Электроподвижной состав железных дорог имеет только многодвигательный тяговый привод и, следовательно, может иметь несколько параллельных цепей нагрузки, подключенных к источнику питания (контактной сети).
Существует большое многообразие схем включения как входных и выходных преобразователей, так и тяговых двигателей. Схема включения входных и выходных преобразователей оказывает существенное влияние на параметры промежуточных звеньев (особенно фильтров), что отражается на энергетических показателях ЭПС и мешающем влиянии на смежные устройства СЦБ и связи.
Как отмечалось в параграфе 4.1, на ЭПС постоянного тока в качестве входного преобразователя может быть применен тиристорный прерыватель ТП или автономный инвертор с ШИМ.
Схемы включения тиристорных прерывателей представлены на рис. 4.12. Если рассматривать электропривод состоящим из па параллельно включенных ТП с индивидуальными системами регулирования, то тяговый привод будет представлять собой многодвигательную систему с числом параллельных цепей нагрузки па. В этом случае работа системы преобразователей может быть синхронизирована так, чтобы пульсации тока в контактной сети КС снижались.
Рис. 4.12. Структурные схемы включения тиристорных прерывателей:
КС — контактная сеть; ф — фильтр; ТП — тиристорный прерыватель
Синхронизация работы обеспечивается тем, что моменты включения и выключения параллельно работающих ТП сдвинуты относительно друг друга на время Tin д, где Т — период импульсного цикла.
В случае применения структурных схем, показанных на рис. 4.13, б, в, н синхронизации работы двух прерывателей частота пульсаций тока в контактной сети составит 2f, где f — частота работы одного ТП. При синхронизации всех параллельно работающих ТП частота пульсаций тока в контактной сети составит 2fn/д.
На ЭПС переменного тока также применяется параллельное включение входных и выходных преобразователей (см. с. 283). Но определяющим фактором для повышения энергетических показателей является тип входного преобразователя.
Выше было отмечено, что для повышения коэффициента мощности ЭПС, где используют управляемые или диодно-тиристорные выпрямительные установки с естественной коммутацией тиристоров, применяют многозонное регулирование. Это вызывает необходимость увеличения числа выводов трансформатора.
Для повышения энергетических показателей при сокращенном числе зон применяют выпрямительные установки с искусственной коммутацией. Существует многообразие схемных решений таких установок.
Рассмотрим возможные перспективные варианты схем однофазных выпрямителей с искусственной коммутацией, позволяющие получить высокие энергетические показатели. Наиболее простой является схема с одним контуром принудительной коммутации (рис.4.13, а), имеющая дополнительно к главным цепям один конденсатор Ск и два коммутирующих тиристора KS3, VS4. Допустим, что в один из полу- периодов напряжения контактной сети работали диод VD1 и тиристор S2, а положительный потенциал был на той обкладке конденсатора Ск, которая присоединена к средней точке тиристоров VS1, VS2. Если в какой-нибудь момент времени необходимо выключить тиристор KS2, то управляющий импульс подается на коммутирующий тиристор VS4.
Рис. 4.13. Схемы однофазных управляемых выпрямительных установок с искусственной коммутацией
Коммутирующий конденсатор оказывается присоединенным накоротко своими обкладками к тиристору VS2 и почти мгновенно выключает его, а перезаряд конденсатора Ск осуществляется по контуру: источник питания — VD1 — нагрузка — VS4.
Недостаток данной схемы заключается в несколько ограниченном диапазоне регулирования времени выключения коммутирующего тиристора, так как напряжение на конденсаторе Ск, а следовательно, и время выключения тиристора VS2 зависят не только от момента подачи управляющего импульса на коммутирующий тиристор, а также от параметров цепи нагрузки. При этом в режимах, близких к холостому ходу, возникают трудности при перезарядке конденсатора Ск.
В однофазном выпрямителе с двумя коммутирующими конденсаторами СК1 и Ск2 (рис. 4.13, б) в начале полупериода при положительной полуволне напряжения источника питания через зарядный диод VD3 заряжается коммутирующий конденсатор Ск1. После подачи управляющего импульса на тиристор VS2 напряжение прикладывается к нагрузке. В момент ωt= π — а подается импульс на коммутирующий тиристор VS4 и конденсатор Ск2 оказывается включенным параллельно тиристору VS2. Напряжение на конденсаторе Ск2 имеет полярность, противоположную направлению проводимости тиристора VS2. Поэтому тиристор VS2 выключается, а конденсатор Ск2 перезаряжается по контуру: источник питания — VD1 — нагрузка — VS4.
В интервале принудительной коммутации к нагрузке и полупроводниковым элементам прикладывается напряжение, равное сумме мгновенных значений ЭДС источника питания и напряжения на обкладках коммутирующего конденсатора, что необходимо учитывать при выборе класса силовых полупроводниковых приборов.
На рис. 4.13, в дана схема однофазной выпрямительной установки с одним коммутирующим конденсатором С„ и двумя парами силовых диодов VD1, VD2, VD3, VD4. Работает установка аналогично предыдущей, но здесь коммутирующий конденсатор перезаряжается током нагрузки.
На рис. 4.13, г приведена схема, в которой предусмотрена возможность реализации искусственной коммутации силовых тиристоров несколько раз за один полупериод приложенного напряжения.
Рассмотрим возможности регулирования выпрямленного напряжения, а также определим наиболее целесообразный способ подачи включающих и выключающих импульсов системы управления на тиристоры однозонного выпрямителя (рис. 4.14, а).
В первом способе регулирования (рис. 4.14, б) управляющие импульсы на очередную пару тиристоров (плечи 1 — 4) подают в момент появления на их анодах положительных потенциалов, а снятие напряжения с нагрузки осуществляется с некоторой задержкой в момент времени а. Данный способ регулирования напряжения целесообразно оценить по емкостному эффекту в питающей сети, когда основная гармоника тока опережает по фазе напряжение сети. Такой способ регулирования может осуществляться с целью повышения коэффициента мощности на входе параллельно работающих обычных диодно-тиристорных выпрямительных установок. Определенный интерес представляет второй способ регулирования, при котором напряжение регулируют с начале и конце одного из полуперbодов работы выпрямительной установки (рис. 4.14, в).
В третьем случае широтно-импульсное регулирование напряжения осуществляется симметрично в обе стороны от максимума с общей длительностью импульса π — 2α (рис. 4.14, г). Параметры элементов силовой цепи выпрямителей с искусственной коммутацией будут зависеть от конфигурации силовых цепей.
Рис. 4.14. Схема регулирования напряжения (а) и возможные варианты подачи включающих и выключающих импульсов на диоды и тиристоры однозонного выпрямителя (б—г)
Рис. 4.15. Схема однозонной управляемой выпрямительной установки (а) и диаграммы напряжения и токов на ее элементах (б)
Наиболее совершенными являются выпрямители с двумя независимыми коммутирующими контурами (см. рис. 4.13, б), в которых перезаряд коммутирующих конденсаторов осуществляется через ограничительный дроссель Lκ и практически не зависит от нагрузки. Однако, как будет показано, симметричное регулирование выпрямленного напряжения от максимума кривой приложенного напряжения контактной сети (см. рис. 4.14, г) является наиболее целесообразным, так как получаем повышенные значения энергетических показателей.
Поэтому в схеме рис. 4.13, 6 принят указанный способ регулирования; на рис. 4.15, б приведены диаграммы токов и напряжений на элементах схемы.
Определение числа последовательно соединенных полупроводниковых приборов в плече моста осуществляется по уравнению (4.10) при условии, что в интервале принудительной коммутации к нагрузке и полупроводниковым элементам прикладывается напряжение, равное сумме мгновенных значений ЭДС источника питания и напряжения на обкладках коммутирующих конденсаторов.