Оборудование железнодорожного перегона системами АБТЦ

Електрична схема, робочі фази і форми вихідних сигналів паралельного інвертора зображені на рис.2. Паралельні інвертори застосовуються в низькочастотних пристроях. У них використовуються трансформатор з відведенням з центру первинної обмотки, два тиристора і комутуючих конденсатор. Джерело живлення включається між центральним висновком і загальною точкою катодів тиристорів. Еквівалентна навантажувальний опір, перелічене в ланцюг первинної обмотки, підключено паралельно комутаційного конденсатора. Отже, інвертор такого типу є паралельним.

У момент часу t = tx тиристор Т1 включається. Напруга джерела  живлення Е докладено до обмотки трансформатора А. Відповідно до закону самоіндукції таке ж напруга Е індукується на обмотці трансформатора В, але протилежної полярності. Оскільки обмотки А і В з'єднані послідовно, на них буде сумарна напруга 2Е. Цим напругою конденсатор попередньо заряджається до напруги 2Е.

У момент часу t = t2 тиристор Т2 включається. Полярність напружень  на обмотках А і В змінюється на зворотний, до конденсатора, і тим  самим до тиристору Т1, прикладається  зворотна напруга, за рахунок чого тиристор Т1 вимикається. Полярність напруги на конденсаторі змінюється, і він перезаряджається до напруги - 2Е. Також міняє на зворотній напрямок струм у вторинній обмотці, тобто через навантажувальний опір протікає змінний струм прямокутної форми. Форма вихідної напруги аналогічна формі напруги на конденсаторі.

Рис.3.2 - а) Базова схема паралельного інвертора;

б) Фази роботи схеми;

в) Форми напруг і струмів  у ланцюгах паралельного інвертора

Недоліки

Номінальна напруга  конденсатора повинно бути 2Е.

Струм джерела живлення не є чисто постійним струмом.

Коливання струму джерела  живлення, є причиною додаткового  виділення тепла в первинного ланцюга паралельного інвертора.

                   3. 2. Трифазний інвертор струму

Рис.3.3  - Схема трифазного інвертора струму

Електрична схема і робочі фази трифазного інвертора струму зображена на рис.3. Цей тип інвертора називається інвертором К. Філіпса. Його робота заснована на коммутировании напруги. Велика індуктивність, включена послідовно з джерелом напруги, працює як джерело струму. Схема працює в 150-градусному режимі.

Щоб вимкнути шість тиристорів, потрібні шість конденсаторів. Діоди D1 - D6 запобігають розряд конденсаторів  через навантаження. Ці діоди називаються  ізолюючими. Тиристори в цій схемі  запускаються в послідовності 12-23-34-45-56-61. Якщо схема переходить зі стану 12 у стан 23, тиристор Т2 продовжує залишатися в проводяться стані, отже, тиристор Т2, замикається, а струм продовжує протікати через включений тиристор Т2.

Фаза I. Конденсатор С, заряджений з лівого боку до напруги ve, а з правого - до напруги-ve. Тиристори Т1 і Т2 запускаються згідно діаграмі 150-градусного режиму роботи. Схема залишається в цьому стані від 0 до 60 °.

Фаза2. У наступний 60-градусний інтервал тиристори Т1 і Т2 повинні знаходитися в проводяться стані. Тиристор Т1 запускається починаючи з 60-градусного інтервалу. Тиристор Т1, вимикається комутуючим напругою. Струм протікає через D1 фазу А і фазу С. Напруга на конденсаторі С, змінює полярність.

Рис 3.4. -Фази роботи схеми

Фаза III. Діод D1 продовжує залишатися в проводяться стані до тих пір, поки струм через нього протікає в тому ж самому напрямку. Діод D3 знаходиться в проводяться стані, так як він зміщений у прямому напрямку присутнім на конденсаторі С, напругою. У цій фазі всі три гілки навантаження є споживачами потужності. Ця фаза називається періодом перекриття.

Фаза IV. Діод D1 знаходиться  в проводяться стані до тих  пір, поки енергія, збережена на індуктивності навантаження у фазі А, не зменшиться до нуля. Далі струм протікає через тиристори Т2 і Т3 згідно діаграмі управління при 150-градусному режимі роботи інвертора.

Форми фазових струмів  трифазного інвертора струму еквівалентні формам фазових напруг трифазного інвертора  напруги при 150-градусному режимі роботи.

 

 3.3 Керування вихідною напругою інвертора

Частотно-керований (або  регульований) асинхронний привід зазвичай будується за схемою «живильна мережа - випрямляч - фільтр - трифазний інвертор напруги - приводиться асинхронний двигун. Мережа живлення може бути як побутової однофазної, так і промислової трифазної, відповідно і випрямляч робиться одно-або трьох-фазним. В якості фільтра, як правило, використовуються Г-образні LC-фільтри, в системах малої потужності припустимо застосування звичайного згладжує С-фільтра.

