ТИРИСТОРНО-ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Для обеспечения работоспособности рассмотренных схем импульсного управления необходимо, чтобы:

1) источник питания был безындуктивным;

2) ключ работал с большой частотой (при низкой частоте необходима большая индуктивность L, т. е. реактор бу­дет громоздким, что нежелательно);

3) ключ К обладал способностью коммутировать большие токи.

Для соблюдения первого условия необходимо источник питания, т. е. контактную сеть, обладающую относительно большой индуктивностью, шунтировать конденсатором с большой емкостью. Это достигается установкой на входе импульсного преобразователя фильтра, состоящего из реактора и конденсатора.

В качестве ключа К применяют электронный ключ. Наибольшее распространение получили тиристорные клю­чи, которые накладывают на импульсное управление ряд особенностей. Тиристор - прибор, обладающий односто­ронней управляемостью. Можно управлять моментом от­крытия прибора. Для восстановления тиристору своих уп­равляющих свойств необходимо, чтобы через него перестал протекать ток. Это достигается за счет приложения кти­ристору обратного напряжения, что требует создания спе­циальных схем ключей.

Широтно-импульсный ключ. Рассмотрим принцип рабо­ты широтно-импульсиого ключа (рис. 20). Ключ состоит из главного тиристора VI (рис. 20, а), вспомогательного тиристора V2, коммутирующего конденсатора С_к и переза­рядной цепи, состоящей из катушки индуктивности L_K и диода V_o.

Пренебрегаем активными потерями в элементах ключа и принимаем, что в момент времени t = 0 конденсатор С_к заряжен до напряжения тяговой сети U₁ с полярностью, указанной на рис. 20, а (без скобок). На рис. 20, б при­ведены диаграммы, поясняющие работу этого ключа.

Рис. 20. Принцип работы широтно-импульсного тиристорного ключа: а – принципиальная схема; б – диаграмма напряжений и токов

В период времени 0 - t₁ открыт главный тиристор VI (см. рис. 20, а, б), при этом через него протекает ток и происходит накопление энергии в индуктивности L. Одно­временно через открытый главный тиристор VI и переза­рядную цепь происходит колебательный разряд конден­сатора С_к, который перезаряжается до напряжения U₁ с полярностью, указанной в скобках (интервал 0 - t^/), и это напряжение остается на конденсаторе до открытия тири­стора V2. В момент t₁ открывается вспомогательный тири­стор V2. К тиристору VI прикладывается отрицательное напряжение конденсатора С_к, при этом прекращается про­текание тока через тиристор VI, и таким образом соз­даются условия для восстановления его управляющих свойств. Одновременно через тиристор V2, индуктивность L происходит перезаряд конденсатора С_к током тягового двигателя i₂. В момент t^// напряжение на коммутирующем конденсаторе изменяет знак, и к тиристору VI приклады­вается положительное напряжение. Следовательно, в тече­ние времени к тиристору VI приложено отри­цательное напряжение. К моменту t₂ конденсатор С_к заря­жается до напряжения тяговой сети U_1, открывается диод V3, и через него начинает протекать ток двигателя. Тири­стор V2 закрывается, и создаются условия для восстанов­ления его управляющих свойств.

В момент t₃ снова открывается главный тиристор VI, и процесс повторяется. Учитывая, что индуктивность цепи достаточно велика, можно принять, что i₂ = const и i₂ = I₂. Напряжение на двигателе

(62)

Следовательно, коэффициент заполнения в этом случае

, (63)

где

. (64)

Из выражений (62) и (64) следует, что напряжение на двигателе

(65)

Таким образом, напряжение на двигателе будет зави­сеть не только от работы системы управления тиристорами, но и от тока двигателя.

Внешние характеристики преобразователя достаточно жесткие в области больших токов и весьма мягкие в обла­сти малых токов нагрузки.

Так как всегда должен произойти заряд конденсатора С_к, то существует какой-то минимальный ток нагрузки I_2min, меньше которого при данной частоте, т. е. данном значении Т, нельзя производить регулирование.

При рассмотрении процессов в преобразователе мы пренебрегали потерями в его элементах. Действительно, к. п. д. преобразователя достаточно высок (0, 95 - 0, 97). Объясняется это применением элементов, которые имеют относительно малые потери энергии: конденсаторов, реак­торов, тиристоров и диодов. В зависимости от режима работы преобразователя потери энергии в его элементах будут изменяться по разным законам.

В широтно-импульсном преобразователе в режиме пус­ка, т. е. при работе с постоянным током нагрузки I₂ = const и V = var, с уменьшением мощности умень­шается и к. п. д. преобразователя. Объясняется это нали­чием постоянных потерь энергии в индуктивности L.

Возможны два способа включения преобразователей на электроподвижном составе. Первый способ - преобразователь включается только на период пуска и торможения тяговых двигателей. По окончании пуска он шунтируется контактором. Тяговые двигатели должны обеспечить работу при напряжении тяговой сети. В этом случае преобразователь рассчитывается на кратковременный режим работы. Такое включение нашло применение на городском электрическом транспорте. Второй способ - преобразователь включается на все время работы тяговых двигателей. В этом случае номинальное напряжение на тяговых дви­гателях может быть ниже, чем напряжение тяговой сети. Естественно, что преобразователь здесь должен быть рассчитан на продолжительный режим работы. Поэтому он обладает большей массой и габаритами, чем преобразователь для первого способа включения.

Для широтно-импульсного преобразователя вследствие жесткости его выходных характеристик приходится при­нимать специальные меры для улучшения распределения нагрузки между ключами. Одной из таких мер является работа каждого ключа на свой двигатель (рис. 21).

Рис. 21. Схема э.п.с. с широтно-импульсными тиристорными ключами ТП1 и ТП2

Тиристорные преобразова­тели потребляют ток от источника в виде импульсов. Поэтому требуется установка на входе преобразователя мощных фильтров, обладающих большой емкостью С_ф и индуктивностью L_ф. Мощность фильтра может быть значи­тельно уменьшена, если выполнять преобразователи мно­гофазными, т. е. из нескольких тиристорных ключей, рабо­тающих со сдвигом в 360°/п, где п - число ключей (фаз) преобразователя.

Тиристорный преобразователь имеет практически бесконечно большое число внешних характеристик в режиме тяги. Следовательно, подвижной состав может иметь такое же число тяговых ха­рактеристик. Реальное их число будет опреде­ляться системой управления э.п.с. В общем случае на эти характе­ристики наложены ограничения: по сцепле­нию, максимальной мощности преобразователя, наибольшему допустимому ослаблению возбуждения тягового двигателя при номинальном напряжении на его зажимах и конструкционной скорости (рис. 22).

Рис. 22. Тяговые характеристики э.п.с. при применении

импульсного регулятора при U₁=const

Характеристики регулирования, т. е. изменение вели­чины в функции того или иного параметра, определя­ют путем расчета их по отдельным точкам тяговых харак­теристик. По данной точке заданной тяговой характерис­тики, используя электромеханические характеристики дви­гателя, находят значение тока двигателя. Напряжение на двигателе определяется в соответствии с выражением

, (66)

где v - скорость движения э. п. с.

Величину СФ определяют по нагрузочным характе­ристикам двигателя для тока I в двигательном режи­ме. Далее по значениям U_д и I, используя выражение (65) для широтно-импульсного преобразователя, определяют значение . Расчет лучше вести табличным методом. При этом для конкретной схемы э.п.с. необходимо находить соотношение между токами I₂ и I₁ по формуле

, (67)

гдеn_д - число параллельных ветвей тяговых двигателей; n_ф - число фаз регулятора.

Ток, потребляемый э. п. с. из тяговой сети,

, (68)

где η _р – к.п.д. преобразователя.