[09-2023] Охлаждение оборудования современных электропоездов

[Admin]

Охлаждение оборудования современных электропоездов

А.Е. КАРПОВ, заведующий лабораторией «Системы управления транспортными средствами» кафедры «Тяговый подвижной состав» РОАТ,
В.П. ОБУХОВ, канд. техн, наук, доцент, преподаватель кафедры «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ)

Для поддержания оптимального температурного режима систем узлов, агрегатов, электронных и электрических компонентов конструкцией современного электропоезда предусмотрено надлежащее охлаждение.
Самыми простым конструктивным решением является естественное охлаждение. Этот способ поддержания температурного баланса используется весьма широко и хорошо применим в тех случаях, когда от того или иного электрокомпонента, узла или агрегата не требуется достаточно интенсивный удельный отвод излишнего тепла или естественной теплопередачи вполне достаточно.
Так, внутрипотолочные контейнеры электропоездов не имеют вентиляционных отверстий, поэтому отведение тепла происходит посредством теплопередачи через листовую обшивку контейнера.
При недостаточности естественного охлаждения применяются специализированные системы и устройства охлаждения.
В результате работы электрооборудования возникающий в шкафах электропоезда нагрев из-за свободной конвекции передается через металлические элементы облицовки электрошкафа в пространство, находящееся в непосредственной близи от шкафа, например, в кабину машиниста. Для предотвращения возникновения перегрева определенных участков шкафа электрооборудования кабины машиниста электропоездов «Ласточка» и целенаправленной циркуляции воздуха применяются два вентилятора, один из которых устанавливается в области основания шкафа, а второй — в верхней части шкафа.
На случай чрезмерного перегрева шкафы в кабине машиниста оборудуются системой автоматического пожаротушения. На каждый шкаф установлен баллон с огнетушащим веществом соответствующего объема, соединенный рукавом высокого давления с конусной насадкой.
У всех наиболее распространенных моделей современных электропоездов, таких как ЭГ2Тв «Иволга» и ЭС2Г «Ласточка» предусмотрена система охлаждения основных силовых, энерготеплонапряженных устройств. Охлаждение может быть спроектировано с использованием систем самовентиляции.
Каждый тяговый двигатель (ТЭД) современного электропоезда характеризу
ется прочной, оптимизированной по весу конструкцией, низким шумом, высоким коэффициентом полезного действия и компактностью. Поддержание столь высоких параметров не может обходиться без достаточно эффективной системы охлаждения. ТЭД большинства современных электропоездов представляет собой трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и самовен-тиляцией.
Система вентиляции спроектирована таким образом, что в значительной степени предотвращает проникновение воды, снега, прочих загрязнений и посторонних предметов.

При этом важно понимать, что оборудование электропоезда не предназначено для работы после наступления полного или даже частичного затопления, движения вброд в паводок, по заснеженным, заштыбленным путям, путям, засоренным различными другими естественными или промышленными отходами (цемент, шлак, песок, тряпки, паке
ты, трава и т.п.).
Подача воздуха в систему вентиляции осуществляется через фильтр с помощью вентилятора, установленного на валу ротора. Решетка вентилятора обеспечивает высокую степень очистки при наименьшем возможном шумообразовании. Охлаждающий воздух проходит по воздушным каналам статора и ротора и выходит через радиально расположенные выходные отверстия на подшипниковом щите со стороны колеса.

На электропоезде «Иволга» установлены трехфазные асинхронные тяговые двигатели (АТД) с короткозамкнутым ротором ТМЕ46-32-4 (рис. 1) номинальной мощностью 300 кВт каждый, которые оборудованы системами защиты и самовентиляцией. Для контроля частоты вращения предусмотрен импульсный датчик 11. Соответствующий зубчатый диск установлен на вентиляторе со стороны подшипникового щита ПС. В корпусе статора располагаются два резистивных термометра 8 для контроля температуры обмоток в статоре.
Охлаждение производится посредством воздуха, который всасывается на неприводной стороне (НС) через оба фильтра 6 и распределяется через осевые отверстия в пакете листов статора и ротора. Нагретый воздух выходит наружу на ПС в радиальном направлении через восемь решеток.
Для правильной работы системы охлаждения тягового двигателя должны соблюдаться следующие условия:

• выходящий воздух не должен непосредственно опять всасываться;
• отверстия для входа и выхода воздуха не должны быть загрязненными;
• температура поступающего воздуха для охлаждения должна составлять не более 40 °C.

Далее в этой статье рассмотрим, прежде всего, наиболее сложные системы, где применены специальные устройства теплообмена и охлаждения.
Устройства теплообмена созданы для отвода излишнего тепла от особо высокоэнергонасыщенных агрегатов и компонентов. В этом случае при проектировании электропоездов конструкторами принимаются решения о назначении в конструкции электровагонов внешних устройств охлаждения, предназначенных для рассеивания тепловой энергии во внешнюю среду.
Для обеспечения работы современных тяговых двигателей служит тяговый преобразователь.
Для регулирования силы тяги и электродинамического торможения (ЭДТ) моторных вагонов с асинхронными тяговыми двигателями на электропоездах ЭГ2Тв «Иволга» установлен тяговый преобразователь СС1500 DC 3kV U2000 с двумя двухуровневыми инверторами для потележечного управ
ления тяговыми двигателями. Оптимальный температурный режим этого преобразователя обеспечивается системой жидкостного охлаждения.
В конструкцию тягового преобразователя СС1500 DC 3kV U2000 входит следующее энергонасыщенное оборудование:

• > АИН1, АИН2 — автономные инверторы напряжения, выполненные на IGBT-модулях 6,5 кВ — обеспечивают реверсирование АТД, регулирование момента и скорости вращения АТД в режимах тяги и ЭДТ, независимо для каждой моторной тележки; АИШ и АИН2 выполнены по простой схеме трехфазного моста с двухуровневым способом преобразования постоянного напряжения в трехфазное переменное и обратно при ЭДТ;
• > М1.1 — М4.1 — АТД, содержащие датчики скорости вращения и температуры статора;
• > ПТ1, ПТ2 — тормозные прерыватели, предназначенные для широтно-импульсного регулирования мощности в тормозных резисторах R2 и R3 с автоматическим перераспределением энергии торможения между контактной сетью и тормозными резисторами, а также для снижения перенапряжений на конденсаторах Сф сетевого фильтра и обеспечения штатного ускоренного разряда конденсаторов;
• > Ср — конденсатор подавления радио-помех со стороны «минуса» силовых цепей преобразователя;
• > KM1,Rn3 — контактор и резистор предварительного заряда конденсаторов Сф;
• > КМ2 — линейный контактор;
• > UA1 — UA7 — датчики тока.

Система охлаждения тягового преобразователя предназначена для обеспечения нормальных температурных режимов работы оборудования. Для отвода тепла от полупроводниковых приборов на моторных вагонах электропоезда оптимальным конструктивным решением является жидкостная система охлаждения.
В качестве охлаждающей жидкости используется смесь из гликоля и воды.
Элементы системы охлаждения установлены в подвагонном ящике 1Я.133.1У1, который соединен с контейнером преобразователя трубопроводом.
Принципиальная схема системы охлаждения показана на рис. 2. Система охлаждения состоит из:

• насоса 7, предназначенного для перекачки охлаждающей жидкости от нагревающихся элементов преобразователя к радиатору охлаждения;
• радиатора 3 с вентилятором, которые предназначены для передачи тепла от жидкости в окружающее пространство;
• датчика давления РДЖ 4, предназначенного для контроля давления жидкости и отсутствия утечек в системе охлаждения;
• гидроаккумулятора давления 6, предназначенного для компенсации изменения объема и давления жидкости в процессе работы системы.

При появлении сигнала включения тягового преобразователя подается напряжение на катушку контактора включения насоса. Насос системы охлаждения работает постоянно при наличии сигнала управления тяговым преобразователем и переменного напряжения 380 В. Управление вентилятором системы охлаждения осуществляется по сигналам от тягового преобразователя. В зависимости от температуры охлаждающей жидкости включается реле пониженной скорости вентилятора или реле полной скорости вентилятора. При температуре охлаждающей жидкости до +30 °C вентилятор не включается.
Изменение производительности вентилятора осуществляется путем переключения обмоток двигателя «звезда» — «треугольник» при помощи комбинации включения контакторов включения схемы «треугольника», «звезды» и общего контактора. Питание электродвигателей насоса и вентилятора осуществляется трехфазным переменным напряжением 380 В от резервируемой линии через собственные автоматические выключатели, в случае возникновения перегрузок и срабатывания автоматических выключателей информация о неисправности передается на блок индикации 1БА.580, расположенный на общем блоке 1Б.248.33 электровагона.
Контроль наличия охлаждающей жидкости в системе производится при помощи сенсора давления, который срабатывает при понижении давления до значения 0,9 — 1,1 бар, при этом контакты указанного сенсора размыкаются и отключают цепь питания катушки общего контактора. Отключение общего контактора (КНО) приводит к отключению насоса, теряет питание катушка реле исправности преобразователя (РИП), информация о неисправности передается на блок индикации 1 БА.580, а также в блок управления и диагностики электровагона А8.
На каждом моторном вагоне электропоездов ЭС2Г «Ласточка» находится тяговый преобразователь, все компоненты которого размещены в отдельном подвагонном контейнере.
IGBT-модули силовых инверторов и тормозного импульсного регулятора оборудованы принудительным жидкостным охлаждением, в качестве рабочей жидкости используется смесь воды и антифриза ANTIFRIGENN.
На электропоездах «Ласточка», устройства для охлаждения тягового преобразователя монтируются на крыше моторных вагонов (01,07,09 и 05). Между тяговым преобразователем и размещенной на крыше вагона установкой охлаждения проложены трубопроводы для охлаждающего теплоносителя (рис. 3).
Весьма энергонасыщенным компонентом электропоездов постоянного тока является дроссель сетевого фильтра. Такие дроссели расположены на вагонах типов 02 и 04 с силовым тяговым оборудованиям. Корпус дросселя сетевого фильтра изготовлен в виде резервуара и представляет собой стальную конструкцию, полностью заполненную изоляционно-охлаждающей жидкостью (ИОЖ).

В конструкцию дросселя сетевого фильтра входят такие компоненты, как корпус сетевого фильтра, плавниковый выключатель контроля уровня охлаждающей жидкости, резисторный термометр РТ100, осушитель, разгрузочный клапан, разъемы системы управления и измерения, патрубок подачи охлаждающей жидкости, теплообменник, патрубок рециркуляции охлаждающей жид
кости, реле потока, насос. Все эти элементы конструкции дросселя сетевого фильтра предназначены для поддержания оптимального температурного режима дросселя с отводом излишнего тепла через теплообменник.
Для циркуляции изоляционно-охлаждающей жидкости в системе охлаждения дросселя сетевого фильтра предусмотрен насос охлаждающей жидкости. В процессе производственной эксплуатации дросселя сетевого фильтра этот насос работает постоянно. Насос охлаждающей жидкости представляет собой полностью изолированный герметичный агрегат, выполненный в одном корпусе с трехфазным асинхронным электродвигателем.
На валу электродвигателя со стороны всасывания насажено рабочее колесо. Этот вал через подшипники опирается на фланцевые направляющие. Электродвигатель заключен в «рубашку», которая с корпусом насоса образует каналы для протекания перекачиваемой жидкости, при этом поток жидкости одновременно охлаждает и сам электродвигатель.
На входе и выходе насоса для соединения с масляным трубопроводом крепятся входной и выходной фланцы, уплотненные по месту посадки кольцами. Перепад давления жидкости в насосе и циркуляционном контуре выравнивается благодаря отверстиям для удаления воздуха.
Для удаления влаги из всасываемого наружного воздуха предусмотрен осушитель воздуха, который состоит из прозрачного
резервуара, заполненного специальным силикагелем. Следует отметить, что при технической эксплуатации электропоезда экономичным решением является применение регенерируемых силикагелей.
Для измерения температуры изоляционно-охлаждающей жидкости предназначен резисторный термометр РТ100. Анализ данных, полученных с термометра, осуществляется с помощью программного обеспечения электропоезда. При превышении заданных температурных показателей появляется аварийный сигнал или происходит отключение дросселя сетевого фильтра от контактной сети.
Теплоносителем системы является изоляционно-охлаждающая жидкость, в качестве которой в дросселе сетевого фильтра используется ингибированное минеральное масло. Конструкция дросселя сетевого фильтра рассчитана таким образом, что понижение уровня жидкости до достижения критической точки не приводит к повреждению обмоток. При срабатывании одного специального поплавкового выключателя выводится предупреждение, при срабатывании второго выключателя — отключается дроссель сетевого фильтра.

Разгрузочный клапан контролирует давление во внутреннем пространстве корпуса и обеспечивает защиту дросселя сетевого фильтра от разрыва. При разряде электрической дуги образуется большое количество газов, и давление в корпусе повышается. Отвод газов наружу производится через разгрузочный клапан. Одновременно с этим срабатывают микровыключатели. После сброса давления клапан снова закрывается.
Контроль протекания изоляционно-охлаждающей жидкости через дроссель сетевого фильтра обеспечивает реле потока.
Для защиты силового оборудования и снижения пульсаций тока в контактной сети на электропоездах «Иволга» служит сетевой реактор S0514-0 DD (рис. 4). Реактор имеет принудительное воздушное охлаждение, устанавливается на крыше вагона. Он выполнен со стальным сердечником (полуэкран — стальной сердечник) и состоит из цилиндрического кожуха, вентилятора, патрубка для выходящего воздуха и соединений, выполненных на кабелях с помощью штекеров (разъемов Harting). Конструктивно реактор изготовлен путем намотки алюминиевыми плоскими проводами. Провод изолирован и пропитан под вакуумом и давлением эпоксидной смолой, в катушке присутствуют каналы.
Для электропитания потребителей вагонов на электропоезде «Иволга» установлен высоковольтный статический преобразователь ПСН-200-У1.
ПСН обеспечивает преобразование напряжения высоковольтной поездной магистрали или сети переменного тока 3x380 В, 50 Гц в напряжения постоянного и переменного тока нужной величины.

ПСН содержит преобразователи, расположенные в отдельных подвагонных ящиках:
высоковольтный ВСП-200-У1;
низковольтный НСП-200-У1.
Высоковольтные коммутационно-защитные устройства (разъединитель, контакторы, предохранители и др.) расположены отдельно и в состав ПСН не входят. Электропитание преобразователей осуществляется от поездной магистрали постоянного тока с номинальным напряжением 3000 В через коммутационно-защитные аппараты. ПСН на стоянке обеспечивает питание нагрузок постоянного тока и заряд аккумуляторной батареи (АБ) при питании от внешней сети переменного тока 3x380 В, 50 Гц.

Питание систем управления (СУ) ВСП и НСП осуществляется от поездной магистрали постоянного тока напряжением 77 — 143 В. При питании НСП от внешней сети его СУ также получает питание от сети.
Внутри ящика ВСП установлено шесть вентиляторов, обеспечивающих обдув силовых трансформаторов, а также выравнивание температуры воздуха по объему ящика. Вентиляторы включены параллельно и питаются от платы питания вентиляторов ПВ, которая, в свою очередь, запитана от обмотки НЗКЗ трансформатора 4Т1 и включается автоматически при достижении температуры трансформатора +70 °C. Имеется также вентилятор охлаждения плат питания ППВ1-01 и управления ПУВЗ, который запитан от платы ППВ1-01 и включается автоматически при увеличении температуры воздуха внутри ящика выше +50 °C или вместе с нагревателем при снижении температуры ниже -25 °C.
На внешних поверхностях радиаторов блоков силовых высоковольтных БСВ установлены наружные вентиляторы (шесть блоков БВ2). Вентиляторы включены по два последовательно и питаются от трех плат ПВ, которые, в свою очередь, получают питание 75 В, 20 кГц от трансформаторов 1Т1, ЗТ1,5Т1
(обмотки НЗКЗ). Включение осуществляется автоматически при достижении температуры 60 °C на поверхности соответствующей плиты охладителя.

Охлаждение НСП — воздушное, принудительное. Система охлаждения включает три внешних (1ПВ2, 2ПВ2, ПВ2-01) и три внутренних (1ПВ1 — ЗПВ1) вентилятора. Внешние вентиляторы 2ПВ2 и ПВ2-01 обдувают радиаторы инверторов и получают питание от ВСП. Вентилятор 1ПВ2 охлаждает радиатор зарядного устройства и питается от панели ПВ-01, в свою очередь получающей питание от вторичной обмотки трансформатора зарядного устройства. Внутренние вентиляторы питаются напряжением 24 В от блока
ВИП. Включение вентиляторов осуществляется по достижении заданной температуры охлаждаемых частей НСП с помощью термоконтактов, чем достигается экономия ресурса вентиляторов.
Преобразователь собственных нужд электропоездов «Ласточка» также является энергонасыщенным и теплонапряженным электронным компонентом электропоездов. На каждом промежуточном вагоне с тяговым оборудованием (ПТО) установлен такой преобразователь.
Система охлаждения ПСН предназначена для отвода излишнего тепла, образующегося при работе. ПСН оборудован системой жидкостного охлаждения. На торцевой стороне ПСН расположены разъемы для подачи и рециркуляции хладагента, соединенные с внешней системой охлаждения.

• В преобразователе собственных нужд электропоездов «Ласточка» к системе охлаждения подключены следующие модули:
• высоковольтные входные HUR модули-репликаторы;
• инвертор напряжения цепей 380 В;
• BLG-модуль цепей 110В (который также упрощенно называют зарядным устройством аккумуляторной батареи);
• многофазный выпрямитель (ТЗ);
• блок вентилятора охлаждения, обеспечивающего циркуляцию охлаждающего воздуха в ПСН.

Контроль давления внутри контейнера производится с помощью датчика давления в контуре рециркуляции хладагента. Контроль температуры осуществляется посредством измерения температуры в контуре подачи.
На крышах электровагонов с силовым тяговым оборудованием (02,06,08 и 04) монтируются внешние устройства для охлаждения преобразователя собственных нужд (ПСН) и дросселя сетевого фильтра. При этом система охлаждения состоит из двух контуров охлаждения (рис. 5). Первый контур используется для охлаждения дросселя сетевого фильтра, во втором контуре для охлаждения ПСН используется охлаждающая жидкость. В системе охлаждения в качестве охлаждающей жидкости используется хладагент.
Тепло в радиаторе установки охлаждения отводится в окружающую среду путем прохождения охлаждающего воздуха через боковую поверхность, далее через сами радиаторы и при помощи центробежного вентилятора выдувается вертикально вверх.
Индикатор уровня заполнения обеспечивает отключение устройства при помощи поплавкового выключателя, имеющего три уровня переключения. При недостаточном уровне хладагента индикатор подает предупреждающий сигнал и в случае достижения уровня ниже минимального выполняет отключение системы.
В процессе эксплуатации электропоезда для обеспечения долговременной стабильной работы силового и другого энерготеплонапряженного оборудования без снижения эффективности необходимо проведение технического обслуживания в виде текущего визуального осмотра. Цель текущего визуального осмотра — это проверка того, находятся ли все элементы в условиях, пригодных для их эксплуатации.

Так, при текущем визуальном осмотре сетевого реактора настоятельно рекомендуется убедиться, что воздушный фильтр и решетка выходящего воздуха полностью очищены от пыли, различных объектов, таких как тряпки, пакеты и т.д. При проверке должна быть возможность контроля через переднюю и заднюю зоны охлаждения (визуального, с помощью света и т.п.). В зависимости от реальных возможностей может быть выбрано одно из следующих действий:

• демонтаж, очистка или замена входного фильтра;
• демонтаж патрубка для выходящего воздуха от каркаса;
• снятие вентилятора в случае необходимости и осмотр реактора изнутри.

Для правильной работы компонентов приемлемо состояние, при котором толщина грязи на поверхности катушки меньше 1 мм, как и уменьшение сечения, доступного для воздушного потока из-за загрязнения, составляющее менее 15 %. На рис. 6 приведен пример экстремального (недопустимого) состояния сетевого реактора, при котором невозможны его нормальная работа и дальнейшая эксплуатация.