Режим полного холостого хода

Классификация выпрямительных агрегатов

Схема вентильного плеча выпрямителя ПВЭ-3

Выпрямитель ПВЭ-3 предназначен для работы с тяговым трансформатором ТМРУ-16000/10Ж. Рассмотрим схему вентильного плеча выпрямителя ПВЭ-3 (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема вентильного плеча выпрямителя ПВЭ-3:

VD1 – VD90 ВЛ200-8, Rш – резистор ПЭВ-50 5,1 к, Rc – резистор 0,5…0,7 Ом,

HL – лампа коммутаторная КМ-3

Вентильное плечо содержит 90 лавинных диодов ВЛ200-8: 5 параллельно и 18 последовательно. Параллельно диодам через коммутаторные лампы HL подключены резисторы R_ш, между цепочками включены резисторы связи R_c. С помощью ламп HL можно контролировать исправное состояние диодов. Рассмотрим фрагмент схемы для пояснения работы лампы HL (рис. 2.9).

 

Рис. 2.9. Работа сигнализации о пробое диода: а - диоды исправны, б – один диод пробит

Резисторы R_ш и обратные сопротивления диодов VD1 и VD2 образуют сбалансированный мост. При протекании токов I_ш и I_обр мост сбалансирован, и лампа HL не светится. Если произойдёт пробой одного диода, то баланс моста нарушится и лампа окажется подключённой параллельно R_ш. Рабочий ток лампы КМ-3 составляет 120 мА, а ток через резисторы R_ш около 80 мА, поэтому ток пойдёт через нить лампы и вызовет её свечение. Свечение лампы контролируется фотоэлементом, включённым в схему индикации о пробое диода.

Также в схеме ПВЭ-3 предусмотрены реле контроля скорости и температуры охлаждающего воздуха.

Контрольные вопросы

1. Для чего применяется параллельное соединение силовых диодов и тиристоров?

2. Почему ток между параллельно включёнными диодами делится неравномерно? Поясните на примере графика вольтамперных характеристик.

3. Что такое ИДТ? Чем определяется его эффективность?

4. Когда применяется замкнутая кольцевая схема соединения ИДТ? Нарисуйте схему включения ИДТ для трёх, четырёх и пяти диодов.

5. Когда применяется схема включения ИДТ с задающим вентилем? Нарисуйте схему включения ИДТ для шести диодов.

6. Для чего применяется последовательное соединение силовых диодов и тиристоров?

7. Почему обратное напряжение между последовательно включёнными диодами делится неравномерно? Поясните на примере графика вольтамперных характеристик.

8. Что такое R_ш? Как рассчитывается величина R_ш?

9. Для чего применяется одновременно параллельное и последовательное соединение диодов?

10. Нарисуйте схемы последовательного соединения параллельных цепочек и параллельного соединения последовательных цепочек. Поясните их достоинства и недостатки.

11. Для чего в схеме параллельного соединения последовательных цепочек применяются резисторы связи R_c?

12. Нарисуйте схему вентильного плеча ПВЭ-3. Поясните назначение элементов схемы.

13. Как работает схема сигнализации о пробое диода в вентильном плече ПВЭ-3?

3. ТРЁХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

Для преобразования переменного тока в постоянный для питания тяговых двигателей ЭПС постоянного тока применяются силовые трёхфазные выпрямительные агрегаты. Классификация выпрямительных агрегатов показывает особенности их схем и применяемых силовых полупроводниковых приборов. Различают схемы с общим проводом (нулевые, «Две обратные звезды с уравнительным реактором») и мостовые; по количеству пульсов выпрямленного напряжения – трёхпульсовые, шестипульсовые, двенадцатипульсовые и многопульсовые (24-х, 48-ми пульсовые). Выпрямительные агрегаты также бывают неуправляемые (в схеме используются диоды) и управляемые (на тиристорах).

