Тяговые непосредственные преобразователи частоты

С точки зрения количества преобразований энергии в преобразователе различают преобразователи частоты с однократным пре­образованием или непосредственные (НПЧ) и преобразователи частоты с двукратным преобразованием, которые содержат про­межуточное звено постоянного тока и описаны выше. В НПЧ осуществляется непосредственная связь между частотой тока тягового синхронного генератора (СГ) и нагрузкой – асинхронным тяговым двигателем. Для нор­мальной работы системы тяговый синхронный генератор – преобразователь частоты – асинхронный тяговый двигатель необходимо соз­дать контуры для протекания реактивных токов источ­ника питания и нагрузки, т.е. замыкать каким-то об­разом поток реактивной энергии в системе. В НПЧ эта задача решается чередованием работы одних и тех же вентилей в выпрямительном и инверторном режи­мах. Коммутация тиристоров в НПЧ, как правило, осу­ществляется за счет энергии источника питания или на­грузки и называется естественной.

Восемнадцативентильная схема НПЧ(см. рис. 8.10). Имеется много различных вариантов НПЧ, различающихся силовой схемой и программой управления вен­тилями.

Простейшая схема НПЧ,часто называемая восемнадцативентильной, состоит из шести вентилей на фа­зу асинхронного тягового двигателя. Вентили включены на трехфазный источ­ник энергии СГ в две встречные группы. Фазы асинхронного тягового двигателя сое­динены в звезду. Группы вентилей могут быть присое­динены к фазе непосредственно или через уравнитель­ный реактор УР.

Выходная частота НПЧ зада­ется автоматической системой регулирования частоты АСРЧ, управляющие сигналы которой подаются на за­дающий генератор ЗГ. От ЗГсигнал поступает на коль­цевую пересчетную схему КПС, которая вырабатывает сигналы длительностью 180°эл. и подает их последова­тельно на группы тиристоров всех фаз. КПСсодержит расширитель импульсов, который обеспечивает сигнал длительностью 180°эл. Для управления тиристорами од­ной фазы используется свой коммутатор (К_A, К_B; К_С), к которому, кроме сигнала выходной частоты f или низ­кой СНЧ, подаются сигналы от датчика высокой час­тоты ДВЧили частоты тягового синхронного генератора.

Рис. 8.10. Восемнадцативентильная схема непосредственного преобразователя частоты

Пере­численные элементы системы управления достаточно просты и с их участием формируется трапецеидальная кривая выходного напряжения.

В начале ток совпадает по направлению с напряжением, поэтому группа вентилей VSI – VS3 работает в выпрямительном режиме и ДВЧ подает уп­равляющие сигналы на всю группу для выпрямитель­ного режима. Переход с вентиля VSI на вентиль VS2, с вентиля VS2 на вентиль VS3 естественный. Для формирования требуемой частоты на тиристоры поступает сигнал по частоте f, кото­рый прекращает подачу выпрямительных импульсов уп­равления на группу тиристоров VSI – VS3. Следующего перехода с вентиля VS3 на вентиль VSI не происходит и напряжениепереходит через нуль. Начинается подача инверторных импульсов управления, и, так как ток пока сохраняет прежнее направление, происходит естественная коммутация с вентиля VS3 на вентиль VS1. Перед тем как ток переходит через нуль, с группы вентилей VSI – VS3 снимаются управляющие импульсы и подаются выпрямительные импульсы на группу вентилей VS4 – VS6. Однако, если первая группа не прекратила работы и не успели восстановиться запирающие свойства венти­лей, то будет короткое замыкание фаз СГ. Поэтому в схеме предусмотрен нуль-орган НО(рис. 8.10), на который подаются сигналы от датчика нуля тока ДНТи который через блок задержки БЗпрепятствует отпи­ранию второй группы вентилей на некоторый промежуток времени после нуля тока в первой группе. Нуль-орган является довольно сложным устройством, так как дол­жен быть рассчитан на пропуск максимальных токов, а измерять с весьма большой точностью малые токи. Переход с выпрямительного режима на инверторный в группе вентилей VS4 – VS6 происходит также по сигналу СНЧ. Сигнал низкой частоты СНЧизменяется плавно в соответствии с сигналом СГ, но величина выходного полупериода напряжения Т₂/2может изменяться дис­кретно на длительность работы одного тиристора Т_к = T₁/3 (T₁ – частота входного напряжения). Поэтому отношение частот СГ и АД при задан­ной программе регулирования должно быть f_сг/f > 3. Дискретность изменения f и повышенная частота f_cгявляются основными недостатками НПЧ, показанного на рис. 8.10. Однако даже у этого НПЧ система управ­ления значительно сложнее, чем у преобразователей частоты со звеном постоянного напряжения.

Во время инверторного режима реактивная мощ­ность асинхронного тягового двигателя передается в СГ. Кроме того, все коммута­ционные процессы уменьшают коэффициент мощности. Поэтому СГ с НПЧ работает с низким коэффициентом мощности. Это обстоятельство увеличивает габариты и массу СГ.

Оптимальная номинальная частота СГ со­ставляет f_сг.ном = 100…200 Гц в зависимости от мощности и частоты вращения регулируемого асинхронного тягового двигателя f_max = 150…250 Гц. Следовательно, частота СГ для восемнадцативентильного НПЧ должна быть f_cr=(3,54…4)(150…250) = 500…1000 Гц.

Система управления тиристорами может быть пост­роена таким образом, чтобы угол включения каждого тиристора изменялся по определенному закону. После перехода напряжения СГ через нуль угол включения должен быть наибольшим, т.е. время включения соот­ветствующего тиристора – наименьшим и среднее за Т_кнапряжение было малым. Затем угол включения уменьшается и соответственно среднее напряжениеувеличивается. Тогда вместо трапецеидальной кривой фазного напряжения можно получить фазное напряжение, близкое к синусо­иде. Система управления при этом резко усложняется. Дискретность выходной частоты остается, но вредное влияние может быть снижено, так как амплитуда суб­гармоник уменьшается в несколько раз.

Система управления тиристорами может быть пост­роена таким образом, что управляющие импульсы по­даются одновременно на обе группы тиристоров, но в одну выпрямительные, на другую инверторные. Затем управляющие импульсы выпрямительные и инвертор­ные меняются местами. Так как в общем случае дли­тельность инверторного режима не равна длительности выпрямительного режима, то между группами тиристо­ров возникают уравнительные токи, для их ограниче­ния необходимы уравнительные реакторы. Так как че­рез уравнительные реакторы протекают и рабочие токи, то реактор вызывает дополнительные потери и снижает коэффициент мощности. В схеме с уравнительным ре­актором и описанным управлением отпадает необходи­мость в нуль-органе.

Тридцатишестивентильный НПЧ.В НПЧ (рис. 8.11) с 36 вентилями группы тиристоров включаются с двух концов фазы асинхронного тягового двигателя, так что фазы асинхронного тягового двигателя не сое­динены между собой. Обмотка статора должна иметь 6 выводов. Если подавать управляющие импульсы на группы тири­сторов со сдвигом, то при этом снижается амплитуда пульсаций и уменьшается коммутационный интервал T_к, что позволяет уменьшать частоту СГ до f_cr ≥ 2,5f. Кроме того, при этом амплитуда постоянной составляющей и субгармоник снижается вдвое. Схема управления группами возможна как раздельная с нуль-органом, так и одновременная. Схема сложнее по срав­нению с восемнадцативентильной в связи с увеличени­ем вентилей и наличия сдвига между группами.

Рис. 8.11 Тридцатишестивентильная схема непосредственного преобразователя частоты

Проводятся разработки систем управления с программой подачи управляющих импульсов по среднему значению выходного напряжения и сравнения этого напряжения с заданным. При этом углы управления тиристорами изменяются так, чтобы частота изменялась плавно, а кривая напряжения была симметричной. Такое управление приводит к снижению амплитуды постоянной составляющей, к снижению суб­гармоник и высших гармоник. Предполагается, что при этом можно допустить f_сг ≥1,25f. Однако все эти мероприятия вызывают существенное усложнение системы управле­ния преобразователем.