eng
Выпуск #5/1999
С. Вольский.
Высоковольтный преобразователь для электропоездов пригородного сообщения
Высоковольтный преобразователь для электропоездов пригородного сообщения
Просмотры: 4149
До последнего времени задача создания надежного высоковольтного преобразователя для электропоездов постоянного тока не была решена ни в России, ни за рубежом. Однако благодаря комплексной разработке силовой схемотехники и использованию современных достижений в области полупроводниковой преобразовательной техники специалистам ЗАО “СпецРемонт” удалось создать и освоить серийный выпуск высоковольтных статических преобразователей типа ТП-13,5 У1, которые при эксплуатации в составе электропоездов пригородного сообщения показали высокую надежность.
Сегодня как на новых, так и на старых российских электропоездах пригородного сообщения все еще применяются электромашинные преобразователи напряжения. Эти устройства преобразуют высоковольтное постоянное напряжение (2200 – 4000 В) контактной сети в напряжения, необходимые для электропитания мотор-компрессора пневмосистемы поезда, цепей управления, освещения, двигателей вентиляторов салонов и заряда аккумуляторной батареи. Наличие вращающихся элементов и щеточно-коллекторного узла в электромашинных преобразователях обусловливают их низкую надежность, а также существенные затраты на обслуживание и проведение текущего ремонта. Это и объясняет стремление по возможности заменить электромашинные устройства полупроводниковыми преобразователями напряжения, которые просты и надежны в эксплуатации.
Однако существенная нестабильность напряжения контактной сети и жесткие условия окружающей среды (широкий диапазон изменения температуры, возможность выпадения инея и т. п.) затрудняли решение задачи, и только недавно многолетний опыт и знание современного уровня полупроводниковой преобразовательной техники позволили специалистам ЗАО “СпецРемонт” разработать и освоить серийный выпуск высоковольтных статических преобразователей типа ТП-13,5 У1.
СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Разработанный полупроводниковый преобразователь ТП-13,5 У1 с номинальной выходной мощностью 13,5 кВт предназначен для электропитания вспомогательных потребителей одной секции пригородного поезда типа ЭР2 взамен существующего электромашинного преобразователя ДК-604В. Он осуществляет на несущей частоте (выше 1 кГц) преобразование входного напряжения (2200 – 4000 В) постоянного тока от контактной сети в постоянное напряжение 1500 В, необходимое для электропитания высоковольтного мотор-компрессора ДК-409В, и в постоянное напряжение 50 В, требуемое для цепей управления, освещения, двигателей вентиляторов салонов и заряда аккумуляторной батареи.
При выборе типа силовых полупроводниковых приборов и структурной схемы статического преобразователя была принята во внимание существенная разница между установившимися и переходными значениями токов потребления отдельных блоков. Так, пусковой ток мотор-компрессора превышает в 4–5 раз установившиеся значения и достигает 17 А и более. Пусковой ток двигателей вентиляторов салонов также превышает в 4–5 раз установившиеся значения и достигает 100 А и выше. В результате предварительные расчеты показали, что статический преобразователь должен иметь установочную мощность не менее 60 кВт.
С учетом требуемой высокой установочной мощности и возможных импульсных всплесков напряжения контактной сети (до 7000 В) при выключении тяговых двигателей электропоезда силовая схема преобразователя была построена на базе быстродействующих высоковольтных тиристоров. Такое решение обусловлено тем, что по сравнению с альтернативными полупроводниковыми приборами, например высоковольтными транзисторами типа IGBT, тиристоры при относительно низкой стоимости обладают более высокой коммутационной способностью и малыми статическими потерями.
В качестве быстродействующих тиристоров выбраны отечественные приборы таблеточного исполнения типа ТБ433-250-14. По своим характеристикам при 14 классе по напряжению они не имеют аналогов за рубежом. Их время выключения не более 12 мкс, критическая скорость нарастания прямого напряжения не менее 1000 В/мкс, допустимое среднее значение прямого тока 250 А и ударный ток не менее 5000 А.
В свою очередь применение силовых тиристоров определило построение структурной электрической схемы преобразователя ТП-13,5. В общем виде (рис.1) она содержит входной двухзвенный сглаживающий фильтр (ФВХ), полумостовой резонансный тиристорный инвертор с открытым входом и обратным включением силовых диодов, силовой высокочастотный трансформатор (TV1), высоковольтный выпрямительный блок (ВВБ) с выходным рабочим напряжением 1500 В, низковольтный выпрямительный блок (НВБ) с выходным напряжением 50 В, блок системы управления (БСУ), который включает в себя плату логики и плату вторичного источника питания.
