Псн преобразователь собственных нужд

Опубликовано: 15.05.2024

4.7.1 Назначение.

Преобразователь статический собственных нужд ПСН200 (далее "преобразователь") предназначен для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме тяги, рекуперации и электродинамического торможения, питания вспомогательных электрических приводов и механизмов, цепей управления и освещения, а также заряда аккумуляторной батареи магистрального грузового электровоза постоянного тока 2ЭС6.

Источником питания преобразователя является контактная сеть постоянного тока номинальным напряжением 3000 В с необходимым набором защитного оборудования, установленного на электровозе.

Технические характеристики преобразователя приведены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 – Основные параметры и характеристики преобразователя

Наименование параметра	Значение
Номинальное питающее напряжение постоянного тока, В
Диапазон изменения рабочего напряжения сети, В	2700–4000
Диапазон изменения напряжения контактной сети, В	2200–4000
Коммутационные перенапряжения по питающему напряжению в форме полуволны синусоиды длительностью 12 мс, амплитуда, В
Атмосферные перенапряжения по питающему напряжению длительностью до 10 мкс и длительностью волны полуспада 50 мкс, В
Суммарная мощность нагрузки преобразователя, кВт
Напряжение низковольтного питания комплекта преобразователя, В Номинальная мощность не более, Вт	50±5%
Канал №1 – тормозной компрессор. Номинальная мощность электродвигателя, кВт
Канал №2 – электродвигатель вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей ТЭД1 и ТЭД2. Номинальная мощность электродвигателя, кВт
Канал №3 – электродвигатель вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей ТЭД3 и ТЭД4. Номинальная мощность электродвигателя, кВт
Номинальное линейное напряжение на выходе каналов №1–№3 (действующее значение первой гармоники), В	3х380±10%
Диапазон регулирования частоты выходного напряжения каналов №1–№3, Гц	2.5–50
Канал №4 – система обеспечения микроклимата кабины машиниста. Номинальная мощность электродвигателя, кВт
Номинальное линейное напряжение на выходе канала №4 (действующее значение первой гармоники), В	3х380±10%
Номинальное фазное напряжение на выходе канала №4 (действующее значение первой гармоники), В	220±10%
Частота выходного напряжения канала №4, Гц	50±5%
Коэффициент мощности нагрузки по каждому из каналов №1–№4 при номинальной нагрузке электродвигателей, не менее	0,7
Канал №5 – заряд аккумуляторной батареи. Номинальная мощность, кВт
Диапазон выходного напряжения канала №5, В	90–130
Диапазон выходного тока канала №5, А	16–50
Канал №6 – питание цепей управления и освещения электровоза. Номинальная мощность, кВт
Номинальное выходное напряжение канала №6, В	110±5%
Скорость нарастания напряжения на нагрузке каналов №1–№6 преобразователя, не более В/мкс
Каналы №7, 8 – питание независимых обмоток возбуждения ТЭД. Мощность каждого из каналов (длительный режим), кВт
Выходной ток каналов №7, 8 (длительный режим), А	0–600
Максимальный выходной ток каждого из каналов №7,8 (кратковременно в течение 20 мин), А
Режим работы преобразователя	Продолжи- тельный
КПД преобразователя в номинальном режиме РН, % в режиме 0.5 РН, % в режиме 0.2 РН, %
Диапазон изменения температуры окружающей среды, ºС	–40…+50
Примечание: при напряжении контактной сети в диапазоне 2200-2700 В преобразователь должен обеспечивать не менее 80% от номинальной мощности.

4.7.2 Состав преобразователя.

Преобразователь для одной секции электровоза включает в себя:

– два стабилизатора напряжения понижающего типа РН3000;

– два управляемых выпрямителя СТПР1000;

– два стабилизатора напряжения понижающего типа СТПР600;

– шкаф преобразования частоты (ПЧ);

– два преобразователя напряжения в код (ПНКВ);

– два блока связи со средствами измерения (БС).

Все составные части преобразователя имеют законченное конструктивное исполнение и снабжены блочными частями соединителей. Объединение блоков осуществляется кабелями, снабженными кабельными частями соединителей.

Структурная схема комплекта ПСН для одной секции электровоза приведена на рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 - Структурная схема ПСН одной секции электровоза

4.7.3 Резервирование преобразователя.

В целях повышения надежности ПСН применена концепция резервирования шкафов преобразователя. Схема резервирования представлена на рисунке 4.20. Переключение коммутирующих устройств осуществляется в ручном режиме, при выходе из строя одного или нескольких шкафов преобразователя. Данный режим работы является аварийным. В этом режиме работы неисправный шкаф или шкафы преобразователя отключаются от питающего напряжения соответствующими переключателями. Конструктивно резервирующие переключатели расположены в блоке аппаратов №3 (схема электрическая соединений МАВБ.661123.030 Э4.1 разработки ОАО «УЗЖМ»).

Рисунок 4.20 - Схема резервирования преобразователя

4.7.4 Шкаф защит.

Назначение.

Шкаф защит предназначен для защиты от атмосферных и коммутационных перенапряжений и бросков тока, а также для ограничения влияния работы инверторов на электромагнитные процессы в контактной сети и процессов в контактной сети на работу инверторов.

Шкаф защит обеспечивает отключение аппаратуры преобразователя от контактной сети с выдачей дискретного сигнала в МПСУиД при повышении напряжения контактной сети выше 4000В, при этом работоспособность аппаратуры сохраняется. Время от момента обнаружения повышенного напряжения до выдачи команды на отключение не превышает 100 мс.

Шкаф защит состоит из дросселя защиты, датчика напряжения контактной сети и схемы активного подавления выбросов входного напряжения.

Описание работы.

Кратковременные выбросы напряжения контактной сети фильтруются с помощью дросселя защиты.

При длительных выбросах напряжения датчик контактной сети формирует выходной сигнал, вызывающий срабатывание схемы активного подавления выбросов. При этом одновременно формируется сигнал на отключение быстродействующего контактора, что вызывает снятие напряжения со входа преобразователя. Величина напряжения, при котором срабатывает схема активной защиты, зависит от параметров выброса первичной сети и установлена на уровне (6-9) кВ.

4.6.5 Стабилизатор напряжения понижающего типа РН3000.

Назначение.

Стабилизатор напряжения понижающего типа РН3000 предназначен для питания силовой части преобразователя ПСН200 в диапазоне рабочих напряжений контактной сети (2700-4000 В).

РН3000 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения постоянного тока с номинальным значением 1000 В±10% .

РН3000, упрощенная схема силовой части изображена на рисунке 4.21, представляет собой преобразователь напряжения, построенный по классической схеме понижающего DC\DC (постоянный ток\постоянный ток) конвертора и функционально состоит из следующих основных узлов:

- силового ключа (VT1), осуществляющего высокочастотную коммутацию (роль ключа выполняет мощный транзисторный IGBT- модуль);

- разрядного диода (VD1);

- низкочастотного сглаживающего LС- фильтра;

- системы управления (СУ) и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения.

Рисунок 4.21 - Упрощенная схема силовой части регулятора РН3000

4.7.6 Управляемый выпрямитель СТПР1000.

Назначение

Управляемый выпрямитель СТПР1000 предназначен для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме тяги, рекуперации и электродинамического торможения.

СТПР1000 обеспечивает преобразование входного напряжения 1000 В в напряжение прямоугольной формы с амплитудой ±50 В для питания двух последовательно соединенных обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, плавное регулирование токов обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в диапазоне 0-800 А в режиме тяги, рекуперации и электродинамического торможения, а также стабилизацию выходного напряжения постоянного тока номинальным значением 160 В±10%.

СТПР1000, упрощенная схема силовой части изображена на рисунке 3.25, представляет собой двухтактный преобразователь напряжения, построенный по классической полумостовой схеме DC\DC конвертора.

- силовой транзисторный IGBT модуль (VT1,VT2), осуществляющий высокочастотную коммутацию;

- силовой понижающий трансформатор (Т1);

- неуправляемый диодный выпрямитель (В1,В2);

- система управления (СУ)

- блок связи с управляемым выпрямителем (БС-УВ).

Рисунок 4.25 - Упрощенная схема силовой части СТПР1000

4.7.7 Стабилизатор напряжения понижающего типа СТПР600.

Назначение

Стабилизатор напряжения понижающего типа СТПР600 предназначен для питания шкафа преобразования частоты.

СТПР600 обеспечивает стабилизацию выходного напряжения постоянного тока номинальным значением 600 В±10%.

Состав и принцип работы стабилизатора напряжения понижающего типа СТПР600 полностью аналогичны РН3000.

4.7.8 Шкаф преобразования частоты ПЧ

Назначение

Шкаф преобразования частоты предназначен для питания вспомогательных электрических приводов и механизмов, устройств отопления и кондиционирования воздуха кабины машиниста, цепей управления и освещения, а также заряда аккумуляторной батареи.

Шкаф ПЧ обеспечивает длительную работу асинхронных электродвигателей с частотами от 16 до 50 Гц в зависимости от токов тяговых электродвигателей, плавный разгон при пуске от 2.5 Гц и плавный переход с одной частоты на другую, а также стабилизацию напряжения бортовой сети электровоза и заряд аккумуляторной батареи.

Шкаф преобразования частоты представляет собой преобразователь напряжения типа DC\DC и преобразователь типа DC\AC (постоянный ток\переменный ток), размещенных в одном корпусе и функционально состоит из следующих основных узлов:

- входного LC- фильтра;

- высоковольтного управляемого однофазного автономного инвертора напряжения, выполненного на базе транзисторных IGBT- модулей;

- силового трансформатора (Т1), понижающего напряжение инвертора и осуществляющего гальваническую развязку входных цепей с выходными;

- мостового однофазного неуправляемого выпрямителя В1,В2 с выходным Г-образным LC- фильтром, обеспечивающим заданное качество пульсаций выходного напряжения;

- трёх трёхфазных управляемых инверторов напряжения, выполненных на базе транзисторных IGBT- модулей, с фильтром напряжения на выходе каждого инвертора (Ф);

- системы управления (СУ)

- блока связи со шкафом ПЧ (БС-ПЧ).

4.7.9 Преобразователь напряжения в код.

Назначение

Преобразователь напряжения в код ПНКВ предназначен для преобразования сигналов с датчиков тока якоря и тока обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в кодовый сигнал, с целью передачи его по интерфейсу RS-485.

Описание работы

По принципу действия ПНКВ представляет собой средство измерения на основе цифрового преобразователя входного напряжения в пропорциональный частотный сигнал и микропроцессора, выполняющего преобразование частотного сигнала в кодовый.

4.7.10 Блок связи со средствами измерения.

Назначение

Блок связи со средствами измерения предназначен для сбора информации от преобразователя и взаимодействие с МПСУиД по двум кодовым линиям связи по магистральному интерфейсу RS-485.

Описание работы

БС осуществляет кодовое и информационное взаимодействие комплекта ПСН с МПСУиД по интерфейсу RS-485, в соответствии с исходными данными.

4.7.11 Система управления.

Назначение

Система управления состоит из двух частей:

- системы управления преобразователем;

- системы управления возбуждением тяговых электродвигателей.

Система управления преобразователем предназначена для приема информации от системы управления верхнего уровня, ее обработки и выдачи управляющих команд на исполнительные устройства преобразователя. А также для приема информации от исполнительных устройств преобразователя и передачи ее к системе верхнего уровня.

Система управления возбуждением тяговых электродвигателей предназначена для приема информации от системы верхнего уровня и от внешних датчиков, ее обработки и выдачи управляющих команд к блокам возбуждения. А также для приема информации от блоков возбуждения и передачи ее к системе верхнего уровня.

Описание работы

Система управления преобразователем обеспечивает ограничение нарастания напряжения на нагрузке каналов №1–№6 на уровне 500 В/мкс, ограничение выходного тока по всем каналам преобразования, плавный вывод выходного напряжения до номинального значения не более чем за 2мс.

В неустановившихся режимах работы тяговых электродвигателей при абсолютном значении скорости изменения тока якоря превышающем 10000 А/с величина коэффициента компаундирования увеличивается в два раза, а при снижении абсолютного значения скорости изменения тока якоря до 500 А/с снижается до значения, заданного системой управления электровоза.

Преобразователь имеет встроенную систему диагностики, обеспечивающую проверку функционирования основных узлов с передачей диагностической информации системе управления верхнего уровня.

Система управления размещается в шкафах преобразователя и питается от бортовой сети электровоза с номинальным напряжением 110 В. Допустимый диапазон изменения питающего напряжения 77-130 В.

Питание преобразователя ПСН-200 от контактной сети 3 кВ осуществляется по цепи (см. рисунок 1.9): токоприемник ХА1, провод 001, разъединитель QS1, провод 002, дроссель L1, провод 003, силовой контакт быстродействующий выключатель QF1, провод 006, катушка дифференциального реле КА2 (выводы 12 и 11), провод 800, демпферный резистор R10, провод 801, контакт контактора КМ1, провод 802, контакт контактора КМ2 шунтирующий пусковой резистор R11, провод 803, блок защиты А1, провод 804, контакт разъединителя QS6, провод 818, катушка дифференциального реле КА2 (выводы 14 и 13), провод 819, шунт RS5, провод 062, шунт RS6, провод 063, токосъемные устройства колесных пар ХА2, ХА3, ХА4, ХА5, рельсовая цепь.

Разъединитель QS6 служит для вывода из работы ПСН при его неисправности или по другим причинам.

Цепи питания асинхронных электродвигателей

Трехфазный асинхронный двигатель М13 мотор-компрессора получает питание по цепи (см. рисунок 4.9): выход канала №1 преобразователя А2-5, кабель 807, статор асинхронного двигателя М13.

Система охлаждения тяговых двигателей на каждой секции включает в себя два асинхронных двигателя мотор-вентиляторов М14 и М15. Для очистки охлаждающего воздуха тяговых двигателей применена система модулей мультициклонных фильтров с четырьмя асинхронными электродвигателями М16…М19, включенных параллельно двигателям мотор-вентиляторов М14 и М15 через автоматические выключатели SF21 и SF22 соответственно.

Трехфазный асинхронный двигатель мотор-вентилятора М14 (М15) получает питание по цепи (см. рисунок 4.9): выход канала №2 (№ 3) преобразователя А2-5, кабель 809 (811), контакт переключателя QS4 (QS5) для включения мотор-вентиляторов от внешнего источника питания, кабель 810 (812), статор асинхронного двигателя мотор-вентилятора М14 (М15).

Асинхронные двигатели модулей мультициклонных фильтров системы охлаждения тяговых двигателей М16, М17 (М18, М19) получают питание по цепи (см. рисунок 1.9): контакты автоматического защитного выключателя SF21 (SF22), кабель 813 (814), статоры двигателей М16, М17 (М18, М19).

Асинхронные двигатели вспомогательных машин, кроме мотор-компрессора, можно запитать от внешнего источника трехфазного переменного тока напряжением

380В, подав его на розетку Х5-1 или Х5-2. Перед включением асинхронных двигателей необходимо перевести переключатели QS4 и QS5 в положение «Стационарное питание вспомогательных машин» (верхнее положение рукоятки переключателя).

При установке выключателя управления (ВУ) S1 «Стационарное питание» в положение «Вкл» получает питание магнитный пускатель КМ3 по цепи: «фаза» розетки Х5-1 (Х5-2), провод 703, контакт ВУ S1, провод 705, катушка магнитного пускателя КМ3, провод 706, «ноль» розетки Х5-1 (Х5-2). Пускатель КМ3 включается и замыкает свои силовые контакты между проводами кабелей 805 и 806.

Цепи питания двигателей мотор-вентиляторов охлаждения пуско-тормозных резисторов (ПТР)

Двигатели мотор-вентиляторов (МВ) М11 и М12 для охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов R3 и R4 включены в цепь тяговых двигателей. При следовании электровоза на реостатных позициях двигатели МВ М11 и М12 включаются в цепь ТЭД параллельно части блока пускового резистора (см. рисунок 1.10). Их запуск происходит автоматически при наличии напряжения на резисторах (режим «Тяга» на неходовых позициях или режим «ЭДТ»).

