Все предложения сводились к делению напряжения между двумя последовательно включенными вентилями с помощью мощного входного фильтра или конденсаторов промежуточного звена. Для этого, например, в так называемых трехточечных инверторах конденсаторы входного фильтра разделены на две параллельные группы, а их средняя точка через диод соединена со средней точкой двух последовательно включенных запираемых тиристоров (рис. 3). Благодаря наличию двух больших групп конденсаторов, каждая из которых включена параллельно одному из запираемых тиристоров и заряжается в среднем только на половину напряжения контактной сети, включения и отключения обоих запираемых тиристоров не могут происходить одновременно. Включенные параллельно вентилям конденсаторы удерживают примерно постоянным напряжение на них в течение периода, длительного по сравнению с временем включения, поэтому процессы коммутации обоих вентилей можно замедлять, чтобы получать на выходе преобразователя качественное трехфазное напряжение. Кривые напряжения в этом случае имеют значительно меньше высших гармоник, чем на выходе двухточечного инвертора, что в итоге ведет к меньшим потерям в двигателях и снижению уровня излучаемого ими шума. Недостатком трехточечной схемы являются более высокие затраты на запираемые тиристоры (примерно в 2 раза), чем у двухточечного инвертора.
С точки зрения затрат более предпочтительны решения с входным регулятором, который выдает в промежуточное звено качественное напряжение питающее более простой двухточечный инвертор. Таким регулятором может быть так называемый двухступенчатый прерыватель постоянного тока (ИППТ), показанный на рис. 4. Здесь конденсатор сетевого фильтра разбит на две части, и средняя точка через диоды соединяется со средней точкой после-
Рис.3. Фаза трехточечного инвертора
Рис.4. Двухступенчатый импульсный прерыватель постоянного тока
довательно включенных запираемых тиристоров. Если оба тиристора управляются сетевым напряжением, то частота, воздействующая на промежуточный контур, может быть удвоена и колебания напряжения соответственно уменьшатся в 2 раза. Это снижает стоимость дросселя промежуточного звена на 25 % по сравнению с ее величиной в обычном режиме работы ИППТ. Благодаря антипараллсльно включенным вентилям можно возвращать в контактную сеть энергию при рекуперативном торможении. Тем самым здесь (как ив случае 4QS) обеспечивается возможность плавного перехода от режима тяги к режиму рекуперативного торможения.
В мощных электровозах, у которых для каждого двигателя предусмотрен отдельный инвертор, деление напряжения можно выполнять тоже с помощью конденсаторов промежуточного звена постоянного 'напряжения (рис. 5). При этом параллельно каждому из двух конденсаторов подключается двухквадрантный регулятор 2QS. Два таких регулятора соединяются между собой через дроссели.
Если исходить из того, что напряжение, приходящееся на один конденсатор, меньше, чем в контактной сети, то при открытых тиристорах GT01 и GT04 конденсаторы Сд и Сд оказываются включенными параллельно входному фильтру или контактной сети. Ток в дросселях L1 и L2 при этом увеличивается. Если тиристоры запираются, то ток течет через диоды VD2 и VD3. При этом конденсаторы Сд и Сд оказываются включенными последовательно, и ток в дросселях L1 и L 2 снижается.
Благодаря соответствующему выбору моментов коммутации вентилей напряжение промежуточной цепи удерживается стабильным и не зависящим от колебаний напряжения в контактной сети. В режиме рекуперативного торможения отпираются тиристоры GT02 и GT03, что влечет за собой последовательное соединение двух конденсаторов промежуточного звена постоянного напряжения. При этом ток в дросселях L1 и L2 растет. После запирания тиристоров 2 и 3 ток течет через диоды VD1 и VD4, причем теперь конденсаторы оказываются включенными параллельно.
Из сказанного следует, что для тягового привода электропоездов могут использоваться три вида преобразователей. В табл. 2 обобщены варианты включения с учетом различных случаев использования.
Таблица 2
| Система тока в контактной сети | Входной регулятор | Инвертор |
| Переменный 16 2/3 Гц, 50 Гц | 4QS | Двухточечный |
| Постоянный, В: | ||
| 750 | - | » |
| 1500 | - | » |
| 3000 | 2QS | » |
Как видно из приведенных схем (см. рис. 1, 2, 4), все преобразователи состоят из одинаковых блоков, так называемых фазовых модулей. Каждый из них содержит два последовательно включенных запираемых тиристора с антипараллельно соединенными с ними диодами. Такой принцип позволяет легко стандартизировать все схемы преобразователей, причем это дало бы следующие преимущества, если сравнивать с традиционными принципами компоновки преобразователей:
универсальное применение в основных схемах преобразователей;
простую, с точки зрения проектировщика, конфигурацию, облегчающую монтаж на различных типах подвижного состава для пригородного и дальнего сообщения;
оптимальную адаптацию к концепции и мощности тягового привода;
меньшую стоимость вследствие стандартизации и достаточно больших выпускаемых серий;
удобство обслуживания благодаря простой замене небольших блоков;
уменьшение объемов складского хранения запасных частей.
