Системы управления ЭПС - Амплитудное регулирование со стороны низшего напряжения трансформатора

Амплитудное регулирование со стороны низшего напряжения трансформатора

Требования к системам амплитудного регулирования.

Амплитудное регулирование вторичного напряжения трансформатора осуществляется за счет изменения его коэффициента трансформации. Регулирование со стороны низшего напряжения производится изменением числа витков его вторичной обмотки. Для этого вторичная обмотка имеет ответвления, которые переключаются контакторами. В простейшей схеме (рис. 3.13) переключение ступеней трансформатора будет сопровождаться коротким замыканием секции трансформатора (если контактор 2 замыкается до размыкания контактора 1) или разрывом цепи тяговых электродвигателей (если контактор 2 замыкается после размыкания контактора 1). С целью ограничения величины тока короткого замыкания применяют схемы с переходным резистором, переходным реактором и вентильным переходом.

Рис. 3.13. Трансформатор с ответвлениями вторичной обмотки

Амплитудное регулирование вторичного напряжения трансформатора осуществляется за счет изменения его коэффициента трансформации. Регулирование со стороны низшего напряжения производится изменением числа витков его вторичной обмотки. Для этого вторичная обмотка имеет ответвления, которые переключаются контакторами. В простейшей схеме (рис. 3.13) переключение ступеней трансформатора будет сопровождаться коротким замыканием секции трансформатора (если контактор 2 замыкается до размыкания контактора 1) или разрывом цепи тяговых электродвигателей (если контактор 2 замыкается после размыкания контактора 1). С целью ограничения величины тока короткого замыкания применяют схемы с переходным резистором, переходным реактором и вентильным переходом.

Рис. 3.14. Амплитудное регулирование с переходным реактором: а —принципиальная схема; б — режим индуктивного сопротивления; в — режим делителя тока; г — режим делителя напряжения

Для уменьшения индуктивности рассеяния регулируемые части вторичной обмотки желательно выполнять концентрическими и равномерно располагать вдоль всей длины стержня магнитопривода трансформатора.

Схема с переходным реактором (ПР) (рис. 3.14, а, табл.3.1).

Переходный реактор имеет вывод из середины обмотки и предусматривает три варианта включения в цепь.

1. В режиме индуктивного сопротивления (ИС) реактор включен одним плечом, по которому протекает ток 12 (рис. 3.14, б). Падение напряжения на реакторе равно I2Х2 и отстает по фазе на 90° от тока 12. Этот режим приводит к интенсивному нагреванию обмотки реактора и к снижению коэффициента мощности электровоза и может быть рекомендован только для кратковременной работы при переходе.

Таблица 3.1
Таблица замыкания контакторов для схемы с переходным реактором

1. В режиме делителя тока (ДТ) (рис. 3.14, в) оба конца обмотки реактора подключены к одному и тому же выводу обмотки трансформатора. Разность потенциалов между концами обмотки реактора равна нулю. Поэтому магнитный поток реактора тоже должен быть равен нулю. Это возможно в том случае, если по полуобмоткам реактора протекают одинаковые по величине и встречные по направлению токи.

При этом падение напряжения на каждой полуобмотке реактора определяется его активным сопротивлением. Этот режим обеспечивает наименьшую токовую нагрузку обмоток реактора и может быть рекомендован для длительной работы.

1. В режиме делителя напряжения (ДН) (рис. 3.14, г) концы обмотки реактора подключены к двум разным выводам обмотки трансформатора, напряжение между которыми равно.

Ток нагрузки 12 делится поровну между полуобмотками реактора. К нему добавляется намагничивающий ток реактора, определяемый напряжениеми отстающий на 90° от напряжения.
Среднеквадратичный ток обмотки реактора при этом составляет около 60 % от тока нагрузки. Поэтому по нагрузке обмоток реактора этот режим занимает промежуточное положение между ИС и ДТ. Для продолжительной работы следует отдавать предпочтение режиму ДТ.

Переходные процессы при включении переходного реактора.

На рис. 3.15, а приведены осциллограммы напряжения на секции трансформаторамагнитного потока Ф, тока намагничивания 1^ при включении переходного реактора в режим делителя напряжения (рис. 3.14, г). 

Рис. 3.15. Переходные процессы при включении переходного реактора: а —осциллограммы; б — кривые намагничивания

 При подключении обмотки переходного реактора обоими концами к секции трансформатора в переходном реакторе возникает магнитный поток Ф, имеющий две составляющих — вынужденную Фвын и свободную Фсв:

Вынужденная составляющая Фвын отстает по фазе на 90° от напряжения  где
где— действующее значение напряжения на секции трансформатора; f— частота контактной сети; Wр — число витков переходного реактора.
Свободная составляющая магнитного потока переходного реактора Фсв убывает по экспоненциальному закону в функции времени. Начальное значение свободной составляющей определяется условием, чтобы при t = 0 магнитный поток реактора Ф тоже равнялся нулю. Наибольшую опасность представляет случай подключения переходного реактора в момент, когда напряжение проходит через нуль (рис. 3.15, а). Тогда начальное значение свободной составляющей будет равно Фт. Через полпериода после включения вынужденная составляющая поменяет свой знак и будет суммироваться со свободной составляющей. Результирующий магнитный поток при этом будет приблизительно равен 2Φm.
Если переходный реактор имеет стальной сердечник и кривую намагничивания, показанную на рис. 3.15,б штриховой линией, то вследствие насыщения магнитной цепи в обмотке реактора возникает бросок намагничивающего тока, амплитуда которого превышает его номинальное значение в 20—25 раз. В последующем амплитуда намагничивающего тока быстро снижается до номинального значения.
Однако даже единичный бросок тока может вызвать сваривание контактов переключателя и аварию трансформатора вследствие короткого замыкания секции.
Чтобы избежать такого броска тока, переходный реактор не должен иметь стального сердечника. Кривая намагничивания такого переходного реактора показана на рис. 3.15, б сплошной линией. Бросок намагничивающего тока в этом случае не превысит двукратного значения.

Таблица 3.2
Таблица замыкания контактов для схемы с переходным реактором и уменьшенной нагрузкой на контакторы


Рис. 3.16. Схема с переходным реактором и уменьшенной нагрузкой на контактор

Схема с переходным реактором и уменьшенной нагрузкой на контакторы (рис. 3.16, табл. 3.2).

Схема имеет следующие особенности.

1. На всех позициях, за исключением переходных, включено два контактора.
2. На нечетных позициях переходной реактор работает в режиме ДТ и через каждый контактор протекает половина тока нагрузки. Учитывая, что ток нагрузки 4—6 осной секции электровоза достигает 4000—6000 А, снижение нагрузки на контактор в два раза позволяет облегчить его конструкцию.
3. Четные позиции, на которых переходной реактор работает в режиме ДН используются как промежуточные, так как при этом нагрузка на контакторы и обмотки переходного реактора несколько больше из-за намагничивающего тока.
4. Схема применена на электровозах ВЛ60к, ВЛ80к, ВЛ80т, ВЛ80с.

Схема с вентильным переходом (рис. 3.17, табл. 3.3). Последовательное соединение нескольких полупроводниковых приборов позволяет использовать схему без переходного реактора.

Таблица 3.3
Таблица замыкания контакторов для схемы с вентильным переходом

1. На позиции 2, когда замкнуты контакторы 1 и 2, в первом полупериоде у диода Б потенциал анода выше, чем катода. Диод Б открывается. При этом потенциал катода диода А становится выше потенциала его анода, и диод А запирается. Во втором полупериоде ток идет через диоды Б'ВТ'. То же самое происходит и на других четных позициях.
2. При одновременном замыкании одного четного и одного нечетного контактора короткого замыкания не получается. Цепь тока образуется через тот вентиль, который создает более высокое напряжение на тяговом двигателе.
3. В процессе повышения напряжения на ТЭД контакторы размыкаются без разрыва тока. Поэтому вентильный переход чаще применяют на электропоездах, где скорость ТЭД регулируется только в сторону увеличения и где можно использовать контакторы без дугогашения.
4. Ступень регулирования напряжения на ТЭД составляет 0,9∆Uт, т. е. в два раза больше чем в схемах с переходным реактором. Поэтому на электровозах применение этой схемы нецелесообразно, так как приводит к существенному увеличению числа ответвлений от обмоток трансформатора.

Внешние характеристики выпрямителя при простом регулировании.

Простым будем называть регулирование, при котором напряжение вторичной обмотки трансформатора пропорционально числу витков w2, включенных в цепь тока двигателя. Все системы, рассмотренные в п. 3.8, относятся к простому регулированию. Как было указано ранее, падение напряжения в выпрямителе, пропорциональное его эквивалентному сопротивлению rэ, и наклон его внешней характеристики определяются индуктивностью рассеяния трансформатора, пропорциональной квадрату напряжения U2. Зависимость.в относительных единицах имеет вид параболы (рис. 3.18, а). Наибольшую крутизну имеет внешняя характеристика последней позиции (рис. 3.18, б).

При переходе от последней к первой позиции крутизна наклона внешних характеристик постепенно уменьшается.

Рис. 3.18. Характеристики выпрямителя при простом регулировании: а — потеря напряжения; б — внешние характеристики

Рис. 3.17. Схема с вентильным переходом

 Для первых позиций квадратичную зависимость можно заменить линейной: