3.4. Содержание отчета

1. Преимущества и недостатки ступенчатого регулирования на ЭПС переменного тока. Перечень серий отечественных электропоездов переменного тока, на которых данный способ регулирования применяется.

2. Исследуемая электрическая схема силовых цепей электропоезда переменного тока.

3. Результаты исследования ступенчатого регулирования напряжения ТЭД в виде таблицы замыкания контакторов силового контроллера электропоезда (см. табл. 3.2).

4. Диаграмма изменения напряжения тягового двигателя в процессе ступенчатого регулирования.

5. Осциллограммы напряжения на тяговых двигателях.

6. Вывод о перспективах применения ступенчатого регулирования напряжения тяговых двигателей на электропоездах переменного тока.

3.5. Контрольные вопросы

1. Какие предпосылки обусловили применение ступенчатого регулирования напряжения ТЭД на электропоездах переменного тока?

2. Какой способ переключения секций вторичной обмотки тягового трансформатора применяется на электропоездах? Почему?

3. Каким образом формируется выпрямленное напряжение для питания ТЭД при переходе с одной позиции регулирования на другую?

4. Как достигается удвоение позиций регулирования в схеме с вентильными пробками?

Лабораторная работа 4

ПЛАВНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: изучить схемы плавного регулирования напряжения тяговых двигателей электровозов переменного тока и процессы, протекающие в электрических цепях.

4.1. Общие сведения

Применение плавного регулирования напряжения тяговых двигателей явилось новым этапом в создании систем управления электроподвижным составом, пришедших на смену системам ступенчатого регулирования. Вместо ограниченного числа ступеней изменения напряжения ТЭД при ступенчатом регулировании в распоряжении машиниста при плавном регулировании имеется бесконечное число позиций, образующих так называемые зоны регулирования напряжения, имеющие ограничения по условиям сцепления колеса с рельсом, коммутации тяговых двигателей, максимальной скорости движения.

Следует отметить, что на ЭПС переменного тока изначально имелось больше возможностей для применения плавного регулирования, чем на ЭПС постоянного тока. Еще до создания силовых полупроводниковых приборов были сделаны попытки использования плавного регулирования при помощи коллекторного регулятора, плавного регулирования вторичного напряжения тягового трансформатора роликовыми контактами, регулирования напряжения между ступенями при помощи магнитных усилителей и ртутных игнитронов. Появление управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров) дало возможность создания ЭПС с плавным регулированием – электровозов ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К. Проектируемые и изготовляемые в настоящее время электровозы переменного тока оснащаются только системами плавного регулирования напряжения тяговых двигателей.

Рассмотрим способы плавного регулирования напряжения. В отличие от ступенчатого регулирования, при котором изменение напряжения осуществляется изменением коэффициента трансформации k_тр тягового трансформатора электровоза путем переключения на высшей или низшей его стороне, при плавном регулировании изменяется форма и в конечном итоге величина выпрямленного напряжения. При этом обязательным требованием является наличие в выпрямительной установке управляемых вентилей – тиристоров, меняя момент времени открытия которых, можно регулировать напряжение на выходе выпрямителя. Наиболее простым способом плавного регулирования является фазовое. Схема управляемого выпрямителя VS1 – VS4, от которого получает питание двигатель М, а также диаграммы напряжения и тока в элементах схемы при допущении мгновенной коммутации плеч выпрямителя представлены на рис. 4.1.

Если в схеме (рис. 4.1, а) задерживать момент отпирания плеч выпрямителя на некоторый угол α, то коммутация тока i, протекающего по вторичной обмотке трансформатора TV, не будет совпадать с началом полупериода, а будет происходить со сдвигом на величину этого угла (рис. 4.1, б). Напряжение, приложенное к двигателю в момент открытия вентилей VS1, VS3, равно и далее изменяется по синусоиде до значенияПри этом выпрямленное напряжение

, (4.1)

где – максимальное выпрямленное напряжение при α = 0;

– действующее значение переменного напряжения.

а б

Рис. 4.1. Фазовое регулирование напряжения тягового двигателя:

а – схема фазового регулирования выпрямленного напряжения;

б – диаграммы напряжения и тока

Из формулы (4.1) следует, что чем больше угол α, тем меньше выпрямленное напряжение и при α = 90 эл. град выпрямленное напряжение в данной схеме равно нулю.

Следует отметить, что задержка открытия тиристоров на угол α приводит к снижению коэффициента мощности χ. Из диаграмм, представленных на рис. 4.1, б, следует, что кривая тока i смещается по отношению к кривой напряжения u₂ на величину угла α. В этом случае , а коэффициент мощности

. (4.2)

Анализируя формулу (4.2), видим, что коэффициент мощности снижается с уменьшением выпрямленного напряжения. Повысить значение коэффициента χ при фазовом регулировании можно при использовании в схеме так называемых буферных (нулевых) контуров при помощи нулевых диодов или путем применения специального алгоритма управления открытием тиристоров. Буферный контур не позволяет сетевому току протекать через тиристоры в непроводящую часть полупериода, т. е. в течение времени ωt от нуля до α. Одновременно через этот контур замыкается ток тягового двигателя, продолжающий протекать под действием ЭДС самоиндукции. Благодаря применению буферного контура угол α в данной схеме можно регулировать в диапазоне от нуля до π (рис. 4.2, б).

Указанные меры не позволяют достигнуть приемлемого значения коэффициента мощности при изменении напряжения ТЭД путем фазового регулирования во всем диапазоне скоростей движения (особенно в зоне низких скоростей). Для того чтобы повысить коэффициент мощности, применяется зонно-фазовое регулирование. Схема и диаграммы выпрямленного напряжения, поясняющие данный способ регулирования, приведены на рис. 4.2.

Вторичная обмотка трансформатора TV поделена на несколько секций, выводы которых подключаются к управляемому выпрямителю (рис. 4.2, а).

На первой зоне регулирования (см. рис. 4.2, б) в один полупериод работают плечи VS1, VS4, в другой – плечи VS2, VS3. В начале соответствующего полупериода открытием тиристора VS1 или VS3 (α₀ = 0) создается буферный контур для протекания тока ТЭД (через тиристоры VS1, VS2 в один полупериод, через VS3, VS4 – в другой). Изменяя угол α открытия тиристоров VS2 и VS4, в пределах зоны регулируют выпрямленное напряжение U_d0 от нуля до .

Значение выпрямленного напряжения на первой зоне регулирования

(4.3)

На второй зоне регулирования (рис. 4.2, в) в момент начала одного полупериода открываются плечи VS1 и VS4 (угол α₀ = 0). Затем с задержкой на угол α открывается тиристор VS6, закрывая плечо VS4, и действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя увеличивается с U_c до . Во второй полупериод аналогичным образом сначала работают тиристорыVS2, VS3, затем – плечи VS2, VS5.

б

а в

Рис. 4.2. Зонно-фазовое регулирование напряжения тягового двигателя:

а – схема зонно-фазового регулирования выпрямленного напряжения;

б, в – диаграмма напряжения на первой и второй зонах регулирования

При этом выпрямленное напряжение U_d0 в границах второй зоны регулирования меняется от при α = π до напряженияU'_d0, равного при α = 0, а текущее значение напряжения определится по формуле:

(4.4)

Коэффициент мощности при зонно-фазовом регулировании изменяется согласно зависимостям, приведенным на рис. 4.3.

При простом фазовом регулировании выпрямленного напряжения в пределах от нуля до U_d0 изменение коэффициента мощности показано кривой 1 (см. рис. 4.3), в пределах от нуля до U'_d0 – кривой 2. Кривая 3 показывает изменение коэффициента мощности при зонно-фазовом регулировании. По мере увеличения выпрямленного напряжения коэффициент мощности χ также увеличивается, приближаясь к максимальному значению: при α = 0.

При сопоставлении кривых 2 и 3 на рис. 4.3 видно, что зонно-фазовое регулирование позволяет работать с бóльшим коэффициентом мощности в сравнении с простым фазовым регулированием (см. рис. 4.3, участок от нуля до U_d0).

Известно много вариан­тов схем с зонно-фазовым регули­рованием, которые различаются числом зон и соотношениями напряжения в зонах. Как правило, число тиристорных мостов в схеме выпрямления преимущественно принимают менее четырех: три и два. Можно также использовать мосты с разным выпрямлен­ным напряжением. При этом два моста позволяют применить трехзонное регулирование, а три – с соотношением значений напряжения 1:1:2 – четырехзонное. При соотношении значений напряжения мостов 1:2:3 можно по­лучить шесть зон, а при соотношении 1:2:4 – семь.

Наиболееоптимальным с точки зрения технико-экономи-ческих показателей является использование на ЭПС трех или четырех зон регулирования. Большее число зон ведет к усложнению конструкции тягового трансформатора, увеличению числа плеч выпрямительной установки и усложнению системы управления ею. На эксплуатируемых отечественных электровозах переменного тока применяются четырехзонные управляемые пре-

образователи, способные работать в выпрямительном и инверторном режимах и характеризующиеся достаточно высоким коэффициентом мощности благодаря зонно-фазовому регулированию.