Для чего нужен преобразователь на электропоезде
Для чего нужен преобразователь на электропоезде
Устройство и принцип действия
Двигатель преобразователя представляет собой четырехполюсную электри-
ческую машину постоянного тока со смешанным возбуждением и самовентиляцией. Двигатель питается от контактной сети и рассчитан на номинальное напряжение 3000 В. Его мощность 44 (50) кВт, при номинальном токе 18,4 (19,2) А. Частота вращения якоря двигателя 1000 мин ‘.
Стальная станина (остов) 9 (рис. 3.4) двигателя имеет цилиндрическую форму. Четыре лапы остова служат для подвески двигателя под вагоном. Со стороны коллектора в остове имеются смотровые люки, закрытые съемными крышками 8. С противоположной стороны остова выполнены отверстия 13 для выхода вентилирующего воздуха, закрытые сетками.
В горловинах остова установлены подшипниковые щиты 3 и 27, в гнезда которых запрессованы наружные обоймы роликовых подшипников 4 и 26. Внутренние кольца подшипников напрессованы на вал 6 якоря. Радиально-упорный подшипник 4 со стороны коллектора закреплен жестко, а радиальный подшипник 26 со стороны вентилятора может несколько перемещаться в осевом направлении при температурных изменениях длины вала. Подшипники заполняют смазкой ЖРО (Буксол).
Сердечник якоря 10 набирают из отдельных штампованных стальных листов, покрытых с обеих сторон изоляционным лаком. Стальные листы насаживают на вал 6 и зажимают двумя нажимными шайбами (обмоткодержате-лями) 12. В 49 пазах якоря уложена волновая обмотка 11, ее корпусная изоляция состоит из четырех слоев липкой стеклоэскапонной ленты и одного слоя стеклоленты. Пазовые и лобовые части обмотки закреплены бандажами.
Коллектор 2 имеет арочную конструкцию, он стянут шестью болтами между нажимным конусом и втулкой. Коллектор набран из 343 коллекторных пластин, изолированных между собой миканитовыми прокладками. Пластины изолированы от корпуса коллектора миканитовым цилиндром и манжета-
Рис. 3.4. Преобразователь 1ПВ-6У1:
Технические характеристики преобразователей 1ПВ-6У1 и НВП-44/38
ми. Якорь 10 в сборе представляет собой монолитную конструкцию и уста-
Статический преобразователь собственных нужд поездов постоянного напряжения
На электропоездах для питания осветительных сетей, обогревателей, двигателей компрессоров и других нагрузок используются преобразователи собственных нужд. Эти устройства получают электроэнергию от высоковольтных контактных сетей, напряжение которых изменяется в широких пределах, и обеспечивают питанием стабилизированные электрические сети поездов.
Одно из возможных технических решений – статический преобразователь собственных нужд. На рис. 21.1 представлена расчетная схема преобразователя собственных нужд, который может использоваться на электропоездах ЭД6 (работа выполнялась «Лабораторией преобразовательной техники» с участием РАО ВСМ, ФГУП ЦНИИ СЭТ и др.).
Рис. 21.1 Расчетная схема статического преобразователя собственных нужд для электропоезда ЭД6
В рассматриваемом случае преобразователь получает питание от контактной сети постоянного напряжения 3 кВ. Напряжение контактной сети изменяется в пределах от 2,2 кВ до 4 кВ. Преобразователь имеет мощность 80 кВт. Он обеспечивает питанием сеть постоянного напряжения 110 В и трехфазную сеть переменного напряжения 380 В, 50 Гц. В преобразователе с помощью трансформатора обеспечивается гальваническая развязка сетей 3 кВ, 380 В и 110В. Для уменьшения массы и габаритов трансформатора он выполняется на повышенную частоту (1000 Гц).
В расчетной схеме контактная сеть представлена источником ЭДС ек, индуктивностью Ik и активным сопротивлением Гк. Контактная сеть имеет напряжение Uk и ток ik.
На входе преобразователя имеется дроссель с индуктивностью 1ь равной 0,0055 Гн, и активным сопротивлением г,.
Напряжение контактной сети преобразуется в однофазное переменное напряжение входным трехуровневым транзисторным инвертором. Входной инвертор содержит четыре транзистора с обратными диодами, конденсаторы и другие элементы. В конденсаторах учитываются емкости Ci и С2 (по 600 мкФ) и активные сопротивления гс. Транзисторы включаются по два последовательно в каждом плече входного инвертора. Напряжение между ними распределяется с помощью входных конденсаторов, точка соединения которых с помощью диодов объединяется с точками соединения друг с другом транзисторов. Состояния транзисторов и обратных диодов описываются
Назначение и структурные схемы преобразователей
Преобразователи в силовых цепях электровозов и электропоездов используют для следующих целей: выпрямления переменного тока (выпрямители), преобразования постоянного тока в переменные (инверторы), импульсного регулирования напряжения (импульсные преобразователи), преобразования однофазного переменного тока в трехфазный и изменения частоты напряжения источника питания (преобразователи ПЧФ). Все эти преобразователи выполнены на полупроводниковых приборах (диодах и тиристорах). По типу применяемых полупроводниковых приборов преобразователи подразделяют на диодные, диодно-тиристорные и тиристорные, по системе охлаждения диодов и тиристоров с принудительным и естественным охлаждением. На э. п. с. зарубежных железных дорог (Швеции, Японии) применяют также жидкостные системы охлаждения.
На электровозе или электропоезде с диодным выпрямителем (рис. 129, а) напряжение, подаваемое через токоприемник трансформатором Т с групповым переключателем К ; ВЛ80 К и электропоезда ЭР9, ЭР9П и др.
По схеме рис. 129, з построены опытные электровозы ВЛ80 В переменного тока с вентильными (синхронными) тяговыми двигателями независимого возбуждения. Напряжение на двигатели подается от полууправляемого моста UZ6, преобразователь UZ7 (преобразователь ПЧФ)’ с тиристорами в выпрямительном и инверторном звеньях позволяет осуществлять поочередное питание фаз ста-торномотки.
Импульсные преобразователи (ИП) на электровозах и электропоездах постоян ного тока позволяют более экономично по сравнению с контакторно-реостатной системой управлять тяговыми двигателями в режиме как пуска, так и электрического торможения. При этих преобразователях меньше потери энергии в процессе пуска и разгона (исключены пусковые и тормозные резисторы); выше плавность пуска, меньше броски тока, шире диапазон регулирования скорости, меньше падение напряжения в контактной сети в процессе пуска и разгона. На э. п. с. магистрального транспорта и метрополитенов ИП применяют для регулирования сопротивлений пусковых и тормозных резисторов в цепях якорей и возбуждения тяговых двигателей (в этом случае тиристорный прерыватель включают параллельно резистору), а также для осуществления безреостатных пуска и разгона, регулирования скорости движения.
В системе постоянно-многофазного тока без звена переменного тока (рис. 129, л) импульсным преобразователем 1118 регулируют напряжение, подводимое к инвертору 1125, от которого питается бес-коллекторный многофазный тяговый двигатель с частотным управлением. Такая система вызвана тем, что при пуске локомотива должны быть весьма низкая частота и соответственно малое напряжение постоянного тока, подводимое к инвертору С/15, чтобы были удовлетворительными параметры системы (высокие перегрузочная способность, к. п. д., коэффициент мощности и др.)
Схемы и устройство диодных и тиристорных преобразовательных установок на различных электровозах и электропоездах могут иметь существенные принципиальные и конструктивные отличия, в соответствии с чем эксплуатация преобразователей также имеет специфические особенности, которые необходимо знать, чтобы можно было обеспечить надежную длительную работу э. п. с.
Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП)
Опубликовано 30.08.2019 · Обновлено 07.04.2021
Многих интересует серьезный вопрос – что такое выпрямительные установки и выпрямительно-инверторные преобразователи?
Данная тема напрямую касается электровозов и электропоездов переменного тока. На данных локомотивах и электропоездах применяют в основном тяговые электродвигатели постоянного (пульсирующего) тока. Проводится большая работа по установке на электровозы переменного тока тяговых электродвигателей переменного тока (асинхронных), но пока их внедрение носит экспериментальный характер. Высокое напряжение в контактной сети переменного тока (25000 Вольт) и значительно меньшее напряжение на коллекторах тяговых электродвигателей (ТЭД) постоянного тока требует необходимости использования тяговых трансформаторов для понижения напряжения и преобразователей (диодов) для выпрямления переменного тока в постоянный.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-300×225.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-1024×768.jpg» width=»1024″ height=»768″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-1024×768.jpg» alt=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″class=»wp-image-2224″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-300×225.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-768×576.jpg 768w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″ /> Выпрямительно-инверторные преобразователи
Появление таких преобразователей – кремниевых вентилей: диодов, стало крупным научно-техническим достижением в электровозостроении. Началось их внедрение на электровозах и электропоездах. Это всем известные электровозы серии ВЛ60 всех индексов и ВЛ80 С и Т, кроме электровоза ВЛ80Р, о нем расскажу позже. Диоды, конструктивные названия которых – вентиль лавинный (ВЛ), размещаются в выпрямительных установках (ВУ), по одной установке на тележку. После выпрямления в выпрямительных установках ток, для сглаживания пульсаций, проходит через сглаживающий реактор и далее в цепь тягового электродвигателя.
Электровоз ВЛ80с с наливняком
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-300×208.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-1024×710.jpg» width=»1024″ height=»710″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-1024×710.jpg» alt=»Электровоз ВЛ80с с наливняком | Электровоз ВЛ80с с наливняком | Движение24″class=»wp-image-2225″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-300×208.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-768×532.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Электровоз ВЛ80с с наливняком | Движение24″ /> Электровоз ВЛ80с с наливняком
На электровозах ВЛ80 С и Т применяется реостатное торможение (торможение электродвигателями), которое требует установки еще одной выпрямительной установки возбуждения (ВУВ), которая предназначена для выпрямления и плавного регулирования тока в обмотках возбуждения ТЭД. Такое прогрессивное электрическое торможение как рекуперативное (возврат электроэнергии, вырабатываемой ТЭД в генераторном режиме в контактную сеть) для электровозов переменного тока данных конструкций было невыполнимо, до появления выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП), но об этом позже.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-300×157.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-1024×536.jpg» width=»1024″ height=»536″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-1024×536.jpg» alt=»Контроллер машиниста | Контроллер машиниста | Движение24″class=»wp-image-2226″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-300×157.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-768×402.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Контроллер машиниста | Движение24″ /> Контроллер машиниста
Регулирование напряжения тяговых электродвигателей происходит на стороне низшего напряжения тягового трансформатора, путем подключения его обмоток. Для этого на электровозах установлен электрический контроллер главный – ЭКГ8Ж. Данный контроллер имеет 30 кулачковых контакторов без дугогашения и четыре с дугогашением (А, Б, В и Г), кулачковые валы и электродвигатель (сервомотор). Во избежание короткого замыкания при переключении секций устанавливается переходной реактор. Управление осуществляется контроллером машиниста, имеющим 33 позиции, причем продолжительное время можно работать на выделенных (ходовых) позициях, каждая пятая, остальные являются переходными.
Вспоминаю, в целом ЭКГ работают устойчиво, но иногда могут случаться и поломки – сгорает предохранитель сервомотора или частенько валы ЭКГ «загоняет за ноль» и приходится останавливаться, опускать токоприемники, проходить в высоковольтную камеру (ВВК) и вручную скручивать валы ЭКГ специальным ключом, ориентируясь по специальным рискам на лимбе вала. Но вот совершенно новые возможности для электровозов переменного тока открылись после появления управляемых кремниевых вентилей – тиристоров (управляемых диодов).
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536-300×225.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536.jpg» width=»710″ height=»532″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536.jpg» alt=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″class=»wp-image-2227″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536-300×225.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536.jpg 710w» data-sizes=»(max-width: 710px) 100vw, 710px» /title=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″ /> Тиристоры
Эти уникальные полупроводниковые приборы, устанавливаемые в мостовые схемы, могут не только выпрямлять переменный ток, но и регулировать его величину, а также постоянный ток изменять в переменный (инвертирование). Они позволили придать совершенно новые качественные характеристики локомотивам: во-первых, обеспечить плавное регулирование напряжение на ТЭД в режиме тяги; во-вторых, осуществить ранее невозможное для электровозов переменного тока — рекуперативное торможение. Принцип прост – секции трансформатора подключаются к плечам ВИП, через которые регулируется напряжение. Такая схема предусматривает четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения при трех секциях вторичной обмотки тягового трансформатора. Ну а когда применяется электрическое торможение, то постоянный ток, вырабатываемый ТЭД в генераторном режиме, проходит через ВИП процесс инвертирования – преобразования его из постоянного в переменный, что и позволяет возвращать его в контактную сеть уже переменным.
Управляются эти процессы контроллером машиниста (небольшой штурвал или рукоятка на пульте) посредством цепей управления, контроллер имеет четыре зоны регулирования и просто плавно переводится из одной зоны в другую или обратно. Такая бесконтактная, безынерционная электронная система управления электровозом позволяет удобно и быстро изменять режимы движения. Так, переключение до полного напряжения на коллекторах ТЭД, переход на режим выбега и повторный выход на самое высокое напряжение занимает всего 1-2 секунды. Переход из режима тяги в режим рекуперативного торможения и обратно занимает около 9 секунд. И никакого ЭКГ не надо! Все происходит быстро, четко и плавно!
Конструктивно выпрямительно-инверторный преобразователь состоит из блока силового (БС) и блока питания (БП). Остовом для расположения всех элементов является сварной каркас из профильной и листовой стали. Части в каркасе расположены с учетом удобства выполнения монтажа и обслуживания при эксплуатации и теплового режима элементов. В принципе все. Когда мы пересели на электровозы ВЛ65 и ЭП1, 1М в пассажирском движении и 3ЭС5К «Ермак» в грузовом, то сразу почувствовали в полной мере все преимущества данной схемы! Как говорится – небо и земля! Необходимо отметить, что внедрение выпрямительно-инверторных преобразователей дело очень современное. Нет. В 1976 году в СССР началось серийное производство грузовых двухсекционных электровозов переменного тока оснащенных выпрямительно-инверторными преобразователями – ВЛ80Р, а в 1983 году электровозов ВЛ85, ну а затем начался серийный выпуск пассажирских электровозов — ВЛ65, ЭП1, ЭП1М, ЭП1П и грузовых – 2ЭС5К, 3ЭС5К и 4ЭС5К, объединенных одним названием «Ермак». Все они оборудованы рекуперативным торможением. Вот такой революционный прорыв в электровозостроении совершил полупроводниковый прибор – тиристор!
Конструкция преобразователей
Полупроводниковые диоды и тиристоры, аппаратура защиты и сигнализации, вспомогательное оборудование смонтиро ваны на изоляционных панелях в металлических шкафах обычно прямоугольной формы. В преобразовательных установках э.п.с. диоды и тиристоры чаще всего соедини ют последовательно-параллельно (рис. 140,а, бив). Необходимо, чтобы предельные параметры вентилей были одинаковые и имели малый разброс вольт-амперных характеристик. 1
Основным условием надежной работы является повышение с некоторым запасом предельных токов и напряжений вентилей над расчетными в плечах преобразователей. С учетом коэффициентов, определяемых условиями эксплуатации, число параллельно включенных вентилей в плече
^пар Лтл^пер1 (Лтр^’н^’и) 1
Из-за малой постоянной времени нагревания структуры полупроводникового прибора за расчетный ток /пл для грузовых электровозов переменного тока принимают максимальный ток при максимальной силе тяги по сцеплению (при коэффициенте сцепления ф = 0,36) для скорости движения V = 0 с продолжительностью перегрузки 10-20 с. Для пассажирских электровозов и электропоездов за расчетный принимают ток уставки защиты от перегрузки с некоторым запасом по отношению к толчкам тока при пуске.
В зависимости от расчетных значений максимального обратного и прямого напряжения (с учетом перенапряжений),
Рис. 140. Схемы соединений вентилей в преобразователях приходящегося на одно плечо в схеме преобразователя, и допускаемого повторяющегося напряжения принимают с некоторым запасом необходимое число диодов и тиристоров выбранного типа, подлежащих последовательному включению так, чтобы
^посл^ шах^н пер «Ь 1/(^пр^и?/)>
Перегрузки полупроводниковых приборов, превышающие предельные токи, а также токи при внутренних и внешних коротких замыканиях в цепях преобразователей при несовершенной защите могут вызвать нарушение их внутренней структуры и потерю электрической прочности Это приводит к развитию аварийного режима с тяжелыми последствиями. Так как электрическая прочность этих приборов не восстанавливается, они не пригодны для ремонта. К тому же приводят повреждения и пробой изоляции в цепях преобразователя вследствие коммутационных и атмосферных перенапряжений при несовершенной защите.
При параллельном соединении диодов заметная иеидентичность прямых ветвей вольт-амперных характеристик приводит к перегрузке диодов, обладающих меньшей потерей напряжения от прямого тока. В случае последовательного соединения полупроводниковый прибор с меньшим обратным током воспринимает перенапряжения в большей степени, чем остальные. Для распределения обратных напряжений, приходящихся на каждый нелавииный диод или тиристор, применяют шунтирующие резисторы #ш, а для гашения перенапряжений, возникающих при коммутации тока,- контуры /?С. Если применены лавинные диоды, то с ростом напряжения в цепи последовательно соединенных диодов возрастает обратный ток. Вначале напряжение воспринимается одним диодом; дальнейший рост обратного тока не вызывает увеличения напряжения на нем, а приводит к увеличению напряжения на других, и происходит выравнивание напряжения. Поэтому при последовательно-параллельном соединении лавинных диодов можно не применять резисторы #ш, #с И контуры #С.
В преобразователях применяют штыревые и таблеточные диоды и тиристоры, в таблеточных диодах и тиристорах в отличие от штыревых кремниевый элемент не припаивают к основанию, а прижимают верхним и нижним основаниями при сборке на заводе-изгото-внтеле. Положение кремниевого элемента внутри корпуса фиксируется втулкой из изоляционного материала. Применение прижимных контактов для соединения силовых выводов с кремниевым элементом уменьшает механические напряжения, возникающие в нем при резких повышениях температуры, что существенно повышает стойкость полупроводникового прибора к значительным токовым перегрузкам.
Выпрямитель УВП-5 конструктивно выполнен с односторонним обслуживанием. Внутри его камеры на четырех групповых алюминиевых охладителях смонтированы лавинные таблеточные диоды. Для удобства предусмотрено шарнирное крепление групповых охладителей. Наружные поверхности групповых охладителей выполнены ребристыми и имеют устройства для направления встречного потока воздуха. Фактическая средняя скорость охлаждающего воздуха между ребрами группового охладителя УВП-5 при скорости электропоезда 40-100 км/ч изменяется соответственно от 3 до 10 м/с. Применение УВП-5 с циклоустойчивыми таблеточными вентилями и самовентиляцией позволяет увеличить срок службы преобразователя и уменьшить расходы, связанные с обслуживанием выпрямителей и системы фильтров принудительного воздушного охлаждения, воздуховодов вентиляции подвагонного электрооборудования и др.