МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"Харківський політехнічний інститут"

Ю. П. Гончаров, М. В. Панасенко, О. І. Семененко, М. В. Хворост

СТАТИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТЯГОВОГО РУХОМОГО СКЛАДУ

За редакцією професора Ю. П. Гончарова

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

Харків НТУ "ХПІ" 2007

ББК 31.264.5.39.2

С78

УДК 629.42.064.5:621.314.632

Рецензенти: Г. К. Гетьман, д-р техн. наук, професор, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту,

В. Т. Доманський, д-р техн. наук, професор, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту

Автори: Ю. П. Гончаров, М. В. Панасенко, О. І. Семененко, М. В. Хворост

У навчальному посібнику розглянуті напівпровідникові статичні перетворювачі для керування тяговими двигунами і перетворювачі для бортових систем електропостачання рухомого складу залізниць та метрополітенів

Рекомендується для студентів, що навчаються за спеціальностями «Електричний транспорт», «Електронні системи» та іншими електротехнічними спеціальностями.

Статичні перетворювачі тягового рухомого складу: Навч. посібник / Ю. П. Гончаров, М. В. Панасенко та ін. / За ред. Ю. П. Гончарова. - Харків: НТУ "ХПІ", 2007. - 192 с. - Рос. мовою.

ISBN 978-966-384-069-7

ББК 31.264.5.39.2

О. I. Семененко, М. В. Хворост, 2007

ЗМІСТ

Вступ

Розділ 1. Загальні принципи побудови перетворювачів підвищеної потужності

1.1. Основні варіанти структур тягових електропередач з перетворювачами

1.2.Напівпровідникові прилади тягових перетворювачів

1.2.1.Механізм електропровідності чистого кремнію й можливість керування електропровідністю

1.2.2.Керування електропровідністю шляхом введення домішок. Напівпровідниковий діод

1.2.3.Керування електропровідністю за допомогою додаткового шару напівпровідника. Біполярний транзистор

1.2.4.Прилади з внутрішнім зворотним зв'язком. Тиристор

1.2.5.Керування електропровідністю за допомогою електричного поля. Польовий транзистор.

1.2.6.Біполярний транзистор з польовим керуванням (IGBT)

1.3. Види ключів

1.4. Базові комутаційні структури

1.5. Види комутації

1.6. Енергетичні характеристики комутаційного процесу

1.6.1.Потужність комутації. Комутаційні властивості елементів силового кола

1.6.2.Енергія комутації

1.6.3. Реактивна потужність (потужність зсуву)

Контрольні запитання

Розділ 2. Тягові випрямлячі

2.1. Схеми з амплітудним регулюванням за допомогою механічних перемикачів секцій вторинної обмотки трансформатора

2.1.1.Найпростіша схема тягового випрямляча

2.1.2.Схема з несиметричним навантаженням трансформатора

2.1.3.Схема з симетруванням навантаження трансформатора

2.2.Фазове керування тяговим випрямлячем

2.3.Тягові випрямлячі з комбінованим амплітудно-фазовим регулюванням

2.3.1. Умови природного вимикання та зв'язок реактивної потужності із стрибками вихідної напруги45

2.3.2.Регулювання з нульовим рівнем напруги. Напівкеровані схеми

2.3.3.Секціоновані схеми

2.3.3.1.Паралельна секціонована схема з однаковими секціями вторинної обмотки трансформатора

2.3.3.2.Паралельна схема з неоднаковими секціями вторинної обмотки трансформатора

2.3.3.3.Послідовна схема

2.4. Силові тиристорні ключі випрямлячів

2.4.1.Загальна схема ключа

2.4.2.Подільники струму

2.4.3.Подільники напруги

2.4.4.Снабер відновлення

2.4.5.Резистори зв'язку

2.5. Системи керування тяговими випрямлячами

2.5.1.Загальна структура системи імпульсно-фазового керування (СІФК)

2.5.2.Зонне регулювання

2.5.3.Синхронний перехід

2.5.4. Формувачі імпульсів

Контрольні запитання

Розділ 3. Широтно-імпульсні перетворювачі

3.1. Знижувальний та підвищувальний ШІП

3.1.1.Принцип дії

3.1.2.Основні характеристики ШІП

3.1.2.1.Зв'язок між величинами на вході та виході комутатора

3.2.2.1.Параметри комутаторів

3.1.3.Пульсації вихідного струму. Розрахунок частоти ШІМ

3.1.4.Вхідний фільтр

3.1.5.Способи керування

3.1.5.1.Широтний спосіб

3.1.5.2.Частотний спосіб

3.1.5.3.Слідкувальний спосіб

3.2. Оборотні, багатофазні та реверсивні ШІП

3.2.1.Оборотний ШІП із знакозмінним струмом

3.2.2.Оборотний ШІП із знакозмінною напругою

3.2.3.Багатофазні ШІП

3.2.4.Реверсивні ШІП

3.3. Вузли примусової комутації тиристорних ШІП

3.3.1.Дія вузла примусової комутації

3.3.2.Методика розрахунку ВПК

3.3.3.Зрив інвертування

3.3.4.Деякі модифікації вузла примусової комутації

3.4.Широтно-імпульсне регулювання струму збудження двигунів

3.5.Приклади тягових електроприводів з ШІП

3.5.1. Широтно-імпульсний перетворювач для електропривода вагонів метрополітену

3.5.2. Широтно-імпульсний перетворювач для привода магістрального електровоза

Контрольні запитання

Розділ 4. Тягові автономні інвертори та випрямлячі з широтно- імпульсним регулюванням

4.1.Вимоги до тягових автономних інверторів та їх класифікація

4.2.Інвертори напруги

4.2.1.Однофазний мостовий інвертор напруги

4.2.2.Визначення параметрів схеми. Метод комутаційних функцій та метод основних гармонік

4.2.3.Однофазний напівмостовий інвертор

4.2.4.Трифазний мостовий інвертор

4.2.5.Регулювання частоти і напруги. Синусоїдальна ШІМ

4.2.6.Визначення основних параметрів інвертора з синусоїдальною ШІМ

4.2.7.Керування нульовою послідовністю вихідних напруг

4.2.8.Вихідні фільтри при високочастотній ШІМ

4.3. Інвертори струму

4.3.1.Паралельний інвертор струму

4.3.2.Протилежність (дуальність) основних властивостей інверторів струму та напруги

4.3.3.Інвертор струму з відсічними діодами

4.3.4.Визначення ємності комутаційних конденсаторів

4.3.5.Трифазний інвертор струму

4.3.6.Регулювання частоти

4.3.7.Регулювання вихідної напруги

4.4.Трирівневі інвертори напруги

4.5.Тягові випрямлячі з широтно-імпульсним регулюванням

4.5.1.Випрямлячі струму

4.5.2.Випрямлячі напруги

4.6. Приклади застосування автономних інверторів та випрямлячів з ШІМ на електричному транспорті

4.6.1.Електропривод з інвертором струму для вагонів метрополітену

4.6.2.Електроприводи з інверторами напруги

4.6.3. Перетворювач для джерела бортового електроживлення вагона метрополітену

4.6.4.Тяговий електропривод ЕРС постійного струму

4.6.5.Електрична передача магістрального тепловоза

4.7. Поліпшення умов комутації. Одноопераційна комутація

4.7.1.Види одноопераційної комутації

4.7.2.Одноступенева дросельна комутація

4.7.3.Двоступенева дросельна комутація

4.7.4.Розділена комутація

Контрольні запитання

Розділ 5. Перехідні та аномальні процеси в тягових електропередачах з напівпровідниковими перетворювачами

5.1. Пуск і відрив струмоприймача від контактного проводу

5.2. Використання гальмового реостата для демпфірування коливань у вхідному фільтрі

5.2.1.Принцип демпфірування

5.2.2.Умови реалізації слідкуючого алгоритму

5.3. Перенапруги в контактній мережі

5.4. Струми короткого замикання та ударні моменти на валу двигуна при відмоваху комутаторі інвертора

5.4.1.Фізичні процеси

5.4.2.Методика розрахунку струмів короткого замикання

5.4.3.Обмеження струмів короткого замикання асинхронного двигуна

Контрольні запитання