Особенности преобразователей локомотивов. Статические преобразователи электрической энергии. 10 Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах
 Скачать 408.83 Kb.
|
|
СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. 10.1. Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах. Работа локомотивных тяговых преобразователей характеризуется наличием значительных перенапряжений, воздействующих на элементы преобразователя, при колебаниях напряжения источника питания, срабатывании защиты, боксовании локомотива и т.д. Преобразовательные установки тепловозов находятся в более легких условиях, чем электровозные, но приходится учитывать имеющие место четырех- и пятикратные по отношению к номинальным перенапряжения. Нагрузка преобразовательных устройств локомотивов резко переменна, что связано с режимом ведения поезда, боксованием колесных пар, изменением напряжения тягового генератора по заданным законам. Силовая электроника связана с преобразованием большого количества энергии, поэтому основное внимание уделяется получению наибольшего КПД преобразователей. Термин «преобразователь» используют безотносительно к назначению силовых электронных устройств. Однако для разных целей были разработаны различные типы преобразователей. Все они обладают одним общим признаком – управляют потоком энергии посредством включения и выключения полупроводниковых электронных элементов, введенных в основные электрические схемы, или благодаря циклической передаче тока от одного такого элемента к другому (процесс, называемый коммутацией). Наиболее часто преобразователи классифицируют в зависимости от вида коммутации. Обычно различают преобразователи с естественной и принудительной коммутацией. В преобразователях с естественной коммутацией циклическая коммутация диодов происходит под действием переменного напряжения источника питания или сети. Принудительная коммутация в преобразователях осуществляется с помощью дополнительных коммутирующих контуров (см. подразд. 10.7). По своему назначению преобразователи подразделяются: • на преобразователи с естественной коммутацией, связывающие цепь переменного тока с цепью постоянного тока или наоборот. Эти преобразователи обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях. В зависимости от направления потока энергии различают выпрямительный и инверторный режимы их работы; • преобразователи с принудительной коммутацией, связывающие цепь постоянного тока с цепью переменного тока. Эти преобразователи также обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях, но, как правило, они используются в инверторном режиме; • преобразователи с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока, называемые также прерывателями постоянного тока; • преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной и той же частоты,  называемые также прерывателями переменного тока;• преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, связывающие цепи переменного тока разных частот, называемые обычно преобразователями частоты; • специальные преобразователи, представляющие собой комбинации преобразователей, перечисленных выше (преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и т.п.). Неотъемлемой частью преобразовательных устройств являются различные схемы управления, регулирования и защиты. Условия работы преобразователей регламентируются ГОСТ 4.139 – 85 и 25953 – 83, по которым устройства должны работать при температурах окружающей среды от -70 до +50°С, в условиях сильного загрязнения воздуха пылью, парами масла и топлива, а также высокой влажности воздуха. Поскольку локомотив может работать на подъездных путях промышленных предприятий, то преобразователи должны устойчиво функционировать в условиях агрессивных сред. Механические воздействия на оборудование подвижного состава, достигающие 3g, могут значительно увеличиваться как по частоте, так и по амплитуде, при неисправностях механической части локомотива или пути. 10.2. Выпрямители. Выпрямители однофазного тока. Применяются для питания выпрямленным напряжением различных систем и устройств промышленной и транспортной автоматики, обработки и отображения информации, бытовых приборов. Как правило, выпрямители однофазного тока рассчитаны на небольшие мощности (до нескольких киловатт). В тяговом электроприводе на электроподвижном составе (электровозах и мотор-вагонах электропоездов), получающим питание от контактной сети однофазного тока, применяются мощные однофазные выпрямители