Входные преобразователи ЭПС переменного тока

При питании ЭПС от однофазной сети переменного тока система преобразования электроэнергии в цепи асинхронных тяговых двигателей выполняется со звеном постоянного тока. В такой системе могут быть использованы входные преобразователи следующих типов (рис. 4.8);

тяговый трансформатор Т - неуправляемый выпрямитель В - фильтр Ф (рис. 4.8, а);

тяговый трансформатор Т - управляемый выпрямитель У В - фильтр Ф (рис. 4.8, б);

Рнс. 4.8. Схемы входных преобразователей для ЭПС переменного тока

Рнс. 4.9. Схемы выпрямительных устройств:

а - зонно-фазового регулирования (электровоз ВЛ80*-751); б -импульсный выпрямитель (фирма ARG); в • четырехкиадрантный преобразователь (ВВС); г импульсный выпрямитель (фирма Siemens)

тяговый трансформатор Т - четырехквадрантный преобразователь ПР -- фильтр Ф (рис. 4.8, в);

тяговый трансформатор Т - импульсный выпрямитель ИВ - сглаживающий реактор СР (рис. 4.8, г).

В общем случае к выходу однофазного выпрямителя может быть подключен трехфазный АНН, АИН с ШИМ или АИТ.

При первом рассмотрении может оказаться, что использование АИН с ШИМ позволяет применить простейший неуправляемый выпрямитель. Однако, поскольку перспективный ЭПС должен реализовывать режим рекуперативного торможения, выпрямитель должен быть управляемым (тиристорным). Поэтому АИН с ШИМ на ЭПС переменного тока не дает заметного преимущества в отношении упрощения выпрямителя.

На рис. 4.9 приведены возможные схемы выпрямительных устройств.

Все схемы выпрямления, кроме показанной на рис. 4.9, а, имеют повышенную сложность силовой цепи и цепей их управления, хотя позволяют получить повышенные энергетические показатели. Например, четырехквадрантиый преобразователь фирмы ВВС (см. параграф 4.3) имеет коэффициент мощности, близкий к единице.

Рассмотрим в качестве входного преобразователя однофазный управляемый выпрямитель с различными способами регулирования выходного напряжения.

Рнс. 4.10. Принципиальные схемы выпрямительных установок с зонно-фазовым регулированием напряжения:

а диодно-тнрксторная: б - тиристорная

В зависимости от назначения и режимов работы входного преобразователя управляемая выпрямительная установка может иметь различные конструкцию и систему управления.

Если на ЭПС не предусматривается рекуперативное торможение, для снижения массо-габаритных и стоимостных показателей можно применить диодно-тиристорную установку (рис. 4.10, а) с зонно-фазовым регулированием выходного напряжения. При наличии на ЭПС рекуперативного торможения возможно применение только полностью управляемой выпрямительной установки (все плечи моста смонтированы из тиристоров) с зонно-фазовым регулированием выходного напряжения (рис. 4.10, б).

Рассмотрим параметры и энергетические показатели диодно-тиристорной выпрямительной установки с зонно-фазовым регулированием выходного напряжения (см. рис. 4.10, а). Для анализа указанных показателей обычно полагают, что индуктивность L_d в цепи нагрузки бесконечно большая (L_d-+ оо), а активное и индуктивное сопротивления обмоток трансформатора малы (г_т -»-0, х_т 0).

Допустим, что вторичная обмотка трансформатора с общим напряжением U₂ имеет N зон (/-//1 на рис. 4.10) с напряжением в пределах каждой зоны U₂i, среднее значение выпрямленного напряжения холостого хода при угле регулирования в выпрямительном режиме а =- 0 и всех включенных мостах U_d0 = 2\^2 U_2tN/n,.

Максимальное значение обратного напряжения на полупроводниковых приборах одного плеча регулируемого моста

Коэффициент мощности выпрямительной установки К_м определяется произведением cos ф! и коэффициента искажения кривой формы тока v, т. е.

Км -cos (р, V. (4.12)

Для определения cos ф! и коэффициента искажения кривой формы тока разлагают кривую тока первичной обмотки трансформатора в ряд Фурье. Кривая тока первичной обмотки трансформатора представляет собой периодическую функцию с периодом Т - 2л и обладает симметрией III рода, т. е. i, (at) - - t, (<о1 -f я).

Коэффициенты ряда Фурье:

Это выражение позволяет рассчитать зависимость К_м \й~^) ^во

всем диапазоне регулирования выходного напряжения при любом числе зон.

Гармонические составляющие в кривой выпрямленного напряжения можно получить разложением ее в ряд Фурье. Кривая выпрямленного напряжения является периодической функцией с периодом я. Поэтому оиа содержит только четные гармоники:

Полученное уравнение позволяет рассчитать и построить зависимость О_іптеіХ/и_ііІи_{іа/и₎і₀). Число секций вторичной обмотки трансформатора следует определять путем технико-экономических сравнений нескольких вариантов. При этом необходимо учитывать общее число полупроводниковых приборов того или иного класса, а также технические данные сглаживающих устройств.

При расчете параметров выпрямительных установок надо помнить о неравномерности загрузки током диодов и тиристоров.

При использовании на ЭПС с рекуперативным торможением в качестве простейшего входного преобразователя полностью управляемой выпрямительной установки с естественной коммутацией и зонно-фазовым регулированием выходного напряжения (см. рис. 4.10, б) вторичную обмотку трансформатора с общим напряжением разделяют на три равные зоны с напряжением (/,_{.Основные расчетные соотношения остаются такими же, как и для диодно-тиристорного выпрямителя.

Рис. 4.11. Схема управляемой выпрямительной установки с дополнительными тиристорными плечами и зоиио-фазовым регулированием напряжения

Так, число последовательно соединенных тиристоров и число параллельных ветвей в плече определяют по уравнениям (4.10) и (4.11).

Если принять, что индуктивное сопротивление нагрузки достаточно велико, тиристоры - идеальные ключи, а мощность источника питания значительно больше мощности нагрузки, то выражения для определения коэффициентов сдвига, искажения и токов на т-й зоне регулирования можно записать в виде:

Прн переходе к относительным единицам напряжение холостого

2 УТ

хода на выходе выпрямительной установки и_ао-N--- І1_гі. Полученные выражения позволяют определить значения коэффициента мощности в зависимости от напряжения на выходе полностью управляемой выпрямительной установки с учетом числа зон регулирования.

Для повышения числа зон регулирования и снижения числа секций вторичной обмотки трансформатора зонно-фазовое регулирование может быть осуществлено с помощью дополнительных плеч в выпрямительной установке (рис. 4.11). Такая схема четырехзонного регулирования при наличии трех секций вторичной обмотки трансформатора применена на электровозе ВЛ80Р.

В первой зоне выпрямление и регулирование осуществляются с помощью плеч УБІ - У84, во второй - тех же плеч и плеч ^5, У56.

После завершения регулирования иа второй зоне осуществляется переход на плечи \Л$5 - В третьей зоне напряжение регулируют с помощью плеч УБЗ, У84, в четвертой - плеч УБ1, У52. Когда регулирование завершается, включенными в работу остаются только плечи УБ2, УБ7,