Наряду с силовыми вентилями в каждом модуле имеются схемные элементы, ограничивающие коммутационные перенапряжения, а также блок управления запираемыми тиристорами, в котором генерируются отпирающие и запирающие импульсы управления. Чтобы перекрывался весь диапазон мощностей, блок управления должен быть рассчитан на величину тока в импульсе до 1000 А с крутизной переднего фронта до 70 А/мкс. Для соединения блока управления с прибором регулирования тягового привода применяют медные провода или световоды. Поскольку напряжения аккумуляторных батарей в разных типах электропоездов различны, блок управления тиристорами выполняется в расчете на рабочие напряжения от 24 до 110В.
Для обеспечения возможности максимального использования качеств запираемых тиристоров большое значение имеет выбор гасящих цепочек. Как правило, используют одну из двух схем, а именно асимметричную схему Марквардта (рис. 6) или симметричную Вагнера (рис. 7). Первая из них характеризуется малыми потерями, низкими коммутационными перенапряжениями и относительно большим накопительным конденсатором (последнее качество является недостатком). Вторая схема имеет небольшой конденсатор и, следовательно, малый монтажный объем. В то же время для обеспечения таких же, как в первой схеме, малых значений коммутационных перенапряжений в ней, а также и во всем модуле Должны использоваться низкоиндуктивные соединения. Это требование относится также и к соединению модуля с промежуточным звеном постоянного напряжения. В симметричной схеме для каждой фазы необходимо отдельное гасящее сопротивление, а в асимметричной схеме для всех фаз используется одно общее.
Поскольку в технике тягового привода электропоездов используется диапазон мощностей от 100 до 3000 кВт, было бы неэкономичным применять во всех случаях только один типоразмер модуля. В связи с этим были разработаны три фазовых модуля на выключаемых тиристорах, различающиеся конструкцией и системой охлаждения. Для нижнего диапазона мощностей предназначен модуль с воздушным охлаждением, укомплектованный запираемыми тиристорами с рабочим током 3000 А и напряжением 2,5 или 4 кВ. В нем силовые вентили через теплопроводящие, но электроизолирующие керамические диски закреплены на охлаждающей плите, другая сторона которой обдувается охлаждающим воздухом. В качестве гасящей схемы здесь выбрана асимметричная. Все ее элементы, за исключением гасящего сопротивления, которое смонтировано вне модуля, охлаждаются на той же плите. Блок управления тиристорами, состоящий из двух частей (управляющей и силовой), расположен над силовыми вентилями.
Все внутреннее пространство модуля после монтажа в шкафу герметично отделяется от потока охлаждающего воздуха. Этот модуль может применяться
Рис.6. Фаза инвертора с асимметричной гасящей цепочкой
Рис.7. Фаза инвертора с симметричной гасящей цепочкой
в преобразователях с напряжением промежуточного звена до 2400 В или с напряжением в контактной сети постоянного тока 1500 В. Размеры модуля 270 х 330 х 850 мм (длина, высота, ширина), масса около 65 кг. Применяется он, главным образом, в подвижном составе пригородного сообщения. Так, например, им оборудованы новые поезда метрополитена в Сингапуре и поезд серии Е501 городской железной дороги компании JR-East в Японии.
Для следующего, более высокого диапазона мощностей разработан фазовый модуль с испарительным охлаждением. Он в основном комплектуется запираемыми тиристорами с рабочим напряжением 4,5 кВ и коммутируемым током 3 кА. В нем также использована асимметричная гасящая цепочка. Здесь все элементы силовой цепи смонтированы в герметично закрытом корпусе, выполненном из алюминия, имеющем ребра охлаждения и крышку из эпоксидной смолы с залитыми токовводами. Цельная, специально отформованная деталь из литого алюминия образует внутренний каркас модуля, на котором монтируются все элементы. В конце процесса изготовления модуль под вакуумом заполняют хладагентом (около 17 кг), после чего он остается герметично закрытым. По сравнению с другими системами охлаждения в используемой не требуются трубопроводы для подвода в ходе монтажа охлаждающей жидкости и соответствующие соединения и запорная арматура. Охлаждение полностью автономно, причем здесь не требуется насос. В качестве нового хладагента использован фторуглеводород FC 72, не содержащий соединений хлора, разрушающих озоновый слой. Размеры модуля 380 х 309 х 630 мм, масса 95 кг. Он был разработан несколько лет назад. По состоянию на март 1995 г. было выпущено более 11 500 таких модулей. Они используются на поездах ICE 1, электровозах серии S 252 Государственных железных дорог Испании, на поездах городских железных дорог Испании и Португалии, а также на всех тепловозах фирмы General Motors с асинхронным трехфазным приводом в Северной Америке.