Системы управления ЭПС - Бесконтактное амплитудно-фазовое регулирование выпрямленного напряжения

Бесконтактное амплитудно-фазовое (зонно-фазовое) регулирование выпрямленного напряжения
Применению на ЭПС фазового регулирования в чистом виде препятствует низкий коэффициент мощности при больших углах регулирования. Более половины пускового периода характеризуется низкими значениями коэффициента мощности (см. рис. 3.33) и повышенной пульсацией выпрямленного тока. Влияние недостатков фазового регулирования можно ограничить применением схем зонно-фазового регулирования, в которых вторичная обмотка трансформатора подразделяется на несколько последовательно соединенных секций и фазовое регулирование осуществляется только в одной из них. Применяются схемы с последовательным, параллельным и последовательно-параллельным соединением мостов.
Зонно-фазовое регулирование напряжения имеет следующие преимущества по сравнению со ступенчатым амплитудным регулированием.

1. Плавность регулирования напряжения и тока при пуске позволяет повысить среднюю силу тяги на 5—10 % без нарушения сцепления колес с рельсами.
2. Возможно поддержание любого значения постоянной скорости независимо от массы поезда и крутизны уклона.
3. Значительно уменьшается количество контакторов в силовой цепи.
4. Возможно применение рекуперативного торможения.

Вместе с тем, зонно-фазовое регулирование увеличивает стоимость электровоза, требует более высокой квалификации персонала, обслуживающего электронное оборудование, и создает искажение синусоидальной формы напряжения питающей сети.

Последовательное соединение мостов.

Порядок работы тиристоров указан в табл. 3.7. Переход с одной зоны на другую не требует применения контакторов и осуществляется с помощью тиристоров (рис. 3.36). Осциллограммы выпрямленного напряжения для трех зон регулирования показаны на рис. 3.37. Зависимость коэффициента мощности от среднего выпрямленного напряжения приведена на рис. 3.38. Из этого графика видно, что низкие значения коэффициента мощности имеют место только при трогании электровоза и основную часть времени электровоз работает с достаточно высоким коэффициентом мощности.

Рис. 3.36. Схема бесконтактного амплитудно-фазового регулирования при последовательном соединении мостов

Схема по рис. 3.36 была применена на электровозах Sr-Ι, изготовленных НЭВЗ для железных дорог Финляндии, а также на опытном электровозе ВЛ84.
Отметим особенности схемы.

1. Напряжения всех секций трансформатора одинаковы.
2. Количество секций трансформатора С может быть любым. Число выводов из вторичной обмотки трансформатора 2С.
3. Количество групп полупроводниковых приборов 4С. Последовательно с ТЭД всегда включено 2С групп полупроводниковых приборов. Поэтому с увеличением числа секций трансформатора снижается КПД электровоза.

Рис. 3.37. Осциллограммы выпрямленного напряжения при бесконтактном амплитудно-фазовом регулировании

Таблица 3.7

1. Расчетное обратное напряжение каждой группы приборов уменьшается с увеличением числа секций трансформатора. Поэтому последовательное соединение мостов целесообразно использовать при низких классах полупроводниковых приборов.

Рис. 3.38. Коэффициент мощности при трехзонном амплитудно-фазовом регулировании

1. Мосты — полууправляемые с продольным расположением тиристоров. Расчетная нагрузка на диоды в два раза больше, чем на тиристоры.
2. Для рекуперации необходимо все диоды заменить тиристорами.

Параллельное соединение мостов.

Порядок работы тиристоров указан в табл. 3.8. Схема (рис. 3.39) имеет следующие особенности.

Таблица 3.8
Алгоритм работы преобразователя зонно-фазового регулирования


Рис. 3.39. Схема бесконтактного амплитудно-фазового регулирования при параллельном соединении мостов

1. При трех секциях вторичной обмотки трансформатора С = 3, напряжения которых относятся как 1:1:2, реализуется четыре зоны регулирования.
2. При иных соотношениях напряжений секций возможна реализация большего количества зон, однако такие решения не нашли применения, поскольку при четырех зонах получаются достаточно высокие значения коэффициента мощности.
3. Число выводов из вторичной обмотки трансформатора С + 1, т.е. почти в 2 раза меньше, чем при последовательном соединении мостов.
4. Количество групп полупроводниковых приборов 2(С + 1). Последовательно с ТЭД всегда включены только две группы полупроводниковых приборов.
5. Расчетное обратное напряжение полупроводниковых приборов в крайних плечах определяется напряжением всей вторичной обмотки и не зависит от числа ее секций.

Зонно-фазовое регулирование с параллельным соединением мостов применено на электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭП1.
На этих электровозах, кроме режима тяги, в котором тиристорный преобразователь работает как выпрямитель, предусмотрен еще  режим рекуперации, в котором тиристорный преобразователь работает как инвертор. Поэтому во всех плечах преобразователя стоят тиристоры. Режим рекуперации будет рассмотрен в гл. 4. Рис. 3.39 дополнен следующими элементами силовой цепи:

1. главный выключатель переменного тока ГВ;
2. быстродействующий выключатель БВ цепи выпрямленного тока для защиты в режиме рекуперации;
3. реле перегрузки РП;
4. тяговый электродвигатель с обмотками якоря Я и возбуждения В;
5. сглаживающий реактор PC.

Импульсы управления тиристорами формирует блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем (БУВИП). Алгоритм работы преобразователя приведен в табл. 3.8. Угол фазового регулирования тиристоров αρ задается поворотом штурвала контроллера машиниста.
Осциллограммы напряжения и тока для первой зоны показаны на рис. 3.40.
В этой зоне выпрямление начинается в первый полупериод при ωt=αρ. В этот момент управляющие импульсы подаются одновременно на тиристоры 4 и 5 (рис. 3.41, а). Схема работает как мост с поперечным расположением тиристоров. Приборы 3 и 5 открываются по очереди при ωt= αθ (рис. 3.41, а, д). Тиристоры 4 и 6 открываются по очереди при ωt= αρ (рис. 3.41, г, з), обеспечивая регулирование напряжения. На тиристор 5 в первом полупериоде управляющие импульсы подаются дважды в момент времени αθ и αρ. Это дает возможность включения выпрямителя после случайного перерыва питания при работе на линии.
Коммутация тиристоров нечетной группы показана на рис. 3.41, б, е, а для четной группы — на рис. 3.41, г, з.

Рис. 3.40. Осциллограммы напряжения и тока для первой зоны регулирования

Рис. 3.41. Мгновенные схемы для первой зоны регулирования

Рис. 3.42. Осциллограммы напряжения и тока для II — IV зон регулирования

Рис. 3.43. Мгновенные схемы для II — IV зон регулирования

В промежутке между коммутацией тиристоров нечетной и четной групп ток ТЭМ замыкается по нулевому контуру (рис. 3.41, в, ж).
Во II—IV зонах схема работает как мост с продольным расположением тиристоров (рис. 3.42). При этом коммутация в каждом полупериоде происходит трижды. В момент времени ωt=αθ происходит коммутация по большому контуру (КБ) (рис. 3.43, г, к). Тяговый двигатель при этом замкнут накоротко через два открытых тиристора. Примерно через 350 мкс происходит коммутация по малому контуру (КМ) (рис. 3.43, е, м). Коммутация по малому и большому контурам не может проходить одновременно, так как при одновременном образовании этих двух контуров сперва начнется коммутация по большому контуру, напряжение на вторичной обмотке трансформатора упадет до нуля и коммутация по малому контуру будет невозможна.
Приначинается фазовая коммутация (КФ) (рис. 3.43, б, з),
после которой происходит переход от выпрямления меньшего напряжения (ВМ) (рис. 3.43, а, ж) к выпрямлению большего напряжения (ВБ) (рис. 3.43, в, и).

Особенности коммутации вентилей при зонно-фазовом регулировании с параллельным соединением мостов.

Рассмотрим в качестве примера коммутацию вентилей в III зоне (см. рис. 3.42) в каждом полупериоде коммутация вентилей происходит трижды.



В следующем полупериоде процесс повторяется с участием тиристоров противоположных групп (см. рис. 3.43, л, м, а, б, в).
При зонно-фазовом регулировании с параллельным соединением мостов зависимость коэффициента мощности от выпрямленного напряжения имеет вид, показанный на рис. 3.41. Максимальные значения коэффициента мощности соответствуют концу каждой зоны.

Последовательно-параллельное соединение мостов.

Отличается от схемы на рис. 3.36 тем, что вместо каждой секции трансформатора с выпрямительным мостом используется схема двухзонного регулирования с параллельным соединением мостов. Схемы с последовательным и с последовательно-параллельным соединением мостов применялись тогда, когда не выпускались приборы высокого класса по напряжению.
Сегодняшние полупроводниковые приборы позволяют использовать схему с параллельным соединением мостов, которая имеет преимущества по сравнению со схемами с последовательным и с последовательно-параллельным соединением мостов.