Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства

Полезная модель относится к электротехнике, в частности силовым полупроводниковым выпрямительно-инверторным преобразователям для питания тяговых электродвигателей моторных вагонов электропоездов переменного тока.

Выпрямительно-инверторный преобразователь представляет собой пылебрызгозащитную камеру, дно которой образовано четырьмя групповыми охладителями с расположенными на них восемью плечами управляемого однофазного моста и датчиками температуры на каждом. Внутри камеры размещены панели импульсных трансформаторов, цепочки R-C и R_ш, силовые и слаботочные клеммные колодки. На боковой стенке камеры закреплен пылебрызгонепроницаемый отсек с блоками питания и управления тиристорами преобразователя. Преобразователь комплектуется выносным блоком диагностики для контроля и диагностики состояния тиристоров и блока управления ими.

Все предложенные конструктивные изменения позволили улучшить технические и эксплуатационные характеристики, уменьшить потребление электроэнергии, повысить КПД, эксплуатационную надежность и помехоустойчивость, уменьшить материалоемкость, снизить трудоемкость, повысить технологичность и удобство монтажа, улучшить ремонтопригодность предлагаемого выпрямительно-инверторного преобразователя.

Полезная модель относится к силовым полупроводниковым выпрямительно-инверторным преобразователям, преобразующим переменный ток промышленной частоты 50 Гц в постоянный. Заявляемый силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь предназначен для питания тяговых двигателей моторных вагонов электропоездов.

При создании конструкции данного преобразователя решались задачи, связанные с экономией электроэнергии, диагностированием состояния полупроводниковых приборов, обеспечением удобного и доступного технического обслуживания основных функциональных блоков, возможностью проведения агрегатного ремонта, соответствия жестким ограничениям по массе и габаритам.

Известна выпрямительная установка [1], которая представляет собой пыленепроницаемую камеру с двусторонним обслуживанием. В камере размещены восемь блоков с полупроводниковыми лавинными вентилями: шесть блоков из 12 вентилей, расположенных в шесть горизонтальных рядов по два вентиля в каждом, и два блока из шести вентилей, расположенных в три горизонтальных ряда по два вентиля в каждом. Блоки подвешены к двум несущим профилям каркаса.

Охлаждение выпрямительной установки принудительное воздушное.

Вентили снабжены радиаторами - алюминиевыми охладителями, через которые направляется поток воздуха. Все блоки съемные, что обеспечивает легкий доступ - для очистки всего воздушного канала установки.

Электрическая схема представляет собой однофазный выпрямительный мост с расщепленными концами двух плеч для обеспечения бестоковой коммутации на переходных ступенях. В каждом плече имеется по три параллельных ветви; в каждой ветви - по шести последовательно соединенных вентилей.

Недостатками установки являются:

1. Наличие системы принудительной вентиляции, усложняющей условия эксплуатации, обслуживания и ремонта, а также требующей дополнительных затрат электроэнергии.

2. Невозможность обеспечения рекуперативного торможения.

Известна выпрямительная установка [2], которая представляет собой пыленепроницаемую подвагонную камеру с односторонним обслуживанием. Внутри камеры на четырех групповых охладителях размещены таблеточные лавинные диоды. Для лучшего доступа к элементам схемы предусмотрено шарнирное откидывающееся крепление групповых охладителей с углом поворота 90°.

Общее количество диодов в установке - 60 шт. Электрическая схема установки представляет собой однофазный выпрямительный мост с расщеплениями двух плеч для обеспечения плавного бестокового перехода с одной позиции на другую. Плечи выпрямительного моста состоят из трех параллельных ветвей, в каждой из которых по четыре последовательно соединенных вентиля. На двух групповых охладителях из четырех расположено по 18 диодов, на двух других - по 12. В качестве таблеточных вентилей в выпрямительной установке применены циклоустойчивые диоды.

От группового охладителя каждый вентиль изолирован диском из полимерного материала ПИ-3, отличающегося высокой теплопроводностью и электрической прочностью.

Защитные кожуха выпрямительной установки для повышения эффективности охлаждения имеют направляющие патрубки для захв~ата встречного потока воздуха и направления его на ребра групповых охладителей.

Основной недостаток этой установки - невозможность обеспечения рекуперативного торможения. Недостатком является также наличие направляющих патрубков для захвата воздуха.

Известен выпрямительно-инверторный преобразователь [3], содержащий корпус с центральным каналом воздушного охлаждения и соединительные шины переменного тока со смонтированными на них группами силовых полупроводниковых модулей с полупроводниковым прибором, например, тиристором, который в каждом силовом модуле закреплен между катодным и анодным индивидуальными охладителями, установленными на изоляционной монтажной панели для скрепления силовых полупроводниковых модулей между собой, причем с анодными и катодными индивидуальными охладителями соответствующих групп силовых полупроводниковых модулей соединены соответствующие анодные и катодные выходные шины постоянного тока, а к соединительным шинам переменного тока крепят входные шины для подключения переменного тока. Устройство снабжено установленными изолированно на входном конце каждой соединительной силовой шины переменного тока микропроцессорным блоком защиты преобразователя от токов перегрузки, каждый из которых размещен в креслообразном корпусе, в спинке которого выполнена центральная прорезь для возможности установки силовой шины. По периметру прорези внутри спинки выполнена канавка с размещенным в ней бесконтактным электромагнитным датчиком импульсных токов в виде пояса Роговского, имеющего два изолированных вывода, а в сиденье упомянутого корпуса выполнена прямоугольная полость с размещенной в ней платой, содержащей управляющую блок-схему с контактами, соединенными с двумя выводами упомянутого бесконтактного электромагнитного датчика и с кабелем для подключения к внешним устройствам. При этом с внешней стороны сиденья корпуса установлены металлические стойки для крепления корпуса на изоляционной монтажной панели силового модуля, а спинка и сиденье креслообразного корпуса соединены упрочняющими боковыми косынками.

Одним из конструктивных недостатков этой конструкции выпрямительной установки для транспортных средств является конструктивная сложность за счет введения в нее дополнительных конструктивных и технологически сложных элементов, что приводит к снижению КПД и эксплуатационной надежности, а также к усложнению технологии электромонтажа и сборочных работ, что, соответственно, затрудняет ремонтопригодность и приводит к увеличению эксплуатационных расходов.

К недостаткам следует отнести несоответствие требуемым жестким ограничениям по массе и габаритам и принудительное воздушное охлаждение.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание оригинальной конструкции полупроводникового выпрямительно-инверторного преобразователя для транспортного средства, которая исключает указанные недостатки и обеспечивает повышение КПД и эксплуатационной надежности, а также снижает материалоемкость и трудоемкость изготовления, улучшает ремонтопригодность и тепловой режим полупроводниковых элементов.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в улучшении технических и эксплуатационных характеристик, а именно в повышении КПД, надежности при эксплуатации в широком диапазоне климатических условий, уменьшении материалоемкости, удобстве монтажа, снижении трудоемкости изготовления преобразователя и улучшении ремонтопригодности в целом, отсутствии ложных срабатываний диагностики, обеспечении контроля за техническим состоянием тиристоров, выдачи информации о превышении температурных режимов и использование для охлаждения набегающего потока воздуха.

Технический результат достигается тем, что в выпрямительно-инверторном преобразователе, содержащем тиристоры, охладители, соединительные шины постоянного и переменного тока, пылебрызгонепроницаемая камера укомплектована двумя основными и двумя дополнительными металлическими щитами с уплотнениями из резины. Дно камеры образовано четырьмя охладителями, на которых закреплены датчики температуры и через теплопроводящие изоляторы на основе керамики - полупроводниковые приборы-тиристоры, образующие восемь плеч управляемого однофазного преобразователя, для подключения которого на одной из торцевых стенок имеется патрубок. На другой торцевой стенке снаружи установлен пылебрызгонепроницаемый отсек с блоком питания и блоком управления тиристорами преобразователя и разъемами для их подключения к цепям преобразователя. При этом между отсеком и камерой выдержан воздушный зазор. В камере установлены блоки импульсных трансформаторов для управления тиристорными плечами преобразователя, а также блоки с RC- и R_ш-цепями и клеммные колодки для подключения аппаратуры электропоезда и выносного блока диагностики через патрубок на задней стенке. На крыше преобразователя установлены грузовые уголки и выполнены отверстия для крепления преобразователя под моторным вагоном электропоезда.

Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется в электропоезде ЭД9Э.

На Фиг.1 представлена блок-схема расположения конструктивных элементов в предлагаемом выпрямительно-инверторного преобразователе.

Преобразователь имеет блочную конструкцию для обеспечения его ремонта без демонтажа с электропоезда. Размещение блоков и узлов выполнено с учетом удобства монтажа и обслуживания при эксплуатации, а также обеспечения нормального теплового режима работы тиристоров и остальных элементов преобразователя.

Конструктивно преобразователь выполнен в виде герметичного пылебрызгонепроницаемого сварного каркаса поз.1 из профильной и листовой стали и предназначен для крепления под моторным вагоном электропоезда.

На левой торцевой стороне в отсеке поз.33 расположены блок управления тиристорами поз.17 и блок питания поз.18. В верхнем правом углу закреплена маркировочная табличка поз.2. Для транспортировки преобразователь снабжен грузовыми уголками поз.3. Для ввода силовых соединительных кабелей преобразователь имеет на правой торцевой стенке отверстие с патрубком поз.4. В задней стенке имеется отверстие с патрубком поз.5 для подключения выносного блока диагностики специальным жгутом и проводов питания блока питания и аппаратуры электропоезда. Дно преобразователя выполнено в виде рамы с четырьмя «окнами», к которым снизу через уплотнительные резиновые прокладки прикреплены четыре алюминиевые профилированные моноплиты-охладителя тиристорных блоков поз.6, 7, 8, 9 ребрами наружу. Для защиты моноплит-охладителей от механических повреждений преобразователь снабжен подпорками-ножками поз.10.

Два передних съемных щита поз.11, 12. навешиваются на закрепленные на верхней раме петли и закрываются расположенными на боковых, нижней и средних стойках рамы регулируемыми быстродействующими затворами, исключающими их самопроизвольное отпирание. Для герметизации щитов поз.11, 12 применены двухслойные прокладки из мягкой резины.

Для проведения ремонтных работ предназначены задние съемные щиты поз.31, 32. Для их герметизации также предусмотрены резиновые прокладки. Щиты поз.31, 32 крепятся к каркасу преобразователя с помощью болтов.

Четыре блока тиристоров поз.6-9 содержат два по 12 и два по 10 тиристоров, размещенных в два ряда на плоской шлифованной поверхности четырех групповых моноплит-охладителей. На каждой моноплите установлен термодатчик. Для электрической изоляции тиристоров от групповых моноплит применены теплопроводящие изоляторы дисковой конструкции. Прижимные устройства тиристоров, включающими в себя траверсы и болты, притягивают к моноплитам тиристоры с теплопроводящим изолятором снизу и электроизолятором сверху. Между парами рядов блоков тиристоров поз.6-9 установлены панели управления поз.13, 14. Для эффективного охлаждения блоков тиристоров набегающим потоком воздуха при движении электропоезда, ребра моноплит расположены вдоль длины преобразователя.

Для обеспечения стока накапливающегося в преобразователе конденсата дно выполнено наклонным от задней части к передней, а моноплиты-охладители имеют отверстия, закрытые фильтровальной тканью ИФЛ-10.

Спереди, в верхней части каркаса закреплены: плата индикации транзисторов поз.15, плата генератора поз.16 и клеммная колодка поз.21. На левой внутренней боковой стороне каркаса установлена панель импульсных трансформаторов поз.20. На правой боковой стороне каркаса размещены: панель импульсных трансформаторов поз.19 и клеммные колодки поз.22, 23.

На задней стенке размещены панели с демпфирующими R-C, R_ш-цепями и платами датчиков пробоя тиристоров поз.24.

Внутри каркаса на боковых, задней и верхней стенках установлены лампы освещения.

Все провода, элементы, панели, блоки и клеммы маркированы.

На шины поз.25-28 подают переменное напряжение с тягового трансформатора, а к шинам «+» и «-» поз.29, 30 подключают кабели питания тяговых двигателей.

На лицевой стороне съемной двери преобразователя - предупреждающий знак опасности поражения электрическим током по ГОСТР 12.4.026-2001.

Принцип работы заявляемого выпрямительно-инверторного преобразователя заключается в следующем: преобразователь монтируют под моторным вагоном электропоезда, шины переменного тока соединяют со вторичными обмотками тягового трансформатора электропоезда, подключают блок питания, блок диагностики и блок управления тиристорами. При поступлении сигналов управления из системы управления движением электропоезда на входные клеммы блока управления тиристорами тиристорные плечи переходят в открытое состояние, на шинах постоянного тока появляется напряжение, величина которого задается системой управления движением электропоезда. В режиме тяги электропоезда преобразователь работает как выпрямитель, в режиме торможения - как инвертор, осуществляя рекуперативный возврат энергии. Исправность блоков тиристоров и блока управления тиристорами отслеживается датчиками состояния блоков тиристоров и блоком диагностики, расположенными в головном вагоне электропоезда.

Источники информации:

[1] - http://electri4ka.com/er9m/er9m_44.html

[2] - http://electri4ka.com/e_peremen_t/26.html

[3] - Патент РФ 54473 «Силовой полупроводниковый выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства», опубликованный 27.06.2006 г.

Силовой выпрямительно-инверторный преобразователь для транспортного средства, содержащий корпус, полупроводниковые приборы-тиристоры, охладители, соединительные шины переменного и постоянного тока, отличающийся тем, что пылебрызгонепроницаемая камера комплектуется двумя основными и двумя дополнительными металлическими щитами с уплотнениями из резины, дно камеры образовано четырьмя охладителями, на которых закреплены датчики температуры и полупроводниковые приборы-тиристоры, образующие восемь плеч управляемого однофазного преобразователя, для подключения которого на одной из торцевых стенок имеется патрубок, а на другой торцевой стенке снаружи с соблюдением воздушного зазора установлен пылебрызгонепроницаемый отсек с блоком питания и блоком управления тиристорами преобразователя и разъемами для их подключения к цепям преобразователя, при этом для управления тиристорными плечами преобразователя и потенциальной развязки в камере имеются блоки импульсных трансформаторов, а также блоки с RC- и R_ш-цепями и клеммные колодки для подключения аппаратуры электропоезда и выносного блока диагностики через патрубок на задней стенке камеры, а для крепления преобразователя под моторным вагоном электропоезда на крыше преобразователя выполнены отверстия и установлены грузовые уголки.