Содержание материала

Зонно-фазовое регулирование при рекуперативном торможении

Принципиальная схема рекуперации с четырехзонным фазовым регулированием.

Упрощенная схема силовой цепи электровоза (рис. 4.45) включает следующие элементы:

  1. главный выключатель ГВ;
  2. тяговый трансформатор ТТ, вторичная обмотка которого имеет три последовательно соединенные секции с соотношением напряжений 1:1:2;
  3. выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП, состоящий из параллельно соединенных тиристорных мостов с плечами 1—8 и выпрямителя возбуждения с тиристорами 1В и 2В;
  4. быстродействующий выключатель БВ;
  5. реле перегрузки РП;
  6. тяговый электродвигатель с обмотками якоря Я и возбуждения ОВ;
  7. сглаживающий реактор PC.

Импульсы управления тиристорами формирует блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем БУВИП. Алгоритм работы ВИП приведен в табл. 4.6. Угол отпирания тиристоров 1—8 регулируется поворотом главного штурвала контроллера машиниста электровоза КМЭ. Угол отпирания тиристоров 1В и 2В регулируется поворотом тормозной рукоятки контроллера.

Таблица 4.6
Сравнение работы силовой цепи электровоза в режимах тяги и рекуперации
Сравнение работы силовой цепи электровоза в режимах тяги и рекуперации


Рис. 4.45. Схема электровоза переменного тока с рекуперацией
В режиме тяги вторичная обмотка тягового трансформатора ТТ (рис. 4.45) работает как источник энергии. Поэтому направления тока и напряжения во вторичной обмотке совпадают. Тяговый электродвигатель работает как потребитель энергии и его ЭДС вращения направлена навстречу току. Полупроводниковые приборы выпрямителя отпираются под действием вторичной обмотки трансформатора. При переводе выпрямителя в режим инвертирования необходимо:

  1. для обеспечения электрической устойчивости перевести тяговые машины в режим независимого возбуждения;
  2. для перевода тяговых машин в генераторный режим изменить направление тока и ЭДС вращения, с тем чтобы сохранить направление тока якоря в соответствии с проводящим направлением полупроводниковых приборов;
  3. чтобы создать условия потребления энергии вторичной обмоткой трансформатора, перевести в открытое состояние тиристоры, которые обеспечивают протекание тока навстречу напряжению вторичной обмотки трансформатора;
  4. для предотвращения опрокидывания инвертора подавать управляющие импульсы на тиристоры с опережением β = γ + δ, где γ — продолжительность коммутации, δ — расчетная продолжительность восстановления вентильной прочности.

Четвертая зона регулирования напряжения.

При высоких скоростях движения рекуперативное торможение начинается с четвертой зоны регулирования напряжения. На рис. 4.46 изображены осциллограммы напряжений на выходе и входе инвертора w2 и wd, управляющих импульсов и токов тиристоров -1$ (при идеальном сглаживании), а на рис. 4.47 — контуры токов в различных интервалах времени четвертой зоны регулирования. В этой зоне поочередно работают два параллельно включенных инверторных моста. В начале полупериода, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора имеет направление, отмеченное сплошной стрелкой, открыты тиристоры 1 и 8. Ток протекает по всем трем секциям вторичной обмотки трансформатора навстречу напряжению u2 (рис. 4.47, а), обеспечивая инвертирование по большому контуру (ИБ). При  подается управляющий сигнал на тиристор 3 и начинается режим фазовой коммутации (КФ), контур тока в этом режиме показан на рис. 4.47, б. Длительность этого режима γφ. В кривой и2 наблюдается провал напряжения (рис. 4.46).

Рис. 4.46. Осциллограммы токов и напряжений в режиме рекуперации для IV—II зон регулирования
После завершения фазовой коммутации, начиная с момента времени, тиристор 1 запирается и начинается режим инвертирования по малому контуру (ИМ), контур тока которого показан на рис. 4.47, в. Этот режим продолжается до момента времени, когда управляющие импульсы подаются на тиристоры 2 и 7 и под действием напряжения u2 происходит основная коммутация (К), одновременно по большому и малому контурам, как это показано на рис. 4.47, г.
После окончания основной коммутации в момент времени образуется контур, изображенный на рис. 4.47, д.
При этом направление тока во вторичной обмотке трансформатора совпадает с направлением u2 , показанным сплошной стрелкой, и тяговая машина работает в режиме противовключения (П). Энергия, вырабатываемая тяговой машиной и потребляемая из сети через тяговый трансформатор, выделяется в виде тепла в контуре, показанном на рис. 4.47, д.
Продолжительность этого режима δ должна быть не менее 500 мкс; или 9°, что необходимо для восстановления вентильной прочности тиристоров 3 и 8.
Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора w2 изменит свое направление в соответствии со штриховой стрелкой (рис. 4.47, 0), режим противотока переходит в режим инвертирования по большому контуру (ИБ).
В этом полупериоде режимы работы ВИП (рис. 4.47, д — 4.47, з) повторяются аналогично предыдущему полупериоду и отличаются только тем, что ЭДС вторичной обмотки u2 направлена по штриховой стрелке, а управляющие импульсы подаются на тиристоры, находящиеся в противоположных плечах по сравнению с рис. 4.47, а — 4.47, г.
По мере поворота штурвала КМЭ от положения П4 к положению П3 угол регулирования αρ уменьшается от до. При этом сокращается длительность работы моста с большим напряжением (тиристоры 1, 2, 7 и 8). 


Рис. 4.47. Контуры токов при рекуперации для IV—II зон регулирования

Соответственно увеличивается длительность работы моста с меньшим напряжением (тиристоры 3, 4, 7 и 8). В результате этого в IV зоне среднее значение входного напряжения инвертора Ud снижается от

Третья и вторая зоны регулирования напряжения.

При повороте штурвала КМЭ в положение ПЗ происходит переход из зоны IV в зону III. В этой зоне в начале полупериода работают II и III секции трансформатора, а инверторный мост состоит из тиристоров 3, 4, 7 и 8.
При после завершения фазовой коммутации в работе остается III секция трансформатора, а в инвертировании участвуют тиристоры 5, 6, 7 и 8. Осциллограммы напряжений и токов, а также контуры протекания токов в III зоне аналогичны IV зоне и отличаются только номерами работающих тиристоров, что и указано на рис. 4.46 и 4.47. По мере поворота штурвала КМЭ от положения ПЗ в сторону П2 угол регулирования тиристоров 5 и 6 уменьшается и среднее напряжение инвертора снижается от

Рис. 4.48. Осциллограммы токов и напряжений в режиме рекуперации для I зоны регулирования

Переход в зону II происходит при повороте штурвала КМЭ в положение П2. С этой целью в момент времени π - β управляющий импульс подается на тиристор 1 или 2 (в зависимости от полупериода), происходит коммутация по контуру, состоящему из трех секций вторичной обмотки трансформатора, и тиристор 7 (или 8) запирается. В результате нагрузка переводится с большой секции вторичной обмотки тягового трансформатора на две малых. Регулирование напряжения во II зоне происходит аналогично с IV зоной.

Первая зона регулирования напряжения.

Переход на первую зону происходит в положении П1 штурвала КМЭ. В работе участвуют только вторая секция вторичной обмотки трансформатора и мост, состоящий из тиристоров 3—6 (рис. 4.48), получающих управляющие импульсы в моменты времени αр и π-β (рис. 4.49).

Рис. 4.49. Контуры токов при рекуперации для I зоны регулирования

При αρ + γ < ωt < (π - β) направления тока и напряжения во вторичной обмотке совпадают.
При 0 < ωt < αρ напряжение изменяет направление и действует навстречу току. Поэтому при αρ > 90° электровоз работает в режиме рекуперации, а при αρ < 90° происходит торможение противотоком до полной остановки.
Второй управляющий импульс в момент времени π-β подается на тиристоры для того, чтобы предотвратить опрокидывание инвертора при задержке импульса α.

Особенности электрической схемы электровоза переменного тока в режиме рекуперации

Для работы электровоза переменного тока в режиме рекуперации необходимо следующее дополнительное оборудование (рис. 4.45):

  1. тиристоры вместо диодов в главной выпрямительной установке;
  2. управляемая выпрямительная установка для возбуждения тяговых двигателей (по схеме с нулевым выводом без нулевого диода);
  3. тормозной переключатель для перехода на независимое возбуждение;
  4. устройства для ограничения токов короткого замыкания и защиты от них (добавочный резистор r, быстродействующий выключатель БВ);
  5. блок управления выпрямительно-инверторным преобразователем (БУВИП), выполняющий следующие функции:
  6. автоматическое регулирование тока возбуждения за счет изменения угла отпирания тиристоров 9 и 10 в функции тока якоря для обеспечения электрической устойчивости;
  7. автоматическое зонно-фазовое регулирование напряжения инвертора изменением угла в функции скорости в режимах снижения скорости до заданной величины и регулировочного торможения (V = const);
  8. автоматическое регулирование углас целью поддержания постоянства угла δ и предотвращения опрокидывания инвертора;
  9. датчики тока якоря ДТЯ, угла коммутации, работающие соответственно в I—II и III—IV зонах;
  10. задатчик синусоидального напряжения для БУВИП, так как сложная форма кривой напряжения не позволяет точно определить начало полупериода и требует датчика синусоидального напряжения;
  11. контроллер машиниста КМЭ, который, кроме задатчика тяги ЗДТ, должен иметь задатчик рекуперации ЗДР и задатчик возбуждения ЗДВ.

Короткое замыкание в режиме рекуперации возникает не только при пробое изоляции, но еще в таких случаях как:

  1. отключение тяговой подстанции;
  2. отрыв токоприемника или наезд на нейтральную вставку без предварительного отключения рекуперации;
  3. отключение главного выключателя;
  4. обрыв проводов управления тиристорами;
  5. неисправности БУВИП.

В тяговом режиме все эти неисправности приводят к исчезновению тока, а в режиме рекуперации эти явления приводят к прекращению коммутации тиристоров и короткому замыканию тяговых двигателей на обмотку трансформатора. Для защиты от коротких замыканий необходимо иметь быстродействующие выключатели в цепи каждого тягового двигателя.
Зонно-фазовое регулирование с четырьмя зонами применено на электровозах ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65 и ЭП-1.
Зонно-фазовое регулирование с двумя зонами применено на электропоездах ЭР29 и ЭН-3.