Влияние параметров полупроводниковых приборов на характеристики электровозов переменного тока в режиме ослабленного возбуждения

показывает, что использование ФЭ снижает потребляемые ток и мощность и обеспечивает практическую возможность регулирования соотношения между тепловой и механической составляющими мощности ЭТК.

Заключение

В статье приведены аналитические и расчетно-графические модели, позволяющие проектировать исполнительные элементы ЭТК транспортного назначения с требуемыми эксплуатационными показателями температуры, производительности или давления. Погрешность аналитического определения температуры неподвижного нагревательного элемента при номинальной частоте питающего напряжения не превышает 3 %. Численно показано и экспериментально подтверждено, что соотношение между тепловой и механической составляющими мощности может обеспечиваться при проектировании за счет выбора размеров внутреннего ФЭ.

Библиографический список

1. Теплогенерирующие электромеханические устройства и комплексы / С. Н. Иванов, К. К. Ким, В. М. Кузьмин. - СПб. : ОМ-пресс, 2009. - 347 с.

2. Теплотехника на подвижном составе железных дорог : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / И. Г. Киселев. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2008. - 278 с.

Статья поступила в редакцию 25.06.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным

УДК 629.423.32:621.38

М. В. Калинин

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ ОСЛАБЛЕННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Рассмотрены схемные решения регулирования возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока. Приведены алгоритм работы систем в штатных и аварийных режимах и результаты расчета характеристик электровоза при ослабленном возбуждении.

тяговый двигатель постоянного (пульсирующего) тока, полупроводниковый элемент, тиристор, индуктивный шунт, IGBT-модуль, MOSFET-транзистор.

Введение

Регулирование возбуждения - средство более полного использования возможностей (свойств) тяговых двигателей, которое применяется для изменения скорости электрического подвижного состава (ЭПС) во время движения при естественных характеристиках двигателя; для повышения плавности пуска, ликвидации боксования (юза) колесных пар либо путем ослабления возбуждения двигателя, связанного с боксующей осью, либо увеличения тока возбуждения двигателя, включенного последовательно и связанного с небоксующей осью, а также для защиты тяговых двигателей в режиме рекуперации путем их быстрого размагничивания.

Ослабление возбуждения реализуется за счет:

шунтирования обмотки возбуждения резистором или резистором с индуктивным шунтом (серийные электровозы ВЛ, ЧС и ЭП, электропоезда ЭР, ЭТ, ЭД, ЭМ);

применения импульсного регулирования возбуждения (электропоезд ЭР200 и электровозы ВЛ80РК, ВЛ84, Sr-1);

использования в цепи ослабления возбуждения резисторов и полупроводниковых приборов;

секционирования обмотки возбуждения.

На отечественных электровозах переменного тока с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД) наибольшее распространение получила контакторно-резисторная система регулирования возбуждения с использованием индуктивных шунтов (ИШ) для реализации ступенчатого изменения степени ослабления (рис. 1) [1]. В зависимости от типа подвижного состава и рода его работы предусматривается от трех до пяти ступеней ослабления возбуждения. ИШ предназначен для улучшения коммутации в ТЭД при переходных процессах. Для сглаживания пульсаций магнитного потока на ЭПС переменного тока в цепь, шунтирующую обмотку возбуждения, дополнительно включен постоянный резистор R2.

Целесообразность применения в системах ослабления возбуждения полупроводниковых элементов диктуется дороговизной, габаритными показателями индуктивных шунтов, возможность замены которых при выходе из строя практически отсутствует.

Параметры полупроводниковых приборов (табл. 1) обеспечивают возможность использования их в системах регулирования возбуждения тяговых двигателей [3]. В качестве ключевого элемента могут быть использованы однооперационные тиристоры SCR, управляемые тиристоры GTO, IGCT и транзисторы IGBT, MOSFET. Широкая элементная база силовых электронных приборов, хорошо налаженное их производство и высокие показатели их работоспособности и эффективности не снижают надежность работы электровоза в режиме ослабления возбуждения.

Рис. 1. Общий вид схемы ослабления возбуждения ТЭД на ЭПС переменного тока

1 Применение тиристоров SCR в системе ослабления возбуждения

На рис. 2 представлена система ослабления возбуждения с использованием однооперационного тиристора.

Незначительное падение напряжения на обмотке главных полюсов тягового двигателя типа НБ418 не позволяет применить коммутационный узел с подключением конденсатора параллельно обмотке возбуждения [4].

В исходном состоянии (перед включением контактора Кш) коммутирующий конденсатор Ск заряжен (до напряжения, равного ЭДС вращения). После отпирания главного тиристора VS1 реализуется режим ослабленного возбуждения.

После отрыва токоприемника от контактного провода произойдет снижение тока двигателей, ЭДС вращения и магнитного потока до нулевых значений, что приведет к запиранию тиристора VS1. При восстановлении контакта токоприемника с контактным проводом двигатель будет работать в режиме полного возбуждения, что снизит амплитуду тока ТЭД и улучшит потенциальные условия на коллекторе. По истечении времени задержки, предусмотренной системой управления, тиристор VS1 включится и двигатель перейдет в режим ослабленного возбуждения. Для ограничения послекоммутационного напряжения на конденсаторе при отрыве токоприемника параллельно якорю двигателя включен обратный диод VD [5].

ТАБЛИЦА 1. Параметры полупроводниковых приборов

Тип прибора Модель Допустимое напряжение £4 в Прямой ТОК Id, А Пороговое напряжение Uq, В Динамическое сопротивление г г, Ом При токе 100-700 А

Падение напряжения на приборе д£^спп, В Падение напряжения на индуктивном шунте ДС/иш, В Падение напряжения на обмотке возбуждения ДОв тяговых двигателей электровозов ВЛ80С (ВЛ80Т), В

Диод Д133-800-8 1200 800 1,0 0,00027 1,027-1,19 0,51-3,57 0,79-5,53

Тиристор SCR ТБ453-800 1400 800 1,35 0,00055 1,405-1,74

Тиристор GTO 5SGA 25Н2501 1400 830 1,66 0,00057 1,717-2,06

Т иристор IGCT 5SHY 42L6500 1400 800 1,65 0,0006 1,71-2,07

Транзистор IGBT М2ТКИ-600-12 1200 600 0,9 0,00129 1,029-1,8

Транзистор MOSFET NP180N04TUG 800 900 - 0,0048 0,48-3,36

©

Т'

ОВ

Rob

ДТВ

ДТШ

я+

r3

yVD -± с

+

t

Ro

r

ш

СУ

"ii VS2

i

VS1 ^ Кш

К1

К2

Рис. 2. Система ослабления возбуждения тягового двигателя на однооперационных тиристорах

При набросе напряжения ток ТЭД возрастает, включается тиристор VS2, что приводит к запиранию тиристора VS1. По окончании процесса перезарядки конденсатора ток конденсатора снижается до нуля, тиристор VS2 запирается, ток якоря замыкается по цепи обратного диода.

Для контроля параметров цепи ослабления возбуждения в схему включены датчики тока возбуждения и тока шунтирующей цепи. При достижении минимального значения коэффициента в выключается тиристор VS1.

В режиме ослабленного возбуждения коэффициент регулирования возбуждения в определяется величинами сопротивлений резисторов Яш и Ro и падением напряжения на тиристоре:

^То) +/ц

(г.+ю

^т(т0) +4

L

c

к

В

ш

где t/T( ) - пороговое напряжение тиристора;

Г - динамическое сопротивление тиристора.

На испытательной станции локомотивного депо были исследованы переходные процессы в цепи тягового двигателя постоянного тока, работающего в режиме ослабленного возбуждения: без ИШ;

с использованием в шунтирующей цепи штатного ИШ; с использованием в шунтирующей цепи тиристора.

Из рис. 3 видно, что наибольшие броски тока при включении контактора ослабления возбуждения имеют место в схеме без ИШ.

