Схемы широтно-импульсных регуляторов напряжения с узлами емкостной коммутации в режимах тяги и торможения
1.Схемы широтно-импульсных регуляторов напряжения с узлами емкостной коммутации в режимах тяги и торможения.
2.Принципиальные электрические схемы многофазных широтно-импульсных преобразователей для режимов тяги и торможения при общей и пофазной нагрузке, диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах.
3.Общий узел емкостной коммутации.
 |
Принцип широтно-импульсного регулирования напряжения на тяговых двигателях и рабочий процесс в преобразователе рассмотрим па примере однофазных схем рис. 24, 26 и 27. Ключ, осуществляющий коммутацию тока, состоит из тиристора VS1, называемым иногда главным, вспомогательного – VS2, диода VD, дросселя L и конденсатора С. В схеме рис. 26 вместо диода применяется тиристор VS3.
При построении диаграмм мгновенных значений токов и напряжений различных элементов для этих схем напряжение на входе (на конденсаторе С1) было принято равным U1d, а ток в цепи нагрузки – Iм, что имело бы место при С1=∞ и L1=∞.
Рекомендуемые материалы
Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Пусть до момента времени t0 тиристоры VS1 и VS2 находились в непроводящем состоянии, а ток ТЭД за счёт накопленной в дросселе L3 и нём самом энергии циркулировал в контуре VD2 – L3 – M – L4 – VD2, верхняя обкладка конденсатора С2 заряжена положительно, а нижняя – отрицательно После отпирания тиристора VS1 напряжение на нём становится равным нулю, а напряжение на нагрузке – напряжению источника питания U1d. Вследствие этого ток iVD2 мгновенно прекращается, а ток iVS1 скачкообразно нарастает до величины Iм. Момент t1, когда iVS1= Iм совпадает с моментом t0.
Для конденсатора С2 (см. рис. 24) образуется разрядный контур: тиристор VS1 – дроссель L2 – диод VD1 – конденсатор С2 – тиристор VS1. Поскольку конденсатор С2 разряжается через дроссель разряд будет носить колебательный характер. Поэтому разрядный ток конденсатора С2, достигнув максимального значения в момент времени t2, спадет до нуля (момент времени t3). Полярность напряжения на конденсаторе к этому моменту времени изменяется на противоположную. Обратному разряду конденсатора С2 препятствует диод VD1 и то, что тиристоры VS2 закрыт. Поэтому в момент времени t3 протекание тока через конденсатор С2 прекратится.
В интервале времени t0 – t3 ток, протекающий через тиристор VS1, имеет две составляющие: ток ТЭД (Iм) и ток перезаряда конденсатора С2. Начиная с момента времени t3 через тиристор VS1 будет протекать только ток Iм.
Запереть тиристор VS1 можно только после того, как ток iVS1 станет равным нулю; для этой цели предусмотрен конденсатор С2. В момент времени t'3 отпирается вспомогательный тиристор VS2, который находится под прямым напряжением, и для конденсатора С2 образуется разрядный контур через тиристоры VS1 и VS2. Разрядный ток конденсатора направлен навстречу протекавшему через тиристор VS1 току iVS1. Так как контур не содержит индуктивности, разрядный ток практически мгновенно достигает величины Iм и ток iVS1 становится равным нулю (момент времени t4). Поэтому моменты t'3 и t4 на диаграмме совпадают.
Далее через тиристор VS2 и цепь нагрузки происходит перезаряд конденсатора С2 неизменным током, равным Iм, при потреблении энергии из сети и из конденсатора С1. Напряжение uC вновь изменяет знак и в момент времени t6 становится равным U1d. В интервале времени t4 – t5, пока uC <0, к тиристору VS1 приложено отрицательное напряжение обратной полярности, т.е. промежуток времени t5-t4 представляет собой время, предоставляемое схемой для выключения тиристора VS1. Ток через тиристор VS2 прекращается после перезаряда конденсатора С2 до напряжения сети, и он запирается, так как положительное напряжение на нем появляется лишь в момент времени t8. Время t'выкл, предоставляемое схемой для его выключения, определяется продолжительностью интервала t5-t4.
