Импульсное регулирование напряжения

Еще в 1931 г. транспортная секция Академии наук СССР по решению Госплана СССР организовала комиссию по выбору системы тока. Технико-экономические расчеты подтвердили преимущества в условиях того периода системы электрической тяги постоянного тока 3000 В перед другими системами, получившими распространение за рубежом. Однако уже тогда были известны недостатки системы постоянного тока 3000 В, особенно существенные при высокой грузонапряженности железных дорог - большой расход цветных металлов, небольшие расстояния между тяговыми подстанциями и, как следствие, высокая стоимость устройств электроснабжения. Выбрать более высокое напряжение в контактной сети было невозможно: оно ограничивается допустимым напряжением на коллекторах тяговых двигателей.

В настоящее время на наиболее грузонапряженных направлениях железных дорог нашей страны, электрифицированных по системе постоянного тока 3000 В, уже возникают ограничения движения поездов вследствие недопустимого нагревания проводов контактной сети. Это связано с увеличением мощности электровозов, скорости их движения, что вызывает значительное возрастание тяговых токов и, следовательно, потерь напряжения и электроэнергии в контактной сети.

Для устранения этого нужно увеличить сечение контактной сети, число тяговых подстанций, а это связано с большими денежными и материальными затратами.

Определенные преимущества имеет перевод особо грузонапряженных железных дорог на переменный ток, но это тоже требует больших затрат, и, кроме того, возникают трудности при осуществлении перехода на новую систему тока в условиях больших размеров движения поездов.

Наиболее выгодным и приемлемым решением этой проблемы является повышение напряжения постоянного тока в контактной сети. Но для этого необходимо устранить жесткую (прямую) связь между напряжением контактной сети и напряжением на тяговых двигателях. На электровозах переменного тока для этого применены тяговые трансформаторы. На электровозах постоянного тока устранить такую связь можно, только применив преобразователи постоянного тока. Широкие возможности для разработки таких преобразователей открылись благодаря развитию полупроводниковой техники.

В настоящее время разработан и практически применен импульсный преобразователь напряжения постоянного тока, состоящий из управляемых вентилей-тиристоров и специальных устройств для их запирания и отпирания. С помощью импульсного преобразователя тяговые двигатели периодически подключаются к контактной сети на некоторые промежутки времени и к ним поступает электрическая энергия в виде кратковременных импульсов.

Поясним, как работает импульсный преобразователь. Специальное устройство, которое называют ключом (на рис. 71 ключ К. условно изображен как рубильник), периодически присоединяет тяговый двигатель к контактному проводу и затем отключает его. Последовательно с тяговым двигателем включен дроссель Др для сглаживания пульсаций тока, а параллельно двигателю - неуправляемый вентиль В_о, называемый обратным. Замыкание и размыкание ключа К производятся с периодом повторения Т. В течение промежутка времени Δt ключ замкнут, в остальную часть времени Т - Δt разомкнут (рис. 72). Среднее значение напряжения на тяговом двигателе U_д зависит от соотношения значений Т и Δt.

Рис. 71. Принципиальная схема импульсного управления тяговым двигателем

Рис. 72. Диаграмма мгновенных значений напряжения и тока при частотно-импульсном (а) и широтно-импульсном (б) регулировании

Действительно, если Δt = Т (ключ все время замкнут), то к двигателю подводится полное напряжение контактной сети U_c; в случае когда Δt = 0, двигатель отключен от контактной сети. При каком-либо промежуточном значении Δt напряжение

Следовательно, изменяя значение Δt или Т (или то и другое одновременно), можно регулировать напряжение, подводимое к двигателю. Если, сохраняя неизменным Δt, изменяют период Т, т. е. частоту включения ключа К, то получают так называемую частотно-импульсную систему регулирования (рис. 72, а). Оставляя постоянным Т и изменяя интервал Δt (рис. 72, б), получают широтно-импульсную систему регулирования.

Когда ключ К (см. рис. 71) замкнут, электрическая энергия из контактной сети потребляется тяговым двигателем и одновременно запасается в дросселе Др. Ток двигателя I_д в этот период увеличивается. После размыкания ключа ток поддерживается энергией, запасенной в дросселе. При этом электрическая цепь, состоящая из дросселя и двигателя, замыкается через неуправляемый вентиль В_o. Так как в этот период в цепь не поступает энергия от внешнего источника, то ток I_д убывает. Как видим, ток двигателя I_д то возрастает, то убывает, т. е. пульсирует. Определив соответствующим расчетом необходимые частоту импульсов и индуктивность дросселя Др, получают приемлемую для работы двигателя форму тока I_д (см. рис. 72, а и б).

Тбилисский электровозостроительный завод им. В. И. Ленина на базе электровозов ВЛ8 и ВЛ22^М построил опытные электровозы постоянного тока на два напряжения 3 и 6 кВ с частотно-импульсным тиристорным управлением. На них применен статический импульсный преобразователь напряжения постоянного тока, выполненный по схеме (рис. 73), предложенной Московским энергетическим институтом (МЭИ).

Рис. 73. Принципиальная схема преобразователя постоянного тока без явно выраженного звена переменного тока

Схема МЭИ содержит управляемый вентиль-тиристор T, который играет роль ключа К, неуправляемый разделяющий вентиль В_р, конденсатор С_к, дроссель Др_o. Кроме того, имеется входной фильтр, состоящий из конденсатора С_ф и дросселя Др_ф. Он предназначен для подавления пульсаций тока в контактной сети и тем самым снижения помех в линиях связи, вызываемых пульсирующим током тягового двигателя.

С помощью специальной системы управления на управляющий электрод тиристора Т периодически подаются отпирающие импульсы. Емкость С_к и индуктивность дросселя Др_o подобраны так, что при отпирании тиристора проходящий через него ток возрастает до максимальной величины, а затем снижается до нуля в тот момент, когда конденсатор С_к полностью заряжен и на его обкладках напряжение равно напряжению контактной сети U_c. Вследствие этого тиристор запирается и остается запертым до тех пор, пока не будет подан вновь отпирающий импульс.

Электрическая энергия из контактной сети расходуется на питание тягового двигателя ТД, заряд конденсатора С_к, а также запасается в дросселе Др. После того, как тиристор будет заперт, конденсатор С_к разрядится через цепь тягового двигателя. По окончании его разряда ток в двигателе поддерживается энергией, запасенной в дросселе Др. Цепь этого тока замыкается через вентиль В_o. Разделяющий вентиль В_р не позволяет заряжаться конденсатору С_к от дросселя Др, когда тяговый двигатель мало нагружен и ток его может снизиться до нуля.

Импульсное регулирование напряжения коренным образом изменило схему силовых цепей электровоза, а также цепей управления. Возможность регулировать напряжение, подводимое к тяговым двигателям электровозов постоянного тока, позволила отказаться от реостатного пуска, от перегруппировок двигателей. Двигатели постоянно включены по два последовательно.

Регулирование скорости электровоза сводится к изменению частоты отпирания вентилей преобразователя. Система управления преобразователем связана с контроллером машиниста. Машинист, перемещая рукоятку контроллера, обеспечивает изменение частоты отпирающих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров преобразователя.

Электровозы с такой системой регулирования испытывались на специально оборудованном участке - Кахетинская ветка Закавказской дороги протяженностью 182 км.