Модуль силового инвертора преобразует входное напряжение контактной сети постоянного тока в 3-х фазное напряжение переменного тока для питания тяговых двигателей вагона. В состав МСИ также входит чоппер тормозного реостата тягового привода.

Силовой инвертор

В отсеке расположены конденсатор сетевого фильтра С-1 (1), силовой инвертор (2) и панель вентиляторов (3). Конденсатор расположен над модулем силового инвертора и зафиксирован скобами. Инвертор установлен в отсеке под конденсатором на торцевых направляющих уголках. Уголки имеют ролики для удобства установки и извлечения модуля. В нижней части модуля сделан воздушный канал, который позволяют воздуху, продуваемому вентилятором, обдувать радиатор. Доступ к выводам модуля возможен через отсек БИПВ и центральный отсек.

Для принудительного обдува конденсаторов сетевого фильтра С-1 и С-2 установлена панель питания вентиляторов. На панели установлены два плоских вентилятора типа «центрифуга», такой вентилятор забирает воздух сверху и гонит его вних в продольном направлении, снимая тепло с нижней поверхности конденсатора С-1 и верхней поверхности конденсатора С-2 модуля силового инвертора.

Трёхфазный инвертор состоит из двенадцати IGBT-модулей, соединённых параллельно. Реостатный чоппер состоит из четырех IGBT1 (БТИЗ) модулей, так же соединённых параллельно.

В чоппере нижний транзистор полумоста в работе не используется, постоянно закрыт и выполняет роль обратного диода.

Транзистор IT7 работает в качестве реостатного тормозного чоппера, управляемого БУТП. Транзистор модуля IT8 всегда заперт, и модуль используется только в качестве обратного диода тормозного резистора.

Когда требуется перейти в режим реостатного торможения, транзистор IT7 начинает работать с частотой 1200 Гц и переменной скважностью, тем самым, рассеивая тормозную энергию в тормозном резисторе Rt. Реостатное торможение необходимо, когда тяговая сеть не может принять ток рекуперации. При этом напряжение на конденсаторе сетевого фильтра составляет 925В.

Скважность (в физике, электронике) — один из классификационных признаков импульсных систем, определяющий отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса. Величина, обратная скважности и часто используемая в англоязычной литературе, называется коэффициентом заполнения (англ. Duty cycle).

Особое внимание следует уделить взаимосвязи термина скважность и коэффициента заполнения. Скважность (S) -величина безразмерная. В англоязычной документации коэффициент заполнения (D), как правило, измеряется в процентах. Но это разные представления одного и того же. И чтобы не было путаницы в вопросе, необходимо понимать, что имеется в виду. Скважность (S) – это отношение периода следования импульсов к длительности импульса, а коэффициент заполнения (D) – это отношение длительности импульса к периоду их следования. Т.е. – это обратные величины.

Реостатный тормозной чоппер также используется в режиме тяги в качестве закорачивающей цепи при превышении напряжения тяговой сети свыше 1000 В.

МСИ содержит электронное оборудование, установленное на основании – охладителе (1). Обратная поверхность охладителя снабжена ребрами для эффективного отвода тепла. IGBT -модули имеют изолированное основание и поэтому установлены прямо на заземленном основании – охладителе через специальную теплопроводящую пасту. Два изолированных токоотвода соединяют силовые транзисторы между собой по входному напряжению.

Каждый IGBT модуль включает в себя по два транзистора и обратных диода. Все IGBT установлены на охладителе с принудительной вентиляцией.

Основные технические характеристики:

• выходное напряжение длительное 0-530В;
• частота коммутации ШИМ инвертора 2400Гц;
• частота коммутации ШИМ тормозного чоппера 1200Гц;
• частота входного 3-х фазного напряжения питания двигателей 1-120Гц;
• номинальная мощность 1000 кВт;
• напряжение цепей управления 15В +/- 5%;
• масса 210 кг.

По обеим сторонам охладителя расположены угловые крепления (2), при помощи которых модуль закреплен внутри блока тягового инвертора. Крепления снабжены роликами (3), для упрощения изъятия модуля из отсека.

Ребра охладителя забраны в металлический кожух (4), который образует вентиляционный канал для принудительного воздушного охлаждения. Модуль устанавливается в контейнер таким образом, что вентиляционный канал МСИ через резиновое уплотнение (5) стыкуется с воздушным каналом вентилятора охлаждения. Модуль инвертора имеет низковольтный разъем (6) цепей управления. Подключение силовых цепей осуществляется через шины (7). В держателе этих шин установлены датчик напряжения на конденсаторе сетевого фильтра (8) и защитный варистор (9).

Для защиты тягового оборудования от перенапряжений в контактной сети, параллельно конденсатору фильтра модуля силового инвертора включен дополнительный варистор Rогр2.

Модуль силового инвертора оборудован датчиком температуры, который подает сигнал о перегреве в блок управления тяговым приводом. Датчик состоит из двух термостатов, установленных на радиаторе и соединенных последовательно.

Настроен на уставку температуры срабатывания +85 градусов (размыкает контакты) — БУТП отключается, при снижении температуры до +70 — контакты замыкаются и БУТП включается снова.

Модуль силового инвертора обслуживается на вагоне. Содержание обслуживания – осмотр и очистка. Периодичность – 1 год.

