С увеличением размеров перевозок и мощности электровозов
значительно возрастают тяговые токи, а следовательно, потери
напряжения и электроэнергии в контактной сети. В связи с этим на
наиболее грузонапряженных участках железных дорог,
электрифицированных на постоянном токе напряжением 3000 В, возникают
ограничения в движении поездов. Чтобы избежать этого, приходится
увеличивать площадь сечения контактной подвески, число подстанций,
что связано с большими денежными затратами, а главное - с
увеличением потребления дефицитных материалов, например меди.
Если бы можно было повысить напряжение в контактной сети, допустим,
в 2 раза, то при том же местоположении подстанций и той же площади
сечения контактной подвески потери напряжения и электроэнергии в ней
уменьшились бы в 4 раза. Что же мешает повысить это напряжение?
Прежде всего это непосредственная электрическая связь контактной
сети с тяговыми двигателями, энергетические и габаритные параметры
которых ухудшаются при повышении напряжения. Устранить эту связь, а
значит, повысить напряжение в контактной сети постоянного тока
позволяют системы импульсного регулирования. Применение таких систем
открывает принципиальную возможность выбора рационального значениянапряжения в контактной сети и напряжения тяговых двигателей
вне зависимости друг от друга.
В случае применения систем импульсного регулирования получается
существенная экономия электроэнергии, особенно для электроподвижного
состава, работающего с частыми остановками. Экономия достигается
вследствие устранения реостатного пуска и применения рекуперативного
торможения до низких скоростей, улучшения использования сцепного
веса в результате устранения колебаний сил тяги и торможения,
свойственных ступенчатому регулированию.
Импульсное регулирование напряжения позволяет коренным образом
изменить схему силовых цепей электровоза, а также цепей управления.
Возможность регулировать напряжение, подводимое к тяговым двигателям
электровозов постоянного тока, делает ненужными перегруппировками
двигателей. Кроме того, непрерывная трансформация напряжения,
осуществляемая в преобразователе, позволяет на выходе его
стабилизировать ток и напряжение, подводимое к тяговым двигателям,
независимо от напряжения в контактной сети. Тем самым облегчается
автоматизация процессов пуска и электрического торможения, а также
осуществление автоведения поездов, в результате чего улучшается
использование тяговых и тормозных средств электроподвижного состава.
Рис. 123. Принципиальная схема импульсного
управления тяговым двигателем
Рис. 124. Диаграммы мгновенных значений
напряжения и тока при импульсном (а), широтноимпульсном (б) и
частотно-импульсном (в) регулировании
Широкие возможности для разработки импульсных преобразователей
открылись благодаря развитию полупроводниковой техники. Впервые
импульсное регулирование напряжения начали применять на
аккумуляторном э. п. с. При этом существенно уменьшился удельный
расход энергии и увеличилось время работы движущей единицы без
заряда батареи, а значит, и расстояние, проходимое э. п. с. от
заряда до заряда батареи.
В последние годы все большее применение за рубежом и в СССР получают
системы импульсного регулирования напряжения тяговых двигателей
постоянного тока в режимах тяги и электрического торможения. Такие
системы разработаны для магистральных электровозов, электропоездов,
метрополитена и электрического городского транспорта.
Для преобразования постоянного напряжения одного значения в
напряжение другого значения применяют специальные импульсные
преобразователи, выполненные на базе тиристоров. Эти преобразователи
периодически подключают тяговые двигатели к контактной сети на
короткие промежутки времени. Таким образом, электрическая энергия к
двигателям поступает в виде кратковременных импульсов.
Тбилисский электровозостроительный завод им. В. И. Ленина
построил опытные электровозы постоянного тока на два напряжения - 3
и 6 кВ с частотно-импульсным тиристорным управлением. На них
применен статический импульсный преобразователь напряжения
постоянного тока, выполненный по схеме рис. 125, разработанный в
Московском энергетическом институте (МЭИ) под руководством д-ра техн.
наук, профессора В. Е. Розенфельда. В этой схеме тиристор VS играет
роль ключа.
Рис. 125. Принципиальная схема
преобразователя постоянного тока
С помощью специальной системы управления на управляющий электрод
тиристора VS периодически подаются открывающие импульсы. Емкость
конденсатора Ск и индуктивность дросселя U подобраны так, что при
открытии тиристора ток через него возрастает до максимального
значения, а затем снижается до нуля в тот момент, когда конденсатор
Ск полностью заряжен и на его обкладках напряжение равно напряжению
контактной сети Uc. Вследствие этого тиристор закрывается и остается
закрытым до тех пор, пока вновь не будет подан импульс управления,
открывающий его.
Электрическая энергия из контактной сети расходуется на питание
тягового двигателя М и заряд конденсатора Ск, а также запасается в
дросселе L. После того как тиристор будет закрыт, конденсатор Ск
разрядится через цепь тягового двигателя. По окончании его разряда
ток в двигателе поддерживается энергией, запасенной в дросселе L.
Цепь этого тока замыкается через вентиль I/D0. Разделяющий вентиль
не позволяет заряжаться конденсатору Ск от дросселя L при закрытом
тиристоре VS, поскольку ток двигателя может снизиться до нуля. В
схеме имеется входной фильтр, состоящий из конденсатора Сф и
дросселя /.ф. Он предназначен для подавления пульсаций тока в
контактной сети и тем самым снижения в линиях связи помех,
вызываемых пульсирующим током тягового двигателя.
Регулирование скорости электровоза сводится к изменению частоты
открытия вентилей преобразователя. Система управления
преобразователем связана с контроллером машиниста. Машинист,
перемещая рукоятку контроллера, обеспечивает изменение частоты
открывающих импульсов, подаваемых на управляющие электроды
тиристоров. Электровозы с такой системой регулирования были испытаны
на специально оборудованном участке Гори - Цхинвали Закавказской
дороги; протяженность участка 40 км.
Естественное закрытие тиристоров без использования вспомогательных
цепей является преимуществом частотно-импульсного регулирования по
сравнению с широтно-импульсным. Однако испытания опытных
электровозов показали, что одним из главных недостатков при
частотно-импульсном регулировании на э. п. с. является широкий
диапазон изменения частоты и, в частности, пониженная частота в
начальных стадиях пуска и рекуперации. Вследствие этого входной
фильтр имеет большую массу и габариты. Устранить этот недостаток
можно, применив специальную систему управления с многократным
увеличением частоты на фильтре. Пользуясь уже введенным понятием
мягкости характеристик, можно добавить, что ими обладает
преобразователь с частотно-импульсным регулированием. Вместе с тем
сочетание мягких характеристик
преобразователя с мягкими характеристиками двигателей
последовательного возбуждения ухудшает свойства э. п. с. по
сравнению с широтно-импульсным регулированием, обладающим жесткими
характеристиками.
Схемы с широтно-импульсным регулированием напряжения разнообразны и
различаются в основном цепью, которую называют коммутирующим
контуром. При помощи этого контура происходит принудительное
выключение тиристора (его искусственная коммутация),
осуществляющего, как и при частотно-импульсном регулировании,
подсоединение на короткое время тяговых двигателей к контактной
сети.
В СССР разработана и находится в эксплуатации система с
широтно-импульсным регулированием напряжения для электропоездов
(ЭР2И), система импульсного регулирования пусковых реостатов на
электропоезде ЭР200. Однако создание преобразователей с импульсным
регулированием, приемлемых по массе, габаритным размерам, стоимости
и надежности, для мощных магистральных электровозов постоянного тока
- задача, которую еще предстоит решить.
