ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОЗА

Полезная модель относится к конструкции электрических приборов и устройств, в частности к конструкции силовых полупроводниковых преобразователей частоты и напряжения тяговых систем тепловозов и предназначена для преобразования трехфазного нестабильного переменного напряжения тягового генератора в три независимо регулируемых по частоте и напряжению трехфазных систем переменного тока, применяемых для раздельного питания трех асинхронных тяговых электродвигателей тепловоза.
Известен трехфазный инвертор для электроподвижного состава, в общем шкафу которого установлены силовые модули инвертора, соответствующие каждой из трех фаз выходного питающего напряжения. Инвертор отличается тем, что каждый силовой модуль содержит полупроводниковые переключающие модули, соединенные последовательно и образующие соответствующую фазу основной схемы инвертора; демпферные конденсаторы, образующие демпферные схемы переключающих модулей; охладители теплоизлучающих узлов, включая переключающие модули; выводы для подсоединения к внешней схеме: каркас, в котором смонтированы перечисленные составляющие силового модуля. Переключающие модули закреплены на одних поверхностях радиаторных панелей, другие поверхности которых соединены через тепловую цепь с охладителями, расположенными вне общего шкафа. Каркас выполнен съемным относительно общего шкафа. Демпферные конденсаторы закреплены с двух сторон от переключающих модулей. (JP Патент №3271059 «Трехфазный инвертор для электроподвижного состава», Класс Н02М 7/48, опубл. 02.04.2002).
Недостатками известного трехфазного инвертора являются: его большие массо-габаритные показатели, обусловленные применением естественной вентиляции с использованием тепловых труб с низкой механической прочностью тепловых труб, обусловленной консольным креплением их относительно радиаторных панелей. Из-за удаленного расположения от IGВТ-модулей силовых конденсаторов конструкция инвертора не обеспечивает низкую индуктивность силовой ошиновки, поэтому для исключения перенапряжений на ЮBT-модулях при отключении токов короткого замыкания из-за большой индуктивности ошиновки в схеме устанавливают дополнительные дорогостоящие снабберные конденсаторы и низкоиндуктивные резисторы, которые также увеличивают габаритные размеры инвертора. Драйверы управления IGBT-модулями установлены на значительном расстоянии от силовых модулей, что может являться причиной ложного включения модулей и приводить к сбоям в работе инвертора.
Известен трехфазный преобразователь частоты и напряжения, осуществленный с применением платформы SEMIKUBE фирмы SEMIKRON. В основе конструкции преобразователя лежит единичный модуль, содержащий IGBT-транзисторы или выпрямители, DC-шину с конденсаторами, радиатор, вентилятор, драйвер и датчик тока. Для увеличения выходной мощности единичные модули соединяются шинами параллельно в горизонтальном или вертикальном положении. Объединенные в необходимой конфигурации единичные модули устанавливаются в корпус и снабжаются терминалами для внешнего подключения.
Кроме элементов инвертора, образуют модули выпрямителей, каждый модуль которых, кроме того, содержит охлаждаемый банк конденсаторов и датчиков.
(Колпаков А. Исследовательская сеть SEMIKRON - глобальное решение локальных задач. - (Электронные компоненты. 2005. №5, журнал).
Недостатком известного преобразователя является то, что необходимо иметь две системы принудительной вентиляции силовых элементов - одну для коммутирующих элементов и другую или другие - для охлаждения банка конденсаторов преобразователя, механическая прочность единичного модуля, входящего в преобразователь, из-за недостаточной механической защищенности корпуса не позволяет использовать указанные модули на транспорте. Кроме того, единичные модули рассчитаны на питающее напряжение до 1000 В, а на тепловозе рабочим напряжением является напряжение, равное от 1800 до 2000 В.
Известен преобразователь частоты, принятый за прототип, содержащий охваченные общим кожухом первую камеру (секцию), в которой размещен комплект элементов силовой инверторной части электрической схемы преобразователя частоты, и вторую камеру (секцию), в которой размещен комплект элементов управляющей части электрической схемы преобразователя частоты, каждая из камер содержит основание, нижнюю стенку, на которой размещены соответствующие внешние разъемы (разъемные соединения), и верхнюю стенку, основание первой камеры снабжено средством настенного крепления и выполнено с ребристой наружной поверхностью, при этом на его внутренней безреберной поверхности установлены с обеспечением теплового контакта активные элементы силовой части электрической схемы преобразователя частоты, а на верхнем торце - блок вентиляторов, комплект элементов силовой части электрической схемы содержит силовые диодные полупроводниковые модули выпрямителя, силовые полупроводниковые фазные модули инвертора, батарею конденсаторов и дроссели сглаживающего фильтра, снабберный конденсатор, датчики выпрямленного тока и напряжения, комплект элементов управляющей части электрической схемы содержит микропроцессорное устройство (контроллер), модуль дискретного ввода-вывода, источник вторичного питания и панель местного управления, для которой в кожухе выполнено соответствующее окно.
(RU, Патент №66141 U1 «Преобразователь частоты», Класс Н05К 7/00, опубл. 27.08.2007.).
Недостатками известного преобразователя являются:
- преобразователь позволяет вести управление только одним асинхронным электродвигателем;
- преобразователь не имеет тормозного модуля, обеспечивающего торможение тягового электродвигателя;
- не является оптимально компактным для управления тремя асинхронными тяговыми электродвигателями, так как в этом случае необходимо применить три аналогичные устройства, размещение которых в специальном отсеке локомотива невозможно;
- силовые конденсаторы размещаются на слишком большом расстоянии от полупроводниковых коммутационных элементов;
- устройство имеет высокую индуктивность токопроводящей ошиновки инвертора, что снижает надежность работы.
Техническим результатом полезной модели является создание компактного с минимальной массой и надежного силового полупроводникового преобразователя частоты и напряжения с системой вертикального воздушного охлаждения для трехфазных асинхронных электродвигателей тепловоза, позволяющего проводить его агрегатный ремонт за счет модульности блоков, при этом обеспечивается компактность со строго ограниченными размерами по месту размещения в высоковольтной камере тепловоза, повышенная надежность работы за счет устройства контроля изоляции, повышение вибропрочности силовых модулей и уменьшения индуктивного сопротивления ошиновки инверторов, модульность блоков, монтажа и демонтажа блоков, входящих в преобразователь, эффективность воздушного охлаждения всех блоков преобразователя, торможение тяговых электродвигателей.
Указанный технический результат достигается тем, что в трехфазном преобразователе частоты и напряжения для тепловоза, содержащем шкаф с первой камерой, в которой размещен комплект элементов силовой части преобразователя, и второй камерой, в которой размещен комплект элементов управляющей части преобразователя; комплект элементов силовой части преобразователя снабжен силовыми диодными полупроводниковыми модулями выпрямителя, силовыми полупроводниковыми фазными модулями инвертора, конденсаторами и датчиками выпрямленного тока и напряжения, комплект элементов управляющей части снабжен микропроцессорным устройством, камеры снабжены основанием, выпрямитель с силовыми диодными полупроводниковыми модулями выполнен в виде силового трехфазного мостового выпрямителя, шкаф снабжен общим каркасом и основанием, общим для первой и второй камеры, в котором предусмотрены отверстия для ввода/вывода силовых кабелей и для выхода охлаждающего воздуха, и снабжен правой боковой стенкой и левой боковой стенкой, на которой размещены внешние разъемные соединения, две верхние стенки, на которых предусмотрены входы для охлаждающего воздуха, заднюю стенку, лицевую стенку, выполненную в виде четырех раскрывающихся дверей, две из которых выполнены в виде лицевой части первой камеры преобразователя, третья дверь выполнена в виде лицевой части второй камеры, прикрывающей нишу с размещенной в ней микропроцессорной системой управления преобразователем, и четвертая дверь выполнена в виде лицевой части второй камеры, прикрывающей силовую часть этой камеры, а между третьей и четвертой дверями второй камеры размещена лицевая приборная панель; вторая камера преобразователя отделена от первой камеры преобразователя изоляционной стенкой, выполненной из стеклотекстолитовой плиты, через которую проходят силовые шины питания инверторной части преобразователя и кабели цепей управления; в первой камере преобразователя размещен комплект элементов силовой инверторной части преобразователя, содержащий силовые полупроводниковые фазные модули инверторов в количестве девяти штук с датчиками фазного тока инверторов, три силовые полупроводниковые тормозные модули с датчиками постоянного напряжения и тока, блоки питания драйверов управления силовыми транзисторами, установлены четыре вертикально расположенных стандартных швеллера, на передних частях которых вертикально закреплены два гнутых уголка и два гнутых швеллера, к которым прикреплены охладителями три силовых полупроводниковых тормозных модуля и девять силовых полупроводниковых фазных модулей так, что активные части модулей размещены во внутреннем объеме первой камеры, а охлаждаемая ребристая часть модулей размещена во внешней части камеры и образует с задней наклонной дополнительной изоляционной стенкой преобразователя вентиляционный канал, разделенный на три отсека изоляционными переборками, закрепленными на боковых частях стандартных швеллеров, активное сечение вентиляционного канала переменно относительно его высоты, а из девяти силовых полупроводниковых фазных и трех силовых полупроводниковых тормозных модулей токопроводящими шинами образованы три инвертора напряжения, каждый из которых выполнен из трех горизонтально расположенных силовых полупроводниковых фазных модулей и силового полупроводникового тормозного модуля, расположенного в верхней части камеры преобразователя, в каждом силовом полупроводниковом фазном и силовом полупроводниковом тормозном модуле на специальных консолях установлен силовой конденсатор, соединенный токопроводящими короткими гибкими шинами с силовыми входами постоянного тока модулей для повышения вибропрочности модулей и снижения коммутируемых индуктивностей в режимах короткого замыкания; во второй камере преобразователя размещен комплект силовой выпрямительной части преобразователя, содержащий шесть силовых полупроводниковых диодных модулей, каждый из которых состоит из таблеточного диода, закрепленного между индивидуальным анодным и катодным охладителями, установленными на индивидуальной изоляционной монтажной панели, силовые полупроводниковые диодные модули сгруппированы в два ряда, каждый диодный модуль скреплен с другим диодным модулем ряда через стеклотекстолитовую изоляционную прокладку, а каждый ряд модулей закреплен на боковых стеклотекстолитовых изоляционных стенках второй камеры преобразователя, токопроводящие части силовых полупроводниковых диодных модулей соединены токопроводящими шинами и образуют силовой трехфазный мостовой выпрямитель, на шинах силового трехфазного мостового выпрямителя установлены датчики фазного тока и датчики выпрямленного тока и напряжения, выход силового трехфазного мостового выпрямителя выполнен токопроводящими шинами, которые проходят из второй камеры в первую камеру через стенку, выполненную из стеклотекстолитовой плиты, отделяющей вторую камеру от первой камеры, во второй камере установлены две лицевые изоляционные стеклотекстолитовые стенки, одна из которых примыкает к верхнему ряду силовых полупроводниковых диодных модулей, другая примыкает к нижнему ряду силовых полупроводниковых диодных модулей, на нижней изоляционной стеклотекстолитовой стенке установлен трехполюсный разъединитель переменного тока питания силового трехфазного мостового выпрямителя, контактор системы подогрева преобразователя, вентилятор системы подогрева преобразователя, устройство контроля изоляции преобразователя, датчик температуры воздуха в преобразователе; на верхней лицевой изоляционной стеклотекстолитовой стенке, образующей с боковой стенкой преобразователя и стенкой, выполненной из стеклотекстолитовой плиты, отделяющей вторую камеру от первой камеры, нишу, размещена микропроцессорная система управления преобразователем, которая кабелями соединена с датчиками преобразователя, а через внешние разъемные соединения, размещенные на левой боковой стенке преобразователя, соединена с микропроцессорной системой управления тепловоза, датчиками частоты вращения асинхронных тяговых электродвигателей, датчиками температуры асинхронных тяговых электродвигателей; на приборной лицевой панели второй камеры размещен вольтметр и амперметр измерения выходного тока и напряжения силового трехфазного мостового выпрямителя, вторая камера преобразователя содержит вентиляционный канал охлаждения силовых полупроводниковых диодных модулей силового трехфазного мостового выпрямителя, который образован боковыми изоляционными стеклотекстолитовыми стенками камеры, двумя лицевыми изоляционными стеклотекстолитовыми стенками - одной, примыкающей к верхнему ряду силовых полупроводниковых диодных модулей, другой, примыкающей к нижнему ряду силовых полупроводниковых диодных модулей силового трехфазного мостового выпрямителя, изоляционной стенки, выполненной из стеклотекстолитовой плиты, отделяющей вторую и первую камеры преобразователя, и левой боковой и задней стенок второй камеры преобразователя.
Сущность заявленной полезной модели пояснена следующими чертежами:
Фиг.1 - Трехфазный преобразователь частоты и напряжения для тепловоза, вид спереди.
Фиг.2 - Вид спереди фиг.1 на преобразователь с условно снятыми лицевыми дверями.
Фиг.3 - Вид спереди фиг.1 на преобразователь с условно снятым электрооборудованием.
Фиг.4 - Вид сверху фиг.1 на преобразователь.
Фиг.5 - Вид спереди фиг.1 на вторую камеру с условно снятыми лицевыми дверями и панелью приборов.
Фиг.6 - Вид сверху фиг.1 на первую камеру преобразователя с условно снятой верхней стенкой.
Фиг.7 - Вид сверху фиг.1 на вторую камеру преобразователя с условно снятой верхней стенкой.
Фиг.8 - Сечение Г-Г фиг.2 в вертикальной плоскости канала охлаждения тепловыделяющих элементов первой камеры преобразователя.
Фиг.9 - Узел А фиг.2 - Силовой полупроводниковый фазный модуль инвертора (оксонометрическое изображение).
Фиг.10 - Узел Б фиг.2 - Силовой полупроводниковый тормозной модуль инвертора (оксонометрическое изображение).
Фиг.11 - Узел В фиг.2 - Силовой полупроводниковый диодный модуль силового трехфазного мостового выпрямителя.
Фиг.12 - Структурная схема преобразователя с элементами тяговой передачи тепловоза фиг.1.
