ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к конструкциям тяговых преобразователей подвижного состава (электровозы постоянного и переменного тока).
Известны преобразователи частоты компании «SEMIKRON», выполненные в конструктиве «SEMIX».
Один из преобразователей «SEMIX» содержит охладитель на котором установлены тиристорные модули, соединенные по схеме полууправляемого трехфазного выпрямителя, транзисторные IGBT модули, соединенные по схеме трехфазного автономного мостового инвертора напряжения, DC-шину, соединяющую выход полууправляемого трехфазного выпрямителя с входом трехфазного автономного мостового инвертора напряжения и с блоком конденсаторов, драйвер тиристорного моста и драйвер IGBT, управляющие соответственно полууправляемым трехфазным выпрямителем и трехфазным автономным мостовым инвертором напряжения (Андрей Колпаков «SEMIX» - мост между прошлым и будущим», «Семикрон», №14, рис.1, www.semikron.com).
Недостатком известного преобразователя является то, что он рассчитан на небольшую мощность, так как использует охладитель с воздушным охлаждением.
Известен высоковольтный преобразователь частоты, принятый за прототип, который содержит охладитель с каналом для охлаждающей жидкости и разъемом для контура охлаждения, на котором с одной стороны установлены драйверы управления, а с другой - IGBT транзисторы, соединенные по схеме трехфазного автономного инвертора напряжения или другого преобразователя частоты, конденсатор, установленный на основание охладителя, ламинированную медную шину, соединяющую конденсатор с IGBT-транзисторами («Принцип выбора токовых и тепловых нагрузок IGBT-транзисторов в тяговых преобразователях высокой мощности» - материалы презентации компании «Bombardier Transportation» по выбору нагрузок и обеспечению нормальных тепловых режимов работы силовых IGBT-транзисторов на основании опыта разработки тяговых преобразователей высокой мощности семейства MITRAC ТС3300, 28 июля 2008 г., www.bombardier.com).
Недостатком известного преобразователя является то, что драйверы управления не обеспечивают надежную защиту IGBT транзисторов при сквозных токах в преобразователе частоты.
Техническим результатом полезной модели является защита высоковольтного преобразователя частоты от сквозных токов за счет включения в эмиттерные цепи транзисторных фазных модулей датчиков тока, выполненных по схеме петли Роговского.
Указанный технический результат достигается тем, что высоковольтный преобразователь частоты, содержащий охладитель с каналом для охлаждающей жидкости и с держателем двух разъемов для контура охлаждения, на котором с одной стороны установлены шесть драйверов управления, а с другой - шесть транзисторных IGBT модулей, соединенных по схеме трехфазного мостового инвертора напряжения или по схеме четырехквадрантного преобразователя, при этом каждая пара последовательно-соединенных транзисторных IGBT модулей посредством выходных или входных шин образуют фазные модули, конденсатор, установленный на основание охладителя, ламинированную медную шину, состоящую из шины «+» и шины «-», покрытых диэлектриком и соединяющую транзисторные IGBT модули с конденсатором, при этом между эмиттерными цепями фазных модулей и шиной «-» включены датчики тока, выполненные по схеме петли Роговского, выходы которых подключены к соответствующим драйверам управления.
На фиг.1 представлен эскиз конструкции преобразователя - вид сбоку.
На фиг.2 представлен эскиз расположения элементов преобразователя на охладителе (не показаны конденсатор и DC-шина).
На фиг.3 представлена схема электрическая силовой части высоковольтного преобразователя частоты.
Высоковольтный преобразователь частоты содержит (фиг.1, 2, 3) охладитель 1 с каналом для охлаждающей жидкости 2 и с держателем 3 двух разъемов 4 для контура охлаждения, на котором с одной стороны установлены шесть драйверов управления 5 с выходами G, Е, а с другой - шесть транзисторных IGBT модулей 6 с информационными входами G, Е и силовыми выходами С, Е, соединенных по схеме трехфазного мостового инвертора напряжения, при этом каждая пара последовательно-соединенных транзисторных IGBT модулей 6 посредством выходных шин 7 образуют фазные модули 8, конденсатор 9, установленный на основание 10 охладителя 1, ламинированную медную шину 11, состоящую из шины «+» 12 и шины «-» 13, покрытых диэлектриком 14 и соединяющую транзисторные IGBT модули 6 с конденсатором 9, включенные между эмиттерными цепями (выходы Е) фазных модулей 8 и шиной «-» 13 датчики тока 15, выполненные по схеме петли Роговского, выходы которых подключены к соответствующим драйверам управления 5. Каждый из шести транзисторных IGBT модулей 6 состоит из трех параллельно соединенных IGBT транзисторов, шунтированных обратными диодами. Ламинированная медная шина 11 представляет собой шину с низкой индуктивностью. При соединении транзисторных IGBT модулей 6 по схеме трехфазного мостового инвертора напряжения ламинированная медная шина 11 подключается к внешнему источнику постоянного напряжения (+, -), а выходные шины 7 подключают выход преобразователя к нагрузке. При соединении транзисторных IGBT модулей 6 по схеме четырехквадрантного преобразователя входные шины 7 подключаются к внешнему источнику трехфазного переменного напряжения (U, V, W), a ламинированная медная шина 11 к нагрузке. Чертеж четырехквадрантного преобразователя в описании не представлен. Датчик тока 15 состоит из двух катушек индуктивности, включенных встречно. Витки каждой из катушек индуктивности выполнены печатным способом на фольгированном стеклотекстолите. Предложенная конструкция датчиков тока 15 имеет высокую помехозащищенность, т.к. внешнее переменное магнитное поле наводит на катушках индуктивности, включенных встречно, одинаковое по величине и противоположное по знаку напряжение, которое компенсирует друг друга. Крепление датчиков тока 15 на транзисторных IGBT модулях 6 показано на фиг.2.
Высоковольтный преобразователь частоты работает следующим образом.
Внешнее постоянное напряжение подключается к шине «+» 12 и к шине «-» 13, которое дополнительно сглаживается конденсатором 9. Транзисторные IGBT модули 6 трехфазного автономного инвертора напряжения 8, преобразуют постоянное напряжение в выходное трехфазное переменное напряжение (U, V, W), изменяющееся по частоте и по амплитуде. Управление транзисторными IGBT модулями 6 осуществляется драйверами 5 по закону векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которое формируется внешней микропроцессорной системой управления (на фиг.3 не показана). При построении высоковольтного преобразователя частоты по схеме четырехквадрантного преобразователя к входным шинам 7 подключают внешний источник трехфазного переменного напряжения, а на шине «+» 12 и шине «-» 13, формируется регулируемое напряжение постоянного тока. Управление транзисторными IGBT модулями 6 осуществляется драйверами 5 по алгоритму повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения.
Для высоковольтных преобразователей частоты режим короткого замыкания во внутренних цепях (сквозной ток) является наиболее опасным, так как скорость нарастания тока в транзисторных IGBT модулях 6 достигают критического значения вследствие высокого значения входного постоянного напряжения. Защиту транзисторных IGBT модулей 6 осуществляют датчики тока 15, выполненные по схеме петли Роговского. Напряжение с выхода датчика тока 15, пропорциональное производной тока протекающего через него, поступает на аварийный вход драйвера управления 5, который имеет определенный порог срабатывания по напряжению. В аварийном режиме работы напряжение с выхода датчика тока 15 превышает порог срабатывания по напряжению драйвера управления 5 и он отключает соответствующий транзисторный IGBT модуль 6. Одновременно аварийный сигнал с драйвера управления 5 подается на внешнюю микропроцессорную систему управления (на фиг.3 не показана), которая отключает остальные транзисторные IGBT модули 6. Плоская конструкция датчиков тока 15 позволяет устанавливать их на транзисторные IGBT модули 6 непосредственно под ламинированную медную шину 11 без использования дополнительных переходных шин. Применение стандартных датчиков тока (например фирмы LEM) в данной конструкции не возможно из-за их больших габаритов и низкого быстродействия.
Предлагаемая полезная модель высоковольтного преобразователя частоты реализована в опытном образце тягового преобразователя двухсистемного электровоза и показала свою надежность и эффективность.