Критерии сравнительных оценок вариантов исполнения силовых цепей преобразователей

1.Критерии сравнительных оценок вариантов исполнения силовых цепей преобразователей.

2.Схемы многофазных частотно-импульсных преобразователей для режимов тяги и торможения при общей и пофазной нагрузке.

3.Определение закона регулирования, соответствующего пусковой и тормозной диаграммам тягового электрического двигателя.

4. Способы стабилизации времени импульса.

Рекомендуемые материалы

      При проектировании преобразователей, как правило, рассматривается несколько вариантов схемных решений их силовых цепей. При этом возникает проблема определения оптимального варианта, используемого для дальнейших конструктивных проработок. Сравнение вариантов схемных решений производится 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 сравнивают 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. Поясним это на примере рассмотренных выше схем силовых цепей частотно-импульсных преобразователей.

Из диаграмм, приведенных на рис. 10 и 11, видно, что кривые тока i_VS тиристоров нарастают и спадают плавно, без скачков. Прямое и обратное напряжения на вентилях не превосходят по величине напряжения питающей сети. Таким образом, управляемые вентили находятся в благоприятных условиях, что обеспечивает надежную их работу даже при последовательном соединении. В схеме же рис. 12 тиристор VS работает при скачкообразных изменениях протекающего через него тока. Значительно хуже и условия работы диода VD.

В схеме рис. 10  напряжение на конденсаторе  С2 в течение периода имеет одно и то же направление и по величине достигает 2U_1d. В схемах же рис. 11 и 12 напряжение u_С хотя и меняет дважды за период направление, но его максимальное значение не превосходит U_1d, т. е. расчетное напряжение  для конденсатора С2 ниже.

При схемах рис. 11 и 12 более благоприятна форма кривой тока i_1d, потребляемого преобразователем. В схеме рис. 10 потребление тока происходит только в интервале t₀ - t₄. Во второй и третьей схемах продолжительность импульса тока i_1d значительно больше, благодаря чему его максимальное значение меньше, чем в схеме рис. 10.

Таким образом, наиболее рациональной из рассмотренных является схема частотно-импульсного преобразователя, представленная на рис. 10.

  Питание тяговых электродвигателей многодвигательного привода может осуществляться от частотно-импульсных преобразователей, выполненных по многофазным схемам. В качестве примера на рис. 14 представлена схема многофазного частотно-импульсного преобразователя, работающего на общую нагрузку, фазы которого выполнены по схеме рис. 10. Дополнительно включенные разделяющие диоды VD предназначены для предотвращения разряда конденсаторов С на другие фазы в случае, если ток нагрузки фаз в течение периода успевает снизиться до нуля. При пофазной (индивидуальной) нагрузке необходимость в диодах VD1 отпадает.

Система управления тиристорами VS подает на их управляющие электроды отпирающие импульсы со сдвигом в 1/n_ф периода, вследствие чего образуется симметричная многофазная система, позволяющая уменьшить пульсации тока на входе и выходе преобразователя и одновременно повысить их частоту.

Применение  частотно-импульсного преобразователя с неуправляемым запиранием тиристора VS для рекуперативного торможения поясняет схема рис. 15. Преобразователь состоит из тех же элементов, что и в режиме тяги. Диод VD2 препятствует протеканию тока от источника питания в цепь преобразователя, диод VD1 предотвращает разряд конденсатора С1 в тех случаях, когда ток в цепи двигателя падает до нуля.

Система управления производит периодическое отпирание тиристора VS путем подачи положительных импульсов на управляющий электрод. Конденсатор С1 и дроссель L3, образуя колебательный контур, осуществляют запирание тиристора. Как и для режима тяги, при построении диаграмм рис. 16 принято допущение, что напряжение на конденсаторе С2 и ток в цепи двигателя неизменны и равны соответственно U_1d и I_M.

Согласно диаграммам перед отпиранием тиристора VS напряжение на нем и напряжение на конденсаторе С1 были равны U_1d. Ток I_M в цепи тягового двигателя, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности L2, через диод VD2 поступал в сеть постоянного тока и в конденсатор С2.

После отпирания тиристора VS к дросселю L3 прикладывается напряжение U_1d  и начинается нарастание тока i_VS, что приводит к снижению тока i_1d. В момент времени t₁ ток i_VS достигает величины I_M, а i_Vd2 становится равным нулю. Начинается разряд конденсатора С1 на дроссель L3. Разряд носит колебательный характер, поэтому напряжение U_C1 сначала снижается до нуля (момент времени t₂), и затем становится отрицательным. Разрядный ток конденсатора, напротив, до момента времени t₂ возрастает, а потом снижается до нуля. Через тиристор VS замыкаются ток тягового двигателя I_M и разрядный ток конденсатора С1. Благодаря этому ток i_VS имеет форму импульса.

Отрицательное напряжение U_C1 на конденсаторе С1 нарастает вследствие того, что в нее переходит энергия, которая накапливалась в индуктивности L3 при возрастании тока i_VS. Когда ток i_VS вновь станет равным I_M (момент времени t₃), отрицательное напряжение U_C1 принимает максимальное значение.

В момент времени t₄ ток i_VS прекращается и к тиристору VS прикладывается обратное напряжение, равное U_C1.  Затем начинается перезаряд конденсатора С1 током I_M, протекающим в контуре, образованном тяговым двигателем М, дросселем L2 и конденсатором С1. Напряжение U_C1 вновь меняет знак и в момент времени t₆ становится равным U_1d.

Тиристор VS за время, в течение которого он находится под отрицательным напряжением (от t₄ до t₅), должен восстановить управляющие свойства, так как после момента времени t₅ к нему прикладывается прямое напряжение.

В момент t₆ открывается диод VD2 и ток I_M поступает в цепь фильтра и в сеть при напряжении U_1d. Так как ток i_1d протекает через диод VD2, то он все время равен i_VD2 (на рис. 16 оба тока представлены одной кривой).

Диод VD2, находясь в непроводящем состоянии, воспринимает разность напряжений U_1d - U_C1, препятствуя тем самым протеканию тока i_1d в обратном направлении в  промежутки времени, когда U_C1 меньше U_1d. Период заканчивается в момент времени t₇, когда вновь производится отпирание тиристора VS.

Напряжение U_М на входе преобразователя можно определить по формуле (4). Из нее видно, что на величину U_М влияют рабочая частота преобразователя  и форма кривой напряжения U_C1. Следовательно, напряжение U_М можно регулировать, изменяя частоту включения тиристора VS. Это напряжение зависит от режима работы преобразователя, т.е. от тока I_M, так как величина тока влияет на скорость перезаряда конденсатора С1 в  интервале времени t₄ – t₆. Например, чем меньше ток I_M, тем больше интервал t₄ – t₆. При неизменной частоте в результате этого уменьшается площадь, ограниченная кривой U_C1 и расположенная над осью абсцисс, и увеличивается площадь под осью абсцисс. В конечном итоге это приводит к снижению напряжения U_М. Поэтому в режиме рекуперативного торможения также необходимо осуществлять регулирование для получения желаемой входной характеристики преобразователя, т.е. зависимости напряжения U_М от  тока I_M.

Процесс рекуперативного торможения заканчивается тогда, когда ток двигателя упадет до нуля вследствие того, что напряжение U_М станет намного меньше U_1d, а дроссель L2 в реальных установках обладает конечной величиной индуктивности. Прекратив подачу отпирающих импульсов, преобразователь можно отключить без разрыва тока от сети, на которую он работал; аналогичным образом производится прекращение реостатного торможения, если сопротивление реостата больше критического.

Схема рис. 17 позволяет проследить, как осуществляется рекуперативное торможение двумя параллельно соединенными тяговыми двигателями последовательного возбуждения с использованием многофазного частотно-импульсного преобразователи напряжения. Фазы преобразователя соединены между собой параллельно. На их вход подается напряжение тяговых двигателей, выход включен на сеть постоянного тока через общий сглаживающий фильтр. Как и в режиме тяги, подавая с одинаковым и неизменным сдвигом отпирающие импульсы на управляющие электроды тиристора VS, можно получить симметричную многофазную систему, которая облегчает сглаживание тока двигателей и тока, поступающего в сеть. Для обеспечения параллельной работы тяговых двигателей применено перекрестное соединение их обмоток возбуждения.

При пофазной нагрузке отпадает необходимость в применении схемы с перекрёстным соединением обмоток возбуждения тяговых двигателей. Схема силовых цепей многофазного преобразователя преобразуется либо в схему с одной фазой на каждый двигатель, либо с несколькими фазами на один двигатель. Последний вариант легко представить, если в схеме рис. 17 исключить двигатель М2.

При определении закона регулирования f_рег=φ(v) частотно-импульсного преобразователя в режимах пуска и торможения необходимо использовать пусковую и тормозную диаграммы тягового двигателя постоянного тока. В качестве примера рассмотрим вариант определении закона регулирования f_рег=φ(v) однофазного частотно-импульсного преобразователя, питающего тяговый электродвигатель последовательного возбуждения.

На рис. 18 представлена диаграмма реостатного пуска двигателя. Пуск начинается с тока трогания I_тр (точка а), который нарастает до пускового (точка б). Дальнейший разгон происходит при пульсации тока от I_{п мин} до I_{п макс}. После выведения пускового резистора (точка в) разгон происходит по характеристике V_пп=φ(I) полного поля, а далее по мере ослабления поля – в т. г характеристики V_{о п}=φ(I) ослабленного поля. Дальнейший разгон происходит по характеристике ослабленного поля до скорости v_макс (точка д).

Применение импульсного регулирования приводит к изменению пусковой диаграммы, которая при достаточно небольшой длительности импульса t_и вырождается в ломаную а – б – в – г – д – е.

Диаграмма реостатного торможения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения приведена на рис. 19. Торможение двигателя может начинаться с любой точки ограничения по максимальной скорости – кривая v_макс=φ(I). В качестве примера приведена точка е, через которую проходит первая реостатная характеристика. В процессе торможения происходит переход с одной реостатной характеристики на последующую до тех пор, пока тормозной резистор не выводится полностью.

Применение импульсного регулирования приводит к изменению пусковой диаграммы, которая вырождается в ломаную е – д – г – в – б – а. При этом реостатное торможение может быть заменено на рекуперативное или рекуперативно-реостатное.

Методику определения закона регулирования рассмотрим на примере режима пуска (рис. 18). Очевидно, что минимального своего значения частота регулирования достигает в т. а, соответствующей началу движения экипажа. Для подтверждения этого сопоставим между собой частоты регулирования преобразователя в точках а (f_a), б (f_б), в (f_в), г (f_г), д(f_д) и е(f_е). Из уравнения

,                                                                            (9)

где r_м ─ суммарное сопротивление якорной цепи ТЭД; С ─ постоянная машины; Ф ─ поток машины; v ─ скорость экипажа,

следует, что:

 в т. а выражение (9) преобразуется к виду

,

где  ─ ток трогания экипажа;

в т. б ─

,

где I_{п макс} ─ максимальный пусковой ток экипажа (т.к. скорость еще достаточно мала, то можно положить );

в т. в ─

,

где v_пп─ скорость выхода на автоматическую характеристику (в зависимости от типа используемых ТЭД она колеблется от 14 до 20 км/ч).

Начиная с точки в импульсы следуют один за другим без пауз, так как к ТЭД подключён к источнику питания на полное напряжение.

Полагая величину t_и =const, и, воспользовавшись (2), имеем:

для т. а                                                                  ,

для т. б                                              ,

откуда                                                                          .

Соотношения частот регулирования для т.т. б и в можно получить на основании выражений (2) и (9), полагая в них I_{п макс}r_м = 0, что вполне приемлемо для инженерной точности расчетов, т.к. для существующих типов ТЭД I_{п макc}· r_м=(0,05…0,008)U_1d. Учитывая, что в т. б скорость экипажа не превышает величины  км/ч, получаем

                                                                         ,

                                                                         ,

                                                              .

Для определения величины частоты регулирования в точках д и е необходимо рассмотреть влияние величины тока ТЭД на длительность импульса. Согласно рис.8 длительность импульса

                                                                   ,                                                                (10)

где ─ время перезаряда коммутирующего конденсатора; ─ время запирания тиристора и заряда С до U_1d.

Из формулы (10) видно, что t_u – величина непостоянная, зависящая от тока ТЭД. После выхода на автоматическую характеристику и дальнейшего разгона экипажа ток мотора уменьшается, что приводит к увеличению длительности t_з и, как следствие ─ к увеличению t_и. При сохранении  величины частоты регулирования это приводит к срыву процесса регулирования вследствие невозможности обеспечения заряда коммутирующего конденсатора до U_1d, что недопустимо. Поэтому по мере разгона подвижного состава необходимо либо стабилизировать величину t_и, либо снижать частоту работы преобразователя. Первое достигается аппаратными средствами путем применения цепей ускоренного перезаряда С. Но этот способ, во-первых, не позволяет достичь жесткой стабилизации (t_и продолжает увеличиваться, хотя и меньшей степени), а, во-вторых ─ ведет к усложнению и удорожанию преобразователя. Второй способ более привлекателен, поэтому рассмотрим его более подробно.

Представив выражение (10) в виде

                                                                                          (11)

и используя выражения (2) и (9), проанализируем влияние изменения i_м и v на величины t_и и f_р. Из (11) следует, что функция t(i_м) носит гиперболический характер. Зависимость u_м(v) ─ более сложная: первая составляющая выражения (9) зависит от i_м линейно; вторая ─ нелинейно от i_м (что связано с кривой В(Н) намагничивая стали) и линейно от v. Решая совместно (2), (9) и (11) и учитывая, что кривая Ф(i_м) может быть представлена в виде  , получаем выражение для закона регулирования

                                          ,                                      (12)

который носит трансцендентный характер.

На участках а – б и в – е (г – д) пусковой диаграммы трансцендентный характер зависимости проявляется в полной мере. На участке б – в  закон регулирования носит линейный характер и приводится к виду

 ,

где  и .

Кривая зависимости f_p(v) для режима пуска представлена на рис. 20.

Максимальная частота регулирования необходима для определения типа тиристора преобразователя, а минимальная – для расчёта параметров входного фильтра.

При использовании частотно-импульсного преобразователя для питания ТЭД с номинальным напряжением, равным половине напряжения источника питания, стабилизация частоты регулирования после выхода на автоматическую скоростную характеристику полного поля не приводит к срыву процесса регулирования. Однако в этом случае в процессе разгона подводимое к ТЭД напряжение начинает превышать величину номинального значения (см. рис. 21) и необходимо произвести проверку этого превышения на максимальной скорости, которая не должна быть более 10%.

В режиме торможения частота регулирования на максимальной скорости имеет минимальное значение, которое нарастает по мере снижения скорости движения и достигает максимальной величины в точке б тормозной диаграммы (рис. 19 и 22). При этом импульсы следуют друг за другом без пауз. Длительность импульса, как и в режиме пуска, определяется выражением (11). Дальнейшее уменьшение скорости приводит к уменьшению тока ТЭД, снижению тормозного эффекта и необходимости замещения электрического торможения механическим. Одновременно, как показано выше, происходит увеличение длительности импульса, что неизбежно приведёт к срыву процесса регулирования. Для предотвращения этого необходимо, как и при пуске, уменьшать частоту регулирования. Однако, срыв преобразователя в этом случае не так опасен, как при пуске, поскольку режим электрического торможения замещается механическим.

Закон регулирования в режиме электрического торможения аналогично режиму пуска

  ,                                      (13)

который носит трансцендентный характер.

Выше было показано, что изменение величины тока ТЭД приводит к изменению длительности импульса в преобразователе. Уменьшение тока приводит к существенному увеличению длительности импульса, что в свою очередь вызывает необходимость снижения частоты регулирования и, как следствие – к увеличению массогабаритных показателей фильтровых устройств, что будет показано ниже. Поэтому возникает необходимость стабилизации t_и.

Поскольку увеличение длительности импульса согласно (11) связано с замедлением скорости перезаряда коммутирующего конденсатора, то для ускорения процесса целесообразно предусмотреть в схеме преобразователя дополнительные цепочки, ускоряющие его перезаряд. Возможно применение двух способов ускорения перезаряда:

Вам также может быть полезна лекция "Водяной пар в атмосфере".

- с использованием резонансных цепей с диодами;

- с использованием резонансных цепей с тиристорами.

Отличительной особенностью работы цепей с первым способом является синхронность включения их в процесс перезаряда с основной цепью, по которой протекает ток мотора. В преобразователях со вторым способом включение цепей ускоренного перезаряда происходит по истечении времени задержки, предоставляемого для восстановления запирающих свойств тиристора. Схемные решения обоих вариантов цепей для частотно-импульсного ключа приведены на рис. 23. Там же представлены диаграммы электромагнитных процессов.

При отсутствии контура форсирования перезаряда конденсатора С диаграмма перезаряда отображается кривой 1 при максимальном (пусковом) токе ТЭД и кривой 2 – при минимальном (например, токе трогания I_тр). При дальнейшем уменьшении тока линия перезаряда становится ещё положе, что приведёт к снижению уровня напряжения на конденсаторе и, как следствие – к срыву преобразователя.

Включение диодного контура форсирования перезаряда приводит к преобразованию кривой 2 в кривую 3, что способствует существенному сокращению длительности импульса. Однако применение такой схемы ускорения перезаряда вызывает необходимость увеличения ёмкости коммутирующего конденсатора, т.е. увеличения массогабаритных и стоимостных показателей  преобразователя.

Применение тиристорного контура форсирования перезаряда приводит к преобразованию кривой 2 в кривую 4, что способствует ещё более существенному сокращению длительности импульса. Включение тиристора VS2 и образования дополнительной цепи перезаряда конденсатора происходит по истечении схемного времени t_сх. При этом не требуется увеличения ёмкости конденсатора.