Блок питания собственных нужд БПСН-5У2М

    Блок питания собственных нужд (БПСН) предназначен для преобразования напряжения контактной сети постоянного тока 750В в постоянное стабилизированное напряжение 80В и переменное напряжение 220В частотой 150 Гц. БПСН является статическим полупроводниковым преобразователем и используется для подзаряда аккумуляторной батареи, питания цепей управления вагоном и вспомогательных цепей, включая люминисцентное освещение салона вагона.
    БПСН рассчитан на длительную работу при колебаниях напряжения в контактной сети от 550 до 975 В, температуре от +45 до -45 С и соответствует по исполнению категории V и группе М29.

    Блок питания собственных нужд состоит из двух преобразователей: первичного, преобразующего напряжение контактной сети постоянного тока 750В в постоянное напряжение 80В, и вторичного, преобразующего напряжение 80В в переменное напряжение 220В, частотой 400 Гц. Первичный преобразователь представляет собой инвертор, к выходу которого подключен управляемый выпрямитель.
    Первичный преобразователь представляет собой инвертор И1, подключенный входом к контактной сети U_кс через фильтр Ф1, а выходом - к управляемому выпрямителю ВУ. Выход управляемого выпрямителя через входной фильтр Ф2 связан с аккумуляторной батареей АБ и цепями управления вагоном.
    Вторичный преобразователь выполнен в виде инвертора И2, к выходу которого подключены люминисцентные лампы ЛО. Вход инвертора И2 соединен с аккумуляторной батареей АБ и выходом первичного преобразователя. Управление первичным и вторичным преобразователями осуществляется от автоматизированной системы АСУ.
    АСУ состоит из двух конструктивно самостоятельных узлов, размещенных на двух печатных платах, установленных на основании и ножевой части выходного разъема, и содержит информационно-логический узел ИЛУ и блок выходных формирователей БВФ импульсов.
    Функционально АСУ состоит из пяти каналов управления, каждый из которых заканчивается выходным формирователем импульсов ФИ1-ФИ5, входящим в состав БВФ, который усиливает мощность выходных сигналов ИЛУ.
    Для управления инвертором И1 первичного преобразователя служат формирователи ФИ1 и ФИ2, выходные сигналы которых длительностью 100 мкс, частотой 150 импульсов/с по времени имеют фазовую задержку, равную половине периода.
    Для управления инвертором И2 вторичного преобразователя используются формирователи ФИ3 и ФИ4 импульсов, выходные импульсы которых длительностью 100 мкс, частотой 400 импульсов/с по времени распределены с фазовой задержкой, равной половине периода.
    Для управления регулируемым выпрямителем ВУ используется формирователь ФИ5 импульсов, выходные сигналы которого длительностью 100 мкс, частотой 300 импульсов/с осуществляют регулирование выходного напряжения выпрямителя путем изменения фазовой задержки на включение, за исключением начальных 550 мкс полупериода.
    Импульсы управления через импульсные трансформаторы ПТИ1-ПТИ8 подаются на управляющие переходы тиристоров инверторов и управляемого выпрямителя.
    Структура ИЛУ содержит задающий генератор, работающий с тактовой частотой 9600 импульсов/с, и распределитель импульсов, включающий делитель частоты с коэффициентами деления 64 и 24 и канальные дешифраторы.
    Четыре первых канала ИЛУ заканчиваются схемами согласования, формирующими выходные импульсы.
    Основной частью пятого канала является фазосдвигающее устройство ФСУ, которое предназначено для сдвига во времени фазы и импульсов управления тиристорами выпрямителя относительно импульсов управления тиристорами инвертора И1 с целью обеспечения стабильности напряжения на выходе блока питания при изменении напряжения контактной сети и нагрузки, а также с целью обеспечения устойчивости работы блока питания при проезде подвижным составом специальных частей контактной сети. Таким образом, на ФСУ поступают сигналы, пропорциональные выходному напряжению (датчик напряжения ДН), выходному току (датчик тока ДТ), и в цепи блока обратной связи БОС при прохождении подвижным составом токораздела (датчик проезда токораздела).

    Входной фильтр первичного преобразователя БПСН связан через разделительный диод 1 с выводами 2 и 5 рейки Х1, к которой подводится напряжение контактной сети.
    Входной фильтр служит для сглаживания пульсаций входного тока блока питания и состоит из фильтровых конденсаторов С3 и С4. Инвертор первичного преобразователя выполен по схеме полумостового параллельного инвертора с обратными диодами и состоит из силовых тиристоров V13-V16, шунтированных RC-цепями (R2-C8, R3-C9, R4-C10, R5-C11) и резисторами R6-R8, которые предназначены для ограничения перенапряжений на тиристорах, коммутирующего дросселя L3, коммутирующего конденсатора C5, силового трансформатора Т2 и обратных диодов V17 и V18.
    Полученное на вторичной обмотке Т2 напряжение выпрямляется управляемым выпрямителем, собранным по нулевой схеме на тиристорах V19, V20, с помощью которого осуществляет регулирование выпрямленного напряжения для поддержания стабильного напряжения на зажимах аккумуляторной батареи.
    Для уменьшения величины пульсации выходного напряжения на выходе управляемого выпрямителя включен выходной фильтр, состоящий из дросселя L4 и конденсатора С12.
    Вторичный преобразователь подключен к выводам 5 и 1 рейки Х2, с которыми соединена аккумуляторная батарея, что обеспечивает возможность прохождения токоразделов контактной сети без обесточивания люминисцентного освещения.
    Инвертор вторичного преобразователя собран по нулевой схеме с обратными диодами и состоит из силовых тиристоров V22, V25, коммутирующего дросселя L5, коммутирующего конденсатора 13, выходного трансформатора Т4 и обратных диодов V23 и V24.
    БОС получает питание от вторичной обмотки трансформатора Т4 вторичного преобразователя и состоит из разделительных конденсаторов С1 и С2 и выпрямительного моста V3-V6. Конденсаторы С1 и С2 рассчитываются так, чтобы напряжение на выходе моста V3-V6 было бы меньше минимального напряжения контактной сети, вследствие чего при нормальном токосъеме выпрямительный мост заперт, и БОС в работе не участвует.
    В том случае когда напряжение в контактной сети исчезает, с выхода вторичного преобразователя импульсы через разделительные конденсаторы С1 и С2 и диоды V3-V6 проходят по первичной обмотке трансформатора Т1 и со вторичной обмотки поступают в АСУ, обеспечивая работу вторичного преобразователя при отсутствии напряжения в контактной сети. Трансформатор Т1 выполняет функции датчика проезда токораздела.
    Датчик тока установлен в цепи вторичных обмоток инверторного трансформатора Т2 и обозначен Т3.
    Диод V1 исключает передачу энергии через блок обратных связей в цепи высоковольтной нагрузки. Дроссели насыщения L1 и L2 используются для защиты полупроводниковых элементов от перенапряжений.
    Импульсные трансформаторы фомирующие управляющие сигналы на тиристоры V13-V16, V19, V20, V22 и V25, установлены в ячейках ПТИ1-ПТИ8, где установлены включенные параллельно первичным обмоткам диоды V01 и конденсаторы С01 и включенные параллельно вторичным резисторы R02 и через диоды V02 конденсаторы С02. Указанные резисторы и конденсаторы используются для подавления сигналов помех. Напряжение 15 и 28 В питания задающего генератора и формирователей импульсов подается со стабилизатора напряжения, собранного на стабилитронах V8-V12 и подключенного к выходу БПСН через диод и резистор R1.
    Для предотвращения аварийных режимов в БПСН установлены реле защиты КК (РЗ) и электронная защита, содержащая диод V29, связывающий обмотки W3 трансформаторов ПТИ3 и ПТИ4. В качестве реле защиты применяется тепловое реле типа ТРТП-122У3 11,5 А. Допускается применение реле типов ТРТП-115У3 7А, ТРТ-115М3 7А и ТРТ-122М3 11,5 А. Катушка теплового реле КК через длительный конденсатор включена параллельно конденсатору СЧ. В аварийных режимах, связанных со значительными пульсациями на конденсаторах С3 и С4, реле КК срабатывает и разрывает свой блок-контакт в цепи проводов 66, связывающих формирователи импульсов с ПТИ1-ПТИ4 тиристоров V13-V16 инвертора первичного преобразователя. Прекращается подача управляющих импульсов, и тиристоры выключаются. Электронная защита функционирует следующим образом.
    В аварийных ситуациях возможно изменение полярности напряжения на конденсаторе С3. В этом случае включается диод V29 и к обмоткам W3 трансформаторов ПТИ3, ПТИ4 прикладывается импульс напряжения, что приводит к включению тиристоров V15 и V16 при включенных тиристорах V13 и V14. Образуется цепь короткого замыкания, в которой ток резко возрастает, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита преобразователя, и аварийный режим прекращается.

    Задающий генератора информационно-логического узла АСУ выполнен на базе операционного усилителя А1. Тактовая частота генератора, контролируемая в точке "V", составляет 9600 импульсов/с. Делитель частоты построен на интегральных микросхемах D4-D7 и канальных дешифраторах.
    Дешифратор первого канала выполнен в микросхемах D8-1, D10-1 и D11-1; второго - D8-2, D10-2 и D11-2; третьего - D9-1, D12-1, D12-2; четвертого - D9-2, D12-3 и D12-4; пятого - D1-1, D1-2, D1-3 и D2-1. Четыре канала информационно-логического узла заканчиваются схемами согласования, формирующими выходные импульсы и выполненными на интегральных микросхемах: первый канал - D10-3, D16-1; второй - D10-4, D16-2; третий - D13-1, D17-1; четвертый - D13-2, D17-2.
    Основной частью пятого канала является фазосдвигающее устройство, в состав которого входят: генератор линейно-изменяющегося напряжения, выполненный на интегральных микросхемах D2-2, D14, D15, конденсаторах С10, С11, стабилитроне V7, диоде V8 и резисторах R16-R18; компаратор, выполненный на базе операционного усилителя А2; одновибратор, выполненный на микросхемах D18; блок согласования, выполненный на микросхеме D19-1; блок преобразования напряжений обратных связей с тремя регулировочными резисторами R10, R12 и R14. Импульсы со схем согласования поступают на выходные формирователи импульсов, выполненные на транзисторах V20-V24 и V30-V34. Выходные сигналы с коллекторов транзисторов V30 и V31 поступают на импульсные трансформаторы ПТИ1-ПТИ4, с коллекторов транзисторов V32, V33 - на ПТИ7, ПТИ8,с коллектора трназистора V34 - на ПТИ5, ПТИ6. Диаграммы импульсов приведены ниже:

    Диаграммы импульсов на коллекторах транзисторов (а) и управляющих электродах тиристоров (б).

    Принципиальная схема первичного преобразователя приведена выше.
    Силовые тиристоры V13, V14 и V15, V16, установленные по два последовательно для обеспечения необходимых запасов по напряжению, изображены как функциональные тиристоры V3 и V4.
    Для упрощения изложения принципов работы первичного преобразователя сделаем следующие допущения: период выходного напряжения значительно больше времени восстановления тиристоров; напряжение на конденсаторах C_ф1 и C_ф2 постоянно, вентили идеальны; ток нагрузки полностью сглажен (I_н = const); активными сопротивлениями и намагничивающими токами трансформатора и коммутирующего дросселя, а также временем перемагничивания дросселей насыщения Дн1 и Дн2 принебрегаем, обе половины коммутирующей индуктивности сильно связаны; коэффициент трансформации трансформатора преобразователя Т равен единице.
    Рассмотрим работу преобразователя в течение одного полупериода. КРивые токов и напряжений на основных элементах преобразователя изображены ниже:

    За начало отсчета полупериода повторяемости процессов выбран момент открытия тиристора V4.
    Интервал А. Открыты тиристоры V3 и V6. Более подробно этот интерва будет рассмотрен ниже применительно к открытому состоянию тиристоров V4 и V5 (интервал А').
    Интервал В. Подается импульс упраавления на открытие тиристора V4. Т.к. напряжение на конденсаторе C_k не может измениться мгновенно, то к обмотке L_k2 прикладывается сумма напряжений фильтрового C_ф2 и коммутирующего C_k конденсаторов, равная Uc. Такое же напряжение индуцируется в Lk1, создавая обратное напряжение на тиристоре V3 и запирая его.
    В силу того, что элеткромагнитная энергия коммутирующего дросселя в момент переключения должна остаться неизменной, коммутация происходит мгновенно и ток i_v4мнговенно возрастает до I_н (в действительности это значение достигается с небольшой задержкой, обусловленной индуктивностями рассеяния L_k1 и дросселем насыщения Дн2, что обеспечивает ограничение скорости нарастания тока через тиристор V4 на уровне допустимого значения).
    Затем конденсатор С_k начинает перезаряжаться через тиристор V4. В момент времени t₀ напряжение на коммутирующей емкости U_сл=0, и напряжение на тиристоре V3 меняет знак, поэтому величины С_k и L_k должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить величину t₀ больше максимального времени восстановления тиристоров V3 и V4. В момент времени t_k, когда С_k перезарядится до U_c с полярностью, указанной в скобках, напряжение на коммутирующей индуктивности будет равно нулю, а ток i_v4 станет максимальным по величине и равным I_m, причем наибольшего значения I_m достигнет при работе преобразователя в режиме холостого хода при U_c=U_max.
    Если бы обратные диоды V1 и V2 подключены не к обмотке инверторного трансформатора, а к средней точке коммутирующего дросселя, то в момент времени t_k диод V2, открывшись, начал бы проводить ток, циркулирующий в контуре V2-L_k2-V4-Дн2, рассеивая в этом контуре энергию, равную 0,5L_k2I²_m, что привело бы к увеличению габаритов и снижению КПД преобразователя.
    Подключение же обратных диодов к отпайке инверторного трансформатора дает возможность этой энергии возвращаться в источник питания. При этом длительность интервала В затягивается до момента времени t₁, когда напряжение на обратном диоде V2 станет равным нулю. При этом C_k зарядится до напряжения U_c/[2(1-n)], где n- доля отпайки от первичной обмотки трансформатора (в нашем случае n=0,15).
    Интервал С. Открывается диод V2. Напряжения U_ck и U_v3 не меняются. Напряжение отпайки, равное U_сп/[2(1-n)] приложено к дросселю L_k2, вследствие чего ток L_v4 начинает линейно спадать. Важно отметить, что пока открыт диод V2, первичной обмоткой трансформатора является по существу ее основная часть W_oc, а отпайку W_от можно рассматривать как вторичную обмотку, имеющую гальваническую связь с первичной. Ток, идущий через V2 i_v2, содержит три составляющих: ток разряда индуктивности L_k2, ток наведенный в W_ос из-за протекания тока разряда L_k2 через W_от, и ток нагрузки.
    Интервал С заканчивается в момент открытия тиристора V5.
    Интервал D (интервал коммутации выпрямителя). В начале интервала открывается тиристор V5. Напряжение на нагрузке падает до нуля, а вторичные обмотки трансформатора W2 оказываются замкнутыми накоротко. В цепи вторичных обмоток и тиристоров V5 и V6 протекает ток коммутации, скорость изменения которого ограничивается индуктивным сопротивлением рассеяния обмоток. Когда i_v3 становится равным i_v6, ток нагрузки, протекающий по первичной обмотке инверторного трансформатора, меняет направление. С этого момента через диод V2 начинает протекать ток, равный сумме токов: разряда коммутирующей индуктивности и наведенного в W_ос и минус ток нагрузки. Диод V2 может закрыться только после того как этот ток уменьшится до нуля. В зависимости от величины тока нагрузки и параметров схемы возможны три случая: диод V2 закрывается до окончания коммутации выпрямителя; после окончания коммутации, но раньше конца полупериода; в конце полупериода (в момент открытия диода V3). Рассмотрим второй случай как более общий. Необходимо отметить, что теоретические и экспериментальные исследования показали, что в разработанном инверторе в режиме холостого хода и при токе нагрузки, меньшем или равном номинальному, диод V2 закрывается только в момент открытия диода V3. Этот режим отличается от рассматриваемого отсутствием интервала А.
    Интервал А. Этот интервал характерен тем, что диод V2 еще открыт, а коммутация выпрямителя окончалась. Заканчивается интервал в тот момент, когда i_v2 спадает до нуля и ток тиристора i_v4 становится равным току I_н.
    Интервал А'. В момент закрытия V2 конденсатор C_k, заряженный до напряжения U_c/[2(1-n)], начинает разряжаться на нагрузку, в результате чего ток i_v4 продолжает уменьшаться. По мере разряда конденсатора напряжение на ней уменьшается, а скорость снижения i_v4 падает. Колебательный процесс заканчивается в момент открытия тиристора V3.
    Значение напряжения U_ck в этот момент зависит от тока нагрузки и от параметров схемы и может находиться в пределах .
    В следующем полупериоде, когда открыт тиристор V3, все процессы протекают аналогично.
    Напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т2 показано ниже.

    Принципиальная схема вторичного преобразователя представлена выше. В скобках приведены обозначения элементов в соответствии с электрической схемы блока питания.
    Рассмотрим работу схемы в течение одного полупериода с учетом всех допущений, принятых при рассмотрении работы первичного преобразователя. Кривые напряжений на основных элементах преобразователя представлены ниже.

    За начало отсчета полупериода повторяемости процесса выберем момент открытия тиристора V4.
    Интервал А. Подается отпирающий импульс на тиристор V4. Напряжение, приложенное к тиристору V1, скачком изменяется до отрицательного значения, так как к нему через тиристор V4 приклаывается напряжение, предварительно заряженного коммутирующего конденсатора С_k (полярность на C_k без скобок). Величина обратного напряжения U_k зависит от режима работы инвертора. Так, в режиме холостого хода U_k достигает своего максимального значения U_k=(2U_n)/(1-n), где n - доля отпайки от первичной обмотки трансформатора Т. Для этого интервала справедливы соотношения: i₅=i_c; i_c=i₆-i_H (при K_T=1); i_c+i₆=i_6x.
    По мере перезаряда конденсатора абсолютное значение напряжения на нем на нагрузке и на V1 уменьшается. В момент t₁ напряжение U_v1=0 (значит, время t₁ - это время, которое предоставляет схему тиристору для восстановления своих управляющих свойств; t₁=t_в). После момента t₁ напряжение на конденсаторе изменяет знак (полярность U_ck в скобках) и в момент времени t₂ достигает значения 2U_n. При этом напряжение на дросселе U_Lk=0. Если бы обратные диоды V2 и V3 были подключены не к отпайкам инверторного трансформатора, а к анодам тиристоров V1 и V4, то в момент времени диод V3, открывшись, начал бы проводить ток, циркулирующий по контуру V3-V4-L_k, рассеивая в этом контуре энергию, равную 0,5L_ki²_v4, что привело бы к значительным нагревам этих элементов. Подключение же обратных диодов к отпайкам трансформатора дает возможность энергии возвращаться в источник питания. При этом длительность интервала А затягивается до момента t₃, когда напряжение на обратном диоде V3 станет равным нулю, а U_ck=(2U_вых1)/(1-n).
    Интервал В. В момент времени t₃ открывается диод V3. Напряжение на конденсаторе, нагрузке и тиристоре V1 не меняется, оставаясь постоянным и равным (2U_вых)/(1-n). В этот же момент ток конденсатора скачком снижается до нуля, а токи i_в и i_вх изменяют свое направление.
    Интервал С. В момент закрытия диода V3 конденсатор C_k начинает разряжаться на нагрузку и в момент времени t₅, включения тиристора V1 Достигает величины U_k. В следующем полупериоде, когда открыт тиристор V1 все процессы в схеме протекают аналогично.
    Здесь необходимо отметить следующее. При стабилизированном питающем напряжении U_вых1 форма и значение выходного напряжения инвертора зависят от C_k L_k и параметров нагрузки. Т.к. нагрузка вторичного инрветора строго определена (у инвертора могут быть два режима работы: холостой ход и питание всех люминисцентных ламп вагона), то при соответствующем выборе C_k и L_k удается получить необходимые выходные параметры инвертора, а именно в режиме нагрузки интервал В в работе инвертора практически отсутствует, в результате чего кривая выходного напряжения получается близкой к синусоидальной с действующим значением выходного напряжения U_вых2=(200-240) В.