4.2.5. Расчет параметров входного фильтра и индуктивности цепи нагрузки

При работе импульсного преобразователя из контактной сети будет потребляться импульсный ток, который будет создавать высокий уровень помех в линиях связи, в цепях автоблокировки и автоматики. Для снижения уровня помех из-за работы преобразователя используют входные фильтры.

Изобразить упрощенную схему системы импульсного регулирования напряжения на тяговых двигателях моторного вагона электропоезда (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Упрощенная схема системы импульсного регулирования напряжения на тяговых двигателях электропоезда

Ключи К1 и К2 заменяют схему широтно-импульсных преобразователей (рис. 4.1), переключаются с одинаковой частотой f, а импульсы тока и напряжения сдвинуты друг относительно друга на половину периода повторения, поэтому частота пульсаций тока и напряжения на выходе фильтра будет равна 2·f.

Расчетная емкость С_ФР входного фильтра определяется по формуле

,

где f_П = 2·f – частота пульсаций тока и напряжения на выходе фильтра,

ΔU_Фmax = 0,15·U_max – размах пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра.

В качестве емкости С_ФР можно использовать специальный конденсатор фильтра типа ФСТ-4-16 с номинальным напряжением 4000 В и номинальной емкостью 16 мкФ. Для получения емкости С_ФР конденсаторы нужно включить параллельно. Число параллельных ветвей конденсаторов равно

.

Число а_СР округляется до большего ближайшего целого числа а_С.

Емкость конденсатора входного фильтра равна

С_Ф = 16 · а_С.

Индуктивность дросселя входного фильтра равна

где ΔI_Cmax = 0,02 · I_Hmax – размах пульсаций тока, потребляемого из сети.

Собственная частота колебательного контура f_Ф, образованного емкостью конденсаторов фильтра С_Ф, индуктивностью фильтра L_Ф и индуктивностью контактной сети L_KC = 5·10^-3 Гн, определяется по формуле

Выполняется проверка условия

Данное условие должно строго выполняться, так как при резонансе частот f = f_Ф и вблизи резонанса размахи пульсаций тока ΔI_Cmax, напряжения ΔU_Cmax будут во много раз превышать принятые значения при расчете фильтра.

Для обеспечения заданного в курсовом проекте коэффициента пульсации тока нагрузки k_Пmax индуктивность цепи нагрузки, а по ней можно определить индуктивность сглаживающего реактора.

Индуктивность цепи нагрузки широтно-импульсного преобразователя равна

Лабораторная работа № 9 широтно-импульсный преобразователь

Цель работы: изучение работы широтно-импульсного преобразователя для плавного регулирования среднего значения импульсного напряжения в цепях постоянного тока, снятие осциллограмм напряжений в преобразователе.

Используемое оборудование: лабораторный стенд, электронный двухлучевой осциллограф.

Краткие теоретические сведения

В России и за рубежом системы импульсного регулирования напряжения тяговых двигателей все больше применяются на электропоездах пригородных железных дорог и метрополитене для энергосбережения и повышения плавности изменения скорости. Данное направление развития преобразовательной техники усилилось в связи с разработкой и изготовлением ионисторов большой емкости, запираемых тиристоров и силовых транзисторов на напряжение и токи в несколько тысяч вольт и ампер. Импульсные преобразователи используют в качестве входных преобразователей для обеспечения работы автономных инверторов тягового асинхронного привода высокоскоростных электропоездов. Большие перспективы имеют импульсные преобразователи для обеспечения рекуперации электрической энергии в контактную сеть переменного тока и для плавного регулирования силы при электрическом торможении локомотива.

В широтно-импульсных преобразователях, которые собраны на однооперационных тиристорах, для надежного запирания главного тиристора разработаны различные технические решения. Устойчивая коммутация в таких преобразователях может обеспечиваться за счет устройств принудительной коммутации и обратных связей, а снижение массогабаритных показателей входных фильтров и повышение коэффициента мощности электропривода с импульсными преобразователями достигается обратными диодами и многофазным импульсным регулированием путем группового включения преобразователей.

Рис. 4.4. Принципиальная электрическая схема электропривода с широтно-импульсным преобразователем

Элементом схемы является дроссель L без сердечника, который служит для сглаживания пульсаций тока на входе преобразователя и для заряда коммутирующего конденсатора C_К до напряжения, величина которого изменяется пропорционально току нагрузки. Главный тиристор VS1 служит для периодического соединения обмоток электродвигателя к источнику постоянного напряжения U. Диоды VD1, VD2 служат для создания колебательного контура принудительной коммутации главного тиристора. Вспомогательный тиристор VS2 вместе с коммутирующим дросселем L_К и коммутирующим конденсатором С_К служат для запирания главного тиристора и образуют колебательный контур. Обратный диод VD3 снижает пульсации тока нагрузки и уменьшает индуктивное сопротивление нагрузки.

При подаче постоянного напряжения контактной сети U происходит заряд коммутирующего конденсатора С_К. Когда импульс управления поступает на управляющий электрод и на катод главного тиристора VS1 из системы управления, то он отпирается. От источника постоянного напряжения протекает ток нагрузки по обмоткам электродвигателя и к нагрузке прикладывается напряжение U. Для запирания главного тиристора VS1 с помощью системы управления подается импульс управления на управляющий электрод и на катод вспомогательного тиристора VS2. В контуре принудительной коммутации начинается колебательный процесс, предварительно заряженный конденсатор С_К разряжается на дроссель L_К, а затем под действием напряжения источника энергии U и ЭДС самоиндукции дросселя протекает ток заряда конденсатора i_K . Ток в контуре коммутации i_К превышает ток нагрузки, протекающий через главный тиристор I_Н , поэтому ток в главном тиристоре снижается до величины, меньше тока удержания, и главный тиристор запирается. Создается пауза между импульсами напряжения на нагрузке, которая продолжается до момента следующего отпирания главного тиристора. Частота следования имульсов напряжения на выходе преобразователя постоянна, задается системой управления и равна f = 400 Гц, а период повторения составляет Во время паузы под действием ЭДС самоиндукции в индуктивности нагрузки через обратный диод VD3 протекает ток. Осциллограммы напряжения на выходе преобразователя в процессе регулирования можно снять с помощью электронно-лучевого осциллографа. После запирания главного тиристора через конденсатор С_К протекает ток заряда под действием суммы постоянного напряжения источника энергии U и ЭДС самоиндукции e_L дросселя L, поэтому ток в колебательном контуре i_К автоматически изменяется пропорционально току нагрузки I_Н, обеспечивая надежное запирание VS1. Среднее значение импульсного напряжения U_ШИП можно плавно изменять путем регулирования момента подачи импульса управления на вспомогательный тиристор VS2 с помощью системы управления преобразователем.

Порядок выполнения лабораторной работы:

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями по теме лабораторной работы.

2. В отчете по лабораторной работе изобразить принципиальную электрическую схему широтно-импульсного преобразователя с нагрузкой (рис. 4.4).

3. Изучить работу широтно-импульсного преобразователя, подать напряжение на стенд и с помощью резистора с переменным сопротивлением в системе управления изменять среднее значение импульсного напряжения на электродвигателе.

4. Снять осциллограммы импульсного напряжения на выходе преобразователя при минимальной и максимальной длительности импульсов и изобразить их в отчете по лабораторной работе. Указать параметры импульсного напряжения.

5. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Какие технические задачи решаются с помощью импульсных преобразователей?

2. Рассказать принцип изменения среднего значения импульсного напряжения в цепях постоянного тока.

3. Какие параметры импульсного напряжения остаются постоянными, а какие параметры изменяются в ходе широтно-импульсного регулирования среднего значения импульсного напряжения?

4. С помощью временной диаграммы импульсного напряжения пояснить принцип плавного изменения среднего значения импульсного напряжения.

5. Почему на практике получили более широкое применение широтно-импульсные преобразователи по сравнению с другими импульсными преобразователями?

6. Расскажите назначение отдельных элементов широтно-импульсного преобразователя.

7. Что происходит в схеме при подаче постоянного напряжения на вход преобразователя?

8. Как работает преобразователь после подачи импульса управления на главный тиристор?

9. Какие процессы возникают в электрической схеме при подаче импульса управления на вспомогательный тиристор?

10. Какие процессы происходят в схеме во время паузы между импульсами напряжения на выходе преобразователя?

11. Почему ток в контуре коммутации изменяется пропорционально току нагрузки?