 |
Функциональные узлы СУ и САР
|
|
|
|
4.4.1. Устройство синхронизации
В многоканальных СУ синхронизация импульсов производится в каждом канале управления.
Наиболее распространенной схемой устройства синхронизации (УС) является схема с одним многообмоточным трансформатором синхронизации для всех каналов.
Схема устройства синхронизации для двух противофазных каналов СУ приведена на рис. 23.
Рис. 23. Схема устройства синхронизации для двух
противофазных каналов СУ
На первичные обмотки трансформатора Т1 подается питающее напряжение. Напряжение вторичных обмоток является синхронизирующим. Определенная фаза синхронизирующего напряжения достигается изменением схемы соединения первичных обмоток трансформатора («звезда» или «треугольник»).
Отпайки a, b, c вторичной обмотки трансформатора Т1 предназначены для регулирования синхронизирующего напряжения и компенсации возможных технологических отклонений в параметрах элементов схем.
Искажение формы питающего напряжения коммутационными провалами (изменение фазы и амплитуды) может нарушить нормальную работу СУ, поэтому в цепи синхронизирующего напряжения устанавливают фильтры для выделения основной гармоники напряжения.
Фильтрация синхронизирующего напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1 осуществляется фильтром (L1, С1, С2). Таким образом исключается возможность асимметрии управляющих импульсов. Напряжения, снимаемые со вторичных обмоток трансформатора Т2, используются в фазосдвигающих устройствах (ФСУ) противофазных каналов управления.
4.4.2. Фазосдвигающие устройства
Фазосдвигающие устройства (ФСУ) предназначены для преобразования фазы напряжения управления в соответствующее фазовое положение импульсов, подаваемых на управляющие выводы тиристоров.
|
|
|
В СУ широко применяется так называемый вертикальный принцип управления, при котором опорное напряжение сравнивается с напряжением управления. В момент равенства этих напряжений происходит формирование управляющих импульсов.
При изменении напряжения управления изменяется фаза импульсов, подаваемых на тиристоры. В качестве опорного напряжения используется либо синусоидальное синхронизирующее напряжение (рис. 24), либо напряжение пилообразной формы (рис. 25) от специального генератора (генератора пилообразного напряжения ГПН или генератора линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН).
Наибольшее распространение получили ФСУ с пилообразным опорным напряжением. В основе такой схемы лежит цепь RС. В качестве опорного напряжения используется напряжение заряда конденсатора от независимого источника постоянного тока. Синхронизация ГПН осуществляется диодным или транзисторным коммутатором.
Транзисторные коммутаторы по сравнению с диодными потребляют меньшую мощность и обеспечивают бóльшую точность фиксации перехода синхронизирующего напряжения через 0.
Схема ГПН с транзисторным коммутатором приведена на рис. 26.
Рис. 24. Диаграммы, характеризирующие работу ФСУ с синусоидальным
синхронизирующим напряжением
Рис. 25. Диаграммы, характеризирующие работу ФСУ с напряжением
пилообразной формы
Рис. 26. Схема ГПН с транзисторным коммутатором
Диаграммы, поясняющие работу ГПН с транзисторным коммутатором, приведены на рис. 25. В положительный полупериод синхронизирующего напряжения конденсатор С закорочен открытым переходом эмиттер-коллектор транзистора VT. В момент перехода синхронизирующего напряжения через 0 от положительных значений к отрицательным транзистор VT запирается и конденсатор С начинает заряжаться от источника постоянного тока.
|
|
|
Выход ГПН и напряжение управления подключаются на входы схем узлов сравнения (или нуль-органов), которые предназначены для мгновенного переключения при равенстве двух входных разнополярных сигналов. Они отличаются большим разнообразием. Простейшие нуль-органы – транзистор, работающий в ключевом режиме; схема на двух транзисторах; триггеры; блокинг-генераторы и другие.
С развитием микроэлектроники стали широко применяться операционные усилители, которые обеспечивают высокую точность сравнения как разнополярных, так и однополярных входных сигналов.
4.4.3. Выходные устройства систем управления
Выходные устройства (ВУ) систем управления предназначены для формирования импульсов управления и подачи их на управляющие выводы тиристоров. ВУ – формирователи осуществляют усиление управляющего сигнала и потенциальное разделение цепей СУ и силовых цепей. Обязательными элементами формирователей являются усилительный каскад и трансформатор.
Для управления тиристорами широко применяются транзисторные и тиристорные усилители. Распространенной схемой формирователя импульсов является схема блокинг-генератора благодаря своей простоте, хорошей форме выходного импульса и малой мощности запускающего сигнала.
Схема блокинг-генератора приведена на рис. 27.
Рис. 27. Схема блокинг-генератора
Первичная обмотка w1 импульсного трансформатора Т включена в коллекторную цепь транзистора VT. В момент подачи управляющего импульса транзистор VT открывается, по обмотке w1 начинает протекать ток, наводится ЭДС в обмотке w2, которая форсирует процесс открытия транзистора VT. Обмотка w3 выполняет роль выходной обмотки.
Съема блокинг-генератора используется в качестве запускающего элемента тиристорного формирователя.
Схема тиристорного формирователя приведена на рис. 28.
Тиристорный формирователь питается от сети переменного напряжения, синхронизированной с питающей сетью. В нерабочий полупериод за счет диода VD конденсаторы С1, С2, С3 заряжаются до амплитудного значения питающего напряжения с полярностью, показанной на рис. 28. При открытии тиристора VS1, который включается в работу сигналом от блокинг-генератора, происходит разряд конденсаторов на первичную обмотку w1 изолировочного трансформатора Т. Поскольку время разряда конденсаторов С1-С3 различно, то, изменяя параметры их цепей разряда, можно получить выходной импульс с необходимыми параметрами.
|
|
|
Рис. 28. Схема тиристорного формирователя
Изолировочный трансформатор Т может иметь несколько независимых вторичных обмоток, каждая из которых служит для управления одним тиристором. В случае, когда преобразователь имеет большое количество последовательно включенных тиристоров, применяют последовательное включение специальных импульсных трансформаторов, первичные обмотки которых выполнены кабелем с изоляцией на полное напряжение. Принципиальная схема устройства для размножения импульсов приведена на рис. 29.
Такие схемы обычно применяют при напряжении 3 кВ и выше, так как при высоких напряжениях преобразователя невозможно изготовить импульсный трансформатор с изоляцией на полное рабочее напряжение, удовлетворяющий требованиям передачи импульса с крутым фронтом.
Последовательно включенные первичные обмотки w1 импульсных трансформаторов выполнены в виде кабельного витка, проходящего через тороидальные магнитопроводы с наложенными на них вторичными обмотками w2, от которых питаются управляющие выводы тиристоров. Питание первичной обмотки w1 осуществляется от тиристорного формирователя.
Рис. 29. Принципиальная схема устройства для размножения импульсов
4.4.4. Требования, предъявляемые к управляющим импульсам
Это требования первой группы из общих требований, предъявляемых к СУ. Они определяют параметры управляющего сигнала (ток и напряжение) и зависят в основном от типа применяемых вентилей и схемы включения (один или несколько вентилей в фазе).
Для надежного включения тиристора необходим сигнал с параметрами по напряжению – 10-20 В, по току – 1-2 А. При групповом включении тиристоров (последовательном и параллельном соединении их в вентильном плече) необходимо соответственное увеличение мощности суммарного сигнала и повышение крутизны импульса, подаваемого на управляющий вывод тиристора.
|
|
|
При этом в импульсном режиме работы аппаратуры управления ток и напряжение управляющего сигнала действуют в течение коротких промежутков времени. Электрические импульсы могут быть прямоугольной, пилообразной, колоколообразной, экспоненциальной и других форм.
Форма управляющего импульса и обозначение его параметров приведены на рис. 30.
Основными параметрами, характеризующими импульс, являются его амплитуда Uи или Iи, время импульса tи, длительность фронта tф и длительность спада tс импульса.
Рис. 30. Форма управляющего импульса и обозначение его параметров
Форма реального импульса отличается от идеальной, поэтому за длительность импульса принимают длительность на уровне 0,1 от амплитудного значения, а длительности фронта и спада – между уровнями 0,1 и 0,9 от амплитудного значения.
Чтобы уменьшить потребляемую мощность, очень часто управление тиристорами производят короткими импульсами, подаваемыми на управляющий вывод.
Минимальная длительность импульса для наиболее распространенных приборов должна быть не менее 20-30 мкс, так как за время импульса силовой ток тиристора должен достичь значений, бóльших тока включения (ток включения в 3-5 раз превышает ток удержания).
Предъявляются требования и к крутизне импульса. Для четкого включения тиристоров необходимо обеспечить высокую скорость нарастания фронта управляющего импульса, то есть крутизна фронта импульса управления Sу должна превышать крутизну нарастания анодного тока тиристора SА, т.е. Sу.>.SА.
Применительно к преобразователям, работающим от сети с частотой 50 Гц, необходимо увеличивать крутизну импульса управления для уменьшения разброса моментов включения из-за различия характеристик входных цепей отдельных тиристоров. С учетом этого крутизна фронта импульса управления Sу должна быть больше, чем 0,2-0,3 А/мкс.
5. Аварийные режимы работы преобразователей
Аварийные режимы в преобразователях возникают при недопустимых перегрузках, выходе из строя отдельных элементов силовой схемы и, как правило, сопровождаются значительным увеличением тока. От этих режимов преобразователь должен быть защищен. Анализ аварийного режима необходим для правильного выбора параметров элементов силовой схемы и аппаратов защиты, для прогнозирования последствий динамического и термического воздействия токов аварийных режимов на электротехническое оборудование.
Для полупроводниковых преобразователей из-за относительно низкой перегрузочной способности вентилей расчеты аварийных режимов являются неотъемлемой частью электрических расчетов силовой схемы и в большинстве случаев являются определяющими при выборе параметров вентилей. При этом важно знать токи в начальный период развития аварии – как правило, в первый полупериод, за который аварийные токи при глухих (металлических) коротких замыканиях достигают своего максимального значения.
|
|
|
Аварии в зависимости от места их возникновения разделяют на внешние и внутренние.
К внутренним авариям относятся режимы, возникающие при повреждении силовых полупроводниковых приборов в одном или нескольких плечах схемы вследствие перегрева прямым током или пробоя чрезмерно высоким обратным напряжением.
Внешние аварии возникают вследствие нарушений вне силовой выпрямительной схемы: короткие замыкания на шинах переменного тока, шинах выпрямленного напряжения, недопустимая перегрузка или короткое замыкание у потребителя.
Особо следует выделить режимы однофазных коротких замыканий на землю вентильных обмоток трансформатора. Такие режимы являются специфическими для преобразователей тяговых подстанций электрических железных дорог постоянного тока. В этих режимах в контуры короткого замыкания входят рельсы электрифицированного участка железной дороги и протекание по ним аварийного тока, содержащего гармонику 50 Гц, может привести к нарушению работы рельсовых цепей автоблокировки, что в свою очередь ведёт к снижению безопасности движения поездов. При этих режимах так же возможны разрушения, вызванные воздействием электрической дуги как в месте замыкания, так и в месте переброса её на соседнее оборудование.
Анализ аварийных режимов при учете всех параметров схемы, включая распределенные емкости элементов и соединения шин, нелинейности цепи с магнитопроводом трансформатора, самих полупроводниковых приборов, достаточно сложен. Поэтому при анализе переходных процессов принимают ряд упрощающих допущений, не приводящих к заметным погрешностям в расчетах:
– полупроводниковые приборы принимаются идеальными (сопротивление в прямом направлении равно нулю, в обратном – бесконечности);
– падением напряжения на них пренебрегают;
– активные и индуктивные сопротивления принимаются линейными;
– трехфазная система напряжения питания принимается симметричной и имеет синусоидальную форму с неизменной амплитудой;
– намагничивающие токи трансформаторов и собственные емкости электрооборудования малы и не учитываются;
– емкости и сопротивления защитных цепей от перенапряжений и радиопомех не учитываются;
– аварии возникают при установившихся режимах питающей сети, переходный процесс включения трансформатора не учитывается;
– токами нагрузки при внутренних авариях пренебрегают.
К числу наиболее точных способов описания и исследования переходных процессов в цепях с вентилями относят кусочно-линейный метод или метод припасовывания. Согласно этому методу для расчета аварийных токов весь процесс разбивается на ряд интервалов в зависимости от числа вентилей (фаз), участвующих в проводимости тока. Для каждого интервала аварийного процесса схема замещения остается неизменной внутри интервала и может изменяться на границе. Начальные условия для токов в очередном интервале определяются по конечным условиям для этих токов в предыдущем интервале.
Библиографический список
1. Бурков А. Т. Электроника и преобразовательная техника: Учебник: в 2 т. Т. 2: Электронная и преобразовательная техника. Допущено федеральным агентством ж.-д. транспорта в качестве учебника для студентов вузов ж.-д. транспорта / А. Т. Бурков. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2015. 307 с.
2. Засорин С. Н. Электронная и преобразовательная техника: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма. М.: Транспорт, 1981. 319 с.
3. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций / Б. С. Барковский, Г. С. Магай, В. П. Маценко и др.; Под ред. М. Г. Шалимова. М., 1990. 127 с.
4. Барковский Б. С. Теория выпрямления тока на тяговых подстанциях: Конспект лекций по разделу курса «Электронная и преобразовательная техника» / Б. С. Барковский; Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 50 с.
5. Барковский Б. С. Инвертирование тока на тяговых подстанциях и электровозах: Конспект лекций по разделу курса «Электронная и преобразовательная техника» / Б. С. Барковский; Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1980. 36 с.
6. Салита Е. Ю. Проектирование преобразователей для тяговых подстанций постоянного тока: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении». 2-е изд., перераб. и доп. / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалёва; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 53 с.
7. Чебовский О. Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. М.: Энергоатомиздат, 1985. 400 с.
8. Силовые преобразователи тяговых подстанций и электроподвижного состава: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Е. Ю. Салита, Г. С. Магай, Т. В. Комякова и др.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 131 с.
9. Новое оборудование для проектирования тяговых и трансформаторных подстанций: Учебное пособие / Г. С. Магай, Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова и др.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 81 с.
10. Салита Е. Ю. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника и преобразователи». 2-е изд., перераб. и доп. / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалёва; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 44 с.
11. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники / Ю. К. Розанов. М., 1992. 296 с.
12. Зорохович А. Е. Основы электроники для локомотивных бригад / А. Е. Зорохович, С. С. Крылов. М.: Транспорт, 1992. 224 с.
13. Бервинов В. И. Электроника и микропроцессорная техника на подвижном составе / В. И. Бервинов. М.: Транспорт, 1997. 216 с.
14. Яковлев В. Н. Высоковольтные преобразователи переменного тока тяговых подстанций метрополитена: Учебное пособие / В. Н. Яковлев. Самара: СаМИИТ, 2001. 83 с.
15. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог (сборник справочных материалов). ОАО «Российские железные дороги», филиал «Проектно-конструкторское бюро по электрификации железных дорог». М., 2004. 384 с.
16. Кулинич Ю. М. Электронная преобразовательная техника: Учебное пособие. Допущено федеральным агентством ж.-д. транспорта в качестве учебного пособия для студентов вузов ж.-д. транспорта / Ю. М. Кулинич. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2015. 204 с.
17. Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава: Учебное пособие. Допущено федеральным агентством ж.-д. транспорта в качестве учебного пособия для студентов вузов ж.-д. транспорта / В. М. Антюхин, А. А. Богомяков, Ю. А. Евсеев и др. Под ред. Ю. М. Инькова и Ф. И. Ковалева. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2011. 471 с.
|
|
|
