|
| |
|
Главная Журналы тиристорные, транзисторные преобразователей Настоящая работа посвящена рассмотреьию тиристорных и транзисторных преобразователей, предназначенных для использования в схемах электропривода аккумуляторных транспортных средств, обеспечивающих высокую эффективность использования энергии источника питания и процессов управления электроприводом в целом. Подробно исследованы преобразователи, которые с точки зрения авторов являются наиболее приемлемыми и перспективными для внедрения их в низковольтном тяговом электроприводе. Проанализированы вопросы многофункционального применения преобразователей в аккумуляторном электротранспорте и повышения эффективности как преобразователей, так н всей системы электропривода. При рассмотрении проблемы повышения эффективности энергосистемы автономного электротранспорта в целом onticaii нетрадиционный подход, предполагающий разработку методов и средств оптимизации энергетических режимов силовых цепей средствами управления ключевым элементом - полупроводниковым преобразователем. Приведены методы и результаты исследова1гия энергетических показателей структурных элементов и функциональных контуров тяговых электроприводов постоянного тока. Обоснован подход и показаны результаты системного анализа зависимостей КПД автономных приводов с импульсными преобразователями от параметров упраЕлеиия последними. Представлены методики оиределеиня параметров оптимального управления преобразователем в тяговом и рекуперативном режимах работы электроприводов автономного электротранспорта. К преимуи1,ествам описанного подхода следус! отнести и то, что в данном случае ие требуется значительных капнгалоаложеинй при достижении поставленных целе11 по сравнению с разработкой новых конструкторско-технологических решений для элементов и систем автономного электро-г])а1]спо[)та. Прн этом обоснованная методология не утратит актуальности и [1[)и дальней[ием совернюнствоваинн отдельных технологических penie-Hiiii для исследуемых систем. Рассмотрение систем управления полупроводниковыми преобразовате-ля\И1 соответствует этапам эволюции их элементной базы - от дискретных элементов до сверхбольших интегральных схем. При этом, с одной стороны, прослеживается повышение уровня требований, предъявляемых к системам управления (смнженне стоимости, повьппенне надежности, расширение ()ункииональных возможностей и т, д.), а с лругой - усложняются законы управления, подлежащие реализации в энергетических системах и установках со сложными элементами, включая и силовые полупроводниковые преобразователи. Это обусловливает [[слесообразиость применения систем уп-равлеиня, построенных на базе микропроцессорных комплектов, которые по всем показателям соответствуют предъявляемым к современной технике требованиям, тем более при оптимизационном характере задач управления, решением которых в значительной мере определяется повышение эффективности автономных объектов с устройствами преобразовательной техники. Глава первая ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ НИЗКОВОЛЬТНОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 1. Общие сведения Полупроводниковые импульсные электроприводы постоянного тока вследствие высокой надежности, большего быстродействия, повышенных энергетических и эксплуатационных показателей находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В настояш,ее время основной областью применения импульсного регулирования постоянного тока является тяговый электропривод, где благодаря указсишым преимуществам достигается экономия электроэнергии до 20 % в год [12, 49, 1391. Идея импульсного регулирования пе нова. Управление электродвигателями постоянного тока с помошью импульсных преобразователей постоянного напряжения осуществлялось еще в 30-е годы, когда для этой цели применялась в соответствии с техническим уровнем того времени контактная механическая аппаратура. Первые работы, посвященные об1цим вопросам теории импульсных систем, опубликованы в 40-50-х годах К. Блауфусом, В. С. Кулебакиным и Е. А. Розенманом. Создште и освоение в промышленных масштабах в 60-х годах производства полупроводниковых диодов, транзисторов и тиристоров явились основой интенсивного развития импульсного управления электродвигателями постоянного тока на более высоком уровне. Были развиты работы по исследованию и внедрению систем электропривода с транзисторными (малой мощности), а затем и с мощными тиристорными импульсными преобразователями, в которых мощности двигателей достигают десятков и сотен киловатт. Ряд основных теоретических и практических вопросов, посвященных импульсным преобразователям, решен в работах Т. А. Глазенко, О. А. Коссова, В. Д. Нагорского. Ю. И. Конева, А. Е. Зораховича. Р. Е. Моргана, X. Джонса, X. Вебера. Широкие масштабы как в нашей стране, так и за рубежом приобрели научно-исследовательские и опытно-конструктор- ские работы по созданию мощных высоковольтных тиристорных импульсных преобразователей для электрической тяги. В результате выполнения этих работ созданы высокоэффективные импульсные преобразователи постоянного напряжения, нашедшие широкое применение в различных областях народного хозяйства. Исследования в области применения импульсного регулирования для тягового электропривода проводятся в Московском энергетическом институте, Ленинградском институте инженеров железнодорожрюго транспорта, Московском институте инженеров транспорта, Институте электродинамики АН УССР, Киевском политехническом институте, Томском политехническом институте, Днепропетровском институте инженеров транспорта, Фпзико-эиергетическом институте АН Латв. ССР и других организациях. Широко известны работы Л. В. Бирзииекса, B. С. Рудеико, И. С. Ефремова, В. Е. Розенфельда, В. Н. Mir-шина, А. И. Зайцева, И. Э. Клявинша, Л. В. Берзипьиит, C. А. ВолоткоБского, А. А Кувшинова, Г. М. Чиликииа, В. И. Стахио. В настогицсе время получили развитие разработки и исслс-довс11[Ия низковольтных и.мпульсных преобразователей, пи-та10и;ихся от авюномиого источника (аккумуляторной бага-реи). Такие преобразователи обладают рядом оеобеииоетсч!. обуслоалеиных спецификой их практического пг!1о.1ьзовппня и процессов, происходящих в элементах схемы Диализ некоторых схем низковольтных преобразовате:1ен лап в работах советских и зарубежных авторов. К ним относятся псследопа-иия В. И. 11екрасг)ва, Г. И Гаврплова. М. И Kpanii6epra, Э. В. Шикутя, К. К. Рашевица, Д\. Коха. Е. Крохлпига, К. Стора, [j. Маеларова, П. "[омиелова, Н. Толева, 15. Годепа, К. Медипкарова, X. Кахлена и др. Следует отметить, что под низковольти1>!.\т пмпу,аьспымп преобразователями здесь и в дальиейи]е.м подразумеваются преобразователи, применяемые в электроприводах колеснь!Х транспортных машин внутризаводского электротранспорта и электромобилях с бортовой аккумуляторной батареей напряжением 30-150 В. Известно широкое применение тириетор1Ц>[х импульсных преобразователей для привода такого рода транспортных машин. В последние годы в результате новышеиия энергетических и качественных показателей транзисторов преобразователи, созданные на их основе, все чаще используются в тяговых электроприводах. В нашей стране и за рубежом разработчики уделяют боль-пюе внимание созданию эффективных тиристорных импульсных преобразователей, благодаря их высокой перегрузочной  надежности по току и напряжению, малой мощности управления и относительно низкой стоимости. В настоящее время значительное количество таких преобразователей находится в эксплуатации. Дальнейшая их разработка обусловлена совершенствованием тиристоров. 2. Особенности работы преобразователей Анализ исследованла и разработок преобразователен постоянного иапряжеиия и опыт их эксплуатации на аккумуляторном электротранспорте, провеленный советскими и зарубежными исследователями позволяет определит!: 12, 20, 29, 58, 122 ряд особеипостей и факторов, оказывающих влияние иа работу таких иреобраз(;ва1елей в низковольтном тяговом электроприводе; иизкое напряжение источника иитаггия; влияние параметров управляемых iLcnen па квазиусчапоопвшпеся процессы и частотные характерислики преобра.зователя; отпосп-тельпо бо,1ьи1ие cpi-дпие токи нагрузки (кратность пусковых токов со.тав.-1яет (2,0 2,5) /J; пшрокпй диаиазои изм(.т1еипя выходиок; папряжспия; резкое поппж(Т1пе паиряжеиим источника прп бо.п.пшх токах nai рузкп и разряде аккумуляторной 6aiapen; пепдпозиач!И)сть энергетических пока..-ггелсч! работь! аккуму/!ятор11011 батареи в режиме им1[ул1,спогс) раз- актп1И1{ ппл\кт11виая nai )\зка с п oi ni>(0,T,( [\\к\\\\\\цу. е iiaipy.nH lipn.McpiK) иа Д15а порядка ниже ягсвьи! э,1ектр()Лт11\1те.1ь в процессе раб(/гь1 нагрузки, за псклюмеипем п у)иее- сопрогиг,и\ ДУКТИБИОК) гружен !;е менее .JO % но.\1Ппалiwio/i \\i  лвижеп! я мапиппл под ук/юп: зависимость протекай! са са\10В(?-бужлеппя от па]),1метров системы п.\тульс]1ого ре-гулирогии1Пя. Перечисленные Ракторы накладывают особые требовапни на тиристорные преобразователн носгояиного иапряжения для аккумуляторного электротранспорта, заключаюншеси в следуюп1ем: преобразователь должен коммутировать относительно большие токн при низком входном папряженпп; уровень напряжения коммутирующего коилепсатора ло/£жеи соответствовать величине коммутирующего тока нагрузки в каждый момент времени; выходное напряжение преобразователя должно изменяться от требуемого нижнего значен1:я до полного напряжения источника питания; преобразователь должен обеспечивать оптимальную величину пульсаггий якор ного тока; система управления должна обеспечивать надежную подачу управляющих импульсов при больших колебаниях входного напряжения; преобразователь должен иметь высокий КПД, так как от этого в большой стенени зависит длина .межзарядного пробега машины. С этой целью желательно иметь       Рис. I. В силовой цепи мииимальпое число включенных последовательно с электродвигателем элементов и полупроводниковых приборов. Перечисленные требования обусловливают, в свою очередь, высокие требования к надежности запирания силового тиристора. Как известно, суцдествуют различные способы и реализующие их схемы запирания тиристора при нитании от источника постоянного напряжения [1, 15, 20, 31, 89], представленные иа рис. 1. Схемы выключения тиристора различны ио своему назначению и пс1Ю/1ненню. На рис. 1, а показан способ выключения тиристора кратковре.\[е1П1Ым прерыванием силового тока механическим контактом, включенным последовательно с тиристором, и кратковременным шунтированием тиристора контактом, включенным параллельно тиристору (рис. 1, б). Недостаток приведенных схем - наличие мощного механического контакта, не отличающегося высокими надежностью и долговечностью. Применение механического контакта в схеме, приведенной на рис. 1, в, более оправдано, чем в предыдущих случаях, так как он выполняется на меньший ток и работает кратковременно только ири заряде и разряде коммутирующего конденсатора. При этом, однако, требуются дополнительный источник для заряда конденсатора и контактор с перекидным контактом. Схему можно выполнить с питанием от одного источника (рис. 1, г). Конденсаторная коммутация тиристора может выполняться также созданием колебательного контура, состоящего из индуктивности и емкости, подключаемой последовательно к си-  ловому тиристору или параллельно (рис. 1, 3, е)\ Возможно и трансформаторное запирание тиристора (201 (рис. 1, ж). При этом одна обмотка трансформатора включается последовательно с тиристором, а на другую подаются импульсы соответствующей полярности. Индуктивное запирание является вариантом трансформаторного, причем импульс обратной полярности подается от предварительно заряженного конденсатора непосредственно на обмотку, включенную последовательно с тиристором. Транзисторный способ выключения тиристора показан на рис. 1, 3. При этом следует учесть, что падение напряжения на транзисторе в момент шунтирования должно быть значительно ниже, чем на тиристоре, чтобы ток в цепи тиристора стал меньше его тока удержания и последний выключился. Подобным образом применяется также перевод силового тока на вспомогательный высокочастотный тиристор (рис. 1, и) мень-шей мощрюсти с последующим выключением его одним из пере-ч 1сленных способов. Целесообразность такого выключения силового тиристора объясняется следующими соображениями. Тиристоры, используемые в мощных преобразователях, должны иметь малые время восстановления запирающих свойств и прямое падение напряжения, а также большую мощность в единице. Однако тиристоры с большой мощностью в единице и малым падением напряжения, обладая высоким КПД и малой удельной стоимостью, имеют большое время восста1Ювленпя. В то же время высокочастотные тиристоры при малом времени выключения имеют, как правило, небольшую .\[Ощность в еди-ьине, КПД их низкий вследствие увеличения прямого падения напряжения, а удельная стоимость высока. Поэтому в мощных преобразователях целесообразно применить такой способ за1[ираиия силового тиристора, так как снижается удельная стоимость и повышается КПД преобразователя. Однако, как следует из рис. 1, и, этот способ относительно сложен в реализации и требует дополнительный источник, реализуемый, в частности, дополнительной трансформаторной обмоткой. Как показывает практика,, из всех перечисленных способов выключения тиристоров в низковольтном импульсном электроприводе наиболее эс})фективным является способ параллельно-емкостной коммутации силового тиристора преобразователя постоянного напряжения. При этом желательно обходиться без дополнительного источника питания, применяемого в ряде случаев для подзарядки коммутирующего конденсатора, так как ири автономном источнике питания (аккумуляторной батарее) дополнительный источник снижает эс)фективность работы импульсного электропривода. [ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |