Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства

Полезная модель относится к области тяжелого машиностроения, в частности, тягового подвижного состава, на котором применяются тяговые полупроводниковые преобразовательные установки (тяговые выпрямительные установки, тяговые преобразователи частоты, тяговые инверторы и др.). Такие установки широко применяются, например, на электрическом тяговом подвижном составе (электровозы, электропоезда) переменного тока, на дизельном тяговом подвижном составе с электрическими передачами мощности переменно-постоянного и переменно-переменного тока и др.
Опыт эксплуатации силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и др.) в тяговых полупроводниковых преобразовательных установках на тяговом подвижном составе и в энергоснабжении показывает, что основные повреждения силовых полупроводниковых приборов при импульсных тепловых нагрузках обусловлены процессами термомеханического старения припоев, расстройствами контактов между силовыми полупроводниковыми приборами и охладителями, вызываемыми значительными колебаниями температуры при нерегулируемом охлаждении [Киселев И.Г., Буянов А.Б. Расчеты нагрева и охлаждения полупроводниковых преобразовательных установок железнодорожного транспорта. - С-Пб, ПГУПС-ЛИИЖТ, 2001. - 80 с; Хазен М.М. Исследование и разработка системы автоматического регулирования режимов принудительного воздушного охлаждения полупроводникового преобразователя при переменных нагрузках // Совершенствование процессов теплообмена и аэродинамики электроподвижного состава // Тр. ВНИИ ж.-д. трансп. (ВНИИЖТ). - М. Транспорт, 1979. - №617. - С. 40-54]. С температурой силовых полупроводниковых приборов и тяговых полупроводниковых преобразовательных установок и характером ее изменения непосредственно связаны показатели надежности силовых полупроводниковых приборов и тяговых полупроводниковых преобразовательных установок: интенсивность отказов и циклостойкость. Оценочные расчеты показывают, что при изменении температуры силовых полупроводниковых приборов на 10°С интенсивность отказов увеличивается в среднем на 25%. При увеличении амплитуды колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов значительно снижается циклостойкость. Расчеты показывают, что один процент уменьшения амплитуды колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов в 5 раз более эффективная мера повышения надежности силовых полупроводниковых приборов по сравнению с таким же снижением его средней температуры.
Известно устройство для охлаждения силового полупроводникового преобразователя [А.с. SU 613306 (СССР). Устройство для охлаждения силового полупроводникового преобразователя. Кл. G05D 23/19 /М.М. Хазен, В.И. Иванов, 1978. Б.И. №24], содержащее связанный с блоком управления регулятор расхода воздуха через вентилятор, термочувствительный мост, резистивный мост, выход которого подключен к блоку управления, датчик тока силовой цепи полупроводниковых преобразователей и измерительные элементы, например логометры, при этом с целью повышения точности устройства, оно содержит источник эталонного напряжения, преобразователь мощности на датчике Холла, выход которого подключен параллельно одному из силовых вентилей полупроводникового преобразователя, обмотка электромагнита связана с датчиком тока силовой цепи, а выход подключен к первым неподвижным рамкам каждого логометра, вторые неподвижные рамки которых подключены соответственно к выходу термочувствительного моста и к источнику эталонного напряжения, подвижные рамки логометров связаны с подвижными контактами резисторов резистивного моста.
В этом устройстве используется дополнительный сигнал управления по току силовой цепи, что улучшает его работу. Однако в нем не используется второй очень важный дополнительный сигнал управления по температуре наружного охлаждающего воздуха, которая в эксплуатации изменяется в очень широком диапазоне (от - 50 до +40°С). Это является существенным недостатком данного устройства. Кроме того, устройство отличается большой сложностью и низкой надежностью. Например, подвижные трущиеся контакты резисторов резистивного моста в условиях тряски и вибрации на подвижном составе работают ненадежно, а сопротивление этих контактов меняется в процессе эксплуатации, что искажает характеристики устройства. Из-за наличия в устройстве релейного элемента, содержащего реверсивный двигатель, оно при определенных условиях может работать в релейном режиме, что приведет к колебаниям температуры со значительными амплитудами, а тем самым к уменьшению надежности силовых полупроводниковых приборов и к увеличению затрат мощности на его охлаждение [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977. - 224 с; Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 с].
Известно устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя [А.с. SU 985770 (СССР). Устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя. Кл. G05D 23/19 / М.М. Хазен, Н.П, Морозова, 1982, Б.И. №48], содержащее вертикально установленный воздуховод с расположенными в нем силовыми полупроводниковыми элементами с охладителями анодной и катодной сторон и магистраль, в которой установлены вентилятор и регулирующий орган, связанный через блок регулирования с датчиком температуры силового полупроводникового элемента, причем с целью повышения точности и экономичности устройства, в воздуховоде установлены вертикальные перегородки, разделяющие охладители анодной и катодной сторон силовых полупроводниковых элементов и образующие каналы, причем вход и выход каналов, в которых расположены охладители анодных сторон силовых полупроводниковых элементов, соединены с окружающей средой и с магистралью соответственно, а вход и выход каналов, в которых расположены охладители катодных сторон силовых полупроводниковых элементов, соединены с окружающей средой.
Это устройство по принципу построения управляющей части ничем не отличается от предыдущего и ему присущи все те же недостатки этого устройства.
Известно устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя [А.с. SU 1141384 (СССР). Устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя. Кл. G05D 23/19 / М.М. Хазен, Н.П. Морозова, С.Д. Соколов и И.Г. Глухов, 1985], причем с целью повышения экономичности устройства, оно содержит трехходовые клапаны, приводы которых соединены с блоком регулирования, причем вход каждого из трехходовых клапанов соединен с выходом соответствующего канала, образованного охладителем катодной стороны силового полупроводникового преобразователя, а выходы - с окружающей средой и входом канала, образованного охладителем анодных сторон силового полупроводникового преобразователя. Данное устройство также имеет своими недостатками большую сложность и низкую надежность.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбрана автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства [Патент RU 2284049. Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства. Луков Н.М., Ромашкова О.М., Космодамианский А.С„ Алейников И.А., Стрекалов Н.Н., опубл. 20.09.2006, Б.И. №26], включающая в себя систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, установленной в воздуховоде, содержащей силовые полупроводниковые приборы с охладителями, и подключенной к источнику напряжения и нагрузке; вентилятор, установленный в нагнетательном воздуховоде, датчик температуры силового полупроводникового прибора, датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, также содержит датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик подачи вентилятора, установленные в нагнетательном воздуховоде системы охлаждения, несколько датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов (по числу высоко нагревающихся приборов), микропроцессорный контроллер, в который входят устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов; устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по подаче вентилятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки как объекта регулирования температуры в статике и предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным в заданном диапазоне изменения тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, температуры наружного охлаждающего воздуха и подачи вентилятора, первое, второе и третье сравнивающие устройства; первое, второе и третье задающие устройства; причем выходные сигналы датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов подключены к входам устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов, выход которого подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен к первому входу второго сравнивающего устройства, выход датчика температуры наружного охлаждающего воздуха подключен к первому входу третьего сравнивающего устройства, ко вторым входам первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены выходы соответственно первого, второго и третьего задающих устройств, а выходы первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства коррекции коэффициента передачи регулятора, к четвертому его входу подключен выход датчика подачи вентилятора, а выход устройства коррекции коэффициента передачи регулятора подключен к входу управляемого привода вентилятора.
Недостатком этой автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства являются значительные колебания температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, что обусловлено низким быстродействием из-за тепловой инерции при воздушном охлаждении.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства за счет уменьшения колебаний температуры в силовых полупроводниковых приборах.
Технический результат достигается тем, что автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, включающая в себя систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, установленной в воздуховоде, содержащей силовые полупроводниковые приборы с охладителями, и подключенной к источнику напряжения и нагрузке; вентилятор, установленный в нагнетательном воздуховоде, несколько датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов (по числу высоко нагревающихся приборов), датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик подачи вентилятора, установленные в нагнетательном воздуховоде системы охлаждения, микропроцессорный контроллер, в который входят устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов; устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по подаче вентилятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки как объекта регулирования температуры в статике и предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным в заданном диапазоне изменения тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, температуры наружного охлаждающего воздуха и подачи вентилятора, первое, второе и третье сравнивающие устройства; первое, второе и третье задающие устройства; причем выходные сигналы датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов подключены к входам устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов, выход которого подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен к первому входу второго сравнивающего устройства, выход датчика температуры наружного охлаждающего воздуха подключен к первому входу третьего сравнивающего устройства, ко вторым входам первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены выходы соответственно первого, второго и третьего задающих устройств, а выходы первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства коррекции коэффициента передачи регулятора, к четвертому его входу подключен выход датчика подачи вентилятора, а выход устройства коррекции коэффициента передачи регулятора подключен к входу управляемого привода вентилятора, содержит драйвер тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, в микропроцессорный контроллер входят математическая модель мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, четвертое задающее устройство, четвертое сравнивающее устройство, регулятор мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, ограничитель частоты коммутации тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, задатчик частоты коммутации, причем к первому входу математической модели мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен выход датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, а выход математической модели мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен к первому входу четвертого сравнивающего устройства, причем выход устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов подключен к второму входу математической модели мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, к третьему входу которой подключен выход ограничителя частоты коммутации тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, причем выход четвертого задающего устройства подключен к второму входу четвертого сравнивающего устройства, выход которого подключен к входу регулятора мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, выход которого подключен к входу ограничителя частоты коммутации тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, выход которого подключен к задатчику частоты коммутации, выход которого подключен к драйверу тяговой полупроводниковой преобразовательной установки.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, на фиг. 2 изображена принципиальная блок-схема автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства.
В автоматическую систему регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства (фиг. 1) входят: СО - система охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 1); ДТ1 и ДТ2 - датчики температуры силовых полупроводниковых приборов (поз. 2 и 3); ДТН - датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 4); ДТ3 - датчик температуры наружного охлаждающего воздуха (поз. 5); ДПВ - датчик подачи воздуха вентилятором охлаждения (поз. 6); СУ1, СУ2, СУ3 - сравнивающие устройства (поз. 7, 8, 9); ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 - задающие устройства - задатчики заданных значений величин (поз. 10, 11, 12); УВ - устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчика регулируемой величины (поз. 13); УК - устройство коррекции коэффициента передачи регулятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 14); ВО - вентилятор охлаждения (поз. 15); ПВ - привод вентилятора (поз. 16). Дополнительно в схему введены: математическая модель мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 17), четвертое задающее устройство ЗУ4 (поз. 18), четвертое сравнивающее устройство СУ4 (поз. 19), регулятор мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 20), ограничитель частоты коммутации тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 21), задатчик частоты коммутации (поз. 22), драйвер тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 23).
11
12
1
2
в
11
12
2
3
3j
су
к
1
мм
1
2
3
4
Привод вентилятора ПВ и вентилятор охлаждения ВО образуют ИРУ - исполнительно-регулирующее устройство; Т, T - регулируемые величины (температуры силовых полупроводниковых приборов); I, Т - основные возмущающие воздействия на систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки СО (ток нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и температура наружного охлаждающего воздуха); Q,  - регулирующие воздействия на систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки СО (подача воздуха вентилятором охлаждения и частота коммутации силовых полупроводниковых приборов); n - частота вращения вала вентилятора; U, U, U, U - выходные сигналы датчиков; U - выходные сигналы задатчиков; U - выходные сигналы сравнивающих устройств; U - выходной сигнал устройства коррекции коэффициента передачи регулятора; U - выходной сигнал устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчика регулируемой величины; U - выходной сигнал математической модели мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки; η, η, η, η - сигналы задания.
Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства имеет два канала регулирования по двум регулирующим воздействиям - подаче воздуха Q вентилятором охлаждения и частоте коммутации  силовых полупроводниковых приборов.
Функциональные элементы системы регулирования ДТ1, ДТ2, УВ, ЗУ1, СУ1, ДПВ, УК, ПВ и ВО образуют регулятор по отклонению регулируемой температуры от заданного значения. Функциональные элементы системы регулирования ДТ3, ЗУ2, СУ2, ПВ и ВО образуют регулятор по возмущению - току нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (току статора тягового асинхронного двигателя); функциональные элементы системы регулирования ДТН, ЗУ3, СУ3, ПВ и ВО образуют регулятор по возмущению - температуре наружного охлаждающего воздуха. Регулятор по отклонению ДТ1, ДТ2, УВ, ЗУ1, СУ1, ДПВ, УК, ПВ и ВО вместе с СО образуют замкнутый контур по каналу подачи воздуха Q в системе регулирования, регуляторы по возмущениям образуют разомкнутые контуры по каналу подачи воздуха Q.
Функциональные элементы системы регулирования ДТН, ММ, ЗУ4, СУ4, Рег, Огр, ЗЧК и Др образуют регулятор по отклонению мощности потерь силовой полупроводниковой преобразовательной установки от заданного значения. Регулятор по отклонению ДТН, ММ, ЗУ4, СУ4, Рег, Огр, ЗЧК и Др вместе с СО образуют замкнутый контур по каналу частоты коммутации  в системе регулирования.
Известно [Применение тяговых электроприводов с двух- и трехуровневыми автономными инверторами напряжения / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Наука и техника транспорта, 2013. - №1. - С. 74-83; Система управления тягового электропривода с контролем температуры теплонагруженных элементов / А.С. Космодамианский, Л.М. Клячко, В.И.
Воробьев, А.А. Пугачев // Электротехника. - 2014. - №8. - С. 38-43], что греющие потери в силовых полупроводниковых приборах (биполярные транзисторы с изолированным затвором и диоды) складывается из электрических и коммутационных потерь, которые вызывают нагрев полупроводника.
Мощность коммутационных потерь в транзисторах:
вкл
выкл
где  - частота коммутации транзисторов, Е и Е - энергия коммутационных потерь транзистора при замыкании и размыкании цепи коллектор-эмиттер соответственно.
Мощность коммутационных потерь диодов, обусловленные восстановлением обратного сопротивления:
восс
где Е - энергия восстановлением обратного сопротивления диода. Мощность электрических потерь в транзисторах:
кэ
пр
где u(i,θ) - граничное падение напряжения перехода коллектор-эмиттер при прямом токе, i - ток, θ - температура силового полупроводникового прибора, Т - время проводимости силового полупроводникового прибора, Т - период коммутации силового полупроводникового прибора, Т = 1/.
Мощность электрических потерь в диодах:
Зависимость значения граничного падения напряжения перехода коллектор-эмиттер при прямом токе от тока i и температуры силового полупроводникового прибора θ можно представить так:
Воздушное охлаждение силовых полупроводниковых приборов имеется низкое быстродействие, что обусловлено инерционностью теплообмена между корпусом силового полупроводникового прибора или радиатором, в случае его установки, и охлаждающим воздухом. Эта инерционность вызывает колебания температуры.
Из выражений (1), (2) видно, что коммутационные потери в основном являются функцией частоты коммутации , следовательно, меняя частоту коммутации , можно менять потери и, соответственно, нагрев полупроводников.
Введение дополнительного канала регулирования по частоте коммутации  позволяет практически безынерционно (время регулирования частоты коммутации  определяется быстродействием микропроцессорного контроллера, которое в настоящее время составляет микросекунды) изменять величину греющих потерь и, следовательно, температуру силового полупроводникового прибора, уменьшая, тем самым, колебания температуры.
мм
рег
огр
зчк
зчк
Достижение поставленной задачи в предлагаемой автоматической системе регулирования решается следующим образом. Математическая модель мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки ММ (поз. 17) на основе информации о токе нагрузки, получаемой с датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки ДТН (поз. 4), частоте коммутации, получаемой с ограничителя частоты коммутации тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 21), температуре тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, получаемой с устройства выбора УВ (поз. 13), а также паспортных данных силовых полупроводниковых приборов по формулам (1)-(5) рассчитывает значение мощности потерь. Это значение сравнивается с заданием на мощность потерь в сравнивающем устройству СУ4 (поз. 19), которое поступает с задающего устройства ЗУ4 (поз. 18). Сигнал U с выхода сравнивающего устройства СУ4 (поз. 19) подается на регулятор мощности потерь тяговой полупроводниковой преобразовательной установки Рег (поз. 20), где происходит его усиление, после чего усиленный сигнал U подается на ограничитель частоты коммутации тяговой полупроводниковой преобразовательной установки Огр (поз. 21), где происходит ограничение сигнала по максимальному и минимальному значениям. Максимальное значение выбирается исходя из значений времени включения и выключения силового полупроводникового прибора (максимальное значение устанавливается в соответствии с паспортными данными на силовой полупроводниковый прибор); минимальное значение должно соответствовать требованию удовлетворительного гармонического состава тока нагрузки, что, в свою очередь, зависит от параметров схемы замещения тягового асинхронного двигателя. Сигнал U с выхода ограничителя Огр (поз. 21) подается на задатчик частоты коммутации ЗЧК (поз. 22), который формирует сигнал задания частоты коммутации U в соответствии с количеством силовым полупроводниковых приборов. Драйверы Др (поз. 22) усиливают сигнал U таким образом, чтобы обеспечить гарантированное включение/выключение силовых полупроводниковых приборов.
Таким образом, автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства обеспечивает повышение надежности тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства за счет уменьшения колебаний температуры в силовых полупроводниковых приборах.
На принципиальной блок-схеме предлагаемой автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, представленной на фиг. 2, функции всех вычислительных устройств (ММ, СУ, УВ, УК, УУ, Рег), ЗУ, Огр и ЗЧК выполняет микропроцессорный контроллер МПК (поз. 24).
d
11
12
2
Конструктивно предлагаемая автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства содержит следующие основные элементы (фиг. 2): тяговую полупроводниковую преобразовательную установку 25, питаемую напряжением U, установленную в воздуховоде 24, соединенном нагнетательным воздуховодом 26 с вентилятором охлаждения 15, датчики 2 и 3 температуры Т и Т силовых полупроводниковых приборов 28 и 29 (которые представляют собой параллельно включенные биполярный транзистор с изолированным затвором и диод), тяговый асинхронный двигатель АД 30, датчик 4 тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (ток статора тягового асинхронного двигателя АД 30), плавно управляемый привод 16 вентилятора охлаждения, питаемый напряжением U с частотой  датчик 5 температуры Т наружного охлаждающего воздуха, датчик 6 подачи Q вентилятора охлаждения 15 и микропроцессорный контроллер 24.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что за счет введения дополнительного регулирующего воздействия по частоте коммутации силовых полупроводниковых приборов обеспечивают уменьшение колебаний температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, что обеспечивает увеличение надежности последней.