Автор — Стрункін Г. М. (інженер ПрАТ «Плутон», Запоріжжя)
Опубліковано:
журнал Українська залізниця. - 2017 р. - №11-12 (53-54). - С. 55-58
Анотація. Провідні фахівці українських підприємств працюють на перспективу, вивчаючи потреби залізничного транспорту. Із застосуванням програм та технологій розроблена лінійка перетворювальних пристроїв із ланкою підвищеної частоти для залізниці.
Ключові слова: ланка підвищеної частоти, інвертор, трансформатор, шафа оперативного струму, система безперебійного живлення, гальванічна розв’язка.
Введення
У теперішній час із появою нових напівпровідникових пристроїв, збільшенням швидкодії мікроконтролерів та впровадженням нових алгоритмів управління стало можливим широке застосування нових класів перетворювальних пристроїв із ланкою підвищеної частоти. Це дозволяє суттєво знизити масогабаритні показники, а іноді і повністю змінити підхід до побудови традиційних систем у залізничній техніці. Цьому сприяє і застосування сучасних програм моделювання, які дозволяють уникнути помилок ще на етапі проєктування, що у свою чергу знижує вартість розробки виробу.
Фахівці ПрАТ «Плутон» стежать за новинками ринку електронних компонентів та публикаціями у профільних виданнях. Це дозволяє проводити розробку та впровадження пристроїв силової електроніки на найсучаснішому рівні. Досягненням компанії є створення лінійки пристроїв із перетворенням на підвищеній частоті для потреб залізниці. Дана лінійка включає в себе:
- тяговий перетворювач КППЧ-1600-2х80;
- зарядний пристрій ВТПІ1-380-100-230 (УЗВ);
- шафа оперативного струму ШОТ1М-380-25-230;
- системи безперебійного живлення СБЖ для різних потужностей;
- джерела живлення технологічних устатковин різного призначення;
- системи автоматичного управління вентиляторами, компресорами, насосами, а також системи автоматичного управління кліматом на їхній основі;
- системи збудження синхронних електричних машин.
Сутність перетворення на підвищеній частоті
Метод перетворення на підвищеній частоті полягає у наступному: вхідна DC-напруга за допомогою транзисторного інвертора (напівмостового або мостового) перетворюється у змінну напругу підвищеної частоти (2,5 kHz та вище), потім вона надходить на високочастотний узгоджуючий трансформатор, який понижує її до потрібного значення та здійснює гальванічну розв’язку. Отримана напруга перетворюється у постійну за допомогою випрямляча на швидкодійних діодах. Як правило, для зменшення високочастотної складової пульсацій на виході випрямляча встановлюється LC-фільтр.
Мал. 1 Спрощена схема перетворювача із ланкою підвищеної частоти
Перетворювач охоплений зворотними зв’язками по вихідному струму та напрузі. Також контролюються вхідна напруга, струм трансформатора, температура елементів та ряд інших параметрів. Вимірювання електричних величин здійснюється за допомогою датчиків, які працюють на основі ефекту Холла. Розв’язка керуючих імпульсів транзисторів інвертора — оптична. Також, у перетворювачі застосовується інтелектуальне управління вентиляторами по датчикам температури та струму. У инверторі, як правило, використовуються транзистори типу IGBT.
При необхідності роботи пристрою від мережі змінного струму додатково перед інвертором встановлюється діодний випрямляч та допоміжні елементи: зарядний пристрій вхідних конденсаторів, фільтри перешкод, комутаційна апаратура.
Застосування високочастотного трансформатора дозволяє значно зменшити масогабаритні показники джерел живлення у порівнянні із традиційними схемами, які використовують перетворення на частоті 50 Hz. Наприклад, традиційний збуджувач синхронного двигуна, який працює на частоті 50 Hz потужністю 25 kW, приблизно на 180 кг важчій і приблизно у 2 рази дорожчий, ніж такий же збуджувач, виконаний із перетворенням на підвищеній частоті.
Тяговий перетворювач КППЧ-1600-2х80
На зміну морально застарілому приводу постійного струму для вагоноштовхача, у 2012 році ПрАТ «Плутон» розробив тяговий привід змінного струму для контактної мережі 1,65 kV потужністю 2х80 kW.
