Способ подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя однофазно-переменного тока Российский патент 2023 года по МПК B60L9/12 H02M7/219 H02G5/02 

Способ относится к области электротехники, в частности к системе токопроводящих шин прежде всего для подключения силовых полупроводниковых приборов (СПП) и может быть применен на электрическом транспорте, а именно в силовых полупроводниковых выпрямительно-инверторных преобразователях (ВИП) однофазно-переменного тока, осуществляющим преобразование переменного тока промышленный частоты в постоянный, содержащие N-силовых плеч, в составе которых для обеспечения заданной мощности используется параллельное соединение нескольких СПП.

Потребность в высокотоковых СПП, ведет к необходимости увеличивать радиаторы для их охлаждения, особенно с воздушным охлаждением. В результате это влечет: рост габаритов самого преобразователя, удлинение его силовых шин, соединяющих выводы параллельно включенных СПП, сложности в обеспечении симметрии их подключения в плече преобразователя. Отсутствие симметрии подключения при параллельном соединении СПП в плече преобразователя негативно сказывается на работоспособности ВИП, из-за образования разности токов по СПП. Так как выводы включенных параллельно друг другу СПП будут располагаться несимметрично от выводов для подключения силовых токоведущих шин переменного и постоянного токов, то токовые пути для параллельных ветвей плеча будут характеризоваться разными индуктивностью и сопротивлением. Исходя из понимания того, что ток протекает по цепи с наименьшим сопротивлением, ветвь СПП, выводы которой расположены ближе всего к выводу подключения токоведущих шин переменного и постоянного токов, будет принимать ток, превышающий величину тока в других параллельных ветвях. В дальнейшем, при перегрузке по току одной из параллельных ветвей плеча, последует прожог сперва одного СПП с последующими прожогами СПП остальных ветвей плеча и отказом ВИП в целом.

Выравнивание тока по параллельным ветвям может достигаться за счет включения последовательно в каждую ветвь плеча специальных выравнивающих устройств. Введение дополнительных элементов последовательно в цепь снижает надежность, усложняет шинный монтаж, повышает индуктивность цепи, увеличивает габариты и стоимость преобразователя. Рост индуктивности также сказывается на увеличении выбросов напряжения при коммутации СПП, это обязывает разработчика при конструировании увеличивать запас по снабберным цепям, предназначенным для снижения выбросов напряжения, что зачастую организовать очень затруднительно, из-за значительного выделения энергии.

Из технического уровня известен способ диагонального подключения токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча, применяемый в восьми плечевом ВИП, установленном на электровозах ВЛ80р, 2(3,4)ЭС5К и др., где в качестве СПП применены тиристоры [1,2].

Способ заключается в подключении токоведущей шины переменного тока к анодному выводу крайней ветви с одной стороны плеча, с последующим подключением всех анодных выводов к анодной шине и подключении шины постоянного тока к катодному выводу крайней ветви с противоположной стороны плеча, с последующим подключением всех катодных выводов ветвей к катодной шине. Благодаря этому достигается попарное выравнивание токов для ветвей плеча, равноудаленных от выводов подключения токопроводящих шин, дальнейшее выравнивание токов по ветвям осуществляется с помощью специальных выравнивающих устройств, включенных последовательно в цепях ветвей.

Недостаток способа заключается в том, что в случае применения в высокомощных преобразователях с воздушным охлаждением современных типов СПП, обладающих высокой скоростью коммутации, таких как IGBT, MOSFET и др., будет присутствовать значительная разность токов по параллельным ветвям плеча, при которой невозможно сохранение продолжительной работоспособности преобразователя.

Известен способ подключения плоских токопроводящих шин к модульным СПП в составе преобразователя [3]. Способ заключается в подключении токоведущих шин в определенном порядке по отношению к модулям СПП, когда по мере удаления от СПП сперва подключают положительную шину постоянного тока к положительному выводу эмиттера СПП, за ней подключают шину переменного тока к выводам модуля СПП, затем отрицательную шину постоянного тока подключают к коллекторному выводу модуля СПП, при этом расположенные параллельно СПП подключают одноименными выводами аналогично к этим же токоведущим шинам.

Достоинством данного способа является то, что достигается снижение индуктивности схемы соединений токопроводящих шин, это позволяет частично сбалансировать токи по параллельным ветвям.

Недостатком способа является то, что усложняется доступ к СПП при осмотре и ремонте, а также требуется значительное удлинение токопроводящих шин. Это повышает стоимость шинного монтажа и приводит к увеличению габаритов преобразователя, что всегда ограничено параметрами, в особенности для электрического транспорта.

Известен способ подключения СПП преобразователя с помощью многослойной шины [4]. Способ заключается в том, что выводы СПП подключают к многослойной шине, которая представляет из себя прессованный набор проводящих и изолирующих слоев с использованием эпоксидного наполнителя. Преимущество способа состоит в том, что создаваемый многослойной шиной эффект конденсатора, который используется в снабберных цепях, позволяет снижать выбросы напряжения, что положительно сказывается на работе СПП в периоды их коммутации. Недостаток способа заключается в высокой стоимости и сложности изготовления многослойных шин. Их постройка требует высокого квалитета точности и большой трудоемкости.

Наиболее близким к предлагаемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ подключения токопроводящих шин к фазному модулю полупроводникового преобразователя электроэнергии, технический результат которого заключается в улучшении распределения тока по параллельно включенным СПП [5].

Сущность способа состоит в том, что одну токоведущую шину подключают к выводам переменного тока по меньшей мере двух расположенных параллельно СПП, вторую токоведущую шину подключают к выводам постоянного тока СПП, при этом токоведущие шины располагают в окружении выводов СПП и на значительно близком расстоянии друг от друга.

Достоинством данного способа является минимизация влияния самоиндукции и индуктивной связи на токи, достижение более равномерного распределения тока по включенным параллельно СПП за счет уменьшенного расстояния между токопроводящими шинами.

Недостаток данного способа заключается в невозможности близкого размещения шин разноименных выводов, при котором схема преобразователя будет надежно защищена от состояния пробоя в особенности для мощных преобразователей, работа которых осуществляется в условиях повышенной влажности, запыленности, загрязненности и сопровождается значительными выбросами напряжения, как например в условиях работы электрооборудования электрического транспорта переменного тока. Если же достигать достаточной защищенности от пробоя увеличением расстояния между токоведущими шинами, то с ростом упомянутого расстояния неизбежно теряется и предлагаемый эффект снижения индуктивности и ухудшается распределение токов по параллельным СПП. При этом так как в данном способе предусматривается односторонний подвод тока к параллельно соединенным СПП, когда шину переменного тока и шину постоянного тока подключают к соответствующим выводам крайнего СПП, то для плеч преобразователя, где количество параллельно соединенных СПП в плече больше чем 2, из-за индуктивности токопроводящих шин неравномерность распределения тока по его параллельным ветвям будет максимальной, в особенности при использовании СПП, обладающих высокой скоростью коммутации.

Задачей предлагаемого способа является получить равномерное распределение тока по параллельным ветвям плеча преобразователя с СПП без применения специальных устройств выравнивания для преобразователей высокой мощности.

Задача решается с помощью предложенного способа подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя однофазно-переменного тока электрического транспорта, включающего в себя подключение одной токоведущей шины постоянного тока через систему шин к выводам постоянного напряжения параллельно соединенных силовых полупроводниковых приборов и подключение второй токоведущей шины переменного тока через систему шин к выводам переменного напряжения параллельно соединенных СПП, отличающегося от прототипа тем, что шину переменного тока подключают несимметрично по длине уравнительной шины, предназначенной для параллельного соединения двух попарно включенных ветвей СПП, каждая из которых состоит из X последовательно включенных СПП, на расстоянии не больше половины длины уравнительной шины от места подключения уравнительной шины к коллекторной шине первой пары СПП, причем уравнительную шину подключают также несимметрично к коллекторной шине первой пары СПП на расстоянии не больше половины длины коллекторной шины от места подключения коллекторной шины к выводу крайней ветви первой пары СПП, также подключают уравнительную шину несимметрично к коллекторной шине второй пары СПП на расстоянии больше половины длины коллекторной шины от места подключения коллекторной шины к крайней ветви СПП, обеспечивая тем самым равную индуктивность и сопротивление по параллельно включенным СПП со стороны переменного тока, при этом со стороны постоянного тока шину постоянного тока, уравнительную шину и эмиттерные шины к выводам постоянного напряжения параллельно включенных СПП подключают аналогично.

Предлагаемый способ может быть применен на электрическом транспорте, а именно в силовых полупроводниковых выпрямительно-инверторных преобразователях однофазно-переменного тока, осуществляющим преобразование переменного тока промышленный частоты в постоянный и содержащие N-силовых плеч.

Предлагаемый способ поясняется фигурами, на которых представлены:

фиг. 1 - упрощенная принципиальная схема плеча с предложенным способом подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя;

фиг. 2 - упрощенная принципиальная схема в расчете на одну тележку с т двигателей электровоза однофазно-постоянного тока с выпрямительно-инверторным преобразователем, реализующим потележечное регулирование силы тяги и состоящим из N плеч в составе которых применяется параллельное соединением ветвей с предложенным способом подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя.

На фиг. 1 позицией 1 обозначена коллекторная шина, которую подключают к выводам первой пары СПП, позицией 2 обозначена коллекторная шина, которую подключают к выводам второй пары СПП, позицией 3 обозначена уравнительная шина, которую подключают к коллекторным шинам, позицией 4 обозначена шина переменного тока, подключаемая к уравнительной шине 3, позицией 5 обозначена эмиттерная шина, которую подключают к первой паре СПП, позицией 6 обозначена эмиттерная шина, которую подключают к выводам второй пары СПП, позицией 7 обозначена уравнительная шина, которую подключают к эмиттерным шинам, позицией 8 обозначена шина постоянного тока, подключаемая к уравнительной шине 7, VT1 - VT4 обозначены параллельные ветви плеча, которые в данном примере состоят из последовательно соединенных IGBT-транзистора и диода. l₁ обозначено расстояние от места подключения вывода крайней ветви VT1 и коллекторной шины 1 до места подключения уравнительной шины 3 к коллекторной шине 1, причем l₁ по величине составляет не больше половины длины коллекторной шины, l₁ обозначено расстояние от места подключения уравнительной шины 3 к коллекторной шине 1 до места подключения шины переменного тока 4 к уравнительной шине 3, причем l₂ по величине составляет не больше половины длины уравнительной шины, l₃ обозначено расстояние от места подключения коллекторной шины 2 к выводу крайней ветви VT4 до места подключения уравнительной шины 3 к коллекторной шине 2, причем l₃ по величине составляет больше половины длины коллекторной шины, l₄ обозначено расстояние от места подключения эмиттерной шины 4 к выводу крайней ветви VT1 до места подключения уравнительной шины 7 к эмиттерной шине 5, причем l₄ по величине соответствует l₃, l₅ обозначено расстояние от места подключения уравнительной шины 7 к эмиттерной шине 6 до места подключения шины постоянного тока 8 к уравнительной шине 7, причем l₅ по величине соответствует l₂, l₆ обозначено расстояние от места подключения эмиттерной шины 6 к выводу крайней ветви VT4 до места подключения уравнительной шины 7 к коллекторной шине 6, причем l₆ по величине соответствует l₁.

На фиг. 2 приведена упрощенная принципиальная схема электровоза однофазно-постоянного тока, где позицией ХА обозначен токоприемник электровоза, ТТ обозначен тяговый трансформатор электровоза, CP обозначен сглаживающий реактор электровоза, ОЯ и ОВ - соответственно обмотки якоря и возбуждения тягового двигателя электровоза, ВИП обозначен преобразователь электровоза, состоящий из N плеч, в составе которых применяется параллельное соединением ветвей с предложенным способом подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя.

В качестве СПП в составе ветви могут быть использованы, например, силовые диод и IGBT-транзистор, соединенные последовательно, причем каждая ветвь содержит от 1 до X СПП, где X - несколько последовательно соединенных диодов и транзисторов.

Соединение выводов шин и СПП может быть выполнено, например, в виде болтового соединения для удобства при ремонте и обслуживании. Соединение силовых шин между собой может быть выполнено любым удобным способом исходя из технико-экономических соображений.

Выбор поперечного сечения и материала шины осуществляется исходя из параметров преобразователя по мощности, частоте, питающего напряжения и тока.

Защита от короткого замыкания выполняется путем нанесения на силовые шины изоляционных материалов, а также взаимного их удаления в пространстве от других токоведущих шин, контакт с которыми не предусмотрен электрической схемой.

Предлагаемый способ работает следующим образом. Токоведущую шину постоянного тока подключают через систему шин к выводам постоянного напряжения параллельно соединенных силовых полупроводниковых приборов. Вторую токоведущую шину переменного тока подключают через систему шин к выводам переменного напряжения параллельно соединенных СПП. При этом шину переменного тока подключают несимметрично по длине уравнительной шины, которая предназначена для параллельного соединения двух попарно включенных ветвей СПП, каждая из которых состоит из X последовательно включенных СПП, на расстоянии не больше половины длины уравнительной шины от места подключения уравнительной шины к коллекторной шине первой пары СПП. Уравнительную шину подключают также несимметрично к коллекторной шине первой пары СПП на расстоянии не больше половины длины коллекторной шины от места подключения коллекторной шины к выводу крайней ветви первой пары СПП. К коллекторной шине второй пары СПП подключают уравнительную шину также несимметрично на расстоянии больше половины длины коллекторной шины от места подключения коллекторной шины к крайней ветви СПП. Со стороны постоянного тока шину постоянного тока, уравнительную шину и эмиттерные шины к выводам постоянного напряжения параллельно включенных СПП подключают аналогично. За счет способа обеспечивается равная индуктивность и сопротивление по параллельно включенным СПП со стороны переменного и постоянного токов.

Таким образом, с помощью предложенного способа подключения системы токопроводящих шин обеспечивается равномерное протекание тока по параллельным ветвям СПП плеча преобразователя. Включение специальных выравнивающих устройств при этом не требуется.

Предлагаемый способ подключения системы токопроводящих шин преобразователя к параллельным ветвям плеча прост в реализации, не требует дополнительных изоляционных компаундов и специальной квалификации работников. Предлагаемый способ подключения позволяет обеспечить равномерное распределение тока по параллельным ветвям плеча ВИП, сохраняя условия существующих габаритов.

Техническим результатом предлагаемого способа является оптимальное распределение тока по параллельным ветвям плеча ВИП без применения специальных выравнивающих устройств.

Технический результат достигается тем, что способ подключения токоведущих шин обеспечивает равную индуктивность и сопротивление токоведущих шин, для всех включенных параллельно друг другу СПП относительно выводов подключения силовых шин переменного и постоянного тока.

Предлагаемый способ применен на электровозе однофазно-переменного тока с девяти плечевым ВИП на базе IGBT-транзисторов. В результате опытной поездки получен положительный результат равномерного распределения тока по параллельным ветвям в плечах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Электровоз ВЛ80Р: Руководство по эксплуатации [Текст] / Под ред. Б.А. Тушканова. - М.: Транспорт, 1992. - 480 с: ил., табл.

2. Электровоз магистральный 2ЭС5К (ЗЭС5К): Руководство по эксплуатации [Текст] / Новочеркасск: 2007. т. 1 - 635 с., т. 2 - 640 с.

3. Патент 2190919 Российская Федерация. Силовая цепь электрического силового преобразователя [текст] / Ито С., Наката К., Койанаги А., Мишима А., Тойота Е., Сатоу Т., Айано X., заявитель и патентообладатель «Хитачи» - №99109135/09; заявл. 27.04.1999; опубл. 10.10.2002

4. Многослойная шина и модули SEMISTACK от SEMIKRON [текст] / А. Колпаков // Силовая электроника. - 2004. Вып. 1. С. 32-36

5. Патент 2701870 Российская Федерация. Фазный модуль для полупроводникового преобразователя электроэнергии [текст] / Бойгк Ш., Бемер Ю., Клеффель Р., Краффт Э.У., Вайель Я., заявитель и патентообладатель «Сименс Акциенгезеллынафт». - №2018139471; заявл 24.03.2017; опубл. 02.10.2019, Бюл. №28. - 10 с. ил. 8.

Изобретение относится к схеме подключения шин выпрямительно-инверторных преобразователей. Способ подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя однофазно-переменного тока электрического транспорта заключается в том, что подключают шины постоянного тока через систему шин к выводам постоянного напряжения параллельно соединенных силовых полупроводниковых приборов (СПП) и подключают шины переменного тока через систему шин к выводам переменного напряжения параллельно соединенных СПП. При этом шину переменного тока подключают несимметрично по длине уравнительной шины. Причем уравнительную шину подключают также несимметрично к коллекторной шине первой пары СПП. Также подключают уравнительную шину несимметрично к коллекторной шине второй пары СПП. При этом шину постоянного тока, уравнительную шину и эмиттерные шины к выводам постоянного напряжения параллельно включенных СПП подключают аналогично. Технический результат заключается в оптимальном распределении тока по параллельным ветвям плеча преобразователя. 2 ил.

Способ подключения системы токопроводящих шин к параллельным ветвям плеча преобразователя однофазно-переменного тока электрического транспорта, включающий в себя подключение одной токоведущей шины постоянного тока через систему шин к выводам постоянного напряжения параллельно соединенных силовых полупроводниковых приборов (СПП) и подключение второй токоведущей шины переменного тока через систему шин к выводам переменного напряжения параллельно соединенных СПП, отличающийся тем, что шину переменного тока подключают несимметрично по длине уравнительной шины, предназначенной для параллельного соединения двух попарно включенных ветвей СПП, каждая из которых состоит из X последовательно включенных СПП, на расстоянии не больше половины длины уравнительной шины от места подключения уравнительной шины к коллекторной шине первой пары СПП, причем уравнительную шину подключают также несимметрично к коллекторной шине первой пары СПП на расстоянии не больше половины длины коллекторной шины от места подключения коллекторной шины к выводу крайней ветви первой пары СПП, также подключают уравнительную шину несимметрично к коллекторной шине второй пары СПП на расстоянии больше половины длины коллекторной шины от места подключения коллекторной шины к крайней ветви СПП, обеспечивая тем самым равную индуктивность и сопротивление по параллельно включенным СПП со стороны переменного тока, при этом со стороны постоянного тока шину постоянного тока, уравнительную шину и эмиттерные шины к выводам постоянного напряжения параллельно включенных СПП подключают аналогично.