2015_zinoviev

а

б

Рис. 2.7. Трехфазный электронный трансформатор класса 1 с промежуточным звеном однофазного прямоугольного а, б или синусоидального б напряжения

Снизить потери на коммутацию при ее жестком характере в структуре электронного трансформатора по рис. 2.7, а можно путем перехода к мягкой коммутации в структуре электронного трансформатора по рис. 2.7, б. Добавление резонансного последовательного LC-контура на выход преобразователя ПЧнч-вч [27] позволяет выполнить преобразователь на тиристорах и получить полуволны токов в ключах, начинающиеся с нуля. Напряжение в промежуточном звене будет прямоугольным (с Т1) или квазисинусоидальным (с Т2), что облегчает режимы работы ключей преобразователя ПЧвч-нч, который работает здесь в режиме циклоконвертора. Получается тиристорный трансфор-

матор класса И-Д-Н-Ф- К -2.

Тиристорный вариант структуры электронного трансформатора позволяет с новыми современными тиристорами получать высокую

31

надежность, меньшую стоимость по сравнению с транзисторным вариантом и высокие энергетические показатели электронного трансформатора.

Дальнейшее увеличение мощности электронного трансформатора обеспечивается переходом к их структурам с трехфазным промежуточным звеном повышенной частоты.

На рис. 2.8 приведена трехфазная по выходу схема преобразователя, в которой каждую выходную фазу формируют три одинаковых канала.

Рис. 2.8. Трехфазный электронный трансформатор концепции 1 с промежуточным звеном трехфазного прямоугольного напряжения

Такая структура позволяет увеличить в несколько раз предельную мощность электронного трансформатора, которая за счет многоканальности преобразования обходит ограничения, накладываемые предельной мощностью однофазного высокочастотного трансформатора. Получается транзисторный трансформатор класса И-Д-Н-Ф-К-2.

В электронных трансформаторах по рис. 2.6, 2.7, а и 2.8, помимо матричных конверторов напряжения, возможно применение и матрич-

32

ных конверторов тока, характеризующихся большей устойчивостью к аварийным режимам, что для электрических систем особенно ценно. Замена матричных конверторов напряжения на матричные конверторы тока в указанных структурах сохранит их класс. Но схемы без гальванической изоляции (при отсутствии высокочастотного трансформатора и всех проблем, им порождаемых) позволяют получать коэффициент трансформации по напряжению заметно больше единицы. Это добавляет еще один классификационный признак, кроме класса Н, (класс Н+) в вышеприведенную классификацию, значимый для схем без гальванической развязки.

Схемной особенностью электронных трансформаторов концепции 1 на базе непосредственных (матричных) преобразователей напряжения и тока является отсутствие в них внутренних звеньев постоянного напряжения или тока с большими реактивными (конденсаторными или реакторными) накопительными элементами в них. Это лишает такие электронные трансформаторы возможности демпфировать ухудшение качества электроэнергии, вызванное короткими динамическими изменениями напряжения.

2.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ВТОРОЙ КОНЦЕПЦИИ

Отмеченной возможностью демпфирования обладают электронные трансформаторы, выполненные по концепции 2 вместо концепции 1 построения преобразователей частоты ПЧнч-вч и ПЧвч-нч по схемам непосредственных преобразователей частоты. Это концепция построения преобразователей частоты структуры по рис. 2.1 уже по схемам с промежуточным звеном постоянного напряжения и тока, как показано на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Блок-схема электронного трансформатора концепции 2 с промежуточными звеньями постоянного напряжения

33

рые соединены по входам последовательно, а по выходам – параллельно. Число каналов определяется величиной входного напряжения, принятой схемой ячеек конверторов (мостовые, полумостовые), параметрами используемых транзисторов и требуемой выходной мощностью. В табл. 2.4 приведены суммарные количества высоковольтных элементов, в том числе ключей (транзисторов с диодами), на стороне высокого напряжения распределительных высоковольтных электронных трансформаторов 35 (20, 10 или 6) кВ / 0,4 кВ при использовании транзисторно-диодных модулей на 6,5 кВ и на 1,7 кВ.

Рис. 2.11. Однофазный n-канальный распределительный электронный трансформатор концепции 2

Т а б л и ц а 2.4

Количество высоковольтных элементов трансформаторов на ключах 6,5 кВ и 1,7 кВ

Преобразовательные ячейки выполнены по однофазным мостовым схемам. Количество транзисторов определено с учетом двойного запа-

35

са по их напряжению. При использовании полумостовых ячеек количество транзисторов в каждом канале уменьшается в два раза, но число каналов при том же напряжении транзисторов удваивается. Если при этой схеме оставить число каналов прежним, то надо удвоить рабочие напряжения ключей, т. е. во втором варианте увеличить с 1,7 до 3,3 кВ. Еще в два раза сокращается число транзисторов, если требуется передача мощности через трансформатор только в одном направлении. В этом случае выпрямительные ячейки высоковольтной и низковольтной сторон трансформатора выполняются на диодах.

Использование транзисторов на напряжение 1,7 кВ хотя и увеличивает число каналов (транзисторов), но в силу их малой цены по сравнению с транзисторами 6,5 кВ не увеличивает стоимость устройства. Зато в 3–4 раза улучшается качество входного и выходного токов, что снижает затраты на фильтры.

Такое же количество транзисторов с рабочим напряжением всего 600 В требуется и в низковольтной части электронного трансформатора.

При современной стоимости полупроводниковых приборов расчетная стоимость электронного трансформатора с ограниченными функциями сопоставима со стоимостью традиционного электромагнитного трансформатора. Расчетная стоимость электронного трансформатора с полными функциями в несколько раз превышает стоимость традиционного электромагнитного трансформатора. Но такой трансформатор обладает новыми уникальными свойствами, оправдывающими его применение в случаях, требующих малой удельной массы трансформатора, активной фильтрации тока сети, компенсации реактивной мощности сети, улучшения качества напряжения на нагрузке, накопителя электроэнергии при добавлении в звенья постоянного тока электронного трансформатора аккумуляторов или супер-конденсаторов.

ВЫВОДЫ

1.В XXI веке становится необходимой новая отрасль силовой электроники «Интеллектуальные электронные силовые трансформаторы». Их интеллект позволяет управлять всеми параметрами электрической энергии: как частотой, фазой и величиной напряжения, так и его показателями качества.

2.В электронных трансформаторах процесс гальванической изоляции и электромагнитной трансформации перенесен на высокую часто-

36

ту, что позволяет радикально улучшить их удельные массогабаритные показатели, тем самым расширяя их использование прежде всего в системах электроснабжения подвижных транспортных средств.

3.Выделены классификационные признаки, определяющие свойства электронных трансформаторов. Для двух основных классов построения электронных трансформаторов приведены их структурные схемы и базовые принципиальные схемы блоков структуры.

4.Для случая одного из наиболее востребованных применений трансформаторов – распределительных трансформаторов 35 (20, 10,

6)кВ / 0,4 кВ мощностью 100…400 кВ · А сделаны оценки требующихся для их реализации количеств полупроводниковых приборов и высокочастотных трансформаторов.

5.Электронные трансформаторы первой концепции не имеют реактивных накопительных элементов в своей структуре и поэтому имеют меньшие массогабаритные показатели по сравнению с электронными трансформаторами второй концепции. Кроме того, электронные трансформаторы второй концепции имеют ограничения по сроку службы электролитических конденсаторов. Но зато в этих электронных трансформаторах легко организовать режим мягкой коммутации транзисторов, что заметно уменьшит потери на переключения в них, позволяя повысить частоту высокочастотного преобразования.

