СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ТЕПЛОВОЗА С ПИТАНИЕМ ТРЕХФАЗНЫМ ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ ОТ СИНХРОННОГО ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА С СИСТЕМОЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Изобретение относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике, в частности, к силовым полупроводниковым преобразователям для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель - генератора с системой вертикального воздушного охлаждения. Заявляемое устройство предназначено для преобразования трехфазного нестабильного переменного напряжения дизель - генератора в шесть независимо регулируемых постоянных напряжений, применяемых для раздельного питания тяговых электродвигателей постоянного тока.
При создании конструкции заявляемого устройства ставились задачи, связанные с модернизацией электрооборудования тепловоза, в связи, с чем разработанное техническое решение должно обладать:
- оптимальной компактностью и простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе и габаритам, соответствующим месту размещения в специальном высоковольтном отсеке локомотива;
- максимально рациональным расположением блоков устройства с обеспечением удобства их обслуживания;
- конструктивной обеспеченностью возможности проведения агрегатного ремонта устройства за счет модульности блоков;
- повышением эффективности воздушного охлаждения всех блоков устройства;
- повышением надежности электроизолирующих конструкций с обеспечением высокой степени безаварийности при эксплуатации и повышение пожаро-безопасности устройства;
- конструктивной обеспеченностью способности к легкой модернизации устройства.
Основной решаемой технической задачей ставилось обеспечение уменьшения высоты устройства при сохранении размеров ширины и глубины с одновременным обеспечением интенсификации воздушного охлаждения всех блоков устройства и повышением надежности его эксплуатации, снижением пожароопасности.
В настоящее время известны различные конструкции статических преобразовательных устройств.
Так, известен по патенту РФ №2017270 статический преобразователь (1), содержащий шкаф с передней и задней дверями и находящиеся в нем силовые блоки тиристоров, инвертора, компенсатора, сглаживающие реакторы инвертора и обратного выпрямителя, компенсирующий реактор, силовой трансформатор, блок автоматического управления. В этом изобретении ставилась задача упрощения конструкции с одновременным уменьшением материалоемкости и повышением удобства обслуживания. Решение этой задачи осуществлялась только за счет изменения внутреннего расположения блоков, исключения лишних электрических связей элементов, исключения лишних механических деталей, например, вращающейся рамы.
Недостатками этой известной конструкции являются большие габаритные размеры и вес, отсутствие компактности, недостаточная надежность в эксплуатации из-за неэффективности воздушного охлаждения узлов конструкции.
Известны технические решения, в которых решают задачу повышения эффективности охлаждения. Так, из описания изобретения к авторскому свидетельству СССР №1677747 известна конструкция силового полупроводникового преобразователя (2) для скоростных электровозов, содержащая кожух, две боковые стенки которого выполнены открывающимися, основной групповой охладитель с размещенными на нем силовыми тиристорами и дополнительный охладитель с остальными функциональными элементами, возду-хозаборное устройство, состоящее из каналов, соединенных с кожухом, и закрылков.
Равномерное охлаждение внутреннего объема этого известного преобразователя получают за счет открывающихся боковых стенок, обеспечивающих свободный доступ к силовым тиристорам и другому электрооборудованию. Недостатками этой конструкции преобразователя являются высокая степень пожароопасности (за счет открытых стенок), отсутствие компактности и возможности для размещения преобразователя в специальном отсеке локомотива с жестко ограниченными размерами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является полупроводниковый реверсивный преобразователь с системой естественного воздушного охлаждения (3), содержащий металлический шкаф, стенки которого выполнены перфорированными, между которыми установлены групповые охладители, на которых размещены полупроводниковые приборы с индивидуальными охладителями. Недостатки этого устройства следующие. Конструкция преобразователя не обладает достаточно эффективной системой воздухоохлаждения из-за нерационального расположения блоков устройства. Устройство не является достаточно компактным, из-за чего его невозможно разместить в специальном отсеке локомотива. Устройство не обладает достаточной степенью надежности и пожаробезопасности.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение состоит в создании оригинального силового полупроводникового преобразователя для тепловоза с питанием переменным током от синхронного дизель - генератора с системой вертикального воздушного охлаждения, отличающегося от известных высокой степенью модернизации, компактностью со строго ограниченными размерами по месту размещения в высоковольтной камере локомотива, повышенной надежностью работы за счет улучшенной конструкции электроизоляции, удобством монтажа и демонтажа устройства за счет модульности конструкции, повышенной пожаростойкостью за счет увеличения эффективности воздушного охлаждения всех блоков устройства.
При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико - экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик заявляемого устройства;
- обеспечение конструктивной компактности и оптимально возможного использования внутреннего объема для размещения заявляемого устройства в высоковольтной камере локомотивов, гарантирующее недоступность к устройству посторонних лиц;
- обеспечение удобства обслуживания;
- наличие высокой степени защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- повышение степени пожаробезопасности за счет конструктивного усиления электроизоляции;
- повышение качественных характеристик выходного напряжения за счет повышения эффективности системы воздушного охлаждения всех блоков устройства;
- увеличение длительности безремонтного срока эксплуатации.
Предлагается силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель - генератора с системой вертикального воздушного охлаждения, содержащий каркас со съемными передним и задним щитами, левой боковой стенкой и правой боковой стенкой для подключения входных цепей управления, установленные между ними вдоль направления воздушного потока группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с образованием первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого каналов преобразования электрической энергии, соединенных с внутренними фазными токопроводящими шинами трехфазного переменного тока и шинами выпрямленного тока каждого канала преобразования, и блоки управления каналами преобразования с элементами токовой защиты каждого канала, трансформаторы синхронизации каждого канала, панель с предохранителями.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено первой камерой для размещения блоков управления каналами преобразования, второй защитной электроизолирующей камерой для силовых полупроводниковых модульных блоков и держателем трансформаторов синхронизации, причем первая упомянутая камера выполнена в виде расположенного перед правой боковой стенкой внутреннего бокового отсека, ограниченного боковым оконным проемом и закрепленными в нем с внутренней стороны П-образными кронштейнами, например, тремя П-образными кронштейнами, на которых закреплена электроизолирующая панель с установленными на ней упомянутыми блоками управления каналами преобразования, поверх которой устанавливают стеклотекстолитовую крышку, совмещенную с поверхностью боковой стенки, а вторая упомянутая камера выполнена в виде последовательно примыкающих друг к другу первого, второго и третьего шлюзов, в каждом из которых размещены разомкнутые
в центре две оппозитные переборки, разделяющие шлюз на четыре смежных отсека, а в каждом отсеке размещены стопки силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, каждый из которых скреплен индивидуальными монтажными панелями с вертикальными стенками шлюза с возможностью образования в центре каждого шлюза инжекторного воздуховода, причем в первом шлюзе оппозитно размещены первый и четвертый каналы преобразования электрической энергии, во втором шлюзе оппозитно размещены второй и пятый каналы преобразования электрической энергии, а в третьем шлюзе оппозитно размещены третий и шестой каналы преобразования электрической энергии, а размещенные в упомянутых шлюзах инжекторные воздуховоды образуют инжекционную систему воздушного охлаждения, при этом вторая упомянутая камера установлена на дополнительные монтажные элементы в виде двух лонжеронов, установленных в нижней части каркаса по обе стороны от ее центральной оси, а панель с предохранителями выполнена из двух симметричных частей, каждая из которых закреплена на лонжероне под соответствующим держателем трансформаторов синхронизации.
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, в частности, в пассажирском и грузовом тепловозах, например, в тепловозе ТЭП7БС-001.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель - генератора с системой вертикального воздушного охлаждения; вид спереди;
- фиг.2 - то же, вид спереди с условно снятым передним щитом;
- фиг.3 - то же, вид сзади;
- фиг.4 - то же, вид сзади с условно снятым задним щитом;
- фиг.5 - то же, вид сверху с расположением условно обозначенных тиристорных модульных блоков 8 во второй защитной электроизолирующей камере 22;
- фиг.6 - то же, вид сверху реализованного технического изделия;
- фиг.7 - то же, вид А - вид на размещенную на правой боковой стенке устройства первой камеры 21;
- фиг.8 - то же, вид А - со снятой панелью 27;
- фиг.9 - силовой преобразователь 1 с размещенной в нем защитной электроизолирующей камерой 22; вид спереди;
- фиг.10 - силовой полупроводниковый тиристорный модульный блок.
Заявляемый силовой полупроводниковый преобразователь для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель - генератора с системой вертикального воздушного охлаждения (далее - силовой преобразователь 1 - см. фиг.1-4) представляет собой шкаф закрытого исполнения с двусторонним обслуживанием и содержит каркас 2 (фиг.1, 2, 3, 4) со съемными передним и задним щитами 3 и 4, левой боковой стенкой 11 и правой боковой стенкой 6 с разъемами 7 для подключения входных цепей управления. Силовой преобразователь 1 также содержит установленные вдоль направления воздушного потока группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков 8 (фиг.2, 4). Каждый силовой полупроводниковый
тиристорный модульный блок 8 (далее - тиристорный модульный блок 8) содержит (см. фиг.10) таблеточный тиристор 9, например, тиристор Т 453-800-36-83-2,2 - УЧЛ2 (ТУ 3417-003-41687291-97), закрепленный между индивидуальными анодным и катодным охладителями 10, установленными на индивидуальной изоляционной монтажной панели 12, на свободной стороне которой размещена плата 13 формирования импульсов управления силовым тиристором 9.
Группы тиристорных модульных блоков 8 собраны в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с преобразованием первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого каналов преобразования электрической энергии (см. фиг.2 и 4 - позиции I, II, III, IV, V, VI), соединенных с внутренними фазными шинами трехфазного переменного тока (фиг.1 и 3 -поз.14 (шины А1, В1, С1 и позиции 15 - шины А2, В2, С2) и шестью (см. фиг.1,3- позиция 16) шинами выпрямленного тока каждого канала преобразования. Силовой преобразователь 1 включает также блоки управления 17 упомянутыми каналами преобразования с элементами токовой защиты каждого канала (например, с датчиком напряжения типа LEM с панелями токоограничивающих резисторов А 17, контролирующими выходные напряжения каналов), трансформаторы 18 синхронизации каждого канала, панель 19 с предохранителями 20. Блоки 17 выполняют функцию подачи управляемого питающего напряжения к тиристорным модульным блокам 8 каждого из шести каналов преобразования. Силовой преобразователь 1 снабжен первой камерой 21 для размещения блоков 17 управления каналами преобразования, а также снабжен второй защитной электроизолирующей камерой 22 для силовых полупроводниковых модульных блоков 8, а также держателем 23 трансформаторов синхронизации.
Первая камера 21 выполнена в виде расположенного перед правой боковой стенкой 6 внутреннего бокового отсека 24, ограниченного боковым
оконным проемом 25 и закрепленными в нем с внутренней стороны П-образными кронштейнами 26, например, тремя кронштейнами 26, на которых закреплена электроизолирующая панель 27 с установленными на ней блоками 17 управления. Поверх панели 27 устанавливают стеклотекстолитовую крышку 28, совмещенную с поверхностью боковой стенки 6.
Вторая упомянутая камера 22 выполнена (см. фиг 9) в виде последовательно примыкающих друг к другу первого, второго и третьего шлюзов 29, в каждом из которых размещены разомкнутые в центре переборки 30, разделяющие шлюз 29 на четыре смежных отсека 31, а в каждом отсеке 31 размещены стопки 32 силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков 8, каждый из которых скреплен индивидуальными монтажными панелями с вертикальными стенками шлюза 29 с возможностью образования в центре каждого шлюза инжекторного воздуховода 33, причем в первом шлюзе 29 оппозитно размещены первый и четвертый каналы преобразования электрической энергии, во втором шлюзе оппозитно размещены второй и пятый каналы преобразования электрической энергии, а в третьем шлюзе оппозитно размещены третий и шестой каналы преобразования электрической энергии, а размещенные в упомянутых шлюзах инжекторные воздуховоды 33 образуют инжекционную систему воздушного охлаждения (фиг 2, 4). Вторая камера 22 установлена на дополнительные монтажные элементы, выполненные в виде лонжеронов 35, установленных в нижней части каркаса по обе стороны от центральной геометрической плоскости параллельной переднему и заднему щитам. Держатель 23 трансформаторов 18 синхронизации выполнен в виде двух горизонтальных изоляционных панелей 34, установленных под второй защитной электроизоляционной камерой 22 по обе стороны от ее центральной оси. Панель 19 с предохранителями 20 выполнена из двух симметричных частей, каждая из которых закреплена на лонжероне 35 под соответствующим держателем 23 трансформаторов 18 синхронизации.
В силовом преобразователе 1 также размещены шесть блоков развязывающих трансформаторов 36, а на боковой стенке каркаса 2 размещены шесть разъемов ХР1 - ХР6, для подсоединения цепей управления преобразователя, клеммный блок цепи защитной блокировки и подвода нулевых проводов питающей цепи сети для трансформаторов синхронизации.
Для подвода цепей питания преобразователя от дизель - генератора и к тяговым двигателям шести каналов преобразования электрической энергии, в нижней части каркаса 2 шкафа, с двух его сторон, организованы подсоединительные медные шины 16 (фиг.1, 3).
Питание силового преобразователя 1 осуществляют от синхронного генератора с двумя статорными обмотками, соединенными в две независимые звезды, напряжения на которых сдвинуты на 30 электрических градусов. Три первых автономно управляемых канала преобразователя получают питание от первой звезды генератора, а три следующих канала - от второй звезды генератора (на фиг. не показаны).
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
Силовой шкаф преобразователя 1 устанавливают на посадочные места в специальном отсеке дизельного помещения тепловоза, к болтам заземления подключают заземляющий проводник. Производят монтаж силовых цепей, а также цепей управления и контроля преобразователя в соответствии с прилагаемой электрической схемой (по приложению Б). Кабели питания к преобразователю 1 подводят снизу, с двух сторон, разделяют их фазные провода и подсоединяют болтовыми соединениями к соответствующим выводным шинам силового шкафа согласно приложения А. Аналогично к выводным шинам постоянного тока подключают кабели питания тяговых двигателей.
Подают напряжения питания на входные шины 14 и 15 трехфазного переменного тока силового преобразователя 1. Эти напряжения (т.е. поступившие от дизель - генератора два трехфазных нестабильных переменных напряжения
частотой 25...155 Гц, сдвинутых между собой по фазе на тридцать электрических градусов и образующих шестифазную систему напряжений) подают на входы шести развязывающих трансформаторов 36. Трансформированные напряжения, гальванически развязанные и пониженные по величине в 6,3 раза, подают в каналы преобразования электрической энергии в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов, составленных из силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков 8. Упомянутые модульные блоки тиристорных мостов шести каналов преобразования обеспечивают выпрямление трехфазных переменных напряжений в постоянные независимо регулируемые выходные напряжения с наложенной пульсацией шестикратной частоты. Независимое регулирования выходных напряжений постоянного тока каждого канала осуществляют с внешнего устройства управления тепловоза, подающего управляющие импульсы на платы 13 формирования импульсов управления (платы ФВИ 13) силовым тиристором 9 через разъемные клеммники шести каналов. Высокочастотное переменное напряжение питания частотой 25 кГц, амплитудой 25 В подается к плате ФВИ 13 через обмотки потенциально развязывающих трансформаторов 36. Фазовый угол управления тиристорами изменяется в зависимости от управляющего сигнала, поступающего от системы управления.
Блоки 17 управления подачей напряжения к тиристорным модульным блокам 8, включающие трансформаторы 18 синхронизации и датчики напряжения типа LEM с панелями токоограничивающих резисторов, являются частью фазоимпульсного независимого регулирования выходных напряжений постоянного тока каждого канала преобразователя и защиты его в аварийных режимах работы.
Предохранители 29 в цепях питания шести каналов преобразования обеспечивают токовую защиту преобразователя 1 в аварийных и перегрузочных режимах работы.
Заявляемая конструкция силового полупроводникового преобразователя для тепловоза обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с известными конструкциями:
- оптимальной компактностью с жесткими ограничениями по габаритам (особенно жесткие ограничения по отношению к высоте), соответствующим месту размещения в специальном высоковольтном отсеке тепловоза;
- повышением эффективности воздушного охлаждения направленными потоками воздуха, организованными новой конструкцией охлаждения - инжекционной системой воздушного охлаждения, образованной инжекторными воздуховодами во второй электроизолирующей камере, а также за счет конструктивного обеспечения лучшего охлаждения блоков благодаря предлагаемому расположению в них модульных блоков;
- повышением надежности и пожаростойкости за счет увеличения степени электроизоляции благодаря оригинальной конструкции блока защитной электроизолирующей второй камеры для размещения силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков;
- конструктивной обеспеченностью возможности проведения агрегатного ремонта устройства за счет модульности блоков преобразователя;
- повышением эргономических свойств устройства за счет оптимально-рационального расположения блоков с обеспечением удобства их обслуживания и быстрой сборки/разборки;
- обеспечением способности к легкой и оптимально недорогой модернизации преобразователя.
При этом конструкция изобретения обеспечивает достижение следующих технике - экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик заявляемого устройства;
- обеспечение конструктивной компактности и оптимально возможного использования внутреннего объема для размещения заявляемого устройства в высоковольтной камере локомотивов, гарантирующее недоступность к устройству посторонних лиц;
- обеспечение удобства обслуживания;
- наличие высокой степени защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации;
- повышение степени пожаробезопасности за счет конструктивного усиления электроизоляции;
- повышение качественных характеристик выходного напряжения за счет повышения эффективности системы воздушного охлаждения всех блоков устройства;
- увеличение длительности безремонтного срока эксплуатации.
источники, используемые в описании изобретения:
7
20
1. Патент РФ №2017270, М. кл. НО5К/, опубл. 1994.07.30.
25
00
2. Авт. св. СССР №1677747, М. кл. HО1L/, опубл. 15.09.91. Бюл. №34
23
34
3. Авт.св. СССР №1352556, М. кл. HО1L/ опубл. 15.11.87. Бюл. №42 (ПРОТОТИП).