Преобразователь содержит также датчик входного напряжения (ВВХ), двенадцать датчиков определения состояния тиристоров (ВVS), датчик средней температуры тиристорного инвертора (Вt), датчик входного тока силового трансформатора (ВTV), датчик магнитного потока силового трансформатора (ВФ) и датчики BI1 и BI2, которые контролируют токи, протекающие через силовые диоды выпрямительных блоков ВВБ и НВБ, соответственно.
С целью повышения надежности статического преобразователя в каждом плече полумостового инвертора установлено шесть последовательно соединенных силовых тиристоров с силовыми диодами при обратном включении. В качестве силовых диодов использованы отечественные лавинные диоды таблеточного исполнения типа ДЧЛ133-200-12, которые имеют при допустимом среднем токе 200 А время восстановления сопротивления не более 1,1 мкс и напряжение лавинного пробоя 1250+50 В. Помимо выполнения своей основной функции эти диоды защищают также тиристоры инвертора от ненормированных импульсных всплесков прямого напряжения. Следует отметить, что количество силовых полупроводниковых приборов выбрано с таким расчетом, чтобы работоспособность преобразователя сохранялась даже при выходе из строя в любом плече инвертора одного из последовательно соединенных тиристоров или диодов. Это свойство обеспечивается использованием мажоритарного устройства в блоке системы управления.
Для снижения потерь мощности сердечник силового высокочастотного трансформатора TV1 выполнен из аморфной стали и состоит из нескольких тороидальных магнитопроводов, имеющих различные магнитные свойства. Благодаря этому даже при несимметричной работе тиристорного инвертора силовой трансформатор не насыщается. Высокочастотное преобразование электрической энергии и использование составного магнитопровода позволило снизить удельную массу трансформатора TV1 до 0,47 кг/кВт при установочной выходной мощности свыше 60 кВт.
На выходах как ВВБ, так и НВБ установлены сглаживающие Г-образные индуктивно-емкостные фильтры. Помимо снижения пульсаций выходного напряжения они обеспечивают также ограничение скорости нарастания выходного тока при пусковых режимах работы мотор-компрессора и двигателей вентиляторов салонов, при короткозамкнутых нагрузках и т.п. При этом дроссель сглаживающего фильтра НВБ выполнен по специально разработанной электромагнитной схеме, которая позволяет повысить жесткость внешней характеристики НВБ при широком диапазоне изменения его нагрузки.
В преобразователе также предусмотрен канал с выходным напряжением 12 В постоянного тока и выходной мощностью 120 Вт (на рис.1 не показан). Он предназначен для электропитания двигателя вентилятора принудительного обдува внешней поверхности корпуса преобразователя. Включение двигателя вентилятора осуществляется по сигналу термодатчика при температуре 50+50С внутри преобразователя.
Работа преобразователя ТП-13,5 в общем виде происходит следующим образом. Высокое напряжение (2200 - 4000 В) контактной сети через входной фильтр ФВХ поступает на тиристорный резонансный инвертор, который преобразует его в переменное высокочастотное напряжение. В зависимости от уровня входного напряжения, величины и характера нагрузок преобразователя частота выходного напряжения инвертора изменяется в пределах от 1,3 до 4,5 кГц. С выхода инвертора напряжение поступает на первичную обмотку силового трансформатора TV1, а высокочастотные ЭДС с его вторичных обмоток преобразуются при помощи ВВБ и НВБ в требуемые постоянные выходные напряжения 1500 и 50 В, соответственно. Стабилизацию среднего значения выходных напряжений преобразователя осуществляет система управления путем частотно-импульсной модуляции сигналов переключения силовых тиристоров.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Благодаря оптимальным условиям функционирования последовательно соединенных тиристоров достигнута высокая надежность работы статического преобразователя. Эти условия, в свою очередь, обеспечиваются, во-первых, применением помехазащищенных драйверов для управления силовыми тиристорами, а во-вторых – использованием специально разработанных методик по выбору рабочего диапазона частоты переключения тиристоров и расчета коллективных и индивидуальных защитных цепей [1, 2].
Для поддержания надежной работы преобразователя ТП-13,5 и увеличения его срока службы в нем применены элементы стратегии упреждающего управления, которые позволяют предварительно оценить результат внешних и внутренних воздействий, спрогнозировать развитие аварийных процессов и произвести адекватные действия по предотвращению их последствий. Практическая реализация элементов стратегии управления стала возможна лишь после тщательного компьютерного моделирования рабочих процессов и в результате комплексной разработки силовой части полупроводникового преобразователя, его системы управления и встроенной системы диагностирования, включающей в себя устройства обнаружения, распознавания и локализации дефектов в работе статического преобразователя напряжения. При этом была проведена классификация причин возникновения аварийных ситуаций, определены и минимизированы характерные признаки их электромагнитных проявлений и выработан алгоритм мер по устранению развития аварийных процессов. В результате в новом устройстве своевременно определяются следующие нарушения его нормальной работы:
• внутренние к.з. в силовом трансформаторе, в высоковольтном и низковольтном выпрямительных блоках;
• опрокидывание тиристорного инвертора и выход из строя его силовых полупроводниковых элементов;
• перегрузка по току и к.з. в цепи мотор-компрессора;
• перегрузка по току и к.з. в цепях освещения, двигателей вентиляторов салонов, управления и заряда аккумуляторной батареи;
• рост свыше 65 и падение ниже 35 В питающего напряжения блока системы управления;
• падение напряжения контактной сети ниже допустимой нормы 2200 В;
• перегрев элементов силовой части преобразователя.
Нарушение работы преобразователя определяется с помощью трех групп датчиков во встроенной системе диагностирования (см. рис. 1), по выходным сигналам которых корректируется функционирование устройства. К первой группе относятся двенадцать датчиков BVS и датчик BTV. Обрабатывая в реальном времени выходные сигналы этих датчиков, система диагностирования отслеживает возможность возникновения аварийной ситуации и вырабатывает адекватные сигналы для БСУ. В случае предпосылки аварийной ситуации БСУ прекращает подавать импульсы на открытие соответствующих силовых тиристоров инвертора и вырабатывает команду ‘’авария’’. Затем через 3–5 с БСУ осуществляет двукратный автоматический перезапуск, и при устойчивой аварийной ситуации преобразователь окончательно выключается. В этом случае в головной вагон электропоезда поступает штатный сигнал аварии, и после срабатывания защиты возможен лишь ручной перезапуск статического преобразователя.
Ко второй группе относятся датчики BI1 и BI2. При выходных сигналах датчиков выше заданного значения встроенная система диагностирования переводит тиристорный преобразователь в режим ограничения выходного тока. В этом режиме в течение установленного интервала времени (3–5 с) БСУ благодаря частотно-импульсной модуляции ограничивает выходной ток преобразователя на заданном уровне. Если выходной ток любого выпрямительного блока по окончании установленного интервала времени все же превышает заданное значение, то БСУ прекращает подачу импульсов на открытие тиристоров инвертора и вырабатывает команду ‘’авария’’. Через 3-5 с БСУ осуществляет двукратный автоматический перезапуск, а при устойчивой аварийной ситуации статический преобразователь, как и в первом случае, окончательно выключается.
К третьей группе относятся датчики BВХ и Bt. Система диагностирования обрабатывает их выходные сигналы таким образом, что в случае уменьшения напряжения контактной сети ниже 2000 В или при увеличении средней температуры внутри преобразователя выше 70+50С система управления прекращает подавать импульсы на открытие тиристоров и вырабатывает команду “блокировка”. При восстановлении нормированных значений напряжения контактной цепи и средней температуры внутри преобразователя БСУ снова начинает вырабатывать импульсы для управления тиристорами, и статический преобразователь автоматически запускается.
КОНСТРУКЦИЯ И ИСПЫТАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Конструктивно разработанный преобразователь электроэнергии выполнен в виде отдельного ящика, внутри которого закреплены силовые блоки и блок системы управления (рис.2). Корпус преобразователя изготовлен из алюминиевого сплава с оребрением по всем поверхностям и имеет оболочку защиты IP54. В верхней части корпуса установлены узлы крепления, расширительный бак, вентилятор и крышка блока системы управления. Узлы крепления выполнены таким образом, что позволяют легко крепить статический преобразователь, масса которого (310 кг) меньше, чем электромашинного преобразователя, к прицепному или головному вагону в штатных местах подвески преобразователя ДК-604В. Замена неисправного преобразователя на исправный осуществляется в течение 3 ч. В крышке блока СУ установлено прозрачное стекло для наружного наблюдения за светодиодным индикатором системы диагностирования, который сигнализирует о нормальном и аварийном режимах работы преобразователя.
