Силовая электроника №3'2011

Силовые конденсаторы для тяговых электроприводов

Гнеушев Олег


Компания TDK-EPC поставляет силовые конденсаторы под известным брендом EPCOS для высокоскоростных поездов Velaro, которые производит концерн Siemens по заказу правительства Китайской Народной Республики. Конденсаторы будут использоваться в резонансных схемах тяговых преобразователей.

На скоростных магистралях

Китай планомерно и последовательно расширяет свою сеть железных дорог. Самые быстрые пассажирские поезда Velaro CN от Siemens эксплуатируются на государственных скоростных железнодорожных магистралях, построенных к началу Олимпийских игр 2008 г. (рис. 1). Это четвертое поколение скоростных поездов, известных в Китае как CRH3. Они базируются на немецком стандарте German ICE 3, но имеют более широкие вагоны, в них по шесть пассажирских сидений в каждом ряду. В целом в двухсотметровом поезде Velaro CN более 600 мест в восьми вагонах. Поезд весом 447 т рассчитан на эксплуатацию при скорости 300 км/ч и может быть модернизирован для езды со скоростью 350 км/ч. Компания TDK-EPC поставила резонансные конденсаторы более чем для 1000 тяговых преобразователей.

 Модульный принцип Velaro

Рис. 1. Модульный принцип Velaro

В настоящее время все 60 поездов, изготовленных концерном Siemens, обслуживают регулярный маршрут длиной 115 км между Пекином и портовым городом Тяньцзинь на юго-востоке страны, поездка занимает всего 30 минут. Компания TLRW разрабатывает китайскую версию поезда Velaro CN.

15% дополнительного пространства

Новая конструкция поезда Velaro CN, когда тяговые агрегаты расположены не впереди и в хвосте поезда, а распределены по всей длине (рис. 1), позволяет получить дополнительно 15% посадочных мест. 16 колесных пар из 32 моторизованы, каждый из четырех тяговых приводов приводит в действие четыре двигателя. Дополнительные места в поезде обеспечивают дополнительную прибыль железнодорожному оператору.

Поскольку внутреннее пространство плотно заполнено таким оборудованием, как трансформаторы, системы кондиционирования, компрессоры, генераторы, туалетные кабинки, то место для тяговых приводов минимально, поэтому они размещены под вагоном.

Еще один привлекательный момент: пассажиры имеют возможность посмотреть при движении поезда на рельсы через лобовое стекло первого и последнего вагонов.

Резонансные контуры в приводах электропоездов

В отличие от общепромышленных трехфазных приводов тяговые приводы локомотивов и поездов питаются от однофазной сети переменного напряжения. Питающее напряжение 25 кВ 50 Гц в поезде Velaro CN ступенчато понижается, выпрямляется и далее сглаживается с помощью специальных DC-конденсаторов. Несмотря на сглаживающие DC-конденсаторы, напряжение имеет переменную составляющую удвоенной частоты значительной амплитуды. Дополнительная фильтрация и подавление помех происходит в резонансных цепях, которые представляют собой последовательность колебательных LC-контуров, настроенных на удвоенную частоту питающего напряжения. В каждом резонансном контуре поезда Velaro CN два параллельно включенных конденсатора постоянной емкости и четыре настроечных конденсатора. Это позволяет корректно подстраивать резонансную частоту контура в случае потери емкости вследствие старения, а также компенсировать уход индуктивности дросселя.

Клиентоориентированные решения

Базовая конструкция конденсаторов была разработана на основе спецификации Siemens, дальше были использованы имитационные модели для адаптации к конкретным условиям работы, температуре, току, частоте, а также к расчетному циклу эксплуатации высокоскоростного поезда.

В качестве решения для резонансного контура было предложено использовать мощные конденсаторы МКК DCI от EPCOS, т. е. маслонаполненные конденсаторы для работы с постоянным напряжением (рис. 2). Эти конденсаторы удовлетворяют высоким требованиям по предельным нагрузкам и пожарной безопасности.

 Конденсатор резонансного контура

Рис. 2. Конденсатор резонансного контура

Каждый из двух фиксированных конденсаторов в резонансном контуре тягового преобразователя поезда Velaro CN имеет емкость 1520 мкФ и рассчитан на рабочее напряжение 4135 В. Настроечный конденсатор имеет несколько точек отвода и, таким образом, представляет собой четыре конденсатора, суммарная емкость которых также составляет 1520 мкФ (таблица).

Таблица. Технические параметры силовых конденсаторов EPCOS

Параметр Постоянный конденсатор Настроечный конденсатор
Емкость, мкФ 1520 Σ1520
Рабочее напряжение, В 4135 Vdc
Пиковое напряжение, В 6000 DC
Рабочий ток, А 273
Пиковый ток, кА 200
Рабочая температура, °C –50…+70
Влажность, % <95
Климатическая категория 50/70/56
Тепловая нагрузка, МДж <300/1,74 (категория 0, NFF 16-102) >300/1,74 (категория 2, NFF 16-102)
Габариты (Д×Ш×В), мм 450×165×580
Вес, кг 57 58

Длительный срок эксплуатации благодаря самовосстановлению

Силовые конденсаторы сделаны на основе структурированной пленки с сегментированной металлизацией. То есть силовой конденсатор для резонансной цепи Velaro CN состоит примерно из 10 000 индивидуальных конденсаторов, соединенных параллельно и последовательно; собранные в пачки, они имеют надежные электрические соединения друг с другом и с выводами всего конденсатора (рис. 3).

 Секции силового конденсатора EPCOS

Рис. 3. Секции силового конденсатора EPCOS

Такой принцип построения конденсатора позволяет ему самовосстанавливаться, и даже большие перегрузки не являются критическими: в случае короткого замыкания в одном из индивидуальных конденсаторов в месте пробоя металлизация испаряется до тех пор, пока не остановится процесс короткого замыкания. Если же ток продолжает нарастать, то диэлектрик (пленка) полностью сплавляется, и индивидуальный конденсатор становится высокорезистивным, тем самым предотвращая дальнейший нагрев и пробой конденсатора в других точках.

Все элементарные конденсаторы соединены непосредственно с силовой шиной конденсатора, таким образом достигается не только очень низкая паразитная индуктивность, но и низкоомное сопротивление. А благодаря малой длине внутренних соединений конденсатор имеет малое значение ESR. Как прямое следствие такой конструкции резонансные конденсаторы отличаются низким саморазогревом при работе и отлично выдерживают очень большие импульсы тока, вплоть до 200 кА. Эти свойства конденсаторов очень важны, так как силовые IGBT-ключи работают на все более высоких частотах переключения.

Компактность и надежность

Конденсаторы для резонансных цепей заполнены рапсовым маслом, это обеспечивает им превосходные свойства по отводу тепла в сравнении с сухими конденсаторами. В сочетании с масляным заполнением диэлектрик конденсатора выдерживает напряженность поля до 240 В/мкм и, следовательно, обеспечивает высокую плотность энергии, что позволяет достичь очень компактных размеров 450×165×580 мм. Конденсатор изготавливается в сварном корпусе из нержавеющей стали, тем не менее его изоляция выдерживает пиковое переменное напряжение до 8300 В.

Такие конденсаторы исключительно надежны благодаря своей передовой конструкции. Срок их службы — 200 000 ч, что соответствует 23 годам непрерывной эксплуатации. Это значительно превосходит требования стандарта EN50155. Дополнительно к тому конденсаторы MKK DCI крайне стабильны по емкости: при нормальных условиях эксплуатации потеря емкости конденсатора не превышает 3% за весь срок службы. Также, несмотря на непрерывные удары и вибрацию локомотива, конденсаторы MKK DCI сохраняют электрические свойства постоянными во всем температурном диапазоне — –50…+70 °С. Этот тип конденсаторов имеет сертификацию в соответствии с железнодорожным стандартом МЭК 1071.

Заводы, сертифицированные IRIS

По окончании этапа разработки образцы резонансных конденсаторов были изготовлены на заводе компании TDK-EPC в Малаге (Испания), часть этих образцов была подвергнута ресурсным испытаниям, другие проходили тестирование электрических параметров и термоциклирование. Компания Siemens использовала первые образцы конденсаторов MKK DCI в тяговых преобразователях, которые были протестированы в соответствии с железнодорожными стандартами Китая. Завод в Малаге компании TDK-EPC один из первых в мире был сертифицирован по ISO 9001 на основе стандарта IRIS Европейской ассоциации железнодорожной промышленности. Другой завод TDK-EPC, расположенный в городе Нашик (Индия), также недавно получил сертификат IRIS.

В связи с развитием рынка высокоскоростных поездов и грузовых локомотивов компания TDK-EPC разворачивает в Индии и Китае дополнительные производственные мощности для выпуска силовых конденсаторов. Эти заводы способны обеспечивать не только заказы государственных компаний тех стран, где они расположены, но и гибко реагировать на потребности новых заказчиков.

В дополнение к резонансным TDK-EPC поставляет и другие типы конденсаторов для поездов Velaro CN, например фильтровые и снабберные.

Тенденции развития силовых конденсаторов

В принципе резонансные конденсаторы, использованные в Velaro CN, благодаря их долгому сроку службы подходят не только для высокоскоростных поездов, но и для всех типов локомотивов. Кроме того, настраиваемые резонансные цепи идеально подходят для эксплуатации электропоездов, пересекающих границы стран с различными системами электропитания (например, 16 2/3 Гц в Центральной Европе и некоторых частях Скандинавии, 50 Гц во Франции).

Конструкция конденсаторов MKK DCI благодаря компактности позволяет встраивать их специальным образом в электрооборудование и тем самым упрощать и оптимизировать схему преобразователя. Примером тому служат прямоугольные конденсаторы с малой высотой и площадью основания, точно соответствующей размерам IGBT-модулей. Это не только сберегает место, но и уменьшает количество соединений и укорачивает шины, что ведет к снижению себестоимости и увеличивает надежность оборудования.

В марте 2009 г. Китайские железные дороги заказали дополнительно 100 высокоскоростных поездов, разработанных на основе поездов типа CRH3. Они вдвое длиннее предыдущей модели (16 вагонов). Путешествие по ж/д-магистрали из Пекина в Шанхай длиной 1300 км на скорости 350 км/ч занимает теперь примерно четыре часа. Новые поезда CRH3 также оснащены резонансными конденсаторами от компании TDK-EPC.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_03_14.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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