Поліпшення характеристик бортових систем живлення електрорухомого складу

Abstract

UA: В дисертації розглянуто шляхи поліпшення характеристик бортових систем живлення електрорухомого складу. Для вирішення цієї задачі запропоновано напівпровідникові ключі та структури напівпровідникових перетворювачів таких бортових систем з пониженими комутаційними втратами за рахунок використання в комутаторах режиму однорідної комутації. Встановлено основні співвідношення параметрів базової схеми нового напівпровідникового ключа із внутрішнім зворотним зв’язком, який забезпечує високі динамічні та енергетичні характеристики при використанні ключа в комутаторах з однорідною комутацією другого роду. На основі розробленої методології вибору структури перетворювачів з однорідною комутацією доопрацьовано структурну схему напівпровідникового перетворювача бортової системи живлення магістральних електровозів постійного струму. Запропоновано уточнену формулу для визначення диференційної провідності напівпровідникових перетворювачів бортових систем живлення з однорідною комутацією, необхідну для розрахунку параметрів елементів демпфуючих ланцюгів, які забезпечують динамічну стійкість перетворювачів. Для напівпровідникових ключів при однорідній комутації пропонується використовувати бездисипативні ланцюги комутаційного захисту, розроблено методику розрахунку параметрів елементів цих ланцюгів.

RU: В диссертации рассмотрены пути улучшения характеристик бортовых систем питания электроподвижного состава. Для решения поставленной задачи предложено использовать в полупроводниковых преобразователях бортовых систем питания режим однородной коммутации ключей, что обеспечивает уменьшение коммутационных потерь в них и упрощение их цепей коммутационной защиты (снабберов), если они применяются, поскольку не нужны цепи рассеяния или возврата в источник питания энергии, запасаемой реактивными элементами снабберов. Следовательно, при однородной коммутации снабберы могут быть бездиссипативными и состоять только из реактивных элементов либо их функцию могут выполнять уже имеющиеся в схеме реактивные элементы (индуктивность рассеяния трансформатора и т. п.). Показано, что при однородной коммутации целесообразно использовать ключи с внутренней обратной связью, удерживающей их во включенном или выключенном состоянии и не допускающей длительного нахождения в промежуточном (активном) состоянии, чем повышается их надежность. Для схем преобразователей электроподвижного состава с естественным выключением и принудительным включением (при однородной коммутации первого рода) рекомендуется применять ключи на однооперационных тиристорах, для схем с естественным включением и принудительным выключением (при однородной коммутации второго рода) наиболее приемлемым типом тиристора есть GCT. Предложены соотношения для расчета основных параметров базовой схемы нового полупроводникового ключа дуального тиристору, названного анистором, с внутренней обратной связью, ускоряющей выключение. Этим обеспечиваются высокие динамические и энергетические характеристики ключа при использовании его в коммутаторах с однородной коммутацией второго рода, а также токовая самозащита без специальных дополнительных элементов. Для анализа энергетических явлений в преобразователях целесообразно использовать новую энергетическую характеристику – мощность коммутации. С учетом этой характеристики можно сказать, что при однородной коммутации в коммутаторе ключами генерируется мощность коммутации только одного знака, а источники мощности коммутации противоположного знака должны размещаться вне этой схемы. Предложены способы получения однородной коммутации в преобразователях с промежуточным звеном повышенной частоты бортовых систем питания электроподвижного состава: - разделением коммутаций разного рода между первичными и вторичными звеньями преобразователя; - применением однородной коммутации второго рода в одном из вторичных звеньев, что позволяет реализовать входной инвертор на однооперационных приборах; - применением трансформатора промежуточного звена с немагнитным зазором или насыщающимся сердечником для генерации необходимой для сохранения однородности коммутации мощности коммутации положительного знака. Установлено, что при организации режима однородной коммутации наличие многообмоточного трансформатора в промежуточном звене повышенной частоты преобразователя накладывает ряд ограничений на выбор структуры и рода коммутации: только один из коммутаторов должен исполняться с малым входным сопротивлением при однородной коммутации второго рода на двухоперационных приборах, а остальные коммутаторы должны иметь большое входное сопротивление при однородной коммутации первого рода и могут выполняться на одноопереционных приборах. На основании разработанных принципов предложена структура преобразователей с однородной коммутацией бортовых систем питания электроподвижного состава постоянного тока и доработана структурная схема преобразователя бортовой системы питания магистральных электровозов постоянного тока, построенная на базе полумостового трехуровневого инвертора напряжения с фиксирующими диодами. Показано, что причиной динамической неустойчивости автономных преобразователей с однородной коммутацией, реализуемой насыщением сердечника трансформатора, является свойство, которое заключается в параметрической стабилизации выходного напряжения, а, значит, и мощности при постоянной нагрузке. Предложены структуры, а также методика расчета параметров элементов демпфирующих RC- и RLC- цепей, которые обеспечивают динамическую устойчивость полупроводниковых преобразователей бортовых систем питания с однородной коммутацией. Для бездиссипативных цепей коммутационной защиты полупроводниковых ключей при однородной коммутации разработана методика расчета параметров их элементов. Показано, что токоограни- чивающие дроссели таких емкостных снабберов при мощностях выше 1кВА, циркулирующих в них, необходимо изготавливать воздушными, а при меньших мощностях их можно заменять низкоомными проволочными резисторами. Достоверность теоретичних разработок и возможность практической реализации схем полупроводниковых преобразователей с однородной коммутацией для создания на их основе бортовых систем питания электроподвижного состава подтверждена компьютерным и физическим моделированием.

EN: In the dissertation the ways of improvement of the characteristics of onboard power supply systems of the electrical rolling stock are considered. For the decision of this task the semiconductor keys and structures of semiconductor converters of such onboard systems with the lowered switching losses are offered at the expense of use in switchboards of a mode of homogeneous switching. The basic parities of parameters of the base circuit of a new semiconductor key with internal feedback providing the high dynamic and power characteristics at use of a key in switchboards with homogeneous switching of the second sort is developed. On the basis of the developed methodology of a choice of structure of converters with homogeneous switching the block diagram of the semiconductor converter of the onboard power supply system of main electric locomotives of a constant current is modified. The specified formula for definition of differential conductivity of semiconductor converters of onboard power supply systems with homogeneous switching necessary for account of parameters of elements damping of circuits is offered which provide dynamic stability of converters. For semiconductor keys at homogeneous switching it is offered to use dissipative free of a circuit of switching protection, the technique of account of parameters of elements of these circuits is developed.