2 Устройство ослабления возбуждения на MOSFET-транзисторах

В качестве ключевого элемента в системе ослабления возбуждения ТЭД могут быть использованы MOSFET-тршзисторы (рис. 4). Коэффициент регулирования возбуждения определяется следующим образом:

р= К

K+RJ

„ Rq ’(RDS(on) +Rm) где = » . „ . „ ’ ^DS (on) + +

здесь RDS(on) - прямое сопротивление транзистора.

К1

К2 ___

Д, Rm

ОВ

R

ОВ

R

о

VT1

VT2

J

СУ

т:

К-

1

Кш

ДТШ

ДН

ДТВ

•5

+

Рис. 4. Схема электронного шунта на MOSFET-транзисторах

Алгоритм работы устройства приведен на рис. 5.

Для исключения влияния резистора R0 на амплитуду тока двигателя при восстановлении напряжения питания в схеме предусмотрен дополнительный транзистор VT2.

На рис. 6, 7 приведены обобщенные характеристики электровоза (на примере электровоза переменного тока ВЛ80С) в режиме ослабления возбуждения, позволяющие оценивать влияние полупроводниковых приборов на коэффициент регулирования возбуждения.

Современные силовые электронные ключи с пороговым напряжением 0,9...1,7 В увеличивают жесткость штатной тяговой характеристики электровоза переменного тока в режиме ослабления возбуждения на 34 %. Повышение порогового напряжения сопровождается ростом зависимости коэффициента регулирования возбуждения от тока якоря. Благодаря своим особенностям (незначительное прямое сопротивление в проводящем состоянии, равномерное распределение тока при параллельном включении) MOSFET-транзисторы могут быть использованы на электровозах переменного тока с двигателями, имеющими малое падение напряжения при токах 100.1200 А,

практически не оказывая влияния на величину коэффициента регулирования возбуждения.

Рис. 5. Алгоритм работы безындуктивного шунта

Режим восстановления контакта между токоприемником и контактным проводом, как наиболее опасный нестационарный режим работы ТЭД, был рассчитан для различных систем регулирования возбуждения: штатное ослабление - 43 %, полное возбуждение с резистором R0, полное возбуждение с выключением резистора R0 (рис. 8).

Из рис. 8 видно, что с выключением режима ослабления возбуждения с дополнительным отключением шунтирующего резистора броски тока уменьшаются на 15 %.

Рис. 6. Зависимость коэффициента ослабления от тока

Fk, кгс

Рис. 7. Тяговые характеристики электровоза ВЛ80С

6000

5000

4000

^ 3000

2000

1000

0

ПВ без R0

ПВ с R0

^ ОВ 43%

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

t, с

Рис. 8. Ток якоря при восстановлении напряжения

Заключение

Применение полупроводниковых приборов в схемах ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока позволит улучшить условия работы ТЭД и контакторной аппаратуры в штатных и нестационарных режимах работы.

Библиографический список

1. Электронное устройство ослабления возбуждения тяговых электродвигателей

электровозов переменного тока / М. В. Калинин // Повышение тягово-энергетической эффективности и надежности электроподвижного состава : межвузовский

тематический сборник научных трудов. - Омск : ОмГУПС. - 2009. - С. 50-53.

2. Совершенствование систем регулирования возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев, М. В. Калинин // Транспорт Урала. - 2009. - № 1 (20). - С. 63-66.

3. Электронные системы ослабления возбуждения тяговых двигателей электровозов переменного тока / М. В. Калинин // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2009. - Вып. 2. - С. 18-28.

4. Особенности построения электронных систем управления тяговым приводом электрического подвижного состава постоянного тока / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Транспорт Урала. - 2008. - № 1. - С. 52.

5. Интегрированная система управления тяговым приводом электрического подвижного состава постоянного тока / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Транспорт Урала. - 2007. - № 2. - С. 46-49.

Статья поступила в редакцию 30.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным