Высоковольтный регулятор напряжения для пассажирского вагона

УДК 621.3

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

© 2010 г. Т.К. Гайказьян

Московский энергетический институт Moscow Power Engineering Institute

Рассматривается проблема эффективного электроснабжения пассажирского вагона. Так как с развитием комфортабельности пассажирских вагонов требования к качеству электроэнергии повышались, а применяемые решения не обеспечивали необходимой мощности и качества электроэнергии, был создан новый тип высоковольтного регулятора с применением многокаскадной схемы. Используемая методика проектирования позволяет создавать регуляторы с требуемыми параметрами, обеспечивая хорошие массогабаритные показатели и высокий КПД устройства.

Ключевые слова: силовая электроника; высоковольтный регулятор; железнодорожный транспорт; напряжение; электроснабжение вагона.

The article discusses the problem of efficient supply of passenger car. Since the development of passenger car comfort, quality requirements for electricity increases, and applied the solution did not provide the necessary power and power quality, created a new type of high-voltage regulator using multistage scheme. The methodology used design allows you to create controllers with the required parameters, providing good weight and size ratios and high efficiency devices.

Keywords: power electronics; high voltage regulator; rail transport; power; power train.

Введение

Применение в пассажирских вагонах электрического оборудования началось в конце XIX в. Основной задачей в тот период было обеспечение электрического освещения в вагонах. Реализованные решения, использовавшиеся многие десятилетия, основывались на применении электрического генератора с приводом от колесной пары и аккумуляторных батарей.

С развитием электрификации железных дорог появилась возможность применения в вагонах электрического отопления. Для этого в поезде предусматривалась сборная электрическая шина, напряжение в которую подавалось от локомотива. Учитывая исторически сложившиеся условия, международный союз железных дорог (МСЖД) установил для стран Европы три вида напряжения, используемого для питания систем отопления вагонов. В соответствии с этим вагоны оснащались электромеханическими переключающими устройствами для перевода системы отопления на нужное напряжение.

Мощность применявшихся генераторов в большинстве случаев была недостаточной для питания электроустановок вагона, к тому же генераторы вырабатывают электрическую энергию только во время движения поезда.

В связи с этим дальнейшие разработки базировались исключительно на системе питания электрических устройств вагонов от поездной сборной шины, напряжение на которую поступало с пантографа локомотива.

Развитие силовой электроники в конце XX в. позволило создать мощные статические аппараты, пригодные для эксплуатации на подвижном составе.

Структура системы электроснабжения пассажирского вагона

Основные компоненты системы электроснабжения вагона показаны на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства электроснабжения пассажирского вагона: 1 - поездная шина электроснабжения; 2 - выключатель с заземляющим устройством; 3 - блок регуляторов; 4 - потребители постоянного тока; 5 - потребители переменного тока

Это сборная поездная шина (1), выключатель с устройством заземления (2), блок регуляторов (БР) (3), аккумуляторная батарея (4), распределительное устройство (5). Виды нагрузки в вагонах разных типов отличаются незначительно. Наибольшие отличия имеют место в таких специализированных вагонах, как вагон-ресторан из-за наличия кухни или спальный вагон, где имеются сервисное купе и нередко душ.

Блок регуляторов преобразует напряжение сборной шины в другие виды напряжения, которые необходимы для питания вагонных нагрузок. В этом блоке также осуществляется преобразование частоты. От него в первую очередь получают питание экономичные асинхронные двигатели, используемые в установках кондиционирования воздуха, и агрегаты для зарядки аккумуляторных батарей.

Новый тип высоковольтного регулятора напряжения

В ЗАО «ЭлСиЭл» разработан блок регуляторов, который отличается тем, что способен обеспечивать электроэнергией все нагрузки пассажирского вагона при питании от напряжений контактной сети, применяемых в РФ и странах Европы. Во входном звене, представляющем собой высоковольтный статический регулятор (рис. 2), также в качестве элементной базы использованы транзисторы IGBT.

Рис. 2. Блок-схема высоковольтного регулятора: 1 - входной выпрямитель; 2 - регулятор; 3 - батарея конденсаторов промежуточного звена постоянного напряжения; 4 - инвертирующий регулятор; 5 - трансформатор повышенной частоты;

6 - выходной выпрямитель

Для гальванической развязки применен высокочастотный трансформатор, что позволило уменьшить массу регулятора на 40 % по сравнению с однокас-кадным регулятором предыдущей разработки. При этом объем стал меньше на 60 %, а коэффициент мощности возрос с 0,88 до 0,95.

Статический высоковольтный регулятор (СВР) предназначен для питания преобразователя трехфазного кондиционера (ПТК) постоянным напряжением 450 В в составе комплекта преобразователей для пассажирских вагонов с питанием от высоковольтной магистрали в железнодорожных пассажирских вагонах.

Наиболее эффективной оказалась многозвенная схема, состоящая из 6 параллельных звеньев регулятора с гальванической развязкой с помощью высокочастотных трансформаторов.

СВР представляет собой статический полупроводниковый преобразователь входного напряжения переменного (постоянного) тока в выходное стабилизированное напряжение постоянного тока (рис. 3). СВР состоит из входного сглаживающего фильтра, шести входных звеньев регулятора, построенных на базе инвертирующей схемы, шести высокочастотных трансформаторов, шести выходных диодных мостов и общего выходного сглаживающего фильтра.

Каждое звено регулятора состоит из однофазного высокочастотного инвертора, трансформатора и мостового однофазного выпрямителя. Однофазный инвертор формирует последовательность импульсов напряжения прямоугольной формы частотой 7,5 кГц, который подается на первичную обмотку трансформатора. Переменное напряжение с вторичной обмотки подается на вход выпрямителя. На выходе выпрямителя стоит сглаживающий фильтр, на конденсаторах которого получается стабилизированное постоянное напряжение.

Рис. 3. Принципиальная схема СВР: УЛ-КГб - транзисторные модули; VD2, VD3, VD6, VD7 - выпрямительные диоды; блок VD1, VD4, VD5, С1, C4 - ЦФТП; и C3 - выходной LC фильтр; TV1-TV6 - трансформаторы; C2-C6 - разделительные конденсаторы

Импульсы управления ключами формируются системой управления, питание которой осуществляется от вторичных источников питания.

Включение СВР происходит автоматически после подачи на вход напряжения соответствующего уровня (свыше 2200 В) от Ящика Высоковольтного (ЯВ). Регулятор обеспечивает постоянное стабилизированное выходное напряжение на уровне 450 В.

При превышении током нагрузки номинального значения в 70 А происходит стабилизация выходного тока со снижением значения выходного напряжения.

Методика расчета и выбора силовых компонентов высоковольтного регулятора

Для расчёта и выбора параметров силовых компонентов регулятора постоянного напряжения (РПН) необходимо определить требования к его энергетическим характеристикам. На энергетические характеристики РПН влияют следующие параметры:

- напряжение сети, к которой подключается РПН;

- параметры полезной нагрузки;

- требуемая величина КПД регулятора;

- требуемое выходное напряжение;

- требования к трансформатору;

- параметры фильтрации входных и выходных цепей.

Эти данные позволяют определить следующие основные энергетические характеристики РПН:

- величину потребляемого тока регулятора;

- величину энергии, расходуемой регулятором во время работы.

По значению напряжения сети, к которой подключается регулятор, величине максимального тока регулятора выбирается топология схемы РПН.

Результатом расчёта являются следующие параметры силовых элементов регулятора:

1) параметры силовых полупроводниковых ключевых элементов:

- тип ключевых элементов, класс напряжения и тока;

- частота коммутации;

- величина тепловых потерь в ключевых элементах и параметры системы отвода тепла от ключа;

- температура кристалла ключевого элемента;

2) параметры дросселей фильтров на стороне постоянного переменного тока регулятора:

- индуктивность;

- величина падения напряжения на дросселе;

- потери мощности в дросселе.

Для улучшения качества потребляемой энергии регулятора на стороне переменного тока могут использоваться пассивные £С-фильтры, настроенные на резонанс на частоте коммутации ключевых элементов регулятора. В таком случае необходимо рассчитать параметры этого фильтра, обеспечивающего заданную величину ослабления высших гармоник тока регулятора.

Ключевые полупроводниковые элементы РПН работают в режиме с частыми переключениями, причём потери от переключений (потери коммутации) обычно превышают потери проводимости. Поэтому рабочее значение тока полупроводниковых элементов зависит от условий их эксплуатации: частоты коммутации, напряжения на стороне постоянного тока регулятора (коммутируемое напряжения), типа радиатора охлаждения. Величина индуктивности дросселя фильтра, напряжение сети, максимальная величина тока регулятора, а также применяемый метод модуляции напряжения РПН определяют напряжение на стороне постоянного тока статического аппарата. Величина напряжения на стороне постоянного тока регулятора, ток регулятора и частота коммутации обусловливают величину тепловых потерь ключевого элемента, параметры и тип использующейся системы охлаждения. Таким образом, рабочее значение тока полупроводниковых элементов, частота коммутации, напряжение на стороне постоянного тока регулятора и другие параметры РПН являются взаимозависимыми, что приводит к необходимости использовать итерационный метод расчёта и выбора этих параметров.

Для многокаскадной схемы регулятора методика расчета и выбора должна удовлетворять четырём условиям:

- число звеньев обусловлено минимизацией стоимости и массогабаритов РПН;

- параметры трансформатора звена зависят от мощности каждого каскада схемы и соотношения входных и выходных напряжений;

- характеристики силовых полупроводниковых элементов каскада определяются напряжением и током входной и выходной частями;

- на параметры пассивных LC фильтров влияют мощность звена и коэффициент пульсаций.

Анализ системы управления.

Исследование статических и динамических характеристик регулятора

Для стабилизации выходных характеристик обычно используется обратная связь по выходному напряжению или току, а для обеспечения или повышения запаса устойчивости используются корректирующие звенья в цепях обратной связи или контура обратной связи по различным переменным состояния.

Основная проблема, которую необходимо решить при использовании однозвенных и многозвенных фильтров в импульсных источниках питания с отрицательной обратной связью (ОС) по выходному напряжению, заключается в обеспечении достаточно большой глубины отрицательной ОС, а следовательно, коэффициента стабилизации выходного напряжения или тока и, одновременно, обеспечении достаточного запаса устойчивости по фазе и амплитуде.

Импульсные преобразователи являются дискретно нелинейными системами. Для исследования устойчивости работы данных устройств широко используется метод усреднения и линеаризации дискретно нелинейных систем.

VT1

Рис. 4. Схема импульсного преобразователя понижающего типа

Этот метод позволяет перейти от дискретно нелинейной системы к непрерывной линейной с применением метода усреднения и линеаризации дифференциальных уравнений, получить частотную передаточную функцию разомкнутой петли ОС и с помощью частотных критериев определить устойчивость системы, полосу подавления низкочастотных пульсаций и коэффициент стабилизации выходных параметров.

Динамические характеристики (перерегулирование по току и напряжению при включении и отключении РПН, при скачкообразном изменении входного напряжения и нагрузки), высокочастотные пульсации тока дросселя и выходного напряжения могут быть найдены из решения системы дифференциальных уравнений, описывающих переменные состояния: токи в индуктивностях и напряжения на емкостях на различных этапах работы РПН, когда транзистор находится в открытом и закрытом состоянии. Исследование статических характеристик РПН (коэффициент стабилизации выходного напряжения и тока, запас устойчивости, по фазе и амплитуде, полоса подавления низкочастотных пульсаций) осуществляется с помощью критерия Найквиста по частотным характеристикам передаточной функции разомкнутой петли ОС РПН. Частотные характеристики могут быть получены путем сведения дискретно-нелинейных моделей импульсного преобразователя напряжения к непрерывной линейной модели с использованием метода усреднения и линеаризации дифференциальных уравнений. На рис. 4 приведена схема импульсного преобразователя понижающего типа при использовании однозвенного ¿^фильтра с обратными связями по выходному напряжению и току конденсатора.

Физическое макетирование

В ЗАО ЭЛСИЭЛ, где проводилась работа над макетом, был разработан макет регулятора (рис. 5), на базе которого проверялась правильность методики расчета компонентов аппарата.

Рис. 5. Макет регулятора

Рис. 6. Опытный образец высоковольтного регулятора

Также был создан опытный образец регулятора (рис. 6), прошедший необходимые испытания. В настоящее время данная разработка внедрена в серийное производство и используется на железнодорожных вагонах в РФ.

Выводы

Разработана новая схема регулятора для пассажирского вагона, позволившая снизить массогабарит-ные показатели и повысить КПД системы электроснабжения в целом. Опытный образец регулятора успешно прошел испытания и в настоящее время внедряется в серийное производство.

Поступила в редакцию 17 сентября 2010 г.

Гайказьян Тигран Карэнович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Московский энергетический институт (технический университет).

Gaykazyan Tigran Karenovich - post-graduate student, department «Electrical and Electronic Equipment», Moscow Power Engineering Institute (Technical University)._