ЭЛЕКТРОТЯГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Данная полезная модель относится к электротяговым преобразователям. В частности, полезная модель относится к электротяговому преобразователю, предназначенному для установки на крыше моторного вагона и к системе, состоящей из электротягового преобразователя и воздушного нагнетателя.
Рельсовый транспорт, например, поезда, трамваи, с электротягой получает тяговый электроток, как правило, от воздушной линии электропередачи. Электротяговые преобразователи, производящие из полученного от воздушной линии постоянного или переменного тока переменный ток для снабжения одного или нескольких приводных двигателей, устанавливают, как правило, на верхней стороне или на крыше моторного вагона рельсового транспорта. Однако такие электротяговые преобразователи можно устанавливать и под моторным вагоном или внутри моторного вагона.
Такой электротяговый преобразователь включает обычно кожух, выполненный из стали или алюминия (например, из сварного или проклепанного листового металла), для размещения электрокомпонентов электротягового преобразователя. К этим компонентам относятся тяжелые и массивные детали, например, индукторы и переключатели, легкие детали, например, силовые полупроводниковые приборы с возможностью модульного монтажа, компоненты управления, пассивные компоненты и соединительная проводка. Компоненты управления, включающие печатные платы, низковольтные полупроводники и реле, установлены, как правило, в отдельных корпусах, защищающих их от электромагнитных помех других компонентов.
Так как силовые конструктивные элементы, например, преобразовательные модули, вспомогательные преобразовательные модули и/или конденсаторные модули, вырабатывают в процессе работы большое количество теплоты, их необходимо активно охлаждать. Кроме этого их необходимо защитить от воздействия окружающей среды (например, дождя, повышенной влажности воздуха), чтобы обеспечить их бесперебойную работу.
Задачей данной полезной модели является создание электротягового преобразователя для монтажа на крыше моторного вагона с эффективным охлаждением силовых элементов.
Эта задача решена с помощью объекта, охарактеризованного независимого пункта формулы полезной модели. Другие варианты осуществления полезной модели раскрыты в зависимых пунктах формулы и в описании полезной модели.
Данная полезная модель относится к электротяговому преобразователю, устанавливаемому на крыше моторного вагона. Электротяговый преобразователь включает при этом компоненты привода рельсового транспорта, предназначенные для преобразования постоянного или переменного тока питающей сети в переменное напряжение, питающее один или несколько электродвигателей рельсового транспорта.
Рельсовым транспортом может быть поезд или трамвай. Как правило, такой рельсовый транспорт включает один или несколько моторных вагонов с самостоятельным приводом. Таким образом, возможно наличие у каждого моторного вагона отдельного электротягового преобразователя. Возможен также вариант, в котором моторный вагон, на крыше которого установлен электротяговый преобразователь, является локомотивом. Моторным вагоном обозначают обычно железнодорожное транспортное средство с двигателем, например, моторный вагон типа локомотива (Lok).
Согласно варианту осуществления данной полезной модели электротяговый преобразователь включает кожух, состоящий из отсека преобразователя и отсека теплообменника. Кожух выполнен, например, из сварных и/или проклепанных металлических листов, например, стальных или алюминиевых. В кожухе выполнены отсек преобразователя и отсек теплообменника, разделенные, например, перегородкой, проходящей между ними.
Отсек преобразователя герметизирован, причем в нем установлены несколько преобразовательных модулей с высоковольтными полупроводниками и интегрированным теплообменником для охлаждения высоковольтных полупроводников. Таким образом, преобразовательные модули и другие компоненты или детали преобразователя защищены от воздействия окружающей среды, и их охлаждает теплообменник, отводящий производимое преобразовательными модулями, дросселями и трансформаторами тепло из отсека преобразователя.
Для этого отсек теплообменника выполнен с возможностью засасывания наружного воздуха и включает внешний теплообменник и внешний вентилятор, засасывающий наружный воздух через внешний теплообменник, соединенный со встроенным теплообменником для отведения тепла из отсека преобразователя в отсек теплообменника и далее наружу.
Кроме этого в кожухе электротягового преобразователя над отсеком теплообменника установлены несколько тормозных сопротивлений, чтобы выходящий из отсека теплообменника воздух охлаждал тормозные сопротивления. Таким образом происходит засасывание наружного воздуха, который посредством системы внутреннего и внешнего теплообменника охлаждает модули отсека преобразователя и дополнительно другие детали отсека теплообменника (например, дроссели). При выходе этого воздуха из отсека теплообменника дополнительно происходит охлаждение тормозных сопротивлений. Таким образом вентилятор охлаждает как детали отсека теплообменника, так и тормозные сопротивления.
