СИЛОВОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к электрооборудованию транспортных средств, в частности, к силовым полупроводниковым выпрямительным устройствам для пассажирских и грузовых тепловозов. Заявляемое силовое выпрямительное устройство предназначено для преобразования переменного тока тягового синхронного генератора в постоянный ток и устанавливается в модернизируемых тепловозах, оборудованных автоматическими системами управления и регулирования.
При создании данного устройства ставились задачи, связанные с модернизацией управляющего электрооборудования тепловозов, а именно, разработанное техническое решение должно обладать:
- возможностью управления и осуществления селективного контроля за неисправностями выпрямителя с пульта оператора ЭВМ в тепловозах оборудованных микропроцессорной системой управления;
- возможностью обеспечения дистанционного контроля за состоянием каждого диода в процессе эксплуатации выпрямительного устройства по четырем ступеням: нормальная работа, ухудшение параметров, пробой и обрыв;
- возможностью за счет индивидуальной защиты каждого диода повысить надежность эксплуатации устройства, снизить эксплуатационные расходы при длительной работе выпрямителей, обеспечить предотвращение выходов из строя диодов, уменьшить количество ложных срабатываний и аварийных режимов. Предотвратить
опасные пульсации в кривой выпрямленного напряжения, исключить факторы, влияющие на величину токов утечки.
Широко известны различные конструкции силовых полупроводниковых устройств, используемых в генераторных установках транспортных средств. Известные по предшествующему уровню техники конструкции устройств, как правило, в схемах защиты выпрямителей предусматривают элемент защиты во внешних цепях (по входу или по выходу) выпрямителя, что приводит к отключению выпрямителя в целом при срабатывании защиты, например, предохранителя). При этом изделие, в которое устанавливается выпрямитель становится неработоспособным.
Так, известен полупроводниковый преобразовательный блок [1], содержащий полупроводниковые приборы и предохранители, установленные каждый на своей снабженной токоподводом с одной стороны токопроводящей шине постоянного и переменного токов. В этом устройстве повышают надежность преобразовательного агрегата за счет обеспечения компенсации электромагнитных полей электрических соединений, которое достигается за счет того, что на каждое плечо шины подключено одинаковое число последовательно соединенных цепочек прибор-предохранитель, в которых в шахматном порядке токи направлены в противоположные стороны. Этим достигается компенсация всех электромагнитных полей в преобразовательном блоке. Однако возможностью контроля за режимом работы каждого полупроводникового прибора данная конструкция не обладает. Причем при срабатывании даже одного предохранителя становиться неработоспособным весь блок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является полупроводниковый реверсивный преобразователь [2], включающий токоведущие шины и полупроводниковые элементы,
размещенные на групповых охладителях и образующие анодную и катодную группы встречно-параллельно включенных электрических мостов, и предохранители, расположенные между групповыми охладителями. Недостатки схемотехнического решения известной конструкции обусловлены тем, что выход из строя любого из полупроводниковых приборов отключает от питания все устройство в целом или же при запаздывании отключения повышает степень возникновения аварийной ситуации на транспортном средстве (например, возникновение пожара). Это указывает на низкую эксплуатационную надежность и высокую степень аварийности известного преобразователя.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение состоит в создании конструкции силового полупроводникового выпрямительного устройства для транспортного средства, отличающегося от известных простотой и оригинальностью схемотехнического решения, низкими потерями электроэнергии и высокой степенью надежности и безопасностью в работе за счет обеспечения возможности обеспечения дистанционного контроля за состоянием каждого силового диода в процессе эксплуатации выпрямительного устройства, а также обеспечение не вызывающей отключения всего устройства индивидуальной защиты каждого силового диода (селективный контроль неисправностей) с выведенной на пульт машиниста тепловоза сигнализацией о конкретных неисправностях.
При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- высокая надежность;
- энергосберегающая схемотехника;
- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- пожаробезопасность;
- длительный безаварийный срок службы;
- оптимально низкий уровень пульсации выпрямителя;
- минимально низкая величина токов утечки.
Предлагается силовое полупроводниковое выпрямительное устройство для транспортного средства, содержащее клеммы А, В, С для подключения соответствующих фаз трехфазного переменного напряжения к трем шинам, к которым подключен силовыми входами функциональный блок трехфазного мостового выпрямителя, имеющего первое, второе и третье плечи, подключенные к выходной анодной шине выпрямительного напряжения, и четвертое, пятое и шестое плечи, подключенные к катодной выходной шине выпрямительного напряжения, причем каждое из упомянутых плеч блока трехфазного мостового выпрямителя включает основную электрическую ветвь из последовательно соединенных силового полупроводникового диода и предохранителя.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено первым блоком сигнализации о неисправности в первом, втором и третьем упомянутых плечах функционального блока трехфазного мостового выпрямителя, вторым блоком сигнализации о неисправности в четвертом, пятом и шестом упомянутых плечах функционального блока трехфазного мостового выпрямителя, а также первым, вторым и третьим блоками селективной диагностики состояния каждого диода и предохранителя соответственно в первом, втором и третьем плечах, и четвертым, пятым и шестым блоками
селективной диагностики состояния каждого диода и предохранителя четвертого, пятого и шестого упомянутых плеч соответственно, клеммный блок для подключения упомянутых первого и второго блоков сигнализации о неисправностях к пульту управления транспортным средством, причем в каждое из упомянутых плеч функционального блока трехфазного мостового выпрямителя введены две дополнительные электрические ветви с силовым полупроводниковым диодом и предохранителем, которые подсоединены параллельно основной электрической ветви, при этом входы первого, второго и третьего блоков селективной диагностики каждого диода и предохранителя подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому выходам функционального блока трехфазного мостового выпрямителя, а входы четвертого, пятого и шестого блоков селективной диагностики каждого диода и предохранителя подключены соответственно к шестому, седьмому и восьмому выходам функционального блока трехфазного мостового выпрямителя, причем выходы первого и третьего блоков диагностики каждого диода и предохранителя подключены соответственно к шестому, седьмому и восьмому выходам функционального блока трехфазного мостового выпрямителя, причем выходы первого, второго и третьего блоков диагностики каждого диода и предохранителя подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого блока сигнализации о неисправностях в первом, втором и третьем упомянутых плечах, выход которого подключен к первому входу клеммного блока для подключения к пульту управления транспортным средством, а второй его вход подключен к выходу второго блока сигнализации о неисправностях в четвертом, пятом и шестом упомянутых плечах, который своими первым, вторым и третьим входами подключен соответственно к выходам четвертого, пятого и шестого блоков селективной диагностики состояния каждого
диода и предохранителя в четвертом, пятом и шестом плечах функционального блока трехфазного мостового выпрямителя.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется в железнодорожном транспорте.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - структурная схема силового полупроводникового выпрямительного устройства для транспортного средства (с подключением к пульту управления транспортным средством);
- фиг.2 - принципиальная электрическая схема функционального блока трехфазного мостового выпрямителя;
- фиг.3 - принципиальная электрическая схема первого блока сигнализации о неисправности в первом, втором и третьем плечах функционального блока трехфазного мостового выпрямителя (пример реализации);
- фиг.4 - принципиальная электрическая схема блока селективной диагностики состояния каждого диода и предохранителя (идентичные данному решению для первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого блоков селективной диагностики состояния каждого диода и предохранителя).
Заявляемое силовое полупроводниковое выпрямительное устройство для транспортного средства содержит (см. фиг.1, 2, 3, 4) клеммы А, В, С для подключения соответствующих фаз трехфазного переменного напряжения трем шинам - позиции 1, 2, 3 (см. фиг.1, 2), к которым подключен силовыми входами функциональный блок 4 трехфазного мостового выпрямителя, имеющего первое (поз.5 на фиг.1, 2), второе (поз.6 на фиг.1, 2), и третье (поз.7 на фиг.1, 2) плечи, подключенные к выходной анодной шине 8 (фиг.1, 2) выпрямленного напряжения, а также четвертое (поз.9), пятое (поз. 10 на фиг.1, 2) и шестое (поз.11 на фиг.1, 2) плечи, подключенные к катодной выходной шине 12 (фиг.1, 2) выпрямленного напряжения. Каждое из упомянутых плеч блока 4 трехфазного мостового выпрямителя включает (см. фиг.2) основную 13 электрическую ветвь из последовательно соединенных силового полупроводникового диода 14 и предохранителя 15, а также две аналогичные дополнительные электрические ветви 26 и 27 с диодом и предохранителем в каждой ветви. Дополнительные ветви 26 и 27 подсоединены в плечах параллельно основной ветви 13 (фиг.2). Устройство также снабжено первым блоком 16 сигнализации о неисправности в первом, втором и третьем плечах функционального блока 4 трехфазного мостового выпрямителя, вторым блоком 17 сигнализации о неисправности в четвертом, пятом и шестом плечах блока 4. В силовое полупроводниковое выпрямительное устройство также введены первый 18, второй 19 и третий 20 блоки селективной диагностики состояния каждого диода 14 и предохранителя 15 соответственно в первом, втором и третьем плечах (позиции 5, 6, 7 - на фиг.1, 2) блока 4, а также введены четвертый 21, пятый 22 и шестой 23 блоки селективной диагностики состояния каждого диода 14 и предохранителя 15 соответственно в четвертом 9, пятом 10 и шестом 11 плечах блока 4, а выход первого блока 17 сигнализации о неисправностях подключен к
первому входу клеммного блока для подключения к пульту 24 управления транспортным средством, а второй вход пульта управления 24 подключен к выходу второго 17 блока сигнализации о неисправностях в четвертом 9, пятом 10 и шестом 11 плечах блока 4. К первому, второму и третьему входам блока 17 сигнализации о неисправности подключены выходы соответственно четвертого 21, пятого 22 и шестого 23 блоков селективной диагностики состояния каждого диода 14 и предохранителя 15 в четвертом 9, пятом 10 и шестом 11 плечах функционального блока 4 трехфазного мостового выпрямителя.
На фиг.3 дан пример реализации первого и второго блоков сигнализации о неисправностях, электрические принципиальные схемы которых являются идентичными. На фиг.4 дан пример реализации одного блока селективной диагностики состояния каждого диода и предохранителя, этой электрической принципиальной схеме идентично соответствуют схемы для первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого блоков селективной диагностики состояния каждого диода и предохранителя.
Силовой блок 4 собран с использованием самых совершенных на данный момент устройств силовой полупроводниковой техники.
Благодаря этому обеспечены высокие скорости переключения и надежность при эксплуатации, малые коммутационные потери и минимальная мощность рассеивания, высокое качество регулирования.
Для реализации заявляемого устройства используют известные функциональные элементы.
Принцип работы заявляемого силового полупроводникового выпрямительного устройства для транспортного средства состоит в следующем (см. фиг.1, 2, 3, 4).
Трехфазное переменное напряжение от внешнего источника питания (на фиг. не показан) посредством подключения соответствующих фаз к клеммам А, В, С заявляемого устройства подают по трем шинам 1, 2, 3 к функциональному блоку 4 трехфазного мостового выпрямителя.
Переменный ток, проходя через силовые полупроводниковые диоды 14 и предохранители 15, преобразуется в постоянный ток и подается по выходным шинам 8 и 12 к подключенной к ним нагрузке. При этом происходит селективный контроль неисправности в каждой из трех ветвей 13, 26 и 27 входящих в плечи функционального блока 4 трехфазного моста выпрямителя. Исправное состояние предохранителей и диодов каждого плеча мостовой схемы блока 4 контролируется соответствующим блоком селективной диагностики - (первым, вторым и третьим блоками селективной диагностики соответственно первого, второго и третьего плеч, а четвертым, пятым и шестым блоками селективной диагностики соответственно четвертого, пятого и шестого плеч) и соответствующим блоком сигнализации о неисправности (первым блоком сигнализации о неисправности в первом, втором и третьем плечах, а вторым блоком сигнализации о неисправности - в четвертом, пятом и шестом плечах). Контроль осуществляется соответственно с выдачей сигнала на пульт машиниста (пульт управления транспортным средством) и снятием напряжения возбуждения с синхронного генератора. Сигнализацию осуществляют следующим образом (фиг.2, 3, 4).
При исправном состоянии предохранителей сигнал (+110В) по цепи 26 с платой сигнализации А1...А3, А9...А11 на клеммник - ХТ1:3 выпрямителя и соответственно на пульт машиниста не поступает (сигнальная лампа не горит).
При срабатывании одного из предохранителей в плечах, состояние контактов указателя срабатывания соответствующего предохранителя
изменяется. В результате на соответствующей плате сигнализации (А1...A3, А9...А11, контакт 2, 3 или 4) появляется напряжение +110В, что приводит к открытию одного из диодов VD8...VD10 платы сигнализации и появлению напряжения +110В на выходе платы (контакт 1) и следовательно на клеммнике - ХТ1:3 выпрямителя. Сигнальная лампа на пульте машиниста горит.
При срабатывании двух предохранителей в плече, например, FU1, FU2 напряжение +110В, через замыкающие контакты указателей срабатывания предохранителей, по цепям 8, 9 поступает на плату сигнализации. При этом диоды VD2, VD6 и VD1, VD3 закрываются, а диод VD7 открывается. Напряжение +110В по цепи ХТ1:6, R1, VD7, ХТ1:5 поступает в схему панели реле =А4-ХТ1:3.
На панели реле при этом, открывается транзистор VT1 и как следствие тиристор VS1, что приводит к включению электромагнитного реле К1. В результате реле размыкающим контактами, через внешнюю цепь управления, снимает напряжение возбуждения с синхронного генератора, а замыкающим выдает сигнал на пульт машиниста о срабатывании двух предохранителей.
Представленная схема внутренней защиты от неисправности позволяет исключить из работы схемы неисправную ветвь мостовой схемы, а вся схема выпрямителя остается работоспособной.
Таким образом, заявляемая конструкция силового полупроводникового выпрямительного устройства для транспортного средства обладает следующими преимуществами по сравнению с известными:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- высокая надежность;
- энергосберегающая схемотехника;
- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- пожаробезопасность;
- длительный безаварийный срок службы;
- оптимально низкий уровень пульсации выпрямителя;
- минимально низкая величина токов утечки.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПИСАНИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
25
03
1. Полупроводниковый преобразовательный блок. Патент РФ №1168022, М. кл. Н 01 L /, 15.06.1994.
07
23
20
00
2. Полупроводниковый реверсивный преобразователь с системой воздушного естественного охлаждения. Авт. св. №999184, М. кл. Н05 К /, H 01 L /, 23.02.1983 (ПРОТОТИП).