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.

Рис. 1. Конструкция Press-Pack IGBT-модуля

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.

Рис. 2. Принципиальная схема предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя в режиме рекуперативного торможения

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:

• b_w (work) — рабочая временная зона открытия IGBT-модулей плеча ВИП;
• b_breg (big regulation) — временная зона регулирования открытия IGBT-модулей плеча ВИП по большому контуру;
• b_sreg (small regulation) — временная зона регулирования открытия IGBT-модулей плеча ВИП по малому контуру;
• b_D (Diode) — временная зона работы диода дополнительного плеча ВИП;
• α_reg (regulation) — временная зона регулирования открытия IGBT-модулей.

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.

Рис. 3. Временные диаграммы работы:
а) для 2–4-й зон штатного преобразователя;
б) предлагаемого преобразователя

На рис. 4 для сравнения приведены временные диаграммы работы штатного и предлагаемого ВИП в режиме рекуперативного торможения на 1-й зоне регулирования.

Рис. 4. Временные диаграммы работы:
а) для 1-й зоны штатного преобразователя;
б) предлагаемого преобразователя

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 a_reg 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.