Схемные решения силовых электрических цепей тягового привода с двигателями постоянного и переменного тока

Развитие силовой полупроводниковой техники и применение сильноточных полупроводниковых элементов в цепях питания тяговых электроприводов привели к тому, что все без исключения схемные решения силовых цепей современного и перспективного подвижного состава выполняются на их основе. Поэтому в качестве примера ниже приводятся схемные решения силовых цепей различных видов транспорта с описанием принципов их работы, что, по мнению авторов, позволит более глубоко вникнуть в проблему разработки тяговых электроприводов. Для более полного ознакомления со схемными решениями силовых цепей однои многодвигательного подвижного состава представлены электрические схемы приводов на различной элементной базе.

На рис. 7.9 показана принципиальная электрическая схема цепей троллейбуса на Я/ЯГ-транзисторах. Схема включает в себя: тяговый электродвигатель Ml последовательного возбуждения с обмоткой L1; блок коммутации, производящий подключение цепей к источнику питания и переключения при переполюсовке полярности проводов контактной сети; преобразователь собственных нужд (7Z; транзисторные ключи ГП-Г73, обеспечивающие регулирование подводимой к двигателю энергии в режиме пуска (F71), рекуперативного (VT2) и реостатного (F73) торможения; конденсатор С и дроссель L2 фильтра; тормозной резистор R1.

Принцип работы схемы в режиме пуска заключается в следующем. После подачи напряжения с блока коммутации и срабатывания контактора К1 происходит заряд конденсатора фильтра по цепи блок коммутации — контактор К1 — дроссель фильтра L1 — конденсатор С — блок коммутации. Для осуществления режима пуска замыкают контактор К2 и переводят транзистор VT2 в проводящее состояние (режим насы;

Рис. 7.9. Принципиальная электрическая схема цепей троллейбуса на /СВГ-транзисторах.

щения). При этом по цепи конденсатор С — транзистор VT2 — якорь двигателя Ml — контактор К2 — обмотка возбуждения L — конденсатор С начинает протекать ток якоря. После перехода транзистора VT2 из режима насыщения в режим отсечки ток якоря замыкается по контуру якорь двигателя Ml — контактор К2 — обмотка возбуждения L — диод VD2 — шунтирующий диод транзистора F73 — якорь двигателя М1. Изменением длительности проводящего состояния транзистора VT2 от минимальной величины, обеспечивающей протекание тока трогания, до периода регулирования обеспечивают пуск мотора в соответствии с пусковой диаграммой, показанной на рис. 7.10, от точки а до точки в. Дальнейший разгон троллейбуса происходит согласно кривой полного поля (рис. 7.10).

На рис. 7.11 показана принципиальная электрическая схема цепей тягового привода подвижного состава трамвая Т-3 чешского производства. Схема выполнена по модульному принципу: электрическая энергия подводится к каждой паре последовательно включенных двигателей от своего тиристорного широтноимпульсного регулятора с емкостной коммутацией. Схема включает в себя: входные цепи, содержащие автоматический выключатель QF1, контакторы К1 и КЗ, катушку максимального токового реле К2, дроссель входного фильтра L2_y конденсатор фильтра С1, шунтирующие резисторы /Пи R2 первый модуль, содержащий два тяговых электродвигателя Ml и М2 последовательного возбуждения с обмотками L и L2, реверсор, выполненный на контакторах К7-К10, р_ис. 7.10. Пусковая диаграмма полупроводниковый регулятор, выполненный на тиристорах VS (главный) и VS2 (гасящий), диоде VD6, коммутирующих конденсаторе СЗ и дросселе ?6, разделительных VD и VD4 и обратных VD2_y VD3 и VD5 диодах, тормозном R3 и шунтирующем R4 резисторах и катушке реле блокировки механических тормозов Кб; второй модуль аналогичного исполнения.

Рассмотрим принцип работы схемы в режиме пуска на примере первого модуля. При включении автоматического выключателя QF и срабатывании контакторов К1 и КЗ входной Г-образный LC-фильтр подключается к источнику питания (контактной сети). При этом по цепи контактная сеть — токоприемник ХА — автоматический выключатель QF 1 — контактор К1 — катушка максимального токового реле К2 — контактор КЗ — конденсатор С1 — рельс происходит заряд конденсатора фильтра до напряжения источника питания.

При замыкании контактов контактора К4 напряжение подается на цепь двигателей Ml и М2. Замыкание контактов К7 и К10 (либо К8 и К9) реверсора подготавливает трамвай к движению вперед (назад). Включение главного тиристора VSX регулятора приводит к протеканию тока во время импульса по цепи конденсатор С1 — контактор К4 — диод VD- дроссель L4 — катушка добавочных полюсов двигателя Ml — якорь Ml — якорь М2 — кагушка добавочных полюсов двигателя М2 — диод VD4 — контакт К7 (К8) реверсора — обмотка последовательного возбуждения L1 двигателя М1 — обмотка последовательного возбуждения L2 двигателя М2 — контакт К10 (К9) реверсора — дроссель.

Рис. 7.11. Принципиальная электрическая схема цепей тягового привода подвижного состава трамвая Т-3.

L6 — тиристор VS - рельс. Во время паузы ток двигателя замыкается в контуре дроссель L4 - катушка добавочных полюсов двигателя Ml — якорь Ml — якорь М2 — катушка добавочных полюсов двигателя М2 — диод VD4 - контакт К7 (К8) реверсора — обмотка последовательного возбуждения L двигателя Ml — обмотка последовательного возбуждения L2 двигателя М2 — контакт К10 (К9) реверсора — диод VD3 - диод VD2 — дроссель L1 - дроссель L4. Изменением длительности проводящего состояния тиристора VS от минимальной величины, обеспечивающей протекание тока трогания, до периода регулирования способствует пуску мотора в соответствии с пусковой диаграммой, показанной на рис. 7.16. При этом системой управления предусмотрено семь ступеней величины тока в цепи двигателей модуля в диапазоне от /_Mj= 60,5 А до /"7= 275А. После выхода на автоматическую характеристику полного поля производится его ослабление шунтированием обмоток последовательного воз- Рис. 7.12. Поле пусковых буждения L и L2 двигателей дроссехарактеристик.

лем L5. Дальнейший разгон трамвайного вагона осуществляется в соответствии с характеристикой ослабленного поля (рис. 7.12).

На рис. 7.13 показана часть упрощенной принципиальной электрической схемы силовых цепей на постоянном токе напряжением 3,3 кВ электропоезда «Сокол» отечественного производства, выполненного как секция, состоящая из трех вагонов (головного — прицепного, трансформаторного и моторного). Кроме того, электропоезд оснащен входными цепями для подключения к сети переменного тока промышленной частоты напряжением 27,5 кВ.

Цепи тягового привода электропоезда образуют регулятор входного напряжения, выполненный на базе IGCT-тиристоров VS3-VS6 (который необходим:

• • для обеспечения постоянства напряжения в 1600 В на входе цепей выходных инверторов;
• • поддержания коэффициента мощности на уровне, близком к единице, при питании от сети переменного тока;

Рис. 7.13. Принципиальная электрическая схема цепей тягового привода электропоезда «Сокол»

• поддержания напряжения на токоприемнике не выше максимально допустимой величины (в режиме рекуперации).

Выходные преобразователи — автономные инверторы напряжения UZX-UZ4, выполненные на базе /СЯГ-транзисторов, обеспечивающих частотный пуск и рекуперативное торможение каждого тягового двигателя мощностью 675 кВт раздельно; входной Г-образный и промежуточный LC-фильтры, выполненные на дросселе L1 и трансформаторах Tl, Т2 и конденсаторах С1-С6; цепи реостатного торможения, выполненные на базе /GCT-тиристоров (KS1, VS2, KS7, VSS) и резисторов R2-R5, а также коммутационная аппаратура, выполненная на базе автоматического выключателя QF и контакторов К1-К9.

Принцип работы цепей тягового привода в режиме пуска заключается в следующем. После поднятия токоприемника ХА 1 и включения автоматического выключателя QFX по цепи ХЛ — QFX — резистор RX — дроссель LX — конденсатор С1 — конденсатор С2 — рельс происходит заряд конденсаторов фильтра до половинного напряжения контактной сети, после чего срабатывает контактор К1, производя шунтирование токоограничивающего резистора RX. Если напряжение на конденсаторах превышает 1600 В, то отпирается тиристор VS3 и образуются цепи заряда конденсаторов СЗ-С6 промежуточного фильтра: конденсатор С1 — тиристор VS3 — первичная обмотка трансформатора ТХ — конденсатор СЗ, С5 (С4, С6) — первичная обмотка трансформатора 72 — обратный диод VD5 — конденсатор С1. Заряд производится до тех пор, пока напряжение на них не достигнет величины 1600 В. Если при этом напряжение на конденсаторе упало ниже 1600 В, запирается тиристор VS3 и отпирается тиристор KS6, образуя тем самым цепь конденсатор С2 — обратный диод VD4 — первичная обмотка трансформатора ТХ — конденсатор СЗ, С5 (С4, С6) — первичная обмотка трансформатора 72 — тиристор VS6 — конденсатор С2 для дозаряда конденсаторов СЗ-С6 до напряжения 1600 В.

Если напряжение на токоприемнике электропоезда ниже 3,2 кВ, то одновременно отпираются тиристоры VS3 и VS6, образуя цепь конденсатор С1 — тиристор KS3 — первичная обмотка трансформатора Т1 — конденсатор СЗ, С5(С4, С6) — первичная обмотка трансформатора Т2 — тиристор VS6 — конденсатор С2 для заряда конденсаторов СЗ-С6 до напряжения 1600 В.

После заряда конденсаторов включаются контакторы К2-К9, подавая напряжение на инверторы UZX UZ4. Применение индивидуальных инверторов позволяет более гибко регулировать величину тягового усилия на каждой оси колесной пары, обеспечивать надежную защиту от буксования.

Для защиты входного преобразователя от перенапряжений на токоприемнике (которые возникают, например, при отрывах токоприемника от контактного провода) используются тормозные резисторы R2 и /?3, которые подключаются параллельно конденсаторам С1 и С2 при отпирании тиристоров VS 1 и VS2. Для защиты от перенапряжений инверторов в аварийных режимах используются тормозные резисторы R4 и /?5, которые подключаются параллельно конденсаторам СЗ, С5 и С4, С6 при отпирании тиристоров VS7 и VSS.

Рис. 7.14. Кривая оптимального пуска.

При питании электропоезда от сети переменного тока цепи входного преобразователя, питающегося от понизительного трансформатора, собираются из тех же элементов.

Применение полупроводниковых преобразователей для питания асинхронных двигателей позволяет осуществлять пуск по любой кривой в зоне, ограниченной естественной характеристикой двигателя и осями координат (см. рис. 7.14). Но поскольку пуск должен осуществляться в соответствии с изложенными выше требованиями, кривая оптимального режима пуска отображается ломаной линией а-б-в.