Системы управления ЭПС - Системы управления ЭПС с вентильными ТЭД

5.8. Системы управления ЭПС с вентильными ТЭД

Принцип действия ВД.

Вентильный двигатель (ВД) — это многофазная электрическая машина, обмотка статора которой питается от управляемого полупроводникового преобразователя, причем переключение фаз происходит синхронно с вращением ротора, обмотка возбуждения которого питается постоянным током.
По конструкции вентильная машина аналогична синхронной. На статоре трехфазная обмотка (в принципе может быть шести или девятифазная). Ротор явнополюсный или неявнополюсный с обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током, и короткозамкнутой демпферной обмоткой.
Неявнополюсный ротор предпочтительнее с точки зрения прочности конструкции и технологичности изготовления.
Схемы вентильного двигателя с ртутными преобразователями предлагали Керн (ВВС, 1930 г.), Александерсон (GEC, 1934 г.), Тихменев (СССР, 1935 г.), Завалишин и Вегнер (СССР, 1936 г.). Однако громоздкость и низкая надежность ртутных преобразователей явилась препятствием для внедрения таких двигателей.
Интерес к вентильному двигателю возник вновь в 1960 г. в связи с распространением кремниевых тиристоров. Исследования и разработки производили Б.Н. Тихменев, В.А. Кучумов, С.В. Покровский (ВНИИЖТ), Б.К. Баранов (ВЭЛНИИ).
Кроме электрической тяги вентильные двигатели применяются для привода прокатных станов, нагрузка которых похожа на тяговую (М = const).
ВД применены на пассажирском восьмиосном электровозе переменного тока ЭП200 мощностью 7200 кВт и конструкционной скоростью 220 км/ч. Механическая часть аналогична тепловозу ТЭП-80.
Рассмотрим принцип работы ВД в генераторном и тяговом режимах при переводе нагрузки с фазы А на фазу В (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Работа вентильной электрической машины в режимах: а — генераторном; б — двигательном

Более простым для ВД является генераторный режим (рис. 5.20, а), когда синхронный генератор работает на нагрузку через трехфазный выпрямитель.
Для перевода синхронного генератора с выпрямителем в режим вентильного двигателя (рис. 5.20, б) необходимо предусмотреть следующее.

1. Вместо нагрузки надо подключить источник электроэнергии, изменив полярность, чтобы она соответствовала проводящему направлению тиристоров.
2. Следует подавать управляющие сигналы на тиристоры в соответствии с положением ротора в момент времени, определяемый углом опережения β = γ + δ , чтобы коммутация заканчивалась на угол δ ранее момента равенства напряжений. Нарушение этого условия приведет к тому, что коммутирующийся тиристор 1 не восстановит свои запирающие свойства. В этом случае через 60°, когда откроется тиристор 4, произойдет короткое замыкание источника питания. Длительность угла опережения β определяется соотношением

где LK — индуктивность контура коммутации.

1. В период коммутации мгновенное значение ЭДС равно полусумме мгновенных ЭДС на коммутирующих фазах. Преобразователь является инвертором тока, и порядок работы его тиристоров приведен в табл. 5.4.

Сравнение генераторного и двигательного режимов вентильной машины приведено на рис. 5.20 и 5.21, откуда следует:

1. углы проводимости тиристоров равны 120°;
2. в период коммутации γ открыты три тиристора;
3. напряжение в период коммутации равно полусумме фазных ЭДС;
4. в генераторном режиме коммутация начинается в момент времени, когда еC=еА (рис. 5.21, а);

Рис. 5.21. Осциллограммы напряжения вентильной машины в режимах: а — генераторном; б — двигательном

6) в генераторном режиме возможно использовать диоды, в двигательном необходимы тиристоры.
Сравнение условий коммутации вентильной машины в генераторном и двигательном режимах приведено в табл. 5.12. Сравнение вентильной машины с синхронной и коллекторной дано в табл. 5.13.

Основные электромеханические соотношения ВД.

Вращающееся магнитное поле наводит в обмотке статора ЭДС

где р1, w1 — число пар полюсов и число витков одной фазы статора; Коб — обмоточный коэффициент, учитывающий, что витки фазовой обмотки расположены в непараллельных плоскостях;
Ф(t) = Фm sin wt — мгновенное значение магнитного потока.

Таблица 5.12
Условия коммутации вентильной машины

Максимальное значение первой гармоники фазной ЭДС:

Мгновенное значение ЭДС вращения ВД во внекоммутационные периоды равно линейной ЭДС, а в период коммутации — полусумме линейных ЭДС коммутирующихся фаз.
Среднее значение линейной ЭДС вращения ВД с учетом коммутации вентилей можно найти через интеграл, определяющий площадь, заштрихованную на рис. 5.21, б:

Таблица 5.13
Сравнение вентильной машины с синхронной и коллекторной

где Ud, Id, rd — напряжение, ток и сопротивление якоря, приведенные к звену постоянного тока.
Выражения для Еа, Μ, ω, отличаются от соответствующих формул для машины постоянного тока только множителями Коб и Ки.

Способы регулирования скорости и силы тяги БД.

Для ВД можно использовать четыре способа регулирования скорости и силы тяги (первые два способа аналогичны двигателю постоянного тока).

1. Изменением Ud за счет регулирования входного преобразователя.
2. Изменением сопротивления в цепи обмотки якоря; этот способ не применяется ввиду своей неэкономичности и возможности регулирования Ud в широких пределах.
3. Регулирование магнитного потока Ф имеет существенные отличия от машины постоянного тока ввиду сильного влияния реакции якоря:

а)    идеально жесткая характеристика ω=const получается при увеличении Ф для компенсации реакции якоря с ростом тока; зависимость М(I) при этом получается линейной (рис. 5.22, а);

Рис. 5.22. Характеристики вентильного двигателя: а — при независимом возбуждении; б — косвенном сериесном возбуждении

Рис. 5.23. Векторная диаграмма неявнополюсного вентильного двигателя

Рис. 5.24. Характеристики вентильного двигателя

Рис. 5.25. Схема ЭПС с ВД и явным звеном постоянного тока
β с ростом тока и предотвращает возможность опрокидывания инвертора при перегрузках. Характеристика момента снижается при перегрузке по току.
Обычно используются все три закона регулирования: основной закон β = const. При пуске, когда напряжение Ud низкое, и датчик ЭДС вращения дает очень слабый сигнал, используется закон β0= const. При перегрузке реализуется закон.

Схемы силовой цепи ЭПС с ВД.

На практике используются две такие схемы:
а) схема с явным звеном постоянного тока (рис. 5.25). При пуске двигателя ЭДС вращения недостаточна для коммутации тиристоров и используется емкость и коммутирующие тиристоры VS7, VS8.

Рис. 5.26. Схема ЭПС с ВД и неявным звеном постоянного тока

После каждой коммутации происходит колебательный перезаряд конденсатора через одну из работающих фаз.
При () коммутация обеспечивается за счет ЭДС вращения двигателя и тиристоры VS7, VS8 не используются.
Для изменения напряжения применена схема зонно-фазового регулирования. Данная схема применяется на TGV-A и на электровозе ЭП-200. Схема с явным звеном постоянного тока предпочтительна при большей мощности ТЭД и полупроводниковых приборов с высокими параметрами;
б) схема с неявным звеном постоянного тока (рис. 5.26) обеспечивает коммутацию тиристоров за счет напряжения сети, независимо от скорости движения. Регулирование напряжения амплитудное — переключением числа витков вторичной обмотки с помощью контакторов.

Рис. 5.27. Коммутация тиристоров ВД: а — сетевая, б — машинная

В схеме имеют место два вида коммутации тиристоров: сетевая коммутация (рис. 5.27, а) при изменении полярности сети и машинная коммутация (рис. 5.27, б) при переключении фаз ВД.
Схема с неявным звеном регулирования имеет преимущества при меньшей мощности ТЭД и большом количестве параллельно и последовательно соединенных тиристоров.
Схема была применена на опытных электровозах ВЛ80в-1129 и ВЛ 80в-1130.

Структурная схема системы управления электровоза с вентильным двигателем (рис. 5.28).

Машинист выбирает направление движения (вперед — назад) и режим работы (тяга — рекуперация), режим возбуждения (независимое или косвенное сериесное) и заданную скорость. Выбранное направление движения определяет последовательность включения тиристоров инвертора и направление вращения магнитного поля двигателя. Выбранный режим работы (тяга — рекуперация) определяет угол опережения открытия тиристоров β по отношению к моменту равенства линейных напряжений:
при тяге β = γ + δ;
при рекуперации β = 0.
Регулирование скорости и нагрузки (силы тяги или торможения) осуществляется по трем каналам.

Рис. 5.28. Структурная схема системы управления электровоза с ВД

1. Канал тока возбуждения Iв используется:

а) в режиме независимого возбуждения Iв = const (при трогании с места и при движении по крутым затяжным подъемам) для предотвращения боксования;
б) в режиме косвенного сериесного возбуждения= const при движении с высокими скоростями для перехода с жесткой характеристики независимого возбуждения на мягкую. При жесткой характеристике небольшое повышение скорости дает значительное снижение силы тяги.

1. Канал напряжения Ud используется для обеспечения заданной скорости.
2. Канал угла опережения β применяется для обеспечения надежной коммутации тиристоров.