poster333

Тиристорный преобразователь тягового агрегата постоянного тока

Использование на тяговом агрегате ПЭ2М синхронного генератора 2ГВ-003-12 и выпрямителя для питания цепей управления и заряда аккумуляторной батареи (АВ вызвав большой расход электроэнергии и неудовлетворительную работу батареи. Первое обусловлено тем, что для привода генератора используют один из двух вентиляторов ДТ-51 охлаждения тяговых двигателей элекровоза второе —эпизодическим их включением, когда тяговые двигатели не охлаждаются

В Уральском отделении Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (УО ВНИИЖТ) разработан тиристорный преобразователь (ТП) для питания низковольтных потребителей тяговых агрегатов постоянного тока от напряжения контактной сети. Его основу составляет полумостовой инвертор напряжения с последовательным колебательным контуром к иммутаци

При разработке ТП были учтены особенности эксплуатации тяговых агрегатов: значительные (до ±30 %) колебания напряжения на токоприемнике, резкие изменения его уровня в зависимости от величины тяговой нагрузки. Преобразователь должен обеспечивать требуемое напряжение потребителей в режимах 1500 и 3000 В, надежно работать при кратковременных отключениях и повторных включениях напряжения питания из-за обрывов токоприемников, а также в широком диапазоне изменения температуры окружающие среды, при вибрациях и ударных нагрузках.

Основные технические данные преобразователь номинальная мощность — 10 кВт; номинальные напряжения на входе—3 и 1,5 кВ; номинальная частота инвертирования — 500 Гц; номинальное напряжение на выходе - 50 В; максимальный ток нагрузки — 160 А; к.п. д. при номинальном режиме работы—0 7. Конструктивно ТП выполнен в виде отдельных блоков, которые связаны и функционально и размещены в металлическом шкафу с габаритами 1425x500x500 мм, массой' 200 кг.


В принципиальную схему (рис. 1) входят: вентильный блок инвертора со встречно-параллельным соединением управляемых VS1 — VS14 и неуправляемых VD1 — VD14 вентилей; система управления СУ с блоками управления и стабилизации; блок вентилей выпрямителя на диодах VD15 VD1 В; силовой трансформатор Т; блоки реакторов L4 и конденсаторов С4 колебательного контура; блок реакторов L1, L2 и конденсаторов С1 — СЗ фильтра демпфирующая цепочка С5, R; блок защиты с датчиком ДТП тока перегрузки и датчиком ДТО тока опрокидывания; переключатель ПРП. Он (ПРП) обеспечивает переключение обмоток силового трансформатора и изменение параметров колебательного контура инвертора при напряжениях 3000 и 1500 В. Emkoci ь С4 равна 1,25 и 5 мкФ а индуктивность L4 — 10 и 2 5 мГн соответственно.

Режимы преобразователей переключают при опущенном токоприемнике кнопкой из кабины машиниста одновременно с переходом электрической схемы с одного уровня напряжения контактной сети на другой. Эти процедуры сблокированы.

Для всесторонней проверки работы преобразователя и оборудования специалисты УО ВНИИЖТа провели испытания. По результатам стендового контроля определены зависимости амплитуды тока колебательного контура, импульсов тока тиристоров и встречных диодов , времени выключения тиристоров инвертора и периода собственных колебаний контура коммутации от тока нагрузки преобразователя (рис. 2). Они характеризуют коммутационную способность инвертора и режимы работы полупроводниковых вентилей.

Анализ характеристик инвертора свидетельствует о том, что параметры колебательного контура обеспечивают коммутацию номинального тока нагрузки преобразователя в реж! мах входного напряжения 3 и 1,55 кВ Для перво о режима снижение амплитуды тока и периода составило 16,4 и 7,4 %, а во втором режиме 25 и 10,2 % соответственно от их значений при отсутствии нагрузки преобразователя.


Минимальное схемное время выключения тиристоров инвертора при номинальной нагрузке равно 1 ВО мкс, что при данных тара-метрах контура и периоде позволяет использовать тиристоры с временем не более 150 мкс. Включение встречно-параллельно тиристорам лавинных диодов В — 9-го классов ограничивает максимальное значение напряжения на каждом тиристоре до величины, не превышающей напряжения лавинообразования диода, и обеспечивает защиту их от пробоя внешним перенапряжением.

Максимальные значения перенапряжений на полупроводниковых вентилях инвертора при холостом ходе и в режиме номинальной нагрузки составляют соответственно 15 и 10 % от величины номинального напряжения. При наличии индуктивности в цепи нагрузки порядка 1 мГн максимальное значение перенапряжения на вентилях не превышает 25 %.

Перенапряжений на входе инвертора и конденсаторах фильтра при включении и отключении преобразователя фиксируемых электронным осциллографом С18-13 с памятью не обнаружено. Замечено плавное повышение напряжения до уровня установившегося значения при включении и его плавный спад после отключения преобразователя.

Работу преобразователя проверяли при отрывах токоприемника в диапазоне входного напряжения от 0,8 до 1,3 и изменении напряжения питания блока управления от 32 до 60 В. Отрывы токоприемника (снятие и повторная подача напряжения на вход инвертора) имитировали отключением и включением электромагнитного контактора КМВ-104А на входе преобразователя.

Исследования показали устойчивое включение преобразователя при любой длительности паузы между этими операциями от минимальной, определяемой быстродействием контактора, до долей секунды и более Последующая эксплуатация двух тяговых агрегатов ПЭ2М с тиристорными преобразователями подтвердила устойчивое включение и работу ТП после отрывов токоприемника независимо от режима нагрузки, длительности перерыва питания и величины напряжения в контактной сети.

Стабильность напряжения на выходе преобразователя при изменении напряжения на токоприемнике и нагрузки потребителей тягового агрегата обеспечивается автоматическим изменением частоты инвертирования за счет воздействия блока стабилизации на частоту блока управления.

Зависимости от относительного напряжения на входе инвертора (рис. 3) свидетельствуют о том, что при стабилизации и изменении напряжения на входе в пределах (0,9 — 1,3) изменение напряжения на выходе в режимах нагрузки незначительно и составляет не более ±3,4 % от его величины при номинальном входном напряжении.

Надежность тиристорного преобразователя определяется совокупностью входящих в него элементов, условиями их эксплуатации Помимо допустимых электрических нагрузок и динамических параметров, характеризующих установившиеся и переходные режимы, большое значение имеет тепловой режим оборудования.


Как показали результаты тепловых испытаний на стенде и в эксплуатации, перегрев вентилей инвертора и выпрямителя, силового трансформатора и реакторов, конденсаторов колебательного контура и фильтра с учетом верхнего значения предельной температуры окружающей среды +45 °С для оборудования, устанавливаемого внутри кузова подвижного состава, не превышает допустимых значений для полупроводниковой структуры тиристоров и диодов диэлектрика конденсаторов и изоляции проводов марки ПСД.

Поскольку конденсаторы, полупроводниковые вентили инвертора работают при электрических и тепловых нагрузках, существенно меньше допустимых, используемые в опытных образцах преобразователей тиристоры Т15-125-14 и встречные диоды ДП161 200-В с рекомендуемыми охладителями 0171 позволяют эксплуатировать их без принудительного охлаждения во всех режимах преобразователя

Они включают аварийные режимы перегрузки и опрокидывания инвертора, длительность которых ограничена блоком защиты Компоновка элементов внутри шкафа их взаиморасположение обеспечивают нормальный тепловой режим эксплуатации при естественном охлаждении преобразователя за счет теплового излучения и конвекции.

Блок вентилей выпрямтеля, габариты которого 160x220x250 мм, как наиболее нагруженный в тепловом отношении элемент, был установлен отдельно. Поскольку для потребителей тягового агрегата режим номинальной нагрузки преобразователя не является длительным это позволяет эксплуатировать и вентили ВЛ200 выпрямителя без принудительного охлаждения.

Защита преобразователя в аварийном режиме от токов перегрузки и опрокидывания инвертора осуществляется снятием импульсов тока управления силовых тиристоров инвертора. После появления импульса тока перегрузки амплитудой 20 А. соответствующей удвоен ному значению номинального тока нагрузки преобразователя и превышающей уставку датчика ДТП, или импульса тока в первичной цепи датчика ДТО амплитудой более 100 А, составляющей величину порядка 10 % от максимального значения импульса тока опрокидывания, цепь релаксатора задающего генератора блока управления шунтируется, и он прекращает работу.

При этом цепь инвертора запирается тиристорами после окончания протекания тока через встречные вентили Повторное включение преобразователя возможно только после снятия напряжения с инвертора, ликвидации аварийного режима и деблокировки защиты. Быстродействие защиты в наиболее тяжелом аварийном режиме опрокидывания определяется амплитудой и длительностью протекания аварийного тока. Это время зависит от величины индуктивности токоограничивающего реактора L3 и емкости фильтровых конденсаторов Для принятых параметров преобразователя оно составляет порядка

В результате проведенных в течение года испытаний подтверждена работоспособность преобразователей, возможность питания от них низковольтных потребителей и заряда аккумуляторных батарей в режимах напряжения контактной сети 1500 и 3000 В.

Потребляемый тиристорным преобразователем ток из контактной сети обусловлен нагрузкой цепей управления и зависит от состояния аккумуляторной батареи Расход электрической энергии при этом на порядок меньше, чем в случае непрерывной работы двух вентиляторов, суточный расход электроэнергии которых составляет 1,5 МВт-ч.

Следует ожидать снижения расхода электроэнергии после установки тиристорных преобразователей на тяговых агрегатах взамен мотор-генераторов ДК-604В за счет повышения к.п.д. системы питания Кроме того использование преобразователя улучшает эксплуатационно-технические характеристики аккумуляторной батареи, работающей в буферном режиме при постоянном подключении ее к напряжению преобразователя, за счет явления микроциклирования Это обеспечивается реверсивным характером тока из-за наличия в отдельные моменты времени внутри периода инвертирования зарядного и разрядного токов.

Канд. техн наук В.В. ВЛАСОВ
УО ВНИИЖТ

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin