СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств, в частности, к силовым полупроводниковым выпрямительно-инверторным преобразовательным устройствам для пассажирских и грузовых магистральных электровозов. Заявляемый силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь предназначен для питания тяговых двигателей электровоза и устанавливается в модернизируемых электровозах, оборудованных микропроцессорными системами управления и регулирования.
При создании конструкции данного устройства ставились задачи, связанные с модернизацией управляющего электрооборудования электровозов, а именно, разработанное техническое решение должно обладать:
- возможностью управления и осуществления селективного контроля за неисправностями преобразователя с пульта управления ЭВМ в электровозах с микропроцессорной системой управления;
- возможностью передачи информации о фактических значениях входного тока на пульт оператора ЭВМ для использования в общем алгоритме управления и защиты электровоза оборудованного микропроцессорной системой управления;
- возможностью оптимизации параметров регулирования и выработки мгновенных и интегральных сигналов защиты;
- возможностью выдачи на блок управления силовыми ключами (блок диагностики) сигнала «Защита» при превышении соответствующих значений установок;
- возможностью за счет индивидуальной защиты силовых полупроводниковых приборов повысить надежность эксплуатации устройства, снизить эксплуатационные расходы при длительной работе преобразователей, обеспечить предотвращение выходов из строя силовых полупроводниковых модулей, уменьшить количество ложных срабатываний и аварийных ситуаций. Предотвратить опасные пульсации в кривой выпрямительного 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 преобразователей от перенапряжений предусматривают элемент защиты во внешних цепях (по входу или по выходу) преобразователя, что приводит к отключению преобразователя в целом при срабатывании защиты, например, предохранителя. При этом изделие, в которое устанавливается преобразователь становиться неработоспособным.
Так, известен полупроводниковый преобразовательный блок [1], содержащий полупроводниковые приборы и предохранители, установленные каждый на своей снабженной токоподводом с одной стороны то-копроводящей шине постоянного и переменного токов. При возникновении перенапряжения предохранитель отключает полупроводниковый предохранитель от питания. При этом могут быть следующие ситуации, в силу большой инерционности и невысокой точности срабатывания предохранителя, а также запаздывания отключения предохранителя, что
значительно повышает степень возникновения аварийной ситуации, например, из-за короткого замыкания может быть взрыв или пожар. Предварительная ситуация этим известным устройством не фиксируется. Таким образом, недостатком известного устройства является низкая эксплуатационная надежность из-за невысокой эффективности защиты от аварийных ситуаций вследствие неконтролируемости переменных токов перегрузки, поэтому известная конструкция не обладает возможностью контроля за режимом работы каждого полупроводникового прибора.
В этой конструкции при срабатывании даже одного предохранителя становиться неработоспособным весь блок. А это может привести к аварии.
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-параллельных включенных электрических мостов, и предохранители, расположенные между групповыми охладителями.
Недостатки известной конструкции обусловлены тем, что при отсутствии возможности контроля за токами перегрузки питающей сети выход из стоя любого из полупроводниковых приборов отключает от питания все устройство в целом или же при запаздывании отключения повышается степень возникновения аварийной ситуации на транспортном средстве (например, возникновение пожара или взрыв). Это указывает на низкую эксплуатационную надежность и высокую степень аварийности известного преобразователя.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение состоит в создании оригинальной конструкции силового полупроводникового выпрямительно-инверторного преобразователя для транспортного
средства, отличающегося от известных модернизируемостью, включающей повышение степени надежности и безопасности в работе за счет обеспечения постоянного контроля за токами перегрузки и выработки сигналов защиты, позволяющих обеспечить безопасную работу устройства с выведенной на пульт машиниста электровоза сигнализацией о конкретных неисправностях.
При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- высокая надежность;
- возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- высокая степень защиты от аварийных ситуаций в сложных дорожных условиях;
- пожаробезопасность;
- длительный безаварийный срок службы;
- оптимально низкий уровень пульсации преобразователя;
- минимально низкая величина токов утечки.
Предлагается силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства, содержащий корпус с центральным каналом воздушного охлаждения и соединительные шины переменного тока, а на них смонтированы группы силовых полупроводниковых модулей с полупроводниковым прибором, например, тиристором, который в каждом силовом модуле закреплен между катодным и анодным индивидуальными охладителями, установленными на изоляционной монтажной панели для скрепления силовых полупроводниковых модулей между собой, причем с анодными и катодными индивидуальными охладителями соответствующих групп силовых полупроводниковых
модулей соединены соответствующие анодные и катодные выходные шины постоянного тока, а к соединительным шинам переменного тока крепят входные шины для подключения переменного тока.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено установленным изолированно на входном конце каждой соединительной силовой шины переменного тока микропроцессорным блоком защиты преобразователя от токов перегрузки, каждый из которых размещен в креслообразном корпусе, в спинке которого выполнена центральная прорезь для возможности установки силовой шины, по периметру прорези внутри спинки выполнена канавка с размещенным в ней бесконтактным электромагнитным датчиком импульсных токов в виде пояса Роговского, имеющего два изолированных вывода, а в сиденье упомянутого корпуса выполнена прямоугольная полость с размещенной в ней платой, содержащей управляющую блок-схему с контактами, соединенными с двумя выводами упомянутого бесконтактного электромагнитного датчика и с кабелем для подключения к внешним устройствам, при этом с внешней стороны сиденья корпуса установлены металлические стойки для крепления корпуса на изоляционной монтажной панели силового модуля, а спинка и сиденье креслообразного корпуса соединены упрочняющими боковыми косынками.
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 электровозе (рекламный лист прилагается).
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства (структура), вид спереди;
- фиг.2 - то же, вид сбоку;
- фиг.3 - микропроцессорный блок защиты преобразователя от токов перегрузки (аксонометрическое изображение);
- фиг.4 - спинка креслообразного корпуса (вид спереди);
- фиг.5 - сиденье креслообразного корпуса (вид сверху);
- фиг.6 - крепление микропроцессорного блока 14 в силовом полупроводниковом выпрямительно-инверторном преобразователе для транспортного средства;
- фиг.7 - структурная схема работы микропроцессорного блока 14 защиты преобразователя от токов перегрузки.
Заявляемый силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь 1 (см. фиг.1) для транспортного средства содержит (см. фиг.1-6) корпус 1 с центральным каналом 2 воздушного охлаждения и внутренние соединительные силовые шины 4 переменного тока, а на них смонтированы группы 3 силовых полупроводниковых модулей 5.
Каждый силовой полупроводниковый модуль 5 содержит полупроводниковый прибор 6, например, тиристор Т 453-800-36-83-2,2-УЧЛ2 (ТУ 3417-003-41687291-97), закрепленный между анодным 7 и катодным
8 индивидуальными охладителями, установленными на изоляционной монтажной панели 9.
Монтажная панель 9 служит для скрепления силовых полупроводниковых модулей 5 между собой. С анодными и катодными индивидуальными охладителями 7 и 8 соответствующих групп силовых модулей соединены соответствующие анодные 10 и катодные 11 выходные шины постоянного тока.
К соединительным шинам 4 переменного тока крепят входные шины 12 для подключения переменного тока. На входном конце каждой соединительной силовой шины 12 переменного тока изолированно установлен микропроцессорный блок защиты преобразователя от токов перегрузки (поз.14). Каждый блок 14 защиты от перегрузки имеет кресло-образный корпус 15 (фиг.3, 4, 5), в спинке 16 которого выполнена центральная прорезь 17 для возможности прохождения сквозь нее силовой шины 12 переменного тока. По периметру этой прорези 17 внутри спинки 16 выполнена канавка 18с размещенным в ней бесконтактным электромагнитным датчиком 19 импульсных токов в виде пояса Роговского, имеющего два изолированных вывода 20. В сиденье 13 упомянутого корпуса 15 выполнена прямоугольная полость 21 с размещенной в ней на выступах платой 22, содержащей управляющую блок-схему 23 с контактами 24 и 25, соединенными с двумя выводами 20 упомянутого бесконтактного электромагнитного датчика 19 и с кабелем 26 для подключения к внешним устройствам, например, - к блоку диагностики (на фиг. не показан) для контроля за превышением допустимых норм переменного тока, и к пульту (на фиг. не показан) дистанционного управления для выдачи сигнала «Защита» при превышении сигналом соответствующих значений установок.
Креслообразный корпус 15 выполнен из электроизолирующего материала.
С внешней стороны сиденья 13 корпуса 15 установлены (на винтах) металлические стойки 26 для крепления креслообразного корпуса 15 на изоляционной монтажной панели 9 силового модуля 5.
Стенка 16 и сиденье 13 креслообразного корпуса соединены упрочняющими боковыми косынками 27.
Принцип работы заявляемого силового полупроводникового выпрямительно-инверторного преобразователя для транспортного средства переменного тока состоит в следующем. Упомянутый преобразователь устанавливают в электровозе, подключают к тяговым двигателям, к блоку диагностики, пульту управления и к внешней сети переменного однофазного тока (на фиг. не показаны). При подаче переменного напряжения электрический ток протекает по соединительным силовым шинам переменного тока и при этом его значение на каждой шине контролируется установленным на ее входе микропроцессорным блоком 14 защиты преобразователя от токов перегрузки.
При протекании переменного тока по шине 4, на которой установлен микропроцессорный блок 14 идет пропорциональное преобразование с помощью бесконтактного электромагнитного датчика 19 в виде пояса Роговского значения протекающего тока в электрический сигнал. Далее сигнал поступает на блок-схему 23, где происходят следующие его преобразования:
1. Его фильтрация для защиты от помех и шумов;
2. Усиление величины сигнала;
3. Обработка и перевод в цифровую форму усиленного сигнала;
4. Обработка информационной значимости сигнала;
5. Выработка мгновенных и интегральных сигналов защиты;
6. Выдача на блок управления силовыми ключами (блок диагностики) сигнала «Защита», при превышении сигналом соответствующих значений установок;
7. Передача информации о фактических значениях тока и установок по общему каналу связи в стандарте интерфейса RS-485 на плату управляющего контроллера.
Управляющий контроллер систематизирует полученную информацию от всех датчиков и передает ее на пульт управления электровоза для использования в общем алгоритмы управления и защиты электровоза. Для выполнения пунктов 6 и 7 используются соединительные провода кабеля 26.
Таким образом, микропроцессорный блок 11 преобразователя от токов перегрузки используется для бесконтактного преобразования величины переменного тока, проходящего по входной силовой шине преобразователя ВИП-4000Р и ВИП-5600Р в цифровой код и передачи информации по общему каналу связи в стандарте интерфейса RS-485 на стойку управления двигателем, а также для непосредственного воздействия на силовые ключи блока диагностики путем выдачи сигнала типа ТТЛ «Защита» на отдельную линию. При этом микропроцессорный блок 14 обеспечивает защиту в двух временных областях:
- мгновенную защиту при превышении измеряемого тока заданной установки в диапазоне (3000...7500) А (ампл. зн.);
- интегральную защиту при превышении эффективного измеряемого тока заданной установки в диапазоне (2500...5000) А (действующего значения).
Таким образом, благодаря тому, что силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства снабжен установленным изолированно на входном конце каждой
соединительной силовой шины переменного тока микропроцессорным блокам защиты от токов перегрузки, конструкция которого представлена в данном изобретении, обеспечена модернизация устройства, позволившая повысить степень надежности и безопасности в процессе эксплуатации в сложных дорожных условиях за счет возможности постоянного контроля за токами перегрузки и выработки сигналов защиты, позволяющих предварительно подать сигнал о конкретных неисправностях на дистанционный пульт управления (пульт машиниста электровоза) и обеспечить предотвращение аварий.
Заявляемая конструкция силового полупроводникового выпрямительно-инверторного преобразователя для транспортного средства обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с известными конструкциями:
- улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками;
- высокой надежностью эксплуатации в широком диапазоне климатических условий и сложных дорожных ситуациях;
- возможностью точно контролировать изменения входного тока и передавать информацию о фактических значениях тока и установок на блок диагностики и пульт управления электровоза для выработки мгновенных и интегральных сигналов защиты, предотвращающих аварийные ситуации;
- исключением ложных срабатываний защиты;
- высокой степенью защиты от возгорания;
- длительным безаварийным сроком службы;
- оптимально низким уровнем пульсаций преобразователя.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПИСАНИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
25
03
1. Полупроводниковый преобразовательный блок. Патент РФ №1168022, М. кл. H 01 L/, 15.06.1994.
07
23
20
00
2. Полупроводниковый реверсивный преобразователь с системой воздушного естественного охлаждения. Авт. св. №999184, М. кл. H 05 K/, H 01 L/, 23.02.1983 (ПРОТОТИП).