पावर कन्वर्टर — वास्तविक संरचना, नियंत्रण एवं सुरक्षा

विद्युत अभियांत्रिकी विद्युत इंजन अध्याय 12/28 26 मिनट पठन स्रोत: सत्यापित स्रोत
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ट्रैक्शन मोटरों हेतु थ्री-फेज़ वोल्टेज वाहन पर मुख्य (एकल-फेज़) ट्रांसफार्मर एवं ट्रैक्शन मोटरों के बीच जुड़े दो ट्रैक्शन कन्वर्टर द्वारा उत्पन्न होती है। 3-फेज़ कन्वर्टर आउटपुट की आवृत्ति एवं आयाम दोनों चालक मांग अनुसार निरंतर बदलते हैं, निरंतर, सुचारू टॉर्क/गति समायोजन देते हुए। विद्युत ब्रेकिंग के दौरान, ट्रैक्शन मोटर जनरेटर के रूप में कार्य करती हैं — कन्वर्टर परिणामी 3-फेज़ ऊर्जा को एकल-फेज़ ऊर्जा में बदलता है जो लाइन में वापस फीड होती है (रीजेनरेटिव ब्रेक)।

वास्तविक संक्षिप्ताक्षर शब्दावली (कन्वर्टर दस्तावेज़ीकरण)

संक्षिप्ताक्षरवास्तविक अर्थ
ALGDrive control unit
ASRMotor converter
BURAuxiliary converter
FLGVehicle control unit
GUGate unit
GUSETGate unit transmitter/receiver test unit
GUSPGate unit power supply
MUBOver-voltage protection circuitry
NSRLine converter
SLGConverter control unit
SRConverter
UdDC-link voltage
VSValve set
ZKDC-link
ZPPair of arms

4 मुख्य कार्यात्मक समूह एवं वास्तविक घटक पदनाम

ट्रैक्शन कन्वर्टर मॉड्यूलर है, 4 मुख्य कार्यात्मक समूहों से मिलकर बना: लाइन कन्वर्टर, DC-लिंक, अति-वोल्टेज सीमन परिपथ (MUB), एवं मोटर कन्वर्टर।

वास्तविक टैगघटक
A11, A12Line converter — oil-cooled valve sets, 2 pairs of arms each
A111-A114, A121-A124Gate units (forced-air cooled)
K01Charging contactor
K11Converter contactor
R04Charging resistor
U11-U14Current transducers (line converter)
A31DC-link capacitor bank
A33Series resonant circuit capacitor bank
L02Series resonant choke (outside converter block)
Q21Earthing switch
R51, R52Earthing resistors
R71Over-voltage limitation resistor (MUB)
U01, U02Voltage transducers (DC-link voltage measurement)
H08Voltage indicator
U05Earth-fault monitoring voltage transducer
A21Motor converter — oil-cooled valve set, 2 pairs of arms
A22Oil-cooled valve set — 1 arm for motor converter + 1 arm (MU23) for MUB
A211-A222, A223Gate units for motor converter / MUB-arm
U21-U23Current transducers (motor converter)
A01Converter bus station — houses SLG + ALG
A04Primary voltage transformer module
A08Gate unit power supply (GUSP)

लाइन कन्वर्टर (NSR) — वास्तविक कार्य

लाइन कन्वर्टर दो पल्स-नियंत्रित एकल-फेज़ फुल-ब्रिज परिपथ (A11, A12) से मिलकर बना है जो एक ट्रांसफार्मर सेकंडरी वाइंडिंग से जुड़े हैं। यह एक सेल्फ-कम्यूटेटिंग 4-क्वाड्रेंट कन्वर्टर है: AC टर्मिनल समान आयाम की स्क्वायर-वेव वोल्टेज पल्स देखते हैं, DC-लिंक वोल्टेज के PWM द्वारा उत्पन्न। कन्वर्टर इनपुट धारा EL (ट्रांसफार्मर रिएक्टर के आर-पार वोल्टेज) के क्वाड्रेचर में है; चूंकि Es, EL एवं Ec का सदिश योग है, Ec का आयाम एवं फेज़ बदलना (PWM के माध्यम से) Is को Es के साथ फेज़ में रखता है, चालन या ब्रेकिंग मोड दोनों में cos φ = 1 प्राप्त करते हुए। फुल-ब्रिज GTO लाइन आवृत्ति से बहुत अधिक आवृत्ति पर स्विच होते हैं; 4 भुजा-जोड़ी हेतु स्विचिंग संकेत एक दूसरे के सापेक्ष 90° (एक चौथाई स्विचिंग अवधि) से शिफ्ट किए जाते हैं, ट्रांसफार्मर की प्राइमरी AC धारा को लगभग साइनसॉइडल एवं पूरी संचालन सीमा में लाइन हार्मोनिक धाराओं को न्यूनतम रखते हुए। लाइन कन्वर्टर DC-लिंक वोल्टेज को पावर, ऊर्जा-प्रवाह दिशा, एवं लाइन वोल्टेज पर निर्भर मान पर बनाए रखता है। इस कन्वर्टर हेतु विशेष रूप से उच्च स्ट्रे इंडक्टेंस (30% ≤ uk ≤ 50%) वाला ट्रांसफार्मर उपयोग किया जाता है।

