ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

Область техники
Высоковольтный статический преобразователь для пассажирского вагона предназначен для комплектации электрооборудования пассажирских вагонов с автономным электроснабжением и кондиционированием воздуха. Это электротехническое преобразовательное устройство, которое обеспечивает питание различных потребителей вагонной сети. Сам преобразователь питается от высоковольтной контактной сети постоянного или переменного тока, обеспечивая на выходе низковольтное питание потребителей постоянного и переменного тока.
Уровень техники
Одна из главных тенденций развития железнодорожного транспорта - повышение комфортности пассажироперевозок. Современные вагоны для перевозок пассажиров строятся и модернизируются с учетом возрастающих требований к комфорту. Вагоны снабжаются системами кондиционирования воздуха, отопления, вентиляции. В них обязательно имеются розетки для пользования бытовыми электроприборами, рассчитанными на питание ~ 127/220 В или =12/24 В, а также агрегаты для зарядки аккумуляторных батарей.
Известные производители преобразовательной техники для железнодорожного транспорта разрабатывают новые высоковольтные статические преобразователи, обладающие высокой надежностью, небольшими габаритами и массой, удобными конструкциями для эксплуатации и ремонта.
Так, например, ГУП «ВЭИ им. Ленина» входящий в холдинг «ЛМ Электро» (http://lme.nodex.ru), выпускает преобразователь высоковольтный вагонный ВПВ-35-У1, который предназначен для электропитания потребителей вагонной сети напряжением 110 В и 550 В постоянного тока. Он питается непосредственно от контактной сети напряжением 3 кВ постоянного тока, либо от силового трансформатора локомотива напряжением 3 кВ переменного тока частотой 50 Гц. Преобразователь размещается в двух выкатных герметизированных ящиках, вставляемых в общий отсек, крепящийся к раме вагона. Полная мощность на выходе ВПВ обеспечивается как при движении вагона, так и на стоянке. Допустимая температура окружающей среды при работе: от минус 40°С до плюс 40°С. Устойчивость механическим воздействиям соответствует группе М25. Охлаждение автономное жидкостное. Габаритные размеры одного ящика 1060×880×625 мм. Общая масса - не более 400 кг.
Недостатком является ограниченное число выходных номинальных напряжений, а с точки зрения конструкции - немодульное исполнение, что не позволяет оперативно варьировать выходными характеристиками преобразователя. Также затруднительно осуществлять ремонтные работы, так как для проведения этих работ требуется выкатывать из-под вагона тяжелые ящики. Ремонт этих преобразователей нужно. осуществлять в депо или на специально приспособленных стоянках.
Украинская организация «Днепровагонремстрой» (http://dvrb.com.ua/electoroborud.html) занимается ремонтом и, в частности, модернизацией пассажирских вагонов. При этом в пассажирских купейных вагонах устанавливается принципиально новая система электроснабжения с питанием от межвагонной магистрали 3000 В через подвагонный преобразователь. Подвагонный преобразователь размещается в подвагонном высоковольтном аппаратном ящике 2Я.111.У1, и включает в себя высоковольтный статический преобразователь SG 600 380 ВР, входное реактивное сопротивление SG 600 417; трансформатор SG 600 419, инвертор статический трехфазный SG 600 388 SP, реактивное сопротивление SG 600 418. На выкатных тележках размещаются аккумуляторные батареи 84 ТНЖ - 300 110 В. Также имеется отдельный аппаратный подвагонный ящик подключения внешнего напряжения трехфазной сети 380/220 В 50 Гц.
Недостаток - немодульное исполнение компонентов, а также низкая ремонтопригодность, обусловленная громоздкой конструкцией, большим весом, неудобным доступом.
Более прогрессивный подход к разработке преобразователей для железной дороги применила германская компания Siemens. Эта компания разработала стандартный типоряд преобразователей под названием Siebest, разделяющихся по классу мощности. Главная особенность - модульное исполнение каждого типа преобразователя.
В статье, опубликованной в журнале «Железные дороги мира» №6 - 2000 г (www.css-mps.rn) под названием «Модульная система электроснабжения пассажирских вагонов», приведена структура модульной системы электроснабжения вагонов и таблица стандартных модулей.
В зависимости от конкретных требований по назначению того или иного преобразователя размещают нужные модульные блоки в универсальном контейнере. Этот укомплектованный контейнер устанавливают под днищем вагона.
В качестве прототипа рассмотрим конструкцию блока энергоснабжения для пассажирских вагонов (сокращенно - БЭВ), которые поставляет для железных дорог Российской федерации департамент DUEWAG AG фирмы Siemens AG (Германия).
Блок БЭВ подключается к электрической магистрали поезда 3000 В постоянного или переменного тока и служит для питания электрических потребителей вагонов в составе поезда, в том числе устройств кондиционирования воздуха.
Блок БЭВ размещается в подвагонном окрашенном алюминиевом каркасе. Отдельные компоненты преобразователя выполнены в виде стандартизованных модулей с воздушным охлаждением. Снаружи силовых модулей имеются радиаторы для отвода тепла. При большой выходной мощности, высокой температуре окружающей среды и во время остановки поезда радиаторы форсированно охлаждаются вентилятором, расположенным в центре каркаса. Модульная система электроснабжения, как правило, состоит из одного входного высоковольтного модуля и нескольких выходных (в зависимости от требований заказчика).
В передней части каркаса под крышкой находится силовой блок с модулем входного преобразователя, инвертором и устройством зарядки аккумулятора. Магнитные детали расположены в задней части каркаса. Каждый модуль может быть заменен, если система диагностики указывает на его неисправность. Элементы системы управления, контакторы, предохранители, датчики доступны через переднюю и заднюю крышки. Вентилятор может быть снят снизу. При необходимости может быть полностью заменен весь силовой блок.
Габаритные размеры БЭВ (L×B×H): около 2000×1900×520 мм.
Масса: не менее 1000 кг.
Несмотря на большие преимущества такого укрупненного модульного исполнения, прототип имеет свои недостатки. Это - большие габариты и вес. Чтобы выдвинуть подвагонный ящик, весящий более тонны, нужны незаурядные усилия. Масса отдельных модулей также велика. Это осложняет проведение ремонтно-профилактических работ. Что касается теплоотвода, то рассеивание тепла происходит внутри каркаса на модульных радиаторах, причем почти постоянно требуется работа вентилятора, расположенного также внутри каркаса. Естественный обдув радиаторов при движении поезда не очень эффективен.
Целью создания полезной модели является создание такой конструкции высоковольтного статического преобразователя для пассажирского вагона, которая обеспечивает хороший отвод тепла от силовых элементов, что определяет стабильную и надежную работу устройства в отношении электрических параметров, и при этом обеспечивает удобный доступ к блокам и модулям для ремонта или замены вышедших из строя силовых элементов без демонтажа всего блока, а также значительно облегчает физическое осуществление ремонтно-профилактических работ. Кроме того, конструкция должна позволять изменение состава компонентов устройства в зависимости от технического задания и требований заказчика в короткие сроки с минимальными трудозатратами.
Сущность полезной модели
Сущность полезной модели заключается в конструктивном исполнении устройства - высоковольтного статического преобразователя для пассажирского вагона - в
виде двух подвагонных ящиков, в одном из которых размещена высоковольтная часть, а во втором - низковольтная. Все устройство состоит из сборочных единиц в блочно-модульном исполнении, масса каждой из которых не превышает 10 кг. Соединение высоковольтной и низковольтной частей устройства осуществляется электрическим кабелем.
Оба подвагонных ящика имеют в задней стенке прорезные окна, а на внешней стороне задних стенок - закрепленные радиаторы, обдуваемые потоками воздуха при движении поезда. Конструкция обеспечивает эффективный отвод тепла от нагревающихся элементов через радиаторы. Радиаторы первого подвагонного ящика, где размещена высоковольтная часть, изолированы от корпуса с целью электрозащиты и могут дополнительно обдуваться вентилятором (одними или несколькими), закрепленным также на задней стенке корпуса. Кроме того, в первом подвагонном ящике предусмотрена электрическая изоляция теплопроводящих плит, на которых закреплены нагревающиеся силовые элементы высоковольтной части, от корпуса и радиатора в проеме прорезных окон на случай возможного пробоя высокого напряжения. Во втором подвагонном ящике, где размещена низковольтная часть, блоки и модули, входящие в состав сборочных единиц, также размещены на теплопроводящих плитах, но эти плиты закреплены непосредственно на радиаторах в проемах прорезных окон. Эти конструктивные решения позволяют обеспечить интенсивный отвод тепла от нагревающихся элементов и создают защиту от пробоя высокого напряжения, что обеспечивает стабильность и надежность работы устройства.
Доступ к содержимому обоих подвагонных ящиков возможен без выдвижения подвагонного ящика, через откидывающиеся вверх и фиксирующиеся в горизонтальном положении дверцы передних стенок, которые в случае непогоды могут
служить защитным козырьком для ремонтно-обслуживающего персонала. Свободный доступ к элементам конструкции, обусловленный расположение сборочных единиц в один слой, и наличие у печатных плат поворотных устройств, обеспечивающих поворот плоскости печатной платы вокруг вертикальной оси для удобства доступа к элементам, позволяют оперативно проводить ремонт и замену вышедших из строя модулей или печатных плат без демонтажа всего блока. Малый вес одной сборочной единицы (не более 10 кг) существенно облегчает физическое исполнение работы. Время замены любой печатной платы составляет 1-2 мин.
Блочно-модульное исполнение устройства позволяет варьировать набор компонентов, определяющих возможности всего устройства в обеспечении энергией потенциальных потребителей, определяемых техническими требованиями и пожеланиями заказчика.
Признаки полезной модели
Высоковольтный статический преобразователь для пассажирского вагона состоит из сборочных единиц в блочно-модульном исполнении и включает в себя высоковольтную и низковольтную части, размещенные в подвагонной конструкции, содержащей вентилятор. Вся подвагонная конструкция выполнена в виде двух подвагонных ящиков с радиаторами на задних стенках и откидывающимися вверх и фиксирующимися в горизонтальном положении дверцами передних стенок. Первый подвагонный ящик имеет сзади съемный защитный кожух. Радиаторы первого подвагонного ящика, в котором размещена высоковольтная часть устройства, отделены от задней стенки корпуса изоляционной прокладкой. На этой же задней стенке размещены один или несколько вентиляторов. Радиаторы второго подвагонного ящика,
в котором размещена низковольтная часть устройства, закреплены непосредственно на задней стенке корпуса. На задних стенках обоих подвагонных ящиков имеются прорезные окна. Соединение высоковольтной и низковольтной частей устройства осуществляется электрическим кабелем.
Вес одной сборочной единицы не превышает 10 кг.
В сборочные единицы первого подвагонного ящика входят залитые теплопроводным компаундом модули токоограничивающего реактора, модули высокочастотных развязывающих трансформаторов, высоковольтные полупроводниковые модули, модули низковольтных выпрямителей. Высоковольтные полупроводниковые модули и модули высокочастотных развязывающих трансформаторов установлены на теплопроводящих плитах из алюминиевого сплава, которые прикреплены к радиаторам в проеме прорезных окон через изоляционные теплопроводящие пленки.
Блоки и модули, входящие в состав сборочных единиц низковольтной части, установлены на теплопроводящих плитах из алюминиевого сплава, которые прикреплены непосредственно к радиаторам второго подвагонного ящика в проеме прорезных окон.
Блоки, входящие в состав сборочных единиц низковольтной части, выполнены на печатных платах, снабженных поворотными устройствами, которые обеспечивают поворот плоскости печатной платы вокруг вертикальной оси.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1. Конструкция первого подвагонного ящика.
На чертеже представлена конструкция подвагонного ящика с передней стенкой в виде закрытой дверцы и защитным кожухом задней стенки. В разрезе корпуса показано содержимое первого подвагонного ящика в виде условного изображения модулей высоковольтной части. Некоторые их них закреплены на теплопроводящих плитах, а те, в свою очередь, - на радиаторах в проемах прорезных окон на задней стенке. Другие модули размещены на внутренней боковой стенке подвагонного ящика. Кроме того, в разрезе части защитного кожуха видны радиатор и изоляционная прокладка, отделяющая радиатор от корпуса.
Фиг 2. Конструкция второго подвагонного ящика.
На чертеже представлена конструкция второго подвагонного ящика с частично вырезанной передней стенкой. В глубине ящика показано расположение сборочных единиц в виде условных компонентов, установленных на теплопроводящих плитах, которые закреплены непосредственно на радиаторах задней стенки корпуса.
Осуществление полезной модели
Высоковольтный статический преобразователь для пассажирского вагона выполнен в виде двух подвагонных ящиков: первого 1 (фиг.1) и второго 2 (фиг.2) с откидывающимися вверх дверцами 3 на передних стенках. Радиаторы первого ящика 4 отделены от задней стенки корпуса изоляционной прокладкой 5. На этой же задней стенке закреплены вентиляторы 6. Вентиляторы и радиаторы закрыты съемным защитным кожухом 7.
Первый подвагонный ящик 1 содержит залитые теплопроводным компаундом модули токоограничивающего реактора 8, модули высокочастотных развязывающих
трансформаторов 9, высоковольтные полупроводниковые модули 10, модули низковольтных выпрямителей 11.
Высоковольтные полупроводниковые модули установлены на теплопроводящих плитах 12 из алюминиевого сплава, прикрепленных к радиаторам 4 в проеме прорезных окон 13 через изоляционные теплопроводящие пленки 14.
Второй подвагонный ящик 2 содержит залитые теплопроводным компаундом модули накопительных реакторов 15 для блока заряда аккумуляторов, блоки регулируемых инверторов 16 для питания двигателя компрессора кондиционера и приточной вентиляции и выходные блоки 17, в соответствии с требованием по назначению. Все модули и блоки собраны непосредственно каждый на своей теплопроводящей плите 12 из алюминиевого сплава, крепящейся изнутри через проем прорезного окна 13 к радиаторам 4, закрепленным на задней стенке корпуса.
Оба подвагонных ящика имеют на боковых стенках изнутри клеммники 18 и отверстия со вставленными патрубками 19. Через эти патрубки внутрь первого ящика слева введен конец входного силового кабеля 20, а справа - первый конец соединительного кабеля 21. Соответственно, внутрь второго ящика слева введен второй конец соединительного кабеля 21, а справа - конец выходного кабеля 22, Концы кабелей закреплены на разъемах соответствующих клеммников.
Описание в динамике
Высоковольтный статический преобразователь для пассажирского вагона работает следующим образом.
Высокое напряжение от главной поездной шины, например, постоянное напряжение 3000 подается через патрубок на левой стенке первого подвагонного ящика
на клеммник 18, а оттуда - на модули токоограничивающего реактора 8. Далее напряжение подается на N каналов последовательно соединенных высоковольтных полупроводниковых модулей 10. С выходов этих полупроводниковых модулей на каждый модуль высокочастотных развязывающих трансформаторов 9 подается уже обработанное напряжение, в N раз меньше входного. Одноименные обмотки этих трансформаторов 9 соединены с низковольтными выпрямителями 11, выходы которых объединены между собой таким образом, что позволяют в результате получить два постоянных стабилизированных напряжения: 400 В и 160 В, которые и подаются на выходной клеммник первого подвагонного ящика, расположенный на правой стенке. Через соединительный кабель 21 эти два напряжения поступают на клеммник второго подвагонного ящика, расположенный на его левой стенке. Напряжение 160В через накопительный реактор 15 второго подвагонного ящика поступает на блок заряда аккумуляторных батарей и те выходные блоки, которые предназначены для питания потребителей постоянного тока. Напряжение 400 В поступает на блоки регулируемых инверторов 16 для питания переменным током двигателя компрессора кондиционера и приточной вентиляции и на выходные блоки 17 для питания других запланированных потребителей.
Радиаторы 4 обоих ящиков рассеивают избыточное тепло, переданное им от нагреваемых компонентов через теплопроводящие плиты 12 в окружающее пространство, причем на ходу поезда эти радиаторы охлаждаются встречным потоком воздуха, а на стоянках в летнее время для обдува радиатора первого подвагонного ящика, который нагревается сильнее, используется один или несколько вентиляторов 6, размещенных под защитным кожухом 7.
Блоки регулируемых инверторов 16 и выходные блоки 17 выполнены на печатных платах с навесными радиоэлементами и модулями силовых электротехнических элементов, причем печатные платы снабжены поворотными устройствами, обеспечивающими поворот плоскости печатной платы относительно вертикальной оси для удобного доступа к ремонтируемому блоку и замены вышедших из строя силовых элементов без демонтажа всего блока.
В случае выхода из строя высоковольтного статического преобразователя конструкция позволяет быстро произвести оперативный ремонт или замену отдельных компонентов во время стоянок. Для этого ремонтный рабочий открывает вверх дверцы передних стенок подвагонных ящиков, фиксирует их в горизонтальном положении в виде козырька и получает доступ к компонентам. Козырек защищает содержимое ящика и ремонтный персонал от попадания атмосферных осадков. Расположение всех сборочных единиц в один слой по всей внутренней поверхности обоих ящиков, а также малый вес каждой такой сборочной единицы (не более 10 кг) обеспечивают удобство и оперативность проведения работ. Любая печатная плата меняется за время, не превышающее одной минуты. Для ремонта любого силового модуля необходимо лишь откинуть (повернуть) соответствующую печатную плату, закрывающую к нему доступ, и заменить этот силовой модуль на запасной.
Пример конкретного исполнения
Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов может быть реализован с параметрами:
L×B×H=1870×730×690 мм:
Масса: 550 кг - первый подвагонный ящик и 350 кг - второй подвагонный ящик.
Материал подвагонных ящиков: стальной лист толщиной 2 мм
Материал радиаторов: алюминиевый сплав АМГ-6.
В качестве накопительного реактора можно использовать дроссель МИЮН.672161.001.
В качестве модуля высокочастотных развязывающих трансформаторов можно использовать трансформаторы МИЮН.672422.002.
В качестве высоковольтных полупроводниковых модулей можно использовать модули СМ200ДИ 34КА.
В качестве изоляционных прокладок и изолирующих пленок можно использовать материал полиамид (капролон) ТУ 6-05-988-87.
Для обеспечения надежного теплового контакта алюминиевых плит с радиатором можно использовать теплопроводные пленки типа PART No: CM20-AC.
В качестве изоляционной прокладки можно использовать материал типа KU-ALF5H.
В качестве низковольтной выходной части преобразователя может использоваться разработанный в НИИ электромеханики (г.Истра) преобразователь статический ПЧ-24-У1 ТУ 16-00 МБДИ 435321.001 ТУ.