книги / Исследование выпрямительно-инверторных преобразователей на тиристорах для электровозов переменного тока с рекуперативным торможением
..pdfМИНИСТЕРСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР
В Н И И э м
ОТДЕЛЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И НОРМАЛИЗАЦИИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
МОСКОВСКОЕ ПРАВЛЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ТИРИСТОРАХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С РЕКУПЕРАТИВНЫМ ТОРМОЖЕНИЕМ
(Доклад на научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития производства
ивнедрения силовых полупроводниковых вентилей
ипреобразовательных устройств на их основе»)
МОСКВА -
В сентябре 1966 г . Министерство электротехнической промышленности, Отделение ВНМЭМ по научно-технической информации, стандартизации и нормализации в электротех нике совместно с Московским правлением НТО энергетичес кой промышленности проводит научно-техническую конферен
цию- "Состояние и перспективы развития производства и внедре ния силовых полупроводниковых вентилей и преобразователь ных устройств на их основе".
Настоящий доклад рассылается Отделением ВНМЭМ для ознакомления с материалами конференции.
Предложения и рекомендации по докладу просим на правлять в Оргкомитет конференции: Москва, Е-37, п/я 3016.
А. Копанев, А.Лозановский. Л.Скиба
Всесоюзный научно-исследова тельский и проектно-конструк торский институт электровозо
строения
УДК 621.314.632.4-5:621.314.572
:621.333.41
Воаыохность применения рекуперативного торножения подвижного состава является одним из важных преимуществ эдектрическо'й тяги. Электрическое торможение дает воз можность в сравнении с пневматическим увеличить среднюю скорость движения на спусках при одновременной иовниенин безопасности движения» обеспечить значительную экономию тормозных колодок и уменьшить износ бандажей электрово зов и вагонов. При рекуперативном торможении энергия, затрачиваемая на торможение, возвращается в сеть.
По результатам совместных разработок Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНСМДТ), Всесоюзного научно-исследовательско го и проектно-конструкторского института электровозострое ния (ВЭлЯИИ) и Новочеркасском электровозостроительного завода изготовлена опытная партия электровозов МбОр с игнитронными выпрямителями, оборудованных системой реку перативного торможения, Успешная эксплуатация их на Се веро-Кавказской ж.д. показала, что проблема рекуператив ного торможения на электровозах с игнитронными вшрямитедямн принципиально и практически решена [1-2] .
Промышленный выпуск и внедрение кремниевых управ ляемых вентилей (тиристоров) открывает большие возможности для рекуперативного торможения на электровозах переменно
го тока. Вопросы, связанные с прииенениеы тиристоров на электроподвижном составе переменного тока для рекупера тивного торможения , еще не исследованы и не освещены в литературе.
В докладе приводятся результаты экспериментальных исследований работы преобразователей на тиристорах, про водимых в ВЭлНИИ с участием Мордовского научно-исследо вательского электротехнического института (МНИЗИ) и ВНИИЖТ.
Работы проводились в два этапа:
исследование инверторного режима тиристорного пре образователя на физической модели силовой цепи электрово за ВЛбОр и исследование работы выпрямительно-инверторно го преобразователя мощностью 245 квт на тиристорах ВНДУ- -100-3, ВНДУ-150-4,5.
Задачей исследований было измерение коэффициента мощности; мощности, возвращаемой в сеть; коэф фициента пульсаций выпрямленного тока; сравнение пока зателей преобразователя на кремниевых управляемых венти лях с аналогичными показателями преобразователя на иг нитронах; определение минимальных углов запаса в схеме инвертора; определение внешних характеристик инвертора; исследование параллельной и последовательной работы ти ристоров; исследование схем управления и защиты; анализ существувдих систем авторегулирования инверторного ре жима, выбор системы авторегулирования.
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ИНВЕРТОРНОМ РЕНИМЕ НА МОДЕЛИ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕК
ТРОВОЗА ВЛбОр
Физическая модель силовой цепи электровоза ВЛбОр создана по разработанной в ВЭлНИИ методике моделирова ния [3J . В основу положено равенство масштабов потокосцеплевий, подобие основных кривых намагничивания и пе тель гистерезисного цикла в относительных единицах и ра венство постоянных времени электрических цепей.
При моделировании тягового двигателя обеспечивалось подобие характеристик холостого хода и нагрузочных, кривых затухания потока оригинала и модели. Масштабы мо-
4
делирования имели следующие значения: масштаб налряже- |
|
ПЬГ = — |
= 14,5 * |
£ Е нм |
|
масштаб тока |
|
масштаб потокосцепления
~1 S
При переходе в инверторный режим для обеспечения ус тойчивости в цепь тягового двигателя на электровозе
ВЛбОр включается |
стабилизирующее сопротивление |
||||
1 ^ ^ = |
|
0,52. ом. Стабилизирующее сопротивление моде |
|||
ли |
О |
определялось |
|
||
|
п с т ./» |
|
|
||
О |
|
= - |
8 1Ш -------- Р |
= 0,239 ом, |
|
пст.м |
rwK |
|
|||
' щ о |
- |
сопротивление |
катодной цепи оригинала; |
||
- |
масштаб сопротивлений; |
||||
|
|
||||
|
|
- |
сумма сопротивлений якоря тягового дви |
||
|
|
|
гателя, сглаживающего реактора и соеди |
||
|
|
|
нительных проводов в катодной цепи мо |
||
|
|
|
дели. |
|
Соблюдение условий моделирования [3] обеспечивает соответствие углов коммутации, коэффициентов мощности, одинаковый гармонический состав переменного и выпрямлен ного тока и идентичность внешних характеристик инверторов
модели и оригинала.
Индуктивности контактной сети не моделировались, что соответствовало нахождению электровоза вблизи тяго вой подстанции.
Принципиальная схема модели приведена на рис.1.
Приводом генератора I j служит двигатель Д2 типа ПН-28,5, якорь которого питается от генератора ГВ, а об мотка возбуждения от независимого источника.
Обмотки |
возбуждения генератора I j питаются от |
воз |
будителя на |
кремниевых управляемых вентилях по схеме |
|
двухполупериодного выпрямления с нулевой точкой. |
Возбу- |
5
Тр - |
Рис Л . Принципиальная схема модели |
|
силовой трансформатор; ВИ - кремниевые управляемые вентили инвертора (типа ВКУ-20); |
||
Гг - |
модель тягового двигателя НБ-412; СР - модель индивидуального сглаживащего реакто |
|
р а; |
Rem - стабилизирующее сопротивление; БВ - быстродействующий |
автомат (для защиты |
электрооборудования при опрокидывании инвертора); ДТ-1, ДТ-2 - |
индуктивные делители тока; |
|
|
БА - блок автоматики |
|
дитель подключен на секции силового трансформатора моде ли. Тяговый или рекуперативный режим на модели задается при помощи контакторов КП1-КП4.
Модель оборудована системой автоматического регули рования угла зажигания инвертора на постоянство угла за паса вентилей. Автоматическое регулирование инверторного режима электровоза с постоянным углом запаса обеспечивает меньшую пульсацию тока якоря и высокие экономические по казатели, позволяет использовать рекуперативное торможе ние в широком диапазоне скоростей, допустимых на укло нах.
Основой для создания системы автоматического регули рования угла зажигания инвертора модели послужила разра ботанная совместно ВЭлНИИ и ВНИИ2Т система АРТБ-бЗ для электровоза ВЛбОр.
Система АРТБ-63 обеспечивает регулирование угла за жигания вентилей инвертора на постоянство угла запаса в соответствии с условием
|
J $ ~ !Г+ 5 ; |
$* cotut» |
||
где |
- |
угол |
зажигания |
вентилей инвертора; |
V* |
- |
угол |
коммутации; |
|
§ |
- |
угол |
запаса. |
|
При создании модели потребовалось решить вопросы обеспечения параллельной работы тиристоров ВКУ-20. Для одновременного переключения кремниевых управляемых вен тилей применено возбуждение каждой входной цепи от изо лированной вторичной обмотки выходного импульсного трансформатора системы авторегулирования. Равномерное распределение токов по параллельным ветвям тиристоров обеспечивается при помощи индуктивных делителей тока ДТ1 и ДТ2. При заданном сечении и материале магнитопровода число витков половины обмотки делителя определялось по формуле [V] .
Во избежание перенапряжений, связанных о выключением вентилей, последовательно соединенные тиристоры шунтиру ются R -С цепочками (R = 90 ом, С=2 мкф). Деление пос тоянного напряжения между последовательно соединенными вентилями осуществляется при помощи активных сопротивле
ний 2000 |
ом. Параметры балансирующих цепочек определены |
опытным путем. |
|
2* |
7 |
Сравнение характеристик оригинала и модели. На рис.2 приведены расчетные внешние характеристики инвертора электровоза ВЛбОр при угле запаса 30 эх.град, (инвертор на игнитронах) и угле запаса 10 эл.град. (инвертор на ти ристорах) для 25 позиций группового переключателя электро
воза* За базисное напряжение принято нонянальное напряжение двигателя НБ-41211 (1450 в ) .
Рис.2 . Внешние характеристики инвертора и зависимость
Ег’ ЯЬ)
Внешние характеристики инвертора рассчитывались но
формуле |
Г5,б| |
: |
2 |
г |
Ud s Ц |
ъ |
+Д^ *$Кэ<рК/71р1~я » |
||
где |
$ - |
угол запаса |
(10, 30 эл .гр ад .); |
|
|
\)д - |
выпрямленное напряжение холостого хода; |
|
у- индуктивное сопротивление трансформатора (ом);
Rm x |
активное |
сопротивление обмоток трансформатора, |
' |
приведенное ко вторичной стороне; |
|
I JL - |
ток якоря |
(а); |
*Л £ КЭфкоэффициенты, взятые по [б] ;
Д UcL“ падение напряжения в вентиле.
Экспериментальные данные, полученные на модели для 0=10 и 30 эл.град.,нанесены точками. Совпадение внешних характеристик модели с расчетными для оригинала являет ся удовлетворительным
По внешним характеристикам найдена зависимость э .д .с .
генератора |
r ^ ( l ^ ) |
|
(см. рис.2). |
|
|
|||||
где |
|
Е р = |
UdL + R*c(il S i+ Л U |
, + |
Д U a , |
|
||||
|
|
активное |
сопротивление |
катодной цепи; |
||||||
д |
U jf& Ua- |
падения |
напряжения |
соответственно |
на |
|||||
|
|
|
сглаживающих реакторах и дополнительных |
|||||||
|
|
|
полюсах тяговых двигателей, обусловленные |
|||||||
|
|
|
потерями |
в |
стали. |
|
|
|
||
Характеристики |
Цс |
я }> |
Е Г |
О^Я ) |
ПР“ |
|||||
работе |
инвертора |
с |
углом |
запаса 5 = 10 |
эл.град. лежат |
|||||
выше характеристик, |
соответствующих |
$ |
= 30 эл.град. На |
|||||||
25 позиции группового переключателя электровоза и токе |
||||||||||
якоря |
1я= 1,0 |
э .д .с . |
генератора при £ = 1 0 эл.град |
|||||||
составляет 1,15, что соответствует номинальному напря |
||||||||||
жению двигателя |
НБ-412К |
(1600 в ). |
|
|
|
На рис.З показана зависимость полезной мощности, возвращаемой моделью в сеть при работе инвертора с пос тоянным углом запаса 30-32 эл .гр ад ., от тока якоря
На этом же рисунке для сравнения приведены следую щие расчетные кривые:
P lO аi f f J -нолезной мощности отдаваемой электровозом ВЛбОр в сеть при работе инвертора с углом запаса 30 эл.град;
тормозной мощности на ободе колес электро воза в функции тока якоря;
Pcm o - У(Гц)- мощности, теряемой в стабилизирующих сопро тивлениях;
мощности, теряемой в активных сопротивле ниях катодной цепи оригинала.и модели.
mit-s |
9 |
Эа базисное значение мощности принята электромагнит ная мощность электровоза при работе инвертора с углом за паса Ю эл.град:
Р<5“г £ г ' 1 ЯЯ/ = 5100 КВТ.
Кривая активной мощности, отдаваемой моделью в сеть, лежит ниже кривой | ^ о гУ ( 1 я ) м я оригинала вследствие больших активных потерь в электрооборудовании модели (см .рис.3 ) . Поэтому при переходе к оригиналу доля избыточ-
Р
Рис.З. Сравнение кривых мощностей для |
||
модели и |
оригинала: |
|
Pro - тормозная мощность на ободе ко |
||
лес электровоза |
ВЛ60Р; Ртп -полезная |
|
мощность, отдаваемая электровозом |
в |
|
сеть; Р ст.о - мощность, теряепая |
в |
стабилизирующих сопротивлениях; Р к .ц .о ,
Ркц-м |
|
- мощность, теряемая |
в ак |
||
тивных |
сопротивлениях катодной |
цепи |
|||
оригинала |
и модели; |
Р1М - |
мощность |
||
полезная, |
отдаваемая моделью |
в |
сеть; |
||
Р'хм |
- приведенная |
к оригиналу |
по |
||
лезная |
мощность, отдаваемая моделью в |
||||
|
|
сеть |
|
|
|
10