Силовая электроника №2'2005

Разработка трехфазного мостового инвертора для питания тяговых асинхронных электродвигателей электровозов постоянного тока

Владимир Чибиркин
Александр Боок
Владислав Завгородний
Олег Арискин
Георгий Шестоперов


Применение на электроподвижном составе тяговых асинхронных электродвигателей взамен коллекторных позволяет увеличить мощность электроподвижного состава и его силу тяги, снизить расходы на эксплуатацию, повысить надежность, улучшить использование сцепной массы, повысить энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности) за счет применения экономичных способов регулирования мощности преобразователей.


ОАО «Электровыпрямитель» является разработчиком и крупнейшим поставщиком силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе для комплектации электрооборудования железнодорожного транспорта России и СНГ. Эти приборы и преобразователи в течение уже нескольких десятков лет успешно работают в выпрямительно-инверторных преобразователях магистральных электровозов, выпрямителях различного назначения для тепловозов, путевых машин и карьерных электровозов, в системах электроснабжения вагонов, вспомогательных электроприводах локомотивов, выпрямителях тяговых подстанций электрифицированных железных дорог и т. д.

В настоящее время создание электроподвижного состава (ЭПС) нового поколения, а также модернизация эксплуатируемых сегодня электровозов и тепловозов тесно связаны с развитием преобразовательной техники, в первую очередь, с разработками и внедрением преобразователей частоты с широтно-импульсным (ШИМ) регулированием для асинхронных электродвигателей вспомогательных и тяговых электроприводов ЭПС.

Основными элементами в этих электроприводах являются силовые полупроводниковые ключи на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), способные эффективно управлять сложными режимами работы преобразователей.

В настоящее время для питания асинхронных электродвигателей от контактных сетей 3 кВ постоянного тока наибольшее распространение получила схема трехуровневого автономного инвертора (рис. 1).

На рис. 1 приведены диаграммы его работы и схемы замещения для разных режимов работы.

Новые возможности в совершенствовании преобразовательных структур тяговых электроприводов перспективных электропоездов с тяговыми асинхронными электродвигателями открываются с использованием высоковольтных IGBT силовых модулей. В настоящее время на ОАО «Электровыпрямитель» разрабатывается серия IGBT силовых модулей 65 класса специального исполнения, предназначенная для эксплуатации при низких отрицательных температурах и в условиях жестких механических воздействий.

Создание высоковольтных IGBT силовых модулей 65 класса позволяет применить двухуровневые инверторы для контактной сети 3 кВ постоянного тока, что дает возможность значительно упростить силовые схемы преобразователей, снизить затраты на их изготовление и эксплуатацию. Вместе с тем, по сравнению с трехуровневым инвертором, обеспечиваются меньшие массогабаритные показатели, а также повышенная надежность за счет меньшего числа компонентов.

На рис. 2 приведена схема двухуровневого инвертора, диаграммы работы и схемы замещения. Из диаграмм видно, что преобразователь может находиться в шести различных состояниях, что также отражено на схемах замещения. Характерно, что каждое состояние отличается от предыдущего переключением только одной фазы нагрузки в противоположную полярность напряжения.

Схема двухуровневого трехфазного мостового инвертора получается простым объединением по общему источнику входного напряжения трех полумостовых однофазных инверторов, в этом случае при соединении фаз трехфазной нагрузки в звезду или в треугольник не требуется наличие средней точки у источника входного напряжения, как показано на схеме.

В режиме 180-градусного управления сигналы на верхний и нижний транзисторы каждого плеча моста поступают в течение полупериода выходного напряжения с соответствующими фазовыми сдвигами для получения трехфазной системы, как показано на первых шести временных диаграммах (ШИМ-регулирование не указано).

На следующих трех диаграммах изображены зависимости фазных напряжений трехфазной нагрузки. Шестиступенчатый характер диаграмм фазных напряжений инвертора свидетельствует о шести различных состояниях силовой схемы инвертора, интервалы существования которых обозначены цифрами от 1 до 6. Шесть схем замещения инвертора, соответствующие этим шести состояниям силовой схемы, также указаны на рис. 2.

В первом состоянии включены транзисторы VT1, VT4 и VT5. Фазы А и С нагрузки подключены к положительной шине контактной сети, а фаза В нагрузки подключена к отрицательной шине контактной сети. При одинаковых сопротивлениях фаз нагрузки на две параллельно соединенные фазы А и С будет приложена в положительном направлении треть напряжения источника, а на последовательно соединенную с ними фазу В — две трети напряжения источника питания отрицательной полярности, что отражено соответствующей величиной ступеней фазных напряжений инвертора на первом интервале диаграммы. Аналогично по схемам замещения определяются величины ступеней в фазных напряжениях инвертора и на всех остальных интервалах.

По построенным фазным напряжениям легко определить и межфазное (линейное) напряжение, как это показано для линейного напряжения Uab на последней диаграмме.

Большой научный и практический потенциал, накопленный ОАО «Электровыпрямитель» в области разработки преобразовательной техники для железнодорожного транспорта, позволяет спроектировать преобразователь, состоящий из двух трехфазных двухуровневых мостовых инверторов мощностью 1200 кВт на IGBT силовых модулях 65 класса и одного блока тормозных ключей, с собственной системой управления и охлаждения.

В настоящее время прорабатываются различные варианты реализации алгоритмов управления преобразователем, произведены расчеты режимов работы и мощности потерь в преобразователе.

Разработана конструкция преобразователя с воздушным принудительным охлаждением, которая представлена на рис. 3.

Рис. 3. Вариант компоновки тягового преобразователя с воздушным принудительным охлаждением
Рис. 3. Вариант компоновки тягового преобразователя с воздушным принудительным охлаждением

Основные проблемы, возникающие при проектировании преобразователя:

  1. Отведение тепла. Рассматривается эффективность и надежность систем жидкостного и воздушного охлаждения.
  2. Разработка входного LC-фильтра, обеспечивающего ограничения пульсаций напряжения до требуемого уровня. Из-за жестких требований к электромагнитной совместимости, приводящих к увеличению значения LC, возникают определенные трудности при размещении фильтра.
  3. Задача, связанная с поиском снабберных конденсаторов, работающих при температурах до -50 °С, с напряжением изоляции не менее 9,5 кВ.
  4. Вентиляционное оборудование для охлаждения преобразователя. Выпускаемые промышленностью вентиляторы имеют нижнюю рабочую температуру не ниже -40 °С.
  5. Дальнейшее снижение массогабаритных показателей, а также снижение стоимости преобразователя за счет использования меньшего количества ключей, которое станет возможным при разработке IGBT силовых модулей с меньшими динамическими потерями.
  6. В настоящее время изготавливается макет инвертора мощностью 400 кВт, на котором планируется проведение испытаний и отладочных работ.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_02_68.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо