Упрощение тягового электропривода

Другие варианты исполнения этой системы тягового электропривода отличаются использованием транзисторного регулятора возбуждения вместо тиристорного, схемами реостатного пуска, а также структурой и исполнением устройств управления, таких как датчики обратных связей, блоки управления током возбуждения и включением резисторов. Следует заметить, что для реализации электропривода с основным регулированием по возбуждению тяговый электродвигатель должен иметь запас по условиям коммутации на коллекторе и высокую надёжность цепей возбуждения. В связи с этим необходимы дополнительные затраты на электродвигатель.

В некоторых японских электромобилях подобная упрощённая схема тягового электропривода дополняется редуктором с переключением передач, т. е., по существу, коробкой перемены передач. Хотя ограниченность максимальной скорости электромобиля позволяет иметь только двухступенчатый редуктор, ручное его переключение существенно усложняет управление электромобилем. Однако по мнению фирмы-изготовителя это неудобство компенсируется снижением стоимости электромобиля за счёт упрощения электрической тяговой системы. При этом снижение требований по величине момента на валу двигателя при разгоне позволяет уменьшить мощность двигателя, а это приводит к уменьшению мощности всех элементов силовой цепи, в том числе и тяговой аккумуляторной батареи.

Основные проблемы тяговых электроприводов переменного тока связаны с разработкой преобразователей частоты. Тиристорные преобразователи имеют значительную сложность и очень низкие надёжность и массогабаритные параметры. Эти параметры определяются характеристиками устройств принудительного выключения, или иначе – коммутации тиристоров. По этим причинам в настоящее время продолжается интенсивный поиск схемных решений, позволяющих упростить эти устройства. Классическим вариантом тиристорного преобразователя частоты принято считать так называемый инвертор Мак-Мурри. Схема такого инвертора, рассматриваемого в качестве базового, показана на рис. 3.7, а. Из этого рисунка следует, что одна фаза инвертора Мак-Мурри (схемно, да и по работе устройств коммутации) совпадает с импульсным преобразователем постоянного тока, ранее описанным применительно к схеме, приведённой на рис. 3.3. Уже из этого следует, что электропривод переменного тока с инвертором Мак-Мурри примерно в 2,5–3 раза дороже, чем тяговая система постоянного тока с тиристорным импульсным преобразователем.

Из сравнительно новых схемных решений преобразователей частоты представляет определённый интерес тиристорный инвертор, коммутируемый нагрузкой. Этот вариант преобразователя частоты рассматривался применительно к электромобилю ETV-1 фирмы «Дженерал электрик–Крайслер» и имел определённые преимущества перед инвертором Мак-Мурри (см. табл. 3.3).

Рис. 3.7. Варианты схем тиристорных инверторов: а – инвертор Мак-Мурри; б – электропривод с инвертором, коммутируемым нагрузкой

Упрощённая принципиальная схема силовой части электропривода переменного тока с асинхронным двигателем и тиристорным инвертором, коммутируемым нагрузкой, показана на рис. 3.7, б. По этой схеме общий узел коммутации с коммутирующим конденсатором С2 и тиристорами V10, V11 использует индуктивности фазных обмоток тягового двигателя М. Это позволяет заметно упростить схему выходной части преобразователя, в которой тиристоры V4–V9 образуют собственно коммутатор фазных токов двигателя. Вентили V1 и V2 используются для рекуперации энергии в тяговую батарею GB и обмена реактивной энергией двигателя с накопительным конденсатором С1. Транзистор V3 и дроссель Др не являются собственно элементами инвертора, а осуществляют регулирование тока на входе инвертора, что позволяет улучшить его характеристики.

Таблица 3.3. Характеристики силовых преобразователей

Из данных табл. 3.3 следует, что в схеме тиристорного инвертора, коммутируемого нагрузкой, достигается существенное снижение начальной стоимости, а также повышение среднего КПД по сравнению с инвертором Мак-Мурри, однако массогабаритные показатели ухудшаются, что определяется увеличением массы коммутирующего и накопительного конденсаторов. Конкурентоспособность этой схемы оказывается в сравнении с электроприводом постоянного тока недостаточной.

Перспективы тягового электропривода переменного тока в настоящее время принято связывать с созданием и совершенствованием новых силовых полупроводниковых приборов: мощных транзисторов, двухоперационных тиристоров, тиристоров с комбинированным выключением и др.