Рисунок 1.10 – Схема цепи питания двигателей вентиляторов для охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов (на первой позиции тяги)

По мере набора позиций и выводе из работы части пуско-тормозных резисторов снижения скорости вращения МВ не происходит. Это достигается изменением схемы включения МВ, которая предусматривает два варианта:

- вариант 1 - включены контакторы К7 и К8, (отвод резистора);

- вариант 2 - включены контакторы К5 и К6. (полный резистор).

Переключение контакторов с одной схемы на другую производится со сдвигом во времени равным не менее 2 с.

Работа ПСН-200 в аварийных режимах

В случае выхода из строя блоков ПСН-200 предусмотрена возможность их вывода из работы с резервированием или без такового с помощью переключателей QR1…QR6 (см. рисунок 1.9).

При выводе из работы одного регулятора напряжение А2-1 РН-3000(1) или А2-2 РН-3000(2) переключателем QR1 или QR2, система МПСУ и Д получает сигнал на перевод возбуждение тяговых двигателей в режим «Последовательное возбуждение». При этом блоки А2-1 и А2-2 резервируются переключателями QR1 и QR2 соответственно.

Блоки А2-3 СТПР-600(1) и А2-4 СТПР-600(2) резервируются переключателями QR4 и QR5 соответственно.

Блоки А7 СТПР-1000(1) и А8 СТПР-1000(2) не резервируются, в случае неисправности их цепи отключаются переключателями QR3 и QR6 соответственно. При этом машинист может выбирать, на каком возбуждении ТЭД продолжить ведение поезда. Либо отключить пару ТЭД с неисправным преобразователем СТПР-1000 и продолжать движение на независимом возбуждении, либо перевести все ТЭД на последовательное возбуждение.

Положе6ние переключателей резервирования блоков ПСН-200 показано в таблице 1.5.

Табл. 1.5 – Положе6ние переключателей резервирования блоков ПСН-200

Изобретение относится к электрооборудованию электроподвижного состава, преимущественно к электровозам постоянного тока. Преобразователь содержит в каждой секции электровоза статический преобразователь, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети, трансформатор (4), первый (5) и второй (6) транзисторы, выпрямитель (7) и регулятор напряжения (9). Преобразователь также снабжен в каждой секции сглаживающим реактором (1), имеющим вывод для подключения к токоприемнику электровоза и другим выводом соединенным с первым выводом конденсаторного делителя, и ШИМ-контроллером (8), вход которого подключен к выходу регулятора напряжения. Первый выход ШИМ-контроллера соединен с управляющими цепями первого транзистора статического преобразователя первой секции и второго транзистора статического преобразователя второй секции электровоза. Второй выход ШИМ-контроллера соединен с управляющими цепями второго транзистора статического преобразователя первой секции и первого транзистора статического преобразователя второй секции. Техническим результатом изобретения является повышение частоты потребляемого из сети тока, которое позволит снизить пульсации напряжения и тока электровоза и потери электроэнергии, снизить помехи, повысить электромагнитную совместимость. 2 ил.

Формула изобретения

Преобразователь собственных нужд электровоза, содержащий в каждой секции электровоза статический преобразователь, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети, средняя точка которого соединена с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с эмиттером первого транзистора и коллектором второго транзистора, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом конденсаторного делителя, а эмиттер второго транзистора соединен со вторым выводом конденсаторного делителя, выпрямитель, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора, и регулятор напряжения, отличающийся тем, что он снабжен в каждой секции сглаживающим реактором, имеющим вывод для подключения к токоприемнику электровоза и другим выводом, соединенным с первым выводом конденсаторного делителя, и ШИМ-контроллером, вход которого подключен к выходу регулятора напряжения, первый выход ШИМ-контроллера соединен с управляющими цепями первого транзистора статического преобразователя первой секции и второго транзистора статического преобразователя второй секции электровоза, а второй выход ШИМ-контроллера соединен с управляющими цепями второго транзистора статического преобразователя первой секции и первого транзистора статического преобразователя второй секции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрооборудованию электроподвижного состава, преимущественно к электровозам постоянного тока.

Известен преобразователь собственных нужд электровоза для электропитания цепей управления, освещения, сигнализации, связи и заряда аккумуляторной батареи, содержащий в каждой секции электровоза статический преобразователь, состоящий из сглаживающего реактора, имеющего вывод для подключения к токоприемнику электровоза и другим выводом соединенного с конденсаторным делителем напряжения контактной сети, средняя точка которого соединена с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с эмиттером первого транзистора и коллектором второго транзистора, коллектор первого соединен с первым выводом конденсаторного делителя второго транзистора, а эмиттер соединен со вторым выводом конденсаторного делителя, выпрямитель, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора (см. Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО "Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). - 2003. - Т.45 - 425 с., на с.188, рис.3.1).

Этот преобразователь имеет большие пульсации напряжения на входах статических преобразователей каждой секции, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии в электрооборудовании электровоза и нарушениям электромагнитной совместимости с системой СБЦ.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь собственных нужд электровоза, содержащий в каждой секции статический преобразователь, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети, средняя точка которого соединена с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с эмиттером первого и коллектором второго транзисторов, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом конденсаторного делителя, а эмиттер второго транзистора соединен со вторым выводом конденсаторного делителя, выпрямитель, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора, и регулятор напряжения, выходы которого соединены с управляющими цепями транзисторов (см. Электровозостроение: Сб. науч. тр. ОАО "Всерос. н.-и. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). - 2003. - Т.45 - 425 с., на с.160).

Этот преобразователь собственных нужд имеет большие пульсации напряжения на входах статических преобразователей каждой секции, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии в электрооборудовании электровоза, а также генерации псофотоков, мешающих работе устройств СБЦ.

Задачей изобретения является снижение дополнительных потерь электроэнергии в электрооборудовании электровоза и улучшение электромагнитной совместимости электровоза и систем СБЦ.

Поставленная задача решается тем, что известный преобразователь собственных нужд, содержащий в каждой секции электровоза статический преобразователь, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети, средняя точка которого соединена с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с эмиттером первого транзистора и коллектором второго транзистора, коллектор первого транзистора соединен с первым выводом конденсаторного делителя, а эмиттер второго транзистора соединен со вторым выводом конденсаторного делителя, выпрямителя, вход которого соединен со вторичной обмоткой трансформатора, и регулятор напряжения снабжен в каждой секции сглаживающим реактором, имеющим вывод для подключения к токоприемнику электровоза и другим выводом соединенным с первым выводом конденсаторного делителя статического преобразователя, и ШИМ-контроллером, вход которого подключен к выходу регулятора напряжения, первый выход соединен с управляющими цепями первого транзистора статического преобразователя первой секции и второго транзистора статического преобразователя второй секции электровоза, а второй выход соединен с управляющими цепями второго транзистора статического преобразователя первой секции и первого транзистора статического преобразователя второй секции, причем первые выводы конденсаторных делителей статических преобразователей обеих секций объединены.

Объединение выходов сглаживающих реакторов и входов конденсаторных делителей и снабжение устройства ШИМ-контроллером позволяет синхронизировать работу статических преобразователей в противофазе, тем самым повысив частоту потребляемого из сети тока, снизить пульсации напряжения и тока электровоза и потери электроэнергии, снизить псофотоки и радиопомехи, повысить электромагнитную совместимость с системой СБЦ.

На фиг.1 представлена схема преобразователя собственных нужд электровоза, на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство работает следующим образом.

На фиг.2 обозначены: ТГ - импульсы тактового генератора ШИМ-контроллера 8;

U 5 , U 6 , U 7 , U 8 - напряжения управления на соответствующих транзисторах;

i - суммарный ток через сглаживающие реакторы первой и второй секций.

В первом тактовом импульсе (фиг.2) ШИМ-контроллер 8 открывает транзистор 5 первого статического преобразователя, пропуская через первичную обмотку трансформатора 4 импульс тока i 1 в положительном направлении (показано стрелкой на фиг.2). Через открытый транзистор 6, конденсатор 3 и первичную обмотку трансформатора 4 второй секции протечет импульс тока i 2 в обратном направлении. Длительность импульсов определяется регулятором напряжения 9 в соответствии с поддержанием необходимого уровня напряжения на выходе выпрямителей 7. Во втором тактовом импульсе открываются транзистор 5 второго статического преобразователя во второй секции электровоза, пропуская через первичную обмотку трансформатора 4 импульс тока i 2 в положительном направлении, и транзистор 6, пропуская через первичную обмотку трансформатора 4 и конденсатор 3 первой секции импульс тока i 1 в обратном направлении, после чего процесс повторится.

Одновременное включение транзисторов 5 и 6 в разных секциях позволяет потреблять ток через реакторы 1 секции одним транзистором 5, при этом ток первичной обмотки другой секции течет через другой транзистор 6 через предварительно заряженный конденсатор 3.

Таким образом, через включенные параллельно реакторы секций протечет ток с удвоенной частотой пульсации и меньшей амплитуды, обеспечив при данных параметрах преобразователя собственных нужд минимальные пульсации входных тока и напряжения преобразователя, тем самым снизив потери электроэнергии в электрооборудовании. Кроме того, улучшенная форма входных тока и напряжения преобразователя собственных нужд снижает уровень псофотоков, мешающих работе устройств СБЦ и КЛСБ.

Официальная публикация
патента РФ № 2314939
patent-2314939.pdf

Перспективное предприятие ТМХ Трансконвертер является создателем перспективной высокотехнологичной преобразовательной техники, крайне востребованной в современном железнодорожном сообщении. Образованное не так давно, оно уже успело укрепиться на российском рынке и завоевать славу производителя уникальной продукции высшего качества и надежного партнера. Симбиоз новейших европейских технологий и мощного российского инжиниринга позволяет создавать на площадке предприятия статические преобразователи, соответствующие самым строгим мировым стандартам.

Западные технологии на службе российского прогресса

В 2003 году Трансмашхолдинг начал активную деятельность по разработке локомотивов, пассажирских вагонов и электропоездов нового уровня для Российских железных дорог. Однако на пути воплощения мечты о качественной технике, ни в чем не уступающей западным аналогам, перед ТМХ встал ряд актуальных проблем. Одна из центральных - отсутствие в российской промышленности производства высоковольтных статических преобразователей электроэнергии.

В то время Российские железные дороги предпочитали использовать для своих электропоездов электромашинные вращающиеся преобразователи, которые уступали статическим по многим параметрам: ненадежность, сравнительно низкий коэффициент полезного действия, высокие затраты на эксплуатацию, ограничение по мощности. Естественно, электромашинные преобразователи переставали удовлетворять потребности РЖД. Кроме того, явно назрела необходимость в увеличении максимальной скорости движения пассажирских вагонов со 160 до 200 км/ч. И стало ясно: пришла пора переходить на статические преобразователи, питающиеся от высоковольтной шины пассажирского поезда.

Однако реализовать задуманное, то есть внедрить статические преобразователи в подвижные составы Российских железных дорог, оказалось не так уж просто. Основная трудность - российская промышленность в сфере производства генераторов оказалась слабо развитой для создания преобразователей нового образца. После детального изучения ситуации Трансмашхолдинг пришел к выводу, что единственный верный выход - заимствование технологии производства высоковольтных статических преобразователей за рубежом. И выбор пал на германскую компанию Siemens AG. Во-первых, она является одним из крупнейших мировых производителей в области электротехники, электроники, транспорта и т. д. и давно зарекомендовала себя как профи международного уровня в этой сфере. А во-вторых, в России уже был положительный опыт использования высоковольтных преобразователей Siemens AG на электропоездах нового поколения ЭМ2И и «Спутник».

Взять лучшее из опыта двух стран

Так было положено начало тесному сотрудничеству ТМХ и Siemens AG. И его основы две компании закрепили в 2005 году созданием совместного высокотехнологического предприятия - Трансконвертера, - которое стало площадкой для разработки, опытного и серийного производства статических преобразователей электроэнергии для электровозов, электропоездов и пассажирских вагонов. Основная цель предприятия - повышение надежности, комфорта и безопасности российского железнодорожного транспорта за счет внедрения современных достижений преобразовательной техники.

Трансконвертер включает в себя конструкторское бюро, опытное производство, испытательную базу и серийное производство. ТМХ принадлежит 65% доли предприятия, а Siemens AG - 35%.

Необходимость в создании Трансконвертера была обусловлена рядом причин. С одной стороны, преобразователи, создаваемые Siemens AG ранее, оказались непригодными в условиях нашей страны. С другой - создание качественных статических преобразователей силами одного отечественного производителя оказалось невозможным. Наиболее выгодное решение в данном случае - использовать модули Siemens AG, привлекая российский инжиниринг.

Объединение российско-германского потенциала на пространстве одного предприятия стало стратегически важным шагом для двух компаний. Было посеяно зерно новой идеологии, суть которой - из надежных и проверенных в эксплуатации немецких частей совместно разрабатывать статические преобразователи, необходимые для российских электропоездов и локомотивов. Трансконвертер нашел в лице Siemens AG проводника, который позволил российским специалистам освоить многие ноу-хау, востребованные на Западе. А немецкая компания получила, в свою очередь, уникальную возможность выхода на безбрежный и быстро развивающийся российский рынок, в котором она чрезвычайно заинтересована.

Руководителем Трансконвертера стал Сергей Вольский - в прошлом главный конструктор по электрооборудованию компании «Спецремонт». И это тоже можно отметить как знаковое решение. Ведь именно Спецремонтом еще в конце прошлого века была сделана первая попытка серийного выпуска статических преобразователей. А значит, за годы у компании и ее коллектива накопился колоссальный запас практических знаний в области производства и эксплуатации подобных устройств.

Siemens AG делится бесценным опытом

Впрочем, научиться собирать преобразователи - это только начало пути к созданию предприятия, выпускающего технику мирового класса. Главное и, пожалуй, самое сложное у Трансконвертера еще впереди. Специалистам предприятия предстоит освоить высокие технологии западных партнеров от а до я.

Сергей Вольский комментирует: «Если инженерная культура в России на достаточно высоком уровне, то технологическая - на нулевом. Судите сами, Россия создает порой великолепную технику, но штучно. И эта техника нуждается в технологической доработке. А для серийного выпуска современных преобразователей, соответствующих мировым стандартам, необходима высокая технологическая культура. И подготовка технологов в этом направлении - одна из насущных задач. К сожалению, в российских институтах обучение технологов, мягко говоря, оставляет желать лучшего. И в XXI веке все тот же уровень Совка. При этом всем известно, что советские технологии - одни из наиболее отставших. У нас в стране отлично сделают первый телевизор, но массовое производство, которое ложится на плечи технологов, как правило, никуда не годится. Вот мы и учимся технологическим методам, навыкам и контролю качества у наших немецких коллег».

В этом плане россиянам действительно есть что перенять у более продвинутых партнеров. Ведь огромное значение имеют абсолютно все составляющие производства, начиная от чистых полов в цехе, принципов расположения производственных участков и заканчивая качеством оборудования. Поэтому Трансконвертер организовывает для своих сотрудников регулярные стажировки на завод Siemens AG в городе Крефельд (Германия). «Наши рабочие, приезжающие со стажировки на Siemens AG, совершенно по-другому смотрят на весь технологический процесс. Поработав там, они не просто получают знания. У них изменяется мировоззрение, и само производство видится уже по-другому», - рассказывает руководитель предприятия.

Обучение отечественных специалистов на предприятиях Siemens AG строится по принципу пирамиды. Несколько рабочих изучают прототип преобразователя вместе с немецкими специалистами на заводе в Германии. Затем наши соотечественники, прошедшие стажировку, сами становятся наставниками своих коллег на месте. Каждый из них передает знания еще нескольким рабочим, и так по цепочке.

Очень важно отметить, что, воспользовавшись примером германского партнера, за основу своей производственной деятельности Трансконвертер взял систему, основанную на внедрении «нововведений» с их обязательной практической реализацией. По мнению специалистов, она является более эффективной. Акцент ставится на инициативных грамотных специалистов. Это не просто работа по заданному техническому заданию, а непрерывное развитие инициативы специалистов к созданию чего-то качественно нового.

Сергей Вольский считает, что при советской системе расписанные по пунктам функции каждого работника лишают людей желания генерировать идеи и прислушиваться к голосу собственной интуиции, основанной на опыте. «На заводе Siemens AG далеко не все так строго регламентировано, - комментирует он. - Отсюда свобода творчества и рост. Для того чтобы работать профессионально, работникам не нужны общеизвестные инструкции, которые только сдерживают их. Над немецким рабочим не висит как дамоклов меч инструкция, у него нет маршрутных карт. Рабочий сам должен много знать и во всем разбираться. Нередко он даже может помочь инженерам что-либо изменить. Вот этому мы и учимся у коллег из Германии».

Первые плоды совместного труда

В результате объединения ТМХ и Siemens AG на площадке при среднероссийских затратах были созданы уникальные по своим характеристикам статические преобразователи, которые без преувеличения можно назвать знаковым решением для российского железнодорожного сообщения.

Прежде всего стоит отметить преобразователь собственных нужд ПСН80 У1, созданный на Демиховском машиностроительном заводе специально для электропоездов пригородного сообщения. Выходная мощность - 80 кВА. Преобразователь предназначен для электроснабжения компрессора, цепей освещения управления, климатической установки, заряда аккумуляторной батареи, цепей возбуждения тяговых двигателей. Сейчас он проходит тестирование в Московской области на электропоезде ЭД4МКМ-АЭРО и уже успел зарекомендовать себя как надежное и удобное в эксплуатации устройство. Более мощный его аналог, ПСН100 У2 (выходная мощность -100 кВА), выпускается сейчас на Коломенском заводе.

Успешным результатом российско-германского сотрудничества можно назвать преобразователь собственных нужд ПСН50 У1 с выходной мощностью 50 кВА и стендовый преобразователь ПС70 УХЛ4. Первый обеспечивает электроснабжение цепей освещения, климатической установки, заряда аккумуляторной батареи, бортовой сети прочих собственных нужд пассажирского вагона от высоковольтной поездной магистрали. Второй предназначен для проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей, в частности электровозов 2ЭС10 и электропоездов «Ласточка» (Desirorus).

Также был создан мощный преобразователь (выходная мощность -235 кВА) собственных нужд ПСН235 У2. Он востребован не только на электропоездах Урала и Северного Кавказа, но и популярен на просторах Украины - данный статический преобразователь изготавливается для грузовых электровозов «Дончак» (2ЭС4К) производства Новочеркасского электровозостроительного завода и Лугансктепловоза.

Еще стоит отметить преобразователи EVB51 У1. Заключен экспортный контракт, по которому совместное предприятие уже поставляет их на Siemens AG. Прототипом этого преобразователя стал ПСН50 У1.

Активное развитие перспективного начинания

Сотрудничество Трансмашхолдинга и Siemens AG оказалось действительно актуальным шагом. В настоящее время Трансконвертер способен решать любые задачи в области преобразовательной техники, начиная с идеи и заканчивая серийным выпуском продукции.

Трансконвертер имеет ряд преимуществ перед конкурентами. Во-первых, в основу работы предприятия положен бесценный опыт Siemens AG - концерна с мировым именем. Во-вторых, система менеджмента качества базируется на компьютеризированном входном контроле комплектующих изделий, а также компьютеризированном процессе прослеживания комплектующих изделий как во время производственного процесса, так и при эксплуатации продукции. А это важный аспект при создании действительно качественной продукции.

Третьим преимуществом можно назвать гибкость предприятия. Оно является сравнительно малым и, как следствие, скорость принятия и внедрение решений на нем значительно выше, нежели на многих больших российских заводах, отличающихся неповоротливостью и забюрократизированностью.

И это только старт развития. Мощный российско-немецкий потенциал и уже сделанные наработки станут трамплином, который позволит предприятию достигнуть новых высот в сфере электропромышленности и, быть может, создать продукцию, которая полностью перевернет представление о железнодорожном сообщении в нашей стране.

Бортовые источники электропитания

Преобразователь собственных нужд ПСН-24

Для питания низковольтных электрических цепей, заряда аккумуляторной батареи и питания асинхронного двигателя компрессора на вагонах метрополитена 81-760 и 81-761 используется статический преобразователь собственных нужд типа ПСН-24.

Преобразователь обеспечивает:

преобразование постоянного напряжения контактной сети 750 в в симметричное трехфазное напряжение, регулируемое по частоте и амплитуде в диапазоне от 0 до 400 в частотой до 50 Гц, для питания электродвигателя мотор компрессора;
преобразование постоянного напряжения контактной сети 750 в в постоянное стабилизированное напряжение (80±2)в для питания низковольтных электрических цепей вагона;
заряд и разряд АКБ постоянным током;
обмен информацией с устройствами управления более высокого уровня;
питание по поездной магистрали низковольтных цепей другого вагона с вышедшим из строя ПСН;
измерение выходных токов и напряжений.

^ Устройство преобразователя.

Преобразователь выполнен в виде контейнера, состоящего из сварного стального корпуса, закрывающегося спереди крышкой с герметичным уплотнением, замком и прижимными фиксаторами. Задней стороной контейнера является алюминиевый радиатор охлаждения силовых полупроводниковых элементов.

Преобразователь имеет входы для подключения к контактной сети и вагонным цепям управления и выходы для подключения аккумуляторной батареи, нагрузок низковольтных цепей вагона и двигателя компрессора.

Рис.42 Устройство источника.

Источник питания компрессора (ИПК) обеспечивает плавный пуск и питание асинхронного двигателя компрессора переменным трехфазным напряжением, регулируемым по частоте от 0 до 50 Гц и амплитуде от 0 до 400в.

Бортовой источник питания является статическим преобразователем, преобразующим 600в на выходе ВПН в стабилизированное напряжение 80 в постоянного тока на выходе БИП.

БИП обеспечивает питание электрических цепей вагона, заряд и разряд АКБ собственного вагона, а также питание электрических цепей других вагонов при отказах их ПСН.

