книги из ГПНТБ / Пушкарев, И. Ф. Бесконтактные электрические аппараты тепловозов

Мостовые выпрямительные схемы однофазного тока могут быть и несимметричными. В таких схемах в два плеча включаются уп­ равляемые вентили, а в два других — обычные неуправляемые вентили. Несимметричный управляемый выпрямитель применен в качестве усилителя УВВ (рис. 8) в системе регулирования возбуж­ дения синхронного генератора тепловоза ТЭ109.

Рис. 8. Схема управляемого выпрямителя возбуждения генератора тепловоза ТЭ109

На вход выпрямителя подается переменное напряжение U . от возбудителя СВ, в качестве которого применен однофазный син­ хронный генератор. С выхода выпрямительного моста на обмотку генератора СГ подается пульсирующее напряжение UB . Среднее его значение, а значит, и величина тока обмотки возбуждения за­ висит от момента подачи управляющих инпульсов, т. е. от угла отпирания а тиристоров Т1 и Т2. Изменением этого угла при помо­ щи блока управления выпрямителем БУВ от 0 до 180° достигается регулирование тока возбуждения генератора от максимального зна­ чения 190 а до нуля.

Индуктивность обмотки возбуждения генератора обусловливает сглаживание тока в ней, происходящее в определенных интерва­ лах — углах коммутации у тиристоров. В промежутках, когда ти­ ристоры закрыты, ток замыкается через диоды моста ДЗ и Д4.

20

Для обеспечения возбуждения генератора в случае, если по ка­ кой-либо причине тиристоры или схема управления ими выйдут из-- строя, последовательно с тиристорами включены вентили Д1 и Д2. В аварийный режим возбуждения выпрямитель переводится при помощи переключателя АП. Параллельное соединение диодов ДЗ' и ДЗ , Д4 и Д4’ принято из-за больших всплесков токов в обмотке возбуждения генератора при внезапном коротком замыкании в цепи его статора.

В управляемом выпрямителе применены тиристоры типа ВКДУ- 150-6 и кремниевые диоды ВК2-200-6. Защита вентилей от перена­ пряжений обеспечивается шунтирующими R—С-цепочками (С = = 1 мкф\ R —20 ом). Защита от токов короткого замыкания в цеп»

каналов управления, соответствующих числу фаз выпрямления, » содержит следующие узлы (рис. 9):

1)входное синхронизирующее устройство ВСУ, связывающее каналы управления с питающей сетью переменного тока;

2)фазосдвигающее устройство ФУ, обеспечивающее сдвиг уп­ равляющих импульсов в требуемом диапазоне при подаче сигнала управления;

3)генератор импульсов ГИ;

4)выходное устройство ВУ для усиления импульсов управление до необходимой величины и обеспечения их требуемого количества^

5)блок питания системы БП-,

6 ) статический преобразователь на тиристорах, выполняю­ щий преобразование одного рода тока в другой.

Схемы управления тиристорными преобразователями очень мно­ гообразны. Для формирования и фазового сдвига импульсов управ­ ления наиболее пригодны полупроводниковые и электромагнитные системы.

Полупроводниковые системы управления дают возможность,

21

ство различных схем полупроводниковых систем управления тири­ сторными преобразователями. Принцип действия полупроводнико­ вой системы управления можно представить на примере одного канала управления с использованием транзистора на выходе (рис. 10,а). Ячейка управления включает три узла: генератор пи­

Рис. 10. Принципиальная схема полупроводниковой системы управления тири­ сторным преобразователем (а) и графики изменения напряжения на ее элементах (б)

ных импульсов — из транзистора Т2 с резистором R6, включенным в коллекторную цепь для ограничения тока. Выходное устройство включает импульсный насыщающийся трансформатор ИТ, первич­ ная обмотка которого включена в цепь коллектора транзистора Т2. Канал управления работает следующим образом (рис. 10,6). На вход транзистора Т1 через ограничивающее сопротивление рези­ стора R 1 подается синусоидальное напряжение ~ £/вх, синхронизи­ рованное с напряжением, приложенным к тиристорам, получающим управляющие импульсы от данного канала системы управления. За время подачи положительной полуволны напряжения Uі_2 транзистор Т1 закрыт и конденсатор С заряжается от источника пи­ тания t/пит через резисторы R4 и R5. При Un =50 в и постоянной времени конденсаторов Г= 0,01 сек наибольшее напряжение пило­ образного напряжения Uc =5 в. Различие амплитуд пилообраз­ ного напряжения Ui- зв разных каналах управления компенсиру­ ется регулируемым сопротивлением резистора R4. На резистор

22

R7 подается напряжение управления Uy , которое сравнивается с напряжением на конденсаторе Uc .

В момент, когда величина напряжения на конденсаторе Uc превысит величину управляющего напряжения Uy , транзистор 72 откроется н потенциал его коллектора изменяется скачком от приложенного отрицательного напряжения до нуля (іц-і). Закры­ тие транзистора 72 происходит при отпирании транзистора 71.

Таким образом, на первичной обмотке трансформатора И7 и- резистора R6 формируется прямоугольный импульс, передний фронт которого можно практически перемещать в диапазоне О—170°, изменяя величину напряжения управления Uy . Передний, фронт прямоугольного импульса дифференцируется трансформато­ ром И7. Количество вторичных обмоток И7, обеспечивающих по­

Электромагнитные схемы управления тиристорными выпрями­ телями относительно просты и обладают достаточным быстродей­ ствием. Однако они включают нестандартные элементы (пик-транс­ форматоры, быстродействующие магнитные усилители и т. п.), чтоусложняет и удорожает их разработку и серийный выпуск. Приме­ нение электромагнитной системы для управления выпрямителем возбуждения БУВ на тепловозе ТЭ109 объясняется необходимостью формирования сложного закона регулирования напряжения возбуж­ дения синхронного генератора по нескольким управляющим сигна­ лам. По своей структуре блок управления выпрямителем БУВ относится к магнитно-полупроводниковым аппаратам и рассмат­ ривается в гл. III.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 11,а) включает две группы вентилей: анодную В1, ВЗ и В5 и катодную В2, В4 и В6, имеющие соответственно общий анодный вывод А и общий ка­ тодный вывод К.

В схеме в любой момент времени работают два вентиля: одині из катодной группы, имеющий наибольший отрицательный потен­ циал, и один с наибольшим положительным потенциалом из анод­ ной группы. Чередование работы отдельных вентилей схемы иллю­ стрируют графики напряжений и токов (рис. 11,6—г). Из графи­ ков видно, что каждый из вентилей образует в течение периода вы­ прямленный ток ів . Кривая выпрямленного напряжения UHср. характеризуется тем, что частота ее пульсации в шесть раз больше частоты питающего напряжения.

Трехфазная мостовая схема выпрямления может быть выпол­ нена на управляемых вентилях в симметричном или несимметрич­ ном исполнении. Режимы работы управляемых вентилей определя­ ются формой управляющих воздействии со стороны системы уп­ равления.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока выпрямитель может быть выполнен по шестифазнон системе, кото­ рая может быть получена при помощи преобразующего транс-

25

«форматора или соединения обмотки статора генератора в две трех­ фазные звезды, сдвинутые на 30 эл.град (электрический градус— промежуток времени, соответствующий Ѵзбо периода переменного

тока).

Последний вариант шестифазной системы генератора выполнен зіа тепловозе ТЭІ09 (рис. 12), на котором выпрямительная установ­ ка ВУ представляет собой два трехфазных моста, соединенных лараллельно со стороны выпрямленного напряжения.

Рис. 11. Трехфазная мостовая схема неуправляемого выпрямления (а) и графики изменения напряжения питания (б), выпрямленного напряжения и тока на нагрузке (в) и тока в вентилях (г)

Выпрямительная установка ВУ типа УВКТ-5 рассчитана на вы­ прямленное напряжение до 750 в и выпрямленный ток до 5700 а. В мостах применения лавинные вентили типа ВЛ-200-8, т. е. вентиль кремниевый лавинный на ток 200 а и обратное напряжение 800 в при принудительном воздушном охлаждении. Каждое плечо моста состоит из 20 вентилей, собранных в 10 параллельных цепей по два последовательно соединенных вентиля в каждой.

Последовательное включение лавинных вентилей обеспечивает надежную работу выпрямителя при высоких значениях обратного напряжения. В схеме ВУ тепловоза ТЭ109 выбраны лавинные веп- ■тили с обратным напряжением 800 в, превышающим выпрямлен­ ное напряжение 750 е; их последовательное включение по два в каждой цепочке практически исключает вероятность пробоя при

.возникновении перенапряжений.

24

Параллельное соединение вентилей применяют для получения выпрямленного тока большой величины. Их число выбирают так, чтобы проходящий прямой ток вентиля не превышал номинального* значения. При таком соединении возникает неравномерное рас­ пределение тока между вентилями вследствие различия их вольтамперных характеристик. Неравномерность распределения тока по отдельным параллельным ветвям снижается подбором вентилей одной группы с примерно одинаковыми прямыми вольт-амперными характеристиками.

+

Рис. 12. Схема силовой выпрямительной установки тепловоза ТЭ109 и одного из ее плеч

Выпрямительная установка тепловоза ТЭ109 защищена ог аварийных режимов. При перегрузке током или коротком замыка­ нии за выпрямителем срабатывает реле максимального тока РМ1Г подключенное к трансформаторам тока ТПТ1 и ТПТ2. От внутрен­ них коротких замыканий ВУ защищает второе токовое реле РМ2, подключенное к нулевым точкам обмоток статора синхронного ге­ нератора. Размыкающие контакты РМ1 и РМ2 отключают контак­ тор КВ возбуждения генератора (на схеме не показан).

Область применения полупроводниковых вентилей не ограни­ чивается только выпрямлением переменного тока. Вентильные свой­ ства диодов дают возможность использовать их в тепловозных бес­ контактных аппаратах и узлах электрической схемы в качестве разделительных диодов, запорных вентилей, а также нелинейных разрядных сопротивлений, встречно шунтирующих цепи с индук-

25

тивностыо (обмотки возбуждения). В последнем случае накоплен­ ная индуктивностью э.д.с. самоиндукции разряжается при размы­ кании такой цепи через шунтирующий диод, при этом значительно снижаются возникающие коммутационные перенапряжения.

Инверторы

Управляемые кремниевые вентили дают возможность не только регулировать напряжение статического преобразователя (выпря­ мителя) , но и запереть его или превратить в инвертор. Инвертором называется статическое устройство, обеспечивающее преобразова­ ние постоянного тока в переменный с заданным числом фаз. Вели­ чина и частота инвертированного напряжения в общем случае мо­ гут регулироваться по любому закону.

Применяемые в технике инверторы подразделяются на два типа: инверторы, ведомые сетью (зависимые), и автономные ин­ верторы (независимые). В зависимых инверторах режим работы по частоте и напряжению полностью зависит от источника тока. Автономные инверторы сами задают напряжение и частоту в вы­ ходной сети переменного тока.

На тепловозах и дизель-поездах сейчас находят ограниченное применение автономные инверторы для питания переменным током таких потребителей, как магнитные усилители в аппаратах управ­ ления и регулирования, электропневматические тормоза, контроль­ но-измерительные приборы, люминесцентное освещение и т. д.

В связи с бурным развитием полупроводниковой техники, в частности с успехами в создании мощных тиристоров и симисторов, на транспорте вновь встала в число первоочередных проблема соз­ дания тягового асинхронного частотнорегулируемого привода. За рубежом разработаны и изготовлены первые образцы опытных теп­ ловозов с передачей переменного тока [5]. В нашей стране разра­ боткой передачи переменного тока занимается ряд организаций. В ЛИИЖТе испытана передача переменного тока маневрового тепловоза. Ведутся работы ЛИИЖТа и НИИТЭМа по созданию передачи переменного тока для тепловоза мощностью 4000 л.с.

Основное звено в частотнорегулируемой передаче переменного тока — статический преобразователь. В качестве двигателя пере­ менного тока можно применить асинхронные короткозамкнутые двигатели или синхронные машины (так называемые вентильные двигатели). По простоте конструкции и надежности асинхронный электродвигатель наиболее приемлем для подвижного состава.

Разработано много статических преобразователей (СП), от­ личающихся как по схемному решению силовой цепи (число плеч СП и фаз инвертированного тока), так и по используемому прин­ ципу коммутации вентилей (схемному решению коммутирующих цепей) [6]. Независимо от такого разделения СП в их развитии можно выделить три основных направления.

1. Статический преобразователь частоты (СПЧ) без явно вы женного звена постоянного тока (называемый также СПЧ с не-

26

связью для тепловозов разрабатывается электротяговой лабора­ торией ЛИИЖТа под руководством члена-корреспондента АН

СССР проф. А. Е. Алексеева.

2. Статический преобразователь с явно выраженным звеномпостоянного тока п коммутирующими конденсаторами, не отделен­ ными от цепи нагрузки (рис. 13,6). Преобразователи этого типа отличаются тем, что коммутирующие конденсаторы выполняют в них следующие функции: обеспечивают запирание тиристоров, компенсируют индуктивный намагничивающий ток питаемых СП асинхронных двигателей и создают необходимый для восстановле­ ния управляемости тиристоров угол запаздывания выходного на­ пряжения инвертора по отношению к току. Вследствие этого вели­ чина установленной мощности конденсаторов, особенно в случае необходимости работы на пусковых частотах (1—2,5 гц и более), может во много раз превышать номинальную мощность питаемогодвигателя. Кроме того, статический преобразователь требует ком­ пенсирующего устройства (для поглощения избытка емкостной ре­ активной мощности при высоких частотах), создает опасность воз­ никновения автоколебаний в цепи конденсаторы — асинхронный' двигатель вследствие самовозбуждения последнего и обеспечивает низкий диапазон (2—3) изменения выходной частоты. Из-за этих недостатков СП такого типа в тяговом частотнорегулируемом при­ воде не применяются.

3. Статический преобразователь с явно выраженным звеном по­ стоянного тока, коммутирующими конденсаторами, отделенными от

27-

цепи нагрузки, и специальными вентильными схемами, предназна­ ченными для обмена реактивным током между фазами и источни­ ком питания (рис. 13,е). Кривая выходного тока такого преобразо­ вателя имеет, как правило, ступенчатую или прямоугольную фор­ му. Большая часть схем автономных инверторов, относящихся к лреобразователям этого типа, имеет для групповой или индивиду­ альной искусственной принудительной коммутации вентилей специ­ альные устройства, включающие коммутирующие конденсаторы, дроссели, вспомогательные вентили и в ряде случаев дополнитель­ ные источники питания для заряда коммутирующих конденсаторов.

Несмотря на относительную сложность силовой схемы и систе­ мы управления, значительное содержание высших гармонических (нечетного порядка) в кривой выходного напряжения, преобразо­ ватели этого типа получили применение в электроприводе пере­ менного тока с глубоким регулированием частоты (скорости), и в ■особенности в тяговом приводе [5, 7]. Несколько схем автономного инвертора этого типа, разработанных электротяговой лабораторией ЛИИЖТа, прошли лабораторные и эксплуатационные испытания на тепловозе и электроподвижном составе. За рубежом разрабо­ таны инверторы, также относящиеся к этому типу.

Подробное освещение всех разработанных и осуществленных технических решений статического преобразователя и системы его управления невозможно выполнить в объеме данной книги, поэтому ограничимся пояснением принципа работы автономного инвертора на одном из возможных схемных решений тепловозной частотноре­

крытии тиристора В1 ток і\ от генератора постоянного тока Г, имею­ щего э. д.д с. Е, начинает проходить через этот вентиль и связанную с ним фазу А —О входной обмотки трансформатора Тр. Одновре­ менно появляется ток і н в выходной обмотке трансформатора и в нагрузке Ru . Через определенное время, допустим Т/2 ( рис. 14,6), открывается второй тиристор В2 и ток і2 начинает проходить по нему и фазе В—О в направлении, противоположном тому, ко­ торое он имел в фазе А—О. Поэтому ток і н в выходной обмотке и в нагрузке меняет свое направление. Таким образом обеспечивает­ ся питание нагрузки переменным током с частотой, равной часто­ те открывания тиристоров В1 и В2.

Ток в тиристорах коммутируется при помощи конденсатора С. При прохождении тока через тиристор В1 между точками А и В входной обмотки трансформатора действует двойное фазовое на­ пряжение и конденсатор С заряжается, приобретая полярность, которая показана на схеме. В момент открытия тиристора В2 кон­ денсатор разряжается, при этом разрядный ток іс проходит через оба вентиля (пунктирные стрелки). При разряде конденсатора на катод тиристора В1 подается положительное напряжение, большее, чем напряжение на его аноде, в результате чего этот тиристор за-

28

крывэется. Ток разряда іс , действуя на тиристор ВІ в непроводя­ щем направлении, приводит к резкому спаду результирующего тока до нуля (угол коммутации у, при котором ток проходит через оба тиристора, будет небольшим). В тиристорах В2 ток разряда іс проходит в проводящем направлении, ускоряя достижение устано­ вившегося значения тока в нем. После закрытия тиристора конден-

Рис. 14. Схема автономного инвертора (а) и графики изменения тока и напряжения (б—д)

сатор С перезаряжается, приобретая обратную полярность, пока­

верторе несинусоидальные (рис. 14,г и (3). Специальными мерами

схемным решением устройств искусственной коммутации, представ­ ляющих разнообразное сочетание конденсаторов, дросселей и вен­ тилей.

Основная функциональная структура частотнорегулируемой пе­ редачи переменного тока тепловозов представлена на рис. 15. Для равномерного распределения тягового усилия между всеми осемо­ торными блоками при существующих допусках на параметры тяго­ вых двигателей и диаметры движущих колес предусматривается ин­ дивидуальное питание асинхронных тяговых двигателей АТД от отдельных автономных инверторов АИ. В связи с этим представля­ ется рациональная перспектива применения мономоторного приво­

29