5.1. Общие сведения

Плавное регулирование напряжения тяговых электродвигателей (ТЭД) электроподвижного состава постоянного тока может быть достигнуто за счет применения методов импульсного управления, суть которого заключается в пре­образовании непрерывного входного сигнала в дискретный на выходе. При этом чередование импульсов и пауз выходного сигнала происходит с определенной закономерностью, устанавливаемой системой управления.

Системы импульсного управления имеют некоторые преимущества по сравнению с системами ступенчатого регулирования, а именно: возможность плавного регулирования напряжения, подведенного к тяговым двигате­лям от сети; суще­ственная экономия электрической энергии, потребляемой на тягу, за счет устранения реостатного пуска; улучшение тяговых качеств электровозов вследствие устранения колебаний сил тяги, свойственных ступенчатому регулированию; возможность автоматизировать процессы пуска и электрического торможения ЭПС; снижение эксплуатационных расходов вследствие применения бесконтактных преобразователей взамен контакторных коммутационных аппаратов; повышение эксплуатационной надежности и удобства управления локомотивом.

Существуют три основные системы импульсного регулирования: амплитудно-,широтно- ичастотно-импульсное. При внедрении импульсного регулирования на ЭПС постоянного тока предпочтение отдается последним двум системам.

Рассмотрим особенности системы импульсного регулирования. Упрощенная электрическая схема электровоза постоянного тока приведена на рис. 5.1. В цепь питания тягового двигателя М включается преобразователь UZ, работающий в режиме ключа и преобразующий постоянное входное напряжение в серию чередующихся импульсов. В интервал времени, когда преобразователь находится в открытом состоянии, на двигатель поступает импульс питающего напряжения. При закрытом состоянии преобразователя в питающем напряжении двигателя образуется пауза.

На выходе преобразо­вателя включен сглажи­вающий реакторL2 (см. рис. 5.1), уменьшающий пульсацию питающего тока двигателяI_д. Для обеспече­ния непрерывности токаI_дпри паузе питающего нап­ряжения двигатель шунти­рован вентилемVD. Для обеспечения непрерывнос­ти токаI_с, поступающего из контактной сети, на входе схемы включен сглажива­ющий фильтр, состоящий из дросселяL1 и конден-

сатора С. В интервале, когда преобразователь UZоткрыт (импульс), конденсатор С разряжается, а когдаUZзакрыт (пауза) – заряжается. ДроссельL1 служит для уменьшения пульсации тока сети.

При частотно-импульсном регулировании (ЧИР) формирование среднего напряженияU_д, питающего тяговый двигатель, осуществляется за счет изменения частоты подачи импульсов напряжения при постоянной ширине импульсаt_и(рис. 5.2, а). Уменьшая период регулирования от Т₁до Т₂, можно повысить выходное напряжение сU_д 1доU_д 2.

При широтно-импульсном регулировании (ШИР) изменяются время открытого состояния преобразователяt_ии время паузыt_ппри постоянной частоте импульсов (рис. 5.2, б), при этом период регулирования. При широтно-импульсном регулировании, увеличивая ширину импульса отt_и.1доt_и.2, можно повысить напряжение сU_д 1доU_д 2.

Для обеих систем регулирования при прямоугольной форме импульсов среднее напряжение на двигателе определяется по уравнению:

, (5.1)

где – коэффициент заполнения импульсов (коэффициент скважности).

Изменяя коэффициент заполнения λ от нуля до практически единицы, можно плавно регулировать напряжение на тяговом двигателе в пределах от нуля до U_c.

а в

б г

Рис. 5.2. Диаграммы напряжения на выходе преобразователя

при частотно-импульсном (а, б) и широтно-импульсном (в, г)

методах регулирования

Импульсные системы регулирования применяются на электроподвижном составе постоянного тока в некоторых странах (например, на электровозах серии ВВ7200 – во Франции). На отечественном железнодорожном транспорте данный способ регулирования был опробован на опытных образцах электровозов и электропоездов, но не был принят для серийного использования в силу ряда причин, носящих технический и экономический характер.

Основной сложностью использования на ЭПС импульсного регулирования является необходимость создания быстродействующего и по возможности безынерционного преобразователя. Использование в качестве элементной базы преобразователя тиристоров затруднительно, поскольку в этом случае возникает проблема искусственной коммутации преобразователя, что требует применения специальных схем, обеспечивающих запирание тиристоров преобразователя (например, при помощи коммутирующих конденсаторов и т. д.), в результате чего электровоз оказывается неоправданно дорогим и ненадежным в эксплуатации.

В последние десятилетия достижения в области производства силовых полупроводниковых приборов открыли новые перспективы для создания ЭПС постоянного тока с импульсным регулированием. Это связано в первую очередь с созданием силовых полупроводниковых преобразователей на базе IGBT-транзисторов (силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором) иGTO-тиристоров (силовых запираемых тиристоров).