Особенности преобразователей локомотивов. Статические преобразователи электрической энергии. 10 Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах

• Название: Статические преобразователи электрической энергии. 10 Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах
• Дата: 13.02.2023
• Размер: 408.83 Kb.
• Имя файла: Особенности преобразователей локомотивов.docx
• Тип: Документы; #935058
• страница: 2 из 3

10.3. Управляемые выпрямители.

   Управляемые выпрямители однофазного напряжения. В системах регулирования тока обмотки возбуждения тяговых генераторов тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70 и ТЭМ7 нашли широкое распространение управляемые выпрямители однофазного напряжения, построенные на управляемых полупроводниковых приборах – тиристорах (силовых транзисторах). Тиристор открывается, если:
   1. замкнута цепь нагрузки и анод (коллектор) имеет более высокий потенциал, чем катод (эмиттер);
   2. на управляющий электрод (базу) подан импульс напряжения положительной полярности необходимой величины и длительности относительно катода (эмиттера). Открывание тиристоров в однофазных и многофазных управляемых схемах выпрямления или преобразования происходит в строго определенные моменты времени. Изменение фазы переднего фронта управляющего импульса относительно переменного анодного напряжения можно осуществить плавное регулирование выходного напряжения преобразователей. С помощью управляемых тиристорных или тиристорно-диодных выпрямителей решаются задачи плавного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения (рис. 10.9).

   На управляющие выводы тиристоров VS1 и VS2 подаются отпирающие импульсы, вырабатываемые системой автоматического регулирования. С помощью этих импульсов можно открывать тиристоры в заданные моменты времени и изменять общее время, в течение которого каждый тиристор проводит ток. Промежуток времени между моментом подачи положительного напряжения на анод тиристора VS1 или VS2 и моментом подачи отпирающего импульса Iу на их управляющие электроды называется углом управления а. С увеличением угла управления α уменьшается площадь, ограниченная кривой выпрямленного напряжения, и уменьшается его среднее значение Ucp. Наибольшее значение выпрямленное напряжение будет иметь при α = 0 (аналог неуправляемого выпрямителя), а при α = 180 эл. град, оно будет равно нулю. Тиристоры VS1 и VS2 проводят ток поочередно: каждый во время той части периода, когда напряжение на его аноде положительно. Например, если на аноде тиристора VS1 положительный потенциал и на его управляющий электрод подать сигнал управления, то VS1 откроется. Возникнут условия для протекания тока от источника напряжения через тиристор VS1, нагрузку Rн диод VD2 ко второму выводу источника напряжения. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сменится полярность питающего напряжения. После чего создаются условия для включения в работу тиристора VS2, который откроется после подачи сигнала управления, и ток будет протекать через него, нагрузку Rн, диод VD1 к источнику напряжения. Для получения симметричной формы выпрямленного напряжения должно соблюдаться с достаточной точностью равенство углов управления а обоих плеч выпрямителя. Асимметрия углов управления а приводит к неравномерной загрузке тиристоров VS1, VS2, и диодов VD1, VD2, увеличению пульсаций и появлению в выпрямленном напряжении трудно сглаживаемой низкочастотной составляющей. Кроме того, уменьшается КПД выпрямителя и сужается диапазон регулирования напряжения. Среднее значение выпрямленного напряжения без учета потерь в коммутационный период зависит не только от а, но и от характера нагрузки. При чисто активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет кривую напряжения:

Udα = (2√2 / π)U2(1 +cosα) = 0,45U2(1 + cosα) (10.12)

   где U2 – действующее значение напряжения источника, В.


Рис. 10.9. Схема управляемого выпрямителя однофазного тока (а)
и графики изменения напряжений и токов (б). УВ – управляемый выпрямитель.

   Среднее значение тока нагрузки при α ≠ 0:

Idα = Idн √ π - α / π (10.13)

   где Idα – среднее значение тока нагрузки при α = 0, А. Анализ кривых тока дает возможность определить средний ток тиристоров VS1, VS2 и диодов VDh VD2:

Iт = (π - α / 2π)Idн (10.14)


Рис. 10.10. Семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя
Ud = f(Id)

   Увеличение тока нагрузки вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения из-за тех же потерь, что и в неуправляемом выпрямителе. На рис. 10.10 представлено семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя при различных углах управления α. При регулировании выпрямленного напряжения изменением угла управления α, момент коммутации тока с одного тиристора на другой сдвигается по сравнению с неуправляемым выпрямителем на угол α. Одним из важных энергетических показателей выпрямительных установок является коэффициент мощности на входе выпрямителя, который определяет эффективность использования электрической энергии источника напряжения. Коэффициент мощности kp для электрических цепей, напряжения и токи которых несинусоидальны, может быть определен как отношение активной мощности Р к полной мощности S. После соответствующих преобразований получим:

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.


Рис. 10.14. Схема трехфазного мостового инвертора.

   Тиристоры анодной и катодной групп могут переключаться по различным алгоритмам: с однократным и многократным переключением на интервале одного периода выходного напряжения. При однократном переключении в течение периода угол проводящего состояния тиристоров может быть равным 180, 150 или 120 эл. град, или в общем случае: π - α эл. град. Одновременно в проводящем состоянии находятся три тиристора: два в анодной и один в катодной группе или один в анодной и два в катодной. Выходные напряжения инвертора могут быть получены из анализа эквивалентных схем, соответствующих шести возможным состояниям инвертора (рис. 10.15). Напряжение источника питания Ud поступает к фазным нагрузкам в соответствии со схемой подключения в данном интервале. Напряжение между анодной или катодной точками и нулевой точкой нагрузки в одной фазе равняется Ud/3 или 2Ud/3 в зависимости от того, две фазы или одна фаза нагрузки в данный момент связаны с соответствующей шиной. В результате фазные напряжения получают трехступенчатую форму, сохраняющуюся независимо от характера нагрузки. Линейное напряжение имеет при этом форму прямоугольников с углом основания 120 эл. град. Эффективное значение фазного и линейного напряжения инвертора соответственно равно:

Uф = 0,45Ud; Uл = 0,28Ud.

   Выходные напряжения несинусоидальны, имеют форму с симметрией третьего рода и описываются нечетными функциями, не кратными трем.


Рис. 10.15. Эквивалентные схемы (а) и графики напряжения
на фазных нагрузках в зависимости от состояния тиристоров (б).

   Форма тока в цепи нагрузки зависит от характера нагрузки. При RL-нагрузке после очередного переключения тиристоров VS7, VS4, VS6 под действием ЭДС самоиндукции ток в фазе некоторое время сохраняет направление и замыкается по цепи обратных диодов VD2, VD3, VD5 противоположного плеча данной фазы. Этот ток имеет форму, близкую к пилообразной, и содержит кроме постоянной составляющей Iн спектр четных высших гармонических составляющих, кратных шести.