При­менение полупроводниковых преобразователей в пассажирских вагонах

ВВЕДЕНИЕ.

Преобразователь включается между источником и потребите­лем, обеспечивая переработку электроэнергии источника таким обра­зом, чтобы её параметры (род тока, частота количество фаз) соответствовали требованиям потребителей. Преобразователи входят в со­став основной СЭС или являются источниками вторичных СЭС.

Как уже отмечалось ранее, вид и качество электроэнергии, вы­рабатываемой вагонными источниками питания в АСЭС и подавае­мой в вагонную магистраль при ЦЭС, не всегда соответствуют тре­бованиям вагонных потребителей. В первую очередь это проявляет­ся в том случае, когда необходимо обеспечить питание от вагонной СЭС аппаратов и устройств общепромышленного применения или специального изготовления. Такие устройства для своей работы могут требовать однофазное или трехфазное напряжение 220/380 В промышленной или повышенной частоты, а также регулируемое по величине постоянное напряжение.

Необходимость использования в вагонах аппаратов общепро­мышленного изготовления (электробритв, пылесосов, холодильников) диктуется постоянно растущими требованиями к комфорту пе­ревозок Высокочастотные же источники питания потребовались при внедрении более прогрессивного люминесцентного освещения, энер­гетические, весовые и эксплуатационные показатели которого повышаются при использовании напряжения повышенной частоты (от сотен герц до десятков килогерц). Регулируемое же постоянное напряжение необходимо для заряда аккумуляторной батареи, являющейся резервным (аварийным) источником питания в любой системе электроснабжения.

В пассажирских вагонах независимо от вида СЭС находят при­менение полупроводниковые преобразователи, обеспечивающие:

а) выпрямление - преобразование одно- и трехфазного переменного тока в постоянный;

б) инвертирование - преобразование постоянного тока в одно-L-ти трехфазный переменный ток;

в) преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.                                                 

В основе работы любого преобразователя вагонных СЭС лежит процесс коммутации - передачи нагрузки с одного полупроводникового прибора (диода, тиристора) на другой. Этот процесс может проходить под влиянием действующих в схеме ЭДС (естественная коммутация) или под влиянием энергии, накопленной в коммутирующих элементах (L и С) или подаваемой от постороннего источника (искусственная коммутация). В схемах преобразователи вагонных СЭС используют оба вида коммутации.                        

На пассажирских вагонах для питания маломощных потребителей (электробритв, одной или двух люминесцентных ламп) используются транзисторные преобразователи (инверторы) мощностью от 30 до 50 Вт. Это преобразователи типа ППО-2-400, ППБ-50 отечественного и А-502, Р-355 и Р-357 зарубежного производства. При одинаковом выходном напряжении (220В) его частота у преобразователей для бритв равна 50 Гц, а у преобразователей для питания люминесцентных ламп – несколько тысяч герц,     

1. Инверторы.

 В СЭС пассажирских вагонов применяют автономные (независимые) инверторы, названные так потому, что параметры (частота, форма, амплитуда и пр.) вырабатываемого ими переменного напряжения определяются схемой управления. У зависимых инверторов эти же параметры определяются сетью переменного тока, в которую отдаётся вырабатываемая электроэнергия.

 Структура любого инвертора, используемого в СЭС вагонов, может быть изображена схемой, показанной на рис.1. Энергия от источника постоянного (или пульсирующего) тока через входной фильтр  подаётся к инвертору . С помощью трансформатора  уровень выходного (переменного) напряжения инвертора может быть изменён. В зависимости от требований потребителей выходное напряжение трансформатора может быть выше или ниже напряжения источника. Выходной фильтр  предназначен для улучшения формы кривой выходного напряжения инвертора, которая может заметно отличаться от синусоидальной.

Рис.1

Для объяснения принципа работы инвертора рассмотрим схемы, приведенные на рисунках 2,3,4. Поочерёдная подача питающего напряжения  к полуобмоткам a-b и a-c трансформатора  может осуществляться с помощью механических контактов (ключей) К1 и К2(см. рис. 2), с помощью транзисторов V1 и V2(см. рис. 3) или тиристоров V1 и V2(см. рис. 4). В  любой из этих схем при поочередном протекании по полуобмоткам трансформатора встречно-направленных токов  (по а-b) и (по а-с) в его вторичной обмотке d-c наводится переменная ЭДС, частота которой определяется частотой подачи питания к полуобмоткам.

Перед замыканием очередного контакта в схеме рис.2, а предыдущий должен быть разомкнут. Прерывание тока в первичной обмотке вызовет появление перенапряжений в обмотках трансформатора, что объясняется наличием в них индуктивности. Для подавления перенапряжений контакты шунтированы цепочками R-C.

Аналогично работает и схема с транзисторными ключами (см. рис. 3). Открытие транзисторов V1 и V2 (с n-p-n структурой) обеспечивается поочерёдной подачей управляющих сигналов от схемы управления СУ к их переходам «база- эмиттер». Снятие сигнала управления обеспечивает закрытие транзистора. Перенапряжения в этой схеме при индуктивном характере нагрузки могут быть погашены с помощью диодов (на схеме они не показаны), включённых параллельно транзисторам. Обе рассмотренные схемы не требуют дополнительных устройств коммутации, так как и механические ключи, и транзисторы обеспечивают необходимое прерывание тока в цепях.

В схеме, использующей в качестве ключевых элементов тиристоры V1 и V2 (см. рис. 4), для передачи нагрузки с одного из них на другой приходится использовать средства искусственной коммутации. В рассматриваемой схеме эти функции возложены на конденсатор .Работает эта схема следующим образом. При подаче напряжения питания  схема управления СУ формирует сигнал на открытие одного из тиристоров, например, V1. через дроссель  и полуобмотку a-b трансформатора начинает протекать ток . Одновременно в полуобмотке a-c наводится ЭДС взаимоиндукции, обеспечивающая заряд конденсатора . Полярность заряда показана на рис.4 без скобок.