Преобразователи переменно-переменного тока

Преобразователи переменно-переменного тока предназначены для питания тяговых электродвигателей переменного тока от источника переменного тока. В качестве примера таких источников можно привести: тяговые сети железных дорог, на которые подается однофазное напряжение 27,5 кВ, автономные транспортные средства с тепловыми двигателями, вал которых соединен с ротором трехфазного синхронного генератора (тепловоз), и т. д.

Поскольку величина питающего тяговый двигатель напряжения не может превышать 3 кВ, использование в качестве источника питания сети с более высоким уровнем напряжения предполагает понижение его в процессе преобразования до необходимого значения.

Общеизвестно, что одним из способов пуска машин переменного тока является частотный пуск, в процессе которого частота регулирования изменяется от /= 0 до номинальной величины. Рассмотрим процессы, протекающие при регулировании частоты в однофазно-трехфазном преобразователе, питающем вентильный двигатель (рис. 4.13).

Схема цепей преобразователя, питающегося от однофазного источника переменного тока, содержит согласующий трансформатор Т, первичная обмотка которого подключается к источнику питания. Две вторичные обмотки (я 1 — Х и 02 — xi) выполнены с отводами от середин и соединяются между собой через дроссель L. Входные и выходные концы вторичных обмоток присоединены к двум мостам, выполненным на тиристорах VSl VS6 и VS1 VSY2.

Рис. 4.13. Преобразователь переменно-переменного тока.

Чтобы пояснить принцип работы преобразователя на примере формирования переменного напряжения на фазе а тягового двигателя по 120° схеме управления, воспользуемся рассмотренными ранее потенциальными диаграммами рис. 4.8.

Пусть в начальный момент времени положительная полуволна питающего напряжения приложена к началам обмоток трансформатора, что соответствует изображению зависимости и_а2 =fit) на рис. 4.14. В соответствии с рис. 4.8 ток в обмотках двигателя должен протекать от фазы а к фазе b, для чего следует отпереть тиристоры VS5 и VS9. С их отпиранием образуется контур для протекания тока: а₂ — тиристор VS9 — фаза я-фаза Zb-тиристор KS5 — jci — середина обмотки а — х трансформатора-дросссль /.-середина обмотки а₂ трансформатора — а₂. Поскольку питание двигателя осуществляется от двух полуобмоток, то результирующее напряжение и_и, прикладываемое к фазам двигателя, имеет удвоенную амплитуду и_а2. Для формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после.

Рис. 4.14. Диаграммы фазного напряжения.

смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS2 и VS12. При этом образуется контур для протекания тока: лг₂-тиристор KS12-фаза a-фаза b-тиристор VS2-a — середина обмотки О] - х1 трансформатора — дроссель L — середина обмотки а2 — Х2 трансформатора — Для дальнейшего формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры VS6 и VS12 (так как согласно диаграммам рис. 4.8 ток в двигателе протекает от фазы а к фазе с). Для формирования отрицательной полуволны напряжения на фазе а необходимо после очередной смены полярности питающего напряжения согласно диаграммам рис. 4.8 не отпирать тиристоры, соединяющие фазу с обмотками трансформатора, пропустив тем самым один полупериод регулирования, а после очередной смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры VS6 и KS8. С их отпиранием образуется контур для протекания тока: я₂-тиристор К58-фаза b — фаза а тиристор VS6 — X] — середина обмотки О] - jti трансформатора-дроссель L — середина обмотки я₂ — д:₂ трансформатора — 02. Для дальнейшего формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS3 и KS10. При этом образуется контур для протекания тока: я₂-тиристор VS7 (К58)-фаза с

(фаза 6)-фаза я-тиристор VS6-.Х — середина обмотки а — Х трансформатора-дроссель L — середина обмотки я₂ — хг трансформатора — а₂. При очередной смене полярности питающего напряжения для формирования положительной полуволны напряжения на фазе а в соответствии с рис. 4.8 необходимо не отпирать тиристоры, соединяющие фазу с обмотками трансформатора, пропустив тем самым один полупериод регулирования, а после очередной смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры VS2 и VS12. При этом образуются контуры для протекания тока: дг₂ — тиристор VSI2-фаза а — фаза 6-тиристор VS2 — а — середина обмотки а — Х трансформатора-дроссель L — середина обмотки я₂ — х₂ трансформатора — х₂.

Для формирования отрицательной полуволны напряжения на фазе а необходимо после очередной смены полярности питающего напряжения согласно диаграммам рис. 4.8 не отпирать тиристоры, соединяющие фазу с обмотками трансформатора, пропустив тем самым один полупериод регулирования, а после очередной смены полярности питающего напряжения вновь отпереть тиристоры VS6 и KS8. Далее процессы в схеме повторяются.

Из приведенных диаграмм видно, что имеются определенные ограничения, налагаемые как на схемное решение преобразователя, так и на принцип регулирования. Основные:

• • ограничение по минимальной частоте источника питания, которая должна быть в несколько раз выше номинальной частоты двигателя;
• • выполнение закона частотного пуска двигателя переменного тока, в соответствии с которым должно выполняться требование u/f = = const.

На практике последнее требование проявляется в том, что для регулирования величины среднего за период напряжения, подаваемого на двигатель, отпирание тиристоров следует производить не с появлением полуволны напряжения на обмотках трансформатора, а с задержкой по времени, длительность которой уменьшается с увеличением скорости вращения ротора электродвигателя.

При 180° схеме управления формирование переменного напряжения, подаваемого на двигатель, осуществляется также в соответствии с диаграммами рис. 4.8. На рис. 4.15 показаны диаграммы напряжений (питающего и на фазе а двигателя), поясняющие принцип частотного пуска вентильного двигателя.

Пусть в начальный момент времени положительная полуволна питающего напряжения приложена к началам обмоток трансформатора, что соответствует изображению зависимости м_а2 =J{t) на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Диаграммы напряжения при частотном пуске.

В соответствии с рис. 4.8 ток в обмотках двигателя должен протекать от фаз а и с к фазе 6, для чего следует отпереть тиристоры VS5, VS1 и VS9. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: 0₂-тиристор VS9 (К57)-фаза а (фаза с)-фаза 6-тиристор VS5 — х — середина обмотки а — х трансформатора-дроссель L — середина обмотки яг -*2 трансформатора — 0₂. Поскольку питание двигателя осуществляется от двух полуобмоток, результирующее напряжение и_и, прикладываемое к фазе а двигателя, равно 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS2, VS3 и KS12. При этом образуются контуры для протекания токов: х₂-тиристор KS12- фаза а (фаза с)-фаза b тиристор KS2 (К53)-01-середина обмотки аХ трансформатора-дроссель L — середина обмотки я₂ -д;₂ трансформатора — Х2. К фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для дальнейшего формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры KS4, VS5 и VS9. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: 0₂-тиристор К.99-фаза 0-фаза b (фаза с)-тиристор VSA (VS5) —

ЛГ| - середина обмотки а — х трансформатора-дросссль L — середина обмотки а₂ хг трансформатора — а₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для дальнейшего формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения вновь отпереть тиристоры KS2, VS3 и VS12. При этом образуются контуры для протекания токов:^{-тиристор} KS12—фаза а (фаза с*)-фаза />-тиристор VS2 (VS3)-a — середина обмотки а — X] грансформ атора-дроссель L — середина обмотки а₂ -х₂ трансформатора — х₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для завершения формирования положительной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после очередной смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS6_t KS8 и VS9. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов:^{-тиристор} VS9 (Г58)-фаза а (фаза b) — фаза с-тиристор VS6-X] - середина обмотки й — х трансформатора-дроссель L - середина обмотки а₂ — х₂ трансформатора — а₂. При этом к фазе а двигателя прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Первая гармоника сформированной положительной полуволны напряжения на фазе а (см. кривую 1 на рис. 4.15) соответствует рабочей частоте f_p =fJS.

Для формирования отрицательной полуволны напряжения на фазе а необходимо в соответствии с рис. 4.8 после очередной смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры VS, VS3 и VS11. С их отпиранием образуются контуры для протекания тока: х₂ — тиристор VS 11-фаза b - фаза а (фаза с)-тиристор VS 1 (KS3) — а — середина обмотки а — х трансформатора-дроссель L — середина обмотки а₂-х₂ трансформатора — х₂. При этом к фазе а двигателя прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для дальнейшего формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS6, VS7 и VS9. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: о₂ —тиристор VS1 (К$ 9)-фаза с (фаза Ь) — фаза а тиристор VS6-x — середина обмотки а — х трансформатора — дроссель L — середина обмотки а₂ — х₂ трансформатора — а₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для дальнейшего формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS6, Р510 и KS11. При этом образуются контуры для протекания токов: л^-тиристор KS10 (К911) — фаза с (фаза Ь) — фаза а-тиристор VS6 — а — середина обмотки а — х трансформ атора-дроссель L — середина обмотки а₂ -х₂ трансформатора — х₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для завершения формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после очередной смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS5, VS6 и FS10. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: а₂- тиристор KS10 — фаза с — фаза а (фаза Ь) тиристор VS6 (KS5)-X| - середина обмотки а — х трансформатора-дроссель L — середина обмотки а₂-х₂ трансформатора — а₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Первая гармоника сформированной отрицательной полуволны напряжения на фазе а (см. кривую I на рис. 4.15) соответствует рабочей частоте^ =/,/4.

Для формирования положительной полуволны напряжения на фазе а необходимо в соответствии с рис. 4.8 после очередной смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры VS2, KS10 и KS12. С их отпиранием образуются контуры для протекания тока: х₂- тиристор KS12 (KS10) — фаза а (фаза с)-фаза b — тиристор VS2 — а- середина обмотки а-х трансформатора-дроссель L — середина обмотки а₂ — х₂ трансформатора — х₂. При этом к фазе а двигателя прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для дальнейшего формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры KS4, VS5 и VS9. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: я₂-тиристор VS9 — фаза а — фаза b (фаза^{тиристор} KS4 (KS5)-;t|? середина обмотки а-Х трансформатора — дроссель L - середина обмотки а₂ — х₂ грансформатора — а₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и ей- Для завершения формирования положительной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после очередной смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры KS1, VS11 и VS12. При этом образуются контуры для протекания токов: х₂ - тиристор VS12 (KS11)-фаза а (фаза Ь) — фаза с-тиристор VS 1 — а — середина обмотки а — х трансформатора-дроссель L - середина обмотки а₂ — х₂ трансформатора — х₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и^. Первая гармоника сформированной положительной полуволны напряжения на фазе а (см. кривую / на рис. 4.15) соответствует рабочей частоте / =/,/3.

Для формирования отрицательной полуволны напряжения на фазе а необходимо в соответствии с рис. 4.8 после очередной смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры Р54, VS6 и KS8. С их отпиранием образуются контуры для протекания тока: х₂ — тиристор VS8 — фаза b — фаза а (фаза с)-тиристор VS6 (VS4)-a — середина обмотки а — Х трансформатора-дросссль L — середина обмотки а₂ — х₂ трансформатора — х₂. При этом к фазе а двигателя прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для дальнейшего формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после смены полярности питающего напряжения отпереть тиристоры VS3, KS10 и KS11. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: а₂ — тиристор VSl 1 (KS10) — фаза b (фаза с)-фаза я-тиристор VS3 -Х]- середина обмотки аX] трансформатора-дроссель L — середина обмотки а₂-х₂ трансформатора — а₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 2/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Для завершения формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо после очередной смены полярности питающего напряжения в соответствии с рис. 4.8 отпереть тиристоры VS5, VS6 и VS7. С их отпиранием образуются контуры для протекания токов: я₂-тиристор KS7 — фаза с — фаза а (фаза Ь) — тиристор VS6 (KS5)-;t] - середина обмотки ах трансформатора-дроссель L — середина обмотки а₂ — х₂ трансформатора — а₂. При этом к фазе а прикладывается напряжение, равное 1/3 от удвоенной амплитуды и_а2. Первая гармоника сформированной отрицательной полуволны напряжения на фазе а (см. кривую 1 на рис. 4.15) соответствует рабочей частоте /р =/"/з.

Дальнейшее повышение частоты регулирования становится нецелесообразным вследствие значительного искажения формы импульсов напряжения, подаваемого на двигатель. Поэтому частота/, питающего напряжения должна быть как минимум в 3 раза выше номинальной частоты / тягового двигателя. Поскольку для питания трехфазных (и однофазных) сетей используется / = 50 Гц, двигатель необходимо рассчитывать на частоту 16-j Гц .

Рассмотренный принцип работы преобразователя (с отпиранием тиристоров в начале полуволны питающего напряжения) противоречит требованию соблюдения закона регулирования (см. выше). Так, например, 5-кратное уменьшение частоты регулирования по отношению к номинальной требует 5-кратного понижения напряжения, что может быть достигнуто введением временной задержки (/"_д) на отпирание тиристоров. На рис. 4.15 показано, каким образом формируется кривая питающего фазу а напряжения при введении задержек для частот f_v = f, J5 (?ид|),/р =/,/4 (/тадг) и/p =fj3 Омяз). Первая гармоника сформированных положительных и отрицательных полуволн напряжения на фазе а> соответствующих рабочим частотам f_? = fj5, f_p = fJA и f_p = fj3 изображена на рис. 4.15 кривой 2.

При использовании на транспортных средствах с автономным источником питания трехфазных синхронных генераторов, питающих вентильные тяговые электродвигатели, возникает необходимость регулирования частоты и величины питающего двигатели напряжения в процессе частотного пуска. В качестве приводного мотора на них чаще всего используется двигатель внутреннего сгорания (например, дизель), угловая скорость вращения вала которого изменяется в небольших пределах. Поэтому осуществление частотного пуска двигателей регулированием скорости вала теплового двигателя невозможно.

Для осуществления частотного пуска можно использовать преобразователь, схема которого показана на рис. 4.16. Преобразователь содержит три идентичных по схемному решению и элементной базе модуля, выполненных на тиристорах, каждый из которых включается между фазой электродвигателя и тремя фазами источника питания. Тиристоры каждого модуля, включенные попарно-параллельно, позволяют подключать каждую фазу электродвигателя к любой из фаз источника питания, обеспечивая тем самым возможность формирования положительной и отрицательной полуволн на каждой из обмоток любой длительности.

Рассмотрим принцип регулирования частоты на примере формирования потенциальной кривой питающего фазу а напряжения, используя диаграмму рис. 4.16.

Пусть в начальный момент времени на фазе А появляется положительная полуволна напряжения. Для формирования положительной полуволны напряжения на фазе а необходимо отпереть тиристор VS9. После отпирания тиристора потенциал фазы А источника питания попадает на начало фазы а тягового двигателя. Для дальнейшего формирования напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя в момент равенства фазных напряжений U_A = Ub отпирается тиристор KS8, после чего запирается тиристор VS9, так как потенциал фазы В становится выше потенциала фазы Л. Далее фаза а двигателя оказывается под потенциалом фазы В источника. Для завершения формирования положительной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо в момент равенства потенциалов на фазах В и С источника отпереть тиристор VS1, что приведет к запиранию тиристора KS8, так как потенциал фазы С становится выше потенциала фазы В. Далее фаза а двигателя оказывается под потенциалом фазы С источника. По достижении напряжением на фазе С нуля заканчивается формирование положительной полуволны напряжения на фазе а тягового электродвигателя. При этом длительность полуволны соответствует частоте регулирования, равной примерно половине частоты напряжения источника питания.

Рис. 4.16. Схема пуска вентильного двигателя от трехфазной сети.

Для формирования отрицательной полуволны напряжения на фазе а необходимо по достижении напряжением фазы С нуля отпереть тиристор VS10. При этом на фазе а мотора появится отрицательный потенциал фазы С источника питания. Для дальнейшего формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо, как только потенциал фазы С сравняется с потенциалом фазы А_у отпереть тиристор VS12. При этом тиристор KS10 запирается, так как потенциал катода становится выше потенциала анода. Для завершения формирования отрицательной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо в момент равенства потенциалов фаз А и В отпереть тиристор VS 11. При этом тиристор VS12 запирается, а кривая потенциала на фазе а повторяет кривую питающего ее напряжения фазы В источника питания.

Для формирования положительной полуволны напряжения на фазе а необходимо в момент перехода через ноль напряжения фазы В источника питания отпереть тиристор VSS. После отпирания тиристора фаза а тягового двигателя оказывается под потенциалом фазы В. Для завершения формирования положительной полуволны напряжения пониженной частоты на фазе а тягового двигателя необходимо в момент равенства потенциалов на фазах В и С источника отпереть тиристор VS7, что приведет к запиранию тиристора KS8, так как потенциал фазы С становится выше потенциала фазы В. Далее фаза а двигателя оказывается под потенциалом фазы С источника. По достижении напряжением на фазе С нуля заканчивается формирование положительной полуволны напряжения на фазе а тягового электродвигателя. При этом длительность полуволны соответствует частоте регулирования, равной примерно 2/3 частоты напряжения источника питания.

Дальнейшее формирование потенциальной кривой на начале фазы а электродвигателя происходит аналогично рассмотренному способу.

Так же, как и в предыдущем случае, изменение частоты регулирования должно сопровождаться изменением величины питающего напряжения, что достигается введением задержки на время включения тиристоров по отношению к началу появления на его аноде напряжения. Кроме того, как и в предыдущем случае, частота напряжения на каждой из фаз электродвигателя в процессе регулирования изменяется дискретно.

Наличие дискретного характера изменения частоты при пуске, а также необходимость регулирования величины питающего напряжения в процессе изменения частоты обусловили поиск альтернативного решения проблемы частотного пуска электродвигателей переменного тока, питающихся от источника переменного тока. Решение этой проблемы было найдено в применении преобразователей переменнопеременного тока со звеном постоянного тока. Структурная схема преобразователя показана на рис. 4.17.

Рис. 4.17 Структурная схема преобразователя переменно-переменного тока.

Назначение преобразователя — питание тяговых двигателей переменного тока от трехфазного источника переменного тока. Поскольку централизованное питание практически неприемлемо, преобразователи подобного типа используются на транспорте с автономным источником питания.

Первый блок преобразователя используется для выпрямления трехфазного напряжения с регулированием величины выходного напряжения. Второй блок служит для сглаживания пульсации выпрямленного напряжения. В качестве фильтрового устройства применяется, как правило, I-, Сили Г-образный LC-фильтр. Третий блок представляет собой инвертор, варианты принципиальных электрических схем цепей которого были рассмотрены ранее.

Показанная на рис. 4.18 схема питания асинхронных тяговых электродвигателей используется на автономных транспортных средствах, где первоисточником служит тепловой двигатель, приводящий во вращение ротор синхронного тягового генератора М2, на валу которого располагается возбудитель Ml. Регулируя возбуждение тягового генератора и скорость вращения вала теплового двигателя, можно изменять величину выпрямленного напряжения на входах инверторов 1…/W, обеспечивающих частотный пуск и регулирование тягового усилия на осях колесных пар подвижного состава.

Рис. 4.18. Схема силовых цепей преобразователя теплоэлектрического подвижного состава.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Приводимый во вращение тепловым двигателем ротор возбудителя Ml при подаче на его обмотку питания от маломощного источника постоянного тока вырабатывает трехфазное напряжение, подаваемое на выпрямитель. Величина напряжения на входе выпрямителя определяется током возбуждения, а частота — скоростью вращения ротора. С выпрямителя напряжение подается на обмотку ротора тягового генератора М2, способствуя гем самым появлению на его статорных обмотках трехфазного напряжения, подаваемого на мостовой выпрямитель, выполненный на диодах VDI-VD6, а с него через фильтровое устройство, выполненное на дросселях L и L2 и конденсаторе С, — на «+» и «-» шины локальной сети подвижного состава. Изменяя возбуждение генератора М2, регулируют величину напряжения на «+» и «-» шинах локальной сети. Применение индивидуальных инверторов для питания тяговых электродвигателей обеспечивает достижение одинаковой скорости вращения колес подвижного состава и повышение противобуксовочных свойств. Особые преимущества индивидуального питания тяговых двигателей проявляются при использовании преобразователя на пневмоколесном транспорте при вписывании в кривые.

Диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на полупроводниковых элементах блоков преобразователя рассмотрены ранее.