Выполнение теоретических исследовании по моделирование импульсного регулятор напряжения (ИРН), Схемы и работа импульсного регулятор напряжения (ИРН) - Исследование импульсного регулирования асинхронного двигателя электроподвижного состава

Схемы и работа импульсного регулятор напряжения (ИРН)

Принцип работы импульсных преобразователей энергии.

Импульсное преобразование энергии достигается периодическим включением и выключением управляемых диодов тиристорного прерывателя ТП. Этим обеспечиваются ступенчатое изменение напряжения, приложенного к нагрузке, и прерывистое изменение уровня потребления энергии от источника питания. Если ТП включен параллельно некоторому сопротивлению как это показано на рис. штриховой линией, то говорят об импульсном регулировании, сопротивления (ИРС).

В тех случаях, когда R= ?, имеет место импульсное регулирование напряжения (ИРН). Включение и выключение тиристоров ТП сопровождается пульсациями тока источника питания ЯD и нагрузки Я. Непрерывность тока ID в системах ИРН обеспечивается включением фильтра LФ-СФ на вход ТП.

При выключенных тиристорах ТП ток I Поддерживается электромагнитной энергией, накопленной в нагрузке и сглаживающем реакторе через цепь, содержащую группу разгрузочных диодов Д. Наличие разгрузочной цепи обусловливает неравенство средних токов нагрузки и источника питания и облегчает выключение тиристоров ТП в системах ИРН. Комплекс устройств, содержащий ТП, фильтр, сглаживающий реактор и группу разгрузочных диодов Д, называется импульсным преобразователем энергии (ИПЭ). Обычно ТП и Д выполняются конструктивно в одном блоке. Для отключения ИПЭ от источника энергии нормальных и аварийных режима используется автомат А. Диаграмма изменения токов при работе ИПЭ приведена на рис. 1--1,6; здесь же пунктиром показано изменение напряжения на нагрузке. В интервале потребления энергии ТЕ ток нагрузки

Я = ЯD + ЯФ (3-1)

Где iФ--ТОК фильтра.

А) принципиальная схема; б) изменение токов и напряжений

В этом интервале ток нагрузки изменяется от минимального значения IМ до максимального IБ. В интервале ТU энергия от источника энергии не потребляется, поэтому ток I ,спадает от IБ до IК. Ток источника питания

ID = IФ (1-2)

И происходит заряд емкости фильтра. Режим импульсного потребления энергии, при котором изменение токов и напряжений внутри каждого периода тождественно повторяется, называется квазиустановившимся режимом. В квазиустановившимся режиме средние значения ТОКОВ и напряжений сохраняются неизменными. Напряжение источника питания

UD = const прикладывается к нагрузке только в интервале ТЕ. Поэтому среднее значение напряжения на нагрузке

Где относительное время потребления энергии, которое в дальнейшем будем называть коэффициентом заполнения. Среднее напряжение на конденсаторе фильтра может сохраняться неизменным только при условии, что среднее значение, разряда в интервале ТЕ равно среднему значению заряда в интервале ТД. Это условие можно записать в виде средних токов:

Из (1-4) определяется соотношение между средними значениями тока нагрузки I И источника питания ID :

- так как

ТЕ + ТД = Т (1 - 6)

Если нагрузкой являются nД двигателей, включенных в аД параллельные группы, то ток и напряжение каждого из тяговых двигателей:

Где mД--число последовательно включенных двигателей каждой параллельной группы. Таким образом изменением коэффициента заполнения л может быть достигнуто требуемое регулирование напряжения и тока тяговых двигателей. Изменение л производится системой управления ТП. По способу изменения л различают: широтное регулирование, при котором изменяют ТЕ при сохранении Т = соnst ; частотное регулирование, когда ТЕ = const или TN = const, а изменяют частоту и широтно - частотное регулирование, сочетающее одновременное изменение ТЕ и cистемы ИРС и ИРН могут использоваться как в тяговом, так и в тормозном режимах тяговых двигателей. Ниже будут рассмотрены некоторые примеры в предположении, что тиристоры ТП Являются идеальными ключами, т. е. мгновенно переходят из открытого состояния в закрытое и обратно.

Преимущества импульсного преобразования энергии в цепях ЭПС постоянного тока.

1. Уменьшение потерь энергии при разгоне При разгоне (пуске) в пускорегулирующей аппаратуре выделяется мощность

ДРА = РD - РД (1-9)

Равная разности мощностей, потребляемой

РД = UД * IД (1-10)

И расходуемой тяговыми двигателями

Где зД к. п. д. тягового двигателя. Если предположить, что увеличение скорости х происходит при постоянной силе тяги

F = CF = const, то (1-12)

Из (1--12) видно, что экономичность разгона будет тем больше, чем лучше будет выполняться условие

Т. е. потребляемый ток должен увеличиваться пропорционально скорости движения, если UD = const.

В контактно-реостатных системах нет возможности плавно изменять потребляемый ток, так как он всегда равен току тяговых двигателей. Поэтому здесь уменьшение потерь достигается переключением групп тяговых двигателей с одного соединения на другое. Ограниченное число возможных переключений не позволяет получить достаточно экономичной пуск, поэтому в пусковых сопротивлениях, ограничивающих ток, выделяется значительное количество энергии. Следует особо подчеркнуть, что многоступенчатые реостатно - контактные системы могут способствовать лишь незначительному снижению потерь в реостатах за счет уменьшения пульсаций тока, повышения его среднего значения и увеличения ускорения. Импульсное преобразование энергии позволяет изменять потребляемый ток пропорционально скорости, так как он не равен току нагрузки. Из (1--5) и (1--13) следует, что экономический режим разгона будет обеспечен, если изменять коэффициент заполнения по закону

Если получение малых значений л, обеспечивающих экономичность при низких скоростях, оказывается затруднительным по техническим причинам, то целесообразно сочетать ИРН с переключением групп тяговых двигателей.

Экономичность разгона особенно важна при питании тяговых двигателей от аккумуляторных батарей, где запас энергии ограничен. Этим объясняется то, что системы ИРН первоначально нашли применение на аккумуляторном и контактно - аккумуляторном ЭПС. Однако и при питании от контактной сети система ИРН позволяет существенно снизить пусковые потери что дает возможность получить значительную экономию на эксплуатационных расходах, а также ликвидировать непроизводительные затраты энергий.

В качестве примера отметим, что в сопротивлениях одного трамвайного вагона расходуется в год около 46000 квт /ч на сумму 665 руб. Для электропоездов годовой расход энергии в пусковых сопротивлениях на один моторный вагон примерно в три раза выше, т. е. составляет около 140 000 квт / ч на сумму 2000 руб. Технико-экономические расчеты показывают, что применение импульсного управления позволяет сократить расход энергии на I5ч30 % в зависимости от характера эксплуатации ЭПС постоянного тока.

2. Повышение плавности пуска и ограничение бросков тока

На рис. 1--2 изображена пусковая диаграмма i(t) при ступенчатом и плавном регулировании. Хотя среднее значение тока при ступенчатом пуске IСр меньше тока 1 при ИРН, однако из-за большей неравномерности в точке А будет нарушено сцепление и начнется боксование. Плавное изменение тока при пуске позволяет не только реализовать более высокие пусковые ускорения, но и обеспечить изменение тока, которое исключает ощущение толчков у пассажиров. Установлено, что толчки не ощущаются, если вторая производная скорости по времени не превышает 0,3 м/сек3.

Быстродействие тиристорного прерывателя в замкнутой системе регулирования обычно достаточно для того, чтобы изменить протекание переходного процесса в цепи тяговых двигателей. Поэтому в системах с контролем по току допустимо переключение групп двигателей даже с полным их отключением от контактной сети, а в системах ИРС возможно закорачивание ступеней сопротивления, не охваченных ТП. - Важно отметить, что при импульсном регулирования перестают быть опасными броски в контактной сети, так как включение и выключение тиристоров всегда сопровождаются скачкообразным изменением напряжения на выходе ТП.

3. Расширение диапазона экономического регулирования скорости Высокая управляемость тиристоров обеспечивает экономичность регулирования не только при разгоне ЭПС, но и при его торможении с возвратом энергии при скоростях, значительно более низких, чем в системах непрерывного регулирования. Эти особенности позволяют считать наиболее эффективными для импульсного управления тяговые двигатели высоко лежащей скоростной характеристикой. Весьма перспективным является плавное управление возбуждением и тяговых двигателей, особенно в тех случаях, когда приходится соблюдать ограничения скорости. На рис. 1--З приведены скоростные характеристики для двух ступеней ослабления поля ОП1 и ОП2. Здесь же нанесена зависимость тока требуемого для поддержания равномерного движения при некотором сопротивлении движению W(v). При движении по характеристике ОП2 установившемуся режиму будет соответствовать скорость, которая выше ограничения. Переход на характеристику ОП1 повлечет потерю скорости = - . Импульсное управление возбуждением обеспечивает любую скоростную характеристику, лежащую между ОП1 и ОП2. Например, возможно движение его скоростью при соблюдении ограничения по.

Особенно эффективным для реализации высоких ускорений может оказаться одновременное импульсное регулирование I напряжения и тока возбуждения тяговых двигателей, которое в ряде случаев может быть достигнуто одним импулъсным преобразователем энергии.

4. Разгрузка контактной сети в пусковом режиме

С учетом к. п. д. преобразователя т равенство мощностей при пуске с IN= const можно записать в виде

Где U0 --напряжение ИПЭ при начальном коэффициенте заполнения маневрового режима; СE--коэффициент пропорциональности между скоростью и э. д. с. тяговых двигателей, зависящий от тока IП. Считая напряжение контактной сети UD = const, разделим на него (1--15), тогда:

Следовательно, в пусковом режиме при IП=соnst ток контактной сети будет изменяться пропорционально и будет равен току нагрузки только при пусковой скорости, когда

При этом

Чем больше сила тяги, развиваемая при пуске, тем меньше скорость выхода на автоматическую характеристику, так как с ростом тока СЕ увеличивается.

На рис. 1--4 показано изменениесреднего значения тока в контактной сети I при Iп=СОП5 для двух уставок тока. Здесь же штриховыми линиями показано изменение тока при контактно-реостатном пуске. Таким образом, ИРН позволяет не только получить высокоэкономичный пуск, но также способствует уменьшению падения напряжения в контактной сети при пуске.

изменение тока контактной сети при пуске

Рис. 1-4 Изменение тока контактной сети при пуске:

1 - при импульсном управлении; 2 - при плавном реостатном регулировании.

Импульсное регулирование напряжения в системе рекуперативного торможения с самовозбуждением тяговых двигателей

Рекуперативное торможение с импульсным самовозбуждением лишено недостатков, присущих системам с непрерывным самовозбуждением, и является устойчивым в определенном диапазоне скоростей. Схема включения ИРН при рекуперации с самовозбуждением приведена на рис. 1--11, а. Для простоты здесь не указан входной фильтр. Предположим, что индуктивность источника питания пренебрежимо мала (например, при рекуперации на аккумуляторную батарею). Тогда будет учитываться только падение напряжения на индуктивности L контура тягового двигателя и в активном, суммарном сопротивлении R + r, обозначенном на рис. 1--11, а. Перед торможением с самовозбуждением производится реверсирование тягового двигателя с тем, чтобы не произошло его размагничивания тормозным током. Диод Д исключает переход тягового двигателя в режим противовключения под действием напряжения UD.

А -- принципиальная схема; б -- изменение тока двигателя

Работа ИРН сводится к поддержанию тока тягового двигателя периодическим закорачиванием под контролем датчика тока ДТ, который подает сигнал на выключение тиристоров при I= IБ

После выключения тиристоров происходит спад тока тягового - двигателя через диод Д и источник* питания. В этом интервале (Т--То) ток контактной сети протекает против UD, что соответствует отдаче энергии в сеть. диаграмма изменения тока двигателя приведена на рис. 1--11, 6, штриховой линией показано изменение тока, если бы не было повторного включения тиристоров ИРН. Из - диаграммы видно, что ток двигателя 1 не равен току рекуперации I и тем сильнее отличается от него, чем больше коэффициент заполнении. При 21 и происходит торможение коротким замыканием. В общем случае

Для интервала (Т--Те) согласно рис. 1--11, а справедливо равенство

(1--15) где Е=СФi,--э. д. с. тягового двигателя. На рис. 1--12, а приведены зависимости Е=1(i) для различных скоростей движения и прямые

Угол которых к оси абсцисс тем больше, чем выше значение. Импульсное может быть устойчивым только тогда, когда выключение при сопровождается спадом тока тягового двигателя, т. е. тогда, когда

Из (1--15) следует, что это возможно только при

Если условие (1--16), не выполнено, то после выключения тиристоров ИРН ток тягового двигателя возрастет, пока не достигнет точки 2 устойчивого равновесия, Изображенной на рис. 1--12, а. Ток в точке 2 при высоких скоростях торможения обычно намного превышает значение, допустимое по коммутации. Поэтому зону 1--2 будем в дальнейшем называть зоной сверхтоков. Зона устойчивой импульсной рекуперации 0--4 увеличивается при снижении скорости торможения, а зона 1--2 уменьшается. Ниже некоторой критической скорости зона сверхтоков становится равной нулю и импульсное торможение самовозбуждением всегда остается устойчивым. Величина критической скорости - определяется соотношением

Критическая скорость начала-торможения может быть повышена либо введением дополнительного сопротивления, либо ослаблением потока Ф. На рис. 1--12, 6 изображены ограничения, налагаемые на тормозные характеристики при некотором значение и расширение пределов торможения введением дополнительного сопротивления так, что > (см. штриховую линию на рис. 1--12, а). Включение дополнительных сопротивлений снижает эффект рекуперативного торможения, так как в них может гаситься значительная часть отдаваемой энергии.

Кроме того, максимальная частота переключений тиристоров при введении дополнительного сопротивления возрастает в 4--.5 раз, что может оказаться недопустимым для тиристоров. Значительно более экономичным является ослабление поля тягового двигателя, которое можно получить автоматическим, если использовать блок разгрузочных диодов ДФ в цепи, шунтирующей обмотку возбуждения, как это показано на рис. 1--13, а. Э. д. с. самоиндукции:

Имеют разные направления, как это показано на рис. 1--13, а. При работе в устойчивой зоне после запирания тиристоров, поддерживая ток якоря, препятствуют отпиранию диода ДФ.

При скорости после выключения ТП >0, поэтому откроется сначала Д, а затем и Дф, и начнется ослабление поля по контору этого диода. Важно отметить, что вследствие демпфирования потока вихревыми токами поток изменяется значительно медленнее тока возбуждения.

Похожие статьи




Выполнение теоретических исследовании по моделирование импульсного регулятор напряжения (ИРН), Схемы и работа импульсного регулятор напряжения (ИРН) - Исследование импульсного регулирования асинхронного двигателя электроподвижного состава

Предыдущая | Следующая