Системы управления ЭПС - Принципы рекуперативного торможения ЭПС переменного тока

Принципы рекуперативного торможения ЭПС переменного тока

Направления токов и ЭДС в режимах тяги и рекуперации.

Направление напряжения вторичной обмотки трансформатора U2 определяется напряжением сети и поэтому считается заданным. Обозначим направления U2 в первом и во втором полупериоде соответственно сплошной и штриховой стрелками (рис. 4.40).
Для режима тяги характерно следующее.

1. Вторичная обмотка трансформатора работает как источник энергии для тягового двигателя. Поэтому направление тока i2 в каждом полупериоде совпадает с направлением напряжения U2.
2. Тяговый двигатель работает как потребитель энергии. Поэтому направления тока tд и ЭДС вращения Е противоположны.
3. Отпирание полупроводниковых приборов происходит в начале каждого полупериода под действием полярности переменного напряжения U2. Режимы работы преобразователя на рис. 4.40 обозначены: В — выпрямление, К — коммутация.

При рекуперации направление тока вторичной обмотки трансформатора i2 должно быть встречным по отношению к U2, так как в этом режиме вторичная обмотка трансформатора является приемником энергии (рис. 4.41).
Тяговая машина работает как генератор, и поэтому направления тока iд и ЭДС вращения ЕТМ совпадают. Режимы работы на рис. 4.41 обозначены: И — инвертирование, К — коммутация, П — противоток.
Для перевода в режим рекуперации необходимо:

1. перевести тяговые машины в режим независимого возбуждения для обеспечения электрической устойчивости;
2. сохранить направление тока в якоре тяговой машины, чтобы оно соответствовало проводящему направлению полупроводниковых приборов;

Рис. 4.40. Направления ЭДС и токов выпрямителя в режиме тяги

1. изменить направление тока в обмотке возбуждения тяговой машины, чтобы перевести ее в генераторный режим, за счет изменения полярности ЭДС вращения; отметим, что на ЭПС постоянного тока перевод тяговых машин в генераторный режим осуществляется изменением направления тока якоря;
2. обеспечить открытие тиристоров в конце предыдущего полупериода в момент времени π—β так, чтобы большую часть данного полупериода ток во вторичной обмотке был направлен навстречу ЭДС трансформатора.

Условия отпирания тиристоров инвертора.

Исходя из полярности U2 и, в первый полупериод должны открываться тиристоры 1 и 2 (см. рис. 4.41), так как катод тиристора 2 имеет отрицательный потенциал, а анод вентиля 1 имеет положительный потенциал. Но при этом не будет обеспечено протекание тока i2 навстречу напряжению U2, т.е. возврат энергии в питающую сеть.

Рис. 4.41. Направления ЭДС и токов инвертора в режиме рекуперации

Для обеспечения рекуперации необходимо, чтобы в первом полупериоде вентили 1 и 2 были закрыты, а вентили 3 и 4 — открыты.
При этом вентили 3 и 4 можно открыть только до начала первого полупериода, когда анод тиристора 3 имеет положительный потенциал, а катод тиристора 4 — отрицательный потенциал. Момент отпирания тиристоров 3 и 4 должен быть выбран так, чтобы до начала первого полупериода завершилась коммутация тиристоров и восстановление их вентильной прочности.

Выводы:

1. В начале полупериода тиристоры, обеспечивающие режим рекуперации, не могут открыться, так как ЭДС вторичной обмотки трансформатора направлена навстречу току рекуперации.
2. Тиристоры надо открывать до начала соответствующего полупериода, когда полярность U2 позволяет это сделать.
3. Момент отпирания тиристоров (угол π—β) должен быть выбран так, чтобы до начала полупериода завершилась коммутация тиристоров (угол γ) и восстановилась их вентильная прочность (угол δ).

Здесь β = γ + δ — угол опережения отпирания тиристоров по отношению к началу полупериода. Величину γ, равную β—δ, определим далее на с. 210.
Расчетное время восстановления вентильной прочности тиристоров Т2-323 не превышает ί = 500 мкс. Переведем эту величину в градусы:

Для того чтобы обеспечить необходимый запас принимают δ = 20°.
Сравнение условий работы силовой цепи электровоза в режимах тяги и рекуперации приведено в табл. 4.5.

Таблица 4.5
Сравнение работы силовой цепи электровоза в режимах тяги и рекуперации

Направления токов и ЭДС в режиме опрокидывания инвертора.

Рассмотрим случай, когда при инвертировании по какой-либо причине в конце полупериода не произойдет коммутация вентилей. Такой режим называют опрокидыванием инвертора.
Причины этого могут быть различными:

1. увеличение угла коммутации вследствие снижения напряжения сети, возрастание тока рекуперации или увеличение индуктивности контактной сети при увеличении расстояния до тяговой подстанции;
2. нарушение работы системы управления тиристорами.

Пусть прекращение коммутации вентилей произойдет в первом полупериоде, когда ток протекал через тиристоры 3 и 4 (рис. 4.42). Во втором полупериоде полярность напряжения во вторичной обмотке будет такой, что эти тиристоры останутся открытыми. При этом напряжение U2 будет действовать согласно с ЭДС тяговой машины ЕТМ.
Таким образом, создастся режим противовключения. Ток в этом контуре будет возрастать, стремясь к установившемуся значению 2Iкз, и к концу второго полупериода достигнет такой величины, что его коммутация будет заведомо невозможной. В третьем полупериоде напряжение U2 изменит свой знак и будет действовать навстречу ЕТМ, нарастание тока замедлится, а при U2 > ЕТМ ток i2  даже несколько снизится.

Рис. 4.42. Направление ЭДС и токов при опрокидывании инвертора

Но в конце третьего и в течение всего четвертого полупериода ток снова будет нарастать и превысит значение, допустимое для тиристоров. Причем ток все время будет протекать через одни и те же тиристоры.
Максимумы и минимумы кривой тока будут соответствовать моментам времени.
Наибольшая скорость нарастания тока соответствует максимуму синусоиды.

Выводы:
При опрокидывании инвертора имеет место следующее.

1. ТЭМ работает с сетью в режиме противовключения и происходит непрерывное нарастание тока до 2Iкз.

 2.   Коммутация вентилей не происходит, и ток протекает все время через одни и те же тиристоры. Возникает опасность перегрева и пробоя этих тиристоров.

Внешние характеристики инвертора.

Особенность коммутации инвертора в том, что она начинается в середине полупериода, когда во вторичной обмотке трансформатора ток i2 протекает навстречу напряжению u2.
Рассмотрим процесс коммутации инвертора, который начинается в момент времени π—β (см. рис. 4.41). В этот момент в первом полупериоде напряжение u2 и ток i2 имеют встречные направления, обозначенные на схеме сплошными стрелками. После окончания коммутации ток i2 меняет свое направление, как это указано штриховой стрелкой.
Пусть в рассматриваемом полупериоде открыты тиристоры 3 и 4 и ток имеет направление, обозначенное сплошной стрелкой. В момент времени π—β на тиристоры 1 и 2 подается сигнал управления и они открываются, так как анод тиристора 1 имеет положительный потенциал, а катод тиристора 1 — отрицательный интервал.
Возникает ток короткого замыкания, определяемый дифференциальным уравнением
(4.8) которое аналогично (3.3) для режима выпрямления, но отличается пределами интегрирования.
Проинтегрируем (4.8):

Рис. 4.43. Внешние характеристики инвертора

Рис. 4.44. Обеспечение устойчивости рекуперации:
а — при независимом возбуждении и β = const; б — при независимом возбуждении, добавочном резисторе и δ - const; в — при противовозбуждении и δ =const

На электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭП1 применен инвертор с законом регулирования δ = const. Для обеспечения электрической устойчивости статический возбудитель имеет противовозбуждение, а в цепь якоря тяговой машины включен дополнительный резистор.