ТИРИСТОРНО-ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
Принцип импульсного управления.При импульсном управлении энергия подводится к тяговым двигателям и накопительным элементам ввиде отдельных импульсов. В промежуток времени между импульсами энергия в тяговые двигатели поступает от накопительных элементов, в качестве которых используются катушки индуктивности и конденсаторы. Рассмотрим пример импульсного управления (рис. 18).
В период времени 0 – t1 ключ К замкнут и через тяговый двигатель протекает ток i2 = i1. Нарастание тока определяется индуктивностью цепи L и разностью напряжений U1 – Eд:
(59)
Здесь мы пренебрегаем активными потерями в элементах схемы. За счет увеличения тока i2 происходит увеличение энергии, накопленной в индуктивности L, которая включает в себя и индуктивность тягового двигателя.
В период времени t1 - t2 ключ К разомкнут, ток i1 = 0. Через тяговый двигатель протекает ток i2, который замыкается через вспомогательный диод V и поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности L.
В момент t2 снова замыкается ключ К, и энергия к тяговому двигателю поступает от источника энергии.
Рис. 18. Принципиальная схема (а) и диаграмма (б) импульсного регулирования
Напряжение на двигателе определится как среднее за период Т:
, (60)
где Uab – напряжение между точками a и б.
При замкнутом ключе К напряжение Uab = U1, тогда
Отношение времени проводящего состояния ключа t1 к периоду Т называют коэффициентом заполнения импульсов.
(61)
Следовательно, изменяя значение коэффициента λ, можно менять напряжение Uд на тяговом двигателе (рис. 19).
Рис. 19. Зависимость напряжения на двигателе от
коэффициента заполнения импульсов
Возможны следующие варианты импульсного управления:
а) период Т = const, изменяется время t1 проводящего состояния ключа. Такое управление называется широтно-импульсным;
б) время проводящего состояния ключа остается постоянным (t1 = const), изменяется период Т. Такое управление называется частотно-импульсным;
в) изменяются время t1 проводящего состояния ключа и период Т. Такое управление называется смешанным.
Для обеспечения работоспособности рассмотренных схем импульсного управления необходимо, чтобы:
1) источник питания был безындуктивным;
2) ключ работал с большой частотой (при низкой частоте необходима большая индуктивность L, т. е. реактор будет громоздким, что нежелательно);
3) ключ К обладал способностью коммутировать большие токи.
Для соблюдения первого условия необходимо источник питания, т. е. контактную сеть, обладающую относительно большой индуктивностью, шунтировать конденсатором с большой емкостью. Это достигается установкой на входе импульсного преобразователя фильтра, состоящего из реактора и конденсатора.
В качестве ключа К применяют электронный ключ. Наибольшее распространение получили тиристорные ключи, которые накладывают на импульсное управление ряд особенностей. Тиристор - прибор, обладающий односторонней управляемостью. Можно управлять моментом открытия прибора. Для восстановления тиристору своих управляющих свойств необходимо, чтобы через него перестал протекать ток. Это достигается за счет приложения ктиристору обратного напряжения, что требует создания специальных схем ключей.
Широтно-импульсный ключ.Рассмотрим принцип работы широтно-импульсиого ключа (рис. 20). Ключ состоит из главного тиристора VI (рис. 20, а), вспомогательного тиристора V2, коммутирующего конденсатора Ск и перезарядной цепи, состоящей из катушки индуктивности LK и диода Vo.
Пренебрегаем активными потерями в элементах ключа и принимаем, что в момент времени t = 0 конденсатор Ск заряжен до напряжения тяговой сети U1 с полярностью, указанной на рис. 20, а (без скобок). На рис. 20, б приведены диаграммы, поясняющие работу этого ключа.
Рис. 20. Принцип работы широтно-импульсного тиристорного ключа: а – принципиальная схема; б – диаграмма напряжений и токов
В период времени 0 - t1 открыт главный тиристор VI (см. рис. 20, а, б), при этом через него протекает ток и происходит накопление энергии в индуктивности L. Одновременно через открытый главный тиристор VI и перезарядную цепь происходит колебательный разряд конденсатора Ск, который перезаряжается до напряжения U1 с полярностью, указанной в скобках (интервал 0 - t/), и это напряжение остается на конденсаторе до открытия тиристора V2. В момент t1 открывается вспомогательный тиристор V2. К тиристору VI прикладывается отрицательное напряжение конденсатора Ск, при этом прекращается протекание тока через тиристор VI, и таким образом создаются условия для восстановления его управляющих свойств. Одновременно через тиристор V2, индуктивность L происходит перезаряд конденсатора Ск током тягового двигателя i2. В момент t// напряжение на коммутирующем конденсаторе изменяет знак, и к тиристору VI прикладывается положительное напряжение. Следовательно, в течение времени к тиристору VI приложено отрицательное напряжение. К моменту t2 конденсатор Ск заряжается до напряжения тяговой сети U1, открывается диод V3, и через него начинает протекать ток двигателя. Тиристор V2 закрывается, и создаются условия для восстановления его управляющих свойств.
В момент t3 снова открывается главный тиристор VI, и процесс повторяется. Учитывая, что индуктивность цепи достаточно велика, можно принять, что i2 = const и i2 = I2. Напряжение на двигателе
(62)
Следовательно, коэффициент заполнения в этом случае
, (63)
где
. (64)
Из выражений (62) и (64) следует, что напряжение на двигателе
(65)
Таким образом, напряжение на двигателе будет зависеть не только от работы системы управления тиристорами, но и от тока двигателя.
Внешние характеристики преобразователя достаточно жесткие в области больших токов и весьма мягкие в области малых токов нагрузки.
Так как всегда должен произойти заряд конденсатора Ск, то существует какой-то минимальный ток нагрузки I2min, меньше которого при данной частоте, т. е. данном значении Т, нельзя производить регулирование.
При рассмотрении процессов в преобразователе мы пренебрегали потерями в его элементах. Действительно, к. п. д. преобразователя достаточно высок (0,95 - 0,97). Объясняется это применением элементов, которые имеют относительно малые потери энергии: конденсаторов, реакторов, тиристоров и диодов. В зависимости от режима работы преобразователя потери энергии в его элементах будут изменяться по разным законам.
В широтно-импульсном преобразователе в режиме пуска, т. е. при работе с постоянным током нагрузки I2 = const и V = var, с уменьшением мощности уменьшается и к. п. д. преобразователя. Объясняется это наличием постоянных потерь энергии в индуктивности L.
Возможны два способа включения преобразователей на электроподвижном составе. Первый способ - преобразователь включается только на период пуска и торможения тяговых двигателей. По окончании пуска он шунтируется контактором. Тяговые двигатели должны обеспечить работу при напряжении тяговой сети. В этом случае преобразователь рассчитывается на кратковременный режим работы. Такое включение нашло применение на городском электрическом транспорте. Второй способ - преобразователь включается на все время работы тяговых двигателей. В этом случае номинальное напряжение на тяговых двигателях может быть ниже, чем напряжение тяговой сети. Естественно, что преобразователь здесь должен быть рассчитан на продолжительный режим работы. Поэтому он обладает большей массой и габаритами, чем преобразователь для первого способа включения.
Для широтно-импульсного преобразователя вследствие жесткости его выходных характеристик приходится принимать специальные меры для улучшения распределения нагрузки между ключами. Одной из таких мер является работа каждого ключа на свой двигатель (рис. 21).
Рис. 21. Схема э.п.с. с широтно-импульсными тиристорными ключами ТП1 и ТП2
Тиристорные преобразователи потребляют ток от источника в виде импульсов. Поэтому требуется установка на входе преобразователя мощных фильтров, обладающих большой емкостью Сф и индуктивностью Lф. Мощность фильтра может быть значительно уменьшена, если выполнять преобразователи многофазными, т. е. из нескольких тиристорных ключей, работающих со сдвигом в 360°/п, где п - число ключей (фаз) преобразователя.
Тиристорный преобразователь имеет практически бесконечно большое число внешних характеристик в режиме тяги. Следовательно, подвижной состав может иметь такое же число тяговых характеристик. Реальное их число будет определяться системой управления э.п.с. В общем случае на эти характеристики наложены ограничения: по сцеплению, максимальной мощности преобразователя, наибольшему допустимому ослаблению возбуждения тягового двигателя при номинальном напряжении на его зажимах и конструкционной скорости (рис. 22).
Рис. 22. Тяговые характеристики э.п.с. при применении
импульсного регулятора при U1=const
Характеристики регулирования, т. е. изменение величины в функции того или иного параметра, определяют путем расчета их по отдельным точкам тяговых характеристик. По данной точке заданной тяговой характеристики, используя электромеханические характеристики двигателя, находят значение тока двигателя. Напряжение на двигателе определяется в соответствии с выражением
, (66)
где v - скорость движения э. п. с.
Величину СФ определяют по нагрузочным характеристикам двигателя для тока I в двигательном режиме. Далее по значениям Uд и I, используя выражение (65) для широтно-импульсного преобразователя, определяют значение . Расчет лучше вести табличным методом. При этом для конкретной схемы э.п.с. необходимо находить соотношение между токами I2 и I1 по формуле
, (67)
гдеnд - число параллельных ветвей тяговых двигателей; nф - число фаз регулятора.
Ток, потребляемый э. п. с. из тяговой сети,
, (68)
где ηр – к.п.д. преобразователя.
Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 2186;