Результат интеллектуальной деятельности: Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области тяжелого машиностроения, в частности, тягового подвижного состава, на котором применяются тяговые полупроводниковые преобразовательные установки (тяговые выпрямительные установки, тяговые преобразователи частоты, тяговые инверторы и др.). Такие установки широко применяются, например, на электрическом тяговом подвижном составе (электровозы, электропоезда) переменного тока, на дизельном тяговом подвижном составе с электрическими передачами мощности переменно-постоянного и переменно-переменного тока и др.

Уровень техники

Опыт эксплуатации силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и др.) в тяговых полупроводниковых преобразовательных установках на тяговом подвижном составе и в энергоснабжении показывает, что основные повреждения силовых полупроводниковых приборов при импульсных тепловых нагрузках обусловлены процессами термомеханического старения припоев, расстройствами контактов между силовыми полупроводниковыми приборами и охладителями, вызываемыми значительными колебаниями температуры при нерегулируемом охлаждении [1, 2]. С температурой силовых полупроводниковых приборов и тяговых полупроводниковых преобразовательных установок и характером ее изменения непосредственно связаны показатели надежности силовых полупроводниковых приборов и тяговых полупроводниковых преобразовательных установок: интенсивность отказов и циклостойкость. Оценочные расчеты показывают, что при изменении температуры силовых полупроводниковых приборов на 10°С интенсивность отказов увеличивается в среднем на 25%. При увеличении амплитуды колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов значительно снижается циклостойкость. Расчеты показывают, что один процент уменьшения амплитуды колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов в 5 раз более эффективная мера повышения надежности силовых полупроводниковых приборов по сравнению с таким же снижением его средней температуры.

Известно устройство для охлаждения силового полупроводникового преобразователя [3], содержащее связанный с блоком управления регулятор расхода воздуха через вентилятор, термочувствительный мост, резистивный мост, выход которого подключен к блоку управления, датчик тока силовой цепи полупроводниковых преобразователей и измерительные элементы, например логометры, при этом с целью повышения точности устройства, оно содержит источник эталонного напряжения, преобразователь мощности на датчике Холла, выход которого подключен параллельно одному из силовых вентилей полупроводникового преобразователя, обмотка электромагнита связана с датчиком тока силовой цепи, а выход подключен к первым неподвижным рамкам каждого логометра, вторые неподвижные рамки которых подключены соответственно к выходу термочувствительного моста и к источнику эталонного напряжения, подвижные рамки логометров связаны с подвижными контактами резисторов резистивного моста.

В этом устройстве используется дополнительный сигнал управления по току силовой цепи, что улучшает его работу. Однако в нем не используется второй очень важный дополнительный сигнал управления по температуре наружного охлаждающего воздуха, которая в эксплуатации изменяется в очень широком диапазоне (от - 50 до + 40°С). Это существенный недостаток этого устройства. Кроме того, устройство отличается большой сложностью и низкой надежностью. Например, подвижные трущиеся контакты резисторов резистивного моста в условиях тряски и вибрации на подвижном составе работают ненадежно, а сопротивление этих контактов меняется в процессе эксплуатации, что искажает характеристики устройства. Из-за наличия в устройстве релейного элемента, содержащего реверсивный двигатель, оно при определенных условиях может работать в релейном режиме, что приведет к колебаниям температуры со значительными амплитудами, а тем самым к уменьшению надежности силовых полупроводниковых приборов и к увеличению затрат мощности на его охлаждение [7, 8].

Известно устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя [4], содержащее вертикально установленный воздуховод с расположенными в нем силовыми полупроводниковыми элементами с охладителями анодной и катодной сторон и магистраль, в которой установлены вентилятор и регулирующий орган, связанный через блок регулирования с датчиком температуры силового полупроводникового элемента, причем с целью повышения точности и экономичности устройства, в воздуховоде установлены вертикальные перегородки, разделяющие охладители анодной и катодной сторон силовых полупроводниковых элементов и образующие каналы, причем вход и выход каналов, в которых расположены охладители анодных сторон силовых полупроводниковых элементов, соединены с окружающей средой и с магистралью соответственно, а вход и выход каналов, в которых расположены охладители катодных сторон силовых полупроводниковых элементов, соединены с окружающей средой.

Это устройство по принципу построения управляющей части ничем не отличается от предыдущего и ему присущи все недостатки этого устройства.

Известно устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя [5], в котором с целью повышения экономичности устройства, оно содержит трехходовые клапаны, приводы которых соединены с блоком регулирования, причем вход каждого из трехходовых клапанов соединен с выходом соответствующего канала, образованного охладителем катодной стороны силового полупроводникового преобразователя, а выходы - с окружающей средой и входом канала, образованного охладителем анодных сторон силового полупроводникового преобразователя.

Устройства [4] и [5] отличаются от устройства по [3] только аэродинамикой систем охлаждения силовых полупроводниковых приборов.

В качестве прототипа предполагаемого изобретения выбрана автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства [6], включающая в себя систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, установленной в воздуховоде, содержащей силовые полупроводниковые приборы с охладителями, и подключенной к источнику напряжения и нагрузке; вентилятор, установленный в нагнетательном воздуховоде, датчик температуры силового полупроводникового прибора, датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, отличающаяся тем, что она содержит датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик подачи вентилятора, установленные в нагнетательном воздуховоде системы охлаждения, несколько датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов (по числу высоко нагревающихся приборов), микропроцессорный контроллер, в который входят устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов; устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по подаче вентилятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки как объекта регулирования температуры в статике и предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным в заданном диапазоне изменения тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, температуры наружного охлаждающего воздуха и подачи вентилятора, первое, второе и третье сравнивающие устройства; первое, второе и третье задающие устройства; причем выходные сигналы датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов подключены к входам устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов, выход которого подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен к первому входу второго сравнивающего устройства, выход датчика температуры наружного охлаждающего воздуха подключен к первому входу третьего сравнивающего устройства, ко вторым входам первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены выходы соответственно первого, второго и третьего задающих устройств, а выходы первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства коррекции коэффициента передачи регулятора, к четвертому его входу подключен выход датчика подачи вентилятора, а выход устройства коррекции коэффициента передачи регулятора подключен к входу управляемого привода вентилятора.

Недостатком этой автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства является ограниченный диапазон регулирования температуры, что обусловлено ограниченным расходом воздуха вентилятором охлаждения.

Сущность изобретения

Цель изобретения состоит в повышение надежности тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства за счет уменьшения колебаний температуры в силовых полупроводниковых приборах и увеличение диапазона ее регулирования.

Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, включающая в себя систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, установленной в воздуховоде, содержащей силовые полупроводниковые приборы с охладителями, и подключенной к источнику напряжения и нагрузке; вентилятор, установленный в нагнетательном воздуховоде, несколько датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов (по числу высоко нагревающихся приборов), датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик подачи вентилятора, установленные в нагнетательном воздуховоде системы охлаждения, микропроцессорный контроллер, в который входят устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов; устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по подаче вентилятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки как объекта регулирования температуры в статике и предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным в заданном диапазоне изменения тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, температуры наружного охлаждающего воздуха и подачи вентилятора, первое, второе и третье сравнивающие устройства; первое, второе и третье задающие устройства; причем выходные сигналы датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов подключены к входам устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов, выход которого подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен к первому входу второго сравнивающего устройства, выход датчика температуры наружного охлаждающего воздуха подключен к первому входу третьего сравнивающего устройства, ко вторым входам первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены выходы соответственно первого, второго и третьего задающих устройств, а выходы первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства коррекции коэффициента передачи регулятора, к четвертому его входу подключен выход датчика подачи вентилятора, а выход устройства коррекции коэффициента передачи регулятора подключен к входу управляемого привода вентилятора, содержит драйвер тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, в микропроцессорный контроллер входят устройство управления, четвертое задающее устройство, четвертое сравнивающее устройство, задатчик частоты коммутации, причем к первому входу устройства управления подключен выход устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов, к второму входу подключен выход первого задающего устройства, при этом выход устройства управления подключен к входу четвертого задающего устройства, выход которого подключен к входу четвертого сравнивающего устройства, выход которого подключен к входу задатчика частоты коммутации, выход которого подключен к драйверу тяговой полупроводниковой преобразовательной установки.

Изобретение поясняется фигурами:

Фиг. 1. Функциональная схема предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства

Фиг. 2. Принципиальная блок-схема автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства

Функциональная схема предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства представлена на фиг. 1. Обозначения на схеме: СО - система охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 1); ДТ1 и ДТ2 - датчики температуры силовых полупроводниковых приборов (поз. 2 и 3); ДТП - датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 4); ДТ3 - датчик температуры наружного охлаждающего воздуха (поз. 5); ДПВ - датчик подачи воздуха вентилятором охлаждения (поз. 6); СУ1, СУ2, СУ3 - сравнивающие устройства (поз. 7, 8, 9); ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 - задающие устройства - задатчики заданных значений величин (поз. 10, 11, 12); УВ - устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчика регулируемой величины (поз. 13); УК - устройство коррекции коэффициента передачи регулятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 14); ВО - вентилятор охлаждения (поз. 15); ПВ - привод вентилятора (поз. 16). Дополнительно в схему введены: устройство управления УУ (поз. 17), задающее устройство ЗУ4 (поз. 18), сравнивающее устройство СУ4 (поз. 19), задатчик частоты коммутации (поз. 20), драйвер тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз. 21).

