статические преобразователи в системе (стр. 1 из 3)

МПС России

Московский Государственный Университет

путей сообщения

/ МИИТ /

РЕФЕРАТ

Статические преобразователи в системе

электрической тяги.

Выполнил: выпускник кафедры “Электрическая тяга“ Данилов Д. К.

Принял: профессор Иньков Ю.М.

Москва - 1998

Вопрос экономии энергии в системе электрической тяги приобретает все большую остроту. Возможности снижения ее затрат изыскиваются, как на тяговом подвижном составе, так и в системе электроснабжения. Важным шагом, в этом направления явилось внедрение надежных и экономичных статических преобразователей в качестве тяговых на электровозах и электропоездах, а затем и в системе тягового электроснабжения для стыкования систем электроснабжения промышленной частоты стяговыми сетями, использующими частоту 16 2/3 Гц.

Уже около 20 лет ведутся интенсивные разработки в области статических преобразователей, предназначенных для питания трехфазных тяговых двигателей. Эта техника дает большой технический и экономический эффект. На сегодняшний день разработки, в этой области достигли такого уровня, что большая часть нового тягового подвижного состава, разрабатываемого в странах Западной Европы, оборудуется этими преобразователями.

Ниже рассмотрены преобразователи, используемые только с асинхронными трехфазными тяговыми двигателями, поскольку им при сравнении с синхронными чаще отдается предпочтение.

Асинхронная машина интересна в качестве тягового двигателя, прежде всего потому, что трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — это наиболее простая, легкая и надежная электрическая машина. Кроме подшипников в ней нет изнашивающихся частей. Она нечувствительна к механическим воздействиям, загрязнению и снегу.

Поскольку эта машина не имеет коллектора, ограничивающего частоту вращения ротора, современные асинхронные тяговые двигатели мощностью порядка 1000 кВт имеют максимальную частоту вращения 4000 об/мин (у двигателей постоянного тока 2500 об/мин). Для пригородного тягового подвижного состава разработаны еще более высокооборотные тяговые двигатели с максимальной частотой вращения до 6000 об/мин. При этом окружная скорость ротора достигает 70-80 м/с, в то время как для двигателей постоянного тока коллектор ограничивает этот показатель величиной 50 м/с.

Это наглядно подтверждается табл. 1, в которой, сопоставлены электрические параметры и размеры тяговых двигателей электровозов серий Е 103 (коллекторные двигатели) и Е 121 (асинхронные трехфазные). Хотя двигатель последнего мощнее на 30 %, его масса ниже на 25 % и объем тоже заметно меньше. Отсюда следует, что поезд Eurosprinter мощностью 6400 кВт с коллекторными двигателями реализовать было бы невозможно.

Таблица 1

Сравнение параметров коллекторного и трехфазного асинхронного

тяговых двигателей.

Параметр	Электровоз
	Е103	Е121
Продолжительная мощность, кВт	1170(1430 об/мин)	1531(1490 об/мин)
Максимальный крутящий момент, Н м	18150	12089
Максимальная частота вращения, об/мин	1565	3960
Масса, кг	3550	2660
Момент инерции ротора, кгм2	120	22
Длина по образующей статора, мм	1010	920
Наружный диаметр, мм	1230	850

Асинхронные двигатели не подвержены опасности загорания при неподвижном роторе. Современный тяговый преобразователь, являющийся своего рода электронным коллектором, при правильно выбранных параметрах нечувствителен к эксплуатации с низкими частотами вращения, необходимыми для трогания с места тяжеловесных поездов. Единственное обязательное условие при этом — достаточная вентиляция двигателя. Дополнительные достоинства дает сочетание этого двигателя с современным преобразователем на тиристорах, и в частности на запираемых:

простейшая реализация рекуперативного торможения;

возможность работы с большим диапазоном ослабления поля без дополнительных аппаратных затрат,

использование в сочетании с современным быстродействующим регулированием жесткой механической характеристики тяговых двигателей для реализации эффективной защиты от боксования и юза.

Для питания тяговых двигателей в последние годы во всем мире стали широко использоваться так называемые преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения. Это явилось следствием разработки запираемых тиристоров, значительно упростивших коммутационные устройства силовой цепи. Такой преобразователь (рис. 1) состоит из включенного со стороны двигателя импульсного инвертора, который создает трехфазную систему для питания тяговых двигателей, и включенного со стороны сети регулятора, который питает инвертор более или менее постоянным напряжением. Оба звена связаны промежуточным звеном постоянного напряжения, представляющим собой батарею конденсаторов большой емкости. Благодаря высокой мощности запираемых тиристоров (рабочее напряжение серийных вентилей составляет 4500 В, максимальный отключаемый ток 4000 А) могут быть реализованы практически любые встречающиеся на электропоездах мощности без параллельного или последовательного соединения вентилей. В связи с этим в большинстве случаев применяются простейшие импульсные инверторы — с двухточечной схемой.

Схема включенного со стороны сети регулятора зависит от рода тока в контактной сети. На линиях, электрифицированных на переменном токе, к этим регуляторам предъявляются следующие общие требования:

энергообмен с контактной сетью должен происходить при cos

, близком к единице;

уровень гармонических составляющих должен быть минимальным, т. е.

= 1;

переход от потребления энергии из сети к ее возврату в сеть (от режима тяги к режиму рекуперативного торможения) должен происходить плавно и бесконтактно.

Этим требованиям отвечает четырехквадрантный регулятор (4QS), показанный на рис. 2. Фактически он представляет собой однофазный инвертор, который со стороны переменного тока через дроссель, реализуемый обычно за счет высокой индуктивности рассеяния трансформатора, соединяется с контактной сетью, а со стороны постоянного тока — с конденсатором звена постоянного напряжения. В преобразователях, собранных на запираемых тиристорах, выбирается тактовая частота до 350 Гц, так что для сетей с частотой 50 Гц имеет место максимум семикратная подача тактовых импульсов за период. В сетях частотой 16 2/3 Гц работают преобразователи с 15-19-кратной подачей такто-

Рис. 1. Тяговый преобразователь с промежуточным звеном

постоянного напряжения

Рис.2. Четырехквадрантный регулятор

вых импульсов. Поскольку регулятор 4QS является автономным инвертором, при отключении напряжения сети во время рекуперативного торможения не возникают коммутационные токи короткого замыкания, как это имеет место в обычных инверторах, ведомых сетью. Это значит, что на линиях переменного тока режим рекуперативного торможения реализуется относительно просто и без какой-либо дополнительной защиты.

Наряду с высшими гармониками, которые возникают под действием тактовых импульсов регулятора 4QS в контактной сети и на конденсаторах промежуточного звена постоянного напряжения, при передаче мощности на сторону постоянного напряжения генерируется вторая гармоника сетевой частоты, имеющая большой уровень. Для ее ограничения параллельно конденсаторам промежуточного звена включают поглощающую цепочку. Поскольку необходимые для этого схемные элементы (дроссели и конденсаторы) имеют довольно большую массу, возникла необходимость отказаться от этой цепи и исключить влияние второй гармоники на импульсный инвертор и тяговые двигатели соответствующим регулированием. Этот метод, получивший название Beat-Control, был испытан фирмой Siemens в Японии на новом поезде серии Е 501 городской железной дороги компании JR-East. Результаты испытаний оказались положительными.

На линиях, электрифицированных на постоянном токе, при достаточной электрической прочности силовых вентилей импульсный инвертор присоединяется через индуктивно-емкостный фильтр непосредственно к контактной сети. Из опыта эксплуатации тиристорных преобразователей известно, что при таком подключении необходим коэффициент запаса по электрической прочности, равный трем. Если перенести его на технику запираемых тиристоров, то инвертор на таких вентилях, имеющих рабочее напряжение 4,5 кВ, может подключаться к контактной сети с напряжением до 1500 В.

Подобное подключение для преобразователей на обычных тиристорах невозможно, поскольку действие используемых в этом случае коммутирующих цепочек зависит от напряжения контактной сети, которое может колебаться в определенных пределах. При наличии запираемых тиристоров процесс отключения выполняется через управляющий электрод, т. е. независимо от напряжения в контактной сети. При непосредственном подключении преобразователя к контактной сети значительно снижаются затраты.

На линиях постоянного тока напряжением 3000 В при заданном коэффициенте запаса по электрической прочности на каждую ветвь инвертора необходимы два последовательно соединенных запираемых тиристора с рабочим напряжением 4,5 кВ. Поскольку непосредственное последовательное соединение этих вентилей проблематично из-за очень быстрых коммутационных процессов, нужно было искать другие оригинальные решения.