Управление силовым инвертором осуществляется блоком БУТП-2 , который формирует импульсы управления транзисторами МСИ. Управление силовым инвертором осуществляется по методу широтно-импульсной модуляции. БУТП подает управляющие импульсы на IGBT- модули, расположенные в МСИ (сигналы «Упр.+А»; «Упр.-А»; «Упр.+В»; «Упр.-В»; «Упр.+С»; «Упр.-С»). IGBT-модули инвертора включаются и отключаются по сигналам БУТП для преобразования постоянного входного тока в переменный выходной. БУТП так же подает команды на управление IGBT- модулями реостатного тормоза («Упр.ТТ»). Эти команды подаются так же по принципу ШИМ для поддержания максимального напряжения 925В на конденсаторе сетевого фильтра.

Датчик напряжения

Предназначен для формирования электрических сигналов, пропорционально измеряемому напряжению, и передаче их в БУТП в качестве сигналов обратных связей для управления силовым инвертором и защиты тягового привода от перегрузок. Датчик является неразъёмным устройством. Резистор первичной обмотки расположен в корпусе датчика. Силовые кабели, провода управления и провода заземления подключаются к семи клеммам.

Датчик напряжения на конденсаторе сетевого фильтра интегрирован в конструкцию МСИ и измеряет напряжение на конденсаторе сетевого фильтра тягового привода.

Работа датчика

Датчик напряжения представляет собой измерительный преобразователь, основанный на эффекте Холла. Датчик имеет гальваническую развязку между первичной (силовой) и вторичной (управляющей) цепями. С выхода датчика снимается ток, величина которого прямо пропорциональна величине напряжения, приложенного к первичной цепи.

Конденсатор сетевого фильтра

Конденсатор сетевого фильтра состоит из конденсаторов С1 и С2 и является малоиндуктивным источником напряжения для силового инвертора и реостатного тормозного чоппера.

Конденсатор С1 установлен в отсеке контейнера, конденсатор С2 включен в конструкцию модуля силового инвертора МСИ-3. Конденсаторы включены параллельно и служат малоиндуктивным источником питания для силового  инвертора  и  реостатного тормозного чоппера.  Диагностика предотказного состояния каждого конденсатора обеспечивается применением датчика превышения внутреннего давления. Сигналы с датчиков поступают в БУТП. Вместе Lф, С1 и С2 образуют LC-фильтр низких частот.

Каждый конденсатор состоит из пачки металлизированных полипропиленовых обкладок, заключенных в стальной прямоугольный корпус. Обкладки соединены параллельно, снабжены предохранительными вставками. Обкладки разделены на сегменты для предотвращения возгорания при нагрузках и перегреве. Металлизированные полипропиленовые обкладки являются самовосстанавливающимися. Конденсатор является неразъёмным устройством.

Для лучшей отдачи тепла конденсатор заполнен специальным маслом. Конденсатор имеет клемму заземления.

Контейнер тягового инвертора содержит два конденсатора фильтра (Сф1 и Сф2). Внешние электрические соединения производятся к четырем клеммам.

Основные технические характеристики:

• емкость конденсатора С1 – 16000 мкФ;
• емкость конденсатора С2 – 24000 мкФ;
• номинальное напряжение постоянного тока – 950В;
• броски напряжения постоянного тока – до 1300В;
• масса конденсатора С1 – 50 кг.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT) – трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Каскадное включение транзисторов двух типов позволяет сочетать их достоинства в одном приборе: выходные характеристики биполярного (большое допустимое рабочее напряжение) и входные характеристики полевого (минимальные затраты на управление). Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода — эмиттером и коллектором, как у биполярного.

Выпускаются как отдельные БТИЗ, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трёхфазного тока. Основное применение БТИЗ — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-регулируемые приводы.

Панель вентиляторов

Панель вентиляторов исключает застой нагретого воздуха в месте установки конденсаторов МСИ и конденсатора сетевого фильтра КТИ. Вентиляторы питаются постоянным напряжением 24В, имеют мощность 4,9 Вт, скорость вращения 2550 об/мин. и производительность 87,5 куб.м.

Панель вентиляторов представляет собой металлическую пластину, на которой установлены вентиляторы (А1 и А2), термостат SK1 и клеммник – соединитель ХТ1 и ХТ2.

Панель вентиляторов получает питание 24 В от СБИПК контейнера через термостат. Замыкание контактов термостата происходит при температуре на его корпусе 10С. Размыкание происходит при температуре 2С. Получив питание, вентиляторы работают непрерывно.

Вентилятор инвертора

Вентилятор предназначен для о.хла.ждения радиатора МСИ. Вентилятор крепится своим фланцем выходного сопла к фланцу наружного воздуховода контейнера тягового инвертора. Представляет собой вентилятор осевого типа. С максимальной частотой вращения 2810 об/мин и двигателем мощностью 1,1 кВт. Двигатель вентилятора трехфазный, асинхронный..

Работа вентилятора

Двигатель вентилятора вращает крыльчатку, создавая поток воздуха в воздуховоде контейнера тягового инвертора через рёбра радиатора охлаждения МСИ.

Выход воздуха осуществляется в выходное отверстие в днище контейнера тягового инвертора. Вентилятор работает постоянно как в тяговом и в тормозном режимах, так и на стоянке поезда. При скорости движения вагона меньше 10 км/час блок питания вентиляторов переводит его в работу на скорости вращения 1400 об/мин, что позволяет несколько снизить шум от работы вентиляторов при подъезде к станции и стоянке поезда на станции.