Статические преобразователи в системе электрической тяги

Вопрос экономии энергии в системе электрической тяги приобретает все большую остроту. Возможности снижения ее затрат изыскиваются, как на тяговом подвижном составе, так и в системе электроснабжения. Важным шагом, в этом направления явилось внедрение надежных и экономичных статических преобразователей в качестве тяговых на электровозах и электропоездах, а затем и в системе тягового электроснабжения для стыкования систем электроснабжения промышленной частоты стяговыми сетями, использующими частоту 16 2/3 Гц.

Уже около 20 лет ведутся интенсивные разработки в области статических преобразователей, предназначенных для питания трехфазных тяговых двигателей. Эта техника дает большой технический и экономический эффект. На сегодняшний день разработки, в этой области достигли такого уровня, что большая часть нового тягового подвижного состава, разрабатываемого в странах Западной Европы, оборудуется этими преобразователями.

Ниже рассмотрены преобразователи, используемые только с асинхронными трехфазными тяговыми двигателями, поскольку им при сравнении с синхронными чаще отдается предпочтение.

Асинхронная машина интересна в качестве тягового двигателя, прежде всего потому, что трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — это наиболее простая, легкая и надежная электрическая машина. Кроме подшипников в ней нет изнашивающихся частей. Она нечувствительна к механическим воздействиям, загрязнению и снегу.

Поскольку эта машина не имеет коллектора, ограничивающего частоту вращения ротора, современные асинхронные тяговые двигатели мощностью порядка 1000 кВт имеют максимальную частоту вращения 4000 об/мин (у двигателей постоянного тока 2500 об/мин). Для пригородного тягового подвижного состава разработаны еще более высокооборотные тяговые двигатели с максимальной частотой вращения до 6000 об/мин. При этом окружная скорость ротора достигает 70-80 м/с, в то время как для двигателей постоянного тока коллектор ограничивает этот показатель величиной 50 м/с.

Это наглядно подтверждается табл. 1, в которой, сопоставлены электрические параметры и размеры тяговых двигателей электровозов серий Е 103 (коллекторные двигатели) и Е 121 (асинхронные трехфазные). Хотя двигатель последнего мощнее на 30 %, его масса ниже на 25 % и объем тоже заметно меньше. Отсюда следует, что поезд Eurosprinter мощностью 6400 кВт с коллекторными двигателями реализовать было бы невозможно.

Асинхронные двигатели не подвержены опасности загорания при неподвижном роторе. Современный тяговый преобразователь, являющийся своего рода электронным коллектором, при правильно выбранных параметрах нечувствителен к эксплуатации с низкими частотами вращения, необходимыми для трогания с места тяжеловесных поездов. Единственное обязательное условие при этом — достаточная вентиляция двигателя. Дополнительные достоинства дает сочетание этого двигателя с современным преобразователем на тиристорах, и в частности на запираемых:

• простейшая реализация рекуперативного торможения;
• возможность работы с большим диапазоном ослабления поля без дополнительных аппаратных затрат,
• использование в сочетании с современным быстродействующим регулированием жесткой механической характеристики тяговых двигателей для реализации эффективной защиты от боксования и юза.

Для питания тяговых двигателей в последние годы во всем мире стали широко использоваться так называемые преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения. Это явилось следствием разработки запираемых тиристоров, значительно упростивших коммутационные устройства силовой цепи. Такой преобразователь (рис. 1) состоит из включенного со стороны двигателя импульсного инвертора, который создает трехфазную систему для питания тяговых двигателей, и включенного со стороны сети регулятора, который питает инвертор более или менее постоянным напряжением. Оба звена связаны промежуточным звеном постоянного напряжения, представляющим собой батарею конденсаторов большой емкости. Благодаря высокой мощности запираемых тиристоров (рабочее напряжение серийных вентилей составляет 4500 В, максимальный отключаемый ток 4000 А) могут быть реализованы практически любые встречающиеся на электропоездах мощности без параллельного или последовательного соединения вентилей. В связи с этим в большинстве случаев применяются простейшие импульсные инверторы — с двухточечной схемой.

Этим требованиям отвечает четырехквадрантный регулятор (4QS), показанный на рис. 2. Фактически он представляет собой однофазный инвертор, который со стороны переменного тока через дроссель, реализуемый обычно за счет высокой индуктивности рассеяния трансформатора, соединяется с контактной сетью, а со стороны постоянного тока — с конденсатором звена постоянного напряжения. В преобразователях, собранных на запираемых тиристорах, выбирается тактовая частота до 350 Гц, так что для сетей с частотой 50 Гц имеет место максимум семикратная подача тактовых импульсов за период. В сетях частотой 16 2/3 Гц работают преобразователи с 15-19-кратной подачей тактовых импульсов. Поскольку регулятор 4QS является автономным инвертором, при отключении напряжения сети во время рекуперативного торможения не возникают коммутационные токи короткого замыкания, как это имеет место в обычных инверторах, ведомых сетью. Это значит, что на линиях переменного тока режим рекуперативного торможения реализуется относительно просто и без какой-либо дополнительной защиты.

Наряду с  высшими гармониками, которые возникают под действием тактовых импульсов регулятора 4QS в контактной сети и на конденсаторах промежуточного звена постоянного напряжения, при передаче мощности на сторону постоянного напряжения генерируется вторая гармоника сетевой частоты, имеющая большой уровень. Для ее ограничения параллельно конденсаторам промежуточного звена включают поглощающую цепочку. Поскольку необходимые для этого схемные элементы (дроссели и конденсаторы) имеют довольно большую массу, возникла необходимость отказаться от этой цепи и исключить влияние второй гармоники на импульсный инвертор и тяговые двигатели соответствующим регулированием. Этот метод, получивший название Beat-Control, был испытан фирмой Siemens в Японии на новом поезде серии Е 501 городской железной дороги компании JR-East. Результаты испытаний оказались положительными.

На линиях, электрифицированных на постоянном токе, при достаточной электрической прочности силовых вентилей импульсный инвертор присоединяется через индуктивно-емкостный фильтр непосредственно к контактной сети. Из опыта эксплуатации тиристорных преобразователей известно, что при таком подключении необходим коэффициент запаса по электрической прочности, равный трем. Если перенести его на технику запираемых тиристоров, то инвертор на таких вентилях, имеющих рабочее напряжение 4,5 кВ, может подключаться к контактной сети с напряжением до 1500 В.

Подобное подключение для преобразователей на обычных тиристорах невозможно, поскольку действие используемых в этом случае коммутирующих цепочек зависит от напряжения контактной сети, которое может колебаться в определенных пределах. При наличии запираемых тиристоров процесс отключения выполняется через управляющий электрод, т. е. независимо от напряжения в контактной сети. При непосредственном подключении преобразователя к контактной сети значительно снижаются затраты.

На линиях постоянного тока напряжением 3000 В при заданном коэффициенте запаса по электрической прочности на каждую ветвь инвертора необходимы два последовательно соединенных запираемых тиристора с рабочим напряжением 4,5 кВ. Поскольку непосредственное последовательное соединение этих вентилей проблематично из-за очень быстрых коммутационных процессов, нужно было искать другие оригинальные решения.

Все предложения сводились к делению напряжения между двумя последовательно включенными вентилями с помощью мощного входного фильтра или конденсаторов промежуточного звена. Для этого, например, в так называемых трехточечных инверторах конденсаторы входного фильтра разделены на две параллельные группы, а их средняя точка через диод соединена со средней точкой двух последовательно включенных запираемых тиристоров (рис. 3). Благодаря наличию двух больших групп конденсаторов, каждая из которых включена параллельно одному из запираемых тиристоров и заряжается в среднем только на половину напряжения контактной сети, включения и отключения обоих запираемых тиристоров не могут происходить одновременно. Включенные параллельно вентилям конденсаторы удерживают примерно постоянным напряжение на них в течение периода, длительного по сравнению с временем включения, поэтому процессы коммутации обоих вентилей можно замедлять, чтобы получать на выходе преобразователя качественное трехфазное напряжение. Кривые напряжения в этом случае имеют значительно меньше высших гармоник, чем на выходе двухточечного инвертора, что в итоге ведет к меньшим потерям в двигателях и снижению уровня излучаемого ими шума. Недостатком трехточечной схемы являются более высокие затраты на запираемые тиристоры (примерно в 2 раза), чем у двухточечного инвертора.

С точки зрения затрат более предпочтительны решения с входным регулятором, который выдает в промежуточное звено качественное напряжение питающее более простой двухточечный инвертор. Таким регулятором может быть так называемый двухступенчатый прерыватель постоянного тока (ИППТ), показанный на рис. 4. Здесь конденсатор сетевого фильтра разбит на две части, и средняя точка через диоды соединяется со средней точкой после- довательно включенных запираемых тиристоров. Если оба тиристора управляются сетевым напряжением, то частота, воздействующая на промежуточный контур, может быть удвоена и колебания напряжения соответственно уменьшатся в 2 раза. Это снижает стоимость дросселя промежуточного звена на 25 % по сравнению с ее величиной в обычном режиме работы ИППТ. Благодаря антипараллсльно включенным вентилям можно возвращать в контактную сеть энергию при рекуперативном торможении. Тем самым здесь (как ив случае 4QS) обеспечивается возможность плавного перехода от режима тяги к режиму рекуперативного торможения.

В мощных электровозах, у которых для каждого двигателя предусмотрен отдельный инвертор, деление напряжения можно выполнять тоже с помощью конденсаторов промежуточного звена постоянного 'напряжения (рис. 5). При этом параллельно каждому из двух конденсаторов подключается двухквадрантный регулятор 2QS. Два таких регулятора соединяются между собой через дроссели.

Если исходить из того, что напряжение, приходящееся на один конденсатор, меньше, чем в контактной сети, то при открытых тиристорах GT01 и GT04 конденсаторы Сд и Сд оказываются включенными параллельно входному фильтру или контактной сети. Ток в дросселях L1 и L2 при этом увеличивается. Если тиристоры запираются, то ток течет через диоды VD2 и VD3. При этом конденсаторы Сд и Сд оказываются включенными последовательно, и ток в дросселях L1 и L 2 снижается.

Благодаря соответствующему выбору моментов коммутации вентилей напряжение промежуточной цепи удерживается стабильным и не зависящим от колебаний напряжения в контактной сети. В режиме рекуперативного торможения отпираются тиристоры GT02 и GT03, что влечет за собой последовательное соединение двух конденсаторов промежуточного звена постоянного напряжения. При этом ток в дросселях L1 и L2 растет. После запирания тиристоров 2 и 3 ток течет через диоды VD1 и VD4, причем теперь конденсаторы оказываются включенными параллельно.

Из сказанного следует, что для тягового привода электропоездов могут использоваться три вида преобразователей. В табл. 2 обобщены варианты включения с учетом различных случаев использования.

Как видно из приведенных схем (см. рис. 1, 2, 4), все преобразователи состоят из одинаковых блоков, так называемых фазовых модулей. Каждый из них содержит два последовательно включенных запираемых тиристора с антипараллельно соединенными с ними диодами. Такой принцип позволяет легко стандартизировать все схемы преобразователей, причем это дало бы следующие преимущества, если сравнивать с традиционными принципами компоновки преобразователей:

• универсальное применение в основных схемах преобразователей;
• простую, с точки зрения проектировщика, конфигурацию, облегчающую монтаж на различных типах подвижного состава для пригородного и дальнего сообщения;
• оптимальную адаптацию к концепции и мощности тягового привода;
• меньшую стоимость вследствие стандартизации и достаточно больших выпускаемых серий;
• удобство обслуживания благодаря простой замене небольших блоков;
• уменьшение объемов складского хранения запасных частей.

Наряду с силовыми вентилями в каждом модуле имеются схемные элементы, ограничивающие коммутационные перенапряжения, а также блок управления запираемыми тиристорами, в котором генерируются отпирающие и запирающие импульсы управления. Чтобы перекрывался весь диапазон мощностей, блок управления должен быть рассчитан на величину тока в импульсе до 1000 А с крутизной переднего фронта до 70 А/мкс. Для соединения блока управления с прибором регулирования тягового привода применяют медные провода или световоды. Поскольку напряжения аккумуляторных батарей в разных типах электропоездов различны, блок управления тиристорами выполняется в расчете на рабочие напряжения от 24 до 110В.

Для обеспечения возможности максимального использования качеств запираемых тиристоров большое значение имеет выбор гасящих цепочек. Как правило, используют одну из двух схем, а именно асимметричную схему Марквардта (рис. 6) или симметричную Вагнера (рис. 7). Первая из них характеризуется малыми потерями, низкими коммутационными перенапряжениями и относительно большим накопительным конденсатором (последнее качество является недостатком). Вторая схема имеет небольшой конденсатор и, следовательно, малый монтажный объем. В то же время для обеспечения таких же, как в первой схеме, малых значений коммутационных перенапряжений в ней, а также и во всем модуле Должны использоваться низкоиндуктивные соединения. Это требование относится также и к соединению модуля с промежуточным звеном постоянного напряжения. В симметричной схеме для каждой фазы необходимо отдельное гасящее сопротивление, а в асимметричной схеме для всех фаз используется одно общее.

Поскольку в технике тягового привода электропоездов используется диапазон мощностей от 100 до 3000 кВт, было бы неэкономичным применять во всех случаях только один типоразмер модуля. В связи с этим были разработаны три фазовых модуля на выключаемых тиристорах, различающиеся конструкцией и системой охлаждения. Для нижнего диапазона мощностей предназначен модуль с воздушным охлаждением, укомплектованный запираемыми тиристорами с рабочим током 3000 А и напряжением 2,5 или 4 кВ. В нем силовые вентили через теплопроводящие, но электроизолирующие керамические диски закреплены на охлаждающей плите, другая сторона которой обдувается охлаждающим воздухом. В качестве гасящей схемы здесь выбрана асимметричная. Все ее элементы, за исключением гасящего сопротивления, которое смонтировано вне модуля, охлаждаются на той же плите. Блок управления тиристорами, состоящий из двух частей (управляющей и силовой), расположен над силовыми вентилями.

Все внутреннее пространство модуля после монтажа в шкафу герметично отделяется от потока охлаждающего воздуха. Этот модуль может применяться в преобразователях с напряжением промежуточного звена до 2400 В или с напряжением в контактной сети постоянного тока 1500 В. Размеры модуля 270 х 330 х 850 мм (длина, высота, ширина), масса около 65 кг. Применяется он, главным образом, в подвижном составе пригородного сообщения. Так, например, им оборудованы новые поезда метрополитена в Сингапуре и поезд серии Е501 городской железной дороги компании JR-East в Японии.

Для следующего, более высокого диапазона мощностей разработан фазовый модуль с испарительным охлаждением. Он в основном комплектуется запираемыми тиристорами с рабочим напряжением 4,5 кВ и коммутируемым током 3 кА. В нем также использована асимметричная гасящая цепочка. Здесь все элементы силовой цепи смонтированы в герметично закрытом корпусе, выполненном из алюминия, имеющем ребра охлаждения и крышку из эпоксидной смолы с залитыми токовводами. Цельная, специально отформованная деталь из литого алюминия образует внутренний каркас модуля, на котором монтируются все элементы. В конце процесса изготовления модуль под вакуумом заполняют хладагентом (около 17 кг), после чего он остается герметично закрытым. По сравнению с другими системами охлаждения в используемой не требуются трубопроводы для подвода в ходе монтажа охлаждающей жидкости и соответствующие соединения и запорная арматура. Охлаждение полностью автономно, причем здесь не требуется насос. В качестве нового хладагента использован фторуглеводород FC 72, не содержащий соединений хлора, разрушающих озоновый слой. Размеры модуля 380 х 309 х 630 мм, масса 95 кг. Он был разработан несколько лет назад. По состоянию на март 1995 г. было выпущено более 11 500 таких модулей. Они используются на поездах ICE 1, электровозах серии S 252 Государственных железных дорог Испании, на поездах городских железных дорог Испании и Португалии, а также на всех тепловозах фирмы General Motors с асинхронным трехфазным приводом в Северной Америке.

Чтобы достичь еще больших мощностей при меньших объемах, в следующем фазовом модуле использовали водяное охлаждение. В нем применена симметричная гасящая цепочка, все элементы, включая гасящее сопротивление, дроссели, ограничивающие броски тока, и блок управления тиристорами смонтированы в модуле и охлаждаются водой. В противоположность схеме с испарительным охлаждением, где все схемные элементы погружены в хладагент, при водяном охлаждении применяются миниатюрные цилиндрические радиаторы, прижимаемые к торцам таблеточных тиристоров или диодов. Оба радиатора, расположенные с двух сторон силового вентиля, соединены между собой трубками, обеспечивающими циркуляцию воды.

Поскольку в данном случае используется обычная вода, все электрические элементы изолированы от радиаторов. У силовых вентилей это достигается за счет применения керамических шайб. В охлаждающем контуре вода сначала подводится к блоку управления тиристорами, а затем по трем трубкам идет к силовым вентилям и дросселям, ограничивающим броски тока. Далее вода вновь по одной трубке подводится к сопротивлению гасящей цепочки. Все фазовые модули в контуре охлаждения шкафа с преобразователем включены параллельно. Они размещены в литом алюминиевом корпусе с интегрированной системой распределения охлаждающей воды.

Электрически и механически весь модуль скомпонован так, что в нем могут использоваться запираемые тиристоры с рабочим напряжением 4,5 кВ и отключаемым током до 4 кА. Модуль имеет размеры 450 х 415 х 312 мм и массу 70 кг. Его конструкция обеспечивает защиту всех элементов от загрязнений (класс защиты IP 54). Два таких модуля (комплектных преобразователя) должны были испытывать на электровозе Eurosprinter. Ими же планировалось оснастить мощный электровоз серии 1012 Федеральных железных дорог Австрии, высокоскоростные поезда ICE 2/2 и поезда системы InterCity DBAG с наклоняемыми кузовами вагонов.

Помимо запираемых тиристоров, в тяговых преобразователях электропоездов все чаще применяют силовые транзисторы. В нижнем диапазоне мощностей используют управляемые полевыми транзисторами биполярные транзисторы (IGBT), которые по сравнению с запираемыми тиристорами имеют следующие преимущества:

• незначительную мощность, затрачиваемую на управление силовыми транзисторами;
• низкие коммутационные потери, так что частота срабатываний может достигать 2000 Гц;
• возможность реализации защиты простыми средствами.

Сегодня рынок предлагает модули на силовых транзисторах, рассчитанные на напряжения до 1600 В и токи до 1000 А. Все охлаждаемые элементы, модуля, как и в случае запираемых тиристоров, смонтированы на плите, которая напрямую охлаждается воздухом или водой. Такой фазовый модуль применим до напряжений в промежуточной цепи 900 В или до напряжения в контактной сети 750 В (постоянного тока). В этом секторе в ближайшие годы следует ожидать дальнейшего прогресса. В лабораториях фирмы Siemens уже должны были испытываться модули на напряжение 3,5 кВ и ток 800 А. Можно ожидать, что область применения преобразователей с IGBT распространится и на диапазон более высоких мощностей.