Полезная модель трехфазного преобразователя частоты и напряжения для тепловоза с системой вертикального воздушного охлаждения, далее - преобразователь 1 (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 12), выполнен в виде шкафа 2 (фиг.1, 2, 3, 4), закрытого исполнения с односторонним обслуживанием и снабжен общим каркасом 3 первой камеры 4 и второй камеры 5 (фиг.1, 2, 3, 5) и снабжен общим для первой 4 камеры и второй 5 камеры основанием 6 (фиг.1, 2, 3, 5), в котором предусмотрены отверстия для ввода/вывода силовых кабелей и выхода охлаждающего воздуха (на чертеже не показано), и снабжен правой боковой стенкой 7 (фиг.1) и левой боковой стенкой 8 (фиг.1, 2, 4, 5, 7), на которой размещены внешние разъемные соединения 9 (фиг.5, 7), двумя верхними стенками 10 и 11 (фиг.4), на которых предусмотрены входы 12 для охлаждающего воздуха (фиг.4), задней стенкой 13 (фиг.4, 6, 7, 8), лицевой стенкой, выполненной в виде четырех раскрывающихся дверей, две из которых, 14 и 15 (фиг.1, 4), выполнены в виде лицевой части первой камеры 4, третья дверь 16 выполнена в виде лицевой части второй камеры 5 (фиг.1, 4), прикрывающей нишу с размещенной в ней микропроцессорной системой управления 17 (фиг.2, 5) преобразователем, четвертая дверь 18 (фиг.1) выполнена в виде лицевой части второй камеры 5, прикрывающей силовую часть этой камеры. Вторая камера 5 отделена от первой камеры 4 (фиг.2, 5) преобразователя 1 изоляционной стенкой 19 (фиг.5, 6, 7), выполненной из стеклотекстолитовой плиты, через которую проходят токопроводящие шины 20 питания инверторной (первой камеры 4) части преобразователя 1 (фиг.2, 5) и кабели 21 цепей управления (фиг.2, 5). Между третьей 16 и четвертой 18 дверями второй камеры размещена лицевая приборная панель 22 (фиг.1). На лицевой приборной панели 22 второй камеры 5 размещены амперметр 23 и вольтметр 24 для измерения выходного тока и напряжения (фиг.1) силового трехфазного мостового выпрямителя 25 (фиг.2, 5).
В первой камере 4 (фиг.2) преобразователя 1 размещен комплект элементов силовой инверторной части преобразователя 1, содержащий в количестве девяти штук силовые полупроводниковые фазные модули 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34 с датчиками фазного тока 35 инверторов преобразователя 1, три силовые полупроводниковые тормозные модули 36, 37 и 38 с датчиками постоянного напряжения (на чертеже не показано) и тока 39, инверторов преобразователя 1, блоки питания 40 (фиг.2) драйверов управления силовыми транзисторами фазных модулей 26, 37, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 и тормозных модулей 36, 37, 38 преобразователя 1.
Для компактного размещения комплекта оборудования инверторной части преобразователя 1 в первой камере 4 (фиг.6) преобразователя 1 установлены четыре вертикально расположенных стандартных швеллера 41 (фиг.6), на передних частях которых вертикально закреплены два гнутых уголка 42 (фиг.3, 6) и два гнутых швеллера 43 (фиг.3, 6), к которым прикреплены охладителями три силовые полупроводниковые тормозные модули 36, 37 и 38 (фиг.2, 6) и девять силовых полупроводниковых фазных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34 (фиг.2) так, что активные части модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37 и 38 размещены во внутреннем объеме камеры 4 (фиг.6, 8), а охлаждаемая ребристая часть охладителей модулей (фиг.9, 10) размещена во внешней части камеры 4 и образует с задней наклонной дополнительной изоляционной стенкой 44 (фиг.6, 8) преобразователя 1 вентиляционный канал 45, разделенный на три отсека изоляционными переборками 46, закрепленными на боковых частях стандартных швеллеров 41 (фиг.6). Активное сечение вентиляционного канала 45 переменно относительно его высоты, а изменение сечения канала осуществлено применением наклонной дополнительной изоляционной задней стенки 44 (фиг.8).
Из девяти силовых полупроводниковых фазных и трех силовых полупроводниковых тормозных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37 и 38 шинами 20 питания инверторной части преобразователя 1 (фиг.2) образованы три инвертора напряжения, каждый из которых выполнен из трех горизонтально расположенных силовых полупроводниковых фазных модулей и силового полупроводникового тормозного модуля, расположенного в верхней части камеры преобразователя 1, так один инвертор напряжения содержит силовые полупроводниковые фазные модули 26, 27, 28 и силовой полупроводниковый тормозной модуль 36 (фиг.2), другой инвертор содержит силовые полупроводниковые фазные модули 29, 30, 31 и силовой полупроводниковый тормозной модуль 37 (фиг.2), и третий инвертор содержит силовые полупроводниковые фазные модули 32, 33, 34 и силовой полупроводниковый тормозной модуль 38 (фиг.2).
Каждый силовой полупроводниковый фазный модуль инверторов (фиг.9) содержит охладитель 47, на котором установлен на специальных консолях 48 силовой конденсатор 49, который соединен токопроводящими короткими гибкими шинами 50 для повышения вибропрочности модуля и снижения коммутируемых индуктивностей в режимах короткого замыкания, с входами постоянного тока силового полупроводникового фазного модуля, выполненным плюсовой 51 и минусовой 52 шинами, два установленных на охладителе 47 и последовательно включенных IGBT-транзисторов 53 и 54 с драйверами управления 55 и 56, ограничитель напряжения (на чертеже не показан), датчик фазного тока 35, установленный на кронштейне 57, входные шины 51 и 52 постоянного тока с присоединительными клеммами, выходную шину фазного тока 58 с присоединительной клеммой.
Каждый силовой полупроводниковый тормозной модуль (фиг.10) также содержит охладитель 47, на котором установлен на специальных консолях 48 силовой конденсатор 49, соединенный короткими гибкими токопроводящими шинами 50 для повышения вибропрочности модуля и снижения коммутируемых индуктивностей в режимах короткого замыкания, с силовыми входами постоянного тока силового полупроводникового тормозного модуля - одной с входной положительной шиной 59, соединенной с коллектором тормозного IGBT-транзистора 60 тормозного модуля, другой - с отрицательной шиной 61, соединенной с анодом диода тормозного IGBT-транзистора 60, драйвер 62 управления тормозным IGBT-транзистором 60 тормозного модуля, установленный на IGBT-транзисторе 60, датчик температуры модуля 63, датчик выходного тока 39 тормозного модуля, установленный на кронштейне 64, датчик напряжения, размещенный на охладителе под силовым конденсатором (на чертеже не показан), отрицательную шину 61 с присоединительной клеммой, выходную шину 65 с присоединительной клеммой.
Во второй камере 5 (фиг.2, 5) преобразователя 1 размещен комплект силовой выпрямительной части преобразователя 1, содержащий шесть силовых полупроводниковых диодных модулей силового трехфазного мостового выпрямителя 25, каждый из которых состоит из таблеточного диода 66, например типа 01800N, закрепленного между индивидуальными анодными 67 и катодными 68 охладителями, установленными на индивидуальной изоляционной монтажной панели 69 (фиг.11). Силовые полупроводниковые диодные модули сгруппированы в два ряда, каждый диодный модуль ряда скреплен с другим диодным модулем ряда через стеклотекстолитовую изоляционную прокладку 70 (фиг.7). Каждый ряд силовых полупроводниковых диодных модулей закреплен на боковых стеклотекстолитовых изоляционных стенках 71 (фиг.7) второй камеры 5 преобразователя 1. Токопроводящие части силовых полупроводниковых диодных модулей соединены токопроводящими шинами 72 и образуют силовой трехфазный мостовой выпрямитель 25 (фиг.5). На шинах силового трехфазного мостового выпрямителя 25 (фиг.5) установлены датчики 73 фазного тока и датчики выпрямленного тока 74 и напряжения 75. Выход силового трехфазного мостового выпрямителя 25 выполнен токопроводящими шинами 20, которые проходят из второй камеры 5 в первую камеру 4 через стенку 19, выполненную из стеклотекстолитовой плиты, отделяющей вторую камеру 5 от первой 4 (фиг.5). Во второй камере 5 (фиг.5) установлены две лицевые стеклотекстолитовые изоляционные стенки, одна из которых верхняя 76 примыкает к верхнему ряду диодных модулей, другая нижняя 77 примыкает к нижнему ряду диодных модулей (фиг.5). На нижней стеклотекстолитовой изоляционной стенке 77 установлен трехполюсный разъединитель 78 переменного тока питания силового трехфазного мостового выпрямителя 25, контактор 79 системы подогрева преобразователя 1, вентилятор 80 системы подогрева преобразователя 1, устройство контроля изоляции 81 преобразователя 1, датчик температуры 82 воздуха в преобразователе 1 (фиг.2, 5). На верхней лицевой стеклотекстолитовой изоляционной стенке 76, образующей с боковой стенкой 8 и стенкой 19 (фиг.5, 7), выполненной из стеклотекстолитовой плиты, отделяющей вторую камеру 5 от первой камеры 4, нишу, размещена микропроцессорная система управления 17 (фиг.2, 5) преобразователем 1, которая кабелями 21 (фиг.5) соединена с датчиками 35, 39, 63, 73, 74, 79 и 82 (фиг.2, 5, 9, 10) преобразователя 1 устройством контроля изоляции 81, драйверами 55 и 56 силовых полупроводниковых фазных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 и драйверов 62 тормозных модулей 36, 37, 38. Через внешние разъемные соединения 9, размещенные на левой боковой стенке 8 (фиг.5) преобразователя 1, микропроцессорная система управления 17 преобразователя 1 (фиг.5, 12) соединена с микропроцессорной системой управления 83 тепловоза, датчиками 84 частоты вращения асинхронных тяговых электродвигателей 85, датчиками 86 температуры асинхронных тяговых электродвигателей (фиг.12). На приборной лицевой панели 22 второй камеры размещен вольтметр 24 и амперметр 23 измерения выходного тока и напряжения силового трехфазного мостового выпрямителя 25 (фиг.1, 2). Вторая камера 5 преобразователя 1 содержит вентиляционный канал 87 охлаждения силовых полупроводниковых диодных модулей силового трехфазного мостового выпрямителя 25, который образован боковыми стеклотекстолитовыми изоляционными стенками 71 второй камеры 5, двумя лицевыми 76, 77 стеклотекстолитовыми изоляционными стенками - одной верхней 76, примыкающей к верхнему ряду силовых полупроводниковых диодных модулей, другой нижней 77, примыкающей к нижнему ряду силовых полупроводниковых диодных модулей силового трехфазного мостового выпрямителя 25, изоляционной стенки 19, выполненной из стеклотекстолитовой плиты, отделяющей вторую 5 и первую 4 камеры преобразователя 1, и левой боковой 2 и задней 13 стенок второй камеры 5 преобразователя 1 (фиг.2, 4, 5, 7).
В нижней части камеры 4 и камеры 5 преобразователя 1 (фиг.1, 2) размещены присоединительные силовые клеммы. Так, в первой камере 4 преобразователя 1 размещены выходные клеммы 88 для присоединения тяговых асинхронных электродвигателей 85 и клеммы 89 для присоединения тормозных резисторов 90 (фиг.1, 2, 12). Во второй камере 5 (фиг.1) преобразователя 1 размещены клеммы 91 для ввода силового питания в преобразователь 1 от синхронного тягового генератора 92 тепловоза и клеммы 93 для вывода выпрямленного преобразователем 1 напряжения тягового генератора 92 для нагружения на внешний нагрузочный реостат 94 (фиг.1, 12).
На корпусе преобразователя 1 предусмотрены две бонки 95, 96 заземления преобразователя 1 (фиг.2) для подключения заземляющих преобразователь 1 проводников. Кроме того, в первой камере 4 (фиг.2) расположены элементы подогрева, выполненные в виде блока резисторов подогрева 97.
Тяговый генератор 92 (фиг.12) соединен с валом теплового двигателя 98, например, дизеля. Трехфазный выход генератора 92 соединен через клеммы 91 с трехполюсным разъединителем 78 переменного тока питания, выход которого через датчики фазного тока 73 соединены с входом силового трехфазного мостового выпрямителя 25 преобразователя 1. Выход постоянного тока силового трехфазного мостового выпрямителя 25 соединен через датчики выпрямленного тока 74 с силовыми полупроводниковыми фазными модулями 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34 преобразователя 1. Преобразователь 1 содержит три инвертора напряжения 99, 100, 101, каждый из которых образован из трех силовых полупроводниковых фазных модулей и одного силового полупроводникового тормозного модуля. Инверторы напряжения 99, 100 и 101 образованы токопроводящими шинами 20. Каждый из образованных инверторов напряжения 99, 100 и 101 соединен со своим асинхронным тяговым электродвигателем 85. Каждый из асинхронных тяговых электродвигателей 85 содержит датчик 84 частоты вращения и датчик 86 температуры асинхронных тяговых электродвигателей, которые через разъемные соединения 9 соединены с микропроцессорной системой управления 17 преобразователем 1. Силовые полупроводниковые тормозные модули 36, 37 и 38 инверторов напряжения через клеммные соединения 89 присоединены к тормозным резисторам 90 тяговой передачи тепловоза. Микропроцессорная система управления 17 кабелем соединена с инверторами напряжения 99, 100 и 101 преобразователя 1. Кроме того, микропроцессорная система управления 17 соединена с устройством контроля изоляции 81 преобразователя 1, системой подогрева 102 преобразователя 1 и имеет электрическую связь с микропроцессорной системой управления 83 тепловозом и пультом машиниста 103. Система подогрева преобразователя 1 состоит из контактора 79, вентилятора 80, датчика температуры 82, резисторов подогрева 104 (фиг.1, 2, 5, 12). Пульт управления машиниста 103 соединен с микропроцессорной системой управления 83 тепловозом, которая соединена с регулятором частоты вращения дизеля 97 и блоком возбуждения 105 тягового генератора 92. На корпусе шкафа (фиг.2, 12) преобразователя 1 размещены бонки 95 и 96 заземления преобразователя 1, к которым подключен заземляющий проводник 106 (фиг.12).
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
Силовой шкаф преобразователя 1 устанавливают на посадочные места в специальном отсеке тепловоза и к бонкам 95 и 96 заземления подключают заземляющий проводник 106 (фиг.2, 12). Производят монтаж силовых цепей и цепей управления преобразователя 1 в соответствии со структурной схемой преобразователя с элементами тяговой передачи тепловоза, а именно, через разъемные соединения 9 (фиг.5, 7, 12) подсоединяют питание 110 В постоянного тока с пульта управления 103 машиниста к микропроцессорной системе управления 17 преобразователя 1, к блоку питания 40 драйверов 55, 56 и 62 силовых полупроводниковых фазных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34 и силовых полупроводниковых тормозных модулей 36, 37 и 38 инверторов напряжения 99, 100 и 101, к системе подогрева 102 преобразователя 1.
Подключают через разъемные соединения 9 датчики частоты вращения 84 и температуры 86 тяговых асинхронных электродвигателей 85 (фиг.2, 5, 12); микропроцессорную систему управления 17 подключают к микропроцессорной системе 83 управления тепловозом (МПСУ верхнего уровня) по последовательному каналу связи, к входным силовым клеммам 91 подсоединяют три фазы тягового синхронного генератора 92 тепловоза. К выходным клеммам 88 подсоединяют тяговые асинхронные электродвигатели 85, к выходным клеммам 89 подсоединяют тормозные резисторы 90 тепловоза (фиг.12).
Тепловым двигателем 98 тепловоза, например, дизелем, приводят во вращение тяговый синхронный генератор 92. Через разъемные соединения 9 (фиг.5, 7, 12) подают питание 110 В в преобразователь 1, микропроцессорной системой управления 83 тепловозом управляют блоком 105 возбуждения тягового генератора 92 и возбуждают тяговый синхронный генератор 92. Подают трехфазное переменное напряжение на клеммы 91 (фиг.5, 12) преобразователя 1, которое через разъединитель 78 (фиг.5, 12) поступает на вход силового трехфазного мостового выпрямителя 25 (фиг.2, 12). Выпрямленное напряжение с выхода силового трехфазного мостового выпрямителя 25 (фиг.2, 5, 12) через датчики тока 74 подают на входы трех инверторов напряжения 99, 100 и 101, расположенных в первой камере 4 (фиг.2, 12) преобразователя 1. Через входные разъемные соединения 9 (фиг.5, 7, 12) в микропроцессорную систему управления 17 подают сигналы из МПСУ 83 верхнего уровня, датчиков 84 частоты вращения тяговых электродвигателей 85, подают сигналы с датчиков тока 35, 39 и напряжения 75 и других датчиков преобразователя 1. Микропроцессорная система управления 17 (фиг.2, 5, 12) производит выработку команд управления инверторами напряжения 99, 100 и 101 напряжения преобразователя 1, состоящих из силовых полупроводниковых фазных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34 и силовых полупроводниковых тормозных модулей 36, 37 и 38 в соответствии с заданным режимом работы от МПСУ 83 верхнего уровня. На силовых клеммах 88 (фиг.1, 2, 12) преобразователя 1, к которым подключены тяговые асинхронные электродвигатели 85, инверторами напряжения 99, 100 и 101 вырабатываются регулируемые по частоте и напряжению трехфазные напряжения переменного тока. Тяговые асинхронные электродвигатели 85, частота вращения и мощность нагружения которых регулируется преобразователем 1 в зависимости от заданного МПСУ 83 верхнего уровня режима работы, приводятся во вращение.
Преобразователь 1 обеспечивает следующие режимы работы тепловоза:
- режим тяги;
- режим торможения.
В режиме тяги в микропроцессорную систему управления 17 через входные разъемные соединения 9 преобразователя 1 (фиг.5, 7, 12) поступает сигнал, пропорциональный заданной тяговой мощности тепловоза, который сравнивается в микропроцессорной системе управления 17 с измеренной мощностью на выходе силового трехфазного мостового выпрямителя 25, которую определяют в микропроцессорной системе управления 17 по сигналам датчиков выпрямленного тока 74 и датчика напряжения 75, установленных на выходе силового трехфазного мостового выпрямителя 25 (фиг.2, 12). По результату сравнения мощностей микропроцессорная система управления 17 вырабатывает сигналы управления силовыми полупроводниковыми фазными модулями 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 (фиг.2) преобразователя 1 и переводит инверторы напряжения 99, 100 и 101, образованные этими модулями, в режим векторной широтно-импульсной - модуляции (ШИМ), для чего обрабатывает сигналы, поступающие в нее с выходов датчиков 35 фазного тока силовых полупроводниковых фазных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34 (фиг.2), и сигналы, пропорциональные частоте вращения роторов тяговых электродвигателей 85, поступающие в микропроцессорную систему управления 17, с датчиков частоты 84 вращения роторов через разъемные соединения 9 и производит индивидуальное управление тяговыми асинхронными электродвигателями 85 (фиг.12). Регулирование при трогании тепловоза осуществляется с переменной частотой и переменным питающим напряжением тяговых электродвигателей 85, но с постоянным вращающим моментом на тяговых электродвигателях 85. Регулирование в режиме постоянной мощности осуществляется при неизменном напряжении и переменной частоте вращения тяговых электродвигателей 85 и изменяющемся моменте тяговых электродвигателей 85.
В режиме торможения тепловоза в микропроцессорную систему управления 17 через разъемные соединения 9 (фиг.5, 7, 12) преобразователя 1 из МПСУ 83 верхнего уровня поступает сигнал задания на режим торможения. Микропроцессорной системой управления 17, инверторы напряжения 99, 100 и 101 переводятся из режима инвертирования входного напряжения в режим выпрямления переменных трехфазных напряжений, поступающих со статорных обмоток тяговых электродвигателей 85 на клеммы 88 преобразователя 1, и далее - на фазные входы силовых полупроводниковых фазных модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 и 34 инверторов напряжения 99, 100 и 101 (фиг.2, 12). Выпрямленные инверторами напряжения 99, 100 и 101 трехфазные напряжения тяговых электродвигателей 85 через силовые полупроводниковые тормозные модули 36, 37 и 38 поступают на клеммы 89 преобразователя 1 (фиг.2, 12) и далее - на тормозные резисторы 90 тепловоза, в которых и выделяется мощность тормозящих тяговых электродвигателей 85. Частота вращения тормозящих тяговых электродвигателей 85 регулируется микропроцессорной системой управления 17 в зависимости от заданной тормозной характеристики тепловоза.
Установленное в преобразователе 1 (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) оборудование обеспечивает защиты:
- от коротких замыканий в силовых внутренних и внешних цепях преобразователя 1 по сигналам датчиков 73 (фиг.2, 5) фазного тока, при этом защита активных элементов силовых полупроводниковых модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37 и 38 (фиг.2, 9) в режимах короткого замыкания от перенапряжений, возникающих в цепях постоянного тока за счет снижения коммутируемых индуктивностей этих цепей, обеспечивается за счет подключения силовых конденсаторов 49 непосредственно на силовые входы коммутирующих элементов (IGBT-транзисторов модулей), что повышает надежность и долговечность упомянутых модулей и в целом преобразователя 1, позволяет конструкцию преобразователя 1 осуществить более компактной;
- от снижения сопротивления изоляции в силовых цепях ниже установленного уровня по сигналу устройства контроля изоляции 81 (фиг.5);
- от превышения температуры на активных коммутирующих элементов силовых полупроводниковых модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37 и 38 по сигналам датчиков температуры, например, датчика 63 (фиг.10);
- от переохлаждения активных элементов силовых полупроводниковых модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37 и 38 (фиг.2) в камере 4 преобразователя 1 с помощью системы подогрева 102 от переохлаждения, выполненной с использованием контактора 79, вентилятора 80 и элементов подогрева в виде блока резисторов подогрева 104; защита включается автоматически по сигналу датчика температуры 82 воздуха в преобразователе 1 (фиг.5), если измеренная температура составляет минус 25°С и ниже, и отключается, если измеренная температура превышает минус 20°С.
При работе преобразователя 1 охлаждение активных тепловыделяющих частей преобразователя 1 осуществляется по двум вертикальным воздушным системам охлаждения - одной, представляющей из себя вентиляционный канал 87 второй камеры 5 с прямоугольным сечением, не изменяющемся по высоте преобразователя 1, с расположенными в канале диодными силовыми модулями второй камеры 5, другой, представляющей из себя вентиляционный канал 45 первой камеры 4, разделенный переборками на три отсека, в которых расположены ребристые части охладителей силовых полупроводниковых модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37, 38, с изменяющимся по высоте преобразователя 1 активным сечением вентиляционного канала за счет применения задней наклонной дополнительной изоляционной стенки 44 в первой камере 4, чем обеспечивается равномерное охлаждение расположенных по высоте канала силовых полупроводниковых модулей 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 36, 37, 38 за счет изменения аэродинамического сопротивления по высоте вентиляционного канала 45 первой камеры 4 (фиг.2, 8).
Охлаждающий воздух нагнетается в вентиляционные каналы 87 и 45 преобразователя 1 от вентилятора охлаждения преобразователя 1, расположенного вне преобразователя 1.
Заявленная конструкция трехфазного преобразователя частоты и напряжения для тепловоза обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с известными конструкциями:
- оптимальной компактностью с минимальной массой, соответствующей месту размещения преобразователя в специальном высоковольтном отсеке тепловоза;
- повышением эффективности воздушного охлаждения потоками воздуха благодаря обеспечению равномерного охлаждения активных тепловыделяющих частей преобразователя 1 за счет изменения аэродинамического сопротивления в вентиляционном канале из-за наклонного расположения задней стенки канала;
- повышением надежности работы за счет контроля изоляции, повышение вибропрочности силовых модулей и уменьшения индуктивного сопротивления ошиновки инверторов напряжения преобразователя;
- конструктивной обеспеченностью для проведения агрегатного ремонта устройства за счет модульности блоков преобразователя.
Техническим результатом полезной модели является создание компактного с минимальной массой и надежного силового полупроводникового преобразователя частоты и напряжения с системой вертикального воздушного охлаждения для трехфазных асинхронных электродвигателей тепловоза, позволяющего проводить его агрегатный ремонт за счет модульности блоков, при этом обеспечивается компактность со строго ограниченными размерами по месту размещения в высоковольтной камере тепловоза, повышенная надежность работы за счет устройства контроля изоляции, повышение вибропрочности силовых модулей и уменьшения индуктивного сопротивления ошиновки инверторов, модульность блоков, монтажа и демонтажа блоков, входящих в преобразователь, эффективность воздушного охлаждения всех блоков преобразователя, торможение тяговых электродвигателей.
Опытный образец полезной модели трехфазного преобразователя частоты и напряжения для тепловоза изготовлен и установлен на тепловозе ТЭ25А и отвечает всем заявленным техническим результатам.