Тяговым приводом вагона являются 4 тяговых электродвигателя, а также комплект электрооборудования для питания двигателей КАТП-1 или КАПТ-2 (комплект асинхронного тягового привода).

4.1 Контейнер тягового инвертора  КТИ

Контейнер тягового инвертора предназначен для размещения оборудования и аппаратуры управления тяговым приводом и питания четырех асинхронных тяговых двигателей. Тяговый инвертор, оборудование которого размещается в контейнере, является преобразователем напряжения контактной сети в трехфазное напряжение, регулируемое по амплитуде и частоте. Контейнер содержит:

• линейный контактор ЛК;
• зарядный контактор ЗК;
• зарядный резистор R_З;
• датчики входного и обратного тока ДТ_ВХ и ДТ_ВЫХ;
• источник вторичного электропитания ИПК;
• панель промежуточных реле ПР;
• блок управления тяговым приводом БУТП;
• датчики тока и напряжения ДТ_W, ДТ_V, ДН1, ДН2 и ДН_С;
• модуль силового инвертора МСИ (транзисторы VT1-VT8);
• вентилятор охлаждения МСИ;
• блок питания вентиляторов БПВ;
• промежуточный дроссель L_П;
• выключатель быстродействующий БВ;
• разрядный резистор R_Р;
• варисторы R_OГР1  и R_OГР2;
• конденсатор сетевого фильтра С_Ф;
• конденсатор инвертора С_И.

Вне контейнера смонтированы дроссель сетевого фильтра L_Ф и тормозной резистор.

Принципиальная схема тягового инвертора приведена на рис. 15.

Контейнер представляет собой металлическую сварную конструкцию, разделенную на отсеки со смонтированным оборудованием. Управление оборудованием тягового инвертора производится посредством блока управления тяговым приводом.

Расположение отсеков и оборудования контейнера представлено на рис. 16.

Отсек контакторов

Содержит линейный контактор ЛК, зарядный контактор конденсатора сетевого фильтра ЗК, предохранитель блока питания вентиляторов ПП-29 номиналом 31,5 А.

Линейный контактор предназначен для подачи питания контактной сети на силовой инвертор  и отключения его при возникновении неисправности,  а также при электрическом реостатном торможении. Включением линейного контактора управляет блок управления тяговым приводом  через промежуточное реле на панели реле.

По конструкции линейный контактор является однополюсным электромагнитным, оборудован дугогасительным устройством. Линейный контактор имеет вспомогательные низковольтные контакты, использующиеся для передачи в БУТП информации о состоянии главных (силовых) контактов.

Отключению линейного контактора предшествует снятие управляющих сигналов с транзисторов модуля силового инвертора (см. ниже), при этом контактор не разрывает цепь под нагрузкой. Однако при возникновении аварийного режима контактор способен разорвать ток перегрузки в силовой цепи.

Зарядный контактор предназначен для подключения к контактной сети конденсатора сетевого фильтра через резистор с целью ограничения тока заряда. В качестве зарядного используется электромагнитный контактор МК1-20М, имеющим дугогасительное устройство. Он также имеет вспомогательные низковольтные контакты, использующиеся для передачи в БУТП информации о состоянии главных контактов. Включением зарядного контактора управляет блок управления тяговым приводом  через промежуточное реле на панели реле.

Размещенный в отсеке предохранитель блока питания вентиляторов предназначен для защиты цепей питания вентиляторов от коротких замыканий и перегрузок.

Отсек дифференциальной защиты

В отсеке расположены датчик прямого линейного тока и датчик обратного тягового тока.

Датчик тока предназначен для формирования электрических сигналов, пропорциональных измеряемому току, для БУТП в качестве сигналов для формирования команд управления модулем силового инвертора и защиты тягового привода от перегрузок. Датчик имеет гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями. Диапазон измеряемого тока до 2000 А. Сигнал о величине входного тока используется в БУТП для электронной защиты силового модуля от превышения потребляемого тока. Сигнал о величине обратного тока используется в БУТП для электронной дифференциальной защиты, которая контролирует прямой и обратный токи на наличие их разности для обнаружения замыкания на «землю» (утечки тока) внутри тягового оборудования.

Отсек вторичного электропитания

В отсеке расположены источник вторичного электропитания оборудования контейнера ИПК и панель промежуточных реле ПР.

ИПК предназначен для организации питания устройств контейнера тягового инвертора и представляет собой четырехканальный источник питания. На выходе источник имеет напряжение 24 В и 15 В и обеспечивает питание БУТП, датчиков тока и напряжения, реле и др. устройств гальванически развязанными напряжением.

Панель реле предназначена для подачи питания на электрические цепи устройств контейнера через промежуточные реле. Промежуточные реле включают контакторы ЗК и ЛК по командам БУТП, формируют сигналы о направлении движения, основного или резервного управления для БУТП от БУВ или КРР.

Отсек блока управления тяговым приводом

Блок управления тяговым приводом является специализированным микропроцессорным устройством и предназначен для управления оборудованием тягового привода. БУТП обеспечивает следующие функции:

• управление контакторами ЛК и ЗК;
• управление силовым инвертором (МСИ) в режимах тяги и электрического  торможения с учетом загрузки вагона;
• управление быстродействующим выключателем БВ;
• управление блоком питания вентиляторов БПВ;
• электронную защиту* силового оборудования в аварийных режимах;
• защиту от юза и боксования колесных пар.

*Примечание: электронной защитой является функция  БУТП по принудительному отключению инвертора (а в отдельных случаях и  отключению быстродействующего выключателя)  в аварийных режимах, выявленных по информации от датчиков.

Кроме того, БУТП выполняет функции  самоинициализации и самодиагностики, оборудован светодиодной панелью для индикации неисправностей и состояния оборудования тягового привода, а также имеет разъем для подключения переносного персонального компьютера.

Для реализации функций управления устройствами БУТП связан с оборудованием тягового привода электрическими цепями. При этом БУТП получает информацию или управляющее воздействие от:

• блока управления вагоном;
• цепей резервного управления;
• датчиков тока и напряжения;
• датчиков частоты вращения двигателей;
• плат управления силовыми IGBT- модулями (МСИ);
• быстродействующего выключателя;
• датчиков температуры радиатора МСИ;
• выходных каналов блока питания вентиляторов.

Выходное воздействие БУТП оказывает на:

• цепи управления контакторами ЛК и ЗК;
• управление силовым инвертором;
• цепи управления БВ;
• цепи передачи информации в БУВ;
• управление БПВ.

Отсек датчиков тока и напряжения

В отсеке смонтированы два датчика тока и два датчика напряжения.

Датчик тока аналогичен датчикам отсека дифференциальной защиты. Датчики тока измеряют токи в фазах А и В на выходе силового инвертора.

Датчик напряжения предназначен для формирования электрических сигналов, пропорциональных измеряемому напряжению, для БУТП в качестве сигналов для формирования управления модулем силового инвертора и защиты тягового привода от перегрузок. Датчик имеет гальваническую развязку между первичной и вторичной цепями. Измеряемое напряжение до 2000 В. Датчики напряжения используются в качестве датчиков линейного напряжения на выходе модуля силового инвертора.

Кроме того, отсек используется для подключения внешних кабелей питания тяговых двигателей через кабельные вводы.

Отсек модуля силового инвертора

Силовая часть инвертора построена на IGBT-транзисторах модульной конструкции (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором). Каждая фаза инвертора выполнена полумостовой схемой с параллельным включением модулей на общую нагрузку, что позволяет коммутировать выходные токи до 800 А.

Параллельно входу инвертора подключаются конденсатор, необходимый для подавления импульсов напряжения, которыми сопровождается коммутация  IGBT-транзисторов.

Работой транзисторов силового инвертора  управляет БУТП посредством плат управления транзисторными модулями.

Модули транзисторов смонтированы на радиаторе (охладителе), размещенном в вентиляционном канале и обдуваемом вентилятором инвертора. Радиатор оборудован датчиком температуры, который подключен к БУТП. При превышении температуры +85°С инвертор отключается.

Транзисторы VT1-VT6 (см. эл.схему на рис. 15) образуют трехфазный силовой инвертор питания тяговых двигателей. Транзистор VT7 работает в качестве регулятора тормозного тока при реостатном торможении (тормозного чоппера) и в качестве закорачивающей цепи при превышении напряжения в контактной сети  значения 1050 В в режиме тяги. Транзистор VT8 используется в качестве обратного диода тормозного резистора.

В качестве вентилятора МСИ использован асинхронный электродвигатель (220В, 50Гц, 1,1 кВт), закрепленный фланцем выходного сопла к фланцу наружного воздуховода контейнера тягового инвертора. Выход воздуха осуществляется через отверстие в днище контейнера тягового инвертора.

Электродвигатель вентилятора получает питание от отдельного блока питания БПВ. При скорости движения вагона меньше 10 км/ч БПВ переводит вентилятор в работу на пониженной скорости вращения, что при стоянках обеспечивает снижение шума, создаваемого работой вентиляторов.

Кроме модуля силового инвертора МСИ в отсеке смонтирован конденсатор сетевого фильтра, который совместно с дросселем сетевого фильтра составляет LC-фильтр низких частот. Фильтр уменьшает колебания тока, создаваемые инвертором, чем снижаются помехи в контактной сети. Фильтр также защищает тяговое оборудование от бросков напряжения в контактной сети. Конденсатор сетевого фильтра (емкость 16000 мкФ, напряжение до 1300 В) состоит из двух соединенных параллельно конденсаторов.

Отсек блока питания вентиляторов

Блок питания вентиляторов (БПВ) предназначен для питания асинхронных двигателей вентиляторов МСИ и тормозного резистора. БПВ имеет два независимых канала трехфазного напряжения 220 В. Включение БПВ в работу осуществляет БУТП. При этом на  выходе формируется напряжение с увеличивающейся частотой. БУТП обеспечивает работу вентиляторов в двух режимах:  рабочий режим и экономичный режим, когда двигатель питается напряжением пониженной частоты. Экономичный режим включается при скорости движения менее 10 км/ч.

БПВ передает информацию о неисправностях по выходным каналам в БУТП. При выявлении неисправностей БУТП осуществляет повторный запуск БПВ в работу. При отказе БПВ, а также неисправностях вентиляторов работа тягового привода блокируется.

Отсек дросселя промежуточного фильтра

В отсеке расположен дроссель промежуточного фильтра и датчик линейного напряжения.

Дроссель промежуточного фильтра совместно с  конденсатором фильтра инвертора образуют LC-фильтр, предназначенный для   подавления колебаний токов, возникающих между конденсатором сетевого фильтра и конденсатором фильтра инвертора. Колебания тока могут быть вызваны разрядом и зарядом конденсатора сетевого фильтра при проезде неперекрываемых токоразделов или отключением БВ.

Датчик напряжения предназначен для измерения напряжения на конденсаторе сетевого фильтра. Датчик аналогичен датчикам напряжения, установленным в отсеке датчиков тока и напряжения.

Отсек быстродействующего выключателя

Быстродействующий выключатель БВ предназначен для защиты электрооборудования тягового привода от токов короткого замыкания и перегрузок. Ток отключения – 1500 А. БВ и БУТП имеют общие электрические цепи для передачи сигналов управления и сигналов о состоянии БВ. Включение быстродействующего выключателя осуществляется БУТП с выдержкой времени 5 – 10 с после включения выключателя батареи.

При отключении быстродействующего выключателя БУТП автоматически с выдержкой производит повторное его включение. При  повторном отключении работа БВ блокируется.

Выключатель представляет собой серийно выпускавшийся (МЭТЗ г. Мытищи) быстродействующий выключатель ВБ-630/1. В дальнейшем завод-изготовитель вагонов приступил к комплектации электропривода быстродействующими выключателями UR6-31 производства «Secheron» (ITC Electronics).

Центральный отсек

В центральном отсеке расположены шины и силовые кабели высоковольтных узлов, а также варистор защиты от перенапряжений.

Разрядный резистор

Разрядный резистор подключен параллельно конденсатору сетевого фильтра и обеспечивает разряд конденсатора сетевого фильтра с 750 В до 50 В за 4 мин. Сопротивление резистора 1100 Ом, рассеиваемая мощность 600 Вт. Разрядный резистор смонтирован под защитным кожухом на наружной стенке отсека БВ контейнера.

Зарядный резистор

Зарядный резистор предназначен для ограничения тока заряда конденсатора сетевого фильтра.

Резистор состоит из четырех проволочных резисторов, включенных параллельно и смонтированных на стеклотекстолитовой панели, которая смонтирована снаружи отсека контакторов и защищена кожухом.

Мощность резистора 800 Вт, номинальное сопротивление 14 Ом.

Тормозной резистор

Тормозной резистор предназначен для рассеивания электрической энергии вырабатываемой генераторами в режиме электрического реостатного торможения. Конструкция тормозного резистора представляет собой набор малоиндуктивных резистивных элементов, помещенных в стальной корпус 4 (Рис. 17), оборудованный принудительной вентиляцией.

Через изоляционные трубки и керамические вставки 20 между стержнями расположены отрезки резистивной ленты 19, соединенные сваркой в единую последовательную цепь. Конструкция элемента тормозного резистора представлена на рис. 17 г. Тормозной резистор состоит из трёх секций 5, соединённых последовательно. Каждая секция состоит из трёх соединённых параллельно элементов. Три элемента, составляющие секцию 5, монтируются на двух вертикальных боковых крышках 7. Между крышками установлены три пары горизонтальных стержней 16 (по два на каждый элемент), закрепленных с помощью гаек 17 и 18 (рис.17 в и г).

Для соединения элементов между собой и внешними цепями к концам элементов приварены соединительные клеммы 8. Внутренние электрические соединения выполнены шинами 11, соединенными с выводными клеммами 12. Посредством четырех изоляторов 10 боковые крышки элементов резистора крепятся внутри  корпуса к его боковым стенкам.

Двигатель вентилятора размещен в цилиндрическом кожухе 2 и закрепляется фланцем на корпусе резистора. Входное сопло 1 защищено решеткой. Выход воздуха осуществляется через выходное сопло 9 на противоположном конце корпуса резистора. Сопло защищено решёткой и направляет нагретый воздух  вниз.

Корпус тормозного резистора крепится на раме вагона и заземляется медным шунтом посредством болта 3. Внешние провода подключения тормозного резистора подведены через уплотнения на панели 13. Провода двигателя вентилятора 15 подключены в клеммной коробке 14. Асинхронный двигатель вентилятора получает питание от БПВ.

Дроссель сетевого фильтра

Совместно с конденсатором С_Ф дроссель (рис. 18) составляет LC-фильтр, предназначенный для снижения помех в контактной сети, создаваемых инвертором, а также защиты тягового оборудования от бросков напряжения.  Катушка дросселя 1 выполнена из шинной меди, намотанной плашмя, и размещена на сердечнике 2. Концы обмотки оборудованы клемными наконечниками 3 для подсоединения двойных кабелей 4. Сердечник броневого типа набран из штампованных листов электротехнической стали и стянут в магнитопровод уголками 5 и шпильками 6. Лобовые части катушки от механических повреждений защищены кожухом 7. Внешние кабели подсоединяются в клеммной коробке 8 через герметичные кабельные вводы 9. Рядом с клеммной коробкой расположен болт заземления 10. Крепление на раме вагона выполнено с помощью П-образных скоб 11 четырьмя болтами.

4.2 Работа тягового привода

Управление тяговым приводом

Управление тяговым приводом обеспечивает БУТП, управляющие сигналы на который в штатном режиме поступают от блока управления вагоном БУВ или по поездным проводам от резервного контроллера реверса КРР – в режиме резервного управления.

В штатном режиме от блока управления вагоном в БУТП поступают сигналы о выбранном направления движения, заданном режиме («Ход» или «Тормоз») и позиции контроллера машиниста.

В тяговом режиме предусмотрены четыре уставки «Ход1», «Ход2», «Ход3» и «Ход4», которые в процентном отношении составляют соответственно 40, 60, 75 и 100 % от максимального тягового усилия двигателей. В тормозном режиме предусмотрены уставки «Тормоз1», «Тормоз2» и «Тормоз3», которые в процентном отношении составляют соответственно 60, 75 и 100 % от максимальной тормозной силы генераторов. Каждая уставка автоматически корректируется в соответствии с загрузкой вагона.

Резервное управление тяговым приводом осуществляется независимо от команд управления БУВ и только в режиме тяги. Предусмотрены две уставки «Ход1» и «Ход2», которые в процентном отношении составляют соответственно 40 и 100% от максимального тягового усилия двигателей.

Работа тягового привода в режиме тяги

При включении выключателя батареи напряжение бортовой сети подаётся в блок управления тяговым приводом, который проводит самодиагностику и инициализацию. При  положительном результате БУТП включает быстродействующий выключатель и зарядный контактор. При наличии напряжения в контактной сети и включенном положении главного разъединителя происходит заряд конденсатора сетевого фильтра через зарядный резистор. При напряжении на конденсаторе близком к напряжению сети БУТП включает линейный контактор и отключает зарядный контактор.

При поступлении команды на включение тягового режима БУТП формирует управляющее воздействие на МСИ, который обеспечивает питание электродвигателей с параметрами соответствующей уставки.

При проезде неперекрываемого токораздела по сигналу датчика тока (ток менее 30 А) БУТП снимает управляющие импульсы с транзисторов силового инвертора – происходит  выключение тягового привода.

Если конденсатор сетевого фильтра разрядился до напряжения 530 В, то  при появлении сетевого напряжения питание инвертора осуществляется через линейный контактор.

Если напряжение на конденсаторе станет меньше 530 В, то включается зарядный контактор, а линейный – отключается. Заряд конденсатора до напряжения сети произойдет через зарядный резистор. Силовой инвертор включится автоматически.

При установке контроллера машиниста в положение «Выбег» БУТП снимает управляющие импульсы с транзисторов силового инвертора – происходит  выключение тягового привода. Линейный контактор остается включенным.

Если производится повторное подключение, то БУТП ограничивает темп нарастания напряжения на двигателях до значения соответствующего текущей скорости движения. Такой режим включения тягового режима обеспечивает плавное нарастание реализуемой мощности двигателей.

Работа привода в тормозном режиме

В тормозном режиме БУТП снижает частоту питающего напряжения, что вызывает перевод двигателей в генераторный режим, при котором  в обмотках статора генераторов вырабатывается переменная ЭДС, частота и величина которой, пропорциональна скорости вращения ротора.

Процесс возбуждения генераторов возможен только при наличии напряжения в контактной сети.

Инвертор, работая в режиме выпрямителя, преобразует переменный трехфазный ток в постоянный, который через включенный линейный контактор подается в контактную сеть. Таким образом осуществляется рекуперативное электродинамическое торможение, которое возможно только при наличии потребителя вырабатываемой электроэнергии. Если потребителя нет, т.е. контактная сеть энергию не принимает, то возможно только реостатное торможение. В этом случае БУТП отключает ЛК и управляет транзистором тормозного чоппера, который, будучи нагружен тормозным резистором, регулирует величину тока ивертора, а, следовательно, и  величину тока генераторов (тормозную силу вагона).

По мере снижения скорости частота и амплитуда вырабатываемого генераторами тока снижаются, что приводит к снижению тормозной силы. На малых скоростях (около 5 км/час) наступает истощение электротормоза. При этом БУТП снимает сигналы управления с транзистора чоппера и транзисторов силового инвертора. Тяговый привод отключается, а электротормоз замещается фрикционным колодочным. Конденсатор сетевого фильтра заряжается через зарядный резистор до напряжения сети происходит отключение зарядного и последующее включение линейного контактора.

Особенности работы тягового привода в тормозном режиме:

1. Если включение тормозного режима совпадает с проследованием неперекрываемого токораздела, то электрическое торможение вагона не происходит до тех пор, пока на токоприёмниках вагона не появится высокое напряжение.
2. При отсутствии высокого напряжения в контактном рельсе электрическое торможение не возможно. В этих случаях электротормоз будет замещен колодочным с уставкой, зависящей от положения контроллера машиниста.
3. Проезд токораздела не оказывает влияния на работу генераторов в режиме реостатного торможения.
4. Если в процессе электрического торможения снимается напряжение с контактного рельса, то возможно только реостатное торможение.

При установке контроллера машиниста в позицию «Выбег» БУТП производит снижение тока генераторов с последующим отключением тягового привода, после чего происходит заряд конденсатора фильтра до напряжения сети через зарядный контактор и последующее включение линейного контактора.

Защита силовых цепей тягового привода

При возникновении аварийных режимов в силовых цепях привода возникают повышенные токи, приводящие к повреждению электрооборудования.

Аварийные режимы возникают при нарушении целостности изоляции и выходе из строя транзисторов силового инвертора, а также при нарушении нормальной работы инвертора из-за сбоев в работе БУТП или нарушении токосъема с контактного рельса. От повышенных токов тяговый инвертор защищается главным предохранителем и  быстродействующим выключателем, который в аварийных режимах разрывает цепь, а также отключается по командам БУТП, что является функцией электронной защиты. Для защиты от перенапряжений в цепях установлены варисторы R_OГР1  и R_OГР2 .

Электронная защита предотвращает развитие (рост) аварийных токов и напряжений в силовой цепи при отклонениях от нормальной работы на уровне, когда контролируемые параметры превосходят рабочие значения, не приводящие к выходу из строя силовых полупроводниковых приборов, но еще не достигшие уставок аппаратной защиты.

При срабатывании любой из защит БУТП выключает силовой инвертор тягового привода, снимая импульсы управления транзисторами МСИ.

Электронная защита производит блокирование работы МСИ в случаях:

• перегрузки по входному току;
• перенапряжений в контактной сети;
• перегрузки инвертора по выходному току;
• замыканий силовых цепей на землю (дифференциальная защита);
• перегрева инвертора и тормозного резистора;
• неисправности БВ.

При перенапряжении в контактной сети БУТП включает чоппер тормозного резистора, если рост напряжения не прекращается, то БУТП принудительно выключает БВ.

Дифференциальная защита работает в режиме тяги и сопровождается выключением БВ.

Защита от перегрева инвертора включается, когда температура на радиаторе охлаждения модуля силового инвертора превысит  85ºC. Выключение происходит при снижении температуры до 70ºC.

Защита от перегрева тормозного резистора включается при поступлении с блока питания вентилятора БПВ в БУТП сигнала о неисправности вентилятора охлаждения тормозного реостата. При этом блок управления запрещает режим электрического торможения тяговым приводом.

Информация о срабатывании электронной защиты запоминается в памяти БУТП. Во всех случаях срабатывании защиты происходит автоматическое повторное включение, однако при повторной сработке работа тягового привода блокируется.

Защита от боксования и юза

БУТП обеспечивает защиту тягового привода от боксования и юза колесных пар. Информация об угловой скорости вращения ротора, получаемая от ДЧВ, режиме реального времени сравнивается со скоростью движения вагона, которая вычисляется расчетом. По разности скоростей каждой колесной пары и линейной скорости вагона БУТП выявляет начало процесса боксования или юза и производит снижение силы тяги двигателей или тормозной силы генераторов путем уменьшения частоты и напряжения на выходе инвертора.

После восстановления сцепления (наступает равенство скоростей) БУТП замедленным темпом восстанавливает значение тяговой или тормозной уставки.