Найбільш складним вузлом є інвертор напруги. Останні роки він будується на основі полноуправляемих силових ключів - транзисторів (MOSFET або IGBT), а ще зовсім недавно застосовувалися схеми на напівкерованих ключах (тиристорах). Завдання інвертора - одержання з постійної напруги регульованого по частоті і діючим значенням трифазної напруги. Регулювання частоти особливої ​​складності не викликає, а от для регулювання діючого значення напруги доводиться застосовувати ШІМ модуляцію, що далеко не просто.

Керування силовими ключами інвертора здійснює за певним алгоритмом спеціальний керуючий контролер (інакше кажучи - схема управління). Алгоритм управління має на увазі не тільки реалізацію функцій регулювання частотиі діючого значення вихідної напруги, але так само і реалізацію захисту силових ключів від перевантажень і КЗ. У деяких випадках додатково реалізуються функції регулювання моменту на валу АД та інші специфічні завдання, неактуальні для аматорського застосування.

 

Вихідною напругою інвертора потрібно керувати в таких пристроях, як регулятор швидкості, джерела безперебійного живлення і

т. д.

Керувати вихідною напругою можна трьома способами:

1) регулюванням вхідної  напруги інвертора;

2) регулюванням вихідної  напруги інвертора;

3) регулюванням вихідної  напруги самим інвертором.

Вхідна напруга можна  регулювати за допомогою фазоуправляемого перетворювача або комутатора, включеного на вході інвертора. Недоліком фазоуправляемого перетворювача є низький коефіцієнт потужності з боку входу інвертора. Недоліком комутатора постійного струму є високі комутаційні втрати.

Вихідна змінна напруга  інвертора можна регулювати за допомогою  трансформатора з комутованими відводами від вторинної обмотки. Недоліком комутації відводів є необхідність в обслуговуванні розмикачі.

Регулювання вихідної напруги самим інвертором називається широтно-імпульсною модуляцією. Розрізняють два типи широтно-імпульсних модуляторів:

1) одноразові;

2) багатократні.

  3.4.Одноразовий широтно-імпульсний модулятор

Електрична схема інвертора  і форми сигналів одноразового широтно-імпульсного модулятора зображені на рис.4. Одноразовий широтно-імпульсний модулятор виробляє один керуючий імпульс за напівперіод циклу перетворення. Вихідна напруга інвертора регулюється за рахунок зміни тривалості керуючого імпульсу в кожному напівперіоді циклу перетворення. Епюри керуючих імпульсів одноразового широтно-імпульсного модулятора зображені на Рис.5б. На виході інвертора присутня напруга, тільки якщо транзистори Т1 і Т2 (або) Т3 і Т4 знаходяться в проводяться змозі одночасно.

Рис. 3.5 - а) Схема мостового інвертора;

б) Форми сигналів широтно-імпульсного  модулятора

У проміжку часу від t0 до t1 в проводяться стані знаходяться  транзистори Т1 і Т1. У цей час  на навантаженні позитивна напруга. У проміжку часу від t2 до t3 проводяться  стані знаходяться транзистори Т3 і Т4, на навантаженні при цьому негативне напруга. Вихідним напругою інвертора можна управляти, змінюючи кут 9. Чим більше значення 9, тим менше вихідна напруга інвертора, і навпаки. Недоліком цього способу регулювання є присутність у вихідній напрузі великої кількості вищих гармонік.

 

3.5. Багаторазовий широтно-імпульсний модулятор

Багаторазовий широтно-імпульсний модулятор виробляє серію керуючих імпульсів за напівперіод циклу  перетворення. Існують два типи багаторазових  широтно-імпульсний модуляторів: А) широтно-імпульсний модулятор з рівними длительностями керуючих імпульсів і б) синусоїдальний широтно-імпульсний модулятор.

Широтно-імпульсний модулятор  з рівними длительностями керуючих імпульсів

Форми сигналів симетричного широтно-імпульсного модулятора або широтно-імпульсного модулятора з рівними длительностями керуючих імпульсів зображена на рис.5. Припустимо, що V1-напруга трикутної форми, Vc - керуюча напруга і Vo - вихідна напруга компаратора

Рис.3.6 - Форми сигналів симетричного широтно-імпульсного модулятора

 

У схемі управління опорне напруга високої частоти VT (трикутної  форми) порівнюється з напругою управління Vc. Вихідна напруга компаратора Vo високе, коли більше Vc, і низька, якщо Кт менше Vc. Таким чином, вихідна напруга компаратора представляє собою послідовність імпульсів. Сформовані таким чином імпульси можна використовувати для управління потужними транзисторами. Якщо в инвертор використовуються тиристори (інвертор Мак-Мюррея), основний тиристор запускається переднім фронтом імпульсу, а допоміжний тиристор - заднім. Таким чином, багаторазовий широтно-імпульсний модулятор виробляє серію керуючих імпульсів за напівперіод циклу перетворення. Гармонійні складові в вихідній напрузі такого інвертора будуть набагато менше, ніж у инвертор з одноразовим широтно-імпульсним модулятором.

