7.4. Содержание отчета

1. Условие электрической устойчивости совместной работы генератора постоянного тока и тяговой сети и способы его достижения.

2. Особенности схемы рекуперативного торможения с противовозбуждением возбудителя и циклической стабилизацией тока возбуждения.

3. Электрическая схема лабораторного стенда для исследования работы рекуперативного тормоза на ЭПС постоянного тока.

4. Результаты экспериментального исследования рекуперативного тормоза электровоза постоянного тока (см. табл. 7.1).

5. Диаграммы I_я(n) при различных значениях тока возбуждения для параллельного и последовательного соединения двигателей.

6. Вывод об эффективности применения рекуперативного тормоза на электроподвижном составе.

7.5. Контрольные вопросы

1. Что понимается под понятием «электрическая устойчивость рекуперативного тормоза»?

2. Какой способ возбуждения ТЭД обеспечивает наибольшую электри­ческую устойчивость процесса рекуперативного торможения?

3. Для чего предназначена обмотка противовозбуждения возбудителя?

4. Как регулируется тормозная сила в схеме рекуперативного тормоза с противовозбуждением возбудителя?

5. Как на электровозах обеспечивается выравнивание нагрузки между параллельно работающими двигателями в режиме рекуперации?

Лабораторная работа 8

СИСТЕМЫ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: изучить схемы и принцип действия систем рекуперативного торможения электровозов переменного тока.

1. Общие сведения

Применение рекуператив­ного торможения на ЭПС переменного тока связано с преобра­зованием постоянного тока тяговых двигателей, работающих в гене­раторном режиме, в переменный, т. е. с инвертированием тока. Это предполагает выполнение нескольких условий, позволяющих реализовать данный режим.

Как известно, инверторный режим может быть получен соответствующим изменением угла отпирания вентилей преобразователя. Рассмотрим процесс фазового регулирования напряжения в схеме, приведенной на рис. 8.1. От начала полупериода до момента отпирания противофазного вентиля (ωt< α) выпрямленное напряжение имеет отрицательный знак и ток под воздействием ЭДС само­индукции протекает против ЭДС трансформатора. Следовательно, в этой части полупериода происходит передача энергии в обратном направлении из цепи выпрямленного тока в сеть переменного тока. В следующей части полупериода (ωt > α) выпрямленное напряжениеu_dстановится поло­жительным и ток протекает в направлении ЭДС трансформатора. При этом энергия поступает из сети переменного тока в цепь выпрямленного.

Из диаграммы, представленной на рис. 8.1, б, следует, что при угле отпирания вентилей α < π/2 будет прямое направление энергии из сети переменного тока в цепь постоянного. При α > π/2 ток, который вслед­ствие вентильного свойства выпрямителя не может изменить направления, будет протекать лишь при условии, что двигатели имеют обратную, чем в тяговом режиме, полярность и работают в генераторном режиме. Таким образом, для перехода в режим рекуперативного торможения необходимо, чтобы тяговые двигатели были переведены в генераторный режим при обратной относительно двигательного режима полярности, а угол отпирания вентилей α превышал 90°.

б

Поскольку в инверторном режиме ток протекает против ЭДС обмотки транс­форматора, у вентиля, не проводящего ток в начальную часть полупериода (α < π/2), потенциал анода выше потенциала катода. Вентиль оказывается под воздействием не обратного, а прямого напряжения, и коммутация тока может начаться в любой момент при его отпирании, следовательно, для осуществления инверторного режима необходим преобразователь, выполненный на управляемых вентилях – тиристорах. В мостовой схеме тиристорными должны быть все плечи, поскольку оба плеча, не проводящие ток в данном полупериоде, на­ходятся под воздействием прямого напряжения.

Для обеспечения нормального процесса инвертиро­вания угол α не должен быть больше определенного значения, при ко­тором процесс коммутации заканчивается в пределах данного полупериода (ωt= π) до прохождения кривой напряжения через ноль. Окон­чание коммутации тока в преобразователе до конца каждого полу­периода является важным условием нормальной работы инвертора. Если коммутация не закончится к концу текущего полупериода, то начнется обратная коммутация и в следующий полупериод ток будет протекать в обмотке трансформатора согласно с ЭДС. При этом возникает короткое замыкание последовательно соединенных выпрямителя и тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме. Это явление получило названиеопрокидывание инвертора.

Диаграмма напряжения, приведенная на рис. 8.1, б, предполагает мгновенную коммутацию вентильных плеч преобразователя. В действительности коммутация происходит за некоторый промежуток времени, продолжительность которого учитываетсяуглом коммутации γ(рис. 8.2).Длительность коммутации плеч преобразователя и, следовательно, значение угла γ будут пропорциональны индуктивности цепи переменного тока.

Таким образом, процесс коммутации должен заканчиваться до окончания полу­периода напряжения сети, т. е. угол γ < (π – α). При этом имеется некоторый угол запаса δ = (π – α – γ).

Угол δ всегда должен быть больше угла ωt_в, соответствующего времени восстановления запираю­щей способности вентилей, или (как принято его называть) времени выключения вентилейt_в.

Сумма углов γ и δ составляет угол β, равный (π – α), получивший название угла опережения открытия плеч преобразователя.

Рассмотрим процесс регулирования инвертируемого тока. Здесь возможны два варианта регулирования: при сохранении постоянными значений угла β или угла δ. Диаграммы напряжения, соответствующие обоим режимам, приведены на рис. 8.3.

а б

Рис. 8.3. Диаграммы напряжения преобразователя

при различных способах регулирования:

а – при β = const; б – при δ =const

В первом случае при β = const(рис. 8.3, а) с увеличением нагрузки угол γ увеличивается, а угол запаса δ уменьшается. Напряжение инвертора будет определяться по уравнению:

, (8.1)

где U_d 0– напряжение холостого хода инвертора;

Х_т– индуктивное сопротивление цепи переменного тока.

Характеристика инвертора ограничена некоторым минимальным значением угла запаса δ_min, составляющим на практике 25 – 27 эл. град.

Во втором случае при δ = const(рис. 8.3, б) с увеличением нагрузки увеличиваются углы β и γ. Напряжение инвертора при сохранении значения угла δ постоянным вычисляется по формуле:

. (8.2)

Способ регулирования инвертируемого тока позволяет поддерживать угол δ на уровне минимального значения по условиям нормальной работы инвертора, что соответствует наиболее благоприятной работе инвертора с точки зрения энергетических показателей электровоза. Коэффициент мощности

(8.3)

при δ = constдостигает бóльших значений, чем в режиме при β =const, что является значительным преимуществом данного способа.

Однако имеются определенные трудности в осуществлении регулирования при δ = const. Так как угол γ зависит от индуктивности цепи переменного тока Х_т, следует учитывать непостоянство значения γ, которое может быть вызвано изменением расстояния между электровозом и тяговой подстанцией, нахождением на участке нескольких электровозов и т. д. Следовательно, угол β_min= γ + δ_minдолжен быть выбран для наибольшей нагрузки и наибольшего значения Х_т, однако это нерационально, поскольку угол β_min, выбранный таким образом, будет значительным для нормальных условий работы. Для устранения этого недостатка требуется контролировать значение угла γ и с учетом его осуществлять управление открытием плеч преобразователя. В настоящее время на электровозах переменного тока с плавным регулированием напряжения используются специальные системы автоматического регулирования в режиме рекуперативного торможения, обеспечивающие контроль углов γ и δ и позволяющие повысить энергетические показатели этих электровозов.

Вид внешней характеристики оказывает существенное влияние на работу инвертора. Рассмотрим внешние характеристики инвертора в обоих режимах регулирования (при β = constи δ =const), приведенные на рис. 8.4.

а б

Рис. 8.4. Внешние характеристики инвертора и генератора

при различных способах регулирования:

а – при β = const; б – при δ =const

Используя условие электрической устойчивости [2], которое применительно к рассматриваемым режимам торможения выражается неравенством

, (8.4)

и внешние характеристики инвертора, можно сделать вывод о том, что при β = const(рис. 8.4, а) работа рекуперативного тормоза электрически устойчива, а при δ =const(рис. 8.4, б) – неустойчива. Обеспечить электрическую устойчи­вость при регулировании с постоянным углом δ можно двумя путями: ввести в цепь нагрузки большое добавочное сопротивление либо осуществить проти­возбуждение ТЭД. На практике применяется первый способ при независимом возбуждении тяговых двигателей. При этом в цепь ТЭД в режиме рекуперативного торможения вводится добавочное сопротивление, получившее названиебалластного резистора (см. резисторыR_бна рис. 8.6). В этом случае внешняя характеристика генератораE_д(I) –I_dR_ббудет наклонена круче, чем характеристика инвертораU_d(I) (см. рис. 8.4, б). Недостатком такого решения являются дополнительные потери энергии на балластных резисторах, составляющие до 10 – 15 % от общих потерь энергии.

Скорость ЭПС при рекуперации регулируется изменением напряжения выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИПов), работающих в инверторном режиме, и тока возбуждения тяговых двигателей. Для питания обмоток воз­буждения применяют отдельные выпрямители низкого напряжения с фазовым регулированием – выпрямительные установки возбуждения, которые в свою очередь, как правило, получают питание от отдельной обмотки главного трансформатора электровоза. При этом обмотки возбуждения всех двигателей соединяются последовательно, что обеспе­чивает оптимальное соотношение напряжения и тока ВУВ.

Для обеспечения оптимального коэффи­циента мощности ЭПС регулирование угла β в режиме рекуперации используется только в ограниченных пределах с целью поддержания минимального угла запаса, поэтому при рекуперации применяют то же средство регулирования напряжения, что и в тяговом режиме, – зонно-фазовое регулирование выпрямленного напряжения (рис. 8.5).

а б

Рис. 8.5. Схема (а) и диаграммы напряжения (б) преобразователя

при зонно-фазовом регулировании в режиме рекуперативного торможения

В начальный момент времени (t= 0) работают плечиVS1,VS6. В промежуток времени от начала полупериода до ωt= α ток протекает по «большому» контуру преобразователя встречно ЭДС двух секций вторичной обмотки трансформатора. Затем подается сигнал открытия на плечоVS4, вследствие чего начинается фазовая коммутация, в процессе которой плечоVS6 закрывается, и ток протекает по «малому» контуру преобразователя через плечиVS1 иVS4. Коммутация инвертора происходит в момент времени ωt= (π – β), при котором плечиVS2,VS5 открываются. В следующий полупериод процесс переключения протекания тока по «большому» и «малому» контурам повторяется.

Зонно-фазовое регулирование в режиме рекуперативного торможения, как и в режиме тяги, позволяет значительно повысить коэффициент мощности электровоза.

Большое значение имеет защита от короткого замыкания, возникающего в режиме инвертирования при всяком нарушении питания цепей электровоза переменным напряжением, в зависимости от формы которого осуществляется управление коммута­цией тока в выпрямителе. Выключение тяговой подстанции, отрыв токоприемника от контактного провода, поломка токоприемника, выключение главного выключателя электровоза, а также неисправ­ности в управлении ВИПами приводят не к исчезновению тока в цепи двигателей, а к нарушению нормального процесса коммутации тиристорных плеч, что может явиться причиной короткого замыкания тяговых дви­гателей через обмотку транс­форматора и вентили, по которым в момент нарушения режима протекал ток. Поэтому основным условием нормальной эксплуатации рекупе­ративного тормоза на электровозах переменного тока является высокая надеж­ность защиты от короткого замыкания этого вида. Защита в режиме опрокидывания инвер­тора обеспечивается индивидуальными быстродействующими вы­ключателями QF(рис. 8.6).

Как правило, на электровозах переменного тока с плавным регулированием напряжения (ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К) в режиме рекуперации, как и в режиме тяги, предусмотрены четыре зоны плавного фазового регулирования напряжения.

Рассмотрим работу силовых цепей электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения (см. рис. 8.6). При переходе в режим рекуперативного торможения тяговые двигатели переводятся на независимое возбуждение. Обмотки возбуждения всех восьми двигателей двух секций электровоза соединяются последо­вательно и питаются от общей выпрямительной установки ВУВ. В цепь якорей вводятся балластные резисторы R_б. Каждые два дви­гателя через сглаживающие реакторы включены на отдельный преоб­разователь (ВИП). Быстродействующие выключателиQF1 –QF4 предназначены в основном для защиты при «опроки­дывании» инвертора, но используются и для защиты в режиме тяги. Система автоматического регулирования обеспечивает плавное изменение тормозной силы электровоза в пределах всех четырех зон регулирования. Аналогичным образом режим рекуперативного торможения реализуется на всех электровозах переменного тока с плавным регулированием напряжения.

Рис. 8.6. Упрощенная схема силовых цепей электровоза переменного тока

в режиме рекуперативного торможения

Рекуперативное торможение на ЭПС переменного тока может осуществляться до полной остановки электровоза при реализации полной силы торможения в режиме противотока, для осу­ществления которого преобразователь переводится в режим выпрямле­ния на первой зоне регулирования при угле открытия тиристорных плеч α < 90°.