В интервале времени t0 – t6 протекал ток 1d и, следовательно, в нагрузку поступала энергия от источника питания и из конденсатора С1. После запирания тиристоров VS1 и VS2 нагрузка будет отключена от питающей. В момент времени t7 вновь производится отпирание тиристора VS1 и процессы в схеме повторяются. Поэтому интервал времени t0 – t7 является периодом регулирования Tр.
При первоначальном пуске отпирают вентиль VS2 для того, чтобы, зарядив конденсатор С2 от сети, подготовить преобразователь схему к работе. В дальнейшем процессы происходят так, как описано выше.
Выключение тягового двигателя производится путем прекращения отпирания главного тиристора, после чего и преобразователь можно отключить от источника без разрыва тока. На этом принципе осуществляется также быстродействующая защита преобразователей и тяговых двигателей.
Значительные скорости изменения тока в тиристорах приводят к тому, что схема в том виде, в каком она представлена на рис. 24, практически не может работать при высоких напряжениях и больших мощностях. В реальных установках для ограничения скорости изменения тока и напряжения на тиристорах последовательно с ними включают дроссели насыщения. В схеме рис. 25 предусмотрена также специальная цепочка, состоящая из последовательно соединенных диода VD3 и дросселя L8, способствующих улучшению условий работы тиристора VS1. Однако это способствует ускорению перезаряда конденсатора С2, из-за чего уменьшается схемное время выключения тиристора VS1.
Схема рис. 26 отличается от схемы рис. 24 тем, что в ней дроссель L2 включён в цепь тиристора VS1 и она схожа со схемой частотного регулятора (см. рис. 11). В интервале t0 – t3 процессы в их цепях совпадают. После момента времени t3 в цепи тиристора VS1 протекает ток Iм до момента времени t'3, когда отпирается тиристор VS2 и образуется контур VS2 – VS1 – L2 – C2 – VS2 разряда конденсатора. Ток в тиристоре VS1 к моменту времени t4 спадает до нуля, а тиристоре VS2 – нарастает до Iм. Если тиристор VS2 отпирать в момент времени t3, то в цепях схемы рис. 26 процессы протекают также, как и в цепях схемы рис. 11.
Для получения сколь угодно малого выходного напряжения без изменения частоты необходимо применять преобразователь, схема которого показана на рис. 27. Для этого в нем применён второй вспомогательный тиристор VS3, кроме того, включена еще одна индуктивность L5.
Перед пуском преобразователя до напряжения источника питания заряжается конденсатор С2, для чего отпирается тиристор VS2. Затем конденсатор С2 перезаряжается на обратную полярность путём отпирания тиристора VS3 и создания контура перезаряда C2 – L5 – VS3 – C2. Таким образом, перед отпиранием тиристора VS1 в момент времени t0 напряжение на коммутирующем конденсаторе отрицательно и он подготовлен к тому, чтобы в любой момент можно было начать запирание тиристора VS1.
После подачи в момент времени t0 отпирающего импульса на управляющий электрод тиристора VS1 (см. рис. 28) ток iVS1 начинает нарастать по линейному закону, так как напряжение источника питания U1d воспринимается только индуктивностью L2. Ток iVD2 соответственно уменьшается. В момент времени t1 ток iVS1 достигает величины Iм, а iVD2 становится равным нулю. Далее через дроссель L2, тиристора VS1, дроссель L3 и двигатель М будет протекать ток, равный Iм, до тех пор, пока не откроется тиристор VS2.
Отпирание тиристора VS2 в момент времени t3 вызывает разряд конденсатор С2 по цепи C2 – VS2 – VS1 – L1 – C2. Разрядный ток конденсатора направлен противоположно току iVS1. Поэтому после достижения разрядным током величины Iм (момент времени t4) ток в тиристоре уменьшается до нуля и к нему прикладывается напряжение обратной полярности конденсатора С2. Конденсатора С2 перезаряжается током двигателя. После того как в момент времени t6 напряжение uC достигнет величины U1d, протекание тока через него прекратится, а ток ТЭД будет замыкаться через обратный диод VD2. Перед повторным отпиранием тиристор VS1 необходимо вновь подготовить конденсатора С2, для чего в момент времени t'6 отпирают тиристор VS3 и после перезаряда в момент времени t"6 на нём устанавливается напряжение обратной полярности.
Таким образом, напряжение на конденсаторе С2, необходимое для запирания тиристор VS1, создается не после отпирания тиристора, а перед этим, вследствие чего запирание этого тиристора можно осуществить в любой желаемый момент, а, следовательно, возможно регулирование выходного напряжения до сколь угодно малых значений. Однако схема имеет ограничение по максимальному напряжению Uм, так как отпирать тиристор VS3 необходимо не раньше, чем тиристор VS2 восстановит управляемость, т.е. с задержкой на время, равное t'выкл (см. рис. 28). В результате доля интервала t6 – t7, когда uнагр=0, в периоде Тр увеличивается, а напряжение uм снижается.
Как видно из диаграмм рис. 28, нагрузка тиристора VS1 по току значительно меньше, чем во всех предыдущих схемах, так как через него не протекает ток перезаряда конденсатора С2 при подготовке её к запиранию тиристора. Зато тиристор VS2 должен быть рассчитан на двойное напряжение источника питания. В итоге количество тиристоров и этой схеме примерно в 2 раза больше, чем в рассмотренных ранее схемах широтно-импульсных преобразователей, и в 4 раза больше, чем в частотно-импульсном. Одновременно снижается надежность преобразователя вследствие сложности системы управления вентилями, особенно при многофазном преобразовании, которое принципиально возможно при использовании любой из рассмотренных схем.
Один из вариантов схемы преобразователя для режима рекуперативного торможения тягового двигателя показан на рис. 29.
Для рассмотрения процессов, происходящих в схеме, можно воспользоваться диаграммами мгновенных значений токов и напряжении, представленными на рис. 24 (не следует рассматривать лишь диаграмму i1d). Так как в схеме рис. 24 i1d=iVD2, то для тока i1d будет справедлива диаграмма iVD2. На схеме приняты те же обозначения, что и на диаграммах. Считаем ток в цепи тягового двигателя абсолютно сглаженным, а напряжение на выходе преобразователи неизменным, т.е. принимаем L1=∞ и C1=∞. Кроме того, не учитываем падение напряжения в полупроводниковых приборах в проводящем направлении, их токов в обратном направлении и потерь во всех элементах схемы.
Пусть в начальный момент времени напряжение на коммутирующем конденсаторе равнялось напряжению источника питания, тиристор VS1, был заперт и ток двигателя через разделительный диод VD2 поступал в конденсатор фильтра и источник питания. После отпирания в момент времени t0 тиристора VS1 ток в нём мгновенно нарастает до величины Iм, поэтому моменты t0 и t1 на диаграмме совпадают (см. рис. 24). Так же мгновенно прекращается ток iVD2, а напряжение на разделительном диоде VD2 становится равным –U1d. Для конденсатора С2 образуется разрядный контур С2 – VS1 – L2 – VD1 – C2. Поскольку разрядный контур состоит из дросселя L2 и конденсатора С2, разряд С2 носит характер незатухающих колебаний, т.е. разрядный ток, достигнув максимального значения, вновь снижается до нуля, а напряжение на конденсаторе, пройдя через нуль, становится отрицательным. После того как в момент времени t3 ток iVD1 спадет до нуля, перезаряд конденсатора С2 прекратится, а напряжение на нём достигнет величины uC = -U1d.
В интервале времени t3 – t'3 ток двигателя протекает в контуре M1 – L3 – VS1-L4 – M1. С отпиранием в момент времени тиристора VS2 к тиристору VS1 прикладывается отрицательное напряжение конденсатора С2, равное напряжению источника питания. Происходит мгновенный перевод тока Iм из цепи тиристора VS1 в цепь конденсатора С2 и тиристора VS2. Моменты t'3 и t4 также совпадают. Начинается перезаряд конденсатора С2 при неизменном токе Iм, поддерживаемым дросселем L2. Отрицательное напряжение uC, возрастая по линейному закону, становится равным нулю в момент времени t5. Затем на емкости Ск появляется положительное напряжение, которое достигает в момент времени t6 значения U1d. В интервале времени t4 – t5 тиристор VS1 находится под отрицательным напряжением, в течение которого он должен запереться. Этот интервал называют схемным временем tсх выключения тиристора VS1, предоставляемое тиристору для восстановления им своих запирающих свойств.
После того как в момент времени t6 напряжение на конденсаторе становится равным U1d, энергия из цепи двигателя направляется в контактную сеть: открывается диод VD2 и через него до момента времени t7 начинает протекать ток Iм. В момент времени t7 вновь отпирается тиристор VS1 и процессы в цепях преобразователя повторяются. Интервал времени t6 – t8, когда к тиристору VS2 прикладывается напряжение обратной полярности, называется схемным временем для тиристора VS2.
Для обеспечения работоспособности преобразователя необходим предварительный заряд коммутирующего конденсатора С2.
Отключение преобразователя от сети, на которую он работает, и прекращение торможения производятся без разрыва тока. Для этого необходимо приостановить подачу отпирающих импульсов на управляющий электрод главного тиристора.
 |
Общее построение многофазной схемы широтно-импульсного преобразователя напряжения для режима пуска такое же, как и при частотно-импульсном регулировании. Один из вариантов схемного решения цепей преобразователя с широтно-импульсным способом регулирования при работе на общую нагрузку приведён на рис. 30. Ключ в каждой фазе выполнен по схеме рис. 24; разделяющие вентили VD3 исключают влияние фаз друг на друга. Сдвиг между импульсами, подаваемыми на управляющие электроды тиристоров VS2 каждой фазы, должен быть таким же, как и для главных тиристоров VS1.
При регулировании выходного напряжения сдвиг между моментами отпирания основных и вспомогательных вентилей необходимо изменять одновременно во всех фазах.
При работе на индивидуальную нагрузку соединение двигателей между собой и диод VD3 в каждой из фаз отсутствуют.
Многофазные схемы широтно-импульсных преобразователей для рекуперативного или реостатного торможения выполняют так же, как и при частотно-импульсном управлении (см. рис. 31). Отличаются они только построением ключей. Вместе с тем, нельзя не отметить, что при многодвигательном приводе целесообразно применять многофазные схемы преобразователей с индивидуальной нагрузкой (тяговые двигатели не соединены между собой электрически).
При использовании на подвижном составе двух ТЭД появляется возможность применения общего узла емкостной коммутации, при котором удаётся исключить стадию подготовительного перезаряда коммутирующего конденсатора и использовать один конденсатор для запирания главных тиристоров двух фаз. Вариант схемного решения двухфазного широтно-импульсного преобразователя приведён на рис.32.
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=Тр/2. Таким образом, пульсация тока, потребляемого от источника питания, имеет двойную частоту по отношению к частоте тока, протекающего в фазах.
Обратите внимание на лекцию "7.1. Технологическая карта как основа организации производственного процесса".
Необходимо отметить, что работоспособность преобразователя зависит от величины тока нагрузки. При уменьшении его исходная кривая, построенная для максимального тока, изменяет наклон и отображается прямой 1. Дальнейшее уменьшение тока приводит к изменению наклона, который отображается кривыми 2 или 3, что недопустимо, так как коммутирующий конденсатор не успевает перезарядиться и его энергии становится недостаточно для запирания тиристоров, что ведёт к срыву преобразователя. Для предотвращения срыва необходимо использовать цепи ускоренного перезаряда. На рис. 33 приведён вариант схемного решения с цепями ускоренного перезаряда, а
также диаграммы мгновенных значений токов и напряжений. 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.
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.
Рассмотренная схема цепей двухфазного широтно-импульсного преобразователя предполагает подключение общей нагрузки. Однако наиболее привлекательно применять её при раздельном питании нагрузки, как это показано на рис. 34. В этом случае ток в каждой фазе преобразователя может протекать почти весь период регулирования.
Схема преобразователя может быть упрощена за счёт исключения из него цепей главных тиристоров фаз. При этом роль тиристора VS1 в первой фазе будут выполнять тиристоры VS3 и VS5, а роль тиристора VS2 второй фазы – тиристоры VS4 и VS6. Схема цепей такого преобразователя приведена на рис. 35.
Преобразователь с общим узлом емкостной коммутации применим также и в режиме рекуперативного торможения.
