Файл: Статические преобразователи электрической энергии. 10 Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 40
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
kp = 1 + cosα / √π (10.15)
Анализируя полученную зависимость, можно видеть, что при регулировании выпрямленного напряжения путем изменения угла управления тиристоров α, коэффициент мощности kp снижается при увеличении α. Это свидетельствует о возрастании амплитуды высших гармонических составляющих тока и снижении КПД выпрямителя. В связи с этим данные устройства используются, как правило, в качестве маломощных источников регулируемого напряжения.
Однополупериодные управляемые выпрямители трехфазного напряжения.
На тепловозах ТЭ109, 2ТЭ116УП, 2ТЭ121 устанавливают тяговый агрегат, содержащий тяговый генератор и отопительный генератор. Последний предназначен для питания системы электроснабжения поезда и приводов вспомогательных агрегатов тепловоза. Независимое возбуждение этих генераторов выполнено по системе трехфазная обмотка – управляемый выпрямитель. Формирование тока возбуждения в таких системах осуществляется при помощи двух независимых однополупериодных управляемых (полууправляемых) выпрямителей трехфазного напряжения, схема одного из которых приведена на рис. 10.11, а. Для открытия одного из тиристоров VS1, VS2 или VS3 необходимо соблюсти два условия:
во-первых, на аноде тиристора должен быть положительный потенциал,
а во-вторых, на его управляющий электрод должен быть подан сигнал управления.
Предположим, что эти условия выполнены для тиристора VS1. После его открытия ток от источника напряжения через тиристор VS1 и нагрузку Rн потечет к нулевой точке. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет смена полярности напряжения данной фазы или не будет открыт тиристор другой фазы, анод которого имеет более высокий потенциал по сравнению с VS1. Для удобства анализа процессов, происходящих в данной схеме, будем считать, что на выходе источника напряжения сформирована трехфазная система синусоидальных напряжений (рис. 10.11, б), тиристоры – идеальные ключи, активное сопротивление обмоток источника напряжения равно нулю. При этом для выпрямителей относительно небольшой мощности (мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, составляет 3...5% мощности тягового генератора) можно считать, что и индуктивное сопротивление обмотки возбуждения тягового генератора равно нулю. Полный диапазон изменения угла регулирования тиристоров в данном выпрямителе составляет 180 эл. град. Как и в однофазном диодно-тиристорном выпрямителе, в рассматриваемом выпрямителе тиристоры включаются по сигналу от системы управления. Среднее значение выпрямленного напряжения установки можно определить на основании следующего соотношения:
Ucp= 1,17U2(1 + cosα) (10.16)
Средние значения токов, протекающих через тиристоры, могут быть определены по формуле:
Iтср = (1 / 2π)[(2π / 3)Id] = Id / 3 (10.17)
Максимальное значение обратного напряжения, приложенного к тиристорам, составляет:
Uтoбp = √6U2 = (π/3)Ud = l,05Ud (10.18)
Мостовой управляемый выпрямитель.
Для плавного регулирования напряжения, приложенного к тяговому электродвигателю, может использоваться мостовой управляемый выпрямитель трехфазного напряжения (рис. 10.12). Схема выпрямителя выполнена на тиристорах VS1– VS6. В отличие от полууправляемого выпрямителя в данной схеме все процессы симметричны и его характеристики более благоприятны в широком диапазоне регулирования.
Рис. 10.11. Схема трехфазного управляемого выпрямителя (а)
и графики изменения напряжений и токов (б)
Рис. 10.12. Схема мостового управляемого выпрямителя (УВ).
ТЭД – тяговый электродвигатель
На тиристоры от блока управления подаются сдвоенные (с интервалом в π /3 = 60 эл. град.) импульсы управления или пакеты импульсов длительностью более π/3. Такой алгоритм следования импульсов необходим для одновременного отпирания одного тиристора в катодной группе и одного тиристора в анодной, чтобы образовалась цепь нагрузки (в данном случае тяговый электродвигатель) при включении выпрямителя и в режиме прерывистого тока при глубоком регулировании.
Открытие одного из тиристоров катодной группы VS1, VS3, VS5 (например, VS1) произойдет при наличии на аноде положительного потенциала и подаче на него импульса управления.
Открытие одного из тиристоров анодной группы VS2, VS4, VS6 (например, VS6) произойдет при наличии на катоде отрицательного потенциала и подаче на него импульса управления. После этого создается цепь от фазы А источника напряжения через тиристор VS1, тяговый электродвигатель, тиристор VS6 к фазе С источника напряжения.
Коммутация в этой схеме происходит при смене полярности приложенного к тиристорам напряжения либо при открытии пары тиристоров с более высокими положительными и отрицательным потенциалами соответственно.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
Udср = Ud0 - ΔUdα - ΔUdγ (10.19)
где ΔUdα - 1,17U2(1 - cosα) – потери, обусловленные отклонением формы выпрямленного напряжения от синусоидального, В;
ΔUdγ - 1,17U2[cosα - cos (α + γ)] – потери, обусловленные коммумутацией тиристоров, В;
γ = arccos (1 - (2IdxL / √6U2)) угол коммутации, эл. град.;
xL – индуктивное сопротивление нагрузки, Ом.
Подставив значения составляющих в выражение (10.19), получим уравнение внешней характеристики выпрямителя:
Udср = Ud0cosα - (3IdxL / π) (10.20)
При изменении угла управления с пределах 0 < α < 60 эл. град, напряжение и ток выпрямителя непрерывны даже при активной нагрузке. Для этого поддиапазона среднее значение выпрямленного напряжения составляет:
UсрI = Ud0cosα (10.21)
При изменении угла управления в пределах 60 ≤ α ≤ 120 эл. град, кривая выпрямленного напряжения Ud при активной нагрузке становится прерывистой и среднее значение выпрямленного напряжения можно определить как:
UсрII = 1,17U2[1 + cos(π / 3 + α)] (10.22)
Предельным углом управления, при котором Ud = 0, в случае активной нагрузки является α mах = 120 эл. град. Управляемые выпрямители выполняют также функцию бесконтактного аппарата, обеспечивающего отключение цепи нагрузки от сети в случае аварийного нарастания тока путем прекращения подачи импульсов управления на тиристоры.
10.4. Инверторы.
Преобразователь с тиристорами может работать в выпрямительном и инверторном режимах. Как уже отмечалось, выпрямительным режимом называют такой режим, когда электрическая мощность передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. При инверторном режиме, наоборот, мощность передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. На железных дорогах используются два вида инверторов:
1) АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ для построения электрической передачи мощности локомотивов с приводов переменного тока;
2) неавтономные инверторы, или ведомые сетью, для преобразования энергии при рекуперативном торможении электровоза или при реостатных испытаниях тепловозов.
АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ – это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних электрических цепях. Независимая коммутация обеспечивается дополнительными коммутирующими устройствами внутри самого преобразователя. На выходе такого преобразователя можно получать переменный ток теоретически любой частоты и напряжения и плавно регулировать его от нуля до максимального значения. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными электродвигателями. Процессы переключения тока в автономных инверторах зависят от способа принудительной коммутации тока, особенностей электрической схемы, параметров источника питания и нагрузки. Полная коммутация с переключением тока из одной ветви схемы в другую в автономных инверторах происходит за несколько этапов, важнейшими из которых являются:
- уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля;
- задержка подачи прямого напряжения на этот тиристор до полного восстановления его запирающей способности;
- нарастание прямого тока во втором тиристоре.
Эти события могут наступать одновременно или последовательно. Создание средств для осуществления надежной коммутации обычно является одной из наиболее трудных проблем при проектировании автономных инверторов. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу можно отнести обычные, не полностью управляемые тиристоры, дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например, в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров. Второй класс составляют запираемые тиристоры и силовые транзисторы, которые закрываются специальными импульсами управления. Инверторы, ведомые сетью, используются для передачи избыточной энергии потребителей в сеть переменного тока частотой 50 Гц, в частности, при рекуперативном торможении электровозов и электропоездов. Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Управление режимом работы инвертора должно быть таким, чтобы обеспечивалась коммутация тиристоров под действием сети. Необходимым условием работы инвертора является подача на его вход напряжения постоянного тока. Из всего многообразия инверторов можно выделить две большие группы: автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.
Однофазный автономный инвертор напряжения.
Эта схема содержит мост главных тиристоров VS1– VS4, встречно включенный мост обратных диодов VD1– VD4, блок управления тиристорами, входной конденсатор фильтра Q, активно-индуктивную нагрузку Lн и Rн и коммутирующий конденсатор Ск (рис. 10.13, а).
Рис. 10.13. Схема однофазного инвертора напряжения (а)
и графики изменения напряжений и токов (б).
Тиристоры попарно и поочередно отпираются по цепи управления, подключая цепь нагрузки к источнику напряжения. Такой алгоритм переключения обеспечивает формирование в нагрузке напряжения прямоугольной формы. Предположим, что открыты тиристоры VS1, VS4. Тогда ток от источника напряжения Ud через открытый тиристор VS1, нагрузку LнRн и открытый тиристор VS4 протекает ко второму выводу источника напряжения.
Параллельно нагрузке подключен коммутирующий конденсатор Ск, который в этот период заряжается от источника Ud (полярность заряда конденсатора показана без скобок). Это состояние продолжается до момента открытия тиристоров VS3 и VS2. Если открыть тиристоры VS3 и VS2, то в первый момент времени тиристоры VS1 и VS4 остаются открытыми. Этим создается цепь разряда конденсатора Ск по двум цепям:
во-первых, от положительно заряженной обкладки (от плюса) Ск через открытые тиристоры VS1 и VS3 на отрицательно заряженную обкладку (на Минус) Ск, а,
во-вторых, от плюса Ск через открытые тиристоры VS2 и VS4 на минус Ск.
Для тиристоров VS1 и VS4 ток разряда конденсатора Ск является обратным, который приводит к уменьшению тока этих тиристоров ниже тока удержания, и они закрываются. Окончательный разряд конденсатора Ск происходит через диод VD1 и тиристор VS3, а также через тиристор VS2 и диод VD4.
Наступает новый цикл работы инвертора. Ток нагрузки Iн протекает в обратном направлении, и заряд конденсатора Ск имеет противоположную полярность (полярность заряда показана в скобках). Это состояние продолжается до момента открытия тиристоров VS1 и VS4. Временные диаграммы работы однофазного инвертора напряжения представлены на рис. 10.13, б. В момент очередного запирания тиристоров энергия, запасенная в Lн, поступает в источник питания через обратные диоды, а конденсатор фильтра Сd исключает уменьшение напряжения питания в моменты коммутации тиристоров. Изменением момента запирания одного из тиристоров в каждой работающей паре можно менять длительность и частоту подачи напряжения источника питания на нагрузку. Эффективное значение напряжения первой гармонической составляющей на нагрузке:
Uн1 = (2√2 / π)Ud = 0,9Ud (10.23)
Величина тока нагрузки:
Iн = Ud / Rн - (Ud / Rн + Iн0)exp((- Rн / xL)ωt) (10.24)
где Iн0 – ток нагрузки в момент коммутации, А.
Трехфазный мостовой инвертор напряжения.
Схема этого инвертора содержит шесть тиристорных ключей VS1–VS6, образующих мост, шесть встречно включенных диодов VD1–VD6, соединенных также по схеме трехфазного моста, и блок управления. Диоды выполняют функции диодов обратного тока, а блок управления обеспечивает переключение тиристорных ключей по заданному алгоритму управления продолжительностью проводящего состояния тиристоров (рис. 10.14). Частота выходного напряжения задается блоком управления посредством изменения цикла переключения тиристорных ключей. Устройства для коммутации тиристоров на схеме не показаны. Тиристоры и диоды трех фаз А, В и С образуют анодную (VS1, VS3, VS5; VD1, VD3, VD5) и катодную (VS2, VS4, VS6; VD2, VD4, VD6) группы.