दो कन्वर्टर ब्रिज (A11, A12) में से प्रत्येक में दो द्विध्रुवी स्विच हैं — दो GTO-थायरिस्टर भुजा प्लस एंटी-पैरेलल में दो डायोड द्वारा साकार। अपने स्नबर-परिपथ घटकों सहित ये दो भुजा-जोड़े, एक वर्गाकार एल्युमिनियम टैंक में आवासित हैं जो एक तेल-भरा, बलपूर्वक-तेल-शीतित वाल्व सेट बनाता है। 4 गेट यूनिट वाल्व सेट का हिस्सा नहीं हैं परंतु इसके निकट स्थित हैं। लाइन कन्वर्टर इनपुट धाराएं करंट ट्रांसड्यूसर U11, U12, U13, U14 द्वारा मापी जाती हैं, जिनका आउटपुट ड्राइव कंट्रोल यूनिट (ALG) में कन्वर्टर कंट्रोलर को फीड होता है।

DC-लिंक (ZK) — वास्तविक कार्य

DC-लिंक लाइन कन्वर्टर को मोटर कन्वर्टर से जोड़ता है, मुख्यतः मोटर-साइड एवं लाइन-साइड टर्मिनल के बीच आवधिक एवं गैर-आवधिक दोनों पावर भिन्नताओं की भरपाई करते हुए। आवधिक स्पंदन इसलिए होता है क्योंकि सममित 3-फेज़ प्रणाली (ट्रैक्शन मोटर) में पावर स्थिर है, जबकि एकल-फेज़ प्रणाली (लाइन कन्वर्टर) में पावर लाइन आवृत्ति के दोगुने पर स्पंदित होती है — इसलिए DC-लिंक को लाइन कन्वर्टर से लाइन आवृत्ति के दोगुने पर स्पंदित धारा फीड की जाती है, जबकि मोटर कन्वर्टर लगभग शुद्ध DC धारा खींचता है। A33-L02 सीरीज़ रेज़ोनेंट परिपथ इस दोहरी-लाइन-आवृत्ति धारा को फिल्टर करता है — इसे ठीक उस आवृत्ति पर ट्यून किया जाना चाहिए। गैर-आवधिक पावर भिन्नताएं — अचानक पावर-संतुलन गड़बड़ी (पेंटोग्राफ उछाल, व्हील स्पिन) से अनियमित क्षणिक उछाल — पूर्णतः टाला नहीं जा सकता परंतु न्यूनतम किया जा सकता है; गड़बड़ी के बाद पावर संतुलन तुरंत पुनर्प्राप्त नहीं हो सकता, इसलिए एक निश्चित विलंब होता है।

DC-लिंक कैपेसिटर (A31) गैर-आवधिक पावर भिन्नताओं की देखभाल करता है एवं दोनों कन्वर्टर से हार्मोनिक धाराएं (लाइन आवृत्ति के दोगुने से अधिक आवृत्ति) अवशोषित करता है; यह इस प्रकार रेटेड है कि सभी संचालन स्थितियों में DC-लिंक वोल्टेज यथासंभव स्थिर रहे।

अति-वोल्टेज सीमन परिपथ (MUB) — वास्तविक कार्य

यदि अकेले कैपेसिटर A31 अचानक अस्वीकार्य क्षणिक अति-वोल्टेज को रोक नहीं सकता, R71 अति-वोल्टेज सीमन प्रतिरोधक A22 वाल्व सेट में एक GTO फायर करके लगभग तुरंत DC-लिंक के आर-पार जुड़ जाता है, जैसे ही एक निश्चित अति-वोल्टेज सीमा पहुंचती है; अति-वोल्टेज क्षय होने पर GTO फिर से बंद हो जाता है। DC-लिंक अति-वोल्टेज के वास्तविक कारण: व्हील स्पिन, पेंटोग्राफ उछाल, एवं एक डिट्यून्ड/दोषपूर्ण सीरीज़ रेज़ोनेंट परिपथ (L02, A33)। MUB परिपथ वाहन के पावर-डाउन होने पर कन्वर्टर DC-लिंक भी डिस्चार्ज करता है। MUB-प्रतिरोधक मान 2.5 mΩ है, नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स में एक थर्मल मॉडल द्वारा इसका तापमान निगरानी किया गया। DC-लिंक अतिरिक्त रूप से वहन करता है: DC-वोल्टेज मापन ट्रांसड्यूसर U01/U02 (कन्वर्टर नियंत्रण हेतु), वोल्टेज इंडिकेटर H08 एवं कन्वर्टर अर्थिंग स्विच Q21, एवं अर्थ-फॉल्ट निगरानी (U05, R51+R52)।

मोटर कन्वर्टर (ASR) — वास्तविक कार्य एवं 3 नियंत्रण सीमाएं

मोटर कन्वर्टर एक पल्स-नियंत्रित 3-फेज़ ब्रिज परिपथ (वाल्व सेट A21, A22) है जो एक ओर DC-लिंक से एवं दूसरी ओर 3 मोटर स्टेटर वाइंडिंग (स्टार-जुड़ी) से जुड़ा है; प्रति बोगी 2 या 3 मोटर समानांतर जुड़ी हैं। प्रत्येक भुजा-जोड़ी DC-लिंक वोल्टेज से स्थिर आयाम की स्क्वायर पल्स की एक AC वोल्टेज उत्पन्न करती है; मौलिक आवृत्ति एवं आयाम दोनों निरंतर एवं स्वतंत्र रूप से बदले जा सकते हैं। 3 आउटपुट वोल्टेज (टर्मिनल 1U2, 1V2, 1W2 पर) एक दूसरे से 120° फेज़-शिफ्टेड हैं। मोटर टॉर्क/गति इन पल्स-आकार फेज़ वोल्टेज की आवृत्ति एवं आयाम दोनों को निरंतर बदलकर नियंत्रित होती है: मोटरिंग मोड में, टर्मिनल-वोल्टेज आवृत्ति मोटर गति से मेल खाने वाली आवृत्ति से अधिक होती है (पॉज़िटिव स्लिप → पॉज़िटिव टॉर्क); ब्रेकिंग में, टर्मिनल-वोल्टेज आवृत्ति उस मेल खाने वाली गति से नीचे कम की जाती है (नेगेटिव स्लिप → ब्रेकिंग टॉर्क)।

वास्तविक नियंत्रण सीमावास्तविक वोल्टेज/गति कवरेजवास्तविक तंत्र
ISR (Indirect Self-control)Standstill (0 V) up to ~30% of nominal voltage/frequencyPWM keeps voltage-amplitude-to-frequency ratio roughly constant; motors constantly magnetised at nominal induction, loadable with nominal torque throughout. GTO switching frequency constant over the whole range — motor voltage per half-wave has a variable number of pulses of the same amplitude but differing widths.
TB-DSR (Tolerance Band control)~30% up to ~98% of nominal voltage/frequencyMotors fully magnetised, loadable with full torque. Torque is controlled to a SET VALUE, not an average; actual-vs-set torque must stay within a preset tolerance band whose width is set by admissible GTO-switching frequency — the converter always runs at the largest possible switching frequency for the smallest possible torque pulsation.
Field-Weakening DSR (square-wave operation)Between nominal speed (nominal voltage) and maximum motor speedMotor-voltage amplitude held at maximum throughout; only frequency changes, so motor flux and pullout torque are inversely proportional to frequency. Line-line motor voltage in square-wave operation is formed by ONE voltage pulse per half-wave.

वास्तविक नियंत्रण पदानुक्रम एवं स्वचालित स्व-परीक्षण

नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स पूर्णतः माइक्रोप्रोसेसर-आधारित है, सभी यूनिट MICAS वाहन डेटा बस के माध्यम से जुड़ी हैं। प्रत्येक वाहन का एक केंद्रीय वाहन नियंत्रण यूनिट (FLG) है; प्रत्येक कन्वर्टर का अपना कन्वर्टर बस स्टेशन (A01) है, जिसमें कन्वर्टर कंट्रोल यूनिट (SLG) एवं ड्राइव कंट्रोल यूनिट (ALG, जिसमें लाइन कन्वर्टर एवं मोटर कन्वर्टर हेतु अलग कंट्रोलर भी हैं) दोनों हैं। कन्वर्टर में अर्थिंग स्विच Q21 को छोड़कर कोई हाथ-संचालित घटक नहीं है।

कन्वर्टर टर्न-ऑन/ऑफ — वास्तविक क्रम

पावरिंग-अप: OFF-LINE परीक्षण के बाद, K01 चार्जिंग कॉन्टैक्टर बंद होता है ताकि DC-लिंक चार्जिंग रेसिस्टर R04 एवं वाल्व सेट A11 में डायोड के माध्यम से प्री-चार्ज हो; तुरंत बाद K11 मुख्य कॉन्टैक्टर बंद होता है। लाइन कन्वर्टर हेतु GTO नियंत्रण पल्स अगली बार रिलीज़ होते हैं, एवं लगभग 200 ms बाद मोटर कन्वर्टर (ASR) हेतु पल्स रिलीज़ होते हैं। नियंत्रण-पल्स रिलीज़ हेतु आवश्यक: बंद वाहन मुख्य सर्किट ब्रेकर, कन्वर्टर पावर्ड-अप (OFF-LINE एवं ON-LINE परीक्षण OK), गेट-यूनिट आपूर्ति (GUSP) OK, फॉरवर्ड/रिवर्स पर सेट रिवर्सिंग स्विच, एवं चार्ज्ड DC-लिंक।

पावरिंग-डाउन तब होता है यदि: वाहन को सेवा से बाहर किया जाए, कन्वर्टर सुरक्षा चरण 4 या 5 ने प्रतिक्रिया दी हो, या लाइन वोल्टेज लंबे समय तक बहुत कम रहे। पावर-डाउन के दौरान: मांगित टॉर्क शून्य तक रैंप होता है, दोनों कन्वर्टर के फायरिंग पल्स निषिद्ध होते हैं, मुख्य सर्किट ब्रेकर खुलता है, K11 खुलता है, एवं DC-लिंक डिस्चार्ज हेतु MUB चालू किया जाता है।

कन्वर्टर सुरक्षा — वास्तविक 5-चरण अवधारणा

चरणवास्तविक ट्रिगरवास्तविक प्रभाव
1Converter reaches its control limits (GTO minimum switching-time/interlock monitoring within a pair of arms)Normal operation maintained; diagnostic system indicates a fault only
2 — power/current limitationOverhead line under-voltage, OR motor converter operated with fundamental frequency below 1.1 HzReduction of motor torque; no fault indicated
3 — instantaneous voltage limitation (MUB)DC-link over-voltage threshold reachedNormal operation transiently affected but maintained; no fault indicated
4 — full reduction of loadTransducer plausibility-test failure (thermal drift/defective transducer), MUB-resistor overheat, cooling-medium temperature too high/inlet pressure too low, or converter control circuits reach an abnormal state (e.g. a GTO can't be fired)Torque ramped to zero (controlled), all GTOs of both converters turned off; converter re-tested via OFF-LINE test and restarted if it passes — else fully powered down (DC-link discharged)
5 — immediate converter shut-downMax. DC-link voltage exceeded despite MUB (stage 3) activation; MUB responds repeatedly; max. current exceeded at a power terminal; gate units signal an inadmissible switching state/defective GTO; DC-link voltage drops inexplicably below minimum; or gate-unit/control-electronics power supply failsConverter shut down without delay — MUBs fired via continuous pulse, all GTOs of both converters turned off, vehicle main circuit breaker opened; undergoes OFF-LINE test after shutdown, stays shut down if unsuccessful