Привод вентилятора ПВ и вентилятор охлаждения ВО образуют ИРУ - исполнительно-регулирующее устройство; Т₁₁, Т₁₂ - регулируемые величины (температуры силовых полупроводниковых приборов); I₁, Т₂ - основные возмущающие воздействия на систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки СО (ток нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и температура наружного охлаждающего воздуха); Q, f_k - регулирующие воздействия на систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки СО (подача воздуха вентилятором охлаждения и частота коммутации силовых полупроводниковых приборов); n_в - частота вращения вала вентилятора; U_1l, U₁₂, U₂ U₃ - выходные сигналы датчиков; U_зj - выходные сигналы задатчиков; U_су - выходные сигналы сравнивающих устройств; U_к - выходной сигнал устройства коррекции коэффициента передачи регулятора; U₁ - выходной сигнал устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчика регулируемой величины; η₁, η₂, η₃, η₄ - сигналы задания.

Функциональные элементы системы регулирования ДТ1, ДТ2, У В, ЗУ1, СУ1, ДПВ, УК, ПВ и ВО образуют основной регулятор температуры по отклонению регулируемой температуры от заданного значения, функциональные элементы системы регулирования ДТ1, ДТ2, УВ, ЗУ4, СУ4, ЗЧК и Др образуют дополнительный регулятор температуры по отклонению регулируемой температуры от заданного значения. Функциональные элементы системы регулирования ДТЗ, ЗУ2, СУ2, ПВ и ВО образуют регулятор по возмущению - току нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (току статора тягового асинхронного двигателя); функциональные элементы системы регулирования ДТН, ЗУ3, СУ3, ПВ и ВО образуют регулятор по возмущению - температуре наружного охлаждающего воздуха. Основной регулятор по отклонению ДТ1, ДТ2, УВ, ЗУ1, СУ1, ДПВ, УК, ПВ и ВО вместе с СО образуют основной замкнутый контур в системе регулирования, дополнительный регулятор по отклонению ДТ1, ДТ2, УВ, ЗУ4, СУ4, ЗЧК и Др вместе с СО образует дополнительный замкнутый контур в системе регулирования; регуляторы по возмущениям образуют разомкнутые контуры.

На принципиальной блок-схеме предлагаемой автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, представленной на фиг. 2, функции всех вычислительных устройств (СУ, УВ, УК, УУ), ЗУ и ЗЧК выполняет микропроцессорный контроллер МПК (поз. 22). Известно, что применение микропроцессорной техники в автоматических системах регулирования температуры открывает широкие возможности их совершенствования [8].

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства содержит следующие основные элементы (фиг. 2): тяговую полупроводниковую преобразовательную установку 23, питаемую напряжением U_d, установленную в воздуховоде 24, соединенном нагнетательным воздуховодом 25 с вентилятором охлаждения 15, датчики 2 и 3 температуры Т₁₁ и T₁₂ силовых полупроводниковых приборов 26 и 27 (которые представляют собой параллельно включенные биполярный транзистор с изолированным затвором и диод), тяговый асинхронный двигатель АД 28, датчик 4 тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (ток статора тягового асинхронного двигателя АД 28), плавно управляемый привод 16 вентилятора охлаждения, питаемый напряжением U с частотой f, датчик 5 температуры Т₂ наружного охлаждающего воздуха, датчик 6 подачи Q вентилятора охлаждения 15 и микропроцессорный контроллер 22.

Известно [9, 10], что потери в силовых полупроводниковых приборах (биполярные транзисторы с изолированным затвором и диоды) складывается из электрических и коммутационных потерь, которые вызывают нагрев полупроводника. Потери в транзисторах:

где f_k - частота коммутации транзисторов, Е_вкл и Е_выкл - энергия коммутационных потерь транзистора при замыкании и размыкании цепи коллектор-эмиттер соответственно.

Коммутационные потери диодов, обусловленные восстановлением обратного сопротивления:

где Е_восс - энергия восстановлением обратного сопротивления диода.

Из выражений (1), (2) видно, что коммутационные потери в основном являются функцией частоты коммутации f_k, следовательно, меняя частоту коммутации f_k, можно менять потери и, соответственно, нагрев силовых полупроводниковых приборов.

Введение дополнительного регулятора температуры по отклонению регулируемой температуры от заданного значения за счет введения дополнительного канала регулирования по частоте коммутации f_k позволяет практически безынерционно (время регулирования частоты коммутации f_k определяется быстродействием микропроцессорного контроллера, которое в настоящее время составляет микросекунды) изменять величину греющих потерь и, следовательно, температуру силового полупроводникового прибора, уменьшая, тем самым, колебания температуры. Кроме этого, применение дополнительного канала регулирования по частоте коммутации f_k позволяет расширить диапазон регулирования температуры за счет снижения потерь при более высоком токе нагрузки.

Для достижения технического результата в предлагаемой автоматической системе регулирования дополнительный регулятор температуры по отклонению работает одновременно с основным. Устройство управления УУ (поз. 17) анализирует максимальную температуру тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, информация о которой поступает с устройства выбора УВ (поз. 13) (сигнал U₁), и сигнал U_з1 который поступает с задатчика ЗУ1 (поз. 10). Если сигнал U₁ с устройства выбора УВ (поз. 13) о максимальной температуре тяговой полупроводниковой преобразовательной установки превышает задание на температуру, то устройство управления УУ (поз. 17), формирует сигнал управления η₄, который является входным для дополнительного замкнутого контура в системе регулирования. В результате работы дополнительного замкнутого контура задатчик частоты коммутации ЗЧК (поз. 20) уменьшает задание U_зчк на частоту коммутации f_k до тех пор, пока сигнал U_cv4 сравнивающего устройства СУ4 (поз. 19) не станет равен нулю, что будет означать соответствие сигнала U₁ о максимальной температуре тяговой полупроводниковой преобразовательной установки сигналу U_з4 задатчика ЗУ4 (поз. 18) или до тех пор, пока сигнал U_зчк не достигнет минимального значения (минимальное значение должно соответствовать требованию удовлетворительного гармонического состава тока нагрузки, что, в свою очередь, зависит от параметров схемы замещения тягового асинхронного двигателя). Если сигнал U₁ о максимальной температуре силовой полупроводниковой преобразовательной установки меньше задания на температуру, то устройство управления УУ (поз. 17) формирует такой сигнал управления η₄, в результате которого происходит увеличение частоты коммутации f_k до тех пор, пока сигнал U_зчк не достигнет своего максимального значения, которое выбирается исходя из значений времени включения и выключения силового полупроводникового прибора (максимальное значение устанавливается в соответствии с паспортными данными на силовой полупроводниковый прибор).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предполагаемого изобретения

Предполагаемое изобретение обеспечивает получение следующего технического результата. Уменьшение колебаний температуры в силовых полупроводниковых приборах тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства и увеличение диапазона ее регулирования за счет организации дополнительного регулятора температуры по отклонению регулируемой температуры от заданного значения за счет введения дополнительного канала регулирования по частоте коммутации, что позволит обеспечить повышение надежности тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства.

Источники информации

1. Киселев И.Г., Буянов А.Б. Расчеты нагрева и охлаждения полупроводниковых преобразовательных установок железнодорожного транспорта. - С-Пб, ПГУПС-ЛИИЖТ, 2001. - 80 с.

2. Хазен М.М. Исследование и разработка системы автоматического регулирования режимов принудительного воздушного охлаждения полупроводникового преобразователя при переменных нагрузках // Совершенствование процессов теплообмена и аэродинамики электроподвижного состава // Тр. ВНИИ ж.-д. трансп. (ВНИИЖТ). - М. Транспорт, 1979. - №617. - С. 40-54.

3. А.с. SU 613306 (СССР). Устройство для охлаждения силового полупроводникового преобразователя. Кл. G05D 23/19 / М.М. Хазен, В.И. Иванов, 1978. Б.И. №24.

4. А.с. SU 985770 (СССР). Устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя. Кл. G05D 23/19 / М.М. Хазен, Н.П, Морозова, 1982, Б.И. №48.

5. А.с. SU 1141384 (СССР). Устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя. Кл. G05D 23/19 / М.М. Хазен, Н.П. Морозова, С.Д. Соколов и И.Г. Глухов, 1985, Б.И. №

6. Патент RU 2284049. Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства. Луков Н.М., Ромашкова О.М., Космодамианский А.С„ Алейников И.А., Стрекалов Н.Н., опубл. 20.09.2006, бюл. №26.

7. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М: Машиностроение, 1977, - 224 с.

8. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 с.

9. Применение тяговых электроприводов с двух- и трехуровневыми автономными инверторами напряжения / А.С. Космодамианский, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Наука и техника транспорта, 2013. - №1. - С. 74-83.

10. Система управления тягового электропривода с контролем температуры теплонагруженных элементов / А.С. Космодамианский, Л.М. Клячко, В.И. Воробьев, А.А. Пугачев // Электротехника. - 2014. - №8. - С. 38-43