Назначение, область применения и классификация преобразователей электрического транспорта

Конспект лекций

Лекция 1.

1.Назначение, область применения и классификация преобразователей электрического транспорта.

2. Особенности условий работы и требования, предъявляемые к преобразователям.

3. Краткая характеристика элементной базы преобразователей

Определение. Под “импульсными системами управления транспортными средствами” понимается совокупность элементов электрической части подвижного состава, предназначенная для питания его тяговых и нетяговых потребителей посредством полупроводниковых преобразователей, передающих энергию от источника питания импульсами.

Рекомендуемые материалы

Преобразователи, в которых при передаче энергии форма кривой напряжения на нагрузке не претерпевает изменения по сравнению с формой кривой питающего напряжения, называются регуляторами.

Преобразователи предназначены для согласования входных параметров потребителей с выходными параметрами источника питания, как по уровню напряжения, так и по роду тока.

Область применения преобразователей - питание тягового электрооборудования;

   - питание собственных нужд;

   - питание вспомогательного электрооборудования.

Классификация преобразователей

1. По характеру согласования источника и потребителя: - постоянно-постоянного тока;

- постоянно-переменного тока;

- переменно постоянного тока;

- переменно-переменного тока.

2. По уровню напряжения: высоковольтные и низковольтные;

3. По величине мощности: маломощные (до 5 кВт) и мощные (свыше 5 кВт);

4. По элементной базе: диодные, тиристорные, транзисторные, симисторные и т.д.

5. По способу коммутации: с естественной (выключаются при уменьшении питающего напряжения до 0);

с искусственной (за счет применения принудительного запирающего узла на

базе конденсатора, дросселя, трансформатора и т.д.);

6. По способу охлаждения: с естественным (за счет конвекции и теплового излучения);

с принудительным (за счет обдува воздухом либо циркуляции в охладителе

какой-либо жидкости).

7. По исполнению защиты от воздействия окружающей среды (обозначение IP – см. ГОСТ 14254 – 80):

IP00 – открытое исполнение, защита персонала от соприкосновения с

токоведущими или подвижными частями отсутствует, инородные тела могут попадать внутрь аппарата;

•

•

•

IP20 – защищенное исполнение, оболочка предохраняет от случайного

прикосновения к токоведущим или подвижным частям и от

проникновения внутрь посторонних предметов (металлический щуп

диаметром более 12 мм и длиной 80 мм или шарик того же диаметра);

•

•

•

IP23 – в дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защищает от

дождя, падающего под углом 60⁰ к вертикали;

•

•

•

IP60 – пылезащитное исполнение, оболочка полностью препятствует

попаданию пыли;

•

•

•

IP67 – герметичное исполнение, в дополнение к свойствам исполнения IP60 оболочка обеспечивает полную герметичность аппарата.

8. По особенностям исполнения и категории размещения:

с умеренным климатом – У (N или 0);

с умеренным и холодным климатом – УХЛ (NF или 1);

с влажным тропическим климатом – ТВ (ТН или 2);

с сухим тропическим климатом – ТС (ТА или 3);

с сухим и влажным тропическим климатом – Т  (Т  или 4);

для всех макроклиматических районов на суше, кроме района с очень холодным климатом (общеклиматическое исполнение) – О (U или 5).

Условно-графическое обозначение преобразователей в структурных схемах:

            UZ

          - преобразователь постоянно-переменного (однофазного) тока переменной частоты.

         

Особенности условий работы преобразователей подвижного состава предопределены спецификой эксплуатации транспортного средства. По сравнению с электрооборудованием стационарных установок преобразователи подвижного состава работают в более тяжелых условиях, кото­рые характеризуются в основном следующим:

1. Вследствие неровностей дороги или на стыках рельсов, а также колебаний и вибраций механической части подвижного состава преобразователи работают при частых ударных воздействиях и тряске.

2. При движении электроподвижного состава неизбежно проникновение в блок преобразователя загрязненного и влажного воздуха, а иногда грязи, воды, снега.

3. Напряжение, применяемое на электротранспорте, значительно выше применяемого в промышленных установках, нестабильно и имеет свойство часто и скачкообразно изменяться по величине.

4. Электроподвижной состав работает с переменной нагрузкой на меняющемся профиле пути;  параметры воздуха (влажность и температура), охлаждающего преобразователи, могут зна­чительно меняться, что приводит к изменению диапазона температуры токопроводящих элементов в широких пределах.

5. Пространство для размещения и монтажа преобразователей на подвижном составе весьма ограничено.

Требования, предъявляемые к преобразователям:

1. Технические – стабильность выходных параметров и характеристик при изменении температуры в диапазоне от -50 до +40⁰С, влажности воздуха до 100% на высотах до 1200 метров над уровнем моря;

   – повышенная механическая прочность деталей и узлов и высокая надежность их крепления, обеспечивающая восприятие вертикальных колебаний с часто­той 3 Гц при амплитуде до 6 мм и с частотой до 0,5 Гц при амплитуде до 25 мм;

    – повышенная  электрическая прочность за счет применения двух ступеней изоляции;

    – изоляционные и изолированные детали должны иметь влагостойкую изоляцию, а все металлические детали — на­дежно защищены антикоррозионными покрытиями;

– рассчитаны также на работу в условиях частых и резких изменениях напряжения в контактной сети;

– иметь малые массогабаритные показатели.

2. Экологические – отсутствие электромагнитного излучения или снижение его до допустимых норм;

– отсутствие шума и вибраций (или минимизация их до допустимых уровней по нормам).

3. Эксплуатационные – к преобразователям должен быть обеспечен хороший доступ для осмотров и ре­монтов обслуживающим персоналом;

 – их окраска должна быть отличной от окраски остального оборудования;

 – крышки и люки для доступа к высоковольтным цепям преобразователей должны иметь предупредительные знаки и надписи;

 – блок преобразователя не должен иметь выступающих частей и деталей и снабжен ручками для снятия и установки на подвижной состав (или другими приспособлениями для механизированного монтажа и демонтажа).        

Краткая характеристика элементной базы преобразователей.

В состав элементной базы преобразователей входят пассивные и активные элементы. К первым относятся резисторы, конденсаторы и дроссели. Ко вторым – полупроводниковые элементы. Все они имеют условно-графические обозначения (УГО) и основные параметры, по которым производится их выбор для того или иного преобразователя.

1. Резистор: УГО   . Параметры – величина сопротивления (номинал) и величина мощности.

2. Дроссель: УГО   . Параметры – величина индуктивности и номинальный ток.

3. Конденсатор: УГО                 . Параметры – величина емкости и рабочее напряжение (дополнительно – допустимая пульсация напряжения или тангенс угла потерь).

4. Транзистор: УГО – VT                   . Параметры – величины напряжения и тока (дополни-тельно – ток управления, напряжение насыщения, рабо-чая частота, коэффициент усиления).

5. Диод: УГО  . Параметры – величины напряжения и тока (дополнительно –  прямое падение напряжение, рабочая частота).

6. Тиристор: УГО                            . Параметры – величины напряжения и тока (дополнительно – ток управления, напряжение насыщения, рабочая частота).

7. Симистор: УГО -                           Параметры – величины напряжения и тока (дополнительно – ток управления, напряжение насыщения, рабочая частота).

8. Варистор: УГО -                              Параметры – величина напряжения и допустимая энергия.

                                             

Вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов

Быстрое развитие в начале 90-х годов технологии силовых транзисторов привело к появлению нового класса приборов — биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT). Основными преимуществами IGBT являются высокие значения рабочей частоты, КПД, простота и компактность схем управления (вследствие малости тока управления). Появление в последние годы IGBT с рабочим напряжением до 4500 В и способностью коммутировать токи до 1800 А привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1 МВт и напряжением до 3,5 кВ.

Современные силовые запираемые тиристоры существенно отличаются по своим характеристикам от ранее разработанных тиристоров SCR. Усовершенствование их коснулось прежде всего способа запирания – с целью исключения коммутирующих цепей, увеличивающих массогабаритные и другие показатели, были разработаны тиристоры типа GTO, запираемые по управляющему электроду. Основной их недостаток заключается в больших потерях энергии в защитных цепях прибора при его коммутации. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике тиристоры GTO коммутируются с частотой не более 250–300 Гц. Основные потери возникают в резисторе R момент разряда конденсатора С (рис. 1) при выключении тиристора VS. Конденсатор С предназначен для ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt при выключении прибора. Сделав тиристор нечувствительным к скорости du/dt, производители получили бы возможность отказаться от снабберной цепи (цепи формирования траектории переключения). Именно это и было реализовано в конструкции GCT. Основной особенностью тиристоров GCT, по сравнению с приборами GTO, является быстрое выключение, которое достигается как изменением принципа управления, так и совершенствованием конструкции прибора, что делает прибор нечувствительным к скорости du/dt.

 На рис. 2 показано распределение токов в структуре тиристора GCT при выключении прибора. Как указывалось, процесс включения подобен включению тиристоров GTO. Процесс выключения отличен. После подачи отрицательного импульса управления (–I_g), равного по амплитуде величине анодного (I_a), быстрое выключение реализуется превращением тиристорной структуры в транзисторную за счёт того что, весь прямой ток, проходящий через прибор, отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход j3 (между областями p и n). Переход j3 смещается в обратном направлении, и катодный транзистор n-p-n закрывается. Дальнейшее выключение GCT аналогично выключению любого биполярного транзистора, что не требует внешнего ограничения скорости нарастания прямого напряжения du/dt и, следовательно, допускает отсутствие снабберной цепочки. Изменение конструкции GCT связано с тем, что динамические процессы, возникающие в приборе при выключении, протекают на один-два порядка быстрее, чем в GTO. Так, если минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс. Скорость нарастания тока управления при выключении GCT составляет 3000 А/мкс, GTO — не превышает 40 А/мкс.

Сейчас тиристоры GTO производят несколько крупных фирм Японии и Европы: Toshiba, Hitachi, Mitsubishi, ABB, Eupec. Параметры приборов по напряжению UDRM: 2500 В, 4500 В, 6000 В; по току ITGQM (максимальный повторяющийся запираемый ток): 1000 А, 2000 А, 2500 А, 3000 А, 4000 А, 6000 А.

 Тиристоры GCT выпускают фирмы Mitsubishi и ABB. Приборы рассчитаны на напряжение UDRM до 4500 В и ток ITGQM до 4000 А. В настоящее время тиристоры GCT и GTO освоены на российском предприятии ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). Выпускаются тиристоры серий ТЗ-243, ТЗ-253, ТЗ-273, ЗТА-173, ЗТА-193, ЗТФ-193 (подобен GCT) и др. с диаметром кремниевой пластины до 125 мм и диапазоном напряжений UDRM 1200–6000 В и токов ITGQM 630–4000 А.

Следующим крупным достижением в технологии жестко управляемых GTO (HD GTO), с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборов, базирующихся на новом «запираемом тиристоре с интегрированным блоком управления (драйвером)» (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT). Благодаря технологии жесткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем, то есть до физических возможностей кремния. Не требуется никаких защитных цепей от превышения du/dt. Сочетание с улучшенными показателями потерь мощности позволило найти новые области применения в килогерцовом диапазоне. Мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO, в основном за счет прозрачной конструкции анода. Новое семейство приборов IGCT с монолитными интегрированными высокомощными диодами было разработано для применения в диапазоне 0,5–6 МВ•А. При существующей технической возможности последовательного и параллельного соединения приборы IGCT позволяют наращивать уровень мощности до нескольких сотен мегавольт-ампер. Основной производитель IGCT — фирма ABB. Параметры тиристоров по напряжению UDRM: 4500 В, 6000 В; по току ITGQM: 3000 А, 4000 А.

Новые приборы IGCT, способные работать с частотами переключения от 500 Гц до 2 кГц и имеющие более высокие параметры по сравнению с IGBT-транзисторами, сочетают в себе оптимальную комбинацию доказанных технологий тиристоров с присущими им низкими потерями и бесснабберной, высокоэффективной технологией выключения путем воздействия на управляющий электрод. Прибор IGCT сегодня — идеальное решение для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений. Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей с двусторонним теплоотводом