Лекція 1. Призначення статичних перетворювачів рухомого складу. Класифікація статичних перетворювачів

Тягові статичні перетворювачі рухомого складу призначені для керування електродвигунами тягового електроприводу: регулювання швидкості, переходу від режиму тяги до електричного гальмування та безконтактної зміни напрямку руху – реверса. У даний час статичні перетворювачі виконують на основі напівпровідникових приладів, раніше використовувалися також іонні прилади.

Головна перевага напівпровідникових статичних перетворювачів полягає в тому, що вони дозволяють змінювати усі основні параметри електричної енергії: частоту, напругу, число фаз і гармонічний склад. При цьому забезпечуються високий ККД, невеликі розміри та висока надійність у зв’язку з відсутністю рухомих частин і механічних контактів.

Тому ці перетворювачі найбільшою мірою задовольняють численні та часто важко здійснювані вимоги, що ставляться до пристроїв керування потоком електричної енергії тягових електроприводів.

Основні недоліки:

1) оскільки напівпровідникові прилади є відносно новими технічними приладами, то деякі з них досить дорогі, а також немає достатнього досвіду застосування їх на тяговому рухомому складі;

2) статичні перетворювачі дають підвищений рівень електромагнітних перешкод в тягових мережах, що ускладнює роботу пристроїв зв’язку, сигналізації та систем керування.

У традиційній структурі приводу з двигунами постійного струму перетворювачі використовують на заміну реостатних контролерів, що дозволяє одержати плавність регулювання швидкості, уникнути втрат енергії в реостатах та забезпечити ефективне рекуперативне гальмування з поверненням енергії руху поїзда до джерела живлення.

Переваги перетворювачів реалізуються при цьому лише частково. Більш важливою є можливість створити значно ефективніший привод змінного струму на базі асинхронних двигунів. Це дозволяє приєднати до переваг перетворювачів також переваги дешевшого та надійнішого асинхронного двигуна. Створити такий тяговий привод без статичних перетворювачів не вдавалося через труднощі регулювання швидкості асинхронного двигуна при збереженні високого моменту на валу.

Напівпровідникові перетворювачі використовуються також у бортових системах електропостачання рухомого складу, де вони забезпечують отримання різних рівнів напруг як на постійному, так і на змінному струмі для живлення допоміжного електроустаткування. Їх застосування замість електромашинних перетворювачів дає можливість знизити масу, підвищити ККД та спростити обслуговування таких систем.

Узагальнена структурна схема статичного перетворювача наведена на рис. 1.1.

Структурна схема містить джерело живлення ДЖ, вхідний фільтр Ф_вх, силовий перетворювальний блок СПБ, вихідний фільтр Ф_вих, навантаження Н та систему керування СК. Джерело живлення та навантаження іноді не включають в структурну схему, вважаючи їх зовнішніми елементами.

Головним вузлом будь-якого напівпровідникового перетворювача є силовий перетворювальний блок СПБ, який виконує основну функцію з перетворення параметрів електричної енергії шляхом періодичних перемикань (комутацій). Для цього силовий перетворювальний блок містить силові напівпровідникові ключі СНК як основні елементи, а також, можливо, трансформатори і фільтри проміжних величин.

СНК виконують елементарну функцію періодичного замикання та розмикання електричного кола. Він може бути простим та складеним. Простий СНК містить тільки напівпровідникові прилади, складений СНК може мати пристрої комутаційного захисту (снабери) та вихідні пристрої керування (драйвери). Елементи складеного СНК часто поєднуються у силову інтегральну схему. Ключі СПБ звичайно поєднуються у комутатори. Комутатором називають сукупність напівпровідникових ключів, які виконують єдину перетворювальну функцію. Конструктивно комутатор може виконуватися як сукупність дискретних СНК, так і у вигляді силової інтегральної схеми.

Ключовий режим роботи силових напівпровідникових приладів у СНК дозволяє одержати високий ККД, тому що у ввімкненому стані наближається до нуля напруга на ключі, а у вимкненому – струм ключа, і тому мала потужність втрат, оскільки вона є добутком цих величин.

Система керування задає тривалість інтервалів часу, коли ключі силового перетворювального блоку ввімкнені та вимкнені. Оскільки ключі комутатора діють шляхом перемикань, то напруги і струми на вході та виході СПБ мають форму імпульсів з великим вмістом гармонічних складових. За винятком основних гармонік, вони, як правило, не створюють корисного ефекту в джерелі живлення та навантаженні. Навпаки, вони створюють додаткові втрати енергії та перешкоди пристроям керування і зв’язку. Тому їх зазвичай послаблюють за допомогою вхідного і вихідного фільтрів.

Блоки верхнього ряду структурної схеми на рис. 1.1 утворюють силову схему перетворювача. Блоки, які примикають до входу СПБ (джерело живлення та вхідний фільтр), створюють вхідне коло. Блоки, які примикають до виходу СПБ (вихідний фільтр та навантаження), створюють вихідне коло.

Перетворювачі класифікують насамперед за способом завдання частоти перемикань і роду комутації. В перетворювачах, ведених мережею, частоту перемикань і рід комутації визначає мережа або інше джерело змінного струму. До цього класу належать випрямлячі, ведені інвертори та безпосередні перетворювачі частоти. В автономних перетворювачах частота перемикань та рід комутації визначаються незалежно від джерел живлення. Автономні перетворювачі можуть бути прості і складені (багатоланкові). До простих належать автономні інвертори та широтно-імпульсні перетворювачі, складені одержують шляхом поєднання простих один з одним, а також з перетворювачами, які ведуться мережею.

Узагальнена структурна схема можливих варіантів тягових електроприводів рухомого складу наведена на рис. 1.2.

електроприводів рухомого складу

У центрі схеми показані два основних варіанти тягових двигунів ТД: постійного струму ТД= і змінного струму ТД~, а по краях – два варіанти джерел живлення: постійного струму (контактна мережа КМ= або акумуляторна батарея АБ) і змінного струму (контактна мережа КМ~ або тяговий генератор ТГ~).

Склад вузлів перетворювальної частини випливає з того, що при регулюванні швидкості, наприклад, тягового двигуна змінного струму потрібно одночасно змінювати частоту і амплітуду змінної напруги на його обмотках. У першому наближенні зв’язок між цими двома величинами повинен бути пропорційним:

const. (1.1)

Це можна пояснити на прикладі найбільш простого з двигунів – асинхронного. У повітряному зазорі цієї машини створюється магнітне поле, яке обертається з частотою, пропорційною частоті підведеної напруги, та тягне за собою ротор. Тому швидкість двигуна регулюється зміною частоти. Одночасне регулювання напруги дозволяє зберегти в процесі регулювання амплітуду магнітного потоку та пов’язаного з нею обертового моменту. Дійсно, згідно з законом електромагнітної індукції швидкість зміни магнітного потоку пропорційна напрузі на обмотках. При постійній амплітуді магнітного потоку швидкість його зміни пропорційна частоті, тому пропорційна частоті й амплітуда напруги.

Якщо є джерело живлення постійного струму, то його напруга спочатку подається на широтно-імпульсний перетворювач ШІП, який дозволяє її регулювати при збереженні постійного роду струму (нульової частоти). Потім вона перетворюється автономним інвертором АІ в напругу регульованої частоти та подається на тяговий двигун змінного струму (найчастіше асинхронний).

Тяговий двигун постійного струму відрізняється тим, що у нього є колектор, який перетворює постійну напругу в змінну, тобто відіграє роль механічного інвертора. Тому не потрібен зовнішній автономний інвертор (напівпровідниковий). Колектор при регулюванні змінює частоту напруги на обмотках якоря: при підвищенні швидкості ламелі колектора та секції обмотки, які до них підключені, перемикаються відносно джерела вхідної напруги частіше.

Якщо є джерело живлення змінного струму, то його напруга подається на випрямляч В, він її випрямляє та одночасно дозволяє плавно регулювати її величину. Після цього випрямлена напруга подається на двигун постійного струму безпосередньо, а на двигун змінного – через автономний інвертор.

Найбільш перспективними варіантами структури тягової електроприводу є структури з двигуном змінного струму, тому що він дешевший і надійніший з причини відсутності колектора. Однак перетворювальна частина схеми істотно ускладнюється і дорожчає. Останній недолік з часом послаблюється у зв'язку з удосконаленням силових напівпровідникових приладів, які є основними елементами комутатора автономного інвертора.

Часто поєднують широтно-імпульсний перетворювач з автономним інвертором, використовуючи автономний інвертор з широтно-імпульсною модуляцією. Таке рішення спрощує силову схему перетворювача, але ускладнює його керування. Можливе також об'єднання автономного інвертора з випрямлячем, що дає безпосередній перетворювач частоти. Однак його істотним недоліком є обмежений діапазон регулювання вихідної частоти, який не перевищує третьої частини від частоти джерела живлення. Тому таке рішення використовують лише при підвищених частотах джерела живлення порядку 150 – 250 Гц, що можна, як правило, реалізувати при застосуванні синхронного тягового генератора.