Типовые узлы схем управления двигателями постоянного и переменного тока на базе бесконтактных элементов

Использование сильноточных полупроводниковых ключей для питания тяговых двигателей невозможно без применения устройств, обеспечивающих их стабильное функционирование. Обусловлено это, прежде всего, тем, что:

• • источники питания тяговых приводов обладают определенной индуктивностью, вызывающей замедление протекания переходных процессов в полупроводниковых приборах как при их отпирании, так и при запирании;
• • при запирании электронного ключа разрывается цепь протекания тока двигателя, что вследствие активно-индуктивного характера последнего вызовет на зажимах ключа возрастание разности потенциалов до недопустимых величин и приведет к пробою его полупроводниковых приборов;
• • при малых токах нагрузки пульсация тока в цепи тягового двигателя может вызвать режим прерывистого тока, что нежелательно;
• • пульсация тока двигателя, потребляемого от источника, вызывает появление электромагнитного излучения в широком диапазоне частот, что негативно сказывается на работе приемо-передающих устройств радиои телевещательных станций и т. д.

Для предупреждения этих негативных явлений в цепях питания применяют:

• • входные и выходные фильтровые устройства;
• • обратные диоды, шунтирующие цепь тягового двигателя;
• • высокую частоту регулирования.

В качестве входных фильтровых устройств используются пассивные, как правило, Г-образные LC-фильтры, зарекомендовавшие себя как надежные в эксплуатационном отношении элементы силовых цепей тяговых электроприводов. Подбором параметров элементов фильтра снижают пульсации входного напряжения и создаваемые работающим приводом радиопомехи.

В качестве выходных фильтров также используются пассивные фильтры, представляющие собой дроссели, включаемые последовательно с двигателем и увеличивающие индуктивную составляющую его цепи.

Обратные диоды, шунтирующие цепь тягового двигателя, предназначены для образования контура протекания тока тягового двигателя в период паузы, когда ключ разомкнут.

Использование высокой частоты работы ключа (от сотен герц до килогерц) способствует уменьшению массогабаритных показателей как входных, гак и выходных фильтровых устройств, а также величины пульсации тока, что снижает уровень создаваемых радиопомех.

Типовые схемные решения электронных ключей на базе SCR- тиристоров для питания тяговых электродвигателей постоянного тока однодвигательного подвижного состава были достаточно подробно рассмотрены в главе 4. В случае использования их для питания двух и более двигателей целесообразно применять общий узел емкостной коммутации тиристоров. Принципиальная электрическая схема цепей широтно-импульсного преобразователя на SCR-тиристорах, обеспечивающего раздельное питание двух тяговых двигателей постоянного тока, показана на рис. 8.17. Для упрощения в схеме не показаны обмотки возбуждения двигателей, включенные последовательно с якорными.

Для описания принципа работы преобразователя используем диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы, приведенных на рис. 8.17, б.

Рис. 8.17. Принципиальная электрическая схема цепей широтно-импульсного преобразователя на 5С/?-тиристорах.

Пусть в исходном состоянии (до момента времени t₀) тиристор FS1 находился в проводящем состоянии, соединяя тяговый двигатель Ml с источником питания, коммутирующий конденсатор С был заряжен так, что левая его обкладка имела положительный потенциал, а правая — отрицательный. При этом гок тягового двигателя М2 замыкался через обратный диод VD2. В момент времени t₀ отпираются гасящие тиристоры VS4 и VS5 и к тиристору VS прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярности. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор, полярность которого к моменту времени t становится противоположной по отношению к моменту времени /о, но такой же величины (равной напряжению источника питания). С этого момента и до момента времени t₅ ток в цепи тягового двигателя Ml замыкается через обратный диод VD. В момент времени Ь отпирается тиристор VS2 и ток тягового двигателя М2, замыкавшийся до этого через обратный диод, начинает протекать через него. В момент времени ty отпираются гасящие тиристоры VS3 и VS6 и к тиристору VS2 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярности. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор, полярность и величина которого к моменту времени /₄ становятся исходными (равными напряжению источника питания). В момент времени /₅ отпирается тиристор VS и вновь присоединяет тяговый двигатель к источнику питания. В момент времени /₆ отпираются гасящие тиристоры VS4 и VS5 и к тиристору VS 1 прикладывается напряжение коммутирующего конденсатора обратной полярности. Тиристор запирается, а протекавший через него ток начинает перезаряжать конденсатор. Далее процессы в электрических цепях повторяются. Период регулирования в каждой фазе определяется интервалом времени 4 — /о, а период потребления тока от источника питания — интервалом времени Гз — to= t_b ~h ⁼ Т_р12. Таким образом, пульсация тока, потребляемого от источника питания, имеет двойную частоту по отношению к частоте тока, протекающего в фазах.

Описанная схема универсальна и применима для питания тяговых двигателей на подвижном составе рельсового транспорта, где используются двухосные ходовые части тележечного исполнения с индивидуальным приводом. Пожалуй, единственный недостаток схемного решения такого рода ключей — это невозможность использовать их в режимах пуска и торможения без применения дополнительных коммутационных аппаратов.

При использовании в качестве элементов электронных ключей полупроводниковых приборов типа IGBT-транзисторов схемные решения ключей существенно упрощаются. В качестве примера на рис. 8.18 приведена принципиальная электрическая схема преобразователя на двух IGBT-транзисторах, обеспечивающая переход из режима пуска в режим торможения без использования дополнительных коммутационных аппаратов.

В отличие от рассмотренной ранее схемы преобразователя на SCR- тиристорах в данной схеме наличие двух транзисторов позволяет осуществить питание тягового двигателя от источника в режиме тяги и перейти в режим торможения. Для пуска двигателя используется транзистор VT_y изменяя длительность проводящего состояния которого, можно регулировать величину среднего за период напряжения, подаваемого на него от источника. При этом в период паузы (запертого состояния транзистора) ток двигателя циркулирует по контуру, образованному встроенным в транзистор VT2 обратным диодом.

Для перехода в режим торможения включается транзистор VT2, что обеспечивает протекание якорного тока двигателя в направлении, обратном тому, которое он имел в режиме пуска. Изменяя длительность проводящего состояния транзистора, можно регулировать величину тока двигателя. При переходе транзистора в непроводящее состояние ток двигателя благодаря шунтирующему диоду транзистора VT замыкается через источник.

Для изменения направления движения транспортных средств с приводами постоянного тока, как известно, необходимо поменять на противоположное направление тока в цепи якоря или в цепи обмотки возбуждения, т. е. использовать реверсор. В отличие от схем реостатного пуска реверсор может быть выполнен по схеме «моста» на базе полупроводниковых элементов. При использовании в качестве полупроводниковых элементов /С/?Г-транзисторов реверсор позволяет не только изменять направление тока, но и регулировать его величину. Независимо от количества тяговых двигателей на подвижном составе схема электронного реверсора идентична. В качестве примера на рис. 8.19 приведена схема реверсирования тока в обмотках возбуждения для транспортного средства с четырьмя двигателями.

Принцип работы электронного реверсора заключается в следующем. При движении транспортного средства в одном направлении питание обмоток возбуждения осуществляется, например, через транзисторы VTI и VT4. Величина тока в обмотках возбуждения регулируется длительностью проводящего состояния транзисторов. В период непроводящего состояния транзисторов ток обмоток возбуждения замыкается через источник питания благодаря обратным диодам транзисторов VT2 и VT3.

Для изменения направления движения отпираются транзисторы VT2 и F73. В период нахождения их в непроводящем состоянии ток обмоток возбуждения циркулирует через обратные диоды транзисторов VTX и VT4.

Рис. 8.18. Схема преобразователя на /СЯГ-транзисторах.

Рис. 8.19. Схема электронного реверсора.

В принципиальной электрической схеме сильноточных цепей многодвигательного тягового привода постоянного тока (рис. 8.20) использованы типовые узлы: входной Г-образный LC-фильтр (позиция /), выходной фильтр на базе дросселя (позиция 2), транзисторный ключ (позиция J) и электронный реверсор (позиция 4).

Рис. 8.20. Схема сильноточных цепей многодвигательного тягового привода постоянного тока с использованием типовых узлов.

В тяговых приводах переменного тока используются те же принципы построения принципиальных электрических схем, что и в приводах постоянного тока:

• • обязательное включение входных и выходных фильтровых устройств;
• • использование обратных диодов для обеспечения циркуляции тока двигателя в периодах непроводящего состояния ключей.

В зависимости от того, какой из параметров электрической цепи (ток или напряжение) формируется при питании от источника постоянного напряжения, различают инверторы тока и напряжения. Как правило, элементной базой инверторов являются SCtf-тиристоры либо /О'ЯГ-транзисторы. При использовании тиристоров в преобразователях необходимо применять узлы принудительной коммутации, в частности, емкостной. Принципиальные электрические схемы инверторов тока и напряжения с емкостной коммутацией показаны на рис. 8.21 и 8.22 соответственно.

Рис. 8.21. Инвертор тока на? С/?-тиристорах.

В качестве примера рассмотрим принцип работы инвертора тока, приведенного на рис. 8.21. Силовые цепи инвертора выполнены на базе 5СУ?-тиристоров, поэтому для их коммутации использованы коммутирующие конденсаторы. В целях предотвращения влияния узлов коммутации друг на друга в цепях преобразователя предусмотрены разделительные диоды VDX-VD6. Для обеспечения циркуляции реактивной энергии предусмотрен обратный диодный мост на диодах VD1-VDX2. Для сглаживания пульсации потребляемого из источника питания тока предусмотрен входной Г-образный LC-фильтр. Для стабилизации тока, потребляемого из фильтра, используются дроссели LX и L2.

Пусть до начального момента времени состояние цепей преобразователя было таково, что конденсаторы были заряжены до напряжения Uj с полярностью, указанной на рисунке без скобок, тиристоры VS4 и VS5 находились в проводящем состоянии и ток двигателя протекал по цепи C7-LX-VS5- VD5 — фаза с — фаза b-VD4- VS4 -L2- СП. Одновременно происходил заряд конденсатора С4 по цепи СП — LX — VS5 — VD5 — VD6 — VS4 -L2 — С1. После зарядки конденсатора до напряжения Ud с полярностью, указанной без скобок, ток в этой цепи прекратился.

В нулевой момент времени (см., например, диаграммы рис. 4.8) отпирается тиристор VSX. При этом образуется цепь для протекания тока из источника питания Cl — LX — VSX — VDX — фаза а — фаза b — VD4 — VS4 -L2 — С1. Одновременно образуется контур VSX — С5 — VS5, в котором к тиристору KS5 прикладывается обратное напряжение, что приводит к его запиранию и последующему перезаряду конденсатора С5 до напряжения источника питания с полярностью, указанной в скобках, по цепи Cl — LX — VSX — С5 — VD5 — фаза с — фаза в — VD4 — VS4 — L2 — С1, конденсатора С2 до напряжения источника питания с полярностью, указанной в скобках, по цепи СП — LX — VSX — VDX — VD2 — С2 — VS4 -L2 — СП и конденсатора СХ до напряжения источника питания с полярностью, указанной без скобок, по цепи СП — LX — VSX — СХ — VD3 — VD4 — VS4 — L2- СП. После перезаряда конденсаторов токи в этих цепях прекращаются, а ток в фазе с двигателя за счет запасенной в ней электромагнитной энергии начинает циркулировать по контуру фаза с — фаза b — VD4 — VS4 -L2 — VDX2 — фаза с, пока не спадет до нуля.

В момент времени 7У6 отпирается тиристор KS6, что приводит к образованию цепи СП — LX — VSXVDX- фаза а — фаза с — VD6 — VS6 — L2 — СП. При этом ток в фазе а продолжает течь в том же направлении, а в фазе с — в противоположном по отношению к периоду времени до отпирания тиристора VS. Одновременно образуется контур VS4 — VS6 — С4, в котором к тиристору VS4 прикладывается обратное напряжение и он запирается. После запирания тиристора VS4 образуются цепи ClL-VSVD1 — фаза а — фаза b — VD4 — С4 — VS6 -L2-C1 перезаряда конденсатора С4 до напряжения Uj с полярностью, указанной в скобках, и С7 — 7.1 — VS — VD — VD2 — С6 — VS6 — L2 — Cl перезаряда конденсатора С6 до напряжения Uj с полярностью, указанной без скобок. После перезаряда конденсаторов ток в этих цепях прекращается, а ток фазы в начинает циркулировать в контуре фаза b — VD9 — II — VS 1 — VD — фаза а — фаза b до тех пор, пока не спадет до нуля.

В момент времени 773 отпирается тиристор KS3, что приводит к образованию цепи Cl — L — VS3 — VD3 — фаза b — фаза с — VD6 — VS6 -L2- С7. При этом ток в фазе с продолжает течь в том же направлении, а в фазе b — в противоположном по отношению к периоду времени 0 — 776. Одновременно образуются контур VS 1 — Cl — VS3, в котором к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение и он запирается, и цепь С7 — LI — VS3- - СЗ — VD5 — VD6 — VS6 -L2-C1, по которой происходит перезаряд конденсатора СЗ до напряжения U_d с полярностью, указанной без скобок. После запирания тиристора VS образуется цепь Cl — L — VS3 — Cl — VD — фаза а — фаза с — VD6 — VS6 — L2 — С7 перезаряда конденсатора С1 до напряжения Uu с полярностью, указанной в скобках. После перезаряда конденсаторов протекание токов в этих цепях прекращается, а ток фазы а начинает циркулировать в контуре фаза а — фаза с — VD6 — VS6 -L2 — VDS — фаза а до тех пор, пока не спадет до нуля.

В момент времени 772 отпирается тиристор VS2, что приводит к образованию цепи С7 — 7Л — KS3 — VD3 — фаза в — фаза а — VD2 — VS2 — L2-C1. При этом ток в фазе b продолжает протекать в том же направлении, а в фазе а — в противоположном по отношению к периоду времени 0−773. Одновременно образуется контур VS2 — VS6 — С6, в котором к тиристору VS6 прикладывается обратное напряжение и он запирается, цепь С7 — L — VS3 — VD3 — фаза b — фаза с — VD6 — С6 — VS2 — L2 — С1 перезаряда конденсатора С6 до напряжения U с полярностью, указанной в скобках, и цепь С7 — II — VS3 — VD3 — VD4 — С2 — VS2 — L2- С1, по которой происходит перезаряд конденсатора С2 до напряжения Ud с полярностью, указанной без скобок. После перезаряда конденсаторов протекание токов в этих цепях прекращаются, а ток фазы с начинает циркулировать в контуре фаза с — 7D11- 7,1 — VS 3- 77)3 — фаза b — фаза с до тех пор, пока не спадет до нуля.

В момент времени 2773 отпирается тиристор VS5, что приводит к образованию цепи С7 — LI — VS5 — VD5 — фаза с - фаза а — VD2 — VS2 — L2 — С7. При этом ток в фазе а продолжает течь в том же направлении, а в фазе с — в противоположном по отношению к периоду времени 776 — 7X2. Одновременно образуется контур VS3 — СЗ — VS5, в котором к тиристору VS3 прикладывается обратное напряжение и он запирается, цепь С7 — 7,1 — VS5 — СЗ — VD3 — фаза b — фаза а — VD2 — VS2 — 7,2 — С7, по которой происходит перезаряд конденсатора СЗ до напряжения Ud с полярностью, указанной в скобках, и цепь С7 — 7.1 — VS5 — С5 — VD1 — VD2 — VS2 — 7,2 — С7, по которой происходит перезаряд конденсатора С5 до напряжения Uj с полярностью, указанной без скобок. После перезаряда конденсаторов протекания токов в этих цепях прекращаются, а ток фазы b начинает циркулировать в контуре фаза в — фаза а — VD2 — VS2 — 7,2 -77)10 — фаза b до тех пор, пока не спадет до нуля.

В момент времени 57У6 отпирается тиристор 754, что приводит к образованию цепи С7 — 7,1 — 755 — VD5 — фаза с - фаза b — VD4 — 754 — 7.2 — С7. При этом ток в фазе с продолжает течь в том же направлении, а в фазе b — в противоположном по отношению к периоду времени 773 — 2773. Одновременно образуется контур 752 — 754 — С2, в котором к тиристору 752 прикладывается обратное напряжение и он запирается, цепь С7 — 7,1 — 755 — 77)5 — фаза с — фаза а — VD2 — С2 — 754 — 7,2 — С7, по которой происходит перезаряд конденсатора С2 до напряжения Uj с полярностью, указанной в скобках, и цепь С7 — 7,1 — 755 — VD5 — 77)6 — С4 — 754 — 7,2 — С7, по которой происходит перезаряд конденсатора С4 до напряжения U_d с полярностью, указанной без скобок. После перезаряда конденсаторов протекания токов в этих цепях прекращаются, а ток фазы а начинает циркулировать в контуре фаза а — VD1 — 7,1 — 755 — 77)5 — фаза с — фаза а до тех пор, пока не спадет до нуля.

В момент времени Т отпирается тиристор 751 и процессы в цепях повторяются.

На рис. 8.22 показан вариант схемного решения преобразователя напряжения, выполненный на базе 5С/?-тиристоров, запирание которых, как и в схеме инвертора тока, производится при помощи индивидуальных узлов емкостной коммутации. Принцип работы ключа, используемого в данном преобразователе, был рассмотрен ранее (см. рис. 4.9).

Поэтому остановимся только на описании принципа работы преобразователя со 180° схемой управления в целом.

Рис. 8.22. Инвертор напряжения на 5С7?-тиристорах.

Включение преобразователя в работу' начинается с подготовки узла коммутации, для чего необходимо предварительно зарядить его конденсатор. Заряд коммутирующих конденсаторов верхних плечей происходит после отпирания тиристоров KS1.1 и VS2 фазы a, PS3.1 и VS4 фазы в, FS5.1 и VS6 фазы с. Заряд конденсаторов нижних плечей происходит после включения тиристоров VS 1 и VS2.1 фазы a, VS3 и VS4.1 фазы b, VS5 и VS6A фазы с. Все конденсаторы заряжаются до напряжения источника питания Uj с полярностью, обозначенной без скобок. Для облегчения описания принципа работы воспользуемся диаграммами рис. 4.9.

В интервале времени 0 — 776 в проводящем состоянии находятся тиристоры FS1, VS4 и VS5. Ток ТЭД течет по цепям С7 — VSl — Z.8 — фаза с — фаза b — L9 — VS4 — С1 и С7 — VS5 — L10 — фаза а фаза b-L9- VS4 — Cl.

В момент времени Т/6 запирается тиристор VS5 и отпирается тиристор VS6. При этом ток фазы а изменяет направление на противоположное и течет по цепи ClVS1 -LS- фаза с — фаза а — L10 — VS6 — С1, а в фазах b и с сохраняет свое направление.

Рис. 8.23. Инвертор на /СЯГ-транзисторах.

В момент времени 773 запирается тиристор VS4 и отпирается тиристор VS3. При этом ток фазы b изменяет направление на противоположное и течет по цепи С7 — VS3 — 7,9 — фаза b — фаза а — L10 — VS6 — СП, а в фазах а и с сохраняет свое направление.

В момент времени 772 запирается тиристор VSI и отпирается тиристор VS2. При этом ток фазы с изменяет направление на противоположное и течет по цепи С7 — KS3 — L9 — фаза b — фаза с- 7,8 — VS2 — С1, а в фазах а и b сохраняет свое направление.

В момент времени 2773 запирается тиристор VS6 и отпирается тиристор KS5. При этом ток фазы а изменяет направление на противоположное и течет по цепи С7 — KS5 — 7Л0 — фаза а — фаза сLSVS2 — С7, а в фазах b и с сохраняет свое направление.

В момент времени 5776 запирается тиристор KS3 и отпирается тиристор VS4. При этом ток фазы в изменяет направление на противоположное и течет по цепи СП — VS5 — L10- фаза а — фаза b — L9 — VS4-C1, а в фазах а и с сохраняет свое направление.

В момент времени Т запирается тиристор VS2 и отпирается тиристор KS1. При этом ток фазы с изменяет направление на противоположное и течет по цепи СП — F51 — LS- фаза с — фаза b — L9 — VS4 — СП, а в фазах а и b сохраняет свое направление.

Далее процессы в цепях повторяются.

Для перевода электрической машины из двигательного режима в тормозной в силовой цепи привода не производится никаких переключений. Как известно, одним из способов торможения машины переменного тока является осуществление такого принципа управления, при котором частота вращения поля статора меньше частоты вращения ее ротора. Этот способ и используется в приводах с обоими схемными решениями сильноточных цепей, показанных на рис. 8.21 и 8.22.

Так же, как и в схемотехнических решениях тяговых приводов на постоянном токе, применение /С/?Г-транзисторов позволяет существенно упростить принципиальные электрические схемы силовых цепей за счет использования их структурных и конструктивных особенностей (рис. 8.24). Кроме того, из цепей исключаются довольно громоздкие цепи принудительной коммутации силовых полупроводниковых приборов.

Транзисторы инвертора конструктивно объединены в модуль, что существенно упрощает сборку преобразователя и способствует предотвращению ошибок при монтаже элементов силовой цепи.