КППЧ-1600-2х80 конструктивно складався із двох шаф: шафи перетворювача напруги (ШПН) — DC/DC перетворювача із напругою 1,65 kV у напругу 550 V із гальванічною розв’язкою, та шафи з інверторами напруги (ШІН) — безпосередньо частотно-регульованого електроприводу асинхронних двигунів тяги. Не зупиняючись на опису ШІН (його робота нічим не відрізняється від інших частотних тягових електроприводів), надамо деякі характеристики ШПН:
- вхідна напруга — 1,5...2 kV;
- вихідна напруга — 550 V;
- номінальна потужність — 2х80 kW;
- частота перетворення — 3 kHz.
Схема шафи являла собою перетворювач, який складається із напівмостового інвертора, високочастотного трансформатора та випрямляча. Охолодження всіх елементів силової схеми — повітряне примусове. Перетворювач працював у режимі стабілізації напруги 550 V DC.
Мал. 2 ШПН під час випробування
Із розвитком елементної бази на даний час існує можливість створення тягових DC/DC перетворювачів та асинхронного електроприводу для маневрових електровозів, а також перетворювачів власних потреб для магістральних електровозів, дизель-потягів та електропотягів, які використовуються у всіх контактних мережах залізничного транспорту.
Зарядний пристрій ВТПІ1-380-100-230 (УЗВ)
ВТПІ призначений для заряда акумуляторної батареї (АБ) та живлення вторинних ланцюгів підстанцій залізниць постійною напругою як у буферному АБ режимі, так і безпосередньо.
ВВТПІ реалізує методи заряда акумуляторної батареї IU, U, IUI відповідно до DIN 41773.
Мал. 3 Зовнішній вигляд зарядного пристрою ВТПІ1-380-100-230 (УЗВ)
Вимоги до електричних параметрів ВТПІ:
- номінальна вхідна напруга 3-фазна — 380 V;
- діапазон зміни живлячої напруги — 323...418 V;
- вихідна напруга — 110 та 230 V;
- діапазон зміни вихідної напруги (при необхідності, регулювання) — 90...120 та 200...240 V;
- вихідний струм — 100 А;
- частота перетворення — 18 kHz.
Крім звичайного захисту від зовнішнього та внутрішнього замикання, перегріву та перенапруг, у зарядному пристрої обов’язковий контроль ізоляції позитивного та негативного полюса вихідної напруги відносно «землі». Також існує режим автоматичного повторного ввімкнення.
У ВТПІ передбачене підключення датчика температури повітря у районі розташування акумуляторів для коригування напруги заряду батареї. Пристрій допускає паралельну роботу з іншим аналогічним пристроєм.
Шафа оперативного струму ШОТ1М-380-25-230
Шафа оперативного струму на базі високочастотного перетворювача напруги, який виконує роль зарядно-випрямного пристрою, призначена для перетворення змінного струму в регульований постійний струм. Він може використовуватися для заряда акумуляторних батарей та живлення споживачів постійною напругою як в буферному ввімкненні з акумуляторною батареєю, так і безпосередньо. Сфера застосування — тягові підстанції залізниць та інші залізничні об’єкти, де для гарантованого електроживлення використовуються акумуляторні батареї.
ШОТ1М допускає роботу від мережі 220 V або 380 V. При цьому можливе і однофазне виконання. Місткість акумуляторної батареї може складати до 1000 А·годин. Можлива робота від одного або двох вводів.
ШОТ1М реалізує методи заряду акумуляторної батареї IU, U, IUI відповідно до DIN 41773. Пристрій забезпечує паралельну роботу із аналогічними перетворювачами на загальне навантаження. Як і у ВТПІ, ШОТ1М забезпечує повний набір захистів зарядного ланцюга. Передбачена реалізація у 2-модульному виконанні зі 100 % паралельним резервуванням. Кількість автоматичних вимикачів та інших комутаційних апаратів встановлюється згідно з вимогами Замовника.
Мал. 4 Зовнішній вигляд ШОТ1М
Системи безперебійного живлення СБЖ
Для об’єктів, де потребується гарантоване живлення якісною та стабільною змінною напругою, фахівці ПрАТ «Плутон» розробили лінійку систем безперебійного живлення (СБЖ). СБЖ призначена для забезпечення безперебійного живлення споживачів стабілізованою змінною трифазною напругою. Система безперебійного живлення випускається на діапазон потужностей від 15 до 60 kVА. При необхідності може бути розроблена та виготовлена на потужності до 500 kVА.
До складу СБЖ входять наступні шафи:
- шафи перетворювачів та комутації (далі — ШПК);
- шафа із акумуляторною батареєю (далі — ШАКБ).
Мал. 5 Обладнання СБЖ
ШПК складається із зарядно-випрямного пристрою, інвертору напруги із синус-фільтром, резервного (байпас) каналу живлення, узгоджуючих трансформаторів. Обладнання на великі потужності розділене у декількох шафах.
СБЖ працює в одному з трьох режимів:
- «нормальний» режим — енергія споживається із основного вводу та перетворюється у постійну напругу. Далі, за допомогою автономного інвертора, генерується напруга для живлення підключеного навантаження.
У цьому режимі інвертор працює синхронно з мережею. Якщо частота мережі виходить за межі допуску, то інвертор перемикається на власну синхронізацію.
- режим «байпас» — навантаження подається через резервний ввід.
Перехід на цей режим відбувається автоматично, без будь-яких переривань живлення навантаження у наступних випадках:
- перевантаження інвертора;
- вихід зі строю інвертора;
- із затримкою при зникненні напруги на основному вводі;
- внутрішня температура перевищує максимально допустиме значення.
- «акумуляторний режим» — при відсутності напруги у живлючій мережі по обом вводам СБЖ продовжує живлення навантаження, використовуючи енергію, накопичену в акумуляторних батареях.
СБП може працювати як від мережі, так і разом з дизель-генератором підстанції, забезпечуючи живлення ланцюгів підстанції від акумуляторів на час, необхідний для запуску дизеля.
Джерела живлення різного призначення
На базі перетворювача із ланцюгом підвищеної частоти можуть бути побудовані різні джерела живлення:
- для збудження синхроних машин;
- для електротехнологічних установок (гальваніки, електролізу, електрохімії);
- для зварювання;
- для генераторів імпульсів.
Всі ці джерела мають наступні переваги у порівнянні із традиційними тиристорними пристроями, які працюють на частоті 50 Hz:
- покращені масогабаритні показники;
- високий коефіцієнт потужності та незначний вплив на живлячу мережу;
- швидкодія при зовнішніх коротких замиканнях;
- знижена матеріаломісткість (мідь, трансформаторна сталь);
- знижений акустичний шум (крім тягових перетворювачів).
Дані пристрої можуть застосовуватися для покращення роботи дизель-генераторів підстанцій, при модернізації обладнання залізничних майстерень, електровозоремонтних заводів та інших об’єктів.
Системи автоматичного управління вентиляторами, компресорами, насосами та системи автоматичного управління мікрокліматом на їх основі
У системах автоматичного управління вентиляторами, компресорами, насосами та мікрокліматом традиційно використовуються перетворювачі частоти із широтно-імпульсною високочастотною модуляцією вихідної напруги. Первагою даного комплексу є те, що все обладнання пов’язане у єдиний автоматично керований комплекс за допомогою спеціально розробленої системи управління. Для даного комплексу задається декілька параметрів, які потім автоматично підтримуються на заданому рівні.
Сфера застосування системи автоматичного управління дуже широка. Вона необхідна у всіх випадках, коли потрібне покращення природніх кліматичних умов — вагони та локомотиви потягів, приміщення станцій, підстанцій, цехів, майстерень, підземних споруд та інших об’єктів.
Система управління МС-40
Усі перетворювачі із ланкою підвищеної частоти керуються за допомогою мікропроцесорної системи МС-40, яка є розробкою ПрАТ «Плутон». Вона дозволяє реалізувати технологічні алгоритми найскладнішого рівня.
Мал. 6 Зовнішній вигляд системи управління та пультового терміналу
Система побудована на базі сучасного сигнального процесора. Містить аналогові та дискретні входи та виходи, комунікаційний порт, години та індикацію роботи. МС-40 містить енергонезалежну пам’ять, яка дозволяє зберігати журнал аварій, «слід» аварії, що зручно під час дослідження причин технологічних нештатних ситуацій.
Представлені продукти ПрАТ «Плутон», побудовані на базі перетворювача із ланкою підвищеної частоти, є сучасними наукомісткими прикладами електротехніки. Сфера застосування таких пристроїв не обмежена перерахованими вище, тому фахівці компанії вже зараз працюють на перспективу, вивчаючи потреби залізничного транспорту.
Опубліковано:
журнал Українська залізниця. - 2017 р. - №11-12 (53-54). - С.55-58