Тормозные сопротивления предназначены для перехвата колебаний напряжения в воздушной линии электропередачи и/или для приема электроэнергии, если произведенная при работе двигателя в режиме генератора электроэнергия не может быть направлена обратно в воздушную линию электропередачи.
В одном из вариантов осуществления полезной модели отсек преобразователя включает встроенный вентилятор для циркуляции воздуха внутри отсека преобразователя и для подачи воздуха от преобразовательных модулей на внешний теплообменник. В преобразовательном модуле выполнены один или несколько воздуховодов для продувания воздуха от вентилятора через теплообменник и для его охлаждения. Охлажденный воздух проходит через воздуховод или воздуховоды мимо преобразовательных модулей, приборов управления, дросселей и/или трансформаторов, охлаждает их и поступает снова на вентилятор. Таким образом отсек преобразователя охлаждает всего один вентилятор.
В одном из вариантов осуществления полезной модели внешний и внутренний теплообменники соединяет контур охлаждения с хладагентом. Хладагентом является, например, вода (опционально с незамерзающей или другими добавками).
Контур охлаждения включает также расширительный бак и/или насос, установленные в отсеке теплообменника. С помощью насоса хладагент циркулирует между обоими теплообменниками.
Предпочтительно, отсек теплообменника включает, по меньшей мере, одно боковое отверстие выходящее наружу, в котором установлен внешний теплообменник. В боковой стенке кожуха, являющейся также стенкой отсека теплообменника (и отсека преобразователя), выполнено отверстие, через которое воздух поступает в отсек теплообменника. В этом отверстии установлен внешний теплообменник. Возможно также выполнение двух противолежащих боковых отверстий, в каждом из которых установлен теплообменник.
Предпочтительно, на боковой стороне отсека теплообменника установлен, по меньшей мере, один воздушный фильтр с возможностью засасывания через него воздуха во внутренне пространство отсека преобразователя. Боковое отверстие или боковые отверстия перекрывает воздушный фильтр, установленный на боковой стороне кожуха электротягового преобразователя. Поступающий в отсек теплообменника воздух проходит сначала для очистки через воздушный фильтр.
В одном из вариантов осуществления полезной модели в отсеке преобразователя установлена откидывающаяся вверх рама, на которой смонтированы компоненты управления электротяговым преобразователем. Например, при замене деталей в отсеке преобразователя снимают крышку отсека преобразователя и откидывают в бок откидную раму, чтобы обеспечить доступ к установленным под ней деталям.
Предпочтительно, отсек преобразователя включает один или несколько конденсаторных модулей для промежуточного контура постоянного напряжения. Например, преобразовательные модули образуют выпрямитель, преобразующий переменное напряжение воздушной сети электропередачи в постоянное напряжение, подводимое к промежуточному контуру постоянного напряжения. Дополнительные преобразовательные модули образуют инвертор, преобразующий постоянное напряжение (как правило, многофазное, в частности, трехфазное) в переменное напряжение для одного или нескольких приводных двигателей моторного вагона.
Отсек преобразователя включает также один или несколько вспомогательных преобразовательных модулей, вырабатывающих вспомогательное напряжение для моторного вагона. Вспомогательные преобразовательные модули являются частью одного или нескольких вспомогательных преобразователей, обеспечивающих, например, вместе с трансформатором вспомогательное напряжение для моторного вагона, а также для возможных других вагонов рельсового транспорта (например, для освещения и т.д.). Охлаждение вспомогательных преобразовательных модулей происходит также воздушным потоком от встроенного вентилятора.
Как преобразовательные модули, так и вспомогательные преобразовательные модули являются трех- или двухуровневыми преобразователями. Они включают силовые полупроводники (например, IGBT - биполярные транзисторы с изолированным затвором), рассчитанные на среднее напряжение (например, более 1000 В). Вспомогательные преобразовательные модули могут быть также силовыми полупроводниками для низкого напряжения (менее 1000 В).
В одном из вариантов осуществления полезной модели отсек преобразователя включает также загрузочный модуль для промежуточного контура постоянного напряжения. В отсеке преобразователя может быть установлен модуль, предварительно загружающий конденсаторы промежуточного контура постоянного напряжения при запуске преобразователя. Охлаждение загрузочного модуля также обеспечивает воздушный поток в преобразовательном модуле.
Отсек преобразователя может содержать также модуль преднагрева хладагента, нагревающий хладагент до необходимой рабочей температуры, если она при запуске преобразователя электротяги недостаточна.
Предпочтительно, преобразовательные модули выполнены с возможностью их поодиночного извлечения из отсека преобразователя или извлечения преобразовательного модуля как единого целого из отсека преобразователя. Другими словами, компоненты преобразователя электротяги (например, преобразовательные модули, а также модули конденсаторов) выполнены с возможностью их замены в конструктивных группах. Такое модульное устройство упрощает обслуживание электротягового преобразователя.
