Полупроводниковые преобразователи в системах электроснабжения вагонов

ГОУ ВПО

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ФАЖТ

Кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство»

Курсовая работа

по дисциплине «Энергетическое оборудование вагонов»

Н.Новгород 2006 г.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие полупроводников позволило заменить электромашинные преобразователи (ЭМП) полупроводниковыми преобразователями (ПП), выполнен­ными на базе тиристоров и транзисторов. Применение ПП, не имеющих подвижных частей, способствует снижению эксплуатационных расходов и упрощает ремонт. Это связа­но с отсутствием затрат на обслуживание и ремонт коллекторно - щёточного аппарата и подшипников. Из-за отсут­ствия подвижных частей ПП классифицируют еще как статические преобразователи.

ПП выполняют те же функции, что и ЭМП. Малые габариты и вес полупроводниковых элементов позволили перейти к индивидуальным преобразователям. В отличие от централи­зованных, к которым относятся ЭМП, такие преобразователи обеспечивают питанием не большую группу потребителей, а каждого из них в отдельности. Каждый ПП для люминесцент­ного освещения обслуживает одну или две лампы общей мощ­ностью до 40 Вт. Кроме того, такие ПП вырабатывают напря­жение более высокой частоты (до нескольких десятков килогерц) при том же уровне (220 В). Высокая частота создает лучшие условия для работы люминесцентных ламп.

К ПП можно отнести и выпрямители, осуществляющие преобразование переменного напряжения, вырабатываемого вагонным генератором, в постоянное. Это напряжение ис­пользуется для питания потребителей и для заряда аккуму­ляторных батарей.

1 ФУНКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В достаточной степени оценить место и роль полупроводнико­вых устройств в системах электроснабжения вагонов позволяет кон­кретный анализ структурных схем СЭС.

Несмотря на имеющиеся различия в структурных схемах АСЭС вагонов, эксплуатируемых на дорогах России, полупроводниковые устройства в каждой из них выполняют, практически, один и тот же круг задач. Поэтому, для примера, рассмотрим структурные схе­мы двух наиболее распространенных на дорогах России АСЭС - производства Германии (типы 47D и 47К) и отечественную (ЭВ.10). Структурная схема АСЭС, характерная для импортных ваго­нов, приведена на рисунке 1.1. Основным источником питания слу­жит вагонный генератор G постоянного или переменного тока, а вспомогательным - аккумуляторная батарея GB. На схеме все квад­ратики, изображающие полупроводниковые устройства, показаны заштрихованными.

Следует иметь в виду, что требуемый режим работы генератора поддерживается регулятором напряжения генератора РНГ. Контро­лируя уровень напряжения генератора U_Г, его ток I_Г и с помощью специального устройства СУ температуру t_B воздуха в аккумулятор­ном ящике, регулятор обеспечивает требуемый режим заряда акку­муляторной батареи.

Защиту потребителей от перенапряжения осуществляет реле максимального напряжения РМН, воздействуя при необходимости, так же как и РНГ, на цепь возбуждения генератора. Защита аккуму­ляторной батареи от недопустимого разряда возложена на реле по­ниженного напряжения РПН. На рисунке 1.1 РПН условно показано включенным в силовые цепи питания потребителей П1 и П2. В дей­ствительности же РПН при разряде батареи, близком к допустимо­му, отключает лишь цепи управления этих потребителей, лишая их тем самым возможности работать.

РНГ - регулятор напряжения генератора; СУ - блок контроля температуры; РМН - реле максимального напряжения; РПН - реле пониженного напряжения, С_Т –стабилизатор; ПП - преобразователь для электробритв; V -разделительный диод для генераторов постоянного тока или выпрямитель для генераторов переменного тока. Особо выделены силовые цепи и блоки. Полупроводниковые блоки заштрихованы

Рисунок 1.1 - Структурная схема АСЭС (тип 47К и 47D) пассажирских вагонов производства Германии

Для разделения цепей питания генератора постоянного тока и батареи при невращающемся генераторе между ними включен раздлительный диод V. В схемах АСЭС с генераторами переменного тока отечественного и зарубежного производства эти же функции выполняет полупроводниковый выпрямитель.

Структурная схема АСЭС типа ЭВ.10, раскрывающая область использования в ней полупроводниковых устройств, приведена на рисунке 1.2. Основной особенностью этой схемы является двухобмоточный индукторный генератор G трехфазного переменного тока, разделяющий цепи питания потребителей и заряда аккумуляторной батареи GB.

Основная ОО (трехфазная) и дополнительная ДО (со средней точкой) обмотки генератора подключены к выпрямителям VI и V2. Основной шестипульсовый выпрямитель V1 подаёт постоянное стабилизированное напряжение U_ГО к цепям вагонных потребителей. Выпрямленное регулируемое напряжение ΔU_ГД дополнительного выпрямителя V2, складываясь с напряжением основной обмотки, поступает (при работающем генераторе) через специальный контакт К1 к аккумуляторной батарее. На стоянке же К подключает батарею непосредственно к цепям питания потребителей.

Управляет переключением названного контактора специаль­ный полупроводниковый блок - реле частоты БРЧ, контролирую­щий величину U_Г и частоту f_Г напряжения генератора. На этот же блок отдельно подаются сигналы смещения, корректирую­щие его работу в зависимости от числа включенных потребителей.

ОО и ДО - основная и дополнительная обмотки генератора; VI и V2 -основной и дополнительны выпрямители; БУЗ - блок управления зарядом; БРЧ - блок реле частоты; К1 - контактор переключения режима работы батареи; БЗ – блок защиты; ЗПФ - защита от перекоса фаз. Силовые цепи и блоки выделены. Остальные обозначения те же, что и на рисунке 1.1.

Рисунок 1.2 - Структурная схема АСЭС (тип ЭВ.10) пассажирских вагонов производства России

Специальный блок управления зарядом (БУЗ) воздействует в этой системе не на обмотку возбуждения генератора, как в предыду­щей схеме, а непосредственно на тиристор I, на базе которых вы­полнен выпрямитель V2. Работа блока синхронизирована с выход­ным напряжением дополнительной обмотки (см. входной сигнал U_синхр.). Кроме того блок контролирует напряжение U_З и ток I_З заряда, а также температуру воздуха t_B в аккумуляторном ящике.

В этой системе, как и в предыдущей (рисунок 1.1), блоки РНГ, РМН, РПН имеют те же назначения. Разница лишь в том, что в си­стеме ЭВ.10.02.29 в единый электронный блок 2БА.115 включены: БРЧ. БУЗ, БЗ и блок управления отоплением БУО. Блок БЗ включа­ет в себя РМН, РПН и защиту от перекоса фаз (ЗПФ).

В качестве источников вторичных СЭС в рассмотренных схе­мах АСЭС используются: электромашинный преобразователь ЭМП и полупроводниковый - ПП. ЭМП осуществляет преобразование постоянного напряжения вагонной сети в переменное (220 В) повы­шенной частоты (425 Гц), которое подается к люминесцентным лам­пам (потребители группы П1). ПП также преобразует напряжение вагонной сети в переменное (220 В), но промышленной частоты (50 Гц). Это напряжение необходимо для питания электробритв, пы­лесосов, бытовых холодильников (потребители группы П4).