мощностью от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт. Простейшей схемой однофазного выпрямителя является однопульсовая (однополупериодная) схема, выполненная на диоде VD1 с шунтирующим диодом VD2 или без него (рис. 10.1, а). В практических схемах такой выпрямитель используется крайне редко из-за низкого качества выпрямленного напряжения Ud: оно получается пульсирующим и состоит из отдельных полусинусоидальных импульсов, которые повторяются через каждый период (рис. 10.1, в). Такая форма выпрямленного напряжения получается из-за того, что диод VD1 проводит только одну полуволну напряжения U2, а вторая им отсекается. Значение выпрямленного напряжения Ud на нагрузке Rн принимают равным среднему значению Ucp пульсирующего напряжения. Пренебрегая падением напряжения на вторичной обмотке трансформатора, получим: Ud = Ucp = (1 / π) U2 = 0,318U2 (10.1) где U2 – эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В. Двухпульсовые (двухполупериодные) однофазные выпрямители применяют для уменьшения пульсации выпрямленного тока и улучшения использования трансформатора и диодов. Обычно применяют схемы с нулевым выводом или мостовые схемы. В выпрямителе с нулевым выводом (рис. 10.2, а) вторичная (вентильная) обмотка трансформатора имеет три вывода. К двум крайним выводам подключены диоды VD1 и VD2. Потребитель (Rн, Lн) включен между точкой соединения их катодов и средним выводом вторичной обмотки трансформатора. Трансформатор преобразует однофазное напряжение, подаваемое на его первичную обмотку, в двухфазное. При этом индуцируемые в его обмотках ЭДС сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180 эл. град. Рис.  10.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель. а – принципиальная схема; б и в – графики входного и выпрямленного напряжения соответственно; Т– трансформатор; Id – выпрямленный ток. Рис. 10.2. Двухполупериодный однофазный выпрямитель на основе трансформатора с выводом от средней точки. а – схема выпрямителя, б и в – графики входного и выпрямленного напряжения соответственно. Так как оба вентиля включены в две противоположные фазы вторичной обмотки трансформатора, то они проводят ток поочередно по аналогии с предыдущим случаем: положительную полуволну пропускает диод VD1, а отрицательную – VD2. Определим основные расчетные соотношения, воспользовавшись временными диаграммами на рис. 10.2, б и в. Среднее значение выпрямленного напряжения: Ud = 2√2U2 /π = 0,9U2 (10.2) Максимальное значение обратного напряжения на диодах: Ubmax = 2U2max = πUd (10.3) где U2max – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, В. Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора составляет I2 = 0,785Id. Расчетная (типовая) мощность, Вт, преобразовательного трансформатора ST определяется величиной мощности нагрузки Pd: ST = = 1,48Рd Мостовой выпрямитель (рис. 10.3) состоит из четырех диодов VD1– VD4, подключенных непосредственно к сети или ко вторичной обмотке трансформатора, который в этом случае не имеет среднего вывода. В течение положительного полупериода ток Id проходит от источника переменного тока через диод VD1, нагрузку Rн и диод VD4 ко второму выводу. В течение следующего, отрицательного, полупериода ток Id проходит от источника через диод VD3, нагрузку Rн и диод VD2 к первому выводу. В оба полупериода ток проходит через нагрузку Rн в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения Ud = 0,9U2. Максимальное значение обратного напряжения на диодах: Ubmax = 1,57Ud (10.4) Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора: I2 =1,11Id (10.5) Расчетная мощность обмоток трансформатора: Sт = l,23Pd (10.6) Коэффициент использования трансформатора по мощности: kР = 0,815Pd Качество выпрямленного напряжения в обоих случаях оценивается коэффициентом пульсации kq, представляющим собой отношение амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения к его среднему значению. Поскольку kq = 0,66, то можно сделать вывод, что качество выпрямленного напряжения невысокое. Для обеспечения удовлетворительной работы потребителей в большинстве случаев необходим сглаживающий фильтр, улучшающий качество преобразования тока. Выпрямители трехфазного тока. Принципы построения и режимы работы трехфазных выпрямителей аналогичны однофазным выпрямителям. Поэтому при анализе схем трехфазных выпрямителей используются аналогичные методы. Особенностью трехфазных выпрямителей является значительно меньшая переменная составляющая выпрямