Очередная статья цикла «Труженик электродвигатель» рассказывает об управляемых диодах — тиристорах, об их применении в быту, на производстве и на транспорте. Ввиду размера статья двухтомная, вот первая часть:
Вступление, основы — всё в предыдущей статье, а тут — сразу быка за рога!
ЗОННО-ФАЗОВОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Первым серийным электровозом, лишившимся силового переключателя, стал ВЛ80Р, созданный на базе ВЛ80Т. Вместо старых диодных выпрямительных установок (ВУК) «эрка» получила тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи — ВИП.
С электровоза пропал огромный сложный ЭКГ (см. статью ТЭД-15), ВИПы взяли на себя роль и выпрямителей, и регуляторов. Они же при торможении двигателями превращают постоянный ток в переменный и возвращают энергию в сеть. Отличный результат для 1973 года.
Со сменой системы управления сменился и контроллер — орган управления двигателями. Вместо «кочерги» с фиксированными положениями появился плавно вращающийся штурвал, у которого лишь одно фиксированное положение — нулевое, да ещё подпружиненное положение БВ (быстрое выключение). За нулевым идёт ПО (подготовительные операции), а дальше — плавно крути от НР (начало регулирования) до П4 (полностью четвёртая):
Буква «Р» и означает «рекуперативное торможение» — с возвратом энергии, тогда как «Т» — «торможение реостатное», с рассеяньем энергии в виде тепла. Попытки подарить «переменникам» бесконтактное регулирование и/или рекуперацию были и раньше — ещё до войны был создан ОР22 с газоразрядными тиратронами, после войны в Союз были поставлены несколько французских электровозов Фр, с началом выпуска ВЛ60 подобные эксперименты ставились на них (ВЛ60Р), а непосредственно перед выпуском ВЛ80Р технология была отработана на ВЛ60КР.
В прошлой статье подробно расписано регулирование напряжения выпрямленного тока с помощью тиристоров, а в конце указан недостаток — сильные пульсации в начале регулирования. А пульсации — это вибрации, потеря тяги, износ привода. Если помните из статьи ТЭД-15, то пуск электровоза начинается с 42 вольт на двигателях, тогда как к концу пуска на них больше 1000 В. Поэтому, чтобы начинать пуск без больших пульсаций, схема усложнена, как показано выше.
Классическая мостовая схема выпрямления состоит из четырёх плеч или двух полумостов. ВИП состоит из четырёх полумостов, каждый из которых подключён к своей отпайке трансформатора, и одновременно работают только два полумоста из четырёх. Трогание выглядит примерно так:
После страгивания штурвала контроллера с нуля и прохода позиции НР сперва начинают открываться тиристоры плеч 3, 4 (второй полумост) и 5, 6 (третий полумост). Образуется мост, подключенный к обмотке напряжением 308 вольт. Поначалу тиристоры будут открываться с огромной задержкой — с большим углом альфа, и в двигатели пойдут лишь мелкие «хвостики» синусоиды.
Ну как — с огромной... Длительность полупериода при частоте 50 Гц — всего 10 миллисекунд, поэтому задержка в 9 мс означает α = 162°. Уменьшая угол открытия, можно постепенно довести напряжение на двигателях до 308 вольт — это будет положение штурвала П1, полностью первая зона.
Такая схема позволяет уже при напряжении 308 вольт — а это скорость километров 10 — 15 в час, зависит от условий — питать двигатели обычным пульсирующим током, как от диодов:
После поворота штурвала чуть за П1, если несколько упрощённо, во вторую зону, вместо плеч 3, 4 заработают плечи 1, 2 — к 308 вольтам добавятся ещё 307, итого 615. Конечно, угол надо сразу добавить до 90°, чтобы сохранить напряжение на двигателях после перехода прежним, каким оно было до перехода. Но всё равно при угле 90° пульсации значительно меньше, чем были бы при 120° — такой угол был бы, если бы не было деления на зоны и мы бы получали все напряжения из 1230 В.
Потом, по мере поворота штурвала до П2, угол снова будет убавляться до нуля. В третьей зоне работают полумосты 3, 4 и 7, 8, напряжение растёт с 615 до 923 В. В четвёртой зоне — 1, 2 и 7, 8, напряжение будет расти до максимального.
Конечно, управлять этой силовой электроникой может не только машинист через штурвал, но и автоматика — на ВЛ85 уже появился блок автоматического управления, который следит за током двигателей и поддерживает его, регулируя напряжение. А на ЭП1, «Ермаках» и породнившихся с «Ермаком» ВЛ80ТК, ВЛ80СК и вовсе стоит микропроцессорная система управления и диагностики (МСУД).
Кстати, в режиме фазового регулирования (с задержкой открытия тиристоров) работает лишь один из полумостов, а второй работает в ключевом режиме — открывается сразу, с углом 0°. То есть полумост работает как в цепи возбуждения 2ТЭ116 или вспомогательных цепях ЧС4Т — как полууправляемый. «Усилий» половины тиристоров достаточно, чтобы регулировать напряжение. Плюс на это есть ещё причина.
Начиная со второй зоны ВИП кормит двигатели не «огрызками», а полными полуволнами, пусть и неровными — за счёт полного открытия полумоста предыдущей зоны. Вот таблица открытия тиристоров по зонам:
В первой зоне работали полумосты 3-4 и 5-6, сейчас они тоже открыты, но уже полностью — дают на двигатели 308 вольт. А полумост 1-2 работает в режиме регулирования — вместе с полумостом 5-6 может добавить до 615 вольт. Так сильно уменьшается пульсация тока, а с ней — пульсация крутящего момента, износ привода и склонность к срыву в боксование.
Помимо плавного регулирования тяги у ВИПов есть и вторая роль — инвертирование при рекуперативном торможении, то есть превращение постоянного тока в переменный. Тиристоры «укрепляют и направляют» постоянный ток то туда, то сюда. О том, как работает рекуперация на электровозах постоянного тока — рассказано в предыдущей статье цикла:
Там же рассказано, как ВЛ80Т и ВЛ80С работают в режиме реостатного торможения — обмотки возбуждения питаются от тиристорной ВУВ, якоря подключаются к тормозным резисторам. ВЛ80Р в рекуперации работает почти так же, только якоря подключаются к ВИПам.
ВИП работают так же, как в режиме тяги, даже порядок открытия тиристоров не меняется, и когда ЭДС двигателей превышает ЭДС вторичной обмотки — тиристоры начинают открываться, переменный ток, «расталкиваемый» ЭДС двигателей, разворачивается, наводит такой же обратный ток в первичной обмотке — и электровоз уже не потребляет энергию из сети, а возвращает её в сеть, действуя параллельно с тяговой подстанцией. Трансформатор действует как повышающий — в обратную сторону.
Правда, ток этот, как сказано в предыдущей статье (про электрический тормоз), больше похож на колотые дрова. Ведь как вырабатывает ток электрогенератор? Полюс обмотки возбуждения плавно сближается с полюсом якоря, ЭДС плавно нарастает... Так получается всем знакомая синусоида. А тиристор инвертора открывается резко, подаёт на нагрузку сразу всё напряжение — в итоге инвертор вырабатывает не «синус», а жёсткие прямоугольные импульсы (меандр).
Это очень не любят некоторые потребители, особенно синхронные и асинхронные двигатели (об асинхронниках — в статье 9). Если представить меандр как сумму синусоиды и гармоники, то двигатели переменного тока «едят» лишь синусоиду, а гармоника только греет обмотку.
В итоге тока вроде и много — но полезного мало, а на самом электровозе гармоники столь мощны, что у ВЛ80Р обмотки роторов асинхронных двигателей вспомогательных машин выплавляются значительно чаще, чем у таких же двигателей на ВЛ80С.
Самые внимательные задались вопросом — как закрывается тиристор, если напряжение на входе инвертора постоянное? Он закрывается «ударом в морду» ЭДС вторичной обмотки при открытии соседнего тиристора.
Вот так, если в двух словах, работает ВИП в режиме ИВС (инвертора, ведомого сетью). Существуют ещё автономные инверторы напряжения (АИН) и тока (АИТ), они могут как выдавать переменный ток на потребители, так и работать в составе преобразователей. Автономными они зовутся, так как не ведомы сетью.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Подходило к концу первое десятилетие XXI века. Я приехал на Киевский вокзал на вымирающем в Москве «номерном» — вагоне 81-717. После вагонов Е и Еж3 такая «нифигасебефамилия» породила простое прозвище «номерной». До Сухиничей доехал на ЧС7, а потом до Брянска на ЧС8. Наутро был в Киеве, где с вокзала уехал на трамвайном вагоне Татра Т-6, он же Т-3М.
Под кузовом «номерного» нагло звенел всеми знакомым тоном 150 герц БПСН — блок питания собственных нужд. В тамбуре ЧС8 выводил жёсткое «ры-ры-ры-ры-ры» блок «Унипульс», кормя вентилятор охлаждения трансформатора нужным напряжением. А Татра, трогаясь и тормозя, пела плавными переборами. И всё это — тиристорные преобразователи постоянного напряжения (ППН), для краткости — ТППН.
Тиристор, как уже сказано не раз, открывается управляющим импульсом, но закрывается только тогда, когда иссякнет силовой ток. Если он не иссякает (на входе — постоянный ток), то тиристору надо помочь. В ТППН это делается по-разному — где-то тиристор получает «в морду» током, запасённым в дросселе (индуктивности), благодаря открытию другого тиристора, где-то для этого же используется ёмкость (конденсатор)...
Например, БПСН «номерного» — из первых. Он преобразует 750 вольт постоянного тока из контактной сети в 75 вольт постоянного тока для цепей управления и 220 вольт, 400 герц переменного для ламп дневного света. Кто знает метровагоны — возразит, что 80 вольт, но 75 и 80 В — это то же самое, что в автомобиле 12 и 14 В. Расчётное напряжение и фактическое, выдаваемое генератором, чтобы заряжалась батарея.
Номинальное напряжение батареи вагона принято 70 вольт, напряжение на выходе БПСН можно менять от 72 до 84 В, то условный стандарт всё равно один — 75 вольт, он же принят на старых тепловозах. Вернёмся к БПСН, вот упрощённая схема самого главного узла — первичного преобразователя:
Самая главная часть преобразователя, обеспечивающая коммутацию — две пары тиристоров V13, V14 и V15, V16 (обозначены как V3 и V4, попарно стоят для надёжности), коммутирующий дроссель L3 и коммутирующий конденсатор C5. Например, открыт V4 — и тут открывается V3, скачок тока в верхней половине L3 наводит в нижней половине L3 ток, закрывающий V4. Примерно как в трансформаторе. Переключаются тиристоры с частотой 150 Гц (150 пар переключений в секунду), этот тон знаком каждому, кто ездил на «номерном».
Поочерёдное протекание тока через V3 и V4 создаёт переменный ток в первичной обмотке трансформатора T2, поскольку они включены по разные питающие стороны от него — со стороны плюса и со стороны минуса. Т2 понижает напряжение, а тиристоры V5 и V6 выпрямляют его и подают в цепи управления.
Как видите, работает преобразователь очень хитро, плюс тиристорные преобразователи сходят со сцены, уступая транзисторным — поэтому подробно работа рассматриваться не будет, это уже целый отдельный курс. Просто приведу ещё пару примеров использования. А чем хороши транзисторные?
Тем, что транзистор сам закрывается после снятия команды с управляющего электрода (базы), не нужно танцев с конденсаторами да дросселями. Тиристоры из-за того, что взаимно закрывают друг друга, иногда «перехлёстываются» — остаются открытыми оба, то есть преобразователь замыкается накоротко. Но высоковольтный IGB-транзистор (IGBT) на замену тиристору был изобретён лишь в начале 1980-х и в производстве на порядок сложнее, поэтому и пошёл в народ намного позже тиристора.
Вот фрагмент схемы вспомогательных цепей электровоза ЧС8:
Двигатели вентиляторов охлаждения и мотор-компрессора пневматической системы — коллекторные, выполнены на напряжение 440 вольт, и при нормальной работе оно плавно регулируется блоком «Унипульс»: на вентиляторах охлаждения ТЭД и выпрямителей (223, 224) — в зависимости от тока ТЭД, на вентиляторе охлаждения тр-ра (222) — в зависимости от температуры масла, компрессор же (225) просто плавно запускается.
Обмотка тр-ра (на схеме — E — F) выдаёт 670 вольт, оно выпрямляется диодным мостом 220₁ в 608 вольт постоянного тока и подаётся к тиристорным преобразователям, на фрагменте показан один — 220₄ с двигателем вентилятора 224. Избыточное напряжение обмотки даёт возможность сохранить напряжение на двигателях при падении напряжения в контактной сети — так, при 19 кВ на токоприёмнике обмотка будет выдавать около ~510 В, мост — около =450 В. В самый раз.
Тиристор периодически открывается, а его закрытие обеспечивают конденсатор, дроссель и два диода. Если сказать упрощённо — основной «удар в морду» даёт конденсатор. Из-за резких импульсов тока работа преобразователей хорошо прослушивается — вибрируют от магнитных полей токоведущие части. ЧС8 с работающим «Унипульсом» вблизи слышно сразу: он играет «электронную музыку».
Бывает, что электроника «верхнего уровня», следящая за токами ТЭД и температурой масла, отказывает — тогда вентиляторы можно запустить вручную с пульта, электроника «нижнего уровня» плавно поднимет напряжение до предельных 440 В.
Вот эти два переключателя — для передней и задней секций:
Если же откажет и электроника «нижнего уровня» (кассета EAP-5 в блоке электроники) либо один из тиристорных преобразователей — можно всю секцию электровоза перевести на аварийную работу вспомогательных машин, переключив в машинном помещении огромный переключатель 221. Диодный мост замыканием контактов 21 и 23 переключателя 221 подключится к половине обмотки (E — G), будет выдавать около =300 В, а преобразователи вообще будут зашунтированы (25 — 27, 7 — 9).
Соответственно, вентиляторы будут всё время работать на 2/3 мощности, а для пуска компрессора при аварийной работе (он же качает периодически) стоит специальный контактор. Небольшая часть ЧС8 РЖД до самой их отставки работала в «аварии», а из ЧС8 УЗ большая часть работает в «аварии» и сейчас. «Железо» ЧС8 весьма надёжно, да и электроника свои 30 лет отработала, нуждается в капремонте, которого нет. Подробнее о ЧС8 я расскажу позже.
Помимо ТППН мне пришлось поработать и с тиристорными АИТ — аэродромными преобразователями частоты статическими АПЧС-63У1, что в 80-е производил город Таллин Эстонской ССР:
Он выпрямляет 3-фазные 220/380 В, 50 Гц в 350 В постоянного тока, затем инвертирует их в 400 Гц, понижает до 115/200 В и подаёт на борт. Выход инвертора дополнительно нагружен кассетами компенсации — для устойчивой коммутации:
В каждом блоке выпрямителя и инвертора стоят по два тиристора — то есть 3 блока (6 тиристоров) образуют 3-фазную звезду Ларионова. В компенсирующих кассетах — по одному тиристору. За ними стоят электромагнитные аппараты и конденсаторы:
Эта силовая электроника производилась от начала до конца в СССР и отработала всё те же 30 лет. Правда, под закат карьеры уже начала показывать фокусы — защита стреляла и в жару, и в мороз, иногда со срабатыванием вводного автомата, а в особо тяжёлых случаях — с пробоем одного или двух тиристоров инвертора либо выпрямителя... Вот он, тот самый «перехлёст» тиристоров.
А для чего в авиации принят стандарт частоты 400 Гц — рассказано в статье «ТЭД-11».
Что в целом можно сказать про тиристорные ППН и АИ? По сути их время прошло, тиристорам осталась лишь роль выпрямителей. Главные минусы ТППН — жёсткий режим работы, его порой не выдерживают и тиристоры (особенно в жару), и коммутирующие конденсаторы — они ведь работают не с привычным «синусом», а с мощными короткими импульсами.
Для работы в мощных ППН нужны специальные импульсные конденсаторы, выводы которых выдерживают мощные «удары» тока. Взрывы отработавших своё конденсаторов изредка становились причиной пожаров на ЧС8, в частности, из-за этого выгорела головная часть одной из секций ЧС8-001 — впоследствии восстановлена. Но в целом, как и на тех же Татрах Т-3М, преобразователи работоспособны.
Но пока наша промышленность не освоила полный цикл выпуска IGBT и умеет качественно делать лишь тиристоры, а на дорогах и в промышленности доживают свой век ТППН — забывать о них нельзя.