Новые разработки статических преобразователей напряжения для электровозов переменного и постоянного тока

Для модернизации электровозов постоянного тока ВЛ-10 разработан преобразователь М-ПП-200М, предназначенный для преобразования постоянного напряжения 3 кВ контактной сети в многоканальную систему напряжений для плавного пуска и регулирования оборотов асинхронных двигателей вентиляторов и компрессоров, питания цепей управления, заряда аккумуляторной батареи, питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме рекуперации, питания кондиционеров и обогревателей кабин машиниста.

Структурная схема преобразователя М-ПП-200М приведена на рис. 1. Конструктивно М-ПП-200М состоит из шкафа с двухсторонним обслуживанием.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя М-ПП-200М

С одной стороны шкафа расположены высоковольтные входные блоки преобразователя (рис. 2а), а с другой — низковольтные выходные блоки (рис. 2б).

Рис. 2. Виды преобразователя М-ПП-200М со стороны высоковольтных (а) и низковольтных (б) блоков

Входная высоковольтная часть обеспечивает преобразование напряжения контактной сети 3 кВ в стабилизированное напряжение 530 В и состоит из пяти блоков высоковольтных преобразователей БВП-40Н, десяти потенциалоразделяющих трансформаторов, пяти блоков выпрямителя БВ-40, блока питания цепей автоматики БП-1.3 и платы управления.

Выходная низковольтная часть состоит из пяти унифицированных независимых блоков трехфазных инверторов БТИ-50М, блока инвертора БИ-45, согласующего трансформатора, блока выпрямителя и заряда БВЗ-45, а также блока питания цепей автоматики БП-1.3 и блока возбуждения БВ-30, которые обеспечивают питание вспомогательного электрооборудвания электровоза.

Рис. 3. Блок БВП-40Н

Блок БВП-40Н (рис. 3) преобразует изменяющееся постоянное входное напряжение в два переменных стабилизированных напряжения прямоугольной формы для питания двух потенциалоразделяющих трансформаторов (рис. 4). Блок комплектуется специально разработанными IGBT-модулями с напряжением изоляции 13 кВ (рис. 5).

Рис. 4. Потенциалоразделяющий трансформатор

Рис. 5. Высоковольтный IGBT-модуль

Блок БВ-40 выполнен по схеме двух мостовых выпрямителей, соединенных на выходе параллельно, и предназначен для выпрямления переменного напряжения прямоугольной формы в постоянное напряжение промежуточной шины питания 530 В.

Блок БП-1.3 (рис. 6) преобразует изменяющееся входное постоянное напряжение в стабилизированное постоянное напряжение для питания цепей автоматики преобразователя.

Рис. 6. Блок БП-1.3

Блок БТИ-50М предназначен для преобразования постоянного напряжения в частотно-регулируемое трехфазное переменное для питания асинхронных двигателей приводов вентиляторов, компрессоров и других нагрузок. Блок является универсальным и может обеспечивать регулируемое выходное напряжение в диапазоне 35–380 В с частотой 5–50 Гц или нерегулируемое напряжение 220/380 В с частотой 50 Гц.

Блок БИ-45 преобразует постоянное напряжение в переменное прямоугольной формы для питания согласующего трансформатора.

Блок БВЗ-45 состоит из трех независимых выпрямителей и предназначен для выпрямления переменных напряжений прямоугольной формы в постоянные напряжения для блока возбуждения БВ-30, заряда аккумуляторной батареи и питания цепей автоматики электровоза.

Блок БВ-30 (рис. 7) преобразует постоянное напряжение в регулируемый по величине ток для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме рекуперативного торможения.

Рис. 7. Блок БВ-30

Основные параметры преобразователя М-ПП-200М приведены в таблице 1.

Применение М-ПП-200М позволяет отказаться от электромашинных генераторов, заменить высоковольтные коллекторные двигатели вентилятора и компрессоров низковольтными асинхронными двигателями, и тем самым повысить надежность работы вспомогательного оборудования, снизить уровень шумов и расход электроэнергии за счет частотного регулирования.

Преобразователь М-ПП-200М, в составе электровоза ВЛ10П прошел испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в г. Щербинке. Произведена опытная эксплуатация электровоза с данным преобразователем в локомотивном депо Златоуст в горной местности в условиях изменения напряжения в контактной сети. Пробег электровоза перед началом приемочных испытаний составил 5574 км.

Для грузопассажирских электровозов переменного тока ВЛ40П ОАО «Электровыпрямитель» разработан другой многоканальный преобразователь — М-ОМП-3500. Этот преобразователь служит для питания тягового электропривода и цепей собственных нужд электровоза.

Структурная схема преобразователя М-ОМП-3500 приведена на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема преобразователя М-ОМП-3500

Преобразователь состоит из выпрямителя В-ОПП-3200 (рис. 9а), двух шкафов преобразователей частоты ШПЧ-150 (рис. 9б), трех блоков питания и двух сглаживающих реакторов.

Рис. 9. Выпрямитель В-ОПП-3200 и шкаф ШПЧ-150

B-ОПП-3200 представляет собой четырехканальный регулируемый тиристорный выпрямитель для многозонного ступенчатого регулирования напряжения питания четырех коллекторных тяговых двигателей. Питание выпрямителя осуществляется от специальных обмоток тягового трансформатора.

ШПЧ-150 предназначены для питания асинхронных двигателей вентиляторов, компрессоров и маслонасоса электровоза ВЛ-40П. Каждый шкаф состоит из трех унифицированных независимых блоков трехфазных инверторов БТИ-50М по 50 кВА каждый и стабилизированного блока выпрямителя БВ-150. Питание всех БТИ-50М осуществляется от обмотки собственных нужд тягового трансформатора через блок БВ-150 с выходным напряжением 530 В постоянного тока.

Параметры выпрямителя В-ОПП-3200 и шкафа ШПЧ-150 приведены в таблице 2.

Применение В-ОПП-3200 позволяет отказаться от коммутационного и реакторного оборудования, повышает тягово-энергетические показатели электровоза в целом и дает экономию электроэнергии по сравнению с электровозом ВЛ-80С порядка 7–11%.

Использование двух ШПЧ-150 в электровозе ВЛ-40П снижает расход электроэнергии на собственные нужды электровоза, увеличивает ресурс вспомогательных машин и исключает из схемы электровоза электромашинный фазорасщепитель, что в конечном итоге сокращает затраты на обслуживание и ремонт электровоза.

Электровоз ВЛ40П с преобразователем М-ОМП-3500 прошел тягово-энергетические испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в г.Щербинке. Суммарный пробег восьми электровозов, укомплектованных этими преобразователями, к настоящему времени составляет более 850 тыс. км.

В настоящее время на предприятии ведутся разработки многоканальных статических преобразователей для отечественных локомотивов нового поколения.