Для повышения устойчивости к воздействию погодных условий все элементы устройства, кроме плат логики и вторичного источника питания, погружены в диэлектрическую жидкость (трансформаторное масло типа ГК), что позволяет статическому преобразователю безаварийно функционировать в любое время года, не опасаясь попадания вовнутрь снега, влаги, грязи, а при резких колебаниях температуры окружающей среды – образования инея.
Подключение статического преобразователя к контактной сети осуществляется через штатные защитно-коммутационные цепи прицепного или головного вагона электропоезда ЭР2. Подсоединение к мотор-компрессору и к низковольтным цепям также производится через штатные вводы электропоезда. После подсоединения силовых проводов и жгута управления преобразователь ТП-13,5 не требует специальной подготовки к работе и автоматически запускается при наличии напряжения аккумуляторной батареи не менее 35 В и поступлении рабочего напряжения выше 2200 В на высоковольтные входы устройства.
В 1997 г. статический преобразователь ТП-13,5 У1 успешно прошел электрические испытания на экспериментальном кольце Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ). Целью испытаний была проверка электрических параметров преобразователя на соответствие требованиям технического задания и действующих стандартов и норм. Проведенные электрические испытания показали, что полупроводниковый преобразователь работает устойчиво во всем диапазоне изменения напряжения контактной сети и при всех значениях допустимой нагрузки. Он также устойчиво функционирует при переходных режимах работы: при запуске мотор-компрессора, двигателей вентиляторов салонов, сбросе и подключении нагрузок, дискретном изменении входного напряжения и т.п. При номинальной нагрузке в зависимости от напряжения контактной сети преобразователь показал сравнительно высокие значения КПД (85–91%).
При имитации аварийных ситуаций, включая внутренние и внешние к.з., выход из строя одного или более тиристоров инвертора, силовых диодов в любом выпрямительном блоке и т.п., система диагностирования продемонстрировала высокую эффективность и надежность работы. Она распознавала предпосылки аварийной ситуации и не допускала повышения входного тока преобразователя и тока в нагрузках до аварийных сверхдопустимых значений. В результате выключение преобразователя при различных вариантах аварийных режимов происходило без повреждения узлов устройства.
Как видно из осциллограмм входного тока преобразователя iВХ.ПР, выходного напряжения u2 и тока i2 низковольтного выпрямительного блока, при подключении к преобразователю в момент времени t1 короткозамкнутой нагрузки он практически мгновенно отключался (рис. 3). При этом имело место лишь незначительное и нормированное повышение значений токов iВХ.ПР и i2, затем в моменты времени t2 и t3 преобразователь производил автоматический перезапуск, после чего окончательно отключался.
Особое внимание было уделено исследованию спектрального состава кривой iВХ.ПР, в результате чего выявлено, что работа преобразователя не оказывает опасного или мешающего влияния на нормальное функционирование рельсовых цепей и системы автоматической сигнализации, применяемой на сети железной дороги.
Одновременно в течение 1997 года проводились эксплуатационные испытания четырех преобразователей ТП-13,5 на базе моторовагонного депо “Апрелевка”, за время которых не было ни одного серьезного выхода из строя основных силовых элементов устройства. При этом благодаря осуществлению мягкого запуска мотор-компрессора и частотно-импульсной стабилизации его рабочего напряжения на уровне 1500 В существенно повышена эксплуатационная надежность и срок службы его коллекторного двигателя.
По результатам электрических испытаний на экспериментальном кольце ВНИИЖТ и годовых эксплуатационных испытаний комиссия по приемке конструкторской разработки в конце января 1998 г. приняла решение о присвоении статическому преобразователю ТП-13,5 У1 литеры О1 и рекомендовала выпуск установочной партии в размере 100 шт. К сегодняшнему дню уже выпущено более шести десятков статических преобразователей, которые эксплуатируются как на Московской железной дороге, так и на других дорогах России. В общей сложности новые преобразователи в составе электропоездов типа ЭР2 успешно проработали с суммарным пробегом более 2 млн. км в условиях всех сезонов при температуре окружающей среды от -34 до +380С.
Литература
1. Chuev V.I., Uan-Zo-li A.B., Volsky S.I. High-Frequency Thyristor Converter for Supplying Commuter Trains. – In: Sixth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drivers. Nottingham, UK, 1996.
2. Volsky S.I., Butenko P.V., Lomonova E.A., Uan-Zo-li A. B. The Energy Efficient Defence Circuits of the Commuter Train Converters. – In: EPE-97, Proceedings. Trondheim, Norway, 1997.
Представляем автора
ВОЛЬСКИЙ Сергей Иосифович. Кандидат технических наук. В 1984 г. окончил Московский авиационный институт, доцент МАИ. Зам. главного конструктора ЗАО “СпецРемонт”. Член международных научно-технических обществ IEEE (США) и IEE (Великобритания). Автор более 50 научных трудов и 14 изобретений. Сфера профессиональных интересов – бортовые системы электроснабжения, силовые преобразовательные устройства.
Контактный телефон: (095) 158-4668
Однако существенная нестабильность напряжения контактной сети и жесткие условия окружающей среды (широкий диапазон изменения температуры, возможность выпадения инея и т. п.) затрудняли решение задачи, и только недавно многолетний опыт и знание современного уровня полупроводниковой преобразовательной техники позволили специалистам ЗАО “СпецРемонт” разработать и освоить серийный выпуск высоковольтных статических преобразователей типа ТП-13,5 У1.
СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Разработанный полупроводниковый преобразователь ТП-13,5 У1 с номинальной выходной мощностью 13,5 кВт предназначен для электропитания вспомогательных потребителей одной секции пригородного поезда типа ЭР2 взамен существующего электромашинного преобразователя ДК-604В. Он осуществляет на несущей частоте (выше 1 кГц) преобразование входного напряжения (2200 – 4000 В) постоянного тока от контактной сети в постоянное напряжение 1500 В, необходимое для электропитания высоковольтного мотор-компрессора ДК-409В, и в постоянное напряжение 50 В, требуемое для цепей управления, освещения, двигателей вентиляторов салонов и заряда аккумуляторной батареи.
При выборе типа силовых полупроводниковых приборов и структурной схемы статического преобразователя была принята во внимание существенная разница между установившимися и переходными значениями токов потребления отдельных блоков. Так, пусковой ток мотор-компрессора превышает в 4–5 раз установившиеся значения и достигает 17 А и более. Пусковой ток двигателей вентиляторов салонов также превышает в 4–5 раз установившиеся значения и достигает 100 А и выше. В результате предварительные расчеты показали, что статический преобразователь должен иметь установочную мощность не менее 60 кВт.
С учетом требуемой высокой установочной мощности и возможных импульсных всплесков напряжения контактной сети (до 7000 В) при выключении тяговых двигателей электропоезда силовая схема преобразователя была построена на базе быстродействующих высоковольтных тиристоров. Такое решение обусловлено тем, что по сравнению с альтернативными полупроводниковыми приборами, например высоковольтными транзисторами типа IGBT, тиристоры при относительно низкой стоимости обладают более высокой коммутационной способностью и малыми статическими потерями.
В качестве быстродействующих тиристоров выбраны отечественные приборы таблеточного исполнения типа ТБ433-250-14. По своим характеристикам при 14 классе по напряжению они не имеют аналогов за рубежом. Их время выключения не более 12 мкс, критическая скорость нарастания прямого напряжения не менее 1000 В/мкс, допустимое среднее значение прямого тока 250 А и ударный ток не менее 5000 А.
В свою очередь применение силовых тиристоров определило построение структурной электрической схемы преобразователя ТП-13,5. В общем виде (рис.1) она содержит входной двухзвенный сглаживающий фильтр (ФВХ), полумостовой резонансный тиристорный инвертор с открытым входом и обратным включением силовых диодов, силовой высокочастотный трансформатор (TV1), высоковольтный выпрямительный блок (ВВБ) с выходным рабочим напряжением 1500 В, низковольтный выпрямительный блок (НВБ) с выходным напряжением 50 В, блок системы управления (БСУ), который включает в себя плату логики и плату вторичного источника питания.
Преобразователь содержит также датчик входного напряжения (ВВХ), двенадцать датчиков определения состояния тиристоров (ВVS), датчик средней температуры тиристорного инвертора (Вt), датчик входного тока силового трансформатора (ВTV), датчик магнитного потока силового трансформатора (ВФ) и датчики BI1 и BI2, которые контролируют токи, протекающие через силовые диоды выпрямительных блоков ВВБ и НВБ, соответственно.
С целью повышения надежности статического преобразователя в каждом плече полумостового инвертора установлено шесть последовательно соединенных силовых тиристоров с силовыми диодами при обратном включении. В качестве силовых диодов использованы отечественные лавинные диоды таблеточного исполнения типа ДЧЛ133-200-12, которые имеют при допустимом среднем токе 200 А время восстановления сопротивления не более 1,1 мкс и напряжение лавинного пробоя 1250+50 В. Помимо выполнения своей основной функции эти диоды защищают также тиристоры инвертора от ненормированных импульсных всплесков прямого напряжения. Следует отметить, что количество силовых полупроводниковых приборов выбрано с таким расчетом, чтобы работоспособность преобразователя сохранялась даже при выходе из строя в любом плече инвертора одного из последовательно соединенных тиристоров или диодов. Это свойство обеспечивается использованием мажоритарного устройства в блоке системы управления.
Для снижения потерь мощности сердечник силового высокочастотного трансформатора TV1 выполнен из аморфной стали и состоит из нескольких тороидальных магнитопроводов, имеющих различные магнитные свойства. Благодаря этому даже при несимметричной работе тиристорного инвертора силовой трансформатор не насыщается. Высокочастотное преобразование электрической энергии и использование составного магнитопровода позволило снизить удельную массу трансформатора TV1 до 0,47 кг/кВт при установочной выходной мощности свыше 60 кВт.
На выходах как ВВБ, так и НВБ установлены сглаживающие Г-образные индуктивно-емкостные фильтры. Помимо снижения пульсаций выходного напряжения они обеспечивают также ограничение скорости нарастания выходного тока при пусковых режимах работы мотор-компрессора и двигателей вентиляторов салонов, при короткозамкнутых нагрузках и т.п. При этом дроссель сглаживающего фильтра НВБ выполнен по специально разработанной электромагнитной схеме, которая позволяет повысить жесткость внешней характеристики НВБ при широком диапазоне изменения его нагрузки.
В преобразователе также предусмотрен канал с выходным напряжением 12 В постоянного тока и выходной мощностью 120 Вт (на рис.1 не показан). Он предназначен для электропитания двигателя вентилятора принудительного обдува внешней поверхности корпуса преобразователя. Включение двигателя вентилятора осуществляется по сигналу термодатчика при температуре 50+50С внутри преобразователя.
Работа преобразователя ТП-13,5 в общем виде происходит следующим образом. Высокое напряжение (2200 - 4000 В) контактной сети через входной фильтр ФВХ поступает на тиристорный резонансный инвертор, который преобразует его в переменное высокочастотное напряжение. В зависимости от уровня входного напряжения, величины и характера нагрузок преобразователя частота выходного напряжения инвертора изменяется в пределах от 1,3 до 4,5 кГц. С выхода инвертора напряжение поступает на первичную обмотку силового трансформатора TV1, а высокочастотные ЭДС с его вторичных обмоток преобразуются при помощи ВВБ и НВБ в требуемые постоянные выходные напряжения 1500 и 50 В, соответственно. Стабилизацию среднего значения выходных напряжений преобразователя осуществляет система управления путем частотно-импульсной модуляции сигналов переключения силовых тиристоров.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОЙ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Благодаря оптимальным условиям функционирования последовательно соединенных тиристоров достигнута высокая надежность работы статического преобразователя. Эти условия, в свою очередь, обеспечиваются, во-первых, применением помехазащищенных драйверов для управления силовыми тиристорами, а во-вторых – использованием специально разработанных методик по выбору рабочего диапазона частоты переключения тиристоров и расчета коллективных и индивидуальных защитных цепей [1, 2].
Для поддержания надежной работы преобразователя ТП-13,5 и увеличения его срока службы в нем применены элементы стратегии упреждающего управления, которые позволяют предварительно оценить результат внешних и внутренних воздействий, спрогнозировать развитие аварийных процессов и произвести адекватные действия по предотвращению их последствий. Практическая реализация элементов стратегии управления стала возможна лишь после тщательного компьютерного моделирования рабочих процессов и в результате комплексной разработки силовой части полупроводникового преобразователя, его системы управления и встроенной системы диагностирования, включающей в себя устройства обнаружения, распознавания и локализации дефектов в работе статического преобразователя напряжения. При этом была проведена классификация причин возникновения аварийных ситуаций, определены и минимизированы характерные признаки их электромагнитных проявлений и выработан алгоритм мер по устранению развития аварийных процессов. В результате в новом устройстве своевременно определяются следующие нарушения его нормальной работы:
• внутренние к.з. в силовом трансформаторе, в высоковольтном и низковольтном выпрямительных блоках;
• опрокидывание тиристорного инвертора и выход из строя его силовых полупроводниковых элементов;
• перегрузка по току и к.з. в цепи мотор-компрессора;
• перегрузка по току и к.з. в цепях освещения, двигателей вентиляторов салонов, управления и заряда аккумуляторной батареи;
• рост свыше 65 и падение ниже 35 В питающего напряжения блока системы управления;
• падение напряжения контактной сети ниже допустимой нормы 2200 В;
• перегрев элементов силовой части преобразователя.
Нарушение работы преобразователя определяется с помощью трех групп датчиков во встроенной системе диагностирования (см. рис. 1), по выходным сигналам которых корректируется функционирование устройства. К первой группе относятся двенадцать датчиков BVS и датчик BTV. Обрабатывая в реальном времени выходные сигналы этих датчиков, система диагностирования отслеживает возможность возникновения аварийной ситуации и вырабатывает адекватные сигналы для БСУ. В случае предпосылки аварийной ситуации БСУ прекращает подавать импульсы на открытие соответствующих силовых тиристоров инвертора и вырабатывает команду ‘’авария’’. Затем через 3–5 с БСУ осуществляет двукратный автоматический перезапуск, и при устойчивой аварийной ситуации преобразователь окончательно выключается. В этом случае в головной вагон электропоезда поступает штатный сигнал аварии, и после срабатывания защиты возможен лишь ручной перезапуск статического преобразователя.
Ко второй группе относятся датчики BI1 и BI2. При выходных сигналах датчиков выше заданного значения встроенная система диагностирования переводит тиристорный преобразователь в режим ограничения выходного тока. В этом режиме в течение установленного интервала времени (3–5 с) БСУ благодаря частотно-импульсной модуляции ограничивает выходной ток преобразователя на заданном уровне. Если выходной ток любого выпрямительного блока по окончании установленного интервала времени все же превышает заданное значение, то БСУ прекращает подачу импульсов на открытие тиристоров инвертора и вырабатывает команду ‘’авария’’. Через 3-5 с БСУ осуществляет двукратный автоматический перезапуск, а при устойчивой аварийной ситуации статический преобразователь, как и в первом случае, окончательно выключается.
К третьей группе относятся датчики BВХ и Bt. Система диагностирования обрабатывает их выходные сигналы таким образом, что в случае уменьшения напряжения контактной сети ниже 2000 В или при увеличении средней температуры внутри преобразователя выше 70+50С система управления прекращает подавать импульсы на открытие тиристоров и вырабатывает команду “блокировка”. При восстановлении нормированных значений напряжения контактной цепи и средней температуры внутри преобразователя БСУ снова начинает вырабатывать импульсы для управления тиристорами, и статический преобразователь автоматически запускается.
КОНСТРУКЦИЯ И ИСПЫТАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Конструктивно разработанный преобразователь электроэнергии выполнен в виде отдельного ящика, внутри которого закреплены силовые блоки и блок системы управления (рис.2). Корпус преобразователя изготовлен из алюминиевого сплава с оребрением по всем поверхностям и имеет оболочку защиты IP54. В верхней части корпуса установлены узлы крепления, расширительный бак, вентилятор и крышка блока системы управления. Узлы крепления выполнены таким образом, что позволяют легко крепить статический преобразователь, масса которого (310 кг) меньше, чем электромашинного преобразователя, к прицепному или головному вагону в штатных местах подвески преобразователя ДК-604В. Замена неисправного преобразователя на исправный осуществляется в течение 3 ч. В крышке блока СУ установлено прозрачное стекло для наружного наблюдения за светодиодным индикатором системы диагностирования, который сигнализирует о нормальном и аварийном режимах работы преобразователя.
Для повышения устойчивости к воздействию погодных условий все элементы устройства, кроме плат логики и вторичного источника питания, погружены в диэлектрическую жидкость (трансформаторное масло типа ГК), что позволяет статическому преобразователю безаварийно функционировать в любое время года, не опасаясь попадания вовнутрь снега, влаги, грязи, а при резких колебаниях температуры окружающей среды – образования инея.
Подключение статического преобразователя к контактной сети осуществляется через штатные защитно-коммутационные цепи прицепного или головного вагона электропоезда ЭР2. Подсоединение к мотор-компрессору и к низковольтным цепям также производится через штатные вводы электропоезда. После подсоединения силовых проводов и жгута управления преобразователь ТП-13,5 не требует специальной подготовки к работе и автоматически запускается при наличии напряжения аккумуляторной батареи не менее 35 В и поступлении рабочего напряжения выше 2200 В на высоковольтные входы устройства.
В 1997 г. статический преобразователь ТП-13,5 У1 успешно прошел электрические испытания на экспериментальном кольце Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ). Целью испытаний была проверка электрических параметров преобразователя на соответствие требованиям технического задания и действующих стандартов и норм. Проведенные электрические испытания показали, что полупроводниковый преобразователь работает устойчиво во всем диапазоне изменения напряжения контактной сети и при всех значениях допустимой нагрузки. Он также устойчиво функционирует при переходных режимах работы: при запуске мотор-компрессора, двигателей вентиляторов салонов, сбросе и подключении нагрузок, дискретном изменении входного напряжения и т.п. При номинальной нагрузке в зависимости от напряжения контактной сети преобразователь показал сравнительно высокие значения КПД (85–91%).
При имитации аварийных ситуаций, включая внутренние и внешние к.з., выход из строя одного или более тиристоров инвертора, силовых диодов в любом выпрямительном блоке и т.п., система диагностирования продемонстрировала высокую эффективность и надежность работы. Она распознавала предпосылки аварийной ситуации и не допускала повышения входного тока преобразователя и тока в нагрузках до аварийных сверхдопустимых значений. В результате выключение преобразователя при различных вариантах аварийных режимов происходило без повреждения узлов устройства.
Как видно из осциллограмм входного тока преобразователя iВХ.ПР, выходного напряжения u2 и тока i2 низковольтного выпрямительного блока, при подключении к преобразователю в момент времени t1 короткозамкнутой нагрузки он практически мгновенно отключался (рис. 3). При этом имело место лишь незначительное и нормированное повышение значений токов iВХ.ПР и i2, затем в моменты времени t2 и t3 преобразователь производил автоматический перезапуск, после чего окончательно отключался.
Особое внимание было уделено исследованию спектрального состава кривой iВХ.ПР, в результате чего выявлено, что работа преобразователя не оказывает опасного или мешающего влияния на нормальное функционирование рельсовых цепей и системы автоматической сигнализации, применяемой на сети железной дороги.
Одновременно в течение 1997 года проводились эксплуатационные испытания четырех преобразователей ТП-13,5 на базе моторовагонного депо “Апрелевка”, за время которых не было ни одного серьезного выхода из строя основных силовых элементов устройства. При этом благодаря осуществлению мягкого запуска мотор-компрессора и частотно-импульсной стабилизации его рабочего напряжения на уровне 1500 В существенно повышена эксплуатационная надежность и срок службы его коллекторного двигателя.
По результатам электрических испытаний на экспериментальном кольце ВНИИЖТ и годовых эксплуатационных испытаний комиссия по приемке конструкторской разработки в конце января 1998 г. приняла решение о присвоении статическому преобразователю ТП-13,5 У1 литеры О1 и рекомендовала выпуск установочной партии в размере 100 шт. К сегодняшнему дню уже выпущено более шести десятков статических преобразователей, которые эксплуатируются как на Московской железной дороге, так и на других дорогах России. В общей сложности новые преобразователи в составе электропоездов типа ЭР2 успешно проработали с суммарным пробегом более 2 млн. км в условиях всех сезонов при температуре окружающей среды от -34 до +380С.
Литература
1. Chuev V.I., Uan-Zo-li A.B., Volsky S.I. High-Frequency Thyristor Converter for Supplying Commuter Trains. – In: Sixth International Conference on Power Electronics and Variable Speed Drivers. Nottingham, UK, 1996.
2. Volsky S.I., Butenko P.V., Lomonova E.A., Uan-Zo-li A. B. The Energy Efficient Defence Circuits of the Commuter Train Converters. – In: EPE-97, Proceedings. Trondheim, Norway, 1997.
Представляем автора
ВОЛЬСКИЙ Сергей Иосифович. Кандидат технических наук. В 1984 г. окончил Московский авиационный институт, доцент МАИ. Зам. главного конструктора ЗАО “СпецРемонт”. Член международных научно-технических обществ IEEE (США) и IEE (Великобритания). Автор более 50 научных трудов и 14 изобретений. Сфера профессиональных интересов – бортовые системы электроснабжения, силовые преобразовательные устройства.
Контактный телефон: (095) 158-4668
Отзывы читателей
