Файл: Статические преобразователи электрической энергии. 10 Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.03.2024
Просмотров: 41
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Первый – это тот из диодов VD1, VD3, VD5, положительный потенциал анода которого максимален,
второй – из диодов VD2, VD4, VD6, потенциал которого минимален.
В результате на выходе формируется выпрямленное напряжение Ud. Коммутация диодов происходит через каждую шестую часть периода, и выпрямленное напряжение Ud имеет шесть пульсаций за один период питающего напряжения (рис. 10.5, б). Ток диода имеет форму, близкую к прямоугольной, со средней высотой прямоугольника Id и длительностью 2π/3 =120 эл. град. Обратное напряжение на диодах формируется линейными напряжениями. Среднее значение выпрямленного напряжения:
Ub = 1,35U2л (10.10)
где U2л – эффективное значение линейного напряжения, В. Средний ток через каждый диод Iср = 0,33Id, а максимальное обратное напряжение на диодах составляет:
Ubmax=l,05Ud (10.11)
В схеме эффективно используются диоды и трансформатор, в сердечниках которого отсутствует вынужденное подмагничивание. Качество выпрямленного напряжения в схеме высокое: коэффициент использования трансформатора kp = 0,95, а коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения kq = 0,057. Все это обусловило широкое применение мостовых трехфазных выпрямителей. При соединении обмоток источника напряжения в треугольник линейные токи сохраняют предыдущую форму, а токи в фазных обмотках являются результатом распределения тока Id по двум параллельным ветвям на каждом интервале. В каждый момент ток проводят два диода – один в анодной, другой в катодной группах, а конкретно те диоды, к которым приложено максимальное (по модулю) линейное напряжение. В такой схеме выпрямленное напряжение формируется из участков максимума и минимума линейных значений напряжения питания.
ДВЕНАДЦАТИПУЛЬСОВЫЕ СХЕМЫ выпрямления обеспечивают меньший уровень пульсаций и высших гармонических составляющих в кривой сетевого тока. Кроме того, они позволяют создать агрегат на более высокие напряжения и токи. Двенадцатипульсовые схемы разделяются на эквивалентные и собственные.
СОБСТВЕННЫЕ СХЕМЫ строятся на основе последовательного соединения двух шестипульсовых схем выпрямления, каждая из которых питается от своего трансформатора или другого источника трехфазного тока. Обмотки источника напряжения соединяются так, чтобы их линейные напряжения были сдвинуты относительно друг друга на 30 эл. град. Для этого одну из вторичных обмоток соединяют в звезду, а вторую – в треугольник. При этом в последнем случае фазное напряжение будет √3в раз больше, чем у первой. Результирующее выпрямленное напряжение получается двенадцатипульсовым благодаря суммированию двух шестипульсовых:
Ud = Udl + Ud2
ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ (рис. 10.6) строятся на основе параллельного соединения шестипульсовых выпрямителей. Они нашли широкое применение в выпрямительных устройствах тепловозов с электрической передачей переменно-постоянного тока. Использование таких схем позволяет получить меньшие пульсации выпрямленного напряжения (kq = 0,03), а следовательно, улучшить условия работы тяговых двигателей без установки дополнительных сглаживающих устройств и повысить коэффициент мощности благодаря приближению формы потребляемого тока к синусоидальной. Средние значения выпрямленного напряжения одинаковы и равны общему выпрямленному напряжению Ud1 = Ud2 = Ud. Общий ток нагрузки Id распределяется поровну между обеими трехфазными обмотками. Основные расчетные зависимости для каждой из выпрямительных схем остаются такими же, как для шестипульсовых схем выпрямления.
Рис. 10.6. Эквивалентная двенадцатипульсовая схема выпрямителя.
Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока Ud = f(Id) и отражает все режимы работы: от холостого хода до короткого замыкания (рис. 10.7). Как видно из графика, с увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается. Это объясняется несколькими причинами, которые условно можно разделить на три группы.
1. Падение напряжения Udγ вызванное процессом коммутации и обусловленное индуктивностью источника напряжения. Оно может быть названо индуктивным падением напряжения
(ΔUdL = ΔUdγ).
2. Падение напряжения на активных сопротивлениях схемы – активные падения напряжения
ΔUdR.
3. Падение напряжения на силовых полупроводниковых приборах выпрямителя
ΔUdγ = nΔUV,
где n – число последовательно включенных диодов (при мостовой схеме – суммарное число последовательно соединенных диодов в двух противоположных плечах моста);
ΔUV – падение напряжения на одном диоде (ΔUV = = 0,4...1,4В).
В общем случае среднее выпрямленное напряжение схемы:
Ud = Ud0 - ΔUdγ - ΔUdR - ΔUV,
где Ud0 – среднее выпрямленное напряжение холостого хода, В. Таким образом, уменьшение выпрямленного напряжения связано с возрастанием падений напряжений ΔUdR и ΔUdγ. Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется формулой:
η = Pнагр / Pнагр + ΔP,
где Рнагр – мощность, потребляемая нагрузкой, Вт;
ΔP – внутренние потери мощности в выпрямителе, Вт.
В величину ΔP входят не только потери мощности в диодах, но и в обмотках источника напряжения, сглаживающем реакторе, а также мощность, расходуемая во вспомогательных устройствах (например, вентиляторах, осуществляющих охлаждение диодов). Общий КПД выпрямителя можно представить в виде произведения:
η = ηVηT,
где ηV – КПД диодов; ηT – КПД источника напряжения. КПД диодов выпрямителя определяется по формуле:
ηV = Ud / Ud + ΔUV
Из этой формулы следует, что КПД диодов существенно возрастает по мере увеличения рабочего напряжения Ud выпрямителя. При этом, чем выше класс применяемых диодов, тем больше ηV. При небольших напряжениях КПД выпрямителя определяется в основном КПД диодов. При переходе же к более высоким напряжениям возрастает влияние источника напряжения и вспомогательных устройств, так как КПД диодов приближается к единице. Например, КПД выпрямительной установки тепловоза 2ТЭ116 достигает 0,98.
Рис. 10.7. Внешняя характеристика двенадцатипульсового выпрямителя.
Ud0 – среднее выпрямленное напряжение на холостом ходу. Ud = f(Id)
Рис. 10.8. Зависимость КПД двенадцатипульсового выпрямителя от тока нагрузки.
η = f(Id)
Большая экономичность полупроводниковых выпрямителей при высоких напряжениях обусловливается также и тем, что они сохраняют высокие значения КПД при изменении нагрузки в широких пределах. Зависимость КПД выпрямительной установки от тока нагрузки Iн показана на рис. 10.8.
10.3. Управляемые выпрямители.
Управляемые выпрямители однофазного напряжения. В системах регулирования тока обмотки возбуждения тяговых генераторов тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70 и ТЭМ7 нашли широкое распространение управляемые выпрямители однофазного напряжения, построенные на управляемых полупроводниковых приборах – тиристорах (силовых транзисторах). Тиристор открывается, если:
1. замкнута цепь нагрузки и анод (коллектор) имеет более высокий потенциал, чем катод (эмиттер);
2. на управляющий электрод (базу) подан импульс напряжения положительной полярности необходимой величины и длительности относительно катода (эмиттера). Открывание тиристоров в однофазных и многофазных управляемых схемах выпрямления или преобразования происходит в строго определенные моменты времени. Изменение фазы переднего фронта управляющего импульса относительно переменного анодного напряжения можно осуществить плавное регулирование выходного напряжения преобразователей. С помощью управляемых тиристорных или тиристорно-диодных выпрямителей решаются задачи плавного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения (рис. 10.9).
На управляющие выводы тиристоров VS1 и VS2 подаются отпирающие импульсы, вырабатываемые системой автоматического регулирования. С помощью этих импульсов можно открывать тиристоры в заданные моменты времени и изменять общее время, в течение которого каждый тиристор проводит ток. Промежуток времени между моментом подачи положительного напряжения на анод тиристора VS1 или VS2 и моментом подачи отпирающего импульса Iу на их управляющие электроды называется углом управления а. С увеличением угла управления α уменьшается площадь, ограниченная кривой выпрямленного напряжения, и уменьшается его среднее значение Ucp. Наибольшее значение выпрямленное напряжение будет иметь при α = 0 (аналог неуправляемого выпрямителя), а при α = 180 эл. град, оно будет равно нулю. Тиристоры VS1 и VS2 проводят ток поочередно: каждый во время той части периода, когда напряжение на его аноде положительно. Например, если на аноде тиристора VS1 положительный потенциал и на его управляющий электрод подать сигнал управления, то VS1 откроется. Возникнут условия для протекания тока от источника напряжения через тиристор VS1, нагрузку Rн диод VD2 ко второму выводу источника напряжения. Этот
процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сменится полярность питающего напряжения. После чего создаются условия для включения в работу тиристора VS2, который откроется после подачи сигнала управления, и ток будет протекать через него, нагрузку Rн, диод VD1 к источнику напряжения. Для получения симметричной формы выпрямленного напряжения должно соблюдаться с достаточной точностью равенство углов управления а обоих плеч выпрямителя. Асимметрия углов управления а приводит к неравномерной загрузке тиристоров VS1, VS2, и диодов VD1, VD2, увеличению пульсаций и появлению в выпрямленном напряжении трудно сглаживаемой низкочастотной составляющей. Кроме того, уменьшается КПД выпрямителя и сужается диапазон регулирования напряжения. Среднее значение выпрямленного напряжения без учета потерь в коммутационный период зависит не только от а, но и от характера нагрузки. При чисто активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет кривую напряжения:
Udα = (2√2 / π)U2(1 +cosα) = 0,45U2(1 + cosα) (10.12)
где U2 – действующее значение напряжения источника, В.
Рис. 10.9. Схема управляемого выпрямителя однофазного тока (а)
и графики изменения напряжений и токов (б). УВ – управляемый выпрямитель.
Среднее значение тока нагрузки при α ≠ 0:
Idα = Idн √ π - α / π (10.13)
где Idα – среднее значение тока нагрузки при α = 0, А. Анализ кривых тока дает возможность определить средний ток тиристоров VS1, VS2 и диодов VDh VD2:
Iт = (π - α / 2π)Idн (10.14)
Рис. 10.10. Семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя
Ud = f(Id)
Увеличение тока нагрузки вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения из-за тех же потерь, что и в неуправляемом выпрямителе. На рис. 10.10 представлено семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя при различных углах управления α. При регулировании выпрямленного напряжения изменением угла управления α, момент коммутации тока с одного тиристора на другой сдвигается по сравнению с неуправляемым выпрямителем на угол α. Одним из важных энергетических показателей выпрямительных установок является коэффициент мощности на входе выпрямителя, который определяет эффективность использования электрической энергии источника напряжения. Коэффициент мощности kp для электрических цепей, напряжения и токи которых несинусоидальны, может быть определен как отношение активной мощности Р к полной мощности S. После соответствующих преобразований получим: