Автономные инверторы тока для электроподвижного состава

конденсаторов оказывается больше емкости конденсаторов, найденной из уравнения (6.22), и определяются выражением С_н = 2С_в.

Напряжение на конденсаторе при этом в 2 раза меньше: и_{с кт}«і=

⁼ Ус тах/2.

Поскольку частота напряжения на конденсаторах в обоих случаях одинакова, то установленная мощность всех конденсаторов при соединении их «треугольником» на 30 % больше, чем при соединении

2

«звездой», Т. е. <2с_кд/<2с„_д= 1.33, где 0с_к\=- ^С*^Ь'с тах ^ш1п.ах И (}_с^ ₌

- “ С_а и1 _тах о»! _тах - установленные мощности конденсаторов при

их соединении в «треугольник» и «звезду» соответственно.

Пульсации электромагнитного момента АТД обусловлены тем, что при практически равномерном вращении вектора потокосцепления ротора вектор тока статора в моменты коммутации скачком перемещается на угол л/3. Таким образом, для уменьшения пульсации электромагнитного момента необходимо уменьшить дискретность угла поворота тока статора, что может быть достигнуто расщеплением статорных обмоток и переходом на эквивалентную шестифазную асинхронную машину. В эюм случае статорная обмотка двигателя будет содержать две трехфазные обмотки, соединенные «звездой», оси которых смещены в пространстве на 30° 132]. Если при этом каждую систему обмоток питать от собственного АИТ (рис. 6.6, а), одноименные тиристоры которых включаются также со сдвигом 30° (рис. 6.6, б), то результирующий вектор тока статора эквивалентной машины будет в моменты коммутации скачками перемещаться на угол л/6, оставаясь в межкоммутационные интервалы времени неизменным как по величине, так и по направлению (рис. 6.6, в). В результате частота пульсаций момента ДМ увеличится в 2 раза, а их амплитуда уменьшится более чем в 2 раза (см. рис. 6.6, б). Следует указать, что применение расщепленных статорных обмоток усложняет конструкцию двигателя (особенно лобовых частей обмотки), требует дополнительных выводов и может быть рекомендовано для двигателей большой мощности.

Наряду со снижением пульсаций момента рассматриваемый инвертор (см. рис. 6.6, а) обеспечивает ряд дополнительных преимуществ, которые связаны со значительным снижением перенапряжений на коммутирующих конденсаторах и элементах инвертора. Это обусловлено тем, что линейное напряжение каждой обмотки приблизительно в 2 раза меньше линейного напряжения эквивалентного трехфазного двигателя, а эквивалентная индуктивность в контуре коммутации уменьшается в 2 раза. При этом появляется возможность уменьшить число последовательно включаемых тиристоров и диодов в каждом плече инвертора. Уменьшение же уровня напряжения на коммутирующих конденсаторах, несмотря на увеличение их общего числа, приводит к снижению установленной мощности.

Питание АТД с расщепленными обмотками можно осуществлять от АИТ, соединенных последовательно, как показано иа рис. 6.6, а, я от инверторов, которые получают питание от отдельных источников или общего через собственные регуляторы тока.

Другим способом снижения пульсаций момента иа валу АТД является использование демпфирующих свойств механической части привода. Из-за конечных значений момента инерции ротора и жесткости вала двигателя пульсации электромагнитного момента передаются на вал двигателя ослабленными, если частота этих пульсаций превышает собственную частоту механических колебаний ротора на валу. При этом чем выше частота пульсаций, тем сильнее демпфируется пульсирующая составляющая. На практике этот способ реализуется применением ШИМ тока по трапецеидальному закону (рис. 6.7). С этой целью в течение интервала повторяемости процессов в АИТ длительностью я/3

Рис. 6.6. Схема АИТ (а) и диаграммы токов и момента для АТД с расщеплен иымн статорными обмотками (б, в)

осуществляют несколько повторяющихся коммутаций тока между двумя смежными фазами.

Например, на интервале л/6 < (о1 ¦< я/2 коммутация тока с фазы А иа фазу В осуществляется 5 раз и с фазы В на фазу А - 4 раза. При этом длительность импульсов тока вступающей в работу фазы В возрастает, а выходящей фазы А уменьшается по линейному закону. Такое многократное переключение тока с фазы А на фазу В приводит к тому, что результирующий вектор тока статора в течение рассматриваемого интервала совершит несколько колебаний из одного фиксированного положения в другое и обратно (на рис. 6.2 переходы 0 -> 1 и 1 -*¦ 0).

При таком перемещении вектора тока статора электромагнитный момент будет изменяться в моменты коммутации скачком от минимального до максимального значения. Абсолютная амплитуда пульсаций момента несколько увеличится, однако переменная составляющая, пульсирующая с шестикратной частотой, снижается до 5-7%. Как правило, ШИМ тока осуществляют при низких частотах- менее 10-15 Гц. При больших частотах пульсации электромагнитного момента хорошо демпфируются механической частью привода.

Ограничение по максимальной частоте коммутаций в инверторе связано с тем, что с ростом частоты тока на выходе инвертора длительность процесса коммутации (/1+ /*) (см. рис. 6.5) может превысить одну третью часть периода, т. е. приведет к срыву процесса инвертирования.

Ограничение на максимальную частоту коммутаций в инверторе [см. условие (6.33)1 является достаточно жестким, и его выполнение для тягового привода с диапазоном регулирования по частоте Юцпах/ютом = 2 ч- 3 потребует снижения емкости коммутирующих конденсаторов, а это, как уже отмечалось, приведет к росту перенапряжений на элементах инвертора.

Для поиска способов расширения диапазона регулирования по частоте при заданных параметрах АТД и инвертора или снижения перенапряжений на его элементах при сохранении диапазона регулирования по частоте обратимся еще раз к анализу процессов коммутации в инверторе.

Рис. 6.7. Временные диаграммы фазных токов (а) и момента (б) для ЛИТ с ШИМ тока по трапецеидальному, закону

Весь коммутационный процесс содержит два интервала: первый длительностью [см. выражение (6.25)1 - линейного перезаряда коммутирующих конденсаторов постоянным током Id и второй длительностью t_% [см. выражение (6.28)1-колебательного дозаряда коммутирующих конденсаторов. В свою очередь на первом интервале можно выделить два интервала: первый t[, в течение которого напряжение на коммутирующем конденсаторе уменьшается от ыс<о> до - U_лтах X X sin <pj:

t\ = Y2L₃ Сэ .

и второй t’u в течение которого напряжение иа конденсаторе изменяется от - U„ _max sin ф, до U_{a тах} sin ф_х:

та» ^s‘ⁿ 9i _п >1- : <-#•

‘d

При этом длительности t\ и t_% не зависят от режима работы двигателя и определяются только параметрами эквивалентного контура коммутации L_a и С_я, т. е. интервалы t[ и t_% принципиально необходимы для осуществления коммутации тока с одной фазы на другую. Физически это соответствует тому, что на интервале t\ конденсатор С_я возвращает выходящей из работы фазе энергию, которая была запасена в нем на интервале t₂ предыдущей коммутации. Таким образом, физически необходимая минимальная длительность процесса коммутации ffcmin ~ t\ + t_% = (1 + nl2)\f2L_aCg не зависит от режима работы двигателя и определяется только значениями индуктивностей рассеяния Ь_я двигателя и емкости С_э контура коммутации. Иными словами, коммутирующие конденсаторы необходимы только для обмена реактивной энергией между фазами нагрузки, запасенной в индуктивностях рассеяния машины.

Что же касается интервала t\, то его длительность можно сократить теоретически до нуля, если по окончании интервала Ц произвести мгновенный перезаряд коммутирующего конденсатора до напряже. иия Ukmax sin ф_х. Реально такой процесс можно осуществить, подключив параллельно конденсатору небольшую индуктивность. Характер изменения напряжения ис₃ (0 и тока i_C3 (0 эквивалентного конденсатора в этом случае показан на рис. 6.8. При этом длительность интервала t\ без учета дополнительного разряда конденсатора током I_d будет определяться емкостью С_эи индуктивностью L„ дополнительного контура и составит /f_min = n-YL „С₈.

В результате полное время коммутационного процесса не будет зависеть от режима работы двигателя, что позволяет выбрать максимальное значение емкости С_в из условия

Рис. 6.8. Кривые изменения напряжения Рис. 6.9. Схема ЛИТ с ускоренным

исэ(() и тока і_с,(0 эквивалентного кои- перезарядом коммутирующих конденсатора денсаторов

Если в выражении (6.35) пренебречь вторым слагаемым, то предельное значение емкости

Ускоренный перезаряд коммутирующих конденсаторов можно обеспечить введением в схему АИТ дополнительных контуров перезаряда (рис. 6.9). С этой целью параллельно основным тиристорам - инвертора включают перезарядные тиристоры У5/3-У5/в. Контур ускоренного перезаряда образуется при включении соответствующего перезарядного тиристора с выдержкой времени не меиее чем /[ после включения основного тиристора. Например, при выключении тиристора 1 необходимо включить тиристор У53 и по окончании интервала включить тиристор У5/3. Это приводит к образованию дополнительного контура перезаряда, содержащего реакторы ?._т0, включение которых необходимо для ограничения скорости нарастания тока через тиристоры и не является особенностью схемы.

Использование в схеме АИТ ускоренного перезаряда конденсаторов позволяет стабилизировать время коммутации, обеспечив ему инвариантность к режиму работы двигателя, максимально увеличить емкость коммутирующих конденсаторов и снизить перенапряжения на элементах инвертора до приемлемого уровня. Например, для тягового двигателя НБ-602 с индуктивностью ?_э = 0,524 мГи для максимальной частоты /]шах = 140 Гц согласно выражению (6.36) предельное значение емкости С_э я* 800 мкФ. Тогда при максимальном значении тока 1_4гая1 = 1200 А и 1/_лтах = 1840 В максимальные значения напряжений на коммутирующих конденсаторах, тиристорах и отсекающих диодах согласно выражениям (6.30) и (6.31) составят и_{с тах}= = шах = 3210 В И (/уОтах = 5047 В и превысят амплитудное значение линейного напряжения в 1,75 и 2,75 раза соответственно. Схемное время выключения тиристоров согласно выражению (6.32) *»ыкл = 900 мкс, что позволяет применять в АИТ тиристоры, предназначенные для работы в мощных высоковольтных выпрямителях и инверторах промышленной частоты.

Полученные значения перенапряжений на элементах являются достаточно большими и соответствуют переходу АТД в режим холостого хода при максимальном входном токе АИТ. Если система управления приводом исключает такой режим работы, то при указанных параметрах коммутирующего конденсатора для номинального режима двигателя НБ-602 напряжение на конденсаторах составит 1970 В, на диодах - 3800 В.

Использование для асинхронного тягового привода на базе автономных инверторов тока рассмотренных решений позволяет создать преобразователи с приемлемыми массо-габаритными показателями как для тяговых двигателей средней, так и большой (свыше 1000 кВт) мощности. При этом расщепление трехфазной обмотки статора с переходом иа эквивалентную шестифазиую в сочетании с последовательным соединением инверторов дает возможность создания универсального тягового привода для ЭПС, получающего питание от контактной сети постоянного или переменного тока. Выходной преобразователь и АТД в этом случае будут унифицированными, а входные преобразователи различными в зависимости от рода тока в контактной сети.

7. АСИНХРОННЫЕ ТЯГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