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

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к силовой преобразовательной технике для железнодорожного транспорта, в частности, к силовым полупроводниковым преобразователям для тепловоза с синхронным дизель-генератором. Данный силовой полупроводниковый преобразователь предназначен для преобразования нестабильного по величине и частоте трехфазного переменного напряжения синхронного дизель-генератора в шесть независимо регулируемых постоянных напряжений для раздельного питания тяговых электродвигателей постоянного тока тепловозов (например, магистральных тепловозов 2 ТЭ 116, 2 ТЭ 7, 2 ТЭ 25К) в тяговом режиме и в режиме торможения.
При разработке конструкции заявляемого устройства ставились задачи, связанные с созданием нового электрооборудования для модернизируемых
тепловозов с тяговыми электродвигателями постоянного тока и синхронным дизель-генератором.
В связи с этим достаточно актуальной является задача, состоящая в необходимости создания оригинальной конструкции силового полупроводникового преобразователя, позволяющего обеспечить управление постоянным выходным напряжением для раздельного питания тяговых электродвигателей тепловоза как в режиме тяги, так и в режиме электродинамического торможения без дополнительных средств переключения, в частности, с минимальным количеством коммутационных аппаратов в силовых цепях электрической передачи.
При этом заявляемое изобретение должно обеспечить достижение следующих технических результатов:
- расширение функциональных возможностей преобразователя;
- обеспечение оптимальной компактности устройства и оригинальности его конструкции с жесткими ограничениями по массе и габаритам, соответствующими месту размещения в специальном высоковольтном отсеке локомотива;
- уменьшение разброса токов в силовых цепях за счет обеспечения микропроцессорно управляемой плавной работы преобразователя, который без толчков тока переходит из выпрямительного режима в режим электрического торможения;
- снижение потерь электроэнергии при передаче к тяговым электродвигателям;
- обеспечение возможности проведения агрегатного ремонта устройства за счет модульности блоков всей конструкции;
- обеспечение удобного и доступного для технического обслуживания расположения основных функциональных блоков в устройстве;
- уменьшение количества коммутационных аппаратов в силовых цепях электрической передачи.
Известны силовые полупроводниковые преобразователи, обеспечивающие преобразование переменного тока в выходное постоянное напряжение для питания электродвигателей постоянного тока. Так, известен полупроводниковый преобразователь (Патент RU №1360496, М. кл. Н01L 25/00, публ. 1994.07.15), выполненный в виде силового шкафа, содержащего групповые охладители, полупроводниковые приборы, расположенные между охладителями, блоки импульсных устройств, токопроводящие шины, шины выпрямленного тока, образующие анодную и катодную группы электрических мостов. Недостатками такого типа устройств являются следующие. Это устройство не обладает компактными габаритами вследствие вытянутости по высоте, что не позволит разместить его в невысоком заданном отсеке локомотива.
Существенным недостатком известного преобразователя является невозможность электрического торможения двигателей нагрузки что снижает эффективность использования преобразователя.
Известен полупроводниковый преобразователь (Патент RU 1145410, М. кл. Н02М 5/27, опубл. 1985.03.15), в котором обеспечена возможность электрического торможения двигательной нагрузки. Но из-за ограниченности диапазона его использования (для насосов, компрессоров, вентиляционных установок с статистическими электродвигателями переменного тока). Этот известный преобразователь также является низкоэффективным по возможности его использования в модернизируемых устройствах.
Другим существенным недостатком этого преобразователя является отсутствие компактности и возможности размещения устройства в специальном отсеке с жестко ограниченными размерами.
Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности является полупроводниковый реверсный преобразователь с системой воздушного естественного охлаждения (Авт.св. SU №1352556, М. кл. Н05К 7/20, опубл. 1987.11.15), предназначенный для питания электропривода в подвижном электротранспорте и содержащий корпус с перфорацией в его
стенках, а также установленные в нем вдоль направления воздушного потока групповые охладители, соединенные с токоведущими шинами, полупроводниковые приборы с индивидуальными охладителями, образующие анодную и катодную группы встречно-параллельно включенных электрических мостов, предохранители, расположенные между групповыми охладителями. Недостатком известного преобразователя является невозможность электрического торможения двигателей нагрузки, что снижает эффективность использования и модернизируемости преобразователя. Кроме этого известное устройство недостаточно контактно и имеет большое количество коммутационных средств переключения. Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое 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 и расширенными функциональными возможностями за счет обеспечения электрического торможения, повышенной надежностью работы за счет увеличения эффективности воздушного охлаждения всех блоков устройства.
Техническим результатом при осуществлении изобретения является повышение эффективности работы силового преобразователя путем расширения его функциональных возможностей за счет обеспечения возможности осуществления плавноуправляемого электродинамического режима торможения тяговых электродвигателей тепловоза, что позволит расширить диапазон использования электрического торможения до полной остановки локомотива, а также осуществляет управление электродвигателями в режиме торможения, обеспечивая регулируемое
электродвигателями электродинамическое торможение в широком диапазоне скоростей тепловоза.
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, стационарные боковые стенки и установленные между ними вертикально группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков, собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов с образованием шести каналов преобразования электрической энергии, соединенных с вертикальными фазными токопроводящими шинами трехфазного переменного тока и шинами выпрямленного тока каждого канала преобразования электрической энергии.
Достижение указанных технических результатов обеспечено за счет того, что устройство снабжено системой контроля и управления каналами преобразования электрической энергии в режиме электрического торможения, состоящей из установленного в каждом канале преобразования комбинированного модульного блока и дополнительных соединительных силовых шин для его подключения в цепь канала с возможностью установки в каждом канале преобразования дополнительных выходных клемм для обеспечения режима электрического торможения, причем каждый комбинированный полупроводниковый модульный блок выполнен в виде тормозного диодного полупроводникового модуля с двумя таблеточными диодами, каждый из которых закреплен между индивидуальными охладителями, смонтированными на одной стороне монтажной панели, и стационарного измерительного шунта, смонтированного на противоположной стороне монтажной панели.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся
признаками, идентичными всем существенным признакам предполагаемого 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 магистральных тепловозах 2 ТЭ 116, 2 ТЭ 70, 2 ТЭ 25 К.
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;
- фиг.2 - то же, вид спереди с условно снятым передним щитом;
- фиг.3 - то же, вид спереди;
- фиг.4 - то же, вид сзади с условно снятым задним щитом;
- фиг.5 - то же, вид сверху с расположением условно обозначенных тиристорных модульных блоков 9;
- фиг.6 - то же, вид сверху с реальными тиристорными модульными блоками (реализованное техническое изделие);
- фиг.7 - то же, вид В - (правая боковая стенка 6);
- фиг.8 - силовой полупроводниковый тиристорный модульный блок 9;
- фиг.9 - комбинированный полупроводниковый модульный блок с тормозным диодным полупроводниковым модулем с двумя таблеточными диодами и стационарным измерительным шунтом;
- фиг.10 - то же, вид снизу;
- фиг.11 - второй вариант выполнения комбинированного полупроводникового модуля.
Заявляемый силовой полупроводниковый преобразователь с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения (далее преобразователь 1 - см. фиг.1-5) представляет собой шкаф закрытого исполнения с двусторонним обслуживанием и содержит каркас 2 (см. фиг.1-8) со съемными передним и задним щитами 3 и 4 (фиг.2, 3) левой боковой стенкой 5 и правой боковой стенкой 6 с разъемами 7 для подключения входных цепей управления и кабельными вводами 8 цепей блокировки и измерения тока. Между боковыми стенками 5 и 6 установлены вертикально вдоль направления воздушного охлаждающего потока группы силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков 9 (фиг.8), собранных в шесть трехфазных электрических тиристорных мостов (см. фиг.2, 4, 5).
Каждый силовой полупроводниковый тиристорный модульный блок 9 (см. далее - тиристорный модульный блок 9) содержит таблеточный тиристор 10, например, тиристор Т 453-800-36-83-2, 2-УУЛ (ТУ 3417-003-41687291-97), закрепленный между индивидуальными анодными и катодными охладителями 11, установленными на индивидуальной изоляционной монтажной панели 12, на свободной стороне которой размещена плата 13 формирования импульсов управления силовым тиристором 10.
Группы тиристорных модульных блоков 9 собраны (см. фиг.2, 4) в шесть трехфазных тиристорных мостов с образованием шести каналов преобразования электрической энергии, а именно: первого I, второго II, третьего III, четвертого IV, пятого V и шестого VI каналов преобразования (см. фиг 2, 4, 5, 6), соединенных с внутренними фазными шинами 16 трехфазного переменного тока 14 и 15 (шины - А1, В1, С1 - см. фиг.1 и 2 - поз.14 и шины А2, В2, С2 - см. фиг.3, 4 - поз.15), а также соединенных с
шестью шинами 16 (см. фиг.1, 3) выпрямленного тока каждого канала преобразования.
Преобразователь 1 снабжен системой 17 контроля и управления каналами преобразования электрической энергии в режиме электрического торможении (см. фиг.2, 4).
Система 17 контроля и управления состоит из установленных в каждом из упомянутых каналов преобразования комбинированного модульного блока 18 (фиг.9) и дополнительных соединительных силовых шин 19, 20, 21 (фиг.5) для его подключения в цепь соответствующего канала преобразования с возможностью установки в каждом канале преобразования дополнительных входных клемм 22 для обеспечения режима электрического торможения. Каждый комбинированный полупроводниковый модульный блок 18 выполнен (см. фиг.9) в виде тормозного диодного полупроводникового модуля 23 с двумя таблеточными диодами 24 и 25, каждый из которых закреплен между индивидуальными охладителями 26 и 27, смонтированными на одной стороне монтажной панели 28, и стационарного измерительного шунта, например 29, 75 ШСМ ОМЗ-100-0,5 ТУ 25-04-3104-76, смонтированного на противоположной стороне монтажной панели. Монтажная панель 28 может быть выполнена сборной (см. фиг.9) или цельной деталью (фиг.11).
В силовом преобразователе 1 также содержется шесть блоков развязывающих трансформаторов 36, шесть разъемов 7 (ХР1-ХР6) для присоединения цепей управления преобразователем, клеммный блок защитной блокировки и подвода нулевых проводов питающей цепи сети для трансформаторов синхронизации. Внешние тормозные резисторы подключают клеммами 22.
Для подвода цепей питания преобразователей 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 из 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 (II, III, IV, V и VI), составленных из силовых полупроводниковых тиристорных модульных блоков 9. Упомянутые модульные блоки 9 тиристорных мостов шести каналов преобразования
обеспечивают выпрямление трехфазных переменных напряжений в постоянные независимо регулируемые выходные напряжения с наложенной пульсацией шестикратной частоты. Независимое регулирование выходных напряжений постоянного тока каждого канала осуществляют с внешнего устройства управления тепловоза, подающего управляющие импульсы на платы 13 формирования импульсов управления (платы ФВИ 13) к силовым тиристором 10 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 от управляющего сигнала, поступающего от системы управления.
Блоки управления подачей напряжения к тиристорным модульным блокам 9, включающие трансформаторы 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.
Таким образом, в тяговом режиме шесть каналов преобразования электрической энергии в преобразователе 1 обеспечивают раздельное индивидуальное питание постоянным током тяговых электродвигателей тепловоза, которые обеспечивают движение транспортного средства. Регулирование частоты вращения электродвигателей осуществляют изменением питающего напряжения.
Для перехода из тягового режима в режим электродинамического напряжения отключают от преобразователя 1 якорные обмотки электродвигателей и подключают через тормозной диодный модуль 23 к клеммам 22 преобразователя 1 внешние тормозные резисторы (на фиг. не
показаны) с контролем тока нагрузки посредством стационарного измерительного шунта 29. При этом обмотки возбуждения электродвигателей переключаются к одному каналу преобразования в последовательное соединение. Такое соединение позволяет посредством подачи регулируемого напряжения управлять моментом торможения с контролем тока нагрузки посредством стационарного измерительного шунта. Регулирование торможения осуществляется достаточно плавно, без рывков, обеспечивается более плавный переход из тягового режима в режим электродинамического торможения в широком диапазоне скоростей.
Заявляемая конструкция силового полупроводникового преобразователя для тепловоза с питанием трехфазным переменным током от синхронного дизель-генератора с системой вертикального воздушного охлаждения обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с известными:
- оригинальной конструкцией с повышенной эффективностью использования за счет обеспечения электродинамического торможения без дополнительных средств переключения и создания режима экономного расхода электроэнергии при передаче к тяговым электродвигателям в режимах тяги и электроторможения.
При этом заявляемое изобретение обеспечивает достижение следующих технических результатов:
- расширение функциональных возможностей преобразователя;
- обеспечение оптимальной компактности устройства и оригинальности его конструкции с жесткими ограничениями по массе и габаритам, соответствующими месту размещения в специальном высоковольтном отсеке локомотива;
- уменьшение разброса токов в силовых цепях за счет обеспечения микропроцессорно управляемой плавной работы преобразователя, который без толчков тока переходит из выпрямительного режима в режим электрического торможения;
- снижение потерь электроэнергии при передаче к тяговым электродвигателям;
- обеспечение возможности проведения агрегатного ремонта устройства за счет модульности блоков всей конструкции;
- обеспечение удобного и доступного для технического обслуживания расположения основных функциональных блоков в устройстве;
- уменьшение количества коммутационных аппаратов в силовых цепях электрической передачи.