Szaggatóról táplált egyenáramú motoros járművek

Egyenfeszültségről táplált járművek egyenáramú motoros hajtásának veszteségmentes szabályozására szolgáló DC/DC átalakító lehet tirisztoros, GTO-s, illetve újabban IGBT elemekkel felépített szaggató.

2.2.1. Tirisztoros szaggatóval szabályozott egyenáramú motoros jármű

Tirisztoros szaggatóval épült hazai járműre tipikus példa a Ganz-Ikarus IK 280-as trolibusz. A jármű főáramkör rajza a 5.11. ábrán látható.

5-11. ábra: Trolibusz hajtás tirisztoros szaggatóval.

A jármű hajtómotorja soros gerjesztésű egyenáramú motor az M jelű armatúrával és a G jelű gerjesztőtekeccsel.

Az LS simító fojtótekercs a motor áram simítására szolgál.

A kapcsolás fő eleme a TFŐ oltókörös tirisztoros szaggató, amely a jármű vontatási és féküzemi szabályozásához is a fő beavatkozó elem. A többi kiegészítő funkciót ellátó TG, TF és TE tirisztor vezérlése a TFŐ szaggató vezérlésével szink-ronozott ütemezésű, a vezetési állapotuk a TFŐ szaggató oltásával együtt szűnik meg.

A két E jelű kapcsoló az előremenet, a H/F kapcsoló az előremenet féküzemének kiválasztására szolgál. (A féküzem armatúraköri irányváltással valósul meg). A trolibusznál a hátramenet nem üzemszerű, ezért a hátramenethez nincs fékkapcsolás. Az egyenfeszültséget C kondenzátor stabilizálja. A kondenzátor töltőáramát induláskor töltőellenállás korlátozza, amit normál üzemben a töltőkontaktor rövidre zár. A vontatási, előre menet üzemben a TFŐ tirisztor kapcsolási állapotait és a motor kapocsfeszültség és áram időfüggvényeit az 5.12. ábra mutatja.

5-12. ábra: Vontatási üzem, a.) kapcsolási állapotok, b.) a motor feszültség és áram időfüggvénye.

A TFŐ tirisztoros szaggató b=t be /(t be +t ki ) bekapcsolási hányadával a motorra jutó feszültség középértéke 0≤u

k =bU H ≤U H között folyamatosan változtatható. A feszültség változtatásával szabályozható a motor árama, fordulatszáma, azaz a vonóerő, a jármű gyorsulása és sebessége. A feszültségváltoztatás hatása a 4.2.b. ábrán látható. A fordulatszám tartomány kibővítésére szolgáló mezőgyengítést a TG tirisztorral lehet megvalósítani, a főtirisztorhoz képest szinkronozott, de késleltetett bekapcsolással, azaz a gerjesztőtekercs periodikus rövidrezárásával.

Kommutátoros motoros hajtású, hagyományos villamos járművek

A jármű menetüzemben a hálózatból p H =U H i H teljesítményt vesz fel. Az i H áram a főtirisztor bekapcsolási ideje alatt folyik. A motor i armatúraárama az u b belsőfeszültséggel azonos irányú a motoros üzemnek megfelelően. A motor tengelyén leadható teljesítmény és nyomaték p=u b i=k ϕ ωi=Mω>0 és M=k ϕ i>0.

5-13. ábra: Visszatápláló fékezés, a.) kapcsolási állapotok, b.) a motor feszültség és áram időfüggvénye.

A visszatápláló fékezés kapcsolási állapotait és időfüggvényeit a 5.13. ábra mutatja.

A fékkapcsolás fontos jellemzője, hogy az átkapcsolás menetüzemből féküzembe úgy megy végbe, hogy a motor gerjesztő-áramának iránya azonos marad. Ez a 5.1.3. fejezetben leírt felgerjedési folyamathoz szükséges feltétel. Az armatúra kapcsok átkapcsolása következtében a motor i armatúraárama az u b belsőfeszültséggel ellentétes irányú lesz, a motor féküzemben működik. A motor tengelyén mérhető fékteljesítmény és féknyomaték p=u b i=k ϕ ωi=Mω<0 és a motor nyomatékának iránya is megfordul M=k ϕ i<0, mivel az armatúraáram iránya megváltozott. Az i H hálózati áram irányát i iránya szerint felvéve látható, hogy a menetüzemhez képest megfordul, a hálózatba visszatáplált teljesítmény: p H =U H i H. Az i H hálózati áram csak a t ki kikapcsolási idő alatt folyik.

A visszatápláló fékezés áramát a menetüzemhez hasonlóan a TFŐ szaggató bekapcsolási hányada szabályozza.

Ha u b <U H, akkor TE tirisztor folyamatosan bekapcsolt állapotban van, mint ahogy a 4.13.a. ábra mutatja.

Működik a visszatápláló fékezés akkor is, ha pl. túl nagy fordulatszám miatt u b >U H lenne, csak akkor T E-t ki kell kapcsolni, ami miatt a fékkörbe sorosan beiktatódik az R E előtét ellenállás. Az R E ellenálláson eső feszültség u b irányával szembemutat, és ennek segítségével a 5.13. ábrán levő kapcsolás az u b-iR E <U H

feltétellel működőképes marad.

