Сглаживающие устройства в системах с тиристорно-импульсным управлением

Характерной особенностью тиристорно-импульсных систем является периодическое скачкообразное изменение тех или иных параметров схемы или ее структуры. Это приводит к появлению периодических переменных составляющих тока и напряжения на различных участках электрических цепей. Эти переменные составляющие тока и напряжения являются нежелательными и даже опасными с точки зрения сохранности электрооборудования. Поэтому для их сглаживания, т. е. уменьшения амплитуды переменной составляющей, применяют сглаживающие устройства. Наиболее экономичными являются реактивные сглаживающие устройства, так как потери электроэнергии в них невелики.

На подвижном составе городского электрического транспорта различают входные и выходные сглаживающие устройства. Входные сглаживающие устройства предназначены для ограничения пульсаций тока и напряжения в контактной сети, а также напряжений на тиристорном прерывателе. Выходные сглаживающие устройства предназначены для снижения пульсаций тока и напряжения в нагрузке, т. е. в тяговых двигателях.

Входные сглаживающие устройства. При тиристорно-импульсном управлении двигателей на входе системы регулирования устанавливают Г-образный входной фильтр, состоящий из катушки индуктивности Ьф, включаемой последовательно, и конденсатора Сф, подключаемого параллельно системе регулирования.

Необходимость сглаживания пульсации тока в контактной сети городского электрического транспорта в основном обусловлена ограничениями на амплитуду переменной составляющей в диапазоне радиочастот от 160 кГц до 150 мГц во избежание мешающего влияния на теле- и радиосвязь. На подвижном составе троллейбуса пульсации тока и напряжения необходимо ограничивать еще и по соображениям безопасности, так как суммарный эффективный ток утечки при появлении значительной переменной составляющей увеличивается. Наконец, значительные пульсации тока и напряжения вызывают дополнительные непроизводительные потери энергии в электрических цепях, а также повышают вероятность нарушения прочности изоляции электрооборудования и приводов.

Рис. 105. Принципиальная схема двухфазной тиристорной системы регулирования (а) и осциллограммы (б, в)

Поэтому при разработке тиристорно-имйульсных систем управления стараются снизить пульсации тока и напряжения. С этой целью стремятся к повышению частоты регулирования. Весьма эффективно для этих целей использование многофазных систем, в которых два или несколько тиристорных регуляторов работают параллельно, но со сдвигом на 360°/т. Здесь т - число параллельно работающих регуляторов. В качестве примера на рис. 105, а приведена принципиальная схема построения многофазных тиристорно-импульсных регуляторов с т=2. На рис. 105, бив поясняется принцип действия такой системы регулирования.

В каждом ТИР коэффициент заполнения X меняется от 0 до 1. Поэтому в связи с тем что моменты включения и выключения ТИРІ сдвинуты на 180° по отношению к аналогичным режимам в ТИР2, то при изменении в каждом регуляторе коэффициента заполнения А, от 0 до 0,5 на входной фильтр эти регуляторы воздействуют поочередно. Следовательно, рабочая частота Тф входного фильтра будет в 2 раза выше, чем частота регулирования Т каждого ТИР. Аналогично при 0,5^А^1,0 ток входного фильтра пульсирует с двойной частотой, но в нем появляется постоянная составляющая, равная току нагрузки одной фазы.

Для т-фазной системы, работающей со сдвигом на 360°/т, рабочая частота входного фильтра fф будет в т раз больше частоты регулирования 1 каждой фазы, т. е.

ЇФ -«/• (ЮО)

Качество фильтра обычно характеризуется пульсациями напряжения на конденсаторе Сф и тока в катушке индуктивности Ьф. Для определения указанных пульсаций рассмотрим работу входного фильтра в пределах одного периода рабочей частоты фильтра ?Ф= 1//ф- При этом сделаем следующие допущения: токи в нагрузках каждой фазы равны и имеют весьма малые пульсации, т. е. могут считаться постоянными = 7_да - /д1 напряжение источника питания и_п постоянно; время коммутации тиристорного регулятора пренебрежимо мало.

В период паузы, когда оба ТИР выключены и токи нагрузки замыкаются соответственно через диоды Д1 и Д2, ток источника питания ?_п протекает через Ьф и Сф, обеспечивая заряд конденсатора Сф. Этот режим характеризуется тем, что ток источника питания і_п равен току заряда конденсатора фильтра ?_с.

Ввиду того что в реальных системах регулирования пульсации тока в контактной сети и напряжения на конденсаторе Сф сравнительно невелики (10-20%), можно с небольшой для практических целей погрешностью заменить синусоидальный характер изменения токов и напряжений входного фильтра линейными функциями так, как это представлено на рис. 105. Здесь напряжение на конденсаторе Сф изображено в виде линейно убывающей функции С/_с на интервале когда включен один из ТИР. На участке Тф-4, когда оба ТИР выключены, напряжение И_с линейно возрастает. Разность между максимальным и минимальным значениями С_с

обозначена через ДН_С и характеризует собой удвоенную амплитуду переменной составляющей (размах пульсаций) напряжения на конденсаторе фильтра. Для принятых допущений линейному характеру изменения напряжения на конденсаторе соответствует ток г’с конденсатора, изображенный на рис. 105,6 постоянным на участке, где напряжение П_с меняется с постоянной производной (скоростью изменения). Причем при нарастании напряжения Н_с ток г_с протекает в одном направлении, а при спадании - в другом. Значение этого тока зависит от скорости спадания (нарастания) напряжения и с.

Для интервала времени соответствующего режиму выключенного состояния обоих ТИР, и среднего значения тока через конденсатор можно записать

На участке нарастания тока /_п среднее напряжение бД уравновешивается переменной составляющей напряжения на конденсаторе Сф. Среднее значение этой составляющей, как показано на рис. 105, б, равно АС/_с/4. Интервал времени Л/, в течение которого нарастает ток (ц, равен половине периода Тф работы фильтра, т. е. Д* = 0,5 7ф или Д^=0,57’/т=0,5/Цпг). Поэтому можно записать:

При пуске подвижного состава в процессе регулирования напряжения на тяговом двигателе время включенного состояния каждого работающего со сдвигом на 180° тиристорного регулятора увеличивается. Когда это время становится больше половины периода регулирования Т, т. е. ?_и>0,5Г=Гф, режим работы входного фильтра меняется. Теперь в его работе можно выделить два характерных режима: первый - когда включены оба ТИР и второй - когда включен только один из них. Теперь режим, когда выключены оба ТИР, отсутствует, так как регуляторы включаются с перекрытием (см. рис. 105, в).

В первом режиме конденсатор Сф разряжается на нагрузку и напряжение на нем с учетом ранее принятых допущений уменьшается по линейному закону.

Изображенные на рис. 105, в кривые токов и напряжений во входном фильтре подчиняются ранее полученным соотношениям

(101) - (106).

Таким образом, в многофазных системах регулирования напряжения на тяговых двигателях пульсации тока М_п источника питания и напряжения ЛЫ_с на конденсаторе фильтра зависят от тока нагрузки /_д каждой фазы, параметров входного фильтра ЬфСф, числа фаз т, рабочей частоты ( и коэффициента заполнения К тиристорных регуляторов.

Величины А1_В и Ди₀ достигают максимальных значений при Хт=112т.

Подставив это значение Х_т в уравнения (103) и (106), получим:

Рис. 106. Зависимости пульсаций тока и напряжения входного фильтра от коэффициента заполнения ТИР в т-фаз-ных системах

Следует отметить, что при изменении к от 0 до 1 в многофазной системе регулирования пульсации тока и напряжения входного фильтра т +1 раз проходят через нуль, когда коэффициент заполнения тиристорного регулятора каждой фазы принимает значения Х=п/т, где я = 0; 1; 2;...; т. Максимальные значения пульсаций тока и напряжения входного фильтра имеют место т раз при А,= (2&-\)12т, где 1; 2; ...; т. Согласно вышесказанному в рассмотренной схеме рис. 105, где т=2, пульсации тока и напряжения входного фильтра будут равны нулю при 7,=я/т, т. е. Х=0; 0,5; 1, а максимальные значения пульсации будут иметь при к= (2&-1)/2т, т. е. Я=0,25; 0,75 (рис. 106).

При проектировании тиристорно-импульсных систем управления для подвижного состава задача выбора входного фильтра обычно сводится к выбору конденсатора фильтра; индуктивность входного фильтра обеспечивается входным реактором помехо-подавления.

Выходные сглаживающие устройства. В схемах тиристорно-импульсного регулирования к выходным сглаживающим устройствам обычно относят те элементы схемы, которые способствуют уменьшению пульсаций тока в нагрузке. Эти элементы можно подразделить на линейные и нелинейные. К линейным относятся реактивные элементы (Ь, С) и активные (7?); к нелинейным - полупроводниковые диоды (или тиристоры), а также катушки с нелинейными индуктивностями.

Как правило, выходные сглаживающие устройства состоят из сочетания указанных элементов, например, из катушки индуктивности и резистора, катушки индуктивности и диода, конденсатора с катушкой индуктивности и диодом и т. д. Рассмотрим примеры включения линейных и нелинейных выходных сглаживающих устройств (СУ) (рис. 107). Одно из сглаживающих устройств состоит из катушки индуктивности 7. и диода Д (рис. 107, а). Оно обеспечивает эффективное сглаживание почти без потерь электроэнергии в сглаживающем устройстве при относительно небольшой стоимости оборудования. Другое сглаживающее устройство (риС. 107, б) позволяет также без потерь обеспечить эффективное сглаживание тока нагрузки, однако размеры и стоимость его по сраь-нению со сглаживающим устройством рис. 107, а больше.

Рис. 107. Схемы включения выходных сглаживающих устройств

Сглаживающие устройства, показанные на рис. 107, в и 107, г, обеспечивают сглаживание тока нагрузки при существенном расходе электроэнергии из-за использования резистора Р, что является значительным их недостатком. На подвижном составе наиболее распространено сглаживающее устройство, представленное на рис. 107, а.

Как указывалось выше, сглаживающая индуктивность Ь при заданных значениях питающего напряжения 1)_п и частоты регулирования 1 определяет пульсации тока в тяговом двигателе. Следует отметить, что индуктивность самого тягового двигателя является также сглаживающим элементом. Правда, при высоких частотах регулирования (/>200 Гц), индуктивность обмотки возбуждения значительно снижается из-за вихревых токов. Тем не менее, суммарная индуктивность двигателя, включающая в себя индуктивности катушек якоря, главных и дополнительных полюсов, составляет несколько миллигенри. Таким образом дополнительную сглаживающую индуктивность можно определить согласно формуле (56)

С целью уменьшения пульсаций тока в тяговом двигателе иногда целесообразно применять многофазные схемы тиристорных регуляторов. На рис. 108, а представлена принципиальная схема двухфазного тиристорного регулятора с общей нагрузкой. Моменты включения и выключения тиристорных регуляторов ТИР1 и ТИР2 сдвинуты на половину периода регулирования 0,57. Работу поочередного включения и выключения тиристорных регуляторов поясняет диаграмма рис. 108, б. При включении ТИР1 напряжение питания и_п прикладывается к нагрузке первой фазы, состоящей из катушки индуктивности Ы и двигателя.

Нагрузка первой фазы зан1унтйроМна свойм нулевым диодом Д1. В этот период времени ток в нагрузке первой фазы нарастает. После выключения ТИР] ток нагрузки первой фазы спадает, замыкаясь через диод Д1. Аналогично после включения ТИР2 нарастает ток нагрузки второй фазы. Нагрузкой второй фазы являются катушка индуктивности L2 и двигатель. После выключения ТИР2 ток нагрузки второй фазы уменьшается. Далее процессы повторяются.

Таким образом за период регулирования Т ток в тяговом двигателе дважды нарастал и спадал, в то время как токи в фазных катушках индуктивностей L1 и L2 спадали и нарастали за то же время по одному разу. Следовательно, частота пульсаций тока в двигателе в 2 раза больше частоты пульсаций тока в фазных катушках индуктивностей. Это справедливо на всех стадиях регулирования, т. е. изменения коэффициента заполнения %-t^T. На первом этапе при изменении коэффициента заполнения каждого ТИР от 0 до 0,5 тиристорные регуляторы ТИР1 и ТИР2 подводят питающее напряжение к нагрузкам поочередно. На втором этапе при изменении коэффициента от 5,0 до I существуют интервалы времени, когда тиристорные регуляторы подводят напряжение питания к своим нагрузкам одновременно (см. рис. 108).

Из диаграммы видно, что частота пульсаций тока в двигателе в 2 раза больше, чем в фазных катушках индуктивностей как при 0^А,^0,5, так и при 0,5^Х^1.

В общем случае для подобных многофазных систем, когда имеется m тиристорных регуляторов, работающих со сдвигом на 360°/Щ, можно- выделить m характерных этапов в работе тиристорных регуляторов. На первом этапе, когда 0^Я,^1/т, все регуляторы работают поочередно. На втором этапе, когда l/m^.X^2Jm, будут существовать интервалы времени одновременного проводящего состояния двух тиристорных регуляторов. На третьем этапе, когда 2/m^K^3m, будут существовать интервалы времени одновременного проводящего состояния трех тиристорных регуляторов и т. д.

На последнем этапе, где (m-\)будут существовать интервалы времени одновременного проводящего состояния m тиристорных регуляторов.

Частота пульсаций тока в общей ветви нагрузки (в тяговом двигателе) при m-фазном тиристорном регуляторе будет в m раз больше, чем частота пульсаций тока в каждой фазе (фазной индуктивности) .

Размах пульсаций тока в двигателе A/_A=i_max--г’шт для т-фаз-пой системы

(ПО)

где т-число фаз, работающих со сдвигом во времени;

I- частота работы тиристорного регулятора одной фазы; /-я- суммарная индуктивность двигателя;

/--фазная индуктивность (/.і = /.₂=.. ,=?_т=1);

-напряжение источника питания;

А-коэффициент заполнения тиристорного регулятора каждой фазы;

1- порядковый номер этапа, на котором определяется пульсация тока в двигателе.

Количество этапов зависит от числа фаз. Значения 1 следует подставлять в выражение (НО) в зависимости от значений А:

В многофазных схемах пульсация тока в двигателе достигает максимальных значений т раз при изменении коэффициента заполнения А от 0 до 1 (рис. 109). Причем максимальные значения Л/д соответствуют определенным значениям коэффициента заполнения Ат. Эти значения А_т и их количество зависят от числа фаз

(111)

В многофазной системе за время изменения коэффициента заполнения А, от 0 до 1 пульсация тока в двигателе проходит т+1 раз

через нуль (см. рис. 109). Пульсации тока А/_д будут равны нулю при определенных значениях Я, причем дважды на каждом /-м этапе. Так, при четырехфазной системе т=4; 7<С/^4; следовательно, имеем четыре этапа (см. рис. 109).

Рассмотрим принципиальную схему двухфазного тиристорного регулятора ТИР1, ТИР2, нагрузкой каждого из которых является тяговый двигатель соответственно МЛ М2 (рис. ПО). Уменьшения пульсаций в этой схеме добиваются с помощью трансформатора связи ТС. ТС имеет две одинаковые обмотки I, 2, включенные встречно между собой так, что каждая из них обтекается своим током нагрузки или фазным током. Моменты включения и выключения ТИР1 и ТИР2 сдвинуты между собой на 0,5 7. Нулевые диоды Д1, Д2 шунтируют нагрузки соответственно первой и второй фаз.

При включении ТИР1 напряжение источника питания прикладывается к нагрузке первой фазы, состоящей из двигателя М1 и обмотки 1 трансформатора связи ТС. В этом режиме двигатель М2 через трансформатор ТС оказывается тоже подключенным к источнику питания, но уже последовательно с двигателем М1. Если принять, что трансформатор идеальный (коэффициент магнитной связи равен 1 и ток намагничивания равен 0), то напряжение источника питания будет распределено поровну между одинаковыми двигателями М1 и М2.

Аналогично при включении ТИР2 напряжение 7/_п будет распределяться между двигателями М2 и М1. Следовательно, на каждый из двигателей будет приходиться половина питающего напряжения и_п/2. В результате согласно выражению (57) максимальные пульсации тока А/дт будут в 2 раза меньше.

Кроме того, эта половина питающего напряжения прикладывается к каждому двигателю дважды за один период регулирования /. Так, к двигателю М1 напряжение Н_л/2 прикладывается как при включении ТИР1, так и при включении ТИР2 (через ТС). Таким образом, частота пульсаций тока в каждом двигателе будет удвоенной по сравнению с частотой работы каждого тиристорного регулятора. Последнее согласно выражению (57) приводит к снижению пульсаций тока А/_дт еще в 2 раза.

В результате для схемы рис. ПО можно записать:

Таким образом, включение трансформатора связи ТС позволило в 4 раза снизить пульсации тока в нагрузке каждой фазы.

В схеме с трансформатором связи пульсация тока в каждом двигателе при изменении коэффициента заполнения Я от 0 до 1 дважды достигает своего максимального значения А/_дто при Я = 0,25

и Я=0,75 и трижды принимает значения, равные нулю, при Х=0, А=0,5 и %= 1.

Следует напомнить, что при рассмотрении схемы рис. ПО трансформатор связи считался идеальным. В практике при реальном трансформаторе связи удается получить снижения пульсаций в 3-3,5 раза.