РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА РУДНИЧНОГО АККУМУЛЯТОРНОГО ЭЛЕКТРОВОЗА
2.1. Формализация подхода к разработке импульсного преобразователя по критерию минимума потерь
Импульсный преобразователь должен наилучшим образом обеспечить высокие тягово-энергетические показатели базовой схемы тягового электропривода рудничного аккумуляторного электровоза в соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к электроприводу в целом [14,17,22,31,47,84,90], а также удовлетворять требованиям, выявленным в разделе 1, и в первую очередь:
- потери электроэнергии в полупроводниковых приборах и других элементах ИП должны быть минимальны;
- переключение тяговых двигателей с последовательного соединения на параллельное и обратно должно происходить плавно с ШИМ напряжения, подводимого к двигателям;
- должно быть реализовано двухзонное регулирование напряжения в тяговом режиме с частотой модуляции порядка 400 Гц и однозонное регулирование напряжения в тормозном режиме с частотой модуляции 800 Гц.
Частично требования, предъявляемые к ИП, удовлетворены в процессе разработки базовой структуры тягового электропривода. В настоящем разделе рассмотрены проблемы специфические для транспортных полупроводниковых преобразователей.
Так, требование обеспечения минимума потерь для ИП важно не только с точки зрения энергосбережения, но и для решения проблемы надежного охлаждения блока ИП, учитывая трудности, усугубляемые исполнением РВ.
Рассмотрим возможные пути снижения потерь мощности в ИП.
Во-первых, это - применение схем с минимальным количеством полупроводниковых приборов. Этот путь исчерпан в разделе 1 при разработке и обосновании базовой структуры тягового электропривода.
Во-вторых, более эффективное использование полупроводниковых приборов с минимальными потерями мощности. Для выявления рациональных возможностей этого направления необходим анализ современной элементной базы ИП, способов охлаждения, коммутации, конструктивных особенностей и проч., тем более, что кроме частных решений обобщающие исследования в этой области отсутствуют.
Применение быстродействующих полупроводниковых приборов необходимо тянет за собой применение снабберов для ограничения выбросов напряжения в процессе коммутации. Проблеме посвящен ряд исследований [94,95,96,97], разработаны схемы снабберов [91-97], однако нет обобщающей методики по их расчету. Параметры обычно определяются исходя из опыта, что ведет к необоснованно завышенным запасам. Необходимы дополнительные исследования для обоснования методических рекомендаций расчета снабберов.
В итоге исследований специфических преобразовательных проблем должна быть выстроена и обоснована схема импульсного преобразователя, наилучшим образом удовлетворяющая базовой структуре тягового электропривода рудничного аккумуляторного электровоза.
2.2. Анализ современной полупроводниковой элементной базы и систем охлаждения импульсных преобразователей
2.2.1. Силовые полупроводниковые приборы для импульсного преобразователя. Рынок современной преобразовательной техники предлагает в настоящее время широкий спектр мощных полупроводниковых приборов - GTO тиристоры, IGC тиристоры, IGB транзисторы и др., одно из основных достоинств которых, - высокое быстродействие - представляет интерес для эффективного решения рассматриваемой проблемы. Если GTO тиристоры и IGC тиристоры предназначены, главным образом, для высоковольтных устройств, то IGBT могут найти применение в импульсном преобразователе рудничного аккумуляторного электровоза. Практически, в рамках решаемой задачи, IGBT по своим характеристикам весьма близок к идеальному ключу и может быть использован в качестве VI и VB в базовой схеме тягового электропривода по рис. 1.9. Однако, такой механистический подход ведет к созданию ИП не с лучшими энергетическими, массо - объемными и стоимостными показателями. Дело в том, что IGBT имеют значительные потери от прямого тока и от процессов включения и отключения, требуют мощную систему отвода тепла, довольно дороги. В этом плане, очевидно, рано сбрасывать со счетов однооперационные быстродействующие тиристоры (SCRInverters = SCRI), - относительно простые приборы, доведенные до высокого уровня надежности, имеющие меньшие потери, чем IGBT, дешевле. Их применение в импульсном преобразователе ограничено необходимостью отключения по силовой цепи, т.е. требует наличия устройства принудительной коммутации. Для оценки возможности использования SCRI необходимо провести сравнительный анализ схем принудительной коммутации и выбор лучшей, в первую очередь с точки зрения быстродействия и минимума массы и объема; оценить потери мощности в SCRI и IGBT.
При выборе полупроводниковых приборов для преобразователя рудничного аккумуляторного электровоза не последнюю роль играют также их конструкторско-технологические особенности. Кроме традиционного штыревого или таблеточного исполнения, промышленность в настоящее время производит приборы модульного исполнения, у которых теплоотводящее основание изолировано от электрических цепей, что позволяет устанавливать их непосредственно на внутренней поверхности корпуса блока, с внешней стороны которого тепло снимается конвекционным путем, - это особенно ценно для исполнения РВ. Ставку необходимо делать именно на модульное исполнение полупроводниковых приборов.
В приложении Д приведены параметры полупроводниковых приборов, которые можно использовать в схемах ИП применительно к электровозу АМ8Д.
2.2.2. Анализ систем охлаждения блока силовых полупроводниковых приборов применительно к условиям тягового электропривода рудничных электровозов. Одним из важнейших вопросов разработки импульсного преобразователя в рудничном исполнении является обеспечение надежного и эффективного охлаждения полупроводниковых приборов [11,14,19,20,21,26,30].
В настоящее время находят применение следующие способы охлаждения силовых полупроводниковых структур:
- воздушное естеств
- Киев+380960830922