ТЯГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к конструкции электрических приборов и устройств, и предназначена для преобразования постоянного напряжения контактной сети в две независимо регулируемых по частоте и напряжению трехфазных системы переменного тока, применяемых для раздельного питания двух асинхронных тяговых электродвигателей электровоза.
Известен тяговый преобразователь для электровоза, состоящий из отсека охлаждения, содержащего вентилятор, раздающий и собирающий коллекторы, а так же силового отсека, содержащего соединенные патрубками с раздающим и собирающим жидкостными коллекторами одинаковые жидкостные охладители. На охладителях установлены переключающие IGBT модули, посредством низкоиндуктивной ошиновки образующие фазы двух трехфазных автономных инверторов, предназначенных для подключения к фазным выводам двух трехфазных электродвигателей и два тормозных регулятора, предназначенных для подключения к тормозным резисторам. В отсеке охлаждения содержатся один воздушно-жидкостный теплообменник и один гидронасос. На шести жидкостных охладителях расположено по четыре переключающих IGBT модуля. На двух жидкостных охладителях расположено по два переключающих IGBT модуля и по одному диодному модулю. (Патент №89036 «Тяговый преобразователь для электровоза» авторы: Колоколкин Ю.Г., Чупин Я.В., Петишев Е.П., Быков В.А., Бабков Ю.В., Клименко Ю.И., Перфильев К.С., опубл. 27.11.2009, Бюл. №33).
Недостатком известного преобразователя является большая сложность жидкостной системы охлаждения, что ведет к увеличению его габаритов, массы и стоимости. В эксплуатации это дополнительные затраты на его техническое обслуживание и ремонт.
Другим недостатком является высокая токсичность охлаждающей жидкости, требующая специальной утилизации при замене.
Наиболее близкого по технической сущности технического решения в общедоступных источниках информации не найдено.
Задачей полезной модели является создание компактного асинхронного тягового преобразователя для электровозов с централизованной принудительной воздушной системой охлаждения и питающихся от контактной сети постоянного тока, уменьшение габаритов, массы и цены изделия, исключение перенапряжений на IGВТ-модулях при отключении токов короткого замыкания, повышение надежности и ремонтопригодности тягового преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что тяговый преобразователь для электровоза состоящий из каркаса, в верхней части которого установлена воздушная система охлаждения, представляющая собой четыре оребренные алюминиевые плиты двух модулей инверторов и двух модулей чопперов, объединенные в прямоугольный воздуховод, при этом каждая пара плит образует вертикальные боковые стенки воздуховода, а верхнюю и нижнюю стенки воздуховода образуют металлические крышки, модули каждой стороны преобразователя выполнены с горизонтальным расположением оребрения охладителей и имеют индивидуальный горизонтальный канал для прохода охлаждающего воздуха, между этими двумя каналами расположен еще один обводной канал, образованный перегородками и предназначенный для транзита воздуха, охлаждающего тяговые двигатели и другое оборудование электровоза, на входе которого установлена дроссельная планка, позволяющая регулировать скорость воздуха в индивидуальных каналах путем изменения ее ширины; каждый силовой модуль инверторов напряжения содержит по четыре полупроводниковых переключающих модуля-IGВТ с установленными на них драйверами управления, соединенных по два последовательно посредством низкоиндуктивной ошиновки компланарной структуры, представляющие собой прессованные монолитные плоские сборки, состоящие из медных шин, изолированных друг от друга тонким слоем диэлектрика и подключенные входами «плюс» и «минус» к соответствующим выводам батареи низкоиндуктивных конденсаторов, установленных под модулями инверторов и чопперов, средние точки последовательно соединенных модулей-IGВТ подключены к датчикам тока, выходы которых соединены с шинами, предназначенными для подключения к фазным выводам трехфазных электродвигателей и образующие две фазы схемы инверторов напряжения, а третьи фазы схемы инверторов напряжения образуют модули-IGВТ расположенные по два в каждом модуле чоппера, последовательно соединенные посредством низкоиндуктивной ошиновки и подключенные входами «плюс» и «минус» к соответствующим выводам батареи низкоиндуктивных конденсаторов, средние точки последовательно соединенных модулей-IGВТ подключены к датчикам тока, выходы которых соединены с шинами, предназначенными для подключения фазных выводов трехфазных электродвигателей, образующие два инвертора напряжения преобразователя; в каждом модуле чоппера расположено еще по одному модулю-IGВТ и по одному диодному модулю, соединенных последовательно посредством низкоиндуктивной ошиновки и подключенных входами «плюс» и «минус» к соответствующим выводам батареи низкоиндуктивных конденсаторов, а выходами к входам датчиков тока, выходы которых соединены с шинами для подключения выводов тормозных резисторов, образующих два тормозных регулятора преобразователя, а также микропроцессорный блок управления, установленный под воздуховодом, и фильтровые конденсаторы расположенные в основании каркаса.
