Тяговый преобразователь частоты Sibac DesRUS A5E03060099

    1 - контейнер; 2 - кронштейн; 3 - разъемы цепей управления; 4 - модуль газового пожаротушения; 5 - фланцы подключения трубопроводов контура охлаждения; 6 - поворотные задвижки с замками под 4-гранный ключ; 7 - ключевой запор; R1, R2, R3 - крышки правой стороны; L1, L2, L3 - крышки левой стороны; U1, U2, U3 - крышки нижние; S1 - панель высоковольтных проводов.

    Расположение оборудования под крышками с правой стороны
    1 - блок управления приводом (K200); 2 - датчик входного тока (B25); 3 - датчики напряжения 3000В (B23, B24, B26); 4 - контактор предварительного заряда (Q200); 5 - силовой модуль (4QS K2); 6 - резистор продолжительной разрядки (R21); 7 - защитный диод (R2); 8 - силовой модуль (PWR K21); 9 - точки заземления (XP2, XN2, XE2); 10 - сетевой контактор (Q20); 11 - системный переключатель (Q2); 12 - обогреватель блока управления приводом (A180); 13 - зарядный резистор (R20); 14 - блок питания силовых модулей 110/24В (K210); 15 - вспомогательные контакты (Q21, Q22, Q25); 16 - помехоподавляющий фильтр блока управления приводом (V200) и промежуточные измерительные трансформаторы сетевого переменного напряжения и тока (T1, T2, T3).

    Расположение оборудования под крышками с левой стороны
    1 - резистор продолжительной разрядки (R11); 2 - силовой модуль (4QC K1); 3 - датчики напряжения 3 кВ (B13, B14, B16); 4 - предохранитель ПСН (F86); 5 - сетевой контактор (Q10); 6 - датчик постоянного тока (B15); 7 - помехоподавляющий фильтр блока управления приводом (V100); 8 - блок управления приводом (K100); 9 - обозреватель блока управления (A160); 10 - системный переключатель (Q1); 11 - точки заземления (XP1, XN1, XP AUX, XE1); 12 - контактор предварительного заряда (Q100); 13 - размыкающий контактор ПСН (Q85); 14 - защитный диод (R11); 15 - силовой модуль (PWR K11); 16 - зарядный резистор (R10); 17 - блок питания силовых модулей (K110); 18 - вспомогательные контакторы (Q11, Q12, Q15).

    Расположение оборудования в центральных отсеках
    1 - конденсатор промежуточного контура (C1.2); 2 - ферритовый сердечник блока питания ПСН (V4); 3 - ферритовый сердечник питания постоянного тока (V3); 4 - конденсатор промежуточного контура (C2.2); 5 - ЭМС-конденсаторы (C21, C22); 6 - конденсатор промежуточного контура (C2.1); 7 - датчики давления (B100, B200) и датчики температуры (B110, B210); 8 - обогреватель внутреннего пространства (A170); 9 - конденсатор промежуточного контура (C1.1); 10 - ЭМС-конденсаторы (C11, C12).

    Расположение оборудования на панели S1
    1 - датчик тока ПСН (B81); 2 - датчик входного тока (постоянный ток) (B1); 3 - датчик тока (постоянный ток) (B2); 4 - датчик тока импульсного инвертора (B21); 5 - датчик тока импульсного инвертора (B22); 6 - датчик тока импульсного инвертора (B12); 7 - датчик тока импульсного инвертора (B11).

    Расположение фланцев для подключения трубопроводов контура охлаждения
    1 - фланец для потключения отводного контура охлаждения; 2 - фланец для подключения питающего контура охлаждения.

    Тяговый преобразователь предназначен для управления тяговыми электродвигателями, обеспечения рекуперации электроэнергии в КС и защиты электрооборудования электропоезда от перенапряжения. Одновременно тяговый преобразователь обеспечивает подачу напряжения питания к преобразователю собственных нужд.
    Тяговый преобразователь управляет потоком электроэнергии междуКС и тяговыми электродвигателями, обеспечивая регулирование крутящего момента и оборотов четырех тяговых электродвигателей. Для выполнения данной задачи напряжение и частота на клеммах электродвигателей регулируются по сигналам электронной системы управления тягового преобразователя.
    На электропоезде, в подвагонном пространстве вагонов 1 и 5 установлено два тяговых преобразователя частоты типа SIBAC DesRUS A5E03060099.
    Тяговый преобразователь состоит из следующих основных функциональных узлов, собранных в едином корпусе - контейнере:
    - двух сетевых контакторов и двух устройств предварительного заряда;
    - двух системных переключателей;
    - двух силовых модулей (выполняющих функции четырехквадратных преобразователей и тормозных прерывателей);
    - двух промежуточных контуров с конденсаторами, резисторами продолжительной разрядки и устрйоствами контроля замыкания на землю;
    - двух тяговых импульсных инверторов.

    Контейнер тягового преобразователя сварен из стальных листов и имеет кронштейны для крепления в подкузовном пространстве вагона. Внутреннее пространство контейнера разделено на девять отсеков.
    Для доступа к оборудованию шести боковых отсеков, на каждой боковой стенке контейнера тягового преобразователя имеется по три окна закрытых стальными крышками с поворотными задвижками с замками под 4-гранный ключ.
    Для доступа к трем центральным отсекам, на нижней поверхности контейнера тягового преобразователя выполнены три окна (U1, U2, U3), закрытые стальными крынками, закрученными на болты.
    На передней торцевой панели корпуса тягового преобразователя расположены два фланца для подключения трубопроводов контура охлаждения. Фланцы имеют два варианта расположения ("A" - вертикально, "Б" - горизонтально). Оба фланца оборудованы отсечными клапанами.
    На тыльной торцевой панели корпуса тягового преобразователя расположена панель высоковольтных вводов (S1), разъемы цепей управления и модуль газового пожаротушения.

    Принципиальная схема сетевого контактора и устройства предварительного заряда.

    Сетевой контактор
    Сетевые контакторы (Q10 и Q20) установлены между источником питания и входным контуром тягового преобразователя.
    Каждый из двух сетевых контакторов предназначен для подключения независимых силовых контуров тягового преобразователя к вторичным обмоткам 1.1-1.2 и 2.1-2.2 главного трансформатора или КС.
    В случае неисправности одного из двух независимых контуров питания, он может быть отключен от одной из вторичных обмоток тягового трансформатора (или КС) при помощи сетевого контактора, при этом, второй силовой контур (два тяговых двигателя) продолжит работу.

    Устройство предварительного заряда
    Параллельно каждому сетевому контактору подключается устройство предварительного заряда, состоящее из зарядного контактора (Q100, Q200) и зарядного резистора (R10, R20). Зарядный контактор (Q100, Q200) является однополюсным с электромагнитным приводом. Он соединяет промежуточный контур с выводами тяговых обмоток тягового трансформатора через зарядный резистор.
    Устройство предварительного заряда используется при запуске тягового преобразователя и необходимо для первичного заряда конденсаторов промежуточного контура и ЭМС-конденсаторов.
    При запуске тягового преобразователя, конденсаторы заряжаются через зарядный контактор и зарядный резистор. Затем замыкается сетевой контактор и закорачивает устройство предварительного заряда. Благодаря этому сводится к минимуму бросок пускового тока, который возникает при подключении разряженных конденсаторов.

    В зависимости от питающего напряжения КС, двухполюсный системный переключатель (Q1, Q2) объединяет:
    - при питающем напряжении КС 3 кВ постоянного тока - вход постоянного тока (DC3kV) через вторичные катушки главного трансформатора с промежуточным контуром;
    - при питающем напряжении КС 25 кВ однофазного переменного тока - вторичную обмотку тягового трансформатора с четырехквадрантным преобразователем.

    Каждый из двух силовых модулей (К1 и К2) тягового трансформатора объединяет в себе функции четырехквадрантного преобразователя и тормозного прерывателя. Силовые модули имеют жидкостное охлаждение.
    Четырехквадрантный преобразователь
    В режиме питания тягового преобразователя от сети переменного тока четырехквадрантные регуляторы обеспечивают:
    - преобразование, совместно с индуктивностью вторичных (тяговых) обмоток главного трансформатора, однофазного входного напряжения КС в постоянное напряжение промежуточного контура;
    - регулирование напряжения промежуточного контура в пределах допустимых значений напряжения КС;
    - работу привода с заданным коэффициентом мощности сети;
    - передачу питания к промежуточному контуру постоянного тока в режиме тяги и возврат электроэнергии в КС при рекуперативном торможении.
    Каждый четырехквадрантный преобразователь выполнен в виде силового модуля с силовыми коммутационными приборами, включенным по мостовой схеме. В качестве силовых коммутационных элементов использованы биполярные транзисторы с изолированным затвором - IGBT.

    Принципиальная схема четырехквадрантного преобразователя
    При положительной полуволне входного напряжения включены транзисторы S2 и S3, транзисторы S1 и S4 выключены. Включение транзисторов S2 и S3 во время положительной полуволны зависит от величины заданного значения тока (ток инвертора тягового преобразователя). В момент достижения заданного значения тока транзисторы S2 и S3 выключаются, падения тока до нулевых значений не происходит за счет индуктивности вторичной обмотки тягового трансформатора (L), работы разрядных диодов транзисторов S1 и S4 и конденсатора звена постоянного тока (C_D). Диапазон включения транзисторов S2 и S3 во время положительной полуволны задается максимальным и минимальным значением заданного тока.
    При отрицательной полуволне входного напряжения включены транзисторы S1 и S4, транзисторы S2 и S3 выключены. Диапазон включения транзисторов S1 и S4 во время отрицательной полуволны зависит от значений заданного тока. Падения тока до нулевых значений не происходит за счет индуктивности вторичной обмотки тягового трансформатора (L), работы разрядных диодов транзисторов S2 и S3 и конденсатора звена постоянного тока.
    За счет включения транзисторов в зависимости от полуволны входного напряжения, на выходе четырехквадрантного преобразователя формируется постоянный ток заданного значения. Чем выше число импульсов включения транзисторов, тем точнее значение силы тока на выходе выпрямителя.

    Тормозной прерыватель
    Тормозной прерыватель предназначен для подключения промежуточного контура тягового преобразователя к тормозному резистору, чтобы погасить излишнюю электрическую энергию, в случае невозможности ее передачи в КС. Также тормозной прерыватель обеспечивает:
    - рабочую разрядку промежуточного контура;
    - ограничение перенапряжения звена постоянного тока для защиты силовых модулей;
    - разрядка промежуточного контура в случае сбоя (защитная разрядка).
    Тормозной прерыватель предствляет последовательное соединение из силового ключа (IGBT), подключенного к положительной шине звена постоянного тока и тормозного резистора Rx, подключенного к отрицательной шине звена постоянного тока.

    Тормозной прерыватель

    Конденсаторы звена постоянного тока необходимы для запасения энергии в звене постоянного тока, сглаживания и снижения пульсаций напряжения шины постоянного тока. Поскольку потребление энергии инвертором является импульсным, использование конденсаторов звена постоянного позволяет снизить пульсации тока и избавить сеть от излишней нагрузки.
    Каждый конденсатор промежуточного контура (С1, С2) состоит из двух отдельных конденсаторов. Конденсаторы емкостью 1 мФ (С1.1 и С2.1) монтируются непосредственно на шине промежуточного контура. Конденсаторы емкостью 2 мФ (С1.2 и С2.2) подключены параллельно конденсатору емкостью 1 мФ. Конденсаторы накапливают энергию и стабилизирует напряжение в промежуточном контуре, а также обеспечивает обмен реактивной составляющей с источником питания для фомирования магнитных полей в двигателе.

    Резистор продолжительной разрядки (R11, R21) представляет собой высокоомную нагрузку, подключенную параллельно конденсатору звена постоянного тока. Резисторы продолжительной разрядки монтируются на электрической шине промежуточного контура.
    Резисторы продолжительной разрядки обеспечивают разрядку конденсаторов промежуточного контура после выключения тягового преобразователя.

    Регистрация разностного тока служит для распознавания замыкания на землю. Устройство регистрации состоит из двух встроенных в подводящий и обратный провод преобразователей тока и блока обработки сигналов в БУП.

    Преобразователи тока измеряют ток на подводящем и обратном проводе. Замыкание на землю приводит к возникновению тока утечки, который проходит через минусовой потенциал преобразователя тока 2. Если замыкание на землю настолько низкоомное, что разностный ток между обоими преобразователями тока выходит за пределы установленного диапазона, то регистрируется замыкание на землю и БУП инициирует разгруппирование поврежденного тягового преобразователя.

    Упрощенная схема регистрации разностного тока.
    1 - регистрация плюсового тока; 2 - регистрация минусового тока; 3 - БУП - блок управления приводом.

    Принципиальная схема трехфазного импульсного инвертора
    A4, A5, A6 - полумосты инвертора; C_D - конденсаторы звена постоянного тока; U_D - напряжение постоянного тока с выхода четырехквадрантного преобразователя; U, V, W - выходные фазы инвертора.

    Импульсный инвертор обеспечивает регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения, прикладываемого к зажимам тяговых электродвигателей. В тяговом преобразователе расположено два импульсных инвертора (К11, К21), каждый из которых обеспечивает питание двух параллельно подключенных тяговых электродвигателей. Импульсные инверторы имеют жидкостное охлаждение.
    Импульсный инвертор состоит из шести ключевых элементов на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Элементы собраны в три полумоста, по два транзистора в каждом. Параллельно каждому ключевому транзистору устанавливаются диоды, которые обеспечивают протекание обратного тока при закрытии транзистора.
    Каждый полумост формирует на выходе напряжение переменного тока заданной частоты и амплитуды. Три полумоста импульсного инвертора позволяют сформировать на выходах напряжение трехфазного переменного тока (фазы U, V или W) для питания тяговых электродвигателей. Амплитуда выходного напряжения регулируется посредством изменения ширины импульса выходного напряжения.
    Каждый полумост импульсного инвертора, поочередно подключаясь к положительному или отрицательному потенциалу промежуточного контура, формирует одну фазу переменного тока. Чтобы создать электрический ток в индуктивной нагрузке, фазы инвертора должны быть подключены к разным потенциалам промежуточного контура. Последовательное подключение трех полумостов, то к положительному, то к отрицательному потенциалу промежуточного контура, формируется трехфазное выходное напряжение. При этом каждая фаза поочередно подключится к положительному и отрицательному потенциалу промежуточного контура со сдвигом на одну треть периода относительно другой фазы.
    Максимальное действующее значение выходного напряжения на выходе формируется, когда каждая фаза постоянно подключена к промежуточному контуру. Пример такого режима работы показан на рисунке ниже. Здесь на первых двух диаграммах показаны фазные напряжения для фаз U и V. На нижней диаграмме показана форма линейного напряжения. Кривая зеленого цвета отображает форму смоделированного сигнала. Максимально возможная амплитуда выходного напряжения в цепи двигателей зависит от напряжения промежуточного контура U_D.
    Для того чтобы величина действующего значения выходного напряжения изменялась от нуля до максимума, напряжение промежуточного контура U_D прикладывается к нагрузке не постоянно, а короткими импульсами. Регулируя продолжительность этих импульсов, можно изменять величину действующего значения выходного напряжения. При этом длительность импульсов напряжения выбирается таким образом, чтобы обеспечить форму напряжения на нагрузке, наиболее приближенную к синусоидальной и обеспечить минимальное падение напряжения в инверторе. Частота чередования импульсов при этом, как правило, остается постоянной.

    Диаграмма выходных напряжений импульсного инвертора при максимальной амплитуде

    Диаграмма выходных напряжений импульсного инвертора при широтно-импульсном модулировании

    Блок управления приводом (ASG) контролирует, управляет и регулирует работу тягового преобразователя.
    Блок управления приводом (K100, K200) состоит из вычислительных и измерительных узлов, размещенных в корпусе в виде вставных блоков. Под каждым блоком находится вентиляционный канал для охлаждения блока управления.

    Цепь питания ПСН
    B81 - датчик тока; С1 - конденсаторы звена постоянного тока; C, D - выходы к ПСН; F81 - плавкий предохранитель; Q85 - размыкающий контактор.

    Электропитание преобразователя собственных нужд осуществляется от промежуточного контура тягового преобразователя.
    В цепь питания ПСН входят:
    - плавкий предохранитель (F86);
    - размыкающий контактор (Q85);
    - датчик тока на 500А (B18).

    Плавкий предохранитель (F86) защищает цепи питания ПСН от превышения входного тока.

    Размыкающий контактор (Q85) разрывает цепь питания ПСН при сбое в работе преобразователя собственных нужд.

    Датчик тока (B81) осуществляет измерение тока преобразователя собственных нужд. Датчики тока представляют собой трансформатор тока, который не имеет собственной первичной обмотки, а ее роль выполняет токоведущая шина (кабель), проходящая через внутреннее окно магнитопровода. На магнитопровод намотана вторичная обмотка, с которой системой управления тягового преобразователя снимаются показания о величине тока в цепи.

    Датчик давления
    1 - датчики давления; 2 - датчики температуры; 3 - фланец подключения питающего контура охлаждения.

    Датчики давления (B100, B200) предназначены для измерения уровня давления в питающем трубопроводе охлаждающей жидкости. Датчики преобразуют давление жидкости в электрический сигнал, и передают его в блок управления приводом (ASG).

    Блок питания
    Блок питания (K110, K210) преобразует напряжение цепей управления электропоездом 110В в напряжение 24В для питания блока управления приводом (ASG).

    ЭМС-конденсаторы
    С помощью ЭМС-конденсаторов (C11, C12, C21, C22) в соответствии с концепцией электромагнитной совместимости реализуется функция отвода синфазных помех (помехи, обусловленные разностью потенциалов в цепях заземления).

    Вспомогательные контакторы
    Вспомогательные контакторы - это электромагнитные контакторы с размыкающими и замыкающими контактами.
    Вспомогательные контакторы обеспечивают подачу питания на катушки сетевых контакторов, а также на двигатели системных переключателей тягового преобразователя:
    - вспомогательные контакторы Q11, Q12 - обеспечивают питание двигателя системного переключателя Q1;
    - вспомогательные контакторы Q21, Q22 - обеспечивают питание двигателя системного переключателя Q2;
    - вспомогательный контактор Q15 - обеспечивает питание катушки сетевого контактора Q10;
    - вспомогательный контактор Q25 - обеспечивает питание катушки сетевого контактора Q20.

    Линейный пожарный извещатель с концевым нагрузочным резистором
    1 - нагрузочный резистор; 2 - линейный пожарный извещатель.

    Линейный пожарный извещатель это провод, проложенный во всех отсеках тягового преобразователя и реагирующий на повышение температуры.
    Термокабель линейного пожарного выключателя представляет собой витую пару, выполненную из стального провода. Каждый провод (30810 и 30811) покрывается теплочувствительным полимером, а затем скручиваются вместе в витую пару. Свободные концы витой пары соединены при помощи нагрузочного резистора (R300) на 2,2 кОм.
    При достижении определенной температуры, чувствительная к нагреву изоляция нарушается, провода витой пары под действием внутреннего напряжения соединяются, происходит замыкание и в блок управления приводом (ASG) формируется сигнал о возгорании и происходит запуска системы пожаротушения.

    Промежуточные трансформаторы
    Промежуточные трансформаторы устанавливаются между вторичной (тяговой) обмоткой главного трансформатора и блоком управления привода (ASG).
    Промежуточный трансформатор (T3) преобразует ток КС, для определения потребляемой мощности и измерения гармонических токов.
    Промежуточные трансформаторы (T1, T2) преобразуют входное напряжение КС.

    Датчик тока 200А (B11 (B21) и B12 (B22)
    Датчики тока B11 (B21) и B12 (B22) предназначены для измерения тока в шинах U и V импульсных инверторов.
    Датчики тока представляют собой трансформатор тока, который не имеет собственной первичной обмотки, а ее роль выполняет токоведущая шина (кабель), проходящая через внутреннее окно магнитопровода. На магнитопровод намотана вторичная обмотка. Система управления тягового преобразователя снимает со вторичной обмотки показания о величине тока в измеряемой цепи.

    Датчики напряжения
    Датчики напряжения B13 (B23), B14 (B24), B16 (B26) предназначены для измерения постоянного или переменного напряжения до 4,8 кВ в звене постоянного тока и на входе постоянного напряжения.

    Защитные диоды
    При выходе из строя фазового модуля защитные диоды (R1, R2) препятствуют возникновению недопустимо высокой нагрузки на обратные диоды. Эти диоды установлены в промежуточном контуре, за силовыми модулями.

    Фильтр блока управления приводом
    Фильтр (V100, V200), установленный на входе цепей питания 110В, препятствует проникновению помех от внешних цепей в блок управления приводом (ASG).