На электровозах, электрифицированных однофазным переменным током, управление скоростью вращения тягового электрического двигателя постоянного тока достигается за счет изменения величины тока и напряжения. Это возможно с помощью амплитудного регулирования, принцип действия которого основывается на переключении контакторами вторичных обмоток тягового трансформатора. Минусом этого способа регулирования является ступенчатость управления напряжения на выходе и подгорание контактов при регулировании. Стремление обеспечить плавность хода привело к созданию метода фазового регулирования скорости, в основе которого лежит принцип задержки отпирания тиристора, как электронного ключа, от длительности проводящего состояния которого зависит величина среднего выпрямленного напряжения. Главный недостаток принципа – создание значительной реактивной мощности при фазовом регулировании, что в целом снижает энергетические показатели выпрямителей. В значительной степени указанные недостатки устранены в так называемых зонных или зонно-фазовых регуляторах.
Цель исследований – совершенствование энергетических показателей зонно-фазовых регуляторов.
Материалы и методы исследования
Предметом исследования являются коммутационные процессы в схемах зонно-фазовых регуляторов, и применение новых схемных решений и принципов управления.
Результаты исследования и их обсуждение
Зонно-фазовое регулирование напряжения – способ комбинированного регулирования напряжения на обмотках тяговых трансформаторов электроподвижного состава переменного тока, при котором одновременно применяются переключения секций вторичных обмоток трансформаторов и фазовое регулирование (изменение угла открытия тиристоров выпрямителя). Применяют различные варианты зонно-фазового регулирования напряжения, отличающиеся числом зон и соотношением напряжений в них. В настоящее время большое распространение получили классические четырехзонные регуляторы, собранные на тиристорах по мостовой схеме выпрямления.
Особенности коммутационных процессов в таких схемах требуют вводить искусственную задержку угла открытия тиристоров, что снижает среднее значение коэффициента мощности до 0,8 [1]. Низкие значения коэффициента мощности дополнительно нагружают электрооборудование электровозов и тяговую сеть реактивными токами и увеличивают расход электроэнергии на тягу поездов.
Данную проблему удалось устранить в усовершенствованном варианте четырехзонного выпрямителя с лестничной структурой, силовая схема которого представлена на рис. 1, и новым, более простым алгоритмом управления тиристорами (таблица).
Рис. 1. Силовая часть принципиальной схемы четырёхзонного преобразователя лестничной структурой
Алгоритм работы преобразователя
|
Зона регулирования |
Направление ЭДС трансформатора |
Алгоритм работы плеч ВИП |
|||||||
|
VS1 |
VS2 |
VS3 |
VS4 |
VS5 |
VS6 |
VS7 |
VS8 |
||
|
I |
|
|
|||||||
|
|
|
||||||||
|
II |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
III |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
IV |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
Принцип работы предложенного устройства рассмотрим на примере первой зоны регулирования. При положительной полуволне напряжение секции w2(1) вторичной обмотки трансформатора через тиристор VS8 с углом αрег > 0° и диоды VD1 и VD2 прикладывается к цепи нагрузки (рис. 2, а). При отрицательной полуволне, напряжение секции w2(2) вторичной обмотки трансформатора через тиристор VS7 с углом αрег > 0° и диоды VD1 и VD2 прикладывается к цепи нагрузки (рис. 2, б).
Для компактности примем условно-графические обозначения сигналов управляющих импульсов, отпирающие тиристоры: 
– регулируемый по фазе импульс αрег°; 
– нерегулируемый по фазе импульс α0.
Результаты имитационного моделирования и расчеты коэффициентов мощности доказали, что выпрямители с лестничной структурой обладают меньшей общей продолжительностью коммутационных процессов по сравнению с мостовым выпрямителем. Применение выпрямительных агрегатов с лестничной структурой в составе тяговых преобразователей грузовых электровозов на переменном токе позволяет повысить энергетические показатели и, прежде всего, коэффициент мощности в целом на 2–4 %.
а
б
Рис. 2. Схема протекания тока на зоне: а – при положительной полуволне напряжения; б – при отрицательной полуволне напряжения
Дополнительным способом повышения коэффициента мощности зонно-фазовых регуляторов является так называемое секторное регулирование [2]. При таком регулировании выпрямленного напряжения не происходит сдвига по фазе первой гармоники сетевого тока относительно напряжения, и характеристика коэффициента мощности существенно повышается.
В результате этой замены высокие значения коэффициента мощности будут наблюдаться на всех зонах. Особенно эффективен данный способ на первой зоне регулирования, когда в обычных условиях коэффициент мощности особенно низок (0,4...0,7). Для этих целей в схеме рис. 1 достаточно заменить тиристоры VS7 и VS8 полностью управляемыми силовыми полупроводниками, такими как IGBT (рис. 3).
Рис. 3. Силовая схема четырёхзонного преобразователя лестничной структуры с секторным управлением
В этом случае управление тяговым электродвигателем на первой зоне будет осуществляться одновременным смещением на угол α переднего фронта тока и таким же смещением на угол β, но в противоположную сторону заднего фронта тока с таким расчетом, чтобы не возникало сдвига по фазе φ основной гармоники сетевого тока (рис. 4).
Рис. 4. Кривая сетевого тока и его первой гармоники выпрямителя в случае секторного регулирования на первой зоне
На рис. 5, а показана рабочая схема преобразователя на I зоне регулирования, собранная в среде имитационного моделирования Micro-Cap и функционирующая в соответствии с разработанным алгоритмом управления.
а
б
Рис. 5. Моделирование преобразователя лестничной структуры: а – схема преобразователя в Micro-Cap; б – диаграмма работы преобразователя на I зоне регулирования
Для управления транзисторами и соблюдения необходимой очередности включения применены настраиваемые источники периодических импульсных сигналов.
Результаты имитационного моделирования, согласно собранной схеме на рис. 5, а, представляют собой волновые диаграммы напряжений во всех интересующих узлах схемы (рис. 5, б).
Секторное регулирование устраняет сдвиг по фазе φ основной гармоники сетевого тока, что улучшает энергетические показатели преобразователя за счет компенсации реактивной мощности.
В настоящее время идёт работа по созданию физической модели выпрямителя с секторным регулированием.Заключение
В результате анализа схем зонно-фазовых регуляторов выявлено, что пути повышения их энергетических показателей ориентированы в направлении развития и совершенствования новых схемных решений выпрямителей и принципов управления.
Выпрямители с лестничной структурой обладают меньшей общей продолжительностью коммутационных процессов по сравнению с мостовым выпрямителем. Применение рассмотренных в статье выпрямительных агрегатов с лестничной структурой в составе тяговых преобразователей грузовых электровозов переменного тока позволяет повысить энергетические показатели и прежде всего коэффициент мощности в среднем на 2–4 %. Теоретически секторное регулирование увеличивает средневзвешенный коэффициент мощности на 25–30 %, с учетом того, что электровозы большее время работают на 1-й зоне.
Кроме этого, уменьшение угла коммутации γ эквивалентно уменьшит емкость и габаритные размеры статических компенсаторов реактивной мощности, если их применять для электровозов, работающих на переменном токе.
Рецензенты:
Аносов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок, НГТУ, г. Новосибирск;
Алиферов А.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой автоматизированных электротехнологических установок, НГТУ, г. Новосибирск.
Работа поступила в редакцию 05.08.2014.