Положительный эффект полезной модели проявляется в том, что предлагаемое техническое решение по созданию конструкции тягового преобразователя для электровозов с централизованной системой воздушного охлаждения и питающихся от контактной сети постоянного тока позволяет создать компактный асинхронный тяговый электропривод. При этом конструкция преобразователя способствует значительному уменьшению перенапряжений на IGВТ-модулях при отключении токов короткого замыкания, повышению надежности и ремонтопригодности преобразователя, а также уменьшению габаритов, массы и цены изделия.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где:
На фиг.1 - система охлаждения преобразователя.
На фиг.2 - поперечный разрез проточной части системы охлаждения преобразователя.
На фиг.3 - а конструкция преобразователя:
а - вид спереди, б - вид сзади.
В тяговом преобразователе для электровоза, в верхней части каркаса установлена воздушная система охлаждения (фиг.1, фиг.2), представляющая собой четыре оребренных алюминиевых плиты 1 (модули инверторов А1, A3 и модули чопперов А2, А4), объединенные в прямоугольный воздуховод. Каждая пара плит образует вертикальную боковую стенку воздуховода: модули А1 и А2 - правую по ходу движения воздуха, модули A3 и А4 - левую. Верхнюю и нижнюю стенки воздуховода образуют металлические крышки 2, 3. Модули каждой стороны преобразователя выполнены с горизонтальным расположением оребрения охладителей и имеют индивидуальный горизонтальный канал 4 для прохода охлаждающего воздуха. Между этими двумя каналами расположен еще один обводной канал 5, образованный перегородками 6 и предназначенный для транзита воздуха, охлаждающего тяговые двигатели и другое оборудование электровоза. На входе обводного канала установлена дроссельная планка 7. В конструкции преобразователя (фиг.3-а, фиг.3-б) каждый силовой модуль инверторов напряжения 8 (на фиг.3-а обозначен А1, на фиг.3-б обозначен A3) содержит по четыре полупроводниковых переключающих IGBT-модуля с установленными на них драйверами управления, посредством низкоиндуктивной ошиновки 9 компланарной структуры, которые представляют собой прессованные монолитные плоские сборки, состоящие из медных шин, изолированных друг от друга тонким слоем диэлектрика, соединенные по два модуля IGBT последовательно и подключенные входами «+» и «-» к соответствующим выводам батареи конденсаторов 10, средние точки последовательно соединенных модулей подключены к датчикам тока 11, выходы которых соединены с шинами 12, предназначенными для подключения к фазным выводам трехфазных электродвигателей и образующими две фазы схемы инверторов напряжения. Третьи фазы схемы инверторов напряжения образуют IGВТ-модули, расположенные по два в каждом модуле чоппера 13 (на фиг.3-а обозначен А2, на фиг.3-б обозначен А4), последовательно соединенные и подключенные входами «+» и «-» к соответствующим выводам батареи конденсаторов 10, а средние точки последовательно соединенных IGВТ-модулей подключены к датчикам тока 11, выходы которых соединены с шинами 12, предназначенными для подключения к фазным выводам трехфазных электродвигателей. В каждом модуле чоппера 13 расположено еще по одному IGBT-модулю и по одному диодному модулю, соединенных последовательно посредством низкоиндуктивной ошиновки и подключенных входами «+» и «-» к соответствующим выводам