Ha a hálózat nem alkalmas a visszatápláló fékezésre, akkor a kapcsolás ellenállásos fékezésre tér át az 5.14.

ábra szerint. A kapcsolás működése a visszatápláló fékezés működéséhez hasonló, csak a fékáram a TF tirisztoron és az R F fékellenálláson keresztül záródik. A fékezési mozgási energia az R F fékellenállásonhővé alakul.

5-14. ábra. Ellenállásos fékezés, a.) kapcsolási állapotok, b.) a motor feszültség és áram időfüggvényei

A fékáram a kitöltési hányaddal szabályozható, ha iR F <U H. A hálózat felé folyó áramot a D dióda megakadályozza, i H=0.

A tirisztoros szaggatóval épült trolibusz egymotoros hajtású, a villamos kapcsolása egyszerű, viszonylag könnyen átlátható. Ezzel szemben van egy hátrányos tulajdonsága. A tirisztoros szaggatós hajtás 4.12…4.14.

ábrákon látható üzemállapotainak helyes működéséhez szükséges, hogy a főtirisztor az ábrákon nem szereplő biztonságos oltókörrel rendelkezzen, azaz sohase maradjon indokolatlanul vezető állapotban. A TFŐ főtirisztor jelölés az oltókörrel egybeépített tirisztoros egységet jelenti, a kettős vezérlőbemenet közül az egyik a bekapcsolást, a másik a kikapcsolást indítja.

Trolibuszok táplálásánál problémát okoz, hogy két útpálya kereszteződésénél előfordul, hogy az áramszedők átmenetileg fordított polaritású feszültséget kapcsolnak a járműre. A 4.11. ábrán bemutatott járműkapcsolás fordított polaritás hatására meghibásodna, ezért a kereszteződések előtt le kell kapcsolni a felsővezetékről.

Újabb járműveknél az áramszedők és a C szűrőkondenzátor közé egyenirányítót építenek be. Példa erre az 5.9.

ábrán látható inverteres trolibusz, ahol az egyenirányítót még két IGBT-s kapcsolóelemmel is kiegészítik, hogy a normál polaritásnál a visszatápláló féküzem az egyenirányítás ellenére megvalósulhasson.

2.2.2. IGBT-s szaggatóval szabályozott egyenáramú motoros jármű

5-15. ábra: Közúti villamos hajtás IGBT-s szaggatóval

A még meglevő egyenáramú motoros járműveket, városi villamosokat, trolit, metrót egymás után IGBT-s szaggatóval szabályozott hajtásúra alakítják át. Az IGBT-s szaggatóval épített egyenáramú motoros, T5C5K típusú közúti villamos főáramköri kapcsolását mutatja az 5.15. ábra. (T5C5K-val jelölik a csehszlovák gyártmányú Tátra T5C5 típusú villamos 2002-ben korszerűsített változatát).

Az ábrán az IGBT-s szaggató elemei, amelyek a tirisztoros szaggatóhoz hasonló funkciókat látnak el az 5.11.

ábrával azonos jelölésekkel szerepelnek. A szaggató működése a menetüzemben és a többféle villamos féküzemben az 5.12…5.14. ábrákhoz hasonló, csak a tirisztorok helyett IGBT kapcsolóelemekkel.

A kapcsolás a trolibuszhoz képest bonyolultabb, mert a városi villamosokat, hasonlóan az 5.8. ábrán szereplő csuklós villamoshoz, négymotoros hajtással látják el. A régi csuklós villamoshoz hasonlóan itt is két-két motor állandóan sorba van kapcsolva, mert csak fél-feszültségre (600/2V-ra) készül. A soros gerjesztésű egyenáramú motorokból álló többmotoros hajtásnál szívesen alkalmazzák az 5.15. ábrán látható kereszt- vagy körkapcsolást, ahol menetüzemhez az E-jelű kapcsolókat, féküzemhez az F-jelű kapcsolókat kell bekapcsolni.

A motorok keresztkapcsolású menet- és féküzemének magyarázatára szolgál az 5.16. ábra. (Az ábrán a könnyebb érthetőség kedvéért a két-két állandóan sorbakapcsolt motort I és II index jelöli). Az ábrából látható, hogy menetüzemben az I és II motorok párhuzamosan üzemelnek, féküzemben keresztbe kapcsolódnak, az egyik motor árama a másik motor gerjesztőáramával azonos. Ez egyszerű fékkapcsolást és egyenletes terheléseloszlást biztosít. A szaggató berendezés 95%-os kivezérlésig állandó 1000 Hz-es frekvenciával üzemel, a vontatómotorok feszültségének további növelését a szaggató a működési frekvencia csökkentésével valósítja meg.

Kommutátoros motoros hajtású, hagyományos villamos járművek

5-16. ábra: A motorok kapcsolása menet és féküzemben