Применение статических преобразователей для питания обмоток возбуждения

ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

УДК 621.319.4:621.337.2.07

А. А. Богдан

ПРИМЕНЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ ОБМОТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ

В статье рассмотрены вопросы применения статических преобразователей для питания обмоток возбуждения грузовых электровозов постоянного тока в режиме электрического торможения. Для улучшения динамических характеристик процесса электрического торможения и повышения его экономической эффективности предлагается применение полупроводникового преобразователя.

импульсный преобразователь, тяговый электродвигатель, электрическое торможение.

Введение

В последнее время в связи с увеличивающейся долей грузовой работы особый интерес представляет применение рекуперативного торможения на грузовых электровозах, которое по ряду факторов в настоящее время используется недостаточно эффективно.

Рекуперация является дополнительным источником энергоснабжения для электроподвижного состава. Ее эффективное использование способствует не только уменьшению потребления электроэнергии из энергосистемы, т. е. экономии энергоресурсов, но и снижению условных потерь.

Особенность грузового движения заключается в том, что наибольшая эффективность рекуперации достигается на участках с затяжными спусками и тяговыми подстанциями, оборудованными инверторами для передачи рекуперативной энергии во внешнюю энергосистему. Однако не на всех железных дорогах с интенсивным грузовым движением имеются затяжные спуски. Более 70 % протяжённости российских железных дорог постоянного тока имеют равнинный профиль. В этих условиях возможность использования рекуперативного торможения на ЭПС уменьшается. А при высоких тари-

27

фах на электроэнергию любая возможность уменьшить энергопотребление не должна игнорироваться.

Поэтому целесообразно оценить эффективность рекуперации на равнинных участках с целью разработки решений для увеличения эффективности её использования. Например, Октябрьская железная дорога имеет в основном равнинный характер профиля и тяговые подстанции, не оборудованные инверторами. Тем не менее и на Октябрьской ж. д. есть возможность использования рекуперативного торможения в грузовом движении.

Рекуперативное торможение, применяемое на грузовых электровозах постоянного тока, позволяет экономить до 20-25 % электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. В настоящее время на сети дорог этот показатель колеблется в пределах 7-8 %. На Октябрьской ж. д. в силу сложившихся обстоятельств штатная схема рекуперации грузовых электровозов постоянного тока оказалась неработоспособной, что обусловило проблему перерасхода электроэнергии.

1 Особенности схемы питания обмоток возбуждения

электровоза ВЛ10 в режиме рекуперативного торможения

1.1 Постановка задачи

Идеальным является способ возбуждения, обеспечивающий торможение независимо от наличия напряжения в контактной сети, с полным использованием тормозных возможностей электровоза при минимальном усложнении его схемы и электрооборудования, с наиболее простым управлением тормозным процессом и наименьшим расходом электроэнергии. Однако выполнить все эти требования довольно трудно, так как они часто противоречат друг другу, поэтому во многих случаях приходится принимать компромиссные решения.

Классификацию систем питания (преобразователей) обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме электрического торможения можно представить в виде схемы, изображенной на рисунке 1.

На электровозах ВЛ10, ВЛ10У возбуждение тяговых двигателей осуществляется от двух электромашинных преобразователей постоянного тока -3000/-38, установленных по одному на секцию. Обмотки возбуждения тяговых двигателей включены последовательно-параллельно по две. Такое включение обмоток возбуждения, а также питание обмоток двигателей второй секции от другого источника обусловливает неодинаковый ток возбуждения тяговых двигателей, а следовательно и неодинаковую их нагрузку. Для сглаживания бросков тормозного тока при изменении уровня напряжения в контактной сети предусмотрено противовозбуждение возбудителя. С этой

28

Рис. 1. Классификация систем питания

целью в цепь якорей тяговых двигателей включены две обмотки противовозбуждения возбудителя.

Последовательно-параллельное соединение обмоток возбуждения и отсутствие средств автоматического регулирования является причиной расхождения токов якорей в режиме рекуперации, что наряду с инерционностью системы питания обмоток возбуждения создает предпосылки для разработки быстродействующей полупроводниковой схемы регулирования тока возбуждения, которая должна обеспечить поддержание токов якорей в заданных пределах при рекуперации и замещающем реостатном торможении.

Рассмотрим преимущества и недостатки известных способов регулирования тока возбуждения тяговых двигателей в режиме электрического торможения с помощью статических преобразователей.

29

2 Пути решения задачи

2.1 Применение полупроводниковых регуляторов напряжения

Для решения поставленного вопроса возможно применение бестрансформаторных устройств питания обмоток возбуждения двигателей электровоза, схемы которых приведены на рисунке 2.

К недостаткам схем, изображенных на рисунке 2, относятся:

- прямое подключение обмоток возбуждения к источнику питания;

- необходимость реализации незначительного коэффициента заполнения, который определяется сопротивлением обмоток возбуждения и может составлять величину порядка 0,001.. .0,01;

- низкий КПД.

Применение двухточечного преобразователя по схеме рисунка 2, б позволяет повысить коэффициент заполнения в два раза за счет увеличения числа полупроводниковых приборов (рис. 3).

В схеме рисунка 2, в нет прямой связи цепей обмоток возбуждения с источником питания, но дополнительный реактор с конденсатором увеличивают массу и габариты преобразователя (рис. 4, 5).

При использовании полумостового инвертора напряжения по схеме рисунка 2, г исключаются полностью управляемые ключевые элементы, но при малых нагрузках резко возрастает напряжение на конденсаторах. Так как изменение частоты включения тиристоров нецелесообразно, то регулировать ток возбуждения возможно управляемым выпрямителем.

2.2 Использование преобразователя с регулируемой длительностью перезаряда питающего конденсатора

Более перспективным является преобразователь, схема которого изображена на рисунке 6.

Если зарядить конденсатор до некоторого напряжения, то после выключения VS1 конденсатор С2 разряжается током нагрузки. При UC2 = 0 включается VS2, конденсаторы перезаряжаются, тиристор VS2 выключается и С2 снова разряжается током нагрузки. Отпирание тиристора VS3 на интервале разряда конденсатора приведет к перезаряду конденсатора С1. Таким образом, конденсатор С1 является не только составной частью делителя, который позволяет получить требуемый уровень напряжения на нагрузке, но и средством ограничения максимального напряжения на обкладках эквивалентного конденсатора

C =

C1 • C 2

при отпирании тиристора VS1. Алгоритм управления тиристо-

C1 + C 2 рами приведен на рисунке 7.

30

а)

к СУ

IGBT

"Я.

VDO

й

Ьф

Сф

0В1-

2

б)

Рис. 2. Принципиальные схемы статических преобразователей для питания обмоток возбуждения

31

32

Рис. 3. Результаты моделирования двухточечного преобразователя

33

Рис. 4. Результаты моделирования схемы с накопительным конденсатором

34

Рис. 5. Результаты моделирования схемы с накопительным конденсатором

Рис. 6. Принципиальная схема преобразователя с регулируемым дозарядом конденсатора

Рис. 7. Алгоритм управления тиристорами

После замены тиристора VS1 и диодов выпрямительного моста на полностью управляемые ключевые полупроводниковые элементы преобразователь приобретает новые свойства. Появляется возможность регулировать напряжение на конденсаторе в более широких пределах за счет изменения интервала времени (Л^2) потребления энергии от источника питания. Для повышения интенсивности снижения тока в обмотках возбуждения выпрямительный мост переводится в режим инвертирования путем выключения проводящих плеч и включения смежных с ними плеч (моменты выключения ключа VS1 и отпирания тиристора VS3 показаны на рисунке 7).

Примем, что на заданной частоте регулирования конденсатор С2 разряжается током нагрузки /н от некоторого значения UC2max до нуля:

T = UC 2 max ~ C 2 2 /„

35

Если ток нагрузки сглажен, т. е. 1н = const, то падение напряжения на обмотках возбуждения определяется по формуле:

&U = 7 • r.

Так как напряжение на конденсаторе С2 снижается при его разряде линейно, то

UC2max = 2 • 7 ' r.

Из (1) и (3) получаем величину емкости конденсатора С2:

C 2 =

Id • T

T

2 • 2 • Id • r

4 • r 4 • f • r

U

Отношение —— = у является условным «коэффициентом трансформа-

I • r

Н

ции». Тогда емкость конденсатора С1 определяется по формуле:

C2

C1 =

Y

3 Моделирование преобразователя

Разработанная компьютерная модель преобразователя в пакете MATLAB (рис. 8) позволяет определять параметры и производить исследования различных режимов работы схемы.

Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунках 9 и 10. На рисунке 9 показан режим, при котором напряжение на нагрузке равно минимальному значению, и, соответственно, время открытия тиристора VS3 выбрано таким образом, что к моменту открытия тиристора VS1 конденсаторы С1 и С2 успевают полностью перезарядиться и потребление энергии из контактной сети составляет минимальную величину, необходимую для поддержания начального значения тока возбуждения. На рисунке 10 показан режим, при котором напряжение на нагрузке составляет максимальное значение и перезаряда конденсаторов С1 и С2 не происходит.

Таким образом, регулируя фазу открытия тиристора VS3, можно осуществлять регулирование тока возбуждения тяговых электродвигателей, не изменяя при этом частоту работы ключей.

36

37

Рис. 8. Схема компьютерной модели преобразователя

38

Рис. 9. Результаты моделирования работы преобразователя при наименьшем заряде С2

39

Рис. 10. Результаты моделирования работы преобразователя при наибольшем заряде С2

Заключение

Применение предложенного преобразователя для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей позволяет существенно улучшить динамические характеристики схемы при переходных процессах, таких как потеря потребителя, изменение напряжения в контактной сети, возникновение юза колесных пар. Внедрение описанной схемы в сочетании с разработанной на кафедре «Электрическая тяга» ПГУПС схемы перехода на реостатное торможение для электровозов ВЛ10 позволяет расширить зону применения электрического торможения и использовать его даже при отсутствии потребителя на участках, не оборудованных инверторными подстанциями.

Библиографический список

1. Тяговое обеспечение перевозочного процесса / А. Л. Лисицын, Л. А. Мугин-штейн. - М. : Интекст, 2002. - 159 с.

2. Улучшение регулировочных свойств электровозов постоянного тока. Моделирование режимов тяги электровоза с модернизированной системой регулирования. Оценка экономической эффективности : отчёт о НИР. Ч. 3 / ПГУПС; рук. Мазнев А. С.; исполн. Богдан А. А. - СПб., 2009. - Библиогр.: с. 15-20.

3. Электровозы ВЛ10, ВЛ10У : руководство по эксплуатации - М. : Транспорт, 2006. - 265 с.

© Богдан А. А., 2012

40