Назначение, классификация, требования, элементная база и схемные решения входных и выходных фильтровых устройств преобразователей

1. Назначение, классификация, требования, элементная база и схемные решения входных и выходных фильтровых устройств преобразователей.

2.Г-образный  LC-фильтр. Электромагнитные процессы в фильтре при одно- и многофазной нагрузке. Определение параметров элементов фильтра.

Фильтровые устройства подвижного состава предназначены для сглаживания пульсаций тока и напряжения в нагрузке при импульсном характере потребления электрической энергии, а также защиты источника энергии и других потребителей от радиопомех.

Классификация фильтровых устройств

1. По функциональному назначению:

– для сглаживания пульсации тока;

– для сглаживания пульсации напряжения;

– комбинированные;.

Рекомендуемые материалы

2. По характеру воздействия на сигнал:

– активные (т.е. изменяющие своё внутреннее состояние);

– пассивные;

3. По элементной базе:

– на реактивных элементах (дросселях, конденсаторах, резисторах);

           – на активных элементах (транзисторах, тиристорах и т.д.);

4. По способу включения:           

– последовательные;

– параллельные;

– комбинированные;

5. По диапазону частот подавляемых пульсаций:

– широкополосные;

– полосовые.

В силовых цепях подвижного состава преимущественное распространение получили широкополосные пассивные фильтровые устройства для сглаживания пульсаций тока и напряжения на базе дросселей и конденсаторов. Объясняется это, прежде всего, простотой их изготовления, обслуживания, высокой степенью надёжности, длительностью срока службы.

Для подавления пульсации тока применяются дроссели, выполняемые без сердечника или с сердечником в том случае, когда они включается последовательно с электродвигателем. Магнитопровод (сердечник) при этом должен быть замкнутым, но не насыщающимся (т.е. иметь немагнитную прокладку). Включение дросселя последовательно с двигателем позволяет не только уменьшить пульсацию тока в цепи, но и поделить питающее напряжение между дросселем и двигателем, что особенно важно в тех случаях, когда двигатель не рассчитан на напряжение источника питания. Примеры включения дросселя последовательно с двигателем приведены на рис. 24, 25, 26 и др.

Одним из основных условий обеспечения работоспособности преобразователей подвижного состава является применение входных и выходных фильтровых устройств. При этом входной фильтр выполняет не только функцию подавления пульсации тока и напряжения на входе цепей, но и функцию вторичного источника питания, обеспечивающего надёжное отпирание ключей преобразователя в начальный момент включения. Как правило, на подвижном составе применяется однозвенный Г-образный LC-фильтр с постоянными параметрами. Вместе с тем, на практике применяются и Т- и П-образные  однозвенные и многозвенные LC-фильтры. Примеры включения однозвенного Г-образного LC-фильтра приведены на тех же рисунках. Различные схемные решения фильтровых устройств приведены на рис. 62.  

При исследовании процессов во входном Г-образном LC-фильтре рассматривают два характерных режима его работы: режим А, при котором ТИП открыт и через него от фильтра проходит ток I, и режим Б, при котором ТИП закрыт и из контактной сети потребляется ток i_L' для дозаряда емкости Сф. При математическом описании процессов в фильтре обычно принимают постоянным напряжение источника питания (U_п — const), пренебрегают колебаниями тока в цепи нагрузки (I = const) и падением напряжения в сопротивлении дросселя фильтра (r_ф = 0).

Режим А  (см. рис. 63 а):

;

;

.

Минус в последнем уравнении присутствует потому, что конденсатор С1 разряжается и при выбранном направлении тока i_С>0, решив систему уравнений относительно u_С, получим общее уравнение

,

решение которого будем искать в виде

,

где А и φ₁ – постоянные интегрирования;  - собственная угловая частота фильтра.

Токи в контурах

и   .

Режим в (см. рис. 63б)

;

;

.

Решение системы уравнений относительно u_C :

,

.

Из уравнений  видно, что изменение напряжения на емкости фильтра С1 в каждом режиме происходит по синусоидальному закону при одинаковой частоте w_о. Колебательный процесс описывается отрезками сплошных линий синусоид (рис. 64). Отрезок абв соответствует открытому состоянию преобразователя. Отсчет времени ведется от точки a (t_и — ширина импульса). Отрезок синусоиды с точками вгд соответствует запертому состоянию преобразователя (t_пауз — время паузы, Т — период регулирования).

Постоянные интегрирования можно определить по некоторым особым точкам. Например, в точке б (рис. 64) U_С= U_пит  т. е. напряжение на дросселе L1 равно нулю:

При А¹0  w_о+j₁ = 0. Так как в точке б t = t_и/2 и имея в виду, что t_и =lT=l/f, w_о= 2pf_o, получим

,

где f^*=f₀ /f.

Аналогично в точке г

При В¹0  w_о+j₂ = 0. Из рис. 64 t=t_и+0,5 t_пауз=lT+0,5T(1-l) =0,5(1+l)/f, откуда

.

В точке в при переходе из режима А в Б в соответствии с законом коммутации напряжение на емкости С не может измениться скачком, так же как и ток в дросселе фильтра L_ф, т. е. в этой точке при t=t_и

и  .

Подставляя t_u = l/f, j₁  и j₂ и решив уравнения относительно А и В, получим:

и  .

Подставив значения А и j₁, а также В и j₂, получим изменение U_С, i_L и i_C при открытом:

,

и закрытом преобразователе:

.

При  f^*≤ 0,3 можно получить простое выражение для определения максимальной величины пульсации для напряжения на конденсаторе фильтра и тока в дросселе:

ΔU_{C макс}=I/(8fC)   и    Δi_L=I/(64LCf²).

Из выражений для ΔU_{C макс} и Δi_L видно, что амплитуда переменной составляющей пульсации тока в контактной сети и напряжения на С пропорциональны току I, снимаемому с выхода фильтра при отпирании преобразователя, и обратно пропорциональны параметрам фильтра L, С и частоте пульсации тока на выходе фильтра. Поэтому при питании нескольких нагрузок от одного общего фильтра или общей нагрузки через несколько фаз возможно либо значительное снижение амплитуды пульсаций Di_L, DU_С при заданных L и С, либо уменьшение величин L и С при заданных Di_L и DU_С, либо одновременно снижение того и другого (Di_L, DU_С и L, С), если нагрузки питать через раздельные ключи, которые отпирать со сдвигом во времени относительно друг друга. Принципиальная схема питания четырехфазной нагрузки (m = 4) от общего фильтра С, L показана на рис. 65, где для питания каждого ТЭД установлен отдельный ключ. Если все четыре ТИП отпирать и запирать одновременно (синфазно), то при каждом отпирании с выхода фильтра С, L снимается ток mI =4I и размах пульсации выходного тока будет mI. Частота пульсации на выходе фильтра f. Процессы в фильтре описываются рассмотренными ранее уравнениями. Если же время отпирания и запирания ключей сдвинуть по фазе относительно друг друга на Т/т = Т/4 (рис. 66), то это позволит в m = 4 раза увеличить частоту пульсаций напряжения на выходе фильтра (сделать mf =4 f) и снизить в m³ = 64 раза величину переменной составляющей тока в контактной сети. Это объясняется тем, что при отпирании очередного преобразователя к фильтру добавляется или отключается нагрузка только одного ТЭД. Так, при l<0,25, когда, например, ключ К1 запирается до отпирания К2 (верхняя часть рисунка), ток на выходе фильтра SI прерывистый, как в однофазной схеме. При l=0,25 в момент запирания К1 отпирается К2, поэтому с фильтра снимается непрерывный ток и пульсаций тока в контактной сети и напряжения на С не будет. При l>0,25 ключи работают с перекрышей, т. е. запирание, например, К1, происходит с некоторым сдвигом во времени после отпирания К2 и т. д. В нижней части рис. 66 показано образование пульсации тока SI  на выходе фильтра при l>0,75. Эти пульсации получаются вследствие того, что в различные промежутки времени открыто неодинаковое количество ключей. В рассматриваемом случае в интервалах Dt открыты все четыре ключа, а в промежутках между ними открыты три. Из рис. 66 видно, что размах пульсаций тока на выходе фильтpa не превышает ток одной фазы. При l= 0,25; 0,5; 0,75 и 1 пульсации отсутствуют.

В сложившейся практике для систем с широтно-импульсным и комбинированным регулированием при выборе основных параметров входного фильтра в качестве L считают достаточной индуктивность радиореакторов, которая составляет около 3 мГ. Выбор С должен производиться совместно с выбором схемы регулирования и элементов ключа. При выборе конденсаторов С должны быть известны пусковой и тормозной ток, время пуска и торможения ЭПС, число фаз и частота регулирования. Если не заданы DU_С и Di_L, то для предварительного расчета можно принять f* = 0,1÷0,2 при режиме установившегося значения пускового и тормозного тока и f*£0,6 — в начале пуска.

Конденсаторы С можно выбирать в следующем порядке:

1.  При    вышеуказанных    исходных    данных    задаются f* = fo/f = 0,1 ÷0,2,   f* = fo/f_нач£0,6 определяют   С, большую из рассчитанных по f и f_нач:

где L — индуктивность радиореакторов.

2. Далее определяют DU_С ._макс.

3. Определяют рабочее напряжение конденсатора С, которое должно отвечать требованию

U_ном≥(U_{пит макс}+ΔU_{С макс}),

U_~ ≥0,7 ΔU_{С макс}.

6 Пропорциональная система - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

4.   По кривой 5 (см. рис. 67) определяют I*_эф и

,

где t_n и t_m –времена пуска и торможения соответственно; п_ц – количество пусков и торможений; I_m – ток, отдаваемый в фильтр двигателем.

5. Определяют величину емкости конденсатора С из неравенства:

.

После выбора С нужно скорректировать f₀ и DU_С.макс. В системе с частотно-импульсным регулированием в начале пуска используется значительно меньшая начальная частота регулирования, чем при широтно-импульсном и комбинированном регулировании. В этом случае для снижения собственной частоты входного фильтра f₀ в первой стадии пуска целесообразно последовательно с радиореакторами включить дополнительный дроссель с ферромагнитным сердечником, индуктивность которого может снижаться по мере увеличения тока, потребляемого из контактной сети. После завершения первой стадии пуска, когда частота регулирования будет уже достаточно высокой, этот дроссель можно шунтировать контактором. Входной фильтр с двумя последовательными дросселями, один из которых шунтируется контактором, выполнен на опытном магистральном электровозе с частотно-импульсным регулированием. При расчете фильтра вначале выбирают емкость С при L, равной индуктивности радиореакторов, как это было изложено ранее. Затем по начальной частоте регулирования при пуске определяют начальную собственную частоту фильтра f_0нач£0,6f_нач и начальную индуктивность добавочного дросселя фильтра.