Электропривод технологического трамвая с дизель-генератором на IGBT модулях с широтно-импульсной модуляцией

На трамвайных линиях, где проложены открытые пути и отсутствует возможность заезда автомобиля (например: скоростной трамвай на Борщаговке, лесная трасса между площадью Шевченко и Пущей-Водицей в г. Киеве) для выполнения ремонтных работ на контактной сети под напряжением ГКП «Киевэлектротранс» имеет в распоряжении специальный трамвайный вагон КСВ-2 (рис. 1). Он оборудован подъемно-поворотным устройством с площадкой и прекрасно приспособлен к ремонтно-монтажным работам, однако имеет существенный недостаток: невозможность эксплуатации на новом строительстве и аварийно-восстановительных, ремонтных работах, когда отсутствует напряжение в контактной сети. Для выполнения таких работ вагон-вышку КСВ-2 необходимо было оборудовать автономным источником энергии, который позволил бы осуществлять движение вагона и выполнение им своих функций.
 

Совместно со службой энергетического обеспечения КП "Киевпастранс" разработан преобразователь постоянного тока  (широтно-импульсный преобразователь на IGBT модулях, далее ШИП) для тягового электропривода трамвая КСВ-2, который предназначен для преобразования выпрямленного напряжения, поступающего с дизель-генератора, в постоянное напряжение с ограничением амплитуды выходного тока 190А и среднего значения входного тока 90А. Таким образом, преобразователь ограничивает потребление мощности на уровне 50 кВт. Нагрузкой ШИП является двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. На рис. 2 показан внешний вид ШИП без кожуха.

Рис. 2.
Основные технические данные

ШИП имеет защиты от:
1) перегрузки по току (работа ШИП блокируется при превышении уровня тока 210А и выдается сигнал аварии);
2) перегрева радиатора (защита отключает ШИП при превышении уровня температуры радиатора 85 °С, температурный датчик установлен непосредственно возле силового ключа и обратного диода, работа ШИП блокируется, выдается сигнал аварии);
3) нестабильности или исчезновения напряжения источника питания +5В (работа ШИП блокируется и выдается сигнал аварии);
4) некорректное включение (если при включении системы управления переключатель командоаппарата установлен не в нулевое положение, работа ШИП блокируется и выдается сигнал аварии).
 

Принцип работы ШИП
На рис. 3 представлена структурная схема ШИП. ШИП состоит из силовой части, системы управления, цепей управления и индикации.
Силовая часть ШИП построена с использованием полупроводниковых приборов SEMIKRON:
- силовой IGBT транзистор VT1 на основе IGBT модуля SKM400GA124D /устаревшая серия, оптимальная замена на SEMIX + SKYPER/;
- быстрый диод сбросовой цепи VD1 – SKR48F12;
- обратный быстродействующий диод цепи нагрузки VD2 - SKKE301F12;
- драйвер управления силовым транзистором SKHI10/12.
 

Силовая часть содержит входные клеммы для подключению к выпрямителю трехфазного напряжения. Выпрямленное напряжение через ограничивающий резистор подается на конденсаторы входного фильтра с помощью реле заряда. После заряда конденсаторов включается силовой контактор, закорачивающий контакты реле заряда и ограничивающий резистор. Силовой контактор служит размыкателем входной цепи. Зарядная цепь служит для плавного заряда входной емкости ШИП (13200 мкФ). Входная емкость является звеном накопления энергии для импульсного потребителя (ШИП) и сглаживающим фильтром выпрямленного напряжения.
Элементы схемы L1, VD1, C2, R2, C3, C4 предназначены для формирования траектории переключения транзистора VT1. Формирователь траектории работает следующим образом: при включении транзистора происходит задержка фронта нарастания тока транзистора относительно фронта спада напряжения на транзисторе. В результате уменьшаются динамические потери в транзисторе. Кроме того токозадерживающая цепь предотвращает протекание тока восстановления через обратный диод в момент включения транзистора. При выключении транзистора ток в индуктивности L1 замыкается по цепи VD1 - C2, энергия, запасенная в дросселе, рассеивается резистором R2. В этой схеме R2, С3, C4, VD1 служат RCD цепью для уменьшения коротких выбросов напряжения на транзисторе при его выключении. В момент выключения транзистора конденсаторы С3, С4 на протяжении некоторого времени замыкают через себя выходной ток.
 

Описание работы системы управления.

Система управления ШИП тягового электропривода трамвая, работающего от источника питания ограниченной мощности (дизель-генератор 50 кВт), реализована с помощью микроконтроллера PIC16F73 (компании Microchip). Данный микроконтроллер имеет в своем составе: 22 порта ввода/вывода, 3 таймера, 5 каналов 8-битного АЦП, 2 ШИМ модуля, модуль сравнения.
На рис. 4 представлен внешний вид платы системы управления и драйвер SKHI10/12 для управления транзистором.

Рис. 4.

Система управления обеспечивает широтно-импульсное регулирование напряжения на якоре ДПТ при ограничении входной мощности на уровне 50 кВт. С помощью командоаппарата, имеющего три положения (0, 1 и 2), подаются команды по следующему алгоритму: 0>1 – поддержание тока якоря на уровне 90 А; 1>2 – разгон с ограничением тока якоря на уровне 190А; 2>1 – удержание тока якоря на достигнутом значении; 0 – все отключено. В системе имеется датчик тока якоря.

На один из входов АЦП поступает информация с датчика тока якоря. Текущее значение тока якоря сравнивается с заданным током. Сигнал рассогласования поступает на вход ПИ-регулятора тока. Каждому значению тока якоря соответствует максимальное значение ширины импульса, пропорциональное величине выходного напряжения ШИП (рис. 5).

Данное соотношение реализовано в табличном виде. Регулятор тока формирует сигнал управления ШИМ на IGBT ключ. Частота ШИМ установлена 7 кГц.

На микроконтроллер также возложены функции: пуска/останова преобразователя, индикации состояния, защиты от превышения тока, от перегрева и от понижения напряжения собственных нужд.

Алгоритм работы системы управления

1. Инициализация
1.1. Происходит инициализация периферии и портов ввода/вывода контроллера (выходы ШИМ, реле линейного контактора, реле заряда, реле аварии устанавливаются в выключенное состояние; светодиоды индикации – погашены).
1.2. Проверяется состояние командаппарата. Если командоаппарат находится не в нулевом положении, то все выходы переводятся в выключенное состояние, и зажигается аварийный светодиод "Авария". Дальнейшая работа возможна после перевода командоаппарата в нулевое положение и нажатия кнопки "Пуск/Стоп".
1.3. Проверяется наличие напряжения питания собственных нужд 5 В. При понижении напряжения ниже 4,7 В все выходы переводятся в выключенное состояние, и зажигается аварийный светодиод "5В ниже нормы". Дальнейшая работа возможна после возвращения напряжения питания до уровня 5В и нажатия кнопки "Пуск/Стоп".
1.4. Проверяется состояние термореле. При срабатывании термореле все выходы переводятся в выключенное состояние, и зажигается аварийный светодиод "Перегрев". Дальнейшая работа возможна после охлаждения и нажатия кнопки "Пуск/Стоп".
1.5. Проверяется наличие/отсутствие тока в якорной цепи двигателей постоянного тока. При наличии тока все выходы переводятся в выключенное состояние, и зажигается аварийный светодиод "Авария". Дальнейшая работа возможна после нажатия кнопки "Пуск/Стоп".
1.6. Считывается заданное значение интенсивности разгона.
1.7. Шаги 1.3 – 1.5 циклически повторяются. Ожидается нажатие кнопки "Пуск/Стоп".
2. Пуск
- После получения сигнала "Пуск" включается реле заряда, через 4 с включается реле линейного контактора, и еще через 2 с выключается реле заряда.
3. Положение командоаппарата – 0
3.1. Выход ШИМ устанавливается в выключенное состояние.
3.2. При поступлении внешнего аварийного сигнала все выходы переводятся в выключенное состояние, и зажигается аварийный светодиод "Авария". Дальнейшая работа возможна после устранения аварийной ситуации и нажатия кнопки "Пуск/Стоп". Выполняются проверки 1.3 и 1.4.
3.3. Ожидается перевод командоаппарата в положение 1 или нажатие кнопки "Пуск/Стоп".
3.4. После получения сигнала "Стоп" происходит переход в режим инициализации.
4. Переход командоаппарата из положения – 0 в 1
- Устанавливается заданная величина тока якоря 90 А. Считывается информация о текущем значении тока якоря. В зависимости от сигнала рассогласования изменяется ширина импульса управления ШИП. Поддерживается ток якоря на уровне 90 А. Выполняются проверки аварийных ситуаций. После получения сигнала "Стоп" происходит переход в режим инициализации.
5. Переход командоаппарата из положения – 1 в 2
- Устанавливается заданная величина тока якоря 190 А. Считывается информация о текущем значении тока якоря. В зависимости от сигнала рассогласования изменяется ширина импульса управления ШИП с ограничением средней входной мощности на уровне 50 кВт. Выполняются проверки аварийных ситуаций. После получения сигнала "Стоп" происходит переход в режим инициализации.
6. Переход командоаппарата из положения – 2 в 1
- Заданной величиной тока якоря устанавливается текущая величина тока. В зависимости от сигнала рассогласования изменяется ширина импульса управления ШИП с ограничением средней входной мощности на уровне 50 кВт. Поддерживается ток якоря на заданном уровне. Выполняются проверки аварийных ситуаций. После получения сигнала "Стоп" происходит переход в режим инициализации.
Результаты экспериментальных испытаний
Ходовые испытания трамвая в г. Киеве показали, что условия, заданные техническим заданием, выполняются. Таким образом, вагон КСВ-2 в режиме автономного питания может использоваться для выполнения работ при отключенной контактной сети. Во всем диапазоне скорости система управления поддерживает заданную величину входной мощности 50кВТ. При подъеме на гору ток якоря ограничивается на уровне 190 А, обеспечивая при этом максимальный тяговый момент. При разгоне по прямой достигается максимум скорости.