ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЭПС ОДНОФАЗНО-ПОСТОЯННОГО ТОКА

В отличие от э.п.с. постоянного тока, где регулирование скорости осуществляется за счет введения в цепь тяговых двигателей пускового резистора или за счет изменения схемы соединения тяговых двигателей, регулирование скорости э.п.с. однофазно-постоянного тока осуществляется в основном за счет изменения напряжения прикладываемого к тяговым двигателям посредством изменения коэффициента трансформации тягового трансформатора. Поэтому в силовых цепях э.п.с. однофазно-постоянного тока отсутствуют пусковые резисторы, а первичную (или вторичную) обмотку трансформатора разбивают на отдельные секции.

Включая секции вторичной обмотки встречно-последовательно или согласно-последовательно (при регулировании на первичной обмотке трансформатора используют еще дополнительную регулировочную обмотку), изменяют величину напряжения на входе выпрямительной установки, тем самым меняют величину напряжения, прикладываемого к тяговым двигателям.

Упрощенная электрическая схема силовых цепей э.п.с. однофазно-постоянного тока представлена на рис. 1.1, а.

Рисунок 1.1. Упрощенная схема силовых цепей э.п.с. однофазно-постоянного тока (а) и кривая выпрямленного напряжения (б).

Здесь функцию преобразования высокого напряжения контактной сети (25 кВ) до уровня, необходимого для нормального функционирования тягового двигателя, выполняет трансформатор. Преобразование переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в постоянный пульсирующий осуществляют при помощи полупроводниковых выпрямителей, собранных обычно по мостовой схеме.

При этом кривая напряжения, прикладываемого к тяговым двигателям, будет представлять собой отрезки положительных полуволн напряжения вторичной обмотки трансформатора U₂, т.е. выходное напряжение выпрямителя будет не постоянным, а пульсирующим (рис. 1.1, б). В кривой такого напряжения, кроме постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного напряжения U_d будет содержаться переменная или пульсационная составляющая. Частота этой составляющей вдвое выше частоты напряжения вторичной обмотки трансформатора. При такой форме напряжения, прикладываемого к тяговым двигателям, в кривой тока тяговых двигателей также будут содержаться пульсации, вызванные переменной составляющей выпрямленного напряжения. Поскольку пульсации тока тяговых двигателей ухудшают условия их работы, последовательно с ними устанавливают специальные сглаживающие реакторы, индуктивность которых выбирают из условия получения допустимой амплитуды пульсаций тока тяговых двигателей.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки трансформатора к сети с синусоидальным напряжением в ней возникает ток I₁, который создает синусоидально - изменяющийся магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику. Поток Ф индуктирует ЭДС, как в первичной Е₁, так и во вторичной Е₂ обмотках. При подключении ко вторичной обмотке трансформатора в этой обмотке возникает ток I₂ и на ее зажимах устанавливается некоторое напряжение U₂ Результирующий магнитный поток сердечника Ф_c создается током обеих обмоток.

Назовем идеальным такой трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии (сопротивления обмоток и потери в стали сердечника равны нулю), все линии магнитной индукции проходят целиком по сердечнику и каждая из них сцепляется со всеми витками первичной (w₁) и вторичной (w₂) обмоток. Тогда в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора индуктируются одинаковые по величине ЭДС, а напряжения на обмотках будут пропорциональны числуих витков

(1.1)

где k_тр - коэффициент трансформации.

Таким образом, подбирая, требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно легко увеличивать или уменьшать напряжение переменного тока на зажимах потребителя (на отечественных электровозах изменение числа витков вторичной обмотки, подключаемых к нагрузке, осуществляется при помощи главного контроллера).

В реальном трансформаторе, полученное соотношение несколько нарушается из-за наличия активных сопротивлений его обмоток, а также ввиду того, что часть силовых линий магнитной индукции замыкается по воздуху, что приводит к появлению индуктивных сопротивлений рассеяния трансформатора.

Режим работы трансформатора, при котором при номинальном напряжении на первичной обмотке ток его вторичной обмоткиI₂ равен нулю, называется режимом холостого хода. В рассматриваемом режиме ток первичной обмотки представляет собой намагничивающий ток трансформатора; он значительно меньше номинального, поэтому соотношение (1.1) практически не меняется. При работе трансформатора под нагрузкой ток существенно возрастает, а из-за падений напряжений в активных сопротивлениях и индуктивных сопротивлениях рассеяния обмоток трансформатора напряжение на его выходе несколько уменьшается.

Расчеты параметров этих сопротивлений целесообразно производить на, так называемом, приведенном трансформаторе, у которого число витков первичной обмотки трансформатора равно числу витков его вторичной обмотки.

Для такого трансформатора

; ; (1.2)

где , , – соответственно ЭДС, активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки приведенного трансформатора.

Конструкция тяговых трансформаторов в значительной степени зависит от способа регулирования напряжения на локомотиве (схемы включения обмоток, количества секций и выводов). На электропоездах (ЭР-9) регулирование напряжения осуществляется со стороны вторичной обмотки трансформатора. При этом изменение величины коэффициента трансформации происходит только в результате простого увеличения (или уменьшения) числа витков обмотки трансформатора.

В этом случае секции вторичной обмотки трансформатора не изолируют одну от другой (рис. 1.2). Число витков во вновь подключаемой секции в данном случае будет определять, на какую величину возросло напряжение на нагрузке. Это так называемое простое ступенчатое регулирование. Для увеличения числа ступеней регулирования и снижения тем самым бросков напряжения на нагрузке на отечественных электровозах вторичная обмотка трансформатора разбита на две изолированные друг от друга и приблизительно равные по числу витков полуобмотки: одна без дополнительных выводов - нерегулируемая, а другая - регулируемая. Эти обмотки посредством контактных элементов 1 и 2, входящих в состав главного контроллера электровоза, могут различным способом соединяться друг с другом. На рис. 1.3 одноименные зажимы первичной и двух вторичных полуобмоток (начала этих обмоток) отмечены точкой.

Рисунок 1.2. Схема соединения вторичных обмоток трансформатора электропоезда

При синусоидальном питающем напряжении в один из его полупериодов на всех одноименных зажимах будем иметь либо

Рисунок 1.3. Схема соединения вторичных обмоток трансформатора электровоза.

положительные потенциалы, либо отрицательные. Пусть действующее значение напряжения одной из вторичных обмоток трансформатора равно U_н, а другой U_р, тогда при замкнутом контакт 1, когда соединенными оказываются концы вторичных полуобмоток трансформаторов (подобное соединение обмоток называется встречным), к нагрузке прикладывается разность напряжений, снимаемых с этих полуобмоток

(1.3)

Если число витков регулируемой полуобмотки несколько меньше соответствующего числа витков нерегулируемой вторичной полуобмотки, то суммарное напряжение, подаваемое при помощи контроллера на выпрямитель, будет незначительным по величине. Уменьшая число витков регулируемой полуобмотки, мы, в соответствии с выражением (1.3), будем увеличивать величину выходного напряжения и при полном отключении регулируемой полуобмотки от нагрузки напряжение последней будет полностью определяться напряжением нерегулируемой полуобмотки трансформатора.

В этом случае в схеме целесообразно сделать следующие переключения: разомкнуть замкнутые контакты 1 и замкнуть контакты контактора 2. Увеличивая теперь число витков регулируемой полуобмотки трансформатора, подключаемых к нагрузке, мы будем увеличивать, а не уменьшать, выходное напряжение нагрузки согласно выражению

(1.4)

Подобное соединение вторичных полуобмоток трансформатора, когда конец одной полуобмотки соединяется с началом другой, называется согласным.

Переключения числа витков регулируемой обмотки, подключаемых к нагрузке, в силовой схеме электровоза осуществляется при помощи главного контроллера, в состав которого помимо контакторов входят и переходные реакторы. Наличие переходных реакторов обусловлено необходимостью перехода с одной секции вторичной обмотки трансформатора на другую без разрыва силовой цепи, что невозможно без, хотя бы, кратковременного соединения двух соседних выводов вторичной обмотки накоротко. Для устранения коротких замыканий одной из секций вторичной обмотки трансформатора при переключении применяют переходные реакторы, ограничивающие токи, вызванные этим коротким замыканием.

На электропоездах аналогичную функцию осуществляет вентильный переход. Регулируемое вышеуказанными способами напряжение вторичной обмотки трансформатора подается на выпрямитель, в функцию которого входит преобразование переменного тока промышленной частоты в постоянный.

Однако, выпрямленное напряжение меняется во времени, что вызывает соответствующие пульсации выходного тока выпрямителя. Для снижения пульсаций выпрямленного тока в цепь тяговых двигателей включают сглаживающий реактор, имеющий большое индуктивное сопротивление.

При нарастании тока в течение каждого полупериода приложенного напряжения в реакторе возникает противо-ЭДС , которая препятствует такому нарастанию. Запасенная при этом в реакторе энергия, отдается затем тяговым двигателям в те моменты времени, когда выпрямленный ток начинает уменьшаться. При правильно выбранных параметрах индуктивного сопротивления сглаживающего реактора, пульсации тока тяговых двигателей можно снизить до величины необходимой для нормальной работы тяговых двигателей.

Независимо от этого для еще большего снижения пульсаций магнитного потока обмотку возбуждения тяговых двигателей шунтируют активным сопротивлением.

В соответствии с вышеизложенным, схема замещения выпрямителя, работающего на тяговый двигатель, представлена на рис. 1.4, а. Здесьx_s– индуктивные сопротивления рассеяния, приведенные ко вторичной обмотке трансформатора, а СР –

Рисунок 1.4. Схема и временные диаграммы работы мостового выпрямителя

сглаживающий реактор в цепи тяговых двигателей. Так как индуктивное сопротивление сглаживающего реактора имеет конечные параметры (x_d ¹ ¥), то ток нагрузки i_d не постоянен, а пульсирует во времени в течение полупериода работы выпрямительной установки (рис. 1.4, е).

Величину пульсаций тока характеризуют коэффициентом относительной пульсации, равным разности между максимальным (I_dmax) и минимальным (I_dmin) значениями тока, отнесенной к его среднему значению

(1.5)

Обычно при расчетах мощных выпрямительных установок (десятки кВт - ими являются выпрямители э.п.с.) активными сопротивлениями пренебрегают.

Поэтому выходное напряжение выпрямительной установки практически равно ЭДС тягового двигателя.

Так как среднее значение периодической синусоидальной функции в течение периода равно нулю (рис. 1.4, б), то ее среднее значение определяют в течение полупериода, когда мгновенные значения напряжения положительны - для измерения среднего значения переменного тока используют приборы магнитоэлектрической системы.

Таким образом, если на выходе выпрямительной установки имеется синусоидальная ЭДС , где w - частота питающей сети, то среднее значение выпрямленного напряжения и, соответственно, напряжение тягового двигателя могут быть определены как

(1.6)

где q = wt аргумент в радианах.

Тепловое действие тока пропорционально квадрату тока. Поэтому о величине переменного тока обычно судят по так называемому действующему (среднеквадратическому) значению за период:

(1.7)

Для синусоидального тока решение (1.7) приводит к следующей зависимости между его действующим и максимальным значениями:

(1.8)

Аналогично действующее значение синусоидального напряжения связано с его максимальным значением равенством

(1.9)

Для измерения действующих значений периодических токов и напряжений используют приборы тепловой, электромагнитной и электродинамической систем.

Однако, при наличии индуктивных сопротивлений рассеяния трансформатора (x_s) переход (коммутация) тока с одного вентиля на другой будет осуществляться не мгновенно, а в течение некоторого интервала g, называемого интервалом коммутации. Действительно, допустим, что до момента появления положительного потенциала на левом выводе вторичной обмотки трансформатора ток нагрузки проводили вентили V₂ и V₃ (рис. 4, а, г). Тогда с момента времени при q=0 включают вентили V₂ и V₃ возникают два контура короткого замыкания: один – вторичная обмотка трансформатора, вентили V₁ и V₂, сопротивление x_s второй – та же обмотка, вентили V₃ и V₄ сопротивление x_s. В силу того, что в каждом из этих контуров нарастание тока ограничивается индуктивным сопротивлением x_s, то ток вентилей V₁ и V₄ под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора становится равным току нагрузки (рис. 1.4, в) только через какой-то промежуток времени, обозначаемый через g, когда ток через ранее работавшие вентили становится равным нулю (рис. 1.4, г). В течение данного интервала, когда все вентили моста проводят ток, цепь нагрузки замкнута накоротко, напряжение на ней в данном интервале равно нулю (рис. 1.4, ж).

Поскольку, как было отмечено ранее, к нагрузке прикладывается напряжение в виде выпрямленных отрезков полуволн напряжения вторичной обмотки трансформатора, то появление в кривой выходного напряжения коммутационных интервалов с нулевым напряжением приводит к уменьшению его среднего значения. Это уменьшение и называют коммутационными потерями напряжения в выпрямительной установке. Величину коммутационных потерь напряжения DU_к, усредненную по полупериоду кривой питающего напряжения, определяют по соотношению

(1.10)

где g - продолжительность интервала коммутации.

Величина, равная произведению действующих значений тока и напряжения, на зажимах цепи называется полной мощностью

(1.11)

Активная мощность на каком - либо участке электрической цепи равна среднему значению, мгновенной мощности за период Т:

(1.12)

где u и i – мгновенные значения тока и напряжения.

Отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности l:

(1.13)

При синусоидальных токах и напряжениях активная мощность определяется равенством

(1.14)

и коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз j между напряжением и током

(1.15)

Наличие индуктивных сопротивлений в схеме выпрямления приводит к тому, что ток питающей сети (рис. 1.4, д) становится несинусоидальным. В этом случае кривую его изменения во времени целесообразно представить в виде бесконечно гармонического ряда Фурье

(1.16)

где k - номер гармоники,

I₀ - постоянная составляющая тока;

I_k - действующее значение k - й гармоники тока;

j_k - фазовый сдвиг гармоники тока от приложенного напряжения.

При этом действующее значение несинусоидального тока может быть следующим образом выражено через действующие значения его гармонических составляющих

(1.17)

При входном синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе выражения для определения активной мощности и коэффициента мощности записывают следующим образом

(1.18)

(1.19)

где I₁ - действующее значение основной (первой) гармоники тока;

n - коэффициент искажения, характеризующий наличие высших гармоник в кривой тока.

С уменьшением величины коэффициента мощности на входе выпрямителя при необходимости передачи одной и той же полезной мощности требуется увеличивать расчетную (установленную) мощность источника питания, полупроводниковых элементов и тягового трансформатора.

Установленная мощность источников питания, обмоток трансформатора находится как произведение действующих значений тока и напряжения.

При несинусоидальном токе на входе выпрямителя действующее значение тока, в соответствии с равенством (1.17), будет превышать соответствующее значение его первой (основной) гармоники, которая, как следует из соотношения (1.18), определяет величину полезной мощности нагрузки. Таким образом, даже при идеальном сглаживании и мгновенной коммутации значение коэффициента мощности не может превышать 0,9. С увеличением пульсаций в выпрямленном токе и при наличии интервалов коммутации значение коэффициента мощности еще более снижается из-за увеличения угла сдвига фаз между напряжением и током питающей сети. Это приводит к увеличению установленной мощности тягового трансформатора, системы энергоснабжения по сравнению с номинальной мощностью тяговых двигателей ЭПС.