Рубрики
Оборудование

Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов неизменного тока

Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов неизменного тока Владимир Чибиркин Александр Боок Владислав Завгородний Олег

Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов неизменного тока Владимир Чибиркин
Александр Боок
Владислав Завгородний
Олег Арискин
Жора Шестоперов

Применение на электроподвижном составе тяговых асинхронных электродвигателей взамен коллекторных позволяет прирастить мощность электроподвижного состава и его силу тяги, понизить расходы на эксплуатацию, повысить надежность, сделать лучше внедрение сцепной массы, повысить энерго характеристики (КПД и коэффициент мощности) за счет внедрения эконом методов регулирования мощности преобразователей.

ОАО «Электровыпрямитель» является разработчиком и наикрупнейшим поставщиком силовых полупроводниковых устройств и преобразователей на их базе для комплектации электрического оборудования жд транспорта Рф и СНГ. Эти приборы и преобразователи в течение уже нескольких 10-ов лет удачно работают в выпрямительно-инверторных преобразователях магистральных электровозов, выпрямителях различного предназначения для тепловозов, путных машин и карьерных электровозов, в системах электроснабжения вагонов, вспомогательных электроприводах локомотивов, выпрямителях тяговых подстанций электрифицированных стальных дорог и т. д.

В текущее время создание электроподвижного состава (ЭПС) последнего поколения, также модернизация эксплуатируемых сейчас электровозов и тепловозов плотно сплетены с развитием преобразовательной техники, сначала, с разработками и внедрением преобразователей частоты с широтно-импульсным (ШИМ) регулированием для асинхронных электродвигателей вспомогательных и тяговых электроприводов ЭПС.

Основными элементами в этих электроприводах являются силовые полупроводниковые ключи на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), способные отлично управлять сложными режимами работы преобразователей.

В текущее время для питания асинхронных электродвигателей от контактных сетей 3 кВ неизменного тока наибольшее распространение получила схема трехуровневого автономного инвертора (рис. 1).

На рис. 1 приведены диаграммы его работы и схемы замещения для различных режимов работы.

Новые способности в совершенствовании преобразовательных структур тяговых электроприводов многообещающих электропоездов с тяговыми асинхронными электродвигателями открываются с внедрением высоковольтных IGBT силовых модулей. В текущее время на ОАО «Электровыпрямитель» разрабатывается серия IGBT силовых модулей 65 класса специального выполнения, созданная для эксплуатации при низких отрицательных температурах и в критериях жестких механических воздействий.

Создание высоковольтных IGBT силовых модулей 65 класса позволяет применить двухуровневые инверторы для контактной сети 3 кВ неизменного тока, что дает возможность существенно упростить силовые схемы преобразователей, понизить издержки на их изготовка и эксплуатацию. Совместно с тем, по сопоставлению с трехуровневым инвертором, обеспечиваются наименьшие массогабаритные характеристики, также завышенная надежность за счет наименьшего числа компонент.

На рис. 2 приведена схема двухуровневого инвертора, диаграммы работы и схемы замещения. Из диаграмм видно, что преобразователь может находиться в 6 разных состояниях, что также отражено на схемах замещения. Типично, что каждое состояние отличается от предшествующего переключением только одной фазы нагрузки в обратную полярность напряжения.

Схема двухуровневого трехфазного мостового инвертора выходит обычным объединением по общему источнику входного напряжения 3-х полумостовых однофазовых инверторов, в данном случае при соединении фаз трехфазной нагрузки в звезду либо в треугольник не требуется наличие средней точки у источника входного напряжения, как показано на схеме.

В режиме 180-градусного управления сигналы на верхний и нижний транзисторы каждого плеча моста поступают в течение полупериода выходного напряжения с надлежащими фазовыми сдвигами для получения трехфазной системы, как показано на первых 6 временных диаграммах (ШИМ-регулирование не обозначено).

На последующих 3-х диаграммах изображены зависимости фазных напряжений трехфазной нагрузки. Шестиступный нрав диаграмм фазных напряжений инвертора свидетельствует о 6 разных состояниях силовой схемы инвертора, интервалы существования которых обозначены цифрами от 1 до 6. 6 схем замещения инвертора, надлежащие этим 6 состояниям силовой схемы, также указаны на рис. 2.

В первом состоянии включены транзисторы VT1, VT4 и VT5. Фазы А и С нагрузки подключены к положительной шине контактной сети, а фаза В нагрузки подключена к отрицательной шине контактной сети. При схожих сопротивлениях фаз нагрузки на две параллельно соединенные фазы А и С будет приложена в положительном направлении третья часть напряжения источника, а на поочередно соединенную с ними фазу В — две третьих напряжения источника питания отрицательной полярности, что отражено соответственной величиной ступеней фазных напряжений инвертора на первом интервале диаграммы. Аналогично по схемам замещения определяются величины ступеней в фазных напряжениях инвертора и на всех других интервалах.

По построенным фазным напряжениям просто найти и межфазное (линейное) напряжение, как это показано для линейного напряжения Uab на последней диаграмме.

Большой научный и практический потенциал, скопленный ОАО «Электровыпрямитель» в области разработки преобразовательной техники для жд транспорта, позволяет спроектировать преобразователь, состоящий из 2-ух трехфазных двухуровневых мостовых инверторов мощностью 1200 кВт на IGBT силовых модулях 65 класса и 1-го блока тормозных ключей, с своей системой управления и остывания.

В текущее время прорабатываются разные варианты реализации алгоритмов управления преобразователем, произведены расчеты режимов работы и мощности утрат в преобразователе.

Разработана конструкция преобразователя с воздушным принудительным остыванием, которая представлена на рис. 3.

Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов неизменного тока
Рис. 3. Вариант сборки тягового преобразователя с воздушным принудительным остыванием

Главные трудности, возникающие при проектировании преобразователя:

  1. Отведение тепла. Рассматривается эффективность и надежность систем жидкостного и воздушного остывания.
  2. Разработка входного LC-фильтра, обеспечивающего ограничения пульсаций напряжения до требуемого уровня. Из-за жестких требований к электрической сопоставимости, приводящих к повышению значения LC, появляются определенные трудности при размещении фильтра.
  3. Задачка, связанная с поиском снабберных конденсаторов, работающих при температурах до -50 °С, с напряжением изоляции более 9,5 кВ.
  4. Вентиляционное оборудование для остывания преобразователя. Выпускаемые индустрией вентиляторы имеют нижнюю рабочую температуру не ниже -40 °С.
  5. Предстоящее понижение массогабаритных характеристик, также понижение цены преобразователя за счет использования наименьшего количества ключей, которое станет вероятным при разработке IGBT силовых модулей с наименьшими динамическими потерями.
  6. В текущее время делается макет инвертора мощностью 400 кВт, на котором планируется проведение испытаний и отладочных работ.