of the SPP - to reduce their current load due to the parallel connection of the input converters, and the use of two gate arrester IPN allows you to organize the alternate operation of transistors in parallel connected valve arms of each of the IPN, which also reduces their load . In this case, the heating temperature of the case of power semiconductor devices, mainly transistor modules IGBT, and reactive elements is further reduced.

Все это расширяет функциональные возможности локомотивного преобразователя собственных нужд - снижает загрузку силовых полупроводниковых приборов по току, преобразователь содержит индивидуальные каналы питания нагрузок.All this extends the functionality of a locomotive converter for auxiliary needs - it reduces the load of power semiconductor devices in current, the converter contains individual channels for supplying loads.

Claims

Locomotive auxiliary converter containing clamps for connecting to a single-phase alternating current source, to which an uncontrolled bridge rectifier is connected, an up-pulse type direct current converter (IPN) is connected to the output of the rectifier, a inductor is connected between the rectifier and the IPN, a filter capacitor is connected to the output of the IPN and a resonant LC filter forming a DC link, a three-phase autonomous inverter is connected in parallel to the output of the DC link voltage for supplying three-phase loads, characterized in that the converter contains two identical input converters, connected in parallel to the terminals for connecting to a single-phase AC source, each of the IPN contains two parallel connected valve arms, consisting of IGBT transistor modules, emitter connected to the negative phase load circuits, and the collector connects the diodes, cathodes of the diodes and emitters of the IGBT modules to are connected to the DC link parallel connected to the output terminals of the IPN; several, at least two, three-phase autonomous voltage inverters are connected in parallel to the output of the DC link to supply mainly three-phase loads.