4 Особенности и свойства тягового электропривода эпс постоянного

тока с тиристорно-импульсным управлением

4.1 Состояние вопроса

Метод импульсного регулирования постоянного напряжения (ИРН) известен давно – рисунок 4.1.

Рисунок 4.1 – Импульсное регулирование постоянного напряжения

Коммутатор К периодически включается и выключается – период Ту.

Время включенного состояния коммутатора Ти, а выключенного – То. Тогда среднее значение напряжения на нагрузке будет равно

, (4.1)

где К_з – коэффициент заполнения,

. (4.2)

Очевидно, 0 ≤ К_з ≤ 1. Таким образом, регулируя коэффициент заполнения от 0 до 1 (частотным, широтным или частотно-широтным способом), можно регулировать среднее значение напряжения на нагрузке от нуля до сетевого напряжения Uc.

Хотя метод импульсного регулирования постоянного напряжения известен давно, но возможность его практического применения появилась только после освоения промышленностью в 60 гг. ХХ в. производства силовых управляемых полупроводниковых вентилей – тиристоров на сотни ампер и сотни вольт с частотой переключения 400 Гц. В СССР тиристорно-импульсные преобразователи (ТИП) были внедрены в 1965-67 гг. на электропоездах ЭР-2И, ЭР-12 (г. Рига, Прибалтийская ж.д.).

В настоящее время промышленностью освоено производство силовых полностью управляемых полупроводниковых приборов (тиристоры IGCT, транзисторы IGBT) на тысячи ампер и тысячи вольт с частотой переключения до 3000 Гц и сроком службы до 45 лет. Возможность управления этими вентилями от микропроцессорных систем (МПСУ) решает все вопросы автоматизированного тягового электропривода.

4.2 Импульсное регулирование тягового электропривода

4.2.1 Общая схема тягового электропривода с ИРН

В отличие от схемы рисунка 4.1 в тяговом электроприводе источником питания является тяговая сеть с индуктивностью L_кс, а нагрузкой – тяговый электродвигатель с индуктивностью L_м. Поэтому техническая реализация импульсного метода регулирования постоянного напряжения в тяговом электроприводе возможна только при дополнительной установке входного и выходного фильтров – рисунок 4.2.

Рисунок 4.2 – ИРН тягового электропривода ЭПС постоянного тока

На рисунке 4.2 приняты обозначения:

ТИП – тиристорно-импульсный преобразователь, состоящий из тиристоров

VS1, VS2 и диодов VD1, VD2;

L1– C1 – входной фильтр;

VD2 – L2 – выходной фильтр;

ТЭД – тяговый электродвигатель.

Конденсатор C1 и диод VD2 предотвращают коммутационные перенапряжения на ТИП при его выключении. Дроссели L1 и L2 уменьшают пульсации тока, соответственно, в контактной сети и в ТЭД.

4.2.2 Режим тяги

Здесь рабочим тиристором является тиристор VS1 (тиристор VS2 вообще не включается). Рассмотрим с помощью схем замещения и соответствующих им временных диаграмм для обоих интервалов Т_и и Т_о импульсного цикла Ту электромагнитные процессы, имеющие место в электродвигателе, при импульсном регулировании напряжения – рисунок 4.3.

Интервал Т_и.

В момент t₁ подается напряжение управления U_у1 на тиристор VS1, он включается, напряжение на нем снижается от сетевого до нуля, а на нагрузке возрастает от нуля до сетевого. Ток в цепи нагрузки начинает возрастать от значения Iм.min до значения Iм.max по экспоненциальному закону.

Интервал То.

В момент t₂ снимается управляющее напряжение U_у1 с тиристора VS1, он выключается, берет на себя сетевое напряжение, снимая это напряжение с нагрузки. Поэтому ток в цепи нагрузки начинает уменьшаться с Iм.max до Iм.min по экспоненциальному закону до момента t₃, когда в следующем периоде импульсного цикла вновь включается тиристор VS1.

И так повторяется в каждом периоде импульсного цикла.

Согласно (4.1)

. (4.3)

Из U_кс·I_кс = U_м·I_м и (4.3) можно получить

. (4.4)

и

. (4.5)

Если совместно решить дифференциальные уравнения, составленные для цепи нагрузки в обоих интервалах импульсного цикла, то можно определить величину пульсации тока в нагрузке

, (4.6)

где f_у – частота импульсного цикла, Гц,

; (4.7)

L_э – эквивалентная индуктивность цепи нагрузки.

Рисунок 4.3 – ИРН ТЭД в режиме тяги

Очевидно

. (4.8)

Из (4.6) следует, что чем больше индуктивность сглаживающего реактора и частота переключения тиристора, тем меньше пульсация тока в нагрузке. При этом в процессе регулирования напряжения на нагрузке пульсация тока зависит еще и от величины коэффициента заполнения К_з и принимает наибольшее значение при К_з = 0,5

. (4.9)

Выражение (4.9) используется для определения индуктивности сглаживающего реактора по заданным значениям U_кс, f_у и ∆ I_м.max.

Параметры входного фильтра определяются следующим образом

, (4.10)

, (4.11)

где ∆U_c.max – максимальная пульсация напряжения на конденсаторе фильтра;

K_I – коэффициент сглаживания тока в контактной сети; принимается равным 100…150.

4.2.3 Режим рекуперации

Здесь рабочим тиристором является тиристор VS2. Предварительно должна быть реверсирована обмотка возбуждения. Схемы замещения и временные диаграммы для этого режима приведены на рисунке 4.4.

Интервал Т_И.

При включении тиристора VS2 (момент времени t₁) генератор последовательного возбуждения оказывается в короткозамкнутом контуре, под действием его э.д.с. ток генератора возрастает от Iм.min до Iм.max.

Интервал Т_о.

При выключении тиристора VS2 (момент времени t2) генератор через диод VD1 оказывается подключенным к контактной сети на напряжение Uкс и потому ток в нем начинает снижаться от Iм.max до Iм.min, поддерживаемый э.д.с. генератора и э.д.с. самоиндукции (e_L =L_э ) цепи генератора.

Рисунок 4.4 – ИРН ТЭД в режиме рекуперации

В каждом отдельно взятом интервале Т_И и Т_о генератор не обладает электрической устойчивостью, но за счет внешнего коммутатора (ТИПа), который принудительно переводит его из одного неустойчивого состояния в другое, работает в, так называемом, квазиустановившемся режиме.

Соотношения между напряжениями и токами здесь следующие:

, (4.12)

, (4.13)

. (4.14)

Очевидно, тягово-тормозная диаграмма электропривода будет представлять собой «площадные характеристики», ограниченные конструкционной скоростью, по коммутации и по сцеплению (или по току). Внутри этих ограничений электропривод может работать в любой точке этой площади, точке, определяемой величиной реализуемого коэффициента заполнения и нагрузкой электропривода.

Итак, система тиристорно-импульсного управления решила практически все проблемы тягового электропривода за исключением тех, которые присущи системе электрической тяги на постоянном токе:

– неоптимальные уровни напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе,

– коллекторный тяговый двигатель.