5 Особенности и свойства тягового электропривода эпс переменного тока
5.1 ЭПС переменного тока с трансформаторным регулированием выпрямленного напряжения ТЭД
Принципиальная электрическая схема такой системы приведена на рисунке 5.1. Здесь же приведены временные диаграммы напряжений и токов.
Т.к. в этой схеме используется неуправляемый диодный выпрямитель, то регулирование среднего значения его выпрямленного напряжения Udi производится изменением действующего значения выходного напряжения U2i трансформатора за счет регулирования числа витков его вторичной обмотки, т.е. за счет изменения коэффициента трансформации Кт.i трансформатора:
, (5.1)
, (5.2)
где ∆Uγ – потери напряжения в преобразовательной установке,
. (5.3)
Коэффициент мощности χ для синусоидального напряжения и несинусо-идального тока определяется по выражению
, (5.4)
где φ – угол сдвига по фазе между напряжением u2 и первой гармоникой тока i2(1),
ν – коэффициент искажения тока,
, (5.5)
Для диодного выпрямителя (если пренебречь ∆Uγ )
(5.6)
Рисунок 5.1 – Принципиальная электрическая схема ЭПС переменного тока
с трансформаторным регулированием напряжения ТЭД
Достоинства рассматриваемой системы:
– гальваническая развязка питающей сети от цепи тяговых двигателей, что позволило получить оптимальные уровни напряжений как в тяговой сети, так и на тяговых двигателях.
Недостатки:
– ступенчатое регулирование напряжения тяговых двигателей с ограниченным числом рабочих характеристик (1, 5, 9 и т.д.);
– невозможность рекуперации;
– невозможность автоматизации процесса пуска.
Эти недостатки вызваны наличием неуправляемого выпрямителя. Поэтому, как только появились тиристоры достаточной мощности, то они сразу были использованы на ЭПС переменного тока для создания управляемых выпрямителей.
5.2 ЭПС переменного тока с управляемыми выпрямителями
Здесь возможны следующие четыре варианта выполнения схем выпрямителей и способов регулирования выпрямленного напряжения.
1-й вариант: симметричный управляемый выпрямитель с фазовым регулированием выпрямленного напряжения – рисунок 5.2.
Рисунок 5.2 – Симметричный управляемый выпрямитель
Выходное напряжение выпрямителя
(5.7)
Регулировочная характеристика выпрямителя:
– в режиме тяги: 0 < α < 90º;
– в режиме рекуперации: 90º < α < 180º.
Первая гармоника тока i2(1) сдвинута относительно напряжения u2 на угол α (без учета ∆Uγ ) и потому коэффициент мощности будет равен
. (5.8)
Зависимость коэффициента мощности от величины выпрямленного напряжения (угла фазового регулирования α) приведена на рисунке 5.3, кривая 1. Из этой кривой следует, что при малых значениях выходного напряжения выпрямителя (т.е. больших углах фазового регулирования α) коэффициент мощности имеет весьма низкие значения.
Рисунок 5.3 – Зависимость коэффициента мощности от величины
выпрямленного напряжения
Особенности рассмотренной схемы:
– возможность реализации режима рекуперации;
– очень низкие значения коэффициента мощности при пуске ЭПС.
2-й вариант: управляемый выпрямитель с буферным контуром и фазовым регулированием выпрямленного напряжения – рисунок 5.4.
Рисунок 5.4 – Управляемый выпрямитель с буферным контуром
Здесь цепочка из диодов VD1 и VD2 образует контур, который не позволяет появиться на нагрузке отрицательному напряжению и по которому замыкается выпрямленный ток Id во временном интервале, определяемом углом α ( в этом интервале ток i2 равен нулю). Поэтому первая гармоника тока i2(1) во вторичной обмотке трансформатора будет отставать от напряжения u2 на угол α/2.
Выходное напряжение выпрямителя
. (5.9)
При этом 0 < α < 180.
Т.к. ток i2 отстает от напряжения u2 на угол α/2 (а не α, как в предыдущем случае), то коэффициент мощности здесь будет несколько больше соответствующих значений симметричного выпрямителя
. (5.10)
Поэтому кривая 2, построенная по (5.10), будет проходить несколько выше кривой 1 – рисунок 5.3.
Но: рекуперация по этой схеме невозможна!
3-й вариант: управляемый выпрямитель с буферным контуром и секторным регулированием выпрямленного напряжения.
У этого выпрямителя схема та же, что и у предыдущего выпрямителя, но управление тиристорами VS1 и VS2 осуществляется одновременным изменением углов их открытия и закрытия (рисунок 5.5). При этом из полусинусоиды выпрямленного напряжения как бы «вырезаются» сектора начала и конца этой полусинусоиды, что и дало название рассматриваемому способу регулирования выпрямленного напряжения.
Выходное напряжение выпрямителя:
. (5.11)
При этом 0 < α < 90º.
Из временной диаграммы рисунка 5.5 видно, что первая гармоника тока i2(1) не имеет сдвига по фазе по отношению к напряжению u2, т. е. у этого выпрямителя коэффициент мощности будет иметь наибольшие значения из всех трех рассмотренных вариантов выпрямителей (кривая 3, рисунок 5.3)
. (5.12)
Но: и с этим выпрямителем рекуперация невозможна.
Рисунок 5.5 – Управляемый выпрямитель с буферным контуром и секторным регулированием выпрямленного напряжения
4-й вариант: управляемый выпрямитель с четырехзонным амплитудно-фазовым регулированием выпрямленного напряжения.
Анализ данных рисунка 5.3 показывает, что у всех трех рассмотренных управляемых выпрямителей в первой половине регулирования выходного напряжения (а это пусковой режим работы тягового электропривода) коэффициент мощности имеет недопустимо низкие значения.
Поэтому при выборе выпрямителя для электровозов ВЛ80р и ВЛ85 была разработана оригинальная схема управляемого выпрямителя с четырехзонным амплитудно-фазовым регулированием выпрямленного напряжения – рисунок 5.6.
Здесь вторичная обмотка трансформатора разделена на три секции:
W2 = 0,25W2 + 0,25W2 + 0,5W2,
к выходам которых подключены тиристоры V1…V8, собранные по мостовой схеме.
1-я зона: тиристоры V1 и V5 включаются в начале своего полупериода, т.е. работают как обычные диоды, а регулирование выходного напряжения выпрямителя в диапазоне от нуля до 0,25Ud0 от первой секции вторичной обмотки трансформатора ведут тиристоры V2 и V6.
Рисунок 5.6 – Управляемый выпрямитель электровозов ВЛ80р и ВЛ85
2-я зона: тиристоры V1, V2, V5 и V6 работают в режиме диодов и дают 0,25Ud0 от первой секции вторичной обмотки, а регулирование напряжения в диапазоне от 0,25Ud0 до 0,5Ud0 уже от второй секции ведут тиристоры V3 и V7.
3-я зона: тиристоры V3, V4, V7 и V8 работают в режиме диодов и дают 0,5Ud0 от третьей секции, а регулирование напряжения от 0,5Ud0 до 0,75Ud0 от второй секции ведут тиристоры V2 и V6.
4-я зона: тиристоры V2, V4, V6 и V8 работают в режиме диодов (тиристоры V3 и V7 не включаются вовсе) и дают 0,75Ud0 от второй и третьей секций вторичной обмотки трансформатора, a регулирование напряжения в диапазоне от 0,75Ud0 до Ud0 уже от первой секции ведут тиристоры V1 и V5.
Итак, в режиме тяги рассматриваемый выпрямитель работает как управляемый выпрямитель с буферным контуром и регулированием 0 < α < 180º в каждой зоне, а в режиме рекуперации – как симметричный управляемый выпрямитель и регулированием 90º< α < 180º в каждой зоне.
Т.к. в каждой зоне регулируется напряжение только одной четвертой части полного напряжения вторичной обмотки трансформатора (т.е. только одна четверть преобразуемой электрической энергии), то коэффициент мощности электровоза в начале пуска оказывается существенно больше (кривая 4, рисунок 5.3), чем у всех ранее рассмотренных управляемых выпрямителей.
Итак, можно отметить следующие достоинства и недостатки ЭПС переменного тока с управляемыми выпрямителями:
а) достоинства:
– оптимальные уровни напряжения в тяговой сети и на тяговых двигателях;
– плавное регулирование напряжения тяговых двигателей;
– возможность рекуперации;
– возможность автоматизации всех процессов пуска и электрического
торможения;
– возможность поосного регулирования.
б) недостатки:
– коллекторный тяговый двигатель.