लाइन अंडर-वोल्टेज के अंतर्गत व्यवहार — वास्तविक पावर-डिरेटिंग वक्र

यदि संचालन के दौरान लाइन वोल्टेज न्यूनतम अनुज्ञेय मान से नीचे गिरता है, मोटर कन्वर्टर — फिर तुरंत बाद, लाइन कन्वर्टर (या इसके विपरीत, मोटरिंग/ब्रेकिंग पर निर्भर) — बंद होता है। इस अवरुद्ध स्थिति में DC-लिंक वोल्टेज धीरे-धीरे गिरता है; यदि DC-लिंक वोल्टेज बहुत अधिक गिरने से पहले लाइन वोल्टेज सहनशीलता के भीतर लौटता है, फायरिंग पल्स फिर रिलीज़ होते हैं। यदि लाइन वोल्टेज न्यूनतम से नीचे लगभग 10 सेकंड से अधिक रहता है, कन्वर्टर पावर-डाउन होता है; लाइन वोल्टेज ठीक होने पर, सामान्य पावर-अप क्रम पुनः शुरू होता है।

🎯
परीक्षा पर ध्यान — वास्तविक OHE-वोल्टेज बनाम पावर वक्र
वास्तविक डिरेटिंग बिंदु: 17.5kV से नीचे = 0% पावर; 18.5kV पर 80% पावर तक रैंपिंग; 22.5kV से 27.5kV तक 100% पावर बना रहना; 30kV पर वापस 0% तक रैंपिंग। यह वास्तविक-समय OHE वोल्टेज के विरुद्ध कन्वर्टर की पावर आउटपुट का पालन करने वाला सटीक सहनशीलता आवरण है।

IGBT-आधारित ट्रैक्शन कन्वर्टर अपग्रेड — वास्तविक आधुनिक संरचना

एक नया IGBT-आधारित ट्रैक्शन कन्वर्टर WAP5, WAP7, एवं WAG9/9H के मौजूदा GTO ट्रैक्शन कन्वर्टर — उनके ट्रैक्शन नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स सहित — का स्थान आधुनिक IGBT ड्राइव से लेने हेतु डिज़ाइन किया गया है, साथ ही मौजूदा MICAS-S2 वाहन नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ इंटरफेसिंग/संचार करते हुए। सिस्टम विवरण: 25kV/50Hz कैटेनरी पेंटोग्राफ, मुख्य सर्किट ब्रेकर, प्राइमरी CT, एवं छत केबल बुशिंग के माध्यम से मुख्य ट्रांसफार्मर प्राइमरी को फीड करती है। सेकंडरी वाइंडिंग के दो सेट (कुल 4 वाइंडिंग) लाइन एवं चार्जिंग कॉन्टैक्टर के माध्यम से 2 समान IGBT मुख्य कन्वर्टर से जुड़ते हैं, ट्रैक्शन पावर आपूर्ति करते हुए। सेकंडरी AC को एक PWM कन्वर्टर (IGBT ब्रिज) द्वारा रेक्टिफाई/नियमित किया जाता है, फिर नियमित DC एक VVVF IGBT 3-फेज़ PWM इन्वर्टर को फीड करता है — प्रत्येक इन्वर्टर 3 व्यक्तिगत ट्रैक्शन मोटर फीड करता है (अर्थात एक्सल/स्वतंत्र नियंत्रण)।

WAP7 होटल लोड सिस्टम — वास्तविक विवरण

WAP7 अनिवार्यतः माल WAG9 का यात्री संस्करण है, उच्च-गति संचालन हेतु संशोधित गियर अनुपात एवं सॉफ्टवेयर सहित। यह WAP5 के ट्रांसफार्मर का पुनः उपयोग करता है, जिसमें 945 kVA होटल-लोड वाइंडिंग है। यह वाइंडिंग 2 × 500 kVA स्टैटिक कन्वर्टर फीड करती है, एकल-फेज़ 750V आपूर्ति को 750V 3-फेज़ आपूर्ति में परिवर्तित करते हुए, एक IV कपलर के माध्यम से मौजूदा EOG (एंड-ऑन-जेनरेशन) ट्रेन के फीडर को प्रसारित। होटल-लोड परिपथ की वास्तविक सुरक्षात्मक/निगरानी श्रृंखला में सर्ज अरेस्टर, अर्थ-फॉल्ट डिटेक्शन, करंट सेंसर, होटल लोड हेतु एक इनपुट कॉन्टैक्टर, प्रत्येक साइन-फिल्टर चोक/कैपेसिटर एवं आउटपुट कॉन्टैक्टर सहित 2 होटल-लोड कन्वर्टर शामिल हैं, 3-फेज़ 3-वायर 750V/50Hz आउटपुट देते हुए।

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