Расчет параметров входного и сглаживающих фильтров. Составление математической модели импульсного прерывателя постоянного тока

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие силовой полупроводниковой техники, в частности создание мощных управляемых кремниевых вентилей — тиристоров, открывает новые широкие возможности усовершенствования систем регулирования скорости электропоездов постоянного тока. На основе тиристоров могут быть созданы как маломощные импульсные регуляторы возбуждения тяговых двигателей, так и мощные высоковольтные импульсные преобразователи — регуляторы напряжения тяговых двигателей.

Тиристорные импульсные преобразователи дают возможность создать новые, более совершенные системы автоматического регулирования процессов тяги и торможения. Так, например, на их основе могут быть созданы системы автоматического безреостатного пуска с предельной силой тяги по условиям сцепления.

Системы импульсного регулирования напряжения создают также реальные возможности повышения напряжения контактной сети и, таким образом, увеличения пропускной способности и экономической эффективности железнодорожных участков по условиям электроснабжения.

Системы безреостатного регулирования открывают новые возможности и проектировщикам тяговых двигателей. Ввиду того, что при безреостатном регулировании нет необходимости опасаться потерь электроэнергии при пуске, тяговые двигатели могут быть осуществлены с высокими естественными скоростными характеристиками, что даст дополнительное повышение скорости электропоездов.

Значительным преимуществом систем импульсного регулирования напряжения можно считать то, что эти системы позволяют осуществить рекуперативное торможение в области низких скоростей, практически до полной остановки. В силу этого как в Росси, так и за границей ведутся интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию тиристорных импульсных преобразователей для электротранспортных средств постоянного тока.

После появления мощных силовых управляемых полупроводниковых приборов работы по созданию тиристорных импульсных преобразователей для электроподвижного состава постоянного тока начались также и в зарубежных странах (в ФРГ, Японии, Англии, США и др.). Так, например, в ФРГ в период с 1963 по 1965 г. опытными тиристорными импульсными преобразователями были оборудованы некоторые промышленные электровозы небольшой мощности и аккумуляторный электровагон.

Весьма интенсивные исследовательские работы по созданию систем импульсного регулирования для электроподвижного состава постоянного тока проводятся в Японии. Эти работы были начаты в сентябре 1965 г., когда на одном опытном моторном вагоне постоянного тока с напряжением питания 600 В был установлен тиристорный импульсный преобразователь для безреостатного пуска и реостатного торможения. Этот преобразователь мощностью около 110 кВт регулировал напряжение на двух двигателях мощностью 55 кВт одной тележки вагона при пусковом и тормозном токах около 200 А. Удовлетворительные результаты первых испытаний позволили японским специалистам в апреле 1966 г. продолжить исследования с импульсным преобразователем большей мощности при питании от контактной сети 1500 В. Новая опытная установка импульсного регулирования напряжения была предусмотрена для тягового тока 600 А и работала с частотой от 30 до 80 Гц. При столь низкой рабочей частоте преобразователя установленный входной индуктивно-емкостный фильтр не мог обеспечить достаточную степень сглаживания и пульсации тока контактной сети превысили допустимые значения. Поэтому по результатам предыдущих испытаний в 1968 г. в Японии была построена первая опытная моторвагонная секция, состоящая из двух моторных вагонов с четырьмя постоянно последовательно включенными тяговыми двигателями мощностью 4X95 кВт на каждом вагоне. Тяговые двигатели каждого вагона питались от двух параллельных прерывателей, подключенных к общей цепи двигателей через разделяющие дроссели. Работа всех четырех прерывателей была синхронизирована таким образом, что ток, потребляемый от общего входного индуктивно-емкостного фильтра, имел в 4 раза большую частоту, чем частота работы каждого прерывателя. Частота работы прерывателя в процессе безреостатного пуска менялась от 45 до 200 Гц. Общая опытная установка для двух моторных вагонов имела 52 тиристора и 44 диода.

Исследования продолжались в июне 1969 г., когда второй экспериментальный поезд с новыми тяговыми двигателями мощностью
145 кВт был оборудован тремя импульсными преобразователями. Каждый преобразователь осуществлял регулирование напряжения на восьми тяговых двигателях и состоял из трех параллельно работающих с частотой 220 Гц прерывателей. Таким образом, ток, потребляемый от общего входного индуктивно-емкостного фильтра, имел частоту 660 Гц. Цепь нагрузки была подключена к прерывателям через сглаживающие дроссели.

Исследованные в 1968—1969 гг. схемные решения с выходными сглаживающими дросселями были приняты за основу при разработке новых электропоездов «Тейто» с импульсным регулированием для линии № 3 (длиной 12,2 км) Токийского метрополитена. Движение на этой линии было начато в 1971 г.

Поэтому большое значение имеет ознакомление широкого круга инженеров с данной областью новой техники. Это особенно важно потому, что в настоящее время электропоезда постоянного тока составляют более 75% всего железнодорожного моторвагонного парка и их модернизация на основе современной силовой полупроводниковой техники может дать значительный экономический эффект.

В данном проекте произведен расчет параметров входного и сглаживающих фильтров, составлена математическая модель импульсного прерывателя постоянного тока. Полученная модель позволяет за очень короткое время получить кривые изменения токов и напряжений при изменении входных в режиме рекуперативного торможения.