Статический преобразователь собственных нужд ПСН-200

 

4.6.1 Назначение и технические характеристики

Преобразователь статический собственных нужд ПСН-200 предназначен для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, питания вспомогательных электрических приводов и механизмов, цепей управления и освещения, а также заряда аккумуляторной батареи магистрального грузового электровоза постоянного тока 2ЭС4К.

Источником питания преобразователя является контактная сеть постоянного тока номинальным напряжением 3000 В.

Технические характеристики преобразователя:

Наименование параметра	Значение
Номинальное питающее напряжение постоянного тока, В	3000
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	10000
Атмосферные перенапряжения по питающему напряжению длительностью до 10 мкс и длительностью волны полуспада 50 мкс, В	10000
Суммарная мощность нагрузки преобразователя, кВт	200
Напряжение низковольтного питания комплекта преобразователя, В    Номинальная мощность не более, Вт	50±5% 700
Канал №1 – тормозной компрессор. Номинальная мощность электродвигателя, кВт	24
Канал №2 – электродвигатель вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей ТЭД1 и ТЭД2. Номинальная мощность электродвигателя, кВт	30
Канал №3 – электродвигатель вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей ТЭД3 и ТЭД4. Номинальная мощность электродвигателя, кВт	30
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	15
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	5
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	12
Номинальное выходное напряжение канала №6, В	110±5%
Скорость нарастания напряжения на нагрузке каналов №1–№6 преобразователя, не более В/мкс	500
Каналы №7, 8 – питание независимых обмоток возбуждения ТЭД. Мощность каждого из каналов (длительный режим), кВт	50
Выходной ток каналов №7, 8 (длительный режим), А	0–600
Максимальный выходной ток каждого из каналов №7,8 (кратковременно в течение 20 мин), А	800
Режим работы преобразователя	Продолжи- тельный
КПД преобразователя в номинальном режиме РН, % в режиме 0.5 РН, % в режиме 0.2 РН, %	92 85 70
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.

 

4.6.2 Состав преобразователя.

Преобразователь для одной секции электровоза включает в себя:

– шкаф защит;

– 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

 

4.6.3 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

 

4.6.4 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 МПСУ и Д при повышении напряжения контактной сети выше 4000 В, 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 с 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 ПСН-200 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

Описание работы.

Рабочий цикл регулятора состоит, как показано на рисунке 4.22, из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку.

Рисунок 4.22 - Временная диаграмма импульсов управления транзистором

 

Фаза 1- накачка энергии

Эта фаза протекает на протяжении времени . Ключевой элемент VT1 замкнут и проводит ток , который течет от источника питания  (контактной сети) к нагрузке через дроссель L1, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С1. Работа элементов в этой фазе показана на рисунке 4.23.

Рисунок 4.23 - Фаза накачки энергии

 

Фаза 2- разряд

По окончании фазы 1 происходит размыкание ключа VT1, ток, поддерживаемый индуктивным элементом, вынужден замыкаться через разрядный диод VD1. Поскольку источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому он начинает разряжаться по цепи «диод- нагрузка», как показано на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24 - Фаза разряда

Через промежуток времени  ключ вновь замыкается и процесс повторяется.

Напряжение на нагрузке прямо пропорционально ширине импульса . Когда ключ открыт на длительное время, . Когда ключ на длительное время закрыт, .

 Отсюда ясно, что ,

где - коэффициент заполнения.

Таким образом, управляя только коэффициентом заполнения , увеличивая или уменьшая длительность открытого состояния ключа, осуществляется регулирование напряжения на выходе РН3000.

 

4.6.6 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.

Состав СТПР1000:

- 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

Описание работы

При подаче на вход инвертора напряжения постоянного тока с номинальным значением 1000 В±10% в зависимости от полученной уставки по току возбуждения из МПСУиД и датчиков тока якоря и тока возбуждения, СУ формирует ШИМ- сигнал с требуемой скважностью под управлением ПИД- регулятора и обеспечивает на выходе выпрямителя протекание тока, среднее значение которого соответствует заданному из МПСУиД.

БС-УВ осуществляет:

 - прием информации о токах якоря и тока возбуждения от ПНКВ по внутренней магистрали RS-485 блока СТПР1000;

- прием от БС информации о коэффициенте компаундирования и уставке по току возбуждения и передачу этой информации в СТПР1000;

- выдачу в БС значений тока якоря и тока возбуждения;

- диагностирование наличия связи с СУ СТПР1000 и передачу этой информации в БС;

- прием от СТПР1000 диагностической информации о функционировании силовой сборки и передачу ее в БС.

 

Напряжение постоянного тока номинальным значением 1000 В±10% поступает на входной LC- фильтр, который исключает возможность уменьшения напряжения питания в моменты коммутации транзисторных IGBT- модулей и ограничение бросков тока. Далее сигнал поступает на однофазный полумостовой автономный инвертор напряжения, где происходит его инвертирование, при этом регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы инвертора показаны на рисунке 4.26.

 

Рисунок 4.26 - Временные диаграммы импульсов управления транзисторами.

Каждое плечо инвертора работает поочередно, а импульсы управления сдвинуты друг относительно друга на время , с целью предотвращения сквозного тока, который может возникнуть в том случае, когда транзистор VT1 еще полностью не закрылся, а транзистор VT2 уже открылся, при этом клеммы входного источника напряжения замыкаются накоротко.

При подаче импульса управления, открывающего транзистор VT1, напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора, имеет полярность, указанную на рисунке 6 в скобках. Затем системой управления формируется импульс, запирающий VT1, и через временной интервал  система управления формирует импульс, открывающий VT2. Полярность напряжения в этом случае указана без скобок.

Далее аналогичные процессы повторяются. Таким образом, форма напряжения в первичной и вторичных обмотках трансформатора, представляет собой близкие к прямоугольным двуполярные импульсы.

Инвертированное напряжение со вторичной обмотки II силового понижающего трансформатора Т1, поступает на неуправляемый мостовой выпрямитель В1 с выходным С- фильтром, обеспечивающим заданное качество пульсаций выпрямленного напряжения и далее к обмоткам возбуждения соответствующих тяговых электродвигателей.

Инвертированное напряжение со вторичной обмотки III силового понижающего трансформатора Т1, подается на неуправляемый мостовой выпрямитель В2 с выходным C- фильтром.

Стабилизация выходного напряжения постоянного тока на заданном уровне осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС) по выходному напряжению, которой охвачен преобразователь.

 

4.6.7 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.

Описание работы

Описание работы стабилизатора напряжения понижающего типа СТПР600 аналогично работе РН3000, за исключением разных значений входного и стабилизированного выходного напряжения.

 

4.6.8 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).

 

4.6.9 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.

4.6.10 Блок связи со средствами измерения.

Назначение

Блок связи со средствами измерения предназначен для сбора информации от преобразователя и взаимодействие с МПСУ и Д 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.

 

4.6.11 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.

Система управления возбуждением тяговых электродвигателей обеспечивает в неустановившихся режимах работы тяговых электродвигателей форсированное изменение токов обмоток возбуждения и ограничение среднего за половину периода преобразования напряжения канала на уровне ±64 В, при напряжении контактной сети 2200-4000 В. Система управления осуществляет регулирование токов обмоток возбуждения тяговых электродвигателей по следующему закону:

,

где - ток обмоток возбуждения тяговых электродвигателей одной тележки; -ток якоря тяговых электродвигателей одной тележки;

 -заданное значение тока возбуждения для режима холостого хода;

- коэффициент компаундирования.

Значения  и  передаются от системы управления электровозом.

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.

 

УСТРОЙСТВО электровоза 2ЭС6