Входные преобразователи ЭПС, эксплуатируемого на участках постоянного тока, могут иметь различную структуру. При выборе того или иного варианта входного преобразователя нужно исходить из конкретных условий работы асинхронного тягового привода и обеспечения необходимых технико-экономических показателей. Основные требования, предъявляемые к преобразователям электроэнергии, изложены в параграфе 3.1. Удовлетворить всем перечисленным там требованиям одновременно практически невозможно. Окончательное решение о целесообразности применения того или иного варианта может быть принято только после глубокого анализа технико-экономических показателей работы всей системы привода.

При современном уровне развития полупроводниковых приборов для электрифицированных участков постоянного тока возможно применение входных преобразователей, соответствующих схемам рис. 3.1 н 3.2, а. Главная задача рассматриваемых входных преобразователей- регулирование выходного напряжения ?/„ых, подводимого к последующей за преобразователем цепи. Изменение напряжения на выходе преобразователя осуществляют известными методами широтно-импульсного (ШИР) или частотно-импульсного (ЧИР) регулирования напряжения, подаваемого на вход преобразователя от контактной сети.

Известно достаточно большое число структурных схем силовых цепей входных преобразователей, пригодных для реализации как частотно-импульсного [151, так и широтно-импульсного [16, 17] методов регулирования напряжения. Далее ограничимся рассмотрением лишь базовой структурной схемы наиболее типичных входных преобразователей с широтно-импульсным регулированием тиристорных прерывателей (ТП). Напряжение на выходе ТП регулируют путем включения и выключения главного тиристора, работающего в режиме ключа, связывающего контактную сеть с последующей силовой цепью асинхронного тягового двигателя.

Существует много способов коммутации цепи перезаряда коммутирующих конденсаторов, в значительной мере определяющих структурную схему тиристорного прерывателя. Наибольшее распространение получили ТП с параллельно-емкостной коммутацией (рис. 4.1). На рис. 4.1, а приведена принципиальная схема силовой цепи ТП, имеющего схему коммутации с перезарядом коммутирующего конденсатора Ск током нагрузки, а на рис. 4.1, б- ТП с трехоперационной схемой коммутации при выключении главного тиристора обратным напряжением диода. Диаграмма токов и напряжений на основных элементах ТП по схеме рис. 4.1, а показана на рис. 4.2.

Схемы силовых цепей тиристорных прерывателей с параллельно-емкостной коммутацией

Рис. 4.1. Схемы силовых цепей тиристорных прерывателей с параллельно-емкостной коммутацией

Диаграмма токов и напряжений на основных элементах ТП, соответствующего схеме рис. 4.1, а

Рис. 4.2. Диаграмма токов и напряжений на основных элементах ТП, соответствующего схеме рис. 4.1, а

Схема коммутации с перезарядом коммутирующего конденсатора током нагрузки. В схеме рис. 4.1, а тиристор УБ1 соответствует группе главных тиристоров, а УЭ2 - группе коммутирующих тиристоров. Перезаряд коммутирующего конденсатора Ск осуществляется с помощью колебательного контура Ск, а выключение тиристора УЭ1 - приложением обратного напряжения конденсатора С„ к его аноду и катоду путем включения тиристора УЭ2.

В приведенной схеме различают два вида коммутации: тока силовой цепи и цепи коммутирующего конденсатора С„. Скорость нарастания тока при коммутации во всех цепях не должна превышать максимального значения а=^<

<(^)тах, ДОПУСТИМОГО ДЛЯ ТИ-

ристоров принятых типов. Если скорость нарастания тока превышает допустимую в цепи тиристоров УЭ1 и УЭ2, обычно включают дроссели насыщения Д„, магнитная система которых имеет прямоугольную петлю гистерезиса. Время перемагничнвання можно рассматривать как время задержки /3 начала коммутации силового тока после подачи импульса на управляющий электрод тиристора.

Считая, что в процессе перемагничивания дросселя насыщения ток остается постоянным, определим время задержки ^3 исходя из допустимой скорости нарастания напряжения сИЛсИ:

где (/Кстах - максимальное допустимое напряжение в контактной сети; тп - число последовательно соединенных тиристоров в группе УЭ! или У52.

Основной параметр дросселя насыщения - произведение площади сечения сердечника 5 д на число витков ш обмотки:

где Вт -- индукция насыщения материала сердечника, Тл.

Другой параметр дросселя устанавливает связь между числом витков обмотки и длиной средней линии сердечника I:

где Н - коэрцитивная сила, А/м, при индукции Вт; /нач^2А - начальный ток, при котором в процессе включения тиристора не наблюдается локальных прцбоев.

Обычно время задержки /3 принимают равным 10-15 мкс, что позволяет легко определить параметры дросселя насыщения.

Процесс импульсного регулирования напряжения начинается с включения тиристора К52, что обеспечивает заряд конденсатора Ск с полярностью «Н» (см. рис. 4.1, а) до напряжения, примерно равного напряжению контактной сети. По окончании заряда тиристор К52 выключается. При включении тиристора УЭ1 на выходе ТП будет полное напряжение контактной сети и в силовой цепи потечет ток нагрузки.

При достижении заданного тока нагрузки вступает в действие контур коммутации, обеспечивая регулирование среднего значения напряжения на выходе ТП. Рассмотрим работу колебательного контура в этом режиме. Пусть конденсатор С„ до момента времени (см. рис.4.2) предварительно заряжен с полярностью «Н» (см. рис. 4.1, а). Изменение полярности «Н» на полярность «К» осуществляется при включении в момент времени /] главного тиристора 1/51 перезарядом конденсатора Ск по контуру Ск, /.„, УИ током /ск. Следовательно, в процессе перезаряда ток главного тиристора /ух1 = «ск + /н- Перезаряд завершится прн /с« = 0 (момент времени /3). Обратному перезаряду препятствует диод У01.

Полярность «К» сохранится до момента включения тиристора 1/52. Для выключения тиристора 1/51 в момент времени включается тиристор К52. Конденсатор Ск будет перезаряжаться в обратном направлении по контуру С„, У52, У51 током /уяг, а к тиристору У5/

прикладывается обратное напряжение. Перезаряд происходит до напряжения иск « Укс- При этом среднее значение тока коммутирующего тиристора

где »„ тах - наибольший ток нагрузки; /в - время выключения тиристора; Т - период импульсного регулирования.

В начале процесса выключения тиристора УБ1 (при включении тиристора 1^52) напряжение на конденсаторе С„ складывается с напряжением контактной сети, и на выходе ТП в начальный момент получим и == Цен Ь икс- Кроме того, ток перезаряда конденсатора Ск является дополнительной нагрузкой для тиристора К5/, т. е. ток тиристора К51 в процессе перезаряда = »н+»ск, а средний ток главного тиристора

где ~ и - - продолжительность рабочего такта; 1уо, - средний ток дио да КО/.

Среднее значение тока

где 1у51 тах = /„ тах + икСтахУ1Ж - максимальное значение тока главного тиристора.

Если не учитывать активное сопротивление контура коммутации (затухание напряжения и тока) и принять начальное напряжение на конденсаторе С„ равным конечному: |і/соІ = |Уск|, можно найти время подготовительного перезаряда конденсатора:

где Тк - период собственной частоты колебаний контура /.КСК.

При нулевом значении начального тока напряжение на конденсаторе в процессе перезаряда изменяется:

Для обеспечения надежной работы тиристоров необходимо, чтобы полученное значение емкости Ск обеспечивало скорость нарастания напряжения конденсатора в интервале tc < t<Ctкз, не превышающую допустимого значения (^)доп- Следовательно,

Из двух значений Ск, полученных по уравнениям (4.5) и (4.6), выбирают наибольшее.

Определив значение Ск по уравнению (4.2), находят индуктивность /.к. Полученное значение должно быть проверено по условиям ограничения скорости нарастания тока ^)ЛОп, если отсутствуют дроссели насыщения Дн,

Из двух значений полученных по уравнениям (4.2) и (4.7), выбирают наибольшее.

В приведенной на рис. 4.1, а схеме имеет место ограничение процесса регулирования напряжения. С одной стороны, для правильной работы системы принудительного выключения тиристоров минимальная продолжительность силовых импульсов напряжения на выходе ТП должна быть больше суммарного времени коммутации (к:

где т!л - минимально возможная продолжительность силового импульса, имеющего амплитуду икс.

С другой стороны, минимальная начальная ширина импульса должна обеспечивать требуемый начальный ток нагрузки.

Иные ограничения возникают в стадии завершения процесса импульсного регулирования напряжения. При максимальной ширине импульса 0\тях Т) предварительный перезаряд конденсатора С„ всегда должен быть завершен ко времени выключения главного тиристора В этом случае ТП может работать с коэффициентом заполнения Я = ^/Т = 1.

Однако работу ТП рассчитывают на режим с Я •< 1 для получения возможности компенсации снижения напряжения в контактной сети (стабилизации напряжения на выходе ТП).

Существенным недостатком рассмотренной схемы коммутации является завышенное значение ^Из, которое при зависимом перезаряде существенно увеличивается согласно уравнению (4.4) с уменьшением тока нагрузки. Для устранения этого недостатка применяют дополнительный контур перезаряда, показанный на рис. 4.1, а штриховой линией (УЭ2, Ьа).

Коммутационный процесс выключения главного тиристора без учета затухания при наличии такого контура описывается уравнениями:

Трехоперацноиная схема коммутации при выключении главного тиристора обратным напряжением диода. Рассмотренная выше схема коммутации обладает двумя существенными недостатками: 1) в момент включения тиристора У52 для выключения группы тиристоров УБІ напряжение на выходе ТП равно сумме напряжений икс и ІІ? что вызывает необходимость увеличения числа последовательно включенных тнрнсторов; 2) ток главного тиристора УБ1 в процессе подготовительного перезаряда равен сумме токов нагрузки и перезаряда конденсатора С„, что вызывает необходимость увеличения числа параллельных ветвей тиристоров в группе У51 и снижения тока перезаряда /са- Таких недостатков лишена схема, представленная на рис. 4.1, б. Принцип ее работы поясняется рис. 4.3.

В момент включается главный тиристор У5. В момент /2. когда дан сигнал на выключение тиристора 1/5, включается тиристор У5/, что обеспечивает подготовительный колебательный перезаряд коммутирующего конденсатора по контуру Ск - У51 - с полярности «Н» на полярность «К».

С завершением подготовительного перезаряда в момент /3 включается тиристор У52 и начинается второй перезаряд конденсатора Ск по контуру Ск - - У52 -

Дн2- УБ. К главному тиристору прикладывается обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде УБ. В момент /4 ток тиристора 1^5 снижается до нуля, а ток нагрузки коммутируется полностью в цепь тиристора УБ2. В этой цепи в интервале /45 действует также ток колебательного контура, который замыкается через диод УБ.

В момент /5 ток диода УО прекращается и завершается процесс выключения тиристора со схемным временем К моменту

<5 второй колебательный перезаряд конденсатора С„ не успевает завершиться, в результате чего напряжение на конденсаторе Ск не достигает напряжения контактной сети. В интервале времени /5 - при выключенных тиристоре 1^5 и диоде УО через конденсатор Ск проходит ток нагрузки, который осуществляет заряд конденсатора до напряжения выше напряжения контактной сети.

При подготовительном перезаряде конденсатора С„ согласно урав-

Диаграммы напряжений и токов на элементах ТП, соответствующего схеме рис. 4.1, б

Рис. 4.3. Диаграммы напряжений и токов на элементах ТП, соответствующего схеме рис. 4.1, б

Интервал

Это время в схеме рис. 4.1, б достаточно стабильно при изменениях нагрузки и в основном определяется собственным периодом колебаний контура /.„Ск. Кроме того, достоинством указанной схемы является уменьшение времени минимального импульса напряжения на выходе тиристорного прерывателя: /*га1п яа 0,5 Тн - пУ

Влияние пульсаций тока контактной сети на устройства проводной связи и определение параметров входного фильтра. В процессе работы ТП на его входе возникает пульсация тока, основная гармоника которой пульсирует с частотой Поэтому тиристорные преобразователи требуется ограждать низкочастотными входными фильтрами, рассчитанными так, чтобы уровни помех не превышали норм, предусмотренных Правилами защиты устройств проводной связи (18, 191. Акустическое воздействие на линии связи нормируется этими правилами: требуется, чтобы на 1 км сближения напряжение шума

где рп - коэффициент акустического воздействия, зависимость которого от частоты приведена на рис. 4.4; т|п - коэффициент чувствительности линии связи, который определяется ее конструкцией и зависит от частоты.

Действующее значение напряжения Un, наводимого л-й гармоникой в линии связи,

UI» = ®П IСП Sc(n ,

где /сп - действующее значение тока контактной сети n-й гармоники при шп = 2nn/i; Мп - коэффициент взаимной индукции между контактной сетью и линией связи; Sc6n - общий коэффициент экранирования.

Можно на стадии проектирования оценить помехи по эквивалентному мешающему току [19, 201:

Зависимости коэффициента чувствительности контактной сети К) и коэффициента акустического воздействия р» от частоты основной гармоники тока

Рис. 4.4. Зависимости коэффициента чувствительности контактной сети К) и коэффициента акустического воздействия р» от частоты основной гармоники тока

Зависимость коэффициента преобразования входного фильтра от отношения частот

Рис. 4.5. Зависимость коэффициента преобразования входного фильтра от отношения частот

Допустимое значение /э ДОн < < (904-100) мА установлено экспериментально [171.

Для определения тока /сп следует учесть коэффициент чувствительности контактной сети К1 (см. рис. 4.4) и коэффициент преобразования входного фильтра:

где /'сп, /сп - соответственно действующие значения выходного и входного токов фильтра.

Исходным для определения параметров фильтра является требуемый коэффициент преобразования, который бы удовлетворял условию уравнения (4.8). На рис. 4.5 приведена зависимость 08/п (й)?АфСф) [см. уравнение (4.9)1 для послерезонансной зоны частотной характеристики фильтра, которая служит рабочей для входного фильтра.

Согласно рис. 4.4 наибольшие значения К1 и р„ приходятся на частоты 800-1000 Гц. Поэтому нормирование гармоник в уравнении (4.8) следует проводить по 1 р = 1000 Гц.

Используя приведенные выше уравнения и кривые, представленные на рис. 4.5, рекомендуются [31 следующие выражения для определения параметров Г-образного ТС-фильтра:

где А.р - коэффициент заполнения в расчетном режиме; Киф = (Цртах - - mlnV^Kr ком - коэффициент пульсации напряжения на конденсаторе входного фильтра; е = (Укс н0м//х - входное сопротивление импульсного преобразователя (условное сопротивление нагрузки); /] -среднее значение тока нагрузки на входе ТП; /р - частота потребления энергии через ТП в расчетном режиме.

Для ТП и ШИР максимальные пульсации основной гармонической имеют место при Хр = 0.54-0,6. Поэтому для них /р = const и СфШ= = 0,25/(/Сифе/р); Тфш - е/Сиф/(л2р,/п/р).

Часто в начальной стадии проектирования устройства некторые коэффициенты, входящие в приведенные уравнения, могут быть неизвестными. Тогда, пренебрегая пульсациями тока в цепи нагрузки (на выходе ТП), можно приближенно оценить параметры входного фильтра. Согласно [161 можно записать

где Кф - напряжение на конденсаторе фильтра; /„ - среднее значение тока нагрузки на выходе ТП.

Широкое распространение на ЭПС при питании от контактной сети постоянного тока, особенно на городском транспорте, получила структура импульсных прерывателей с совмещенными устройствами для рекуперативного и реостатного торможения. Такой прерыватель (рис. 4.6, а) содержит тиристорный ключ УЭ1 (с принудительной коммутацией), буферный диод УЕ>1, тиристорный ключ УЭ2 в цепи тормозного резистора /?, обратный диод УЭ2 и контакт переключающего контактора ПР.

К питающей сети напряжением ?/кс прерыватель подключен через индуктивно-емкостный фильтр (дроссель /,ф, конденсатор Сф), а на выходе прерывателя установлен сглаживающий реактор СР.

При работе в тяговом режиме контакт ПР замкнут. Поясняющие диаграммы приведены на рис. 4.6, б. Ключ УЭ1 переключается с периодом повторения Т, причем длительность включенного состояния УБ1 равна ХТ. На интервале ХТ напряжение на выходе прерывателя равно напряжению на конденсатореСф, которое мало отличается от входного напряжения икс. При выключении УЭ1 ток нагрузки замыкается через буферный диод 1Ф1 и напряжение на выходе при этом равно нулю. Вследствие изменения длительности включенного состояния ключа осуществляется регулирование среднего значения выходного напряжения в пределах от нуля до и„с.

В тормозном режиме контакт ПР разомкнут, и в зависимости от алгоритма управления ключами прерывателя можно осуществлять ре жимы рекуперативного, реостатного или рекуперативно-реостатного торможения.

На интервале Я, Т ключ УБ1 замкнут, и для тока (вы„ поступающего с выхода прерывателя через диод Уй2, образуется контур короткого замыкания. Ток іуз1 при этом возрастает (рис. 4.6, в).При выключении ключа УБ1 ток со стороны выхода прерывателя поступает через диоды У01 и У02 в питающую сеть, т. е. осуществляется рекуперация электроэнергии.

Схема импульсного прерывателя (а) и диаграммы напряжений и токов в режимах тяги (б) и торможения (в)

Рис. 4.6. Схема импульсного прерывателя (а) и диаграммы напряжений и токов в режимах тяги (б) и торможения (в)

Если в момент /, напряжение на конденсаторе і/с достигает заданного максимального значения, то включается ключ К52, и при условии и к /?<вых < Ос ток с выхода прерывателя замыкается через резистор Я, что соответствует режиму реостатного торможения.

В момент времени вновь включается ключ УБІ, что приводит к уменьшению до нуля тока, протекающего через резистор К. Поэтому ключ УЭ2 не требует принудительной коммутации.

Путем регулирования интервалов ХгТ и ХгТ имеется возможность изменять тормозную силу и поток энергии, возвращаемой в питающую сеть и поступающей в резистор її.

Нетрудно видеть, что в данном импульсном прерывателе в обоих режимах работы (при тяге и торможении) ток на выходе /иых имеет неизменное направление, а полярность выходного напряжения ?/вЫХ при переходе из тягового в тормозной режим изменяется на обратную. Поэтому импульсный прерыватель по рассмотренной схеме следует использовать при его совместной работе с автономным инвертором тока АИТ (см. главу 6) или с автономным инвертором напряжения АИН, в котором в цепях обратного тока установлены тиристоры (см. главу 9).

Расчет параметров входного фильтра осуществляется так же, как для предыдущих систем.

Для контактной сети постоянного тока создан ряд образцов элект-роподвижного состава с АТД на основе автономного инвертора напряжения, управляемого по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При таком способе управления линейное напряжение Vл статора АТД формируется в виде серии прямоугольных импульсов с амплитудой, равной напряжению сети постоянного тока 1/кс. Длительность отдельных импульсов изменяется в течение одного полупериода выходной частоты по определенному (например, синусоидальному) закону.

Фазный ток «ф статора имеет приблизительно синусоидальную форму с наложением высокочастотной составляющей, обусловленной частотой коммутации инвертора (рис. 4.7).

Известно, что диапазон регулирования частоты тока статора для ЭПС с АТД обычно лежит в пределах от 0,5-1 до 100-150 Гц. Частота коммутации в инверторе с ШИМ в несколько раз (6 и более) превышает номинальную частоту тока статора Дном, что влечет за собой соответствующее увеличение мощности, объема и массы коммутирующих конденсаторов, а также коммутационных потерь. Кроме того, в инверторе с ШИМ необходимо использовать тиристоры с малым временем выключения (как правило, не превышающим 40-50 мкс).

Рнс. 4.7. Кривые линейного напряжения и фазного тока асинхронного тягового двигателя при питании от АИН с ШИМ

При частоте тока статора выше номинальной АТД работает при неизменном выходном напряжении АИН и управление по методу ШИМ прекращается. Фазное напряжение имеет при этом прямоугольно-ступенчатую форму, уровень высокочастотной составляющей фазного тока уменьшается.

К серьезным недостаткам АИН с ШИМ следует отнести значительную мощность коммутирующих конденсаторов и необходимость использовать тиристоры с малым временем выключения. Такие тиристоры имеют относительно низкий класс по напряжению. Поэтому при высоком уровне напряжения контактной сети (выше 1000-1500 В) приходится увеличивать число последовательно включенных тиристоров, что влечет за собой соответствующее возрастание объема и массы, увеличение потерь и снижение КПД инвертора.

При питании от сети с относительно невысоким напряжением (600- 800 В) последний недостаток не имеет места. Поэтому для городского транспорта применение АИН с ШИМ особенно эффективно. Расчет узлов рассмотренных систем приведен в главе 6.

Основные требования и »цементной базе преобразователей частоты | Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями | Входные преобразователи ЭПС переменного тока

Рекомендуемый контент: