Загальні відомості про тиристорно-імпульсне регулювання роботи тягового електродвигуна

Імпульсне регулювання при пуску (розгоні) засноване на періодичному підключенні ТЕД до джерела енергії. Принципова проста схема тиристорно-імпульсного регулювання представлена на рис. 6.20, а.

Вона включає в себе тиристорно-імпульсний перетворювач (ТІП), вхідний , і вихідний , фільтри.

ТІП перетворює постійну напругу контактної мережі ( ) в послідовні імпульси напруги. Вхідний фільтр ( ) служить для обмеження перенапруження на ТІП при його замиканні і для згладжування пульсацій струму в контактній мережі; вихідний фільтр ( , ) необхідний для обмеження пульсацій струму в ТЕД і для проходження струму ТЕД після замикання ТІП. При відкритому ТІП до ТЕД протягом часу прикладається напруга вхідного фільтру (рис. 6.20, б). Воно, якщо не рахувати падіння напруги на омічному опорі дроселя дорівнює напрузі джерела енергії (живлення) . При цьому струм в ТЕД зростає по експоненті до значення .

Рис. 6.20. Спрощена схема регулювання (а) и графік зміни струму і напруги на ТЕД (б):

ТІП – тиристорно-імпульсний перетворювач; , і , - вхідний і вихідний фільтри; - напруга джерела живлення; - середня напруга на двигуні; М – двигун; - максимальний струм; - мінімальний струм; - період регулювання; - час відкритого стану ТІП; - час зачиненого стану ТІП; - струм, що протікає через М при зачиненому стані ТІП; - струм з контактної мережі при відкритому ТІП; ОЗ – обмотка збудження; - напруга конденсатора.

При запиранні ТІП в обмотках ТЕД і дроселі виникає і електрорушійна сила самоіндукції, і, не дивлячись на відключення від джерела енергії ( ), струм через ТЕД продовжує протікати в тому ж напрямі, замикаючись через діод . Середня напруга на ТЕД ( ) за період регулювання визначається наступним вираженням:

,

де - ширина імпульсу; - коефіцієнт заповнення.

Коефіцієнт заповнення визначається по формулі

,

де - частота регулювання.

За способом зміни коефіцієнта заповнення системи управління розділяються на частотно-імпульсні ( const), широко-імпульсні ( const) і комбіновані ( var і var).

Спрощена схема електродинамічного гальмування тяговим електродвигуном, переведеним в генераторний режим, показана на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Спрощена схема електродинамічного гальмування:

ТІП – тиристорно-імпульсний перетворювач; ОЗ – обмотка збудження; - зворотний діод; - дросель фільтру; - дросель; М – тяговий електродвигун (ТЕД); - гальмівний резистор; - гальмівний тиристор; - струм рекуперації; - гальмівний струм; - конденсатор фільтру; - напруга джерела живлення; - струм, що протікає через гальмівний резистор.

Вона складається з тих же елементів, що і схема ТІП при русі в режимі тяги, але їх з'єднання змінене. ТІП включений паралельно ТЕД, а діод перешкоджає протіканню струму з джерела живлення в ланцюг ТЕД. При відкритті ТІП електродвигун переходить в генераторний режим, утворюється коротко-замкнутий контур (М, , ТІП, ОЗ, М). Внаслідок цього струм в тяговому електродвигуні двигуні зростає, а в обмотках ТЕД і дроселі накопичується енергія. При замиканні ТІП струм в ТЕД зменшується, в обмотках тягового електродвигуна і дроселя виникає ЕРС самоіндукції. Завдяки цьому напруга на ТІП стає вищою, ніж напруга на вхідному фільтрі, і струм ТЕД через діод поступає в контактну мережу. Такий процес повторюється і називається рекуперативним гальмуванням. Якщо напруга на ТІП виявляється нижчою, ніж напруга на вхідному фільтрі, то включається тиристор . При цьому утворюється ланцюг гальмівного резистора (M, , , , OЗ, M). Енергія, ТЕД, що виділяється, в цьому випадку розсіюється на резисторі . Такий процес називається реостатним електродинамічним гальмуванням.

Схеми тиристорно-імпульсних переривників

Частотно-імпульсний переривник. Найпростіший частотно-імпульсний переривник показаний на рис. 6.22.

Він складається з тиристора Т, дроселя , що обмежує швидкість наростання струму в тиристорі Т, і комутуючого конденсатора . За наявності напруги на затискачах перетворювача конденсатор заряджається з полярністю, вказаною без дужок. При відмиканні тиристора Т отримує живлення ТЕД (плюс, Т, , і Т, , М, ОЗ, мінус), унаслідок чого відбувається перезаряд комутуючого конденсатора на протилежну полярність, вказану в дужках (плюс, , , T, мінус, ).

Рис. 6.22. Спрощена схема частотно-імпульсного перетворювача:

- дросель фільтру; - дросель; - комутуючий дросель; М – тяговий електродвигун; ОЗ – обмотка збудження; - зворотний діод; - тиристор; - струм в ланцюзі ТЕД; - конденсатор фільтру; - комутуючий конденсатор; - напруга на конденсаторі фільтру; - напруга контактної мережі; - струм перезаряду комутуючого конденсатора; - струм контактної мережі при відкритому тиристорі; - струм через зворотний діод при зачиненому тиристорі.

Як тільки потенціал на катоді тиристора стане вищий за потенціал на його аноді, тиристор закриється. Після замикання Т споживання струму з мережі припиняється, а струм в ТЕД продовжує протікати за рахунок електромагнітної енергії, запасеної в індуктивності, через діод (М, ОЗ, , , М). Конденсатор знову заряджається з полярністю, вказаною без дужок. При подачі на електрод, що управляє, тиристора наступного імпульсу, що відмикає процес повторюється.

Перевагами схеми частотно-імпульсного переривника є простота схеми управління і більш плавні процеси, ніж в широко-імпульсному переривнику. Істотним недоліком схеми є великі маса і габарити конденсаторів і дроселів.

Широтно-імпульсний переривник. На рис. 6.23 зображена одна з перших схем, що набула широкого поширення для широко-імпульсного регулювання напруги при безреостатному пуску двигунів постійного струму. Схема перетворювача включає головний Т1 і допоміжний Т2 тиристори; комутуючий конденсатор ; дросель, що перезаряджається ; діод ; дроселі насичення ДН1, ДН2; RC - ланцюги, що захищають тиристори і діоди від комутаційних перенапружень. Дроселі ДН1 і ДН2 слугують для створення затримки наростання струму на якийсь час, необхідне для відмикання p-n-переходу. Вони виконані таким чином, що після насичення сердечника їх індуктивність мала, і її можна не враховувати.

Рис. 6.23. Схема широтно-імпульсного ТІП:

Т1, Т2 – відповідно головний і допоміжний тиристори; - комутуючий конденсатор; - дросель, що перезаряджається; - діод в ланцюзі комутуючого конденсатора; ДН1, ДН2 – дроселі насичення; , - резистор і конденсатор ланцюгів захисту напівпровідникових приладів від комутаційних перенапруг; - резистор; М – ТЕД; - напруга на конденсаторі фільтру; - зворотний діод; ОЗ – обмотка збудження; - конденсатор фільтру; - струм через ТЕД; - струм з контактної мережі; - індуктивність ТЕД; - дросель фільтру.

На початку роботи переривника першим подається імпульс, що відмикає на керівний електрод тиристора Т2. При відмиканні Т2 отримує живлення ТЕД, і відбувається заряд комутуючого конденсатора (з боку плюса: , , ; з боку мінуса: , , , ). При досягненні на затискачах напруги, рівної напрузі джерела, струм заряду знижується до струму, який менше струму утримання тиристора у відкритому стані, унаслідок чого тиристор Т2 закривається.

Проте струм ТЕД не зникає, а за рахунок запасеної енергії в індуктивності ланцюга двигуна продовжує поступати в ТЕД через діод . При відмиканні головного тиристора Т1 поступає живлення на ТЕД, і відбувається перезаряд комутуючого конденсатора на полярність, вказану в дужках. Перезаряд здійснюється через діод . Після перезаряду знову включають тиристор Т2. При цьому до головного тиристора Т1 під'єднується зворотна напруга конденсатора , і тиристор закривається, а конденсатор знову заряджає з полярністю без дужок. Далі процес повторюється. Ширина імпульсу в цьому переривнику залежить від зміщення в часі подачі імпульсу, що відмикає на Т2 по відношенню до часу подачі імпульсу, що відмикає, що подається на Т1.

При широтно-імпульсному регулюванні потрібні менші маса і габарити комутуючих конденсаторів і дроселів по порівнянню з ТИП для частотно-імпульсного регулювання. Це пояснюється тим, що через елементи комутуючого контуру при широтному регулюванні проходить менша доля електроенергії, споживаною ТЕД. У цій схемі головний тиристор також навантажується струмом перезаряду комутуючого конденсатора.

Комбінований переривник. На рис. 6.24 зображений комбінований ТІП.

Спочатку схема забезпечує частотно-імпульсне регулювання за допомогою лише комутуючого тиристора Т2. Потім, після досягнення заданого рівня частоти для подальшого підвищення швидкості включається головний тиристор Т1 з деяким випередженням включення тиристора Т2. Зрушення між включенням Т1 і Т2 збільшується у міру підвищення швидкості рухливого складу. Так здійснюється перехід на широтно-імпульсне регулювання.

Рис. 6.24. Схема комбінованого ТІП:

- дросель фільтру; - конденсатор фільтру; - струм через тиристор Т1; - напруга на конденсаторі фільтру; - струм через відкритий тиристор Т2; М – ТЕД; - струм з контактної мережі; - комутуючий конденсатор; ОЗ – обмотка збудження; - зворотний діод; - струм, що протікає через зворотний діод; - індуктивність ТЕД; - дросель, що перезаряджається; Т1, Т2 – відповідно головний і допоміжний тиристори; - напруга контактної мережі.

Тиристорного-імпульсний переривник без попереднього перезаряду комутуючої ємності. У схемах ТІП, розглянутих вище, для запирання (гасіння) головних тиристорів спочатку виробляють перезаряд комутуючої ємності. Це збільшує початкову ширину імпульсу і непродуктивно навантажує реактивною потужністю. Для забезпечення необхідних параметрів в цьому випадку необхідно збільшувати ємність конденсаторів вхідного фільтра та індуктивності дроселя, що згладжує , a це призводить до збільшення маси, габаритів і вартості електроустаткування.

Для запобігання цих явищ був розроблений ТІП без попереднього перезаряду комутуючої ємності, схема якого наведена на рис. 6.25. На початку пуску тягового електродвигуна попарно працюють тільки допоміжні тиристори Т1 та ТЗ або Т2 і Т4. При відпиранні, наприклад, Т1 та ТЗ ТЭД отримує живлення через комутуючий конденсатор . Після заряду до напруги тиристори Т1 і ТЗ замикаються з-за припинення струму, що надходить з мережі. Але струм в ланцюзі ТЭД не припиняється.

Рис. 6.25. ТІП без попереднього перезаряду комутуючої ємності:

ТГ – головний тиристор; Т1, Т2, Т3, Т4 – допоміжні тиристори; М – ТЕД; ОЗ – обмотка збудження; - комутуючий конденсатор; - зворотний діод; - дросель фільтру; - напруга на конденсаторі фільтру; - дросель; - струм з контактного ланцюга; - конденсатор фільтру; - струм, що протікає через ТЕД при зачиненому ТГ; - напруга контактної мережі.

Він замикається через діод і підтримується енергією, запасеної в індуктивності обмоток ТЭД і дроселя. Потім включається друга пара тиристорів Т2 і Т4, і конденсатор перезаряджається на полярність, зазначену в дужках. Далі процес повторюється. Для подальшого збільшення швидкості рухомого складу включають головний Тиристор ТГ з деяким випередженням по часу по відношенню до допоміжним тиристори. Тоді загальна ширина імпульсу ТІП буде складатися з часу включеного стану головного і допоміжних тиристорів.

Запирання головного тиристори ТГ здійснюється зворотною напругою при включені допоміжних тиристорів. При подальшому збільшенні зсуву між включеннями головного і допоміжних тиристорів збільшуються коефіцієнт заповнення і пропорційно йому напругу на ТЭД. При деякому значенні коефіцієнта заповнення головний тиристор ТГ залишається у постійно включеному стані. Такий ТІП інакше називається ТІП із загальним вузлом комутації.