Силовые конденсаторы для тяговых электроприводов

Силовые конденсаторы для тяговых электроприводов Гнеушев Олег

Компания TDK-EPC поставляет силовые конденсаторы под известным брендом EPCOS для скоростных поездов Velaro, которые производит концерн Siemens по заказу правительства Китайской Народной Республики. Конденсаторы будут употребляться в резонансных схемах тяговых преобразователей.

На высокоскоростных магистралях

Китай планомерно и поочередно расширяет свою сеть стальных дорог. Самые резвые пассажирские поезда Velaro CN от Siemens эксплуатируются на муниципальных высокоскоростных жд магистралях, построенных к началу Олимпийских игр 2008 г. (рис. 1). Это 4-ое поколение высокоскоростных поездов, узнаваемых в Китае как CRH3. Они базируются на германском эталоне German ICE 3, но имеют более широкие вагоны, в их по 6 пассажирских сидений в каждом ряду. В целом в двухсотметровом поезде Velaro CN более 600 мест в восьми вагонах. Поезд весом 447 т рассчитан на эксплуатацию при скорости 300 км/ч и может быть модернизирован для езды со скоростью 350 км/ч. Компания TDK-EPC поставила резонансные конденсаторы более чем для 1000 тяговых преобразователей.

Силовые конденсаторы для тяговых электроприводов

Рис. 1. Модульный принцип Velaro

В текущее время все 60 поездов, сделанных концерном Siemens, обслуживают постоянный маршрут длиной 115 км меж Пекином и портовым городом Тяньцзинь на юго-востоке страны, поездка занимает всего 30 минут. Компания TLRW разрабатывает китайскую версию поезда Velaro CN.

15% дополнительного места

Новенькая конструкция поезда Velaro CN, когда тяговые агрегаты размещены не впереди и в хвосте поезда, а распределены по всей длине (рис. 1), позволяет получить дополнительно 15% посадочных мест. 16 колесных пар из 32 моторизованы, любой из 4 тяговых приводов приводит в действие четыре мотора. Дополнительные места в поезде обеспечивают дополнительную прибыль жд оператору.

Так как внутреннее место плотно заполнено таким оборудованием, как трансформаторы, системы кондиционирования, компрессоры, генераторы, туалетные кабинки, то место для тяговых приводов мало, потому они расположены под вагоном.

Очередной симпатичный момент: пассажиры имеют возможность поглядеть при движении поезда на рельсы через лобовое стекло первого и последнего вагонов.

Резонансные контуры в приводах электропоездов

В отличие от общепромышленных трехфазных приводов тяговые приводы локомотивов и поездов питаются от однофазовой сети переменного напряжения. Питающее напряжение 25 кВ 50 Гц в поезде Velaro CN ступенчато снижается, выпрямляется и дальше сглаживается при помощи особых DC-конденсаторов. Невзирая на сглаживающие DC-конденсаторы, напряжение имеет переменную составляющую двойной частоты значимой амплитуды. Дополнительная фильтрация и угнетение помех происходит в резонансных цепях, которые представляют собой последовательность колебательных LC-контуров, настроенных на удвоенную частоту питающего напряжения. В каждом резонансном контуре поезда Velaro CN два параллельно включенных конденсатора неизменной емкости и четыре настроечных конденсатора. Это позволяет корректно подстраивать резонансную частоту контура в случае утраты емкости вследствие старения, также восполнить уход индуктивности дросселя.

Клиентоориентированные решения

Базисная конструкция конденсаторов была разработана на базе спецификации Siemens, далее были применены имитационные модели для адаптации к определенным условиям работы, температуре, току, частоте, также к расчетному циклу эксплуатации скоростного поезда.

В качестве решения для резонансного контура было предложено использовать массивные конденсаторы МКК DCI от EPCOS, т. е. маслонаполненные конденсаторы для работы с неизменным напряжением (рис. 2). Эти конденсаторы удовлетворяют высочайшим требованиям по предельным нагрузкам и пожарной безопасности.

Силовые конденсаторы для тяговых электроприводов

Рис. 2. Конденсатор резонансного контура

Любой из 2-ух фиксированных конденсаторов в резонансном контуре тягового преобразователя поезда Velaro CN имеет емкость 1520 мкФ и рассчитан на рабочее напряжение 4135 В. Настроечный конденсатор имеет несколько точек отвода и, таким макаром, представляет собой четыре конденсатора, суммарная емкость которых также составляет 1520 мкФ (таблица).

Таблица. Технические характеристики силовых конденсаторов EPCOS

Параметр Неизменный конденсатор Настроечный конденсатор Емкость, мкФ 1520 Σ1520 Рабочее напряжение, В 4135 Vdc Пиковое напряжение, В 6000 DC Рабочий ток, А 273 Пиковый ток, кА 200 Рабочая температура, °C -50…+70 Влажность, % <95 Климатическая категория 50/70/56 Термическая нагрузка, МДж <300/1,74 (категория 0, NFF 16-102) >300/1,74 (категория 2, NFF 16-102) Габариты (Д-Ш-В), мм 450-165-580 Вес, кг 57 58
Долгий срок эксплуатации благодаря самовосстановлению

Силовые конденсаторы изготовлены на базе структурированной пленки с сегментированной металлизацией. Другими словами силовой конденсатор для резонансной цепи Velaro CN состоит приблизительно из 10 000 личных конденсаторов, соединенных параллельно и поочередно; собранные в пачки, они имеют надежные электронные соединения вместе и с выводами всего конденсатора (рис. 3).

Силовые конденсаторы для тяговых электроприводов

Рис. 3. Секции силового конденсатора EPCOS

Таковой принцип построения конденсатора позволяет ему самовосстанавливаться, и даже огромные перегрузки не являются критичными: в случае недлинного замыкания в одном из личных конденсаторов в месте пробоя металлизация испаряется до того времени, пока не остановится процесс недлинного замыкания. Если же ток продолжает нарастать, то диэлектрик (пленка) стопроцентно сплавляется, и личный конденсатор становится высокорезистивным, тем предотвращая предстоящий нагрев и пробой конденсатора в других точках.

Все простые конденсаторы соединены конкретно с силовой шиной конденсатора, таким макаром достигается не только лишь очень низкая паразитная индуктивность, да и низкоомное сопротивление. А благодаря малой длине внутренних соединений конденсатор имеет маленькое значение ESR. Как прямое следствие таковой конструкции резонансные конденсаторы отличаются низким саморазогревом при работе и отлично выдерживают очень огромные импульсы тока, прямо до 200 кА. Эти характеристики конденсаторов очень важны, потому что силовые IGBT-ключи работают на все более больших частотах переключения.

Компактность и надежность

Конденсаторы для резонансных цепей заполнены рапсовым маслом, это обеспечивает им потрясающие характеристики по отводу тепла в сопоставлении с сухими конденсаторами. В купе с масляным наполнением диэлектрик конденсатора выдерживает напряженность поля до 240 В/мкм и, как следует, обеспечивает высшую плотность энергии, что позволяет достигнуть очень малогабаритных размеров 450-165-580 мм. Конденсатор делается в сварном корпусе из нержавеющей стали, все же его изоляция выдерживает пиковое переменное напряжение до 8300 В.

Такие конденсаторы только надежны благодаря собственной передовой конструкции. Срок их службы — 200 000 ч, что соответствует 23 годам непрерывной эксплуатации. Это существенно превосходит требования эталона EN50155. Дополнительно к тому конденсаторы MKK DCI очень размеренны по емкости: при обычных критериях эксплуатации утрата емкости конденсатора не превосходит 3% за весь срок службы. Также, невзирая на непрерывные удары и вибрацию локомотива, конденсаторы MKK DCI сохраняют электронные характеристики неизменными во всем температурном спектре — -50…+70 °С. Этот тип конденсаторов имеет сертификацию в согласовании с жд эталоном МЭК 1071.

Фабрики, сертифицированные IRIS

По окончании шага разработки эталоны резонансных конденсаторов были сделаны на заводе компании TDK-EPC в Малаге (Испания), часть этих образцов была предана ресурсным испытаниям, другие проходили тестирование электронных характеристик и термоциклирование. Компания Siemens использовала 1-ые эталоны конденсаторов MKK DCI в тяговых преобразователях, которые были протестированы в согласовании с жд эталонами Китая. Завод в Малаге компании TDK-EPC один из первых в мире был сертифицирован по ISO 9001 на базе эталона IRIS Европейской ассоциации жд индустрии. Другой завод TDK-EPC, расположенный в городке Нашик (Индия), также не так давно получил сертификат IRIS.

В связи с развитием рынка скоростных поездов и грузовых локомотивов компания TDK-EPC разворачивает в Индии и Китае дополнительные производственные мощности для выпуска силовых конденсаторов. Эти фабрики способны обеспечивать не только лишь заказы муниципальных компаний тех государств, где они размещены, да и гибко реагировать на потребности новых заказчиков.

В дополнение к резонансным TDK-EPC поставляет и другие типы конденсаторов для поездов Velaro CN, к примеру фильтровые и снабберные.

Тенденции развития силовых конденсаторов

В принципе резонансные конденсаторы, использованные в Velaro CN, благодаря их долгому сроку службы подходят не только лишь для скоростных поездов, да и для всех типов локомотивов. Не считая того, настраиваемые резонансные цепи совершенно подходят для эксплуатации электропоездов, пересекающих границы государств с разными системами электропитания (к примеру, 16 2/3 Гц в Центральной Европе и неких частях Скандинавии, 50 Гц во Франции).

Конструкция конденсаторов MKK DCI благодаря компактности позволяет встраивать их особым образом в электрическое оборудование и тем упрощать и улучшить схему преобразователя. Примером тому служат прямоугольные конденсаторы с малой высотой и площадью основания, точно соответственной размерам IGBT-модулей. Это не только лишь бережет место, да и уменьшает количество соединений и укорачивает шины, что ведет к понижению себестоимости и наращивает надежность оборудования.

В марте 2009 г. Китайские стальные до
роги заказали дополнительно 100 скоростных поездов, разработанных на базе поездов типа CRH3. Они в два раза длиннее предшествующей модели (16 вагонов). Путешествие по ж/д-магистрали из Пекина в Шанхай длиной 1300 км на скорости 350 км/ч занимает сейчас приблизительно четыре часа. Новые поезда CRH3 также обустроены резонансными конденсаторами от компании TDK-EPC.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий