2 Выбор типа преобразователя и системы регулирования

При проектировании преобразователей рассматривалось несколько вариантов схемных решений их силовых цепей. Сравнение вариантов схемных решений производилось при условии соответствия выходных параметров преобразователей требованиям технического задания. Применительно к тяговому приводу эти требования сводятся к обеспечению:

- соответствия мощности преобразователя мощности тягового электродвигателя (ТЭД);

- необходимого диапазона изменения подводимого к ТЭД напряжения;

- необходимого диапазона изменения тока ТЭД во всём диапазоне скоростей;

- ограничение величины выходного тока преобразователя на уровне пускового тока ТЭД;

- защиты ТЭД от перенапряжений при скачкообразном изменении входного напряжения;

- помехозащищённости.

При удовлетворении перечисленным выше требованиям преобразователи сравнивались по показателям:

- надёжности;

- массогабаритным;

- стоимостным;

- минимальных эксплуатационных расходов и т.д. 

Надёжность работы силовых цепей преобразователя, как и любого другого изделия, определяется не только количеством входящих в них элементов, но и режимом их работы.

Для ЭПС городского транспорта системы широтно-импульсного (смешанного) и частотно-импульсного регулирования равноценны по весу, габаритам и стоимости конденсаторов и дросселей. Широтно-импульсный преобразователь имеет более сложную систему управления, но несмотря на это, выберем систему широтно-импульсного регулирования, так как частота коммутации остается постоянной, что позволяет более эффективно использовать входной LC – фильтр.

При этом способе регулирования в цепь двигателя подаются импульсы напряжения постоянного тока продолжительностью t_и с периодом их подачи T, частота подачи импульсов f =1/Т=const остается постоянной, а изменяется продолжительность подачи импульсов t_и.

Схема ключа широтно-импульсного преобразователя представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Электрическая схема ключа широтно-импульсного преобразователя

Ключ, осуществляющий коммутацию тока, состоит из основного управляемого тиристора VS₁, диода перезаряда VD, емкости С и индуктивности L колебательного контура. Напряжение в цепь двигателя подаётся включением основного тиристора VS₁. Емкость С и индуктивность L служат для создания колебательного процесса, благодаря которому происходит перезаряд емкости, необходимый для запирания основного тиристора VS₁. Вспомогательный тиристор VS₂ обеспечивает выключение главного тиристора VS₁ в нужный момент.

Следует также отметить, что троллейбус имеет один тяговый электродвигатель, но величина максимального тока двигателя в момент пуска такова, что рациональнее применить схему двухфазного питания.

3. Проектирование и расчет силовой части преобразователя

   1. Принципиальная схема электрической цепи

Принципиальная электрическая схема силовой цепи тягового привода с широтно-импульсной модуляцией представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Электрическая схема силовой цепи тягового привода с широтно-импульсной модуляцией

При использовании двухфазной схемы питания появляется возможность применения общего узла емкостной коммутации, при котором исключается стадия подготовительного перезаряда коммутирующего конденсатора и использование одного конденсатора для запирания главных тиристоров двух фаз.

Рассмотрим принцип работы преобразователя. Диаграммы мгновенных значений токов и напряжений представлены на рисунке 3.2.

Рисунок3.2 - Диаграммы мгновенных значений токов и напряжений

Пусть в исходном состоянии (до момента времени t₀) тиристор VS1 находился в проводящем состоянии, коммутирующий конденсатор С был заряжен так, что левая его обкладка имела положительный потенциал, а правая – отрицательный. В момент времени t₀ отпираются гасящие тиристоры VS4 и VS5 и к тиристору VS1 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярностью. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор, полярность которого к моменту времени t₁ становится противоположной по отношению к моменту времени t₀, но такой же величины (равной напряжению источника питания). В момент времени t₂ отпирается тиристор VS2 и ток нагрузки начинает протекать через него. В момент времени t₃ отпираются гасящие тиристоры VS3 и VS6 и к тиристору VS2 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярностью. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор, полярность которого к моменту времени t₄ становится противоположной по отношению к моменту времени t₃, но такой же величины (равной напряжению источника питания). В момент времени t₅ отпирается тиристор VS1 и ток нагрузки начинает протекать через него. В момент времени t₆ отпираются гасящие тиристоры VS4 и VS5 и к тиристору VS1 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярностью. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор. Далее процессы в электрических цепях повторяются. Период регулирования в каждой фазе определяется интервалом времени t₆-t₀, а период потребления тока от источника питания – интервалом времени t₃-t₀= t₆-t₃=Т_р/2. Таким образом, пульсация тока, потребляемого от источника питания, имеет двойную частоту по отношению к частоте тока, протекающего в фазах.

Для предотвращения срыва преобразователя необходимо использовать цепи ускоренного перезаряда. На рисунке 3.3 приведён вариант схемного решения с цепями ускоренного перезаряда.

Рисунок 3.3 - Электрическая схема силовой цепи тягового привода

Отличительной особенностью работы преобразователя является то, что при запирании тиристора VS1 по истечении схемного времени, определяемого интервалом t₁-t₀, напряжение на обкладках конденсатора не снизилось до нуля, как это было бы при протекании максимального тока. Поэтому в момент времени t₁ отпирается тиристор VS7 цепи ускоренного перезаряда, что приводит к форсированию процесса. В момент времени t₂ протекание тока в цепи ускоренного перезаряда прекращается, тиристор VS7 запирается, а конденсатор С дозаряжается до напряжения источника питания по той же цепи, которая образовалась при отпирании тиристоров VS4 и VS5 в момент времени t₀. Аналогично работает цепь ускоренного перезаряда при запирании тиристора VS2, с той лишь разницей, что отпирание тиристора VS8 осуществляется в момент времени t₆.

Рисунок 3.4 - Электрическая схема силовой цепи тягового привода

Примечательной особенностью работы рассмотренного преобразователя является то, что на начальной стадии пуска подвижного состава, когда в цепи двигателя должен протекать малый ток, главные тиристоры фаз можно не включать, а питание ТЭД осуществлять только поочерёдным отпиранием пар гасящих тиристоров.

Схема преобразователя может быть упрощена за счёт исключения из него цепей главных тиристоров фаз. При этом роль главного тиристора в первой фазе будут выполнять тиристоры VS1 и VS3, а роль главного тиристора второй фазы – тиристоры VS2 и VS4. Схема цепей такого преобразователя приведена на рисунке 3.4.

Рассмотренная схема цепей двухфазного широтно-импульсного преобразователя предназначена в большей степени для подключения общей нагрузки, как это показано. В этом случае ток в каждой фазе преобразователя может протекать почти весь период регулирования.

Следует также отметить, что в данном случае, тиристоры не полностью управляемые и для их отпирания достаточно подать сигнал на управляющий электрод, а для запирания – специальное устройство: узел коммутации.

В настоящей работе, использовалась наиболее распространенная, емкостная коммутация тиристорного ключа. То есть запирание тиристоров происходило за счет прикладывания к нему напряжения обратной полярности.