Для замены преобразовательного модуля или модуля конденсатора снимают крышку кожуха над отсеком преобразователя и/или откидывают в бок откидную раму. Для сокращения времени операции обслуживания электротяговый преобразователь выполнен, например, таким образом, что любой модуль можно заменить менее, чем за 30 мин.
Следующий аспект относится к системе, включающей электротяговый преобразователь согласно описанному выше и ниже и воздушный нагнетатель приводного электродвигателя, причем кожух электротягового преобразователя соединен с воздушным нагнетателем с возможностью отведения вентилятором воздуха из отсека теплообменника. Например, воздушный нагнетатель для увеличение мощности охлаждения засасывает воздух через воздушный фильтр или воздушные фильтры и/или внешний теплообменник или внешние теплообменники. Таким образом, работу вентилятора модуля теплообменника усиливает воздушный нагнетатель, установленный под моторным вагоном, и/или соединенный трубой, проходящей через моторный вагон, с электротяговым преобразователем.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - схема моторного вагона с электротяговым преобразователем согласно одному из вариантов осуществления полезной модели;
фиг. 2 - схема электротягового преобразователя согласно одному из вариантов осуществления полезной модели;
фиг. 3 - аксонометрия электротягового преобразователя согласно одному из вариантов осуществления полезной модели;
фиг. 4 - аксонометрия электротягового преобразователя по фиг. 3 без крышки;
фиг. 5 - схема отсека преобразователя электротягового преобразователя по фиг. 3, вид сверху;
фиг. 6 - схема отсека преобразователя электротягового преобразователя по фиг. 3, вид снизу.
Все идентичные или аналогичные детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг. 1 показан моторный вагон 10, на крыше 12 которого установлен электротяговый преобразователь 14. Электротяговый преобразователь 14 соединен токоприемником 16 с сетью 18 воздушной линии передачи электроэнергии и заземлен через колеса 20 моторного вагона.
Электротяговый преобразователь 14 вырабатывает из постоянного или переменного напряжения сети 18 воздушной линии передачи переменное напряжение для привода электродвигателя 22, приводящего в движение колеса 20 моторного вагона 10. Электродвигатель 22 включает воздушный нагнетатель 24, предназначенный в первую очередь для охлаждения электродвигателя 22, но соединенный дополнительно трубопроводом 26 с электротяговым преобразователем 14 для создания в нем воздушного потока, охлаждающего и электротяговый преобразователь 14.
Таким образом, система 27, включающая воздушный нагнетатель 24, трубопровод 26 и электротяговый преобразователь 14, обеспечивает дополнительное охлаждение электротягового преобразователя 14 без необходимости подключения дополнительного вентилятора.
На фиг. 2 показано разделение кожуха 28 на отсек 30 преобразователя и отсек 32 теплообменника.
Отсек 30 преобразователя герметизирован (относительно окружающей среды, т.е. влажности воздуха, дождя и т.д.) таким образом, что воздухообмен с окружающей средой невозможен. В отсеке 30 преобразователя с установленными силовыми электродеталями электротягового преобразователя 10, например, полупроводниковыми модулями, конденсаторами и т.д., установлен встроенный теплообменник 34 и встроенный вентилятор 36. Вентилятор 36 обеспечивает внутри отсека 30 преобразователя циркуляцию воздушный потока, подающего тепло от силовых электродеталей на теплообменник.
В отсеке 32 теплообменника установлены один или несколько внешних теплообменников 38, соединенных контуром 40 охлаждения со встроенным теплообменником 34. Контур 40 охлаждения подает (например, с помощью насоса) тепло от встроенного теплообменника на внешние теплообменники. Возможно также прямое включение преобразовательных модулей внутри отсека преобразователя в контур охлаждения для их непосредственного охлаждения.
Отсек 32 теплообменника обеспечивает возможность воздухообмена с окружающей средой. Внешний вентилятор 42 засасывает наружный воздух внутрь отсека 32 теплообменника, в котором для этого выполнены одно или несколько отверстий 44, каждое из которых перекрыто воздушным фильтром 46. Отфильтрованный наружный воздух охлаждает внешний теплообменник 38 и выходит после этого из отсека 32 теплообменника вверх там, где в модуле над отсеком 32 теплообменника установлены тормозные сопротивления 48. Таким образом, только один вентилятор 42 охлаждает как отсек 32 теплообменника, так и отсек 30 преобразователя и тормозные сопротивления.
На фиг. 3 и 4 показана аксонометрия электротягового преобразователя 14, причем на фиг. 4 отсутствуют крышка 50 отсека 30 преобразователя и тормозные сопротивления 48. Кожух 28 выполнен главным образом квадратной формы, причем крышка 50 и модуль тормозных сопротивлений 48 слегка изогнуты. Кожух 28 выполнен, например, из проклепанных и/или сварных металлических листов.
