- •Электрические передачи локОмОтивов и тяговые статические преобразователи Учебное пособие
- •4.4. Электрическая передача с асинхронными тяговыми
- •Глава 5. Системы регулирования напряжения тяговых
- •5.1.2. Система возбуждения тягового генератора с использованием
- •Глава 6. Опытные и перспективные разработки систем
- •Глава 7. Управление тяговыми электродвигателями
- •Глава 8. Тяговые преобразователи электрических передач
- •Глава 9. Электрическое торможение………………………………… 124
- •1. Передачи локомотивов. Назначение передач и требования, предъявляемые к ним. Виды передач. Тяговые характеристики локомотивов.
- •2. Общие сведения о тяговых электрических машинах, применяемых в электрических передачах локомотивов.
- •. Электрические машины постоянного тока
- •2.2. Синхронные тяговые электрические машины
- •2.3. Асинхронные тяговые электрические машины
- •2.4. Вентильные тяговые электрические машины
- •3. Принципы построения и основные характеристки электрических передач локомотивов
- •3.1. Передачи постоянного тока
- •3.2. Передачи переменно-постоянного тока
- •3.3. Передачи переменного тока
- •4. Опытные и перспективные разработки электрических передач переменного тока
- •4.1. Электрическая передача локомотива с полюсо-переключаемыми электрическими машинами (разработка мэи)
- •4.2. Электрическая передача локомотива с асинхронным тяговым генератором
- •4.3. Электрические передачи локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями, имеющими фазный ротор
- •4.4. Электрические передачи локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями, имеющими фазный ротор и поворотный статор
- •5. Системы регулирования напряжения тяговых генераторов в электрических передачах локомотивов
- •5.1. Электромашинный способ регулирования напряжения возбуждения тягового генератора
- •5.1.1. Система возбуждения тягового генератора с использованием возбудителя с поперечно-расщепленными полюсами
- •5.1.2. Система возбуждения тягового генератора с использованием возбудителя с продольно-расщепленными полюсами
- •5.2. Аппаратный способ регулирования напряжения возбуждения тягового генератора
- •5.3. Тиристорный способ регулирования напряжения возбуждения тягового генератора
- •6. Опытные и персепктивные разработки систем регулирования напряжения тяговых генераторов
- •6.1. Микропроцессорная система автоматического регулирования электрической передачи уста
- •6.2. Электронная система регулирования скорости вращения вала и мощности дизеля (электронный регулятор)
- •6.3. Микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора с переменным коэффициентом передачи регулятора
- •7. Управление тяговыми электродвигателями в электрических передачах локомотивов
- •7.1. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока
- •5.1.1. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока изменением напряжения
- •7.1.2. Управление тяговыми электродвигателями постоянного тока изменением магнитного потока возбуждения
- •7.2. Электрическая передача с поосным регулированием касательной силы тяги
- •7.3. Управление асинхронными тяговыми электродвигателями
- •8. Тяговые преобразователи электрических передач локомотивов
- •8.1. Тяговые выпрямительные установки
- •8.2. Тяговые автономные инверторы
- •8.2.1. Автономные инверторы тока
- •8.2.2. Автономные инверторы напряжения
- •8.3. Тяговые непосредственные преобразователи частоты
- •9. Электрическое торможение
- •9.1. Электрическое торможение в электрических передачах постоянного и переменно-постоянного тока
- •9.2. Электрическое торможение в электрических передачах переменного тока
- •Литература
8.3. Тяговые непосредственные преобразователи частоты
С точки зрения количества преобразований энергии в преобразователе различают преобразователи частоты с однократным преобразованием или непосредственные (НПЧ) и преобразователи частоты с двукратным преобразованием, которые содержат промежуточное звено постоянного тока и описаны выше. В НПЧ осуществляется непосредственная связь между частотой тока тягового синхронного генератора (СГ) и нагрузкой – асинхронным тяговым двигателем. Для нормальной работы системы тяговый синхронный генератор – преобразователь частоты – асинхронный тяговый двигатель необходимо создать контуры для протекания реактивных токов источника питания и нагрузки, т.е. замыкать каким-то образом поток реактивной энергии в системе. В НПЧ эта задача решается чередованием работы одних и тех же вентилей в выпрямительном и инверторном режимах. Коммутация тиристоров в НПЧ, как правило, осуществляется за счет энергии источника питания или нагрузки и называется естественной.
Восемнадцативентильная схема НПЧ (см. рис. 8.10). Имеется много различных вариантов НПЧ, различающихся силовой схемой и программой управления вентилями.
Простейшая схема НПЧ, часто называемая восемнадцативентильной, состоит из шести вентилей на фазу асинхронного тягового двигателя. Вентили включены на трехфазный источник энергии СГ в две встречные группы. Фазы асинхронного тягового двигателя соединены в звезду. Группы вентилей могут быть присоединены к фазе непосредственно или через уравнительный реактор УР.
Выходная частота НПЧ задается автоматической системой регулирования частоты АСРЧ, управляющие сигналы которой подаются на задающий генератор ЗГ. От ЗГ сигнал поступает на кольцевую пересчетную схему КПС, которая вырабатывает сигналы длительностью 180°эл. и подает их последовательно на группы тиристоров всех фаз. КПС содержит расширитель импульсов, который обеспечивает сигнал длительностью 180°эл. Для управления тиристорами одной фазы используется свой коммутатор (КA, КB; КС), к которому, кроме сигнала выходной частоты f или низкой СНЧ, подаются сигналы от датчика высокой частоты ДВЧ или частоты тягового синхронного генератора.
Р
Перечисленные элементы системы управления достаточно просты и с их участием формируется трапецеидальная кривая выходного напряжения.
В начале ток совпадает по направлению с напряжением, поэтому группа вентилей VSI – VS3 работает в выпрямительном режиме и ДВЧ подает управляющие сигналы на всю группу для выпрямительного режима. Переход с вентиля VSI на вентиль VS2, с вентиля VS2 на вентиль VS3 естественный. Для формирования требуемой частоты на тиристоры поступает сигнал по частоте f, который прекращает подачу выпрямительных импульсов управления на группу тиристоров VSI – VS3. Следующего перехода с вентиля VS3 на вентиль VSI не происходит и напряжение переходит через нуль. Начинается подача инверторных импульсов управления, и, так как ток пока сохраняет прежнее направление, происходит естественная коммутация с вентиля VS3 на вентиль VS1. Перед тем как ток переходит через нуль, с группы вентилей VSI – VS3 снимаются управляющие импульсы и подаются выпрямительные импульсы на группу вентилей VS4 – VS6. Однако, если первая группа не прекратила работы и не успели восстановиться запирающие свойства вентилей, то будет короткое замыкание фаз СГ. Поэтому в схеме предусмотрен нуль-орган НО (рис. 8.10), на который подаются сигналы от датчика нуля тока ДНТ и который через блок задержки БЗ препятствует отпиранию второй группы вентилей на некоторый промежуток времени после нуля тока в первой группе. Нуль-орган является довольно сложным устройством, так как должен быть рассчитан на пропуск максимальных токов, а измерять с весьма большой точностью малые токи. Переход с выпрямительного режима на инверторный в группе вентилей VS4 – VS6 происходит также по сигналу СНЧ. Сигнал низкой частоты СНЧ изменяется плавно в соответствии с сигналом СГ, но величина выходного полупериода напряжения Т2/2 может изменяться дискретно на длительность работы одного тиристора Тк = T1/3 (T1 – частота входного напряжения). Поэтому отношение частот СГ и АД при заданной программе регулирования должно быть fсг/f > 3. Дискретность изменения f и повышенная частота fcг являются основными недостатками НПЧ, показанного на рис. 8.10. Однако даже у этого НПЧ система управления значительно сложнее, чем у преобразователей частоты со звеном постоянного напряжения.
Во время инверторного режима реактивная мощность асинхронного тягового двигателя передается в СГ. Кроме того, все коммутационные процессы уменьшают коэффициент мощности. Поэтому СГ с НПЧ работает с низким коэффициентом мощности. Это обстоятельство увеличивает габариты и массу СГ.
Оптимальная номинальная частота СГ составляет fсг.ном = 100…200 Гц в зависимости от мощности и частоты вращения регулируемого асинхронного тягового двигателя fmax = 150…250 Гц. Следовательно, частота СГ для восемнадцативентильного НПЧ должна быть fcr=(3,54…4)(150…250) = 500…1000 Гц.
Система управления тиристорами может быть построена таким образом, чтобы угол включения каждого тиристора изменялся по определенному закону. После перехода напряжения СГ через нуль угол включения должен быть наибольшим, т.е. время включения соответствующего тиристора – наименьшим и среднее за Тк напряжение было малым. Затем угол включения уменьшается и соответственно среднее напряжение увеличивается. Тогда вместо трапецеидальной кривой фазного напряжения можно получить фазное напряжение, близкое к синусоиде. Система управления при этом резко усложняется. Дискретность выходной частоты остается, но вредное влияние может быть снижено, так как амплитуда субгармоник уменьшается в несколько раз.
Система управления тиристорами может быть построена таким образом, что управляющие импульсы подаются одновременно на обе группы тиристоров, но в одну выпрямительные, на другую инверторные. Затем управляющие импульсы выпрямительные и инверторные меняются местами. Так как в общем случае длительность инверторного режима не равна длительности выпрямительного режима, то между группами тиристоров возникают уравнительные токи, для их ограничения необходимы уравнительные реакторы. Так как через уравнительные реакторы протекают и рабочие токи, то реактор вызывает дополнительные потери и снижает коэффициент мощности. В схеме с уравнительным реактором и описанным управлением отпадает необходимость в нуль-органе.
Тридцатишестивентильный НПЧ. В НПЧ (рис. 8.11) с 36 вентилями группы тиристоров включаются с двух концов фазы асинхронного тягового двигателя, так что фазы асинхронного тягового двигателя не соединены между собой. Обмотка статора должна иметь 6 выводов. Если подавать управляющие импульсы на группы тиристоров со сдвигом, то при этом снижается амплитуда пульсаций и уменьшается коммутационный интервал Tк, что позволяет уменьшать частоту СГ до fcr ≥ 2,5f. Кроме того, при этом амплитуда постоянной составляющей и субгармоник снижается вдвое. Схема управления группами возможна как раздельная с нуль-органом, так и одновременная. Схема сложнее по сравнению с восемнадцативентильной в связи с увеличением вентилей и наличия сдвига между группами.
Рис. 8.11 Тридцатишестивентильная схема непосредственного преобразователя частоты
Проводятся разработки систем управления с программой подачи управляющих импульсов по среднему значению выходного напряжения и сравнения этого напряжения с заданным. При этом углы управления тиристорами изменяются так, чтобы частота изменялась плавно, а кривая напряжения была симметричной. Такое управление приводит к снижению амплитуды постоянной составляющей, к снижению субгармоник и высших гармоник. Предполагается, что при этом можно допустить fсг ≥1,25f. Однако все эти мероприятия вызывают существенное усложнение системы управления преобразователем.