Асинхронные тяговые двигатели - Основные требования к элементной базе преобразователей частоты

Преобразователи частоты, предназначенные для питания АТД, существенно сложнее преобразователей, используемых на ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями, имеют большие массу и габаритные размеры, которые зависят от общего числа полупроводниковых приборов, потерь мощности в них и системы охлаждения, а также параметров используемых конденсаторов и реакторов. Учитывая сложность преобразователей частоты для асинхронных тяговых двигателей и ограниченный объем для их размещения на ЭПС, к основным элементам (тиристорам, диодам, конденсаторам) должны предъявляться повышенные требования, особенно в части массо-габаритных показателей и потерь мощности.
Одним из путей значительного сокращения массы и габаритных размеров преобразователей является увеличение единичной мощности полупроводниковых приборов. Наилучшие результаты могут быть получены при использовании тиристоров и диодов с такими параметрами по току и напряжению, которые позволяют применять в плече преобразователя один полупроводниковый прибор. Для мощных локомотивов с асинхронным тяговым двигателем таким требованиям удовлетворяли бы диоды и тиристоры с предельными токами до 800—1000 А и повторяющимся напряжением до 4500 В. Исключение параллельного соединения полупроводниковых приборов устраняет необходимость применения делителей тока, которые в условиях широкого диапазона изменения частоты тока, протекающего через диоды и тиристоры, становятся достаточно громоздкими устройствами и увеличивают потери мощности. Исключение же последовательного соединения приборов позволяет отказаться от делителей напряжения и значительно упростить защитные цепи от коммутационных перенапряжений.
Одним из наиболее важных параметров тиристоров является время выключения, снижение которого особенно необходимо для тиристоров, используемых в преобразователях напряжения, импульсных прерывателях. Уменьшение времени выключения тиристоров позволяет сократить массу и объем узлов принудительной конденсаторной коммутации, снизить потери мощности в них. Для преобразователей напряжения и импульсных прерывателей необходимы тиристоры со временем выключения менее 50—100 мкс.
Тиристоры должны иметь малое время включения (примерно 5—10 мкс) и допускать большие скорости нарастания тока — до 300 А/мкс, так как импульсы тока, протекающего через узлы принудительной коммутации, имеют малую длительность и большую амплитуду. Они должны выполняться с разветвленным управляющим электродом и иметь малые потери при включении и выключении. Иными словами, в преобразователях напряжения должны применяться быстро действующие тиристоры.
Особые требования предъявляются и к динамическим характеристикам диодов, используемым в преобразователях напряжения. Так как в последних широко используются методы широтно-импульсной модуляции, то включение очередного тиристора, как правило, приводит к образованию короткозамкнутого контура. В этот контур входит диод, который должен быть выключен. Выключение диода сопровождается выбросом обратного тока, зависящим от скорости спада тока через диод и заряда обратного восстановления. Для ограничения выброса обратного тока в таких цепях следует применять быстровосстанавливающиеся или частотные диоды, время обратного восстановления которых не превышает нескольких микросекунд.
Так как создание быстродействующих тиристоров и частотных диодов большой мощности весьма сложно, то в преобразователях напряжения избежать их последовательного соединения невозможно. Поэтому наряду с указанными требованиями к динамическим характеристикам необходимо, чтобы разброс зарядов обратного восстановления диодов не превышал 10 %. В противном случае резко увеличиваются габаритные размеры защитных цепей от коммутационных перенапряжений.
Тиристоры и диоды для преобразователей тока (АИТ), выпрямителей с фазовым управлением должны иметь большую единичную мощность, время выключения 350 -500 мкс, так как частота коммутации этих тиристоров не превышает 100—150 Гц.
По конструктивному исполнению тиристоры и диоды должны быть таблеточного типа как наиболее циклостойкие, а при расположении на охладителе их желательно вынести за пределы воздушного канала (при воздушном охлаждении).
В преобразователях частоты, кроме тиристоров и диодов, применяются конденсаторы, которые являются вспомогательными элементами и в зависимости от выполняемых функций подразделяются на коммутирующие, фильтровые и демпфирующие. Очевидным для всех конденсаторов является требование минимальных габаритных размеров, так как объемы, занимаемые конденсаторами в преобразователях частоты для ЭПС с асинхронным тяговым двигателем могут составлять до 50 % общего объема преобразователя. Кроме общих для конденсаторов всех типов требований в части внешних, климатических и механических воздействий, к каждой функциональной группе конденсаторов предъявляются специфические требования.
Коммутирующие конденсаторы должны иметь емкость от 5 до 200 мкФ, номинальное напряжение — от 2 до 4 кВ и рабочую частоту — до 500 Гц. Для инверторов тока используют конденсаторы емкостью от 50 до 200 мкФ, напряжением от 2,5 до 5 кВ и частотой до 150—200 Гц. Амплитуды импульсов тока через конденсаторы могут достигать нескольких килоампер, что в сочетании с иесинусоидальностью тока и напряжения приводит к значительному повышению тепловыделения в них.
Фильтровые конденсаторы применяют в промежуточных звеньях постоянного напряжения и во входных фильтрах при питании от контактной сети постоянного напряжения. Емкость конденсаторов должна составлять 500—1000 мкФ при напряжении 2—4 кВ. Амплитуда импульсов тока, протекающих через фильтровые конденсаторы, в некоторых преобразователях может достигать нескольких килоампер, частота следования импульсов до 500 Гц. Кроме того, фильтровые конденсаторы должны допускать многократные разряды от полного напряжения до нуля в режиме короткого замыкания.
Демпфирующие конденсаторы используются в защитных RC-цепях, подключаемых параллельно полупроводниковому прибору, и должны иметь емкость от 0,1 до 1 мкФ. Амплитуда напряжения на этих конденсаторах может достигать 2—4 кВ, частота повторения импульсов напряжения — до 500 Гц. Конденсаторы должны обладать минимальной собственной индуктивностью и иметь высокую нагрузочную способность по амплитудному значению тока.
Реакторное оборудование преобразователей частоты состоит из сглаживающих, коммутирующих реакторов и дросселей насыщения. Сглаживающие реакторы служат для снижения пульсаций тока в промежуточном звене постоянного тока или на входе преобразователя и могут быть выполнены такими же, как и на ЭПС с коллекторными тяговыми двигателями. С целью снижения габаритных размеров их выполняют с сердечниками из электротехнической стали, а для их охлаждения используют воздух или масло, помещая реактор в бак силового трансформатора.
Коммутирующий реактор входит в состав узлов принудительной конденсаторной коммутации и совместно с конденсаторами образует колебательный контур с собственной частотой колебаний до 2—3 кГц. Амплитуда импульсов тока через реактор может достигать 1,5 кА и более, что требует выполнения обмотки реактора из многожильного провода, а сердечников из порошкового ферромагнитного материала. Применение сердечников в виде «чашек» позволяет резко сократить габаритные размеры реакторов и устранить магнитное влияние на другое электрическое оборудование преобразователя.
Дроссели насыщения включают в цепь полупроводниковых приборов для задержки нарастания тока через включаемый тиристор с целью снижения потерь мощности, а также ограничения скорости нарастания напряжения на выключаемом приборе. Поэтому время задержки дросселя насыщения должно быть не менее 15—20 мкс и определяться с учетом заряда обратного восстановления и критической скорости изменения напряжения на приборах.