Структурная схема выпрямительного агрегата представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема выпрямительного агрегата:

1 – преобразовательный (тяговый) трансформатор; 2 – вентильный комплект;

3 – сглаживающий реактор

Первичная обмотка преобразовательного трансформатора подключается к распределительному устройству 6, 10 или 35 кВ, а к его вторичной обмотке, напряжение на которой зависит от схемы выпрямителя, подключается вентильный комплект. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяется сглаживающий реактор РБФАУ индуктивностью 4,5 мГн.

Работа любой схемы выпрямителя характеризуется следующими электрическими параметрами:

- среднее значение выпрямленного напряжения U_d;

- среднее значение выпрямленного тока I_d;

- мощность выпрямителя P_d=U_dI_d;

- действующее значение тока и напряжения на вторичной обмотке трансформатора I₂, U₂;

- действующее значение тока и напряжения на первичной обмотке трансформатора I₁, U₁;

- расчетная мощность первичной, вторичной обмоток и типовая мощность трансформатора S₁, S₂, S_T;

- средний ток диода (вентильного плеча) I_a;

- максимальное обратное напряжение на закрытом диоде (вентильном плече) U_bmax;

- внешняя характеристика выпрямителя U_d=f(I_d).

3.2. Схема трёхпульсового выпрямителя

Рассмотрим простейшую 3-фазную схему выпрямителя – 3-х пульсовую с общим проводом (рис. 3.2). Преобразовательный трансформатор включён по схеме «звезда-звезда». К каждой фазе вторичной обмотки трансформатора подключено одно вентильное плечо выпрямителя (под условным графическим обозначением одного диода на схеме выпрямителя следует понимать целое вентильное плечо, например, как на рис. 2.8).

В характерных точках схемы действуют напряжения и токи: U₂ – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, I₂ – ток вторичной обмотки трансформатора, I_a – ток вентильного плеча выпрямителя, U_d – выпрямленное напряжение в нагрузке, I_d – ток нагрузки. На закрытое вентильное плечо действует обратное напряжение U_b.max.

Рис. 3.2. Трёхпульсовая схема выпрямителя с общим проводом

Рассмотрим временную диаграмму работы 3-х пульсового выпрямителя (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Временная диаграмма работы 3-х пульсового выпрямителя

В рассматриваемой схеме в каждый момент времени ток нагрузки пропускает только один диод, потенциал анода которого максимален относительно нулевой точки вторичных обмоток. Каждый диод в течение одного периода проводит ток одну третью часть – 120⁰ Эл.

Среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное) при токе нагрузки, равном нулю (холостой ход)

, (3.1)

где U_2m, U₂ – соответственно амплитудное и действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Действующее значение однофазного переменного напряжения составляет 0,707 его амплитудного значения, т.е. U₂ = 0,707 U_2m, или . Однако для переменного напряжения различают ещё эффективное и средневыпрямленное значения. Согласно закону Джоуля - Ленца, количество тепла, выделяющегося на нагрузке с активным сопротивлением, пропорционально квадрату протекающего по нагрузке тока. Чтобы измерить эффективное значение напряжения или тока, надо в течение некоторого времени возводить в квадрат его мгновенные значения, усреднить результаты и извлечь из среднего квадратный корень. Поэтому эффективное значение называют также среднеквадратичным. Для измерения такого значения применяют приборы электромагнитной системы, благодаря тому, что тяговое усилие электромагнита пропорционально именно квадрату протекающего в обмотке тока. Средневыпрямленное значение переменного напряжения получается при пропуске тока через схему выпрямления с регистрацией выпрямленного напряжения на активной нагрузке, т.е. это постоянная составляющая несглаженного (пульсирующего) напряжения. Оно равно 2/p от амплитуды или » 0,637 U_m, что в 1,11 раз меньше эффективного значения.

При выпрямлении трёхфазного напряжения, когда в нагрузке складывается действие всех трёх синусоид, средневыпрямленное значение оказывается в 1,17 раз больше действующего значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Средний ток диода

. (3.2)

Обратное напряжение на закрытом диоде определяется как мгновенная разность потенциалов анода диода VD1 и катодов диодов VD2 и VD3. Это напряжение состоит из линейных напряжений U_bc и U_ca. Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения:

. (3.3)

Ток в фазе вторичной обмотки

. (3.4)

Обратите внимание, токи в одной ветви I₂ и I_a имеют разную величину. Это не нарушение закона Кирхгофа, это следствие разного характера этих токов и измерения их величины различными приборами (I₂ – это эффективное значение тока вторичной обмотки, а I_a – средневыпрямленное значение тока вентильного плеча). Отношение эффективного значения тока к средневыпрямленному значению есть коэффициент формы тока k_ф, используемый в формуле (1.5).

Ток в фазе первичной обмотки

. (3.5)

Типовая мощность трансформатора

. (3.6)

Токи вторичных обмоток содержат постоянную составляющую, которая создает в каждом из трех стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора. Это может вызвать насыщение магнитопровода, если не увеличить размеры трансформатора (т.е. его типовую мощность S_T).

Из-за наличия индуктивности обмотки трансформатора происходит задержка закрывания диода фазы, выходящей из работы. В течение некоторого времени ток проводят два диода – например, диод фазы b, вступивший в работу, и диод фазы a, заканчивающий работу. Такое явление называется коммутацией вентильных токов. Коммутация приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения U_d:

, (3.7)

где U_d0 – напряжение холостого хода выпрямителя;

DU_dg - среднее значение коммутационного снижения напряжения.

, (3.8)

где А – коэффициент схемы выпрямителя;

u_к – напряжение короткого замыкания трансформатора;

- коэффициент загрузки выпрямителя.

Уменьшение выходного напряжения выпрямителя из-за коммутации отражает зависимость выходного напряжения от выходного тока U_d=f(I_d). Такая зависимость называется внешней характеристикой выпрямителя. График внешней характеристики представлен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. График внешней характеристики выпрямителя

 

3.3. Схема выпрямителя «Две обратные звезды с уравнительным реактором»

Схема выпрямителя «Две обратные звезды с уравнительным реактором» была разработана для ртутных вентилей. Ртутные вентили могут быть включены только по схеме с общим катодом и не могут соединяться параллельно для увеличения выпрямленного тока. Поэтому для увеличения выпрямленного тока соединяют параллельно два выпрямителя через уравнительный реактор – аналогично индуктивному делителю тока для параллельно соединённых диодов.

В схеме выпрямителя используется трехфазный трансформатор, включенный по схеме «звезда – две обратные звезды». Вторичные обмотки трансформатора образуют две трехфазные системы, сдвинутые по фазе на 180 ⁰ (рис 3.5).

Рис. 3.5. Включение обмоток трансформатора в схеме выпрямителя

«Две обратные звезды с уравнительным реактором:

а – первичная обмотка; б – прямая звезда вторичной обмотки; в – обратная звезда вторичной обмотки;

г – получение шести пульсов напряжения вторичных обмоток при параллельном соединении

К выводам вторичных обмоток анодами подсоединены шесть диодов, включенных с общим катодом. Это – положительный полюс выпрямителя. Отрицательный полюс образует общая точка уравнительного реактора, крайние выводы которого подключены к нулевым точкам вторичных обмоток трансформатора. Схема выпрямителя представлена на рис. 3.6 и 3.7.

Рис. 3.6. Схема выпрямителя «Две обратные звезды с уравнительным реактором» с расположением обмоток трансформатора, показывающим сдвиг фаз вторичных обмоток 180⁰

Рис. 3.7. Схема выпрямителя «Две обратные звезды с уравнительным реактором»

Применение уравнительного реактора обеспечивает одновременную работу обеих звезд в результате выравнивания потенциалов на анодах двух диодов: одного в прямой и одного в обратной звездах. Выравнивание потенциалов достигается тем, что под действием разности потенциалов между точками О₁ и О₂ в контуре (обозначен штриховой линией) возникает ток i_к. Напряжение u_к на реакторе делится в точке О пополам, и напряжение u_к/2 прибавляется к фазному напряжению u_b6 и вычитается из фазного напряжения u_a1. В результате диоды проводят ток одновременно, каждый по I_d/2, что приводит к выравниванию намагничивающих сил и уменьшает вынужденное подмагничивание трансформатора.

В схеме используется выпрямительный агрегат ПВЭ-3.

Временные диаграммы работы выпрямителя представлены на рис. 3.8.

Выпрямленное напряжение составляет

, (3.9)

где U_2m, U₂ – соответственно амплитудное и действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Средний ток диода

. (3.10)

Максимальное обратное напряжение на закрытом диоде:

. (3.11)

Ток в фазе вторичной обмотки

. (3.12)

 

Рис. 3.8. Временная диаграмма работы выпрямителя

«Две обратные звезды с уравнительным реактором»

Ток в фазе первичной обмотки

. (3.13)

Типовая мощность трансформатора

. (3.14)

Коммутация вентильных токов с одной звезды вторичной обмотки на другую невозможна вследствие большой индуктивности уравнительного реактора, то есть уравнительный реактор обеспечивает независимую работу каждого трёхфазного выпрямителя с общим проводом. В результате продолжительность работы каждого вентиля такая же, как и в трёхфазной схеме выпрямления с общим проводом (120⁰ Эл), а частота пульсаций выпрямленного напряжения в шесть раз больше частоты питающей сети (50 × 6 = 300 Гц).

Уравнительный реактор представляет собой дроссель с замкнутым ферромагнитным сердечником, с двумя одинаковыми обмотками. Схема соединения обмоток уравнительного реактора (рис. 3.9) исключает подмагничивание его сердечника выпрямленным током нагрузки вследствие того, что токи, равные I_d/2 в обеих половинах реактора направлены встречно, а потоки рассеяния в сердечнике уменьшены за счёт соединения каждой половины обмотки «в зигзаг».

Рис. 3.9. Схема соединения обмоток уравнительного реактора

Напряжение на уравнительном реакторе (между точками О1 и О2) в каждый момент времени равно разности двух фазных ЭДС тех фаз вторичных обмоток, вентили которых открыты. Это напряжение изменяется с тройной частотой питающей сети (150 Гц). Действующее значение напряжения на уравнительном реакторе

. (3.15)

Это напряжение представляет собой треугольные импульсы и приводится к эквивалентному синусоидальному напряжению на частоте питающей сети как U_экв = 0,1145 U_d. Типовая мощность уравнительного реактора может быть определена по формуле

. (3.16)

Коэффициент k_c > 1 учитывает работу материала сердечника уравнительного реактора на частоте 150 Гц, обычно выбирают k_c = 2. Тогда типовая мощность уравнительного реактора составит

S_УР = 0,0572×P_d. (3.17)

Рассмотрим характерные режимы работы схемы выпрямителя.

В таком режиме ток нагрузки равен нулю или меньше критического тока. Критическим током нагрузки I_dкр называется такой минимальный ток нагрузки, при котором постоянная составляющая выпрямленного тока равна намагничивающему току уравнительного реактора. Выпрямитель работает как шестифазная схема без уравнительного реактора, в которой ток нагрузки протекает только через один вентиль, открытое состояние вентиля составляет 60⁰ Эл. В этом случае уравнительный реактор уже не служит звеном, выравнивающим напряжение между двумя обратными звёздами выпрямителя. Напряжение полного холостого хода U_doo составляет

. (3.18)

Индуктивность обмотки уравнительного реактора оказывается включённой последовательно с нагрузкой, что приводит к увеличению угла коммутации вентильных токов и быстрому снижению напряжения выпрямителя на участке внешней характеристики в интервале от I_d = 0 до I_d £ I_dкр.