Статические преобразователи для подвижного состава¶

Статические преобразователи для подвижного состава — это совокупность полупроводниковых устройств, предназначенных для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, тока, частоты, числа фаз) на транспортных средствах железнодорожного, метрополитеновского и городского рельсового транспорта. Основной функцией данных систем является обеспечение бортовых потребителей качественным электропитанием, а также управление тяговыми электродвигателями в соответствии с режимом ведения поезда.

¶Назначение и функции

В отличие от электропоездов переменного тока, где питание бортовой сети может осуществляться непосредственно от контактной сети через понижающий трансформатор, большинство систем подвижного состава используют статические преобразователи для решения следующих задач:

• Питание цепей управления и вспомогательных машин. Преобразование высокого контактного напряжения (3 кВ постоянного или 25 кВ переменного тока) в стабилизированные низкие напряжения (110 В, 220 В, 380 В) для систем управления, освещения, вентиляции, отопления и зарядки аккумуляторных батарей.
• Управление тяговыми двигателями. В современных электровозах и электропоездах с асинхронным тяговым приводом преобразователи формируют трёхфазное напряжение регулируемой частоты и амплитуды, что обеспечивает плавное регулирование скорости и тягового усилия.
• Обеспечение комфорта пассажиров. Питание систем кондиционирования, информационных табло, розеток и USB-портов в пассажирских вагонах.
• Рекуперативное торможение. Преобразование энергии, вырабатываемой тяговыми двигателями в режиме торможения, для возврата в контактную сеть или использования на бортовые нужды.

¶Классификация

Статические преобразователи классифицируются по нескольким признакам.

¶По роду тока и напряжению на входе

• Преобразователи для электроподвижного состава постоянного тока (напряжение контактной сети 750 В, 1,5 кВ или 3 кВ). Входным звеном обычно является фильтр, сглаживающий пульсации.
• Преобразователи для электроподвижного состава переменного тока (25 кВ, 50 Гц или 2×25 кВ). Включают входной трансформатор и выпрямитель.

¶По типу преобразования

• Выпрямители — преобразуют переменный ток в постоянный (используются на электровозах переменного тока).
• Инверторы — преобразуют постоянный ток в переменный с заданной частотой (основа асинхронного привода).
• Преобразователи частоты — обеспечивают изменение частоты выходного напряжения.
• Преобразователи постоянного напряжения (DC/DC-конвертеры) — изменяют уровень постоянного напряжения (например, 3 кВ → 110 В).

¶По схеме построения силовой части

• Тиристорные преобразователи — применялись на электровозах и электропоездах предыдущих поколений. Отличаются относительно низкой частотой переключения и значительными потерями энергии.
• Транзисторные преобразователи на IGBT-модулях — современное решение, обеспечивающее высокую частоту широтно-импульсной модуляции (ШИМ), малые габариты и высокий КПД (до 97–98 %).
• Преобразователи на SiC-транзисторах (карбид кремния) — перспективное направление, позволяющее снизить потери и повысить рабочую температуру.

¶Устройство и основные компоненты

Типовой статический преобразователь для подвижного состава включает:

• Входной фильтр — LC-фильтр для подавления помех и сглаживания пульсаций входного напряжения.
• Силовой модуль — набор полупроводниковых ключей (IGBT-транзисторы с обратными диодами), собранных по мостовой или полумостовой схеме.
• Систему управления — микропроцессорный контроллер, формирующий импульсы управления ключами по алгоритмам ШИМ, а также осуществляющий диагностику и защиту.
• Выходной трансформатор — для гальванической развязки и согласования уровней напряжения (при необходимости).
• Выходной фильтр — для сглаживания выходного напряжения и тока.
• Систему охлаждения — естественное воздушное, принудительное воздушное или жидкостное охлаждение силовых модулей.

¶Применение на различных типах подвижного состава

¶Электровозы

На грузовых и пассажирских электровозах статические преобразователи используются как для питания вспомогательных нужд, так и для тягового привода. Например, на российских электровозах серии 2ЭС6 постоянного тока применяются преобразователи собственных нужд на IGBT-транзисторах, обеспечивающие питание цепей управления и заряд аккумуляторных батарей.

¶Электропоезда и дизель-поезда

В электропоездах (например, ЭП2Д, ЭГ2Тв «Иволга») статические преобразователи обеспечивают питание систем кондиционирования и освещения. В дизель-поездах (например, ДП-С) преобразователи работают от бортового генератора, питаемого дизелем, и формируют стабильное трёхфазное напряжение для вспомогательных машин.

¶Вагоны метрополитена

В метрополитенах (например, вагоны серии 81-760 «Ока») преобразователи на базе IGBT-модулей обеспечивают как тяговый привод с асинхронными двигателями, так и питание бортовой сети 110 В.

¶Пассажирские вагоны локомотивной тяги

Для питания пассажирских вагонов от локомотива используется система электроотопления поезда (ЭОПТ) с напряжением 3 кВ постоянного тока. В каждом вагоне устанавливаются статические преобразователи, понижающие это напряжение до 220/380 В для работы систем вентиляции, освещения и зарядки аккумуляторов.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокий КПД (до 97–98 % у современных IGBT-преобразователей).
• Малые масса и габариты по сравнению с электромашинными преобразователями (например, с мотор-генераторами).
• Высокая надёжность и ресурс работы при отсутствии вращающихся частей.
• Возможность точного регулирования параметров выходного напряжения и тока.
• Улучшение энергетических показателей (коэффициента мощности) и снижение потерь в контактной сети.

¶Недостатки

• Чувствительность к перенапряжениям и перегрузкам в контактной сети.
• Генерация электромагнитных помех, требующая применения экранирования и фильтрации.
• Сложность ремонта и диагностики, требующая высокой квалификации персонала.
• Относительно высокая стоимость силовых модулей.

¶История развития

Первые статические преобразователи на подвижном составе появились в середине XX века с внедрением ртутных выпрямителей, которые использовались на электровозах переменного тока для питания тяговых двигателей постоянного тока. Позднее ртутные выпрямители были заменены полупроводниковыми диодами и тиристорами. В 1980-х годах началось внедрение запираемых тиристоров (GTO), а с конца 1990-х годов — транзисторных IGBT-модулей, что позволило создать компактные преобразователи с ШИМ-управлением для асинхронных тяговых двигателей. В настоящее время ведутся разработки преобразователей на основе карбида кремния (SiC), позволяющих повысить КПД и снизить массу оборудования.