Импульсный способ регулирования напряжения на приводных электрических машинах известен сравнительно давно, однако только с появлением силовых полупроводниковых приборов, в первую очередь тиристоров и диодов, он начал применяться на городском электрическом транспорте.

Благодаря высокому быстродействию (малым временам включения) тиристорные регуляторы способны подводить напряжение к тяговым двигателям очень короткими импульсами. При этом среднее напряжение на двигателе определяется параметрами этих импульсов - формой, длительностью и частотой их следования.

Рассмотрим принципиальную схему включения тиристорного регулятора напряжения на тяговом двигателе при пуске (рис. 91, а). Здесь нагрузка, состоящая из двигателя с обмоткой последовательного возбуждения ОБ, питается от контактной сети постоянного тока Пкс через тиристорно импульсный регулятор напряжения (ТИР), условно изображенный в виде тиристора в прямоугольнике. Работу такого тиристорного регулятора будем пред-

ставлять как работу замыкающегося и размыкающегося ключа. Цепь нагрузки шунтирована диодом Д0.

В общем случае такую нагрузку можно заменить эквивалентными последовательно включенными резистором индуктивной катушкой Ьд и источником напряжения Е. Напряжение Е зависит от магнитного потока СФ и частоты вращения якоря, т. е. скорости подвижного состава V, таким образом Е=СФи. Сопротивление і?д и индуктивность Ья включают в себя сумму соответственно сопротивлений и индуктивностей обмоток якоря, главных и добавочных полюсов двигателя, а также сопротивление и индуктивность сглаживающего дросселя, включаемого последовательно с двигателем для уменьшения в нем пульсаций тока и напряжения. Пульсации токов и напряжений обусловлены периодическим изменением параметров схемы с помощью тиристорного ключа ТИР. Чаще всего эти пульсации являются нежелательными и поэтому в схемах применяют различного рода сглаживающие устройства.

Сглаживание пульсаций тока в контактной сети ікс обеспечивает входной Г-образный фильтр, состоящий из конденсатора Сф и катушки индуктивности Тф. Входной фильтр обеспечивает непрерывный ток в контактной сети ікс при прерывистом токе через тиристорный прерыватель іп, а также ограничивает пульсацию напряжения на тиристорном прерывателе при его включениях и выключениях.

При достаточно мощном входном фильтре пульсации тока в контактной сети и напряжения на конденсаторе Сф сравнительно невелики. Поэтому при рассмотрении процессов в двигателях при импульсном регулировании будем считать напряжение на Сф неизменным и равным напряжению в контактной сети

Если Периодически замыкать и размыкать ТИР, то к цепи нагрузки будет прикладываться напряжение источника питания ип на время замкнутого состояния ТИР. После размыкания ТИР напряжение на нагрузке будет равно нулю.

На рис. 91, б время замкнутого состояния ТИР, в течение которого к нагрузке приложен импульс напряжения и„, обозначено через /и, а период включения - через 7. Период включения 7 связан с частотой работы тиристорного ключа 1 известным соотношением 7=1//.

При замыкании ТИР ток /п от источника питания протекает через двигатель и к диоду До в обратном направлении приложено напряжение иВ этот интервал времени /и ток в двигателе /д равен току, потребляемому от источника питания г'п, и нарастает в соответствии с параметрами этого источника и нагрузки.

После размыкания ТИР ток в двигателе будет протекать в том же направлении, замыкаясь через диод До вследствие э. д. с. самоиндукции, наводимой в индуктивности 7Д. В этот период времени (паузы) ток в нагрузке уменьшается.

При рассмотрении процессов в тяговом двигателе, работающем совместно с ТИР, сделаем следующие допущения, упрощающие вывод основных закономерностей:

источник питания идеальный, т. е. сопротивление и индуктивность его равны нулю, пульсации питающего напряжения малы;

постоянная времени цепи нагрузки Тн = Ьая много больше периода следования импульсов 7;

механическая постоянная времени тягового привода много больше периода Т, т. е. за время периода 7 скорость подвижного состава не изменяется;

потери энергии в прерывателе тока ТИР равны нулю; время включения и выключения ТИР мало по сравнению с периодом регулирования 7.

Первое допущение правомерно при достаточно мощном входном фильтре. Второе допущение без больших погрешностей позволяет заменить нелинейный закон изменения тока в цепи нагрузки линейным (рис. 91, в). При этом скорость нарастания тока на интервале может быть определена как отношение Л/дДи, а на интервале /и^/г^7 как отношение [-А/д[(7-/и)]. Отсюда для напряжения на индуктивности нагрузки Дд можно записать:

Третье допущение вносит очень малую погрешность и позволяет при рассмотрении процессов в пределах одного или даже нескольких периодов регулирования 7 считать скорость и, следовательно, э.д. с. тягового двигателя неизменными. Четвертое допущение при токах и напряжениях, имеющих место при импульсном регулировании на подвижном составе городского электрического

транспорта, не вносит большой погрешности и является общепринятым в инженерных расчетах. Последнее допущение лишь ограничивает диапазон изменения времени импульса в пределах периода регулирования Т(t0^.ta^T).

Во всем последующем изложении будем рассматривать только установившиеся процессы, т. е. считать, что токи в цепях с индуктивностью и напряжения на конденсаторах в начале и в конце каждого периода Т одинаковы.

Для схемы рис. 91, а можно записать

где /д, С/д - средние значения тока и напряжения нагрузки.

Из рассмотрения кривых мгновенного (импульсного) напряжения на нагрузке С/д (рис. 91, б) можно заключить, что среднее за период Т напряжение на нагрузке

Отношение tnjT называют относительным временем включенного состояния импульсного регулятора, или коэффициентом заполнения регулятора, и обозначают через Я, т. е. Си/T=tuf=X. Здесь /=1/7’ - частота следования импульсов.

Отсюда можно сделать вывод: при импульсном управлении

среднее напряжение на двигателях пропорционально коэффициенту заполнения импульсного регулятора, и при пуске этот коэффициент изменяется от некоторого начального значения до 1.

Из выражения (52) видно, что среднее напряжение на двигателе можно изменять тремя способами:

1) амплитудный способ, при котором среднее напряжение на нагрузке меняется при изменении значения (формы подводимых импульсов) напряжения, т. е. t/n=var; CIt=const; f = const;

2) частотный способ, при котором среднее напряжение меняется при изменении периода (частоты) следования импульсов постоянного напряжения, т. е. 0„= const; 7H=const; f=vаг;

3) широтный способ, при котором среднее напряжение меняется при изменении ширины импульса /и постоянного по значению напряжения, т. е. t/„ = const; /H=var; 1 = const.

Амплитудный способ регулирования иногда применяют на подвижном составе с автономным питанием. В городском электрическом транспорте этот способ использовать невозможно, так как от контактной сети с постоянным напряжением питается одновременно много потребителей (единиц подвижного состава), находящихся в различных условиях.

Частотный способ изменения среднего напряжения на двигателе постоянного тока изменением частоты регулирования в принципе может быть использован на городском транспорте. Он обладает некоторыми преимуществами перед другими способами, такими, как простота и, следовательно, надежность регулятора и его схемы управления. Однако по экономическим показателям, а также по массе и размерам оборудования частотные системы управления пока уступают системам с широтным управлением. Частотный способ в отдельных случаях с успехом используют на железнодорожном подвижном составе, особенно повышенного напряжения.

Широтный способ регулирования распространен в приводах постоянного тока, в том числе и на транспорте. Иногда широтный способ применяют в сочетании с частотным.

В качестве технических показателей при импульсном управлении используют такие параметры, как пульсации тока нагрузки, диапазон регулирования среднего напряжения, на нагрузке, пульсации тока и напряжения источника питания, частота регулирования, коэффициент полезного действия импульсной системы регулирования и др.

Одним из важных показателей качества импульсного регулятора при любом способе управления являются пульсации тока в тяговом двигателе А/д=/1-Ь (рис. 91, в), так как они влияют на качество работы и срок службы двигателя. С ростом пульсаций тока А/д увеличиваются электрические и магнитные потери в тяговых двигателях, а также ухудшается его коммутация.

Запишем уравнения для цепи рис. 91, а при замкнутом и разомкнутом ТИР с учетом выше приведенных допущений:

Таким образом, пульсации тока в тяговом двигателе при импульсном регулировании напряжения прямо пропорциональны питающему напряжению ит обратно пропорциональны индуктивности цепи нагрузки Тд и частоте регулирования [. Кроме того, пульсации тока нелинейно зависят от коэффициента заполнения регулятора напряжения Я.

Максимальное значение А/д достигает при Ят=0,5. Следовательно,

На рис. 92 представлены зависимости пульсаций А1Я и огибающих тока нагрузки г'д от Я, из которых видно, что минимальная

І

Мри увеличении скорости подвижного состава в процессе пуска при постоянном токе в двигателе ток источника питания согласно ]отражениям (58) и (60)

(62)

Зависимости /п(о) и Х(и) показаны на рис. 93. В момент достижения подвижным составом скорости выхода на естественную характеристику и(/д) -точку А коэффициент X достигает значения единицы, а ток источника питания становится равным /д. При дальнейшем увеличении скорости токи двигателя и источника питания остаются равными между собой и уменьшаются в соответствии с характером зависимости v(Iя).

Из характеристик изменения тока источника питания при пуске тягового двигателя в диапазоне О^Го^Овых видно, что при тиристорно-импульсном регулировании напряжения мощность, потребляемая от источника питания, меняется от Пп/по до Ра1 д, в то время как при реостатном пуске двигателя мощность, потребляемая от источника питания, остается постоянной и равной ?/п/д во всем диапазоне скоростей от 0 до оВых-

Поэтому расход электроэнергии за время реостатного пуска іп

(63)

Расход энергии при безреостатном пуске с ТИР Лбр=Уп/п<п. С учетом формулы (60) получим

Адр - Шр /д Х^п/Т]р.

Так как пуск совершают с постоянным ускорением, скорость на интервале времени увеличивается по прямолинейному закону. Следовательно, в соответствии с формулой (57) и коэффициент заполнения X в процессе пуска также изменяется по прямой (см. рис. 93). Таким образом, расход электроэнергии при безреостатном пуске за время можно представить как

где Хср- среднее значение коэффициента заполнения регулятора за время пуска ?п; Хср-0,5(1+Х0).

Следовательно,

Из сравнения выражений (63.) и (64) можно записать Лр«2/4бр.

Таким образом, при пуске подвижного состава до выхода на автоматическую характеристику расход электроэнергии при тиристорно-импульсном регулировании напряжения почти в 2 раза меньше, чем при реостатном пуске.

Этот важный вывод в условиях городского движения с его частыми пусками и торможениями обеспечивает тиристорно-импульсным системам управления неоспоримые преимущества по сравнению с системами реостатного пуска.

Импульсное управление на электрическом подвижном составе | Электрооборудование трамваев и троллейбусов | Импульсное регулирование напряжения на тяговых двигателях при торможении

Рекомендуемый контент: