Лекція 5. Фазове керування тяговим випрямлячем

Мостова схема з симетричним фазовим керуванням (рис. 2.5, а) містить джерело живлення u ₁ змінного струму, трансформатор Т, мостовий комутатор з чотирма одноопераційними тиристорами 1–4 та навантаження. На рис. 2.5, б, в наведені діаграми напруг та струмів в усталеному режимі при наступних допущеннях:

1) струм i_d (рис.2.5, б) – ідеально згладжений;

2)

i ₂ = –i_d та u_d = –u ₂.

При ввімкненні в момент q₁ пари тиристорів 1, 4 вихідне коло перемикається відносно вторинної обмотки і знаки величин i ₂ та u_d змінюються на протилежні. Тиристори 2 та 3, які проводили струм, закриваються напругою u ₂ (контур W 2 – 1 – 3 і контур W 2 – 2 – 4), а струм навантаження протікатиме по контуру W 2 – 1 – Я – 4 до моменту q₂ чергової комутації.

У зв’язку з інерційністю навантаження струм у ньому, обертовий момент на валу та інші основні характеристики визначає середня вихідна напруга u_{d 0}, яку можна плавно регулювати в широких межах зміною кута керування α. Величину u_{d 0} отримуємо зосередженням миттєвої напруги u_d на півперіоді від q₁ до q₂ = q₁ + π

. (2.1)

Якщо зробити α > 90°, то середня вихідна напруга змінює напрямок, що дозволяє виконати гальмування двигуна з поверненням енергії руху в джерело живлення (рекуперацію). Для цього потрібно переключити якір двигуна відносно вихідного кола випрямляча, напруга на якорі в цьому колі змінить полярність, навантаження буде працювати як генератор, а інша частина схеми як інвертор. Ці факти можна розглядати як переваги схеми з фазовим керуванням.

Основний недолік полягає у несприятливій формі струму, який споживається від джерела живлення. Як бачимо з рис. 2.5, б, струм зсунутий відносно напруги на кут α і тому містить реактивну складову першої гармоніки. Цей струм є несинусоїдальним і містить поряд з першою гармонікою також вищі. Найбільш шкідливі ці факти при живленні від контактної мережі. Наслідки несприятливої форми струму, що спожи-вається, полягають при цьому у наступному:

1) виникають додаткові втрати енергії у мережі та енергосистемі, обу-мовлені реактивною складовою струму та його вищими гармоніками;

2) знижується максимальна напруга на двигунах як даного електровоза, так і інших електровозів на лінії, а отже, максимальна швидкість руху;

3) створюються перенапруги у мережі та завади системам керування тягових випрямлячів.

Зниження максимальної напруги зумовлено падінням напруги на індуктивності мережі L _м та тягового трансформатора L _т. Падіння напруги має форму комутаційних про-валів (рис. 2.6, б). Еквівалентна схема для його визначення містить джерело синусоїдальної ЕРС e ₁ в енергосистемі, що живить контактну мережу, вказані вище індуктивності, комутатор випрямляча та навантаження, яке заміщене джерелом постійного струму i_d', приведеного до витків первинної обмотки трансформатора. Струм на вході комутатора за наявності індуктивностей вже не може миттєво змінити напрямок, оскільки цьому перешкоджає ЕРС самоіндукції (рис. 2.6, в). Існує інтервал γ, який нази-вають кутом комутації, протягом якого проводять струм усі чотири тиристори, а вхід комутатора (точки а і в) замкнений накоротко. Тому напруга u ₂ ' на вході комутатора має на інтервалі γ провал до нуля, а напруга u ₁ на вході електровоза – дещо менший провал (на рис. 2.6, б він заштрихований), через те що падіння напруги розподіляється між індуктивностями L _м і L _т. На міжкомутаційних інтервалах струм у мережі, який дорівнює ± i_d', постійний. Тому падіння напруги на індуктивностях відсутнє та u ₁ = u ₂ ' = е. Ясно, що зниження середньої на півперіоді вхідної напруги пропорційне вольт-секундній площі F_U:

, (2.2)

де Т /2 – тривалість півперіоду;

Δ i ₁ – приріст струму на інтервалі комутації(Δ i ₁ = 2 i_d'), який згідно з інтегральним законом електромагнітної індукції пропорційний вольтсе-кундній площі та зворотно пропорційний індуктивності.

Величина Δ u ₂ також може бути розрахована з (2.2) при підстановці L _м + L _т замість L _м. Якщо α ¹ 0, то зниження середньої напруги на двигуні може бути скомпенсоване зменшенням кута керування. Але при α = 0 такої можливості немає. Тому максимальна вихідна напруга на даному електровозі знижується на величину, яка пропорційна Δ u ₂, а на інших електровозах на лінії – Δ u ₁. Як бачимо з (2.2), це зниження пропорційне струму навантаження i_d, а також індуктивності мережі L _м, яка тим більша, чим далі знаходиться електровоз від підстанцій.

Перенапруги та перешкоди обумовлені спільною дією індуктивності та ємності контактної мережі. На рис. 2.7 показаний у великому масштабі по горизонтальній осі комутаційний інтервал γ. Пунктиром зображена вхідна напруга, якщо не враховується ємність мережі. При урахуванні ємності виявляється, що спільно з індуктивністю вона утворює коливальний контур. Тому нові значення вхідної напруги після початку та кінця комутації встановлюються з коливаннями (суцільні лінії). При цьому амплітуда напруги U_m може перевищувати амплітуду ЕРС е, а це при високій напрузі у контактній мережі знижує надійність її ізоляції. Миттєва напруга може також переходити через нульові значення, як це має місце у точці q₁. В системі керування випрямляча кут керування α відраховується від моменту переходу вхідної напруги через нульове значення (рис. 2.5, б). Наявність додаткових моментів переходу вхідної напруги через нульові значення (q₁ на рис. 2.7) може порушити нормальну роботу системи керування.

Усі перелічені недоліки призвели до того, що чисто фазове керування на електровозах не використовується. На електровозах, які розроблялись раніше ніж 25 років тому, використовується комбіноване амплітудно-фазове регулювання. Воно усуває недоліки фазового регулювання лише частково. На сучасних електровозах встановлюються випрямлячі з більш досконалим широтним регулюванням, які будуть розглянуті у розділі 4 посібника.