Выпрямительно-инверторный преобразователь для тягового подвижного состава с высоким коэффициентом мощности в режиме рекуперативного торможения
Согласно Энергетической стратегии холдинга «Российские железные дороги» на период до 2030 г., одними из приоритетных задач являются:
- повышение эффективности рекуперативного торможения как одного из существенных факторов энергосбережения в электрической тяге;
- совершенствование схем рекуперативного торможения, расширение диапазона скоростей его использования;
- применение современных преобразовательных агрегатов на основе силовых управляемых полупроводниковых приборов и др.
На современных отечественных электровозах с тиристорными выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) коэффициент мощности в режиме рекуперативного торможения не превышает 0,65. На базе таких преобразователей созданы электровозы переменного тока серий ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1 в/и, ВЛ80ТК, Э5К и 2(3)ЭС5К («Ермак») [1, 2]. На сегодня эти электровозы, согласно ГОСТ 55364-2012, не отвечают современным требованиям в части энергоэффективности.
Основные причины низкого коэффициента мощности электровозов в режиме рекуперативного торможения [4, 5]:
- Организация коммутации тока плеч ВИП осуществляется в конце полупериода с углом b.
- Коммутация тока протекает поочередно в плечах преобразователя, что увеличивает ее длительность.
- Необходимость в наличии значительного угла запаса инвертора d.
- Фазовое регулирование напряжения осуществляется с конца полупериода и др.
Появление IGBT позволяет решить десятилетиями существовавшую проблему обеспечения силовых схем электровозов переменного тока простыми и надежными ключевыми элементами, обладающими высоким быстродействием, малыми затратами на управление, устойчивостью к многократным перегрузкам и полной управляемостью [3].
Тяговые преобразователи, разработанные на базе IGBT, выгодно отличаются двумя особенностями, важными как для железных дорог, так и для изготовителей. Прежде всего, эти устройства создают потенциальные возможности для снижения энергозатрат на тягу поездов, главным образом благодаря новым алгоритмам управления. В отличие от запираемых тиристоров, IGBT управляются напряжением при довольно малых управляющих токах заряда и разряда входной емкости полупроводникового прибора. Благодаря этому значительно упрощается схема управления затвором.
На сегодня существует несколько альтернативных технологий производства IGBT и модулей на их основе. Мы не будем останавливаться подробно на всех из них, но отметим, что наиболее перспективной технологией для применения в жестких условиях эксплуатации является Press-Pack IGBT, которая обладает рядом уникальных характеристик.
Конструкция модулей (рис. 1) полностью «прижимная», герметичная, исключающая пайку и сварку. Благодаря этому Press-Pack IGBT имеют возможность равномерного двухстороннего охлаждения, что обеспечивает повышенную устойчивость к термоциклированию. Кроме того, «ячеистая» внутренняя структура, состоящая из множества одинаковых кристаллов IGBT, обеспечивает более равномерное распределение механических напряжений при тепловых расширениях по сравнению с классическими тиристорами с одним большим кристаллом, где данные напряжения «накапливаются» от центра к периферии.
Если сравнивать данную конструкцию с IGBT-модулями на изолированном основании, то Press-Pack IGBT имеют полностью симметричное распределение как тепловых сопротивлений, так и паразитных индуктивностей со стороны эмиттера и коллектора, в то время как конструкция с изолированным основанием имеет существенные различия данных параметров с коллекторной и эмиттерной стороны, поскольку верхняя часть кристалла соединяется с силовыми шинами проволокой или иными элементами, в то время как нижняя часть кристалла припаяна к керамической DBC-подложке.
Главное же преимущество Press-Pack IGBT заключается в предсказуемости процесса выхода их из строя в устойчивое короткое замыкание, что позволяет упростить схему контроля и предотвращает дальнейшее распространение аварии в другие цепи преобразователя. Отметим также возможность эксплуатации Press-Pack IGBT при температурах от –60 °С.
Силовая схема предлагаемого ВИП электровоза на IGBT в расчете на одну тележку, аналогично штатной, состоит из восьми плеч с добавлением еще одного плеча, включенного параллельно цепи выпрямленного тока (рис. 2) [6]. Это плечо состоит из диода VD9 и IGBT-модуля VT9, включенного параллельно тормозному переключателю QT. Диод VD9 служит для уменьшения коммутационных перенапряжений при включении и отключении IGBT. В режиме рекуперативного торможения дополнительное плечо вступает в работу только в те моменты времени, когда все остальные плечи ВИП выключены.
Остальные плечи ВИП состоят из IGBT-модулей, включенных последовательно с диодом (например, плечо 5 состоит из модуля VT5 и диода VD5). Трансформатор T1 принимается штатным для электровозов переменного тока с зонно-фазовым регулированием.
Для реализации предлагаемого алгоритма управления ВИП необходимо в качестве полупроводниковых приборов в плечах использовать полностью управляемые IGBT-транзисторы. Основным параметром управления плечами становится длительность открытия IGBT-модулей в полупериоде выпрямленного напряжения.
Для предлагаемой схемы ВИП электровоза с использованием IGBT и дополнительного плеча разработан алгоритм управления в режиме рекуперативного торможения (таблица). Аналогично штатному алгоритму, предлагается четыре зоны регулирования. Алгоритм имеет пять управляющих сигналов:
- bw (work) — рабочая временная зона открытия IGBT-модулей плеча ВИП;
- bbreg (big regulation) — временная зона регулирования открытия IGBT-модулей плеча ВИП по большому контуру;
- bsreg (small regulation) — временная зона регулирования открытия IGBT-модулей плеча ВИП по малому контуру;
- bD (Diode) — временная зона работы диода дополнительного плеча ВИП;
- αreg (regulation) — временная зона регулирования открытия IGBT-модулей.
Зона |
Полупериод напряжения |
Плечи ВИП |
||||||||
VT1 |
VT2 |
VT3 |
VT4 |
VT5 |
VT6 |
VT7 |
VT8 |
VT9 |
||
4 |
——> |
βbreg |
– |
βsreg |
– |
– |
– |
– |
βw |
βD |
<– – – |
– |
βbreg |
– |
βsreg |
– |
– |
βw |
|
βD |
|
3 |
——> |
– |
– |
βbreg |
– |
βsreg |
– |
– |
βw |
βD |
<– – – |
– |
– |
– |
βbreg |
– |
βsreg |
βw |
– |
βD |
|
2 |
——> |
βbreg |
– |
βsreg |
– |
– |
βw |
– |
– |
βD |
<– – – |
– |
βbreg |
– |
βsreg |
βw |
– |
– |
– |
βD |
|
1 |
——> |
– |
– |
αreg |
– |
– |
αreg |
– |
– |
βD |
<– – – |
– |
– |
– |
αreg |
αreg |
– |
– |
– |
βD |
Предлагаемый алгоритм несет в себе особый смысл, заключающийся в обеспечении компенсации реактивной составляющей рекуперируемого тока. Это достигается за счет того, что регулирование напряжения инвертора происходит как по переднему, так и по заднему фронтам, путем перемещения фазы открытия и закрытия плеч ВИП к средней части полупериода.
На рис. 3 для сравнения приведены временные диаграммы работы штатного и предлагаемого ВИП для 4-й зоны регулирования. Приращение напряжения высшей зоны инвертора происходит при максимальных значениях напряжения сети, а это, в свою очередь, увеличивает рекуперируемый ток в активной его части. За счет этого значительно уменьшается угол сдвига фаз между током и напряжением первичной обмотки тягового трансформатора, следовательно, повышается коэффициент мощности электровоза в режиме рекуперативного торможения. Принцип работы для 3-й и 2-й зон по смыслу одинаков и отличается только величиной выпрямленного напряжения инвертора.
На рис. 4 для сравнения приведены временные диаграммы работы штатного и предлагаемого ВИП в режиме рекуперативного торможения на 1-й зоне регулирования.
Алгоритм работы преобразователя на 1-й зоне регулирования несколько отличается от работы ВИП на других зонах. Напряжение инвертора определяется напряжением только секции 1–x1 обмотки трансформатора (рис. 4). Инвертирование осуществляется за счет подачи сигнала управления areg на модули плеч в соответствии с предлагаемым алгоритмом работы преобразователя (таблица). На диаграмме (рис. 4б) видно, что ток сети при предлагаемом способе регулирования по фазе более близок к напряжению сети, что и обуславливает более высокий коэффициент мощности.
Работа предлагаемого ВИП электровоза предусматривает переключение транзисторов с частотой, соответствующей частоте напряжения контактной сети, а следовательно, она практически не будет отличаться от тиристорных ВИП по электромагнитной совместимости с аппаратурой СЦБ и связи.
В дальнейшем мы планируем подробнее познакомить читателей с результатами испытаний прототипа предлагаемого ВИП, а также сопоставим характеристики предлагаемого решения с электрическими и механическими параметрами «типового» технического решения на основе высокочастотных преобразователей для асинхронных тяговых электродвигателей.
- Б. А. Тушканов, Н. Г. Пушкарев, Л. А. Позднякова и др. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации. М.: Транспорт. 1995.
- Электровоз ЭП1: Руководство по эксплуатации. Изд. 2-е. Т. 1, 2 (в четырех книгах). Под ред. А. В. Омельченко. Ростов-на-Дону: СХКТБ «БелРусь». 2006.
- Семенов Б. Ю. Силовая электроника. От простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс. 2005.
- Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог: теория работы электрооборудования. Электр. схемы и аппараты. [Учебник для вузов ж.-д. трансп.] М.: Транспорт. 1980.
- Тихменев Б. Н., Кучумов В. А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями. М.: Транспорт. 1988.
- Мельниченко О. В., Яговкин Д. А., Портной А. Ю., Шрамко С. Г. Способ повышения энергетических показателей электровозов переменного тока с ВИП на IGBT-транзисторах (модулях) по критерию потребления максимально активной мощности // Пат. №2557006, Рос. Федерация: МПК Н02М 5/40, заявитель и патентообладатель Иркутский гос-ый ун-т путей сообщения – №2014104274/07, заявл. 06.02.14; опубл. 20.07.2015. Бюл. №20.