Тяговый статический преобразователь частоты для перспективных тепловозов с асинхронными электродвигателями

В апреле 2009 года в России был запущен в рядовую эксплуатацию первый отечественный магистральный тепловоз 2ТЭ25А «Витязь» с асинхронными тяговыми электродвигателями (АТД), изготовленный на ЗАО «УК «БМЗ». В настоящее время 22 тепловоза данной серии успешно эксплуатируется в локомотивном депо Тында Дальневосточной ж/д и 2 тепловоза, в том числе модификация 2ТЭ25АМ с дизель-генератором фирмы MTU, в депо Брянск-2 Московской ж/д. Общий пробег всех тепловозов на октябрь 2013г. составил 3100000 км. На тепловозе установлены тяговые преобразователи частоты и напряжения (ТП), изготовленные ЗАО «ЭлектроСи» в соответствии с конструкторской документацией и программным обеспечением, разработанными ОАО «ВНИКТИ». Обозначение преобразователя в соответствии с ТУ32–ВНИКТИ–46–2008 и по ГОСТ 26284     М–Т3ТП–Т–1–У2. На всех тепловозах установлены тяговые электродвигатели типа  АД917УХЛ1 производства ГП завод «Электротяжмаш»,  кроме тепловоза 2ТЭ25А-003, на котором установлены двигатели типа ДТА-350 производства ООО  «ПК  «НЭВЗ».

Расчетная мощность преобразователя составляет 1500кВт в одном шкафу с организацией питания  трех АТД мощностью каждый до 500кВт с индивидуальным приводом на каждую ось. На перспективных маневровых тепловозах целесообразно использовать один ТП с параллельным подключением к каждому из каналов по два тяговых электродвигателя общей мощностью не более 500кВт. ТП могут быть установлены без каких либо серьезных изменений на основных отечественных перспективных магистральных грузовых, маневровых и пассажирских тепловозах нового поколения с АТД.
Общий вид тягового преобразователя представлен на рис. 1

Рис. 1. Общий вид тягового преобразователя: 1 - осек САУТП, 2 - приборная панель, 3 - отсек выпрямителя и тормозного регулятора, 4 - разъединитель, 5 - отсек вентиляторов, 6 - блоки питания драйверов, 7 - отсек инверторов.

ТП разрешается эксплуатировать в следующих условиях:
- температура окружающей среды – от минус 50ºС до плюс 60ºС;
- температура охлаждающего воздуха – от минус 50ºС до плюс 45ºС;
- высота над уровнем моря – не более 1400 м;
- воздействие механических факторов М25 по ГОСТ 17516.1;
ТП обеспечивает плавный пуск и режим тяги тепловоза, бесконтактный реверс, останов, пуск с выбега, электрическое реостатное торможение, защиту от боксования и юза колесных пар, защиту от недопустимых режимов работы, диагностику технического состояния основных элементов с передачей информации на управляющую ЭВМ верхнего уровня, сохранение 128 основных параметров с датчиков и программных переменных на flash SD-карте в течение 30 суток [1].
Структурная схема ТП представлена на рис.2.

Рис. 2. Структурная схема ТП: К – разъединитель, В – неуправляемый выпрямитель, АИН - автономный инвертор, ТР - тормозной регулятор,  ДН - датчик напряжения, ДТ - датчик тока, САУТП - система автоматического управления ТП, Rт - тормозной резистор

Преобразователь построен по схеме с одним выпрямителем, общим звеном постоянного тока, тремя двухуровневыми АИН, одним на все три АИН тормозным регулятором. Основная элементная база - IGBT-модули с блокирующим напряжением 3,3кВ, длительным током 1500А  на рабочую температуру до –50С0 фирмы Infineon, силовые конденсаторы фирмы EPCOS, драйверы управления IGBT-модулями фирмы Concept с оптическими приемо-передатчиками. На тепловозе 2ТЭ25А-002 в опытном порядке успешно эксплуатируется один ТП с силовыми модулями фирмы Mitsubishi.
Трехфазное напряжение от тяговой обмотки синхронного генератора через разъединитель поступает на вход неуправляемого выпрямителя (В), выполненного по трехфазной мостовой схеме на шести силовых диодах. Выпрямленное напряжение поступает на входы трех автономных инверторов напряжения АИН1 - АИН3. АИН преобразует постоянное напряжение в трехфазное, регулируемое по частоте и амплитуде в соответствии с алгоритмом управления САУТП с использованием метода пространственно-векторной модуляции базовых векторов и требуемым законом управления АТД. Комплект измерительных датчиков тока и напряжения обеспечивает контроль и регулирование необходимых параметров АИН, а также диагностирование состояния его элементов. Тормозной модуль необходим для осуществления работы ТП в режиме электродинамического реостатного торможения, защиты от перенапряжения в звене постоянного тока и для нагружения дизель-генератора на тормозной резистор Rт.
Подключение силовых проводов к тяговым электродвигателям выполняется экранированными проводами, уложенными вместе по три соответственно к каждому электродвигателю.
В случае неисправности одного или нескольких АТД они могут быть отключены путем блокирования подачи импульсов управления на соответствующий АИН. Рабочие каналы при этом не отключаются. При неисправности силовых цепей внутри ТП его можно целиком отключить с помощью разъединителя (К) фирмы Secheron, установленного на входе переменного напряжения ТП. Как показывает практика эксплуатации тепловозов, данный способ питания позволяет практически при любой неисправности в силовой цепи вывести состав с перегона без привлечения резервного локомотива.
Конструктивно ТП состоит из трех отсеков: отсека для САУТП, отсека выпрямителя и тормозного регулятора, отсека инверторов. Конструкция представляет собой сварной каркас, закрытый с трех сторон съемными листами. Спереди каркас снабжен дверьми, на которых кроме обычных механических замков установлены электромагнитные замки для обеспечения безопасного доступа внутрь шкафов (при наличии силового напряжения доступ внутрь шкафа невозможен). На левой боковой стенке ТП установлены разъемы для связи с МПСУ тепловоза, связи с тремя датчиками частоты вращения роторов АТД, датчиками температуры статора АТД, питания САУТП, дискретными выходами. Для обеспечения рациональной компоновки в составе тепловоза в конструкции ТП предусмотрены специальные вырезы с задней стороны под замки крышевого закрытия. С целью предотвращения попадания пыли внутрь ТП обеспечивается его   наддув отфильтрованным воздухом. Конструкция силового шкафа обеспечивает снижение электромагнитных помех при работе ТП, излучаемых тепловозом и наводимых на радиостанцию,  до нормированного  уровня.
.Для обеспечения теплового режима элементов ТП производится принудительный обдув воздухом радиаторов диодов выпрямителя и IGBT-модулей. Охлаждающий воздух из канала охлаждения поступает в шкаф ТП через окна, расположенные в верхней части шкафа. Через окна, расположенные в нижней части шкафа, осуществляется выброс охлаждающего воздуха. Жестких требований к степени очистки охлаждающего воздуха от пыли и капельной влаги не предъявляется. На передней панели установлены вольтметр, амперметр, показывающие соответственно напряжение после выпрямителя и ток, потребляемый ТП.
Всеми режимами работы преобразователя управляет САУТП, сигналы управления на которую поступают от МПСУ верхнего уровня. Кассета САУТП выполнена в виде съёмного блока, что позволяет выполнять его наладку на специальном стендовом оборудовании (КПА), имитирующем все входные аналоговые, дискретные и цифровые сигналы, поступающие на ее входы, а также проверять все выходные сигналы, в том числе, передаваемые по оптоволоконным линиям связи.  Общий вид кассеты САУТП представлен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид кассеты САУТП:  1 - платы управления ПУ1-ПУ3, 2 - ПАВЗ, 3 - ПТИДВВ, 4 - ПЧВ, 5 - ПСК, 6 - ПГРК, 7 - ПФ,    8, 9, 10 - платы питания, 11 - разьем сигналов с АТД1-АТД3, 12 - разъем дискретных входных и выходных сигналов, 13 - разъем аналоговых сигналов с ДТ, ДН, датчиков температуры охладителей, 14 – разъем связи по каналу CAN, 15 - разьем гальванически развязанных портов RS-232, 16 - разъем связи по каналу  RS-422.

Выдача управляющих сигналов из САУТП в силовую часть АИН и обратный прием ответных сигналов осуществляется через оптические приемо-передатчики, что позволяет достичь высокой помехозащищенности сигналов управления, передаваемых внутри ТП.
Основу САУТП составляют три платы контроллера ЦПУ, имеющие высокую производительность – 40 млн. операций в секунду, что достигается применением в качестве центрального процессора мощного специализированного сигнального микроконтроллера типа Motor Control TMS320LF2407A фирмы Texas Instruments с уникальным набором встроенных периферийных устройств [2]. Контроллер обеспечивает  надежный оптоволоконный интерфейс с силовыми ключами преобразователей, поддерживая режимы синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции, а также прямой цифровой интерфейс с датчиками частоты вращения и положения.  
В процессе работы ТП выполняется диагностика работоспособности всех основных его элементов с выдачей кода аварийного сообщения на дисплей машиниста. Код неисправности ТП предается также в автоматизированную систему контроля параметров тепловоза (АСК) и может быть дистанционно доступен посредством GSM-передатчика, установленного в составе локомотива. Это позволяет отслеживать состояние ТП в режиме реального времени при движении локомотива и, при необходимости, принимать превентивные меры по устранению неисправностей. В общей сложности   диагностируется около 200 параметров ТП, в том числе токи и напряжения в главных рабочих точках преобразователя, тепловое состояние охладителей и АТД, работоспособность каналов связи как внутри САУТП между платами, так и между САУТП и МПСУ тепловоза, исправность всех источников питания и т.д.
В соответствии с полученным кодом неисправности в системе верхнего уровня принимается решение о дальнейшем порядке функционирования преобразователя. В ТП обеспечиваются защиты от внешних и внутренних коротких замыканий, превышения максимально допустимого фазного тока АТД, превышения максимально допустимого напряжения на фильтровых конденсаторах, перегрева полупроводниковых приборов, перегрева АТД, коротких замыканий силовых цепей на корпус, снижения сопротивления изоляции силовых цепей, несанкционированного доступа внутрь ТП, сбоев в работе САУТП и др.
Эксплуатация локомотивов 2ТЭ25А показала устойчивую и надежную работу тяговых преобразователей и всего тягового асинхронного  привода. Встроенная система защиты от боксования обеспечивает высокие тяговые свойства  локомотива. Проведенные в 2012г. испытания на Московской железной дороге позволили на участке Брянск 2-Гомель поднять весовую норму с 7000т до 7500т. В 2011г. при испытаниях на участке Токсимо-Советская Гавань тепловоз уверенно провел груз 6000т в трехсекционном исполнении, что позволило унифицировать весовые нормы для данного участка эксплуатации с электровозной тягой.
В процессе производства установочной партии ТП на предприятии - изготовителе  ЗАО «Электро СИ» были разработаны и освоены технологические процессы с применением оборудования и инструмента, как основного, так и специального назначения. Технологические процессы включают в себя полный цикл производства ТП: металлообработка и покраска, сборка и монтаж, изготовление электроники, температурные испытания каждой САУТП, пусконаладочные работы. Сотрудники предприятия осуществляют гарантийное и послегарантийное обслуживание ТП  в любой точке России и ближнего зарубежья.
После проведения квалификационных испытаний и приемки ее результатов приемочной комиссией в июне 2013г. конструкторской документации на ТП  присвоена литера «А», что позволило, наряду с получением сертификата соответствия РС ФЖТ, выйти на серийное производство данных ТП.
 Разработка и широкое внедрение отечественной высокотехнологичной, наукоемкой продукции заявлено руководством страны в качестве одного из главных приоритетов развития российской экономики. Железнодорожный транспорт представляет собой ту область экономики, где современные научные разработки последних лет могут найти широкое внедрение, способствуя тем самым развитию множества смежных отраслей отечественной экономики (силовая и микроэлектроника, производство новых материалов, развитие нанотехнологий, технологий обработки традиционных материалов, развитие станкостроения, накопление, хранение и передача информации и т.д.). ТП, разработанный на основе технических требований ОАО «РЖД», отвечает самым современным требованиям к подобной продукции,  по всем параметрам не хуже лучших аналогичных зарубежных образцов. Основное его преимущество перед импортными аналогами-программное обеспечение отечественной разработки и учет  специфики российских условий эксплуатации. Данное обстоятельство позволяет легко модифицировать его под любые тепловозы, как грузовые, пассажирские, так и маневровые, а также вносить необходимые изменения по результатам их эксплуатации.  Широкое внедрение данных ТП ведет к развитию отечественных наукоемких технологий, что в конечном итоге, обеспечивает независимость российских железных дорог  от  иностранных партнеров,  особенно на этапе послегарантийного обслуживания,  способствует развитию квалифицированного кадрового потенциала в данной области деятельности.

Юрий БАБКОВ,
к.т.н., первый заместитель генерального директора ОАО «ВНИКТИ»,
Константин ПЕРФИЛЬЕВ,
к.т.н., заведующий отделом ОАО «ВНИКТИ»,
Григорий БУРЦЕВ,
генеральный директор ЗАО «ЭлектроСИ»,
Сергей АЕКСЕЕВ,
главный инженер ЗАО «ЭлектроСи»