Зарядное устройство обеспечивает заряд и разряд АКБ вагона заданным током до требуемого напряжения и подключения АКБ к нагрузке при отключенном БИП.

Микропроцессорная система управления выполняет следующие функции:

обработка внешней информации о задающих сигналах БКВУ;
обработка сигналов, поступающих с основного пульта машиниста;
обработка сигналов внешних датчиков;
формирование сигналов управления силовыми транзисторными модулями, дискретными ключами и коммутационной аппаратурой ПСН.

Подключение напряжения контактной сети осуществляется на клеммы: «+750в» «-750в» Выходное силовое напряжение снимается с клемм:«+80в»),«-80в»). +80в для питания цепей освещения – («+80в Освещение салона»). Внешние сигналы управления источником поступают на разъем:

1. «0В (БС)» провод соединен внутри источника с «-80в» бортовой сети

2.«Вкл.ПСН» - входной сигнал управления команды на включение источника (уровнем 80в)

3. «Вкл. Осв.» - входной сигнал управления команды на включение освещения (уровнем 80в)

4.«Неиспр.ПСН» - выходной сигнал о неисправности источника (замыканием на «0В (БС)» с предельно допустимым током 0,7а)

5.«+80в» - напряжение для питания плат источников питания собственных нужд ПСН.

^ Включение ПСН-24

Включение ПСН всех вагонов производится тумблером S-6 «Вкл. ИП» вспомогательном ПМВ головного вагона. При этом команда на включение ПСН через УПИ-2 передается в БКПУ, где формируется и по САN-шине передается основная команда в БКВУ вагонов, которые передают ее в ПСН и на всех вагона включаются ПСН.

Рис.43 Cхема включения ПСН-24

Включение Преобразователя в работу осуществляется при наличии входного напряжения 750 в и напряжения питания цепей управления не менее 50в.

При включении Преобразователя замыкается контакт KU2 и через резистор R1 происходит плавный заряд ёмкостей входного фильтра С1. С12, после выхода на установившееся значение напряжения замыкается контакт KU1, контакт KU2 размыкается. Схема получает питание на прямую от контактной сети;

При снижении напряжения на конденсаторах фильтра в процессе работы ниже 550 в снова размыкается контакт KU1 и замыкается контакт KU2, включая цепь заряда ёмкостей через резистор R1.

Контроль за напряжениями в сети и на ёмкостях входного фильтра осуществляется датчиками напряжения. Дальнейший запуск. Преобразователя осуществляется по командам на включение, либо по основной схеме - по CAN-шине от блока компьютера вагонного управления (БКВУ); либо по резервной - с органов управления основного пульта управления машиниста.

Резервная команда «Рез. Вкл. ПСН» - +80 в, подаваемая на разъём«Управление» включает бортовой источник питания (БИП) и обеспечивает питание электрических цепей вагона стабилизированным напряжением 80 в.

^ Включение мотор-компрессора

В состав ПСН входит отдельный дискретный ключ, включающий одновременно с компрессором осушитель воздуха Для контроля выходного тока служат трансформаторы тока. Резервная команда «Рез. Вкл. МК» - 0 В, подаваемая на разъём «Управление» включает источник питания компрессора (ИПК) и обеспечивает плавный пуск и работу двигателя компрессора.

Включение ИПК производится по следующим командам:

а) по команде от блока БКВУ по CAN-шине;

б) по команде резервного включения, поступающей от основного пульта машиниста ОВ (минус цепи 80 в) «Управление».

При включении на разряженную напорную магистраль ИПК работает до достижения давления 8 атм. После этого сигнал на включение снимается и повторно формируется при снижении давления до 6,2 атм.

^ Питание освещения салона

С помощью отдельного дискретного ключа, при поступлении внешней команды, БИП обеспечивает включение освещения салона вагона. Напряжение освещения вагона (клемма «+80 в свет») подается через дискретный ключ автоматически при появлении напряжения +80 в на выходе БИП. Ключ обеспечивает плавное нарастание напряжения и защиту от коротких замыканий в осветительных цепях вагона.

Ключ также обеспечивает задержку на отключение освещения в течение 20 с при снижении входного напряжения ниже 550 в и отключении БИП.

^ Работа зарядного устройства

Зарядное устройство обеспечивает заряд и разряд АБ вагона, состоящей из 56 аккумуляторов типа KRL55.

Зарядное устройство представляет собой двунаправленный понижающе-повышающий преобразователь постоянного напряжения, выполненный на основе силовых IGBT транзисторных модулей.

ЗУ обеспечивает заряд и разряд АБ заданным током до требуемого напряжения и подключение АБ к нагрузке при отключенном БИП.

При наличии на выходе БИП напряжения 80 ± 2 в контакт KU3 разомкнут и АБ отключена от низковольтных цепей вагона. При этом ЗУ работает в режиме подзаряда АБ. Напряжение 80 в с выхода БИП через транзисторные ключи, и дроссель L3 подается на выходные клеммы «+АКБ» и «-АКБ».

При кратковременном исчезновении напряжения на выходе БИП (до 5 с) ЗУ переходит в режим работы повышающего заряда. Напряжение АБ повышается, стабилизируется на уровне 80 в и подается на выходные клеммы БИП «+80 в» для питания низковольтных электрических цепей вагона.

При длительном отсутствии напряжения на выходе БИП (свыше 5сек.) контакт KU3 замыкается и напряжение АБ с клеммы «+АКБ» подается напрямую на выходные клеммы БИП «+80 в». Низковольтные электрические цепи вагона получают питание от АБ, перейдя в аварийный режим работы.

Читайте также: