Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов
Изобретение относится к преобразовательным радиотехническим устройствам и предназначен для преобразования постоянного или переменного напряжения, снятого с главной поездной шины, в напряжение питания потребителей пассажирских вагонов. Он обеспечивает питание систем кондиционирования воздуха, отопления, вентиляции, освещения и т.п., а также обеспечивает работу агрегатов зарядки аккумуляторных батарей и подачу напряжения на розетки в вагоне. Технический результат заявляемого изобретения заключается в техническом обеспечении заданных выходных параметров высоковольтного преобразователя напряжения для потребителей пассажирских вагонов при питании электропоезда от сетей постоянного или переменного тока в широком диапазоне изменения значений напряжения и частоты. Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов включает в себя высоковольтную входную и низковольтную выходную части. Высоковольтная входная часть соединена с главной поездной шиной, на которую поступает напряжение контактной сети железной дороги, и содержит накопительный реактор, ограничитель напряжения, полупроводниковый короткозамыкатель, а также N-е количество последовательно соединенных модулей. Каждый модуль содержит инвертор, развязывающий высокочастотный трансформатор и промежуточный выпрямитель, а кроме того - входной выпрямитель и импульсный стабилизатор. Один вывод накопительного реактора соединен с первой клеммой главной поездной шины, а второй вывод - с первыми выводами ограничителя напряжения и полупроводникового короткозамыкателя и входным выпрямителем первого модуля. Вторые выводы ограничителя напряжения и полупроводникового короткозамыкателя соединены с второй клеммой главной поездной шины и входным выпрямителем последнего, N-го модуля. Кроме того, развязывающий высокочастотный трансформатор содержит сигнальную обмотку для тестирования. 3 ил.
Область техники
Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов относится к преобразовательным радиотехническим устройствам и предназначен для преобразования постоянного или переменного напряжения, снятого с главной поездной шины, в напряжение питания потребителей пассажирских вагонов. Он обеспечивает питание систем кондиционирования воздуха, отопления, вентиляции, освещения и т.п., а также обеспечивает работу агрегатов зарядки аккумуляторных батарей и подачу напряжения на розетки в вагоне.
Уровень техники
В качестве первого аналога рассмотрим блок энергоснабжения вагона (сокращенно - БЭВ) фирмы Siemens (Германия), используемый на Российских поездах, который размещается в подвагонном каркасе [Рекламный лист фирмы Siemens AG. Департамент транспортной техники. Транспортные средства. Оборудование для бортового электроснабжения с/о DUEWAG AG]. Эта система базируется на современной элементной базе, современных концепциях конструкции и коммутации (модульные силовые IGBT-модули, микропроцессорная система управления). БЭВ состоит из следующих основных устройств:
ступень предварительной зарядки и сетевой контактор;
входной преобразователь на IGBT-транзисторах с высокочастотным разделением потенциалов;
выходной инвертор на IGBT-транзисторах с подключенным за ним синус-фильтром;
устройство зарядки аккумулятора на IGBT-транзисторах;
выходной контактор постоянного тока;
выходной контактор переменного тока;
модуль управления и контроля.
БЭВ преобразует напряжение постоянного тока 3000 В в регулируемое выходное напряжение с разделением потенциалов и питает потребителей собственных нужд, а также компоненты кондиционера вагона.
БЭВ состоит из входного высоковольтного преобразователя и выходного низковольтного преобразователя.
Входной преобразователь подключается непосредственно к сети 3000 В постоянного тока и состоит из повышающего регулятора, инвертора, трансформатора и выпрямителя. Инвертор образует высокочастотное переменное напряжение. Это напряжение разделяется по потенциалу от входа через компактный и легкий высокочастотный трансформатор и после этого выпрямляется. На выходе этого преобразователя получается постоянное напряжение постоянного тока с разделением потенциалов в качестве входного напряжения для выходного преобразователя.
Выходной преобразователь представляет собой трехфазный инвертор на IGBT-транзисторах, который образует из напряжения постоянного тока промежуточного контура трехфазную систему с постоянной или переменной частотой и напряжением. После инвертора подключен синус-фильтр. Коэффициент гармоник - менее 10%. Управление и регулирование инвертором происходит посредством микропроцессорной системы управления, которая также управляет входным преобразователем. Выход защищен от перегрузки и короткого замыкания. Синус-фильтр обеспечивает трехфазное выходное напряжение с максимальным коэффициентом гармоник ниже 10%.
Устройство зарядки аккумулятора преобразует напряжение постоянного тока регулируемого промежуточного контура в выходное напряжение постоянного тока с разделением потенциалов. Разделение потенциалов происходит посредством высокочастотных трансформаторов. В нормальном рабочем режиме устройство заряжает аккумулятор и одновременно со стороны выхода питает параллельно подключенных потребителей. Функции управления, контроля и диагностики сконцентрированы в компактных модульных системах управления, выполненных с использованием микропроцессоров. БЭВ охлаждается принудительно с помощью внутреннего вентилятора.
Недостатком этого аналога является то, что он работает только с постоянным напряжением контактной сети, а так как в некоторых странах контактная сеть обеспечивает переменное высоковольтное напряжение, то при пересечении границы некоторых государств упомянутый преобразователь работать не сможет.
Известны отечественные разработки аналогичных преобразователей.
В статье "Разработка высоковольтных высокочастотных статических преобразователей" [Ж. "Электричество", 2002, ISSN 0013-5380, стр.33-34] рассмотрены принципы построения высоковольтных высокочастотных статических преобразователей для отечественных электропоездов пригородного сообщения.
В качестве второго аналога рассмотрим структурную схему серийного статического преобразователя типа ТП-13,5 У1. Он предназначен для электропитания вспомогательных потребителей одной секции электропоезда типа ЭР2 и осуществляет преобразование нестабильного напряжения 2200-4000 В контактной сети постоянного тока в стабильное напряжение 1500 В постоянного тока, которое необходимо для электропитания мотор-компрессоров ДК-409В, и в стабильное напряжение 50 В постоянного тока, которое необходимо для низковольтных бортовых цепей. В качестве силовых тиристоров используют отечественные приборы таблеточного исполнения типа ТБ433-250-14, которые серийно выпускаются ЗАО "Протон-Электротекс". Структурная схема этого преобразователя включает в себя входной фильтр, тиристорный инвертор, силовой выходной трансформатор, высоковольтный выпрямительный блок с выходным рабочим напряжением 1500 В, низковольтный выпрямительный блок с выходным напряжением 50 В, а кроме того, несколько датчиков: входного тока; состояния каждого силового тиристора инвертора; температуры; входного тока трансформатора; магнитного поля трансформатора; тока высоковольтного и низковольтного выпрямительных блоков.
Преобразователь ТП-13,5 У1 функционирует следующим образом. Высокое напряжение 2200-4000 В контактной сети через входной фильтр поступает на тиристорный инвертор, который преобразует его в переменное высокочастотное напряжение. С двух вторичных обмоток силового трансформатора соответствующее переменное напряжение поступает соответственно на высоковольтный и низковольтный выпрямительный блоки, где превращается в постоянные выходные напряжения 1500 В и 50 В. Стабилизация среднего значения выходных напряжений преобразователя осуществляется путем частотно-импульсной модуляции сигналов включения тиристоров инвертора. В зависимости от уровня входного напряжения, значения и характера нагрузок частота выходного напряжения инвертора меняется в пределах от 1,3 до 4,5 кГц.
Недостатком этого преобразователя является сложность профилактических и ремонтных работ из-за немодульного исполнения, а использование силовых тиристоров из-за своих частотных свойств ограничивает создание схем широкого спектра назначения по сравнению с современными IGBT транзисторами.
За прототип авторами взят высоковольтный высокочастотный транзисторный преобразователь [Ж. "Электричество", 2002, ISSN 0013-5380, стр.36-38]. Основой для проектирования этого преобразователя стало значительное расширение рынка мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором типа IGBT. В основу проектирования положен модульный принцип. В соответствии с этим принципом преобразователь составлен из N одинаковых функционально законченных модулей, соединенных последовательно по входу и параллельно или последовательно по выходу. Каждый модуль представляет собой независимый конвертор нестабильного постоянного напряжения одного уровня в стабильное постоянное напряжение другого уровня.
Разработанный преобразователь ПМ-13,5 У1 для электропоезда ЭР2 состоит из семи модулей М-2,7 У1 с номинальной мощностью 2,7 кВт. Его схема управления может автоматически выключать любой один неисправный модуль. При этом общая мощность преобразователя в длительном режиме работы составляет 16 кВт, а в кратковременном - 28 кВт.
Структурная схема одного модуля М-2,7 У1 содержит блок замыкания модуля, входной емкостной фильтр, широтно-импульсный регулятор, мостовой инвертор, силовой трансформатор, выпрямительные блоки и блок управления модулем.
Входной фильтр обеспечивает выравнивание входных напряжений модулей при их совместной работе в составе преобразователя. Блок замыкания модуля необходим для выключения модуля из работы преобразователя при его неисправности. Широтно-импульсный регулятор выполнен на двух параллельно включенных транзисторах типа IRG4PH40W с максимально допустимым значением напряжения 1200 В на закрытом приборе и с постоянным током коллектора 40 А. Транзисторы включены параллельно и управляются поочередно, что при общей частоте преобразования 10 кГц обеспечивает их работу на частоте 5 кГц, снижая тем самым динамические потери. Мостовой инвертор тока выполнен на транзисторах типа IRG4PH50U, имеющих пониженные динамические потери при переключении и максимально допустимые значения напряжения 900 В на закрытом приборе и с постоянным коллекторным током 50 А. Рабочая частота инвертора 10 кГц. В диагональ мостового инвертора включен высокочастотный трансформатор с двумя вторичными обмотками, ЭДС которых посредством выпрямительных блоков преобразуется в постоянные напряжения 110 и 40 В. Управление транзисторами импульсного регулятора и мостового инвертора осуществляет блок управления модулем.
Недостатком прототипа является то, что он работает только с постоянным напряжением контактной сети.
Сущность изобретения
Сущность заявляемого изобретения заключается в техническом обеспечении заданных выходных параметров высоковольтного преобразователя напряжения для потребителей пассажирских вагонов при питании электропоезда от сетей постоянного или переменного тока в широком диапазоне изменения значений напряжения и частоты. Это возможно благодаря предложенному техническому решению.
Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов (далее по тексту - преобразователь) включает в себя высоковольтную входную и низковольтную выходную части. Высоковольтная входная часть соединена с главной поездной шиной, на которую поступает напряжение контактной сети железной дороги, и содержит накопительный реактор, ограничитель напряжения, полупроводниковый короткозамыкатель, а также N-е количество последовательно соединенных модулей. Каждый модуль содержит инвертор, развязывающий высокочастотный трансформатор и промежуточный выпрямитель, а кроме того - входной выпрямитель и импульсный стабилизатор. Один вывод накопительного реактора соединен с первой клеммой главной поездной шины, а второй вывод - с первыми выводами ограничителя напряжения и полупроводникового короткозамыкателя и входным выпрямителем первого модуля. Вторые выводы ограничителя напряжения и полупроводникового короткозамыкателя соединены с второй клеммой главной поездной шины и входным выпрямителем последнего, N-го модуля. Кроме того, развязывающий высокочастотный трансформатор содержит сигнальную обмотку для тестирования.
Наличие всех существенных признаков позволяет использовать преобразователь при большом разбросе значений напряжения контактной сети, причем это напряжение может быть как постоянным, так и переменным.
Благодаря введенным элементам защиты: ограничителю напряжения и полупроводниковому короткозамыкателю осуществляется защита элементов преобразователя от коммутационных перенапряжений в контактной сети, возникающих при работе другой аппаратуры. Причем ограничитель напряжения сглаживает кратковременные импульсы перенапряжений за счет нелинейного изменения своего внутреннего сопротивления в зависимости от изменения напряжения. А полупроводниковый короткозамыкатель в случае недопустимо большой длительности этих импульсов перенапряжений шунтирует преобразователь по входу.
Входной выпрямитель предназначен для преобразования переменного входного напряжения в постоянное, но позволяет преобразователю работать как при переменном, так и при постоянном входном напряжении.
Импульсный (повышающий) стабилизатор в сочетании с накопительным реактором обеспечивает стабильное выходное напряжение преобразователя при изменении значений входного напряжения в широком диапазоне. Кроме того, при работе на переменном токе с помощью импульсного стабилизатора удается достичь синусоидальной формы входного тока, что, в свою очередь, значительно улучшает (увеличивает) коэффициент мощности потребляемого тока.
Инвертор образует на выходе переменное напряжение с заданной высокой частотой.
Развязывающий высокочастотный трансформатор с двумя силовыми вторичными обмотками разделяет по потенциалу от входа выходные напряжения (на вторичных силовых обмотках). Кроме того, развязывающий высокочастотный трансформатор содержит третью вторичную обмотку для тестирования - сигнальную, соединенную с блоком управления модулем. Это позволяет контролировать работу каждого из N модулей в процессе работы.
Первый и второй выходные выпрямители обеспечивают на выходе напряжение постоянного тока на двух каналах, которые служат в качестве входных напряжений для низковольтной выходной части преобразователя, которая обеспечивает требуемые выходные напряжения для потребителей энергии.
Перечень графических материалов
Фиг.1 - структурная схема высоковольтного преобразователя напряжения для пассажирских вагонов.
Фиг.2 - вариант исполнения элементов защиты контактной сети.
Фиг.3 - вариант исполнения элементов схемы одного модуля высоковольтной части преобразователя.
На фиг.1 приведена структурная схема высоковольтного преобразователя напряжения для пассажирских вагонов, включающая в себя высоковольтную входную и низковольтную выходную части.
На фиг.2 представлена высоковольтная входная часть преобразователя с конкретным исполнением следующих элементов:
полупроводниковый короткозамыкатель - в виде тиристора;
ограничитель напряжения - в виде варистора;
накопительный реактор - в виде дросселя.
На фиг.3 приведен пример схемного исполнения структурных элементов высоковольтной входной части преобразователя: входного выпрямителя, импульсного стабилизатора и инвертора.
Описание в статике
Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов состоит из высоковольтной входной 1 и низковольтной выходной 2 частей (фиг.1).
Высоковольтная входная часть преобразователя содержит элементы защиты (ограничитель напряжения 3 и полупроводниковый короткозамыкатель 4), накопительный реактор 5, N последовательно соединенных модулей 6, каждый из которых содержит входной выпрямитель 7, импульсный стабилизатор 8, инвертор 9, развязывающий трансформатор 10 с тремя вторичными обмотками: двумя силовыми выходными и одной сигнальной 11, а также два выходных выпрямителя 12 и 13. С этих выходных выпрямителей выходят два разных напряжения постоянного тока - U1 и U2, которые поступают на низковольтную выходную часть 2 преобразователя, причем одно из них (U1) служит для подзарядки аккумуляторных батарей, а второе (U2) преобразуется выходной частью преобразователя в различные, заранее заданные напряжения питания потребителей энергии пассажирских вагонов.
Описание в динамике
Преобразователь работает следующим образом.
Входную часть 1 преобразователя подключают к главной поездной шине, на которой имеется постоянное или переменное напряжение в диапазоне от 2200 до 5000 В. Параллельно клеммам главной поездной шины подключены элементы защиты - ограничитель напряжения 3 и полупроводниковый короткозамыкатель 4. Причем ограничитель напряжения 3 сглаживает кратковременные импульсы перенапряжений за счет изменения внутреннего сопротивления при резком увеличении напряжения на входе. А если продолжительность этого резкого увеличения напряжения велика (например, из-за аварии на линии), то срабатывает короткозамыкатель 4, который шунтирует вход преобразователя, и таким образом защищает от перенапряжения входной выпрямитель преобразователя.
Входное напряжение через накопительный реактор 5 поступает на входной выпрямитель 7 первого модуля, а с выхода этого выходного выпрямителя - на входной выпрямитель второго модуля и т.д., на N-й входной выпрямитель N-го модуля. В каждом модуле после выпрямителя 7 выпрямленное (постоянное) напряжение стабилизируют с помощью импульсного стабилизатора 8 до заданной величины, а затем уже с помощью инвертора 9 превращают в переменное напряжение, поступающее на первичную обмотку развязывающего высокочастотного трансформатора 10.
Таким образом, каждый модуль "обрабатывает" напряжение, величина которого равна Uвх/N. Так, например, если напряжение в контактной сети около 4200 В, а количество модулей 6, то на первичной обмотке развязывающего высокочастотного трансформатора 10 будет около 700 В.
Развязывающий высокочастотный трансформатор 10 имеет две вторичные обмотки, обеспечивающие заданную величину выходного тока, а также третью обмотку 11 - сигнальную, которая предназначена для тестирования работы каждого модуля преобразователя.
Выходы первых выходных выпрямителей 12 и вторых выходных выпрямителей 13 параллельно объединяют и на низковольтную выходную часть преобразователя 2 подают два разных напряжения для дальнейшего преобразования в выходной части преобразователя 2 с целью удовлетворения требований энергопотребителей вагона.
Пример конкретного исполнения
Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов может быть реализован в соответствии со структурной схемой, представленной на фиг.1.
На фиг.2 приведен пример конкретного исполнения элементов защиты.
В качестве ограничителя напряжения предложен варистор 14 типа ОПН-КЕ-3/3,3-УХЛ2, изготавливаемый по техническим условиям ИТЕА.674.361.001ТУ. В качестве короткозамыкателя предложен тиристор 15 типа T201N70TOH.
В качестве накопительного реактора предложен дроссель МИЮН.672161.001.
На фиг.3 приведены электрические схемы входного выпрямителя 7, импульсного стабилизатора 8 и инвертора 9.
Входной выпрямитель 7 выполнен в виде модуля RM 50TC-2H на основе мостовой схемы. При постоянном входном напряжении работают диоды 16 и 19, а при переменном - все четыре диода 16-19.
Импульсный стабилизатор 8 выполнен в виде модуля SKM150 GAL 123D и включает в себя транзистор 20 и диод 21.
Инвертор выполнен в виде модуля SKM150GB123D на основе мостовой схемы, состоящей из двух транзисторов 23, 24 и двух диодов 25, 26.
Конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций, могут быть выбраны, например, марки СВ35-10000 мкф/350V.
Первый и второй выходные выпрямители могут быть выбраны типа RM 100 СА/СА1.
В качестве низковольтной выходной части преобразователя может использоваться разработанный в НИИ электромеханики (г.Истра) преобразователь статический ПЧ-24-У1 ТУ 16-00 МБДИ 435321.001 ТУ.
Высоковольтный преобразователь напряжения для пассажирских вагонов, содержащий высоковольтную входную и низковольтную выходную части, в котором высоковольтная входная часть, соединенная с клеммами главной поездной шины, включает в себя N-е количество последовательно соединенных модулей, каждый из которых содержит инвертор, развязывающий высокочастотный трансформатор с двумя силовыми вторичными обмотками и два выходных выпрямителя, выход которого соединен с входом низковольтной выходной части преобразователя, отличающийся тем, что высоковольтная входная часть преобразователя дополнительно содержит накопительный реактор, ограничитель напряжения, полупроводниковый короткозамыкатель, причем один вывод накопительного реактора соединен с первой клеммой главной поездной шины, второй вывод накопительного реактора - с входным выпрямителем первого модуля и первыми выводами ограничителя напряжения и полупроводникового короткозамыкателя, вторые выводы которых соединены со второй клеммой главной поездной шины и входным выпрямителем N-го модуля, причем каждый модуль дополнительно содержит входной выпрямитель и импульсный стабилизатор, при этом в каждом модуле напряжение с входного выпрямителя стабилизирует с помощью импульсного стабилизатора, а затем преобразуют с помощью инвертора в переменное напряжение, которое поступает на первичные обмотки развязывающего трансформатора, который дополнительно содержит сигнальную обмотку для тестирования.