37

3. СТРУКТУРЫ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Развитие систем высокоскоростного пассажирского и тяжеловесного грузового движения приводит к необходимости увеличения мощностей электровозов до мощностей вплоть до 25 МВт, что обостряет задачу размещения трансформатора на электровозе переменного тока. Кроме того, тяговые трансформаторы с целью достижения высоких удельных массогабаритных показателей (порядка 2 кг/кВт) имеют высокие загрузки активных материалов трансформатора, что обусловливает большие потери в них. Налицо наличие проблемы построения силовых электронных трансформаторов, использующих достижения силовой электроники и имеющих радикально меньшие массогабаритные показатели и более широкие функциональные возможности по сравнению с классическими электромагнитными трансформаторами. За рубежом это научное направление начало активно развиваться уже два десятилетия назад и в настоящее время работы доведены до создания макетных образцов большой мощности [28–30]. Созданы опытные образцы электронных трансформаторов соответственно на частоту 400 Гц, 2,5 кГц, 8 кГц. При этом достигнуты наилучшие показатели для 500 кВт, 8 кГц трансформатора в 18 кг (0,036 кг/кВт) без учета системы охлаждения деионизированной водой [30]. Удельные габаритные показатели лучших зарубежных полупроводниковых конверторов достигают значений 20 кВт/л при принудительном воздушном охлаждении.

ВРоссии проблемы электронного силового трансформаторостроения только начинают обсуждаться [31–34], а применительно к электрической тяге вопрос на схемотехническом уровне вообще, похоже, не ставился.

Вданной работе рассмотрены три направления построения структур интеллектуальных силовых электронных трансформаторов для электро-

38

воза. Здесь под тяговым электронным трансформатором будем подразумевать трансформатор-преобразователь, обеспечивающий гальваническую развязку входа и выхода и преобразование рода тока, т. е. переменного напряжения 25 кВ 50 Гц в постоянное напряжение порядка 3 кВ, как того требуют современные бортовые сети электровозов с частотным (инверторным) тяговым асинхронным электроприводом.

3.1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ПЕРВОГО НАПРАВЛЕНИЯ

Концепция построения силовых электронных трансформаторов с гальванической изоляцией очевидна. Для этого трансформатор, предназначенный для работы на повышенной частоте (по сравнению с частотой промышленной сети 50 Гц), необходимо дополнить со стороны первичной обмотки преобразователем повышения частоты и со стороны вторичной обмотки преобразователем-выпрямителем для создания бортовой сети постоянного тока. Преобразователи повышения частоты можно выполнить по трем направлениям построения конверторов. Это или однокаскадные непосредственные преобразователи частоты (матричные преобразователи), или двухкаскадные преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения или тока (инверторные преобразователи), или преобразователи с управляемым обменом электрической энергии между реактивными элементами.

Обобщенная блок-схема тягового электронного трансформатора с гальванической изоляцией показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Обобщенная блок-схема тягового электронного трансформатора

На рис. 3.2 приведена соответствующая первому направлению схема однофазного электронного трансформатора с двумя преобразователями частоты типа однофазных матричных конверторов [26]. Матричные конверторы по однофазным мостовым схемам работают здесь в

39

режимах модулятор–демодулятор переменного напряжения 50 Гц с повышенной частотой широтно-импульсного регулирования. При этом второй матричный конвертор работает в режиме реверсивного по току выпрямителя. Если режим двунаправленной передачи мощности не требуется (нет режима рекуперации из нагрузки), то второй преобразователь радикально упрощается до диодного выпрямителя.

Рис. 3.2. Однофазный электронный трансформатор направления 1 на основе однофазных матричных конверторов

3.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ВТОРОГО НАПРАВЛЕНИЯ

Второе направление построения преобразователей частоты структуры по рис. 3.1, уже по схемам с промежуточным звеном постоянного напряжения и тока, показано на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Блок-схема электронного трансформатора направления 2

Принципиальная схема такой структуры, реализованная на однофазных мостовых ячейках конверторов напряжения, приведена на рис. 3.4, а, а ее реализация на однофазных мостовых ячейках конверторов тока – на рис. 3.4, б.

40