батареи конденсаторов 10, а выходами к шинам 14, предназначенным для подключения тормозных резисторов и образующим два тормозных регулятора. Под модулями А1÷А4 расположены конденсаторы 10 и блок управления инвертором 15. В нижней части каркаса преобразователя размещены фильтровые конденсаторы 16 (С1-С5), панель диодов 17, датчики тока 18 и 19 (ТА2 и ТА1 фиг.3-а и фиг.3-б соответственно) и датчики напряжения 20 и 21 (TV2 и TV1 фиг.3-а и фиг.3-в соответственно). С правой стороны от модуля чоппера А2 (на фиг.3-а) установлены: блок питания драйверов 22 (А8), нагреватель 23 (E1), вентилятор 24 (М2) и с противоположной стороны преобразователя (фиг.3-б) слева от модуля А4 чоппера установлены: блок питания драйверов 25 (А9), нагреватель 26 (Е2), вентилятор 27 (МЗ). Нагреватели предназначены для подогрева IGВТ-модулей, драйверов и блоков питания драйверов в зимнее время при температурах ниже минус 35°С путем принудительной конвекции воздуха внутри преобразователя с помощью вентиляторов. При температуре выше указанной нагреватели отключаются, а вентиляторы постоянно осуществляют принудительную конвекцию воздуха внутри преобразователя.
Тяговый преобразователь работает следующим образом: напряжение контактной сети прикладывается к обкладкам батареи конденсаторов 10 и 16, заряжая их, и к входам «+» и «-» инверторов 8. Переключающие IGBT-модули переключаются по закону синусоидальной широтно-импульсной модуляции, формируя в обмотках электродвигателей две трехфазные синусоидальные системы напряжений и токов. В зависимости от фазы формируемого тока относительно напряжения на валах электродвигателей формируется тяговый или тормозной момент. Переключающие IGВТ-модули тормозных регуляторов постоянно выключены. При этом в режиме тяги ток потребляется инверторами из контактной сети, а в режиме торможения отдается в контактную сеть. При невозможности потребления тока контактной сетью в режиме торможения ток отдается инверторами в батареи конденсаторов 10 и 16, подзаряжая их. При превышении напряжением на батареях конденсаторов 10 и 16 допустимой величины переключающие IGBT-модули тормозных регуляторов начинают переключаться с постоянной частотой. Через тормозные резисторы начинает протекать ток. Длительность включенного состояния переключающих IGBT-модулей выбирается такой, чтобы напряжение на конденсаторных батареях 10 и 16 не превышало допустимой величины. В результате протекания тока по переключающим IGВТ-модулям, а так же при переключении из непроводящего состояния в проводящее и обратно в них выделяется энергия в виде тепла, которое передается охладителям. Охлаждающий воздух, поступающий в систему охлаждения преобразователя из централизованной воздушной системы охлаждения электровоза, отбирает от них тепло. Это обеспечивает необходимый тепловой режим переключающих IGBT-модулей.
Таким образом, предложенная конструкция тягового преобразователя для электровозов с централизованной системой воздушного охлаждения и питающихся от контактной сети постоянного тока позволяет создать компактный асинхронный тяговый электропривод. При этом конструкция преобразователя способствует значительному уменьшению перенапряжений на IGBT-модулях при отключении токов короткого замыкания, повышению надежности и ремонтопригодности преобразователя, а также уменьшению габаритов, массы и цены изделия.