Преобразователь собственных нужд

К настоящему времени для питания потребителей собственных нужд подвижного состава в основном применяются вращающиеся преобразователи. Несмотря на ряд преимуществ, присущих статическим преобразователям, тиристорные преобразователи собственных нужд так и не получили широкого распространения. Это обусловлено многими факторами, в том числе и консерватизмом потребителей. Однако основная причина в недостаточной надежности таких преобразователей и самое главное в их технических и эксплуатационных характеристиках.

Одна из причин, почему “не любят” преобразовательную технику – это значительные искажения, вносимые в источники энергии, а также качество выдаваемой электроэнергии. Гармоники во входном токе перегружают сети, вызывая дополнительные потери, мешают работе других потребителей в сети. Эти недостатки особенно сильно проявляются в контактных сетях электрифицированного транспорта. Помехи от “грязных” потребителей энергии могут привести к сбоям в работе систем сигнализации, дистанционного оперативного управления движения транспорта, релейной связи.

С другой стороны, для получения необходимого качества поставляемой энергии, преобразователи на тиристорах должны иметь массивные и дорогие выходные фильтры, по стоимости сопоставимые с основным преобразователем.

Появление на рынке силовой электроники быстродействующих мощных транзисторов привело к революционному развитию преобразовательной техники. Новая элементная база позволяет существенно повысить рабочую частоту даже очень мощных преобразователей. Высокая перегрузочная способность, превосходная динамика транзисторов существенно расширяют возможности и области применения преобразователей. Появляется возможность новых структурных решений, алгоритмов, обеспечивающих высокое качество как потребляемой, так и поставляемой электроэнергии.

Появилась, наконец, элементная база, позволяющая делать “идеальные” преобразователи, практически не вносящие искажения. Преобразователь для питания собственных нужд (ПСН) потребителей скоростного электропоезда “Сокол” был разработан с учетом всех возможностей, которые дает современная элементная база силовой электроники для повышения качества потребляемой и поставляемой потребителям электроэнергии. Примененные в данной разработке структурные решения, алгоритмы управления, режимы работы элементов отражают современную тенденцию преобразовательной техники.

Основные характеристики и параметры ПСН

Номинальная мощность – 132 кВт;

Аппарат двойного питания без каких-либо переключений в структуре силовой схемы или системе управления для работы:

  • Непосредственно от контактной сети постоянного 2,2…4 кВ,
  • Или от контактной переменного тока – 1,9…2,9 кВ (через понижающий трансформатор);

Выходные параметры:

  • 3-х фазное 380 В, 50 Гц, номинальной мощности 102 кВт;
  • однополярное напряжение 110 В, 14 кВт;
  • заряд аккумуляторной батареи – до 12 кВт.

Внешние габариты ящика ПСН 1900 мм (ширина), 1100 мм (глубина), 650 мм (высота). Класс защиты IP54. Размещение в подвагонном агрегатном отсеке поезда, обслуживание одностороннее.

Рабочий диапазон температур –50° С…+50° С.

Охлаждение основных тепловыделяющих компонентов:

Транзисторных и диодных модулей, силовых резисторов, реакторов, трансформаторов – жидкостное, через промежуточные охладители, причем рабочая жидкость во всех узлах, включая высоковольтные, не находится под воздействием какого-либо напряжения.

Для запуска преобразователя не требуются никакие дополнительные источники энергии. Питание всех узлов и блоков управления, драйверов и датчиков осуществляется посредством отбора мощности от силовой схемы модулей.

ПСН имеет защиты от внешних и внутренних перенапряжений, коротких замыканий в нагрузках (трехкратное АПВ), защиту от длительных перегрузок, защиты от перегрева силовых узлов.

Структурная схема, алгоритмы управления

Преобразователь представляет собой высоковольтную структуру, состоящую из нескольких одинаковых последовательно соединенных силовых модулей. Каждый из модулей включает силовые элементы, имеющие класс по напряжению существенно более низкий, чем напряжение контактной сети. Класс напряжения аппарата в целом определяется суммой классов напряжения отдельных модулей и, поэтому, может достаточно широко варьироваться при изменении количества последовательно соединенных модулей. В этом случае отпадает необходимость в элементной базе с максимально высоким классом (3,3 кВ и выше), допускающей относительно невысокие рабочие частоты. Такая структура не ограничивает применение силовой элементной базы класса 1.2 кВ, что при необходимой высоковольтности аппарата позволяет применить более высокие рабочие частоты.

С другой стороны последовательное соединение одинаковых модулей позволяет эффективно реализовать так называемый многофазный режим по входу преобразователя. Суть его в том, что при рабочей частоте каждого из модулей – 5 кГц, можно получить эквивалентную частоту переключения в целом на входе преобразователя выше в число раз, равное количеству последовательно соединенных модулей. Для ПСН эквивалентная частота равна 40 кГц. Такая эквивалентная частота обеспечивает прекрасные динамические характеристики управления и позволяет сформировать “идеальную” форму потребляемого тока.

Элементная база системы управления

Все алгоритмы программного пуска и управления выполнены программным образом с применением сигнального DSP- процессора. Аварийные защиты выполнены на аппаратной электронике. Проблемы помехоустойчивости решаются широким применением оптоэлектронных развязок, электромагнитных и электростатических экранов.

Комментарии запрещены.