Россия: Задачу плавного движения подвижного состава без резких ускорений и остановок решает ключевой компонент системы электропривода — преобразователь частоты и напряжения электрического тока. В статье для журнала «Вектор ТМХ» главный конструктор компании «КСК Системы привода» (КСК СП) Сергей Зверев рассказал о принципах работы преобразователей, их технической эволюции, а также поделился планами компании по дальнейшему развитию данных компонентов. ROLLINGSTOCK приводят ее текст ниже.
Принцип работы
Преобразователь частоты — электротехническое устройство, которое регулирует частоту переменного напряжения для управления скоростью вращения электродвигателей.
Основу преобразователя составляют полупроводниковые элементы, такие как транзисторы и диоды, а также микроконтроллеры, которые управляют процессом преобразования. Входной переменный ток преобразуется сначала в постоянный ток с помощью выпрямителя (преобразователя переменного тока в постоянный), затем обратно в переменный, но уже с другой частотой и напряжением. Или, как в случае с тяговым инвертором, постоянный ток поступает в тяговый инвертор и затем преобразуется в переменный ток с другими показателями частоты и напряжения. Возможность управлять изменением напряжения (частотой, амплитудой) питания электродвигателя обеспечивает плавный старт, плавный набор скорости и плавное торможение электропоезда.
В наше время 99% рельсового транспорта в мире работает на электротяге. Первый советский опытный грузовой электровоз переменного тока типа ОР22 с ртутными многоанодными откачиваемыми выпрямителями тока был создан в 1938 году. От локомотивов постоянного тока серии ВЛ22 он отличался плавным разгоном, более быстрым выходом на рабочий режим и другими преимуществами.
Дальнейшая эволюция преобразователей определялась двумя основными факторами. Во-первых, применением в электропоездах асинхронного тягового привода, который дает значительный положительный эффект для характеристик самих поездов и для стоимости их обслуживания, из-за чего этот тренд продолжает расти во всем мире.
Во-вторых, параметрами, особенностями конструкции силовых полупроводниковых приборов (СПП), которые являются ядром, «сердцем» силового инвертора. Последнее, шестое поколение СПП вот уже 30 лет совершенствуется параллельно процессу развития мощных силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT-транзисторы). Они комплектуются в модули силового инвертора (МСИ), затем размещаются в специализированных контейнерах, которые, в свою очередь, располагаются в подвагонном пространстве.
Об IGBT-модулях
Силовой полупроводниковый модуль (IGBT-модуль) — устройство, которое действует как транзистор и сочетает в себе характеристики биполярного транзистора и полевого МОП-транзистора. Основным преимуществом IGBT перед другими полупроводниковыми приборами является его высокая эффективность проводимости тока. Это означает, что он может проводить большие токи в небольшом пространстве.
Кроме того, им можно легко управлять с помощью внешнего напряжения, что делает его идеальным для приложений, где требуется точное управление током. IGBT отличается высокой надежностью, а при необходимости может быть легко заменен. Его преимуществами также являются малые размеры и вес. IGBT-модули широко используются в преобразователях переменного тока в постоянный и в инверторах, их можно найти в различных видах промышленного оборудования и в современных транспортных средствах — в электропоездах, электрических и гибридных автомобилях и пр.
Номенклатура преобразователей
Для разных видов рельсового транспорта проектируются разные преобразователи. Например, они отличаются для метро и железной дороги. Напряжение контактной сети метрополитена— 750 В, а в железнодорожной контактной сети — уже 3000 В. Мощность двигателя тоже имеет большое значение, впрочем, как и параметры самого электропоезда — его масса, конструктивная скорость и др. Например, мощность двигателя в электропоезде «Иволга 4.0» — 380 кВт, а в поезде метро «Москва-2024» — 170 кВт.
При проектировании преобразователя неотъемлемой частью технического задания являются технические параметры локомотивов и вагонов. Их учитывают и при создании новых тяговых инверторов и преобразователей частоты, в том числе для локомотивов и вагонов производства предприятий «Трансмашхолдинга» (ТМХ). Поставщиком выступает компания КСК СП, крупнейший в России производитель преобразовательной техники.
В своем ассортиментном портфеле преобразовательной техники и электроаппаратной продукции КСК СП имеет такие продукты, как контейнер тягового инвертора (например, КТИ-4У1 поставляется на входящий в ТМХ завод «Метровагонмаш» для вагонов метро «Москва-2024») или статический тяговый преобразователь (в частности, ПСТ-1200 поставляется на входящий в ТМХ Тверской вагоностроительный завод для комплектации вагонов электропоездов «Иволга»).
В течение последних полутора лет тяговые инверторы прошли модернизацию, связанную с обеспечением безопасности поставок комплектующих и импортозамещением. Были заменены транзисторы, быстродействующие выключатели, линейные контакторы, датчики тока и напряжения, конденсаторы, охладители. Это позволило снизить риски для производства и эксплуатации, обеспечить бесперебойную поставку компонентов на предприятия ТМХ.
Ни для кого не секрет, что любое инженерное решение необходимо проверять в реальных условиях для обеспечения высокого технического уровня и качества выпускаемых продуктов. Специалисты КСК СП это отлично понимают и развивают свои возможности по разным видам испытаний. Компания располагает современной испытательной базой и реализует масштабную программу оснащения своего испытательного центра в Санкт-Петербурге.
О разработке трехуровневого преобразователя
На сегодняшний день ведущие производители железнодорожного транспорта стремятся улучшить технические характеристики своих изделий, делая акцент на повышении энергоэффективности и надежности. Одним из таких направлений является разработка инновационных решений в сфере электропривода и силовых преобразователей. КСК СП активно участвует в этом процессе, реализуя новый проект по созданию современного трехуровневого преобразователя, предназначенного для использования в новых сериях электропоездов. Этот проект представляет собой значительный шаг вперед в сравнении с традиционными схемами преобразования энергии.
Не вдаваясь в технические подробности, можно отметить, что трехуровневый инвертор имеет целый ряд преимуществ в виде снижения акустических шумов, а также потерь в электродвигателе, реакторном оборудовании и IGBT-модулях (соответственно, повышается КПД электропривода). Кроме того, трехуровневый инвертор позволяет сократить перенапряжения (почти в два раза), снизить старение изоляции всех устройств двигателя и преобразователя, а также уменьшить массу и габариты реакторного оборудования. Так что можно с уверенностью сказать, что трехуровневый инвертор — важный этап процесса повышения надежности оборудования в условиях возрастающих требований к безопасности и комфорту движения общественного транспорта производства ТМХ.
Подготовлено на основе статьи «Тяга к комфорту: управляя «сердцем»» из журнала «Вектор ТМХ» № 4 (59) 2024