Отсек 32 теплообменника включает на фронтальной стороне откидную крышку 52 для технического обслуживания, обеспечивающую доступ внутрь отсека 32 теплообменника. Кроме этого отсек 32 теплообменника включает боковые отверстия 44, через которые воздух попадает внутрь отсека 32 теплообменника. В этих отверстиях 44 установлены внешние теплообменники 38.
Воздушные фильтры 46 закреплены на боковой стенке кожуха 28 рядом с отсеком 32 теплообменника и отсеком 30 преобразователя. Наружный воздух попадает в отсек 32 теплообменника через воздушные фильтры 46, содержащие, например, в качестве фильтрующего материала тканный или волокнистый материал.
Отсек 32 теплообменника закрыт сверху модулем тормозных сопротивлений 48, выполненным с возможностью снятия его с кожуха 28 для технического обслуживания, чтобы получить доступ внутрь отсека 32 теплообменника.
Таким же образом крышку 50 можно снять с кожуха 28 для получения доступа внутрь отсека 30 преобразователя. Для проведения мелкого технического обслуживания в крышке 50 выполнены две откидные крышки 54 техотсека, обеспечивающие доступ, например, к встроенному теплообменнику 34, воздушному фильтру и/или откидной раме 56 с компонентами управления, соединенными, например, оптоволокном с другими компонентами преобразователя 14 электротяги. Эти откидные крышки 54 техотсека выполнены с возможностью их откидывания наверх.
Как показано на фиг. 4, отсек 30 преобразователя включает преобразовательные модули 58. Эти преобразовательные модули 58 включают силовые полупроводники, образующие главный преобразователь для питания электродвигателя 22 и рассчитанные, например, на напряжение более 1000 В. Преобразовательные модули 58, выполненные, например, с IGBT - биполярными транзисторами с изолированным затвором - в качестве силовых полупроводников и стробоскопами для их управления, подключены напрямую к контуру 40 охлаждения.
Отсек 30 преобразователя включает также один или несколько вспомогательных преобразователей, обеспечивающих вспомогательное напряжение ниже 1000 В, запитывающее, например, освещение или отопление моторного вагона. Это вспомогательное напряжение может питать и другие возможные вагоны рельсового транспорта.
На фиг. 5 и 6 показаны вид сверху и снизу отсека 30 преобразователя с удаленными крышками и преобразовательными модулями. На этих фигурах также показано, что отсек преобразователя включает идентичные друг другу конденсаторные модули 60 для промежуточного контура главного преобразователя, конденсаторы 62 для промежуточного контура главного преобразователя или главных преобразователей и трансформатор 64 для вспомогательного преобразователя.
Кроме этого в отсек 30 преобразователя установлены дроссели 66 фильтра для главного преобразователя и дроссели 68 фильтра для вспомогательного преобразователя. В отсеке 30 преобразователя выполнены также контакты 70 для подключения преобразователя.
В отсеке 30 преобразователя выполнены такие дополнительные модули, как, например, тормозной преобразователь, загрузочный модуль и нагревательный модуль. Тормозной преобразователь подает выработанную электродвигателем 20 в режиме генератора электроэнергию на тормозные сопротивления 58, если ее нельзя направить обратно в сеть 18. Загрузочный модуль предназначен для загрузки конденсаторов 60 и включает также рубильник для контакта с сетью 18, рубильник для контакта с конденсаторами 60 загрузочное сопротивление. Нагревательный модуль предназначен для нагрева хладагента при запуске электротягового преобразователя 14, если температура хладагента недостаточна.
На фиг. 4 также показано, что отсек 32 теплообменника включает кроме внешнего вентилятора 42 расширительный бак 72 и насос 74 хладагента. Расширительный бак 72 компенсирует изменения объема хладагента, вызванные перепадами температуры. Насос 74 хладагента прогоняет хладагент через контур 40 охлаждения и, таким образом, через теплообменники 42, 34 и преобразовательные модули 58.
В отсеке 32 теплообменника на входе преобразователя установлен также дроссель 76 для защиты преобразователя от перепадов напряжения. Вентилятор 42 охлаждает также и дроссель 76.
В дополнение необходимо отметить, что термин «включает» не исключает наличие других элементов или операций, а категория «единственного числа» не исключает множественного числа. Необходимо также отметить, что признаки или операции, описанные с отсылкой к одному из вышеназванных вариантов осуществления полезной модели, можно также применить в сочетании с другими признаками или операциями других приведенных выше вариантов осуществления полезной модели. Ссылочные позиции в формуле полезной модели не следует рассматривать в качестве ограничения.