Расчет элементов автономного инвертора напряжения и фильтра

Полученные в предыдущем параграфе выражения, определяющие ток фазы асинхронной машины, а также соотношения между напряжением на двигателе и напряжением питающего источника U_d позволяют оценить загрузку диодов и тиристоров АИН по напряжению и току.

Тиристоры VS1 - IAS6 (см. рис. 5.1. а) должны выбираться из условия, что воздействующее на них пр .мое напряжение равно U_d. При этом необходимо учитывать возможно« и эксплуатации повышение напряжения в контактной сети, а также пульсации напряжения на фильтровом конденсаторе, устанавливаемом на входе АИН.

Для диодов VD1 - VD6 воздействующее на них обратное напряжение также равно U_d.

При выборе тиристоров И ДИОДОВ следует выдерживать опредс It'll ный запас по напряжению с тем, чтобы максимальное воздействующее на приборы напряжение не превосходило 75-85 % допустимого импульсного повторяющегося напряжения.

Среднее значение тока тиристора /_т найдем исходя из действующего значения первой гармоники фазного тока двигателя /,. Поскольку тиристор проводит ток на интервале от <р, до 180°, среднее значение тока

Формулой (5.4) не учитывается нагрузка диодов от протекания тока коммутирующего конденсатора при выключении тиристоров инвертора. Данный вопрос рассмотрен в параграфе 5.3.

При обычном для АТД значении cos « 0,85 из формул (5.3) и (5.4) следует, что в двигательном режиме работы машины /_т « ^ 0,42/j, /_д ж 0,035 /_х. Это означает, что в режиме тяги средний ток диодов АИН составляет меньше 10 % среднего тока тнрнсторов.

Для автономного инвертора напряжения при выборе тиристоров и диодов надо учитывать кратность тока двигателя при пуске и выдерживать определенный запас по току с тем, чтобы максимальный средний ток составлял не более 85 % допустимого значения предельного среднего тока для конкретного типа прибора с типовым охладителем при определенных условиях охлаждения.

Перейдем к рассмотрению фильтра, устанавливаемого на входе АИН. Прежде всего необходимо иметь в виду, что мгновенное значение входного тока инвертора (_и однозначно определяется кривой фазного

тока асинхронной машины на втором интервале фазного напряжения (60-120°). Поясняющие диаграммы приведены на рис. 5.4. Значения фазного тока в моменты 60° (і_фв0) и 120° (і_ф]2о) могут быть рассчитаны по приведенным в параграфе 5.1 формулам. Учитывая реальную форму кривой фазного тока асинхронной машины при питании от АЙН, допустимо в первом приближении считать, что ток между значениями <Ф«о ^и іфіго изменяется в межкоммутациониых интервалах по линейному закону, а при коммутации инвертора скачком изменяется на величину Д1 = ((_фв0 - (_ф120).

Таким образом, входной ток АИН является пульсирующим и близким по форме к пилообразному. Ток указанной формы не вызывает заметных перенапряжений на входе инвертора только в том случае, если источник питания является безындуктивным и имеет малое внутреннее сопротивление (например, если используется аккумуляторная батарея).

Рис. 5.4. Диаграммы напряжений и токов для расчета параметров фильтрового конденсатора

Для ЭПС контактная сеть представляет собой источник питания с конечной внутренней индуктивностью, поэтому для ограничения перенапряжений на входе АИН следует установить фильтровый конденсатор. Чтобы пульсации тока і_и не вызывали мешающего влияния на линии связи и сигнализации и не проникали в контактную сеть, перед инвертором включают сглаживающий реактор.

Основное назначение фильтрового конденсатора состоит в снижении до заданного уровня пульсаций напряжения на входе инвертора, обусловленных пульсирующим током /_и. Считаем, что переменная составляющая тока і„ замыкается через фильтровый конденсатор. При указанных выше допущениях ток конденсатора іс имеет амплитуду /с = 0,5 А1 - =0,5 (і_фв0 - (фіго) и во времени изменяется линейно, причем его период Т_к - 1 //„ (здесь /к - частота коммутаций инвертора).

Мгновенное значение тока кон-2

денсатора іс = /с (1 -Обозначим через и с минимальное значение мгновенного напряжения на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе

Из условия равенства площадей 5! н 5_г (см. рис. 5.4) можем за-

^Гк/2

писать ( «с Ш- 0. С учетом уравнения (5.5) после преобразований получаем:

При расчете рабочего напряжения диодов и тиристоров АИН необходимо учитывать значение С1с, которое показывает, на сколько мгновенное напряжение на входе инвертора превышает среднее напряжение и_а источника питания.

Задаваясь допустимым значением Нс (обычно примерно 5 % номинального значения и_а), из выражения (5.6) получаем выражение для определения требуемой емкости фильтрового конденсатора:

С= Д//(24/_к(/_с). (5.7)

Для предварительных ориентировочных расчетов в формуле (5.7) можно принять ток Л1 равным в первом приближении амплитуде первой гармоники фазного тока двигателя, т. е. Д1 « У 21_Х.

Отметим возможность существенного уменьшения емкости фильтрового конденсатора при работе нескольких инверторов с одинаковой выходной частотой. При числе инверторов N ив случае, если каждый нз них имеет индивидуальный фильтровый конденсатор, емкость которого рассчитана по формуле (5.7), общая емкость составит ЫС. Значительное уменьшение емкости можно получить, если инверторы объединить по входу и осуществлять коммутации инверторов поочередно со сдвигом во времени на Т_к/Ы. Ток Д1 останется прежним, а частота коммутаций увеличится в N раз. В соответствии с формулой (5.7) емкость фильтрового конденсатора (при заданном напряжении и_с) уменьшится в N раз. В сравнении с индивидуальными для каждого инвертора фильтрами (с общей емкостью N0) при использовании поочередной коммутации и общего фильтра емкость фильтрового конденсатора уменьшится в (V* раз. Следует, однако, иметь в виду, что с увеличением частоты пульсаций допустимое значение и с Для конденсаторов в определенной мере снижается.

Реализация режима поочередной коммутации нескольких инверторов, имеющих общин фильтр, является эффективным решением. Например, на электровозе ВЛ80^а каждая пара инверторов, питающих два двигателя одной тележки, снабжена общим фильтром и эти два инвертора коммутируют поочередно через 30°. Указанное решение позволило уменьшить емкость фильтрового конденсатора в 4 раза.

Рассмотрим расчет фильтрового дросселя на входе АИН при питании инвертора от контактной сети постоянного тока. Сумма напряжений и_с и Нс, рассчитываемых по формулам (5.6), определяет полный размах пульсаций напряжения на входе инвертора. Основное назначение сглаживающего реактора дросселя состоит в подавлении пульсаций сетевого тока, обусловленных обратным воздействием АЙН на питающую сеть.

Для ориентировочных расчетов с погрешностью в сторону увеличения индуктивности реактора допустимо принять сумму Ос + И’с равной амплитуде основной гармоники пульсаций напряжения с частотой коммутаций /_к- Задаваясь допустимой амплитудой сетевого тока /„, имеющего частоту /_к, находим индуктивность фильтрового реактора и = (и _с +и$1( 2л/_к/_п).

Поскольку индуктивность уменьшается при возрастании частоты коммутации /„, то использование поочередной коммутации N инверторов, имеющих общий фильтр, позволяет уменьшить индуктивность реактора в N раз.

При питании АИН от однофазной сети через выпрямитель основное назначение сглаживающего реактора состоит в снижении до заданного уровня пульсаций выпрямленного тока /а, обусловленных однофазным выпрямителем. При заданном значении выпрямленного напряжения и_л индуктивность сглаживающего реактора

и = К„иаП2л2!_сК₁1_<{).

где К_п - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, который зависит от режима управления выпрямителем и угла коммутации (для регулируемого выпрямителя Кп ⁼ 0,66 при мгновенной коммутации и К_п - 0,78-^0,83 при обычных в эксплуатации углах коммутации 30-35°);/_с = 50 Гц - частота питающей сети; /Ст - коэффициент пульсаций выпрямленного тока.

Соответственно амплитуда пульсирующей составляющей выпрямленного тока

!_п Кт!л = К_ии л/(2п2\_си). (5.8)

Экспериментальные исследования влияния коэффициента /С_т на показатели тягового двигателя НБ-602 электровозов показали, что целесообразно выбирать индуктивность сглаживающего реактора из условия достижения К_г - 0,2-7-0,25 (рис. 5.5). Увеличение Кг сверх этих значений вызывало для двигателя НБ-602 заметное снижение его КПД и коэффициентов искажения фазного напряжения К_и и тока /С|. Увеличение же индуктивности /* с целью уменьшения значения /С_т ниже 0,2 не приводило к ощутимому повышению КПД и коэффициентов искажения, причем при случае К-г = 0,2 для двигателя НБ-602 при частоте Д = 70 Гц и мощности на валу 850 кВт КПД составил 0,93, а коэффициенты искажения фазного напряжения и тока были равны соответственно 0,95 и 0,96.

При питании от однофазной сети частотой 50 Гц пульсации выпрямленного напряжения и тока имеют четно-кратные частоты и основная частота пульсаций равна 100 Гц. Влияние на АТД пульсирующих составляю-. щнх выпрямленного напряжения и тока подробно рассмотрено в главе 8. Здесь отметим лишь одно обстоятельство, которое следует учитывать при определении тока АТД в моменты коммутации инвертора.

Основная пульсирующая составляющая с частотой 100 Гц вызывает появление в фазных напряжениях и токе составляющих с комбинационными (боковыми) частотами, причем в фазном токе наиболее существенно могут проявляться составляющие с нижней боковой частотой (100-Д) Гц и верхней боковой частотой (100 + /,) Гц. На рис. 5.6, а приведена осциллограмма фазного напряжения и тока двигателя

Рис. 5.6. Осциллограммы напряжений и токов двигателя НБ-602 л первичной обмотки электровозного трансформатора

НБ-602, записанная на электровозе ВЛ80^а-751 при частоте /_х - = 92 Гц, напряжении і!_л = 1200 В и токе Іа = 725 А. В кривой фазного тока четко проявляется составляющая с частотой (100-/_х) = = 8 Гц. По результатам обработки данной осциллограммы содержание основной гармоники в фазном токе равно 93 %, а содержание составляющих с частотами (100 - /і) Гц н (100+/і) Гц - соответственно 27 и 8 % [31).

Из-за наличия составляющих с комбинационными частотами кривая фазного тока АТД нестабильна и изменяется от одного полуперио-да к другому. В результате имеет место периодическое изменение тока в моменты коммутаций инвертора относительно значения /_н, определяемого по формуле (5.2) для условий идеального сглаживания напряжения и&. Причиной появления составляющих с комбинационными частотами, которые вызывают нестабильность кривой фазного тока АТД по полупериодам, является пульсирующая составляющая выпрямленного тока с амплитудой /_п. Естественно поэтому ожидать, что ток в моменты коммутаций инвертора изменяется от (/„ - /_п) до (/„ + /_п). Данное предположение подтверждается экспериментальными данными.

Соответствующая рассматриваемому режиму работы двигателя НБ-602 осциллограмма напряжения ц_тр и тока /_тр первичной обмотки электровозного трансформатора дана на рис. 5.6, б. Расчет по формуле (5.8) для условий, соответствующих данной осциллограмме (і/* - - 1200 В, К и = 0,86, Ь_а = 9,5 мГн), дает значение /„ = 170 А, т. е. /С_т=0,23 при 1_Л = 725 А. Из результатов обработки осциллограммы рис. 5.6, а следует, что ток в моменты коммутаций инвертора изменяется от своего усредненного значения (/„ = 880 А) в пределах ±180 А, т. е. пределы изменения практически совпадают с расчетным значением ±/_п = ±170 А. Поэтому при определении параметров узла коммутации инвертора следует ориентироваться на значение тока, равное сумме /„+/_п. причем ток /„ необходимо рассчитывать по формуле (5.2), а ток /„ - по формуле (5.8).

Нестабильность кривой фазного тока АТД по полупериодам, обусловленная составляющими с комбинационными частотами при питании от однофазного выпрямителя, проявляется в широком диапазоне частот статора. Для иллюстрации на рис. 5.6, в приведена осциллограмма тока двигателя НБ-602 при частоте /_х*= 67 Гц. По результатам обработки этой осциллограммы содержание первой гармоники равно 96%, а содержание составляющих с частотами (100 - /_х) = 33 Гц и (100 + /і) = 167 Гц равно 17 н 6 % соответственно. Аналогичная нестабильность кривой фазного тока АТД имеет место и в режиме рекуперативного торможения при возврате энергии через однофазный ведомый сетью инвертор.

Резко уменьшить содержание в токе АТД составляющих с комбинационными частотами позволяет применение в качестве входного звена четырехквадрантного преобразователя (см. главу 4). При использовании преобразователя <7-5 выпрямленное напряжение стаби

лизировано на заданном уровне и имеет незначительные пульсации. Однако такой преобразователь существенно сложнее выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром и может быть применен только с АИН, управляемым по методу широтно-импульсной модуляции.