 

3.6 Режими керування  асинхронним трьохфазним двигуном.

  АІН на повністю керованих ключах VT1-VT6 (рис. 7) - за допомогою ємності С_ф підключений до джерела напруги U_d, а до його виходів приєднані фази навантаження - АТД. Якщо транзистори VT1-VT6 вмикати і вимикати відповідно до діаграми (рис. 7), то напруга у навантаженні при з'єднанні фаз двигуна "зіркою" матиме форму ступінчатих прямокутних імпульсів поперемінно позитивної і негативної полярності тривалістю 120°, 150° або 180° з постійною амплітудою U_d [6].

 

Рис.3.7. АІН на повністю керованих ключах VT1-VT6

 

  3.6.1. 120   градусний режим керування АТД

 Найбільш прогресивний  вид нового зварювального обладнання, що виконується в даний час по інверторної схемою. У більшості випадків обладнання нерозривно пов'язано з конкретним типом проволакуючого пристрою. У найпростішому варіанті це джерело, що дозволяє виконувати механізоване зварювання плавким електродом в захисних газах низьколегованих і корозійно-стійких сталей і алюмінію. Використовується також при зварюванні порошковим і самозахисного дротами. Особливістю високочастотних інверторів є висока стабільність і якість зварювання різних матеріалів в широкому діапазоні товщин з мінімальним розбризкуванням металу. Таке обладнання в ряді випадків забезпечує високоякісну зварювання і покритими електродами з усіма видами покриттів. Зварювання неплавким електродом є звичайно додатковою функцією. При імпульсної зварюванні плавким електродом в суміші газів з'являється можливість отримання імпульсів струму різної частоти і форми. При достатній технологічної опрацювання ця властивість може поліпшити якість зварних з'єднань. Наприклад, введення функції подвійного імпульсу поліпшило очищення металу при зварюванні алюмінію, в результаті чого зварний шов формується того ж виду, що й під час зварювання вольфрамовим електродом.

При 120-градусному режимі роботи кожен тиристор знаходиться  в проводяться стані від 0 до 120 ° за період. Будь-коли два тиристора в цій схемі знаходяться в проводяться стані, і два з трьох навантажувальних резисторів є споживачами потужності. Коли тиристор з непарної групи знаходиться в проводяться стані, що відповідає йому фазовий напруга - позитивне. Якщо ж у проводяться стані знаходиться тиристор з парної групи, що відповідає йому фазовий напруга негативне. Фазові напруги тут представляють собою 120-градусні псевдопрямоугольние послідовності імпульсів. Вихідні лінійні напруги мають форми шестиступінчастих послідовностей імпульсів, зсунутих на 120 ° по відношенню один до одного.

Рис.3.8 діаграма провідностей при 120-градусному режимі роботи инвертора

 

 

Рис.3. 9 Форма фазного струму та спектр фазного сруму при 120 градусному режимі роботи

 

 

 

При 120 градусному режимі роботи асинхронного трифазного двигуна при швидкості 25 км\ч ми маємо гармоніки 475 Гц й 725 Гц, що є частотами , які передаються у рейкових колах. За цією частотою струми впливають один на одного , що може викликати шкідливі впливи на роботу рейкових кіл.

 

3.6.2.150- градусний режим роботи АТД

150-градусний режим  работи асинхронного двигуна на залізниці використовується при запуску двигуна електрорухомого складу. У цьому режимі вмикання транзисторів вдійснюється з затримкою 30 градусів після вимикання відповідного тиристору данної фази.

 

Рис.3.10.Діаграми провідності транзисторів при 150 градусному режимі роботи

3.6.2.1.Схемотехнічне моделювання

Для проведення схемотехнічного  моделювання був використаний пакет  аналізу електричних кіл OrCAD Pspice. Було створено модель АІН на транзисторах IGBT, який працює при напрузі проміжної ланки 3000В. Для спрощення напруга проміжної ланки вважається вільною від сторонніх завад та моделюється джерелом постійної напруги. Навантаженням АІН є обмотки статора АТД, що моделюються індуктивним та активним опором [6]. Стандартні моделі IGBT транзисторів не задовольняють умовам роботи тягового перетворювача, тому за допомогою редактора моделей було створено власну модель. Параметри моделі IGBT визначалися з характеристик транзистора, що були побудовані у редакторі моделей [7].

Отримана модель, за допомогою  пристрою керування, дозволяє змінювати  вихідну частоту АІН, тим самим моделюючи різну швидкість локомотива.

На рис.3 11 наведено форму струму фази b.  Так як очікуваний спектральний склад фазної напруги та струму буде містити гармоніки з кратністю , то для моделювання була обрана швидкість руху локомотива 25 км/год. При цьому сьома гармоніка буде 420 Гц, а тринадцята 780 Гц. Тобто ці гармоніки будуть потрапляти у смугу сигнальних частот ТРК. За допомогою пакету Pspice отримано спектральний склад фазного струму (рис.3 12), на рис.3 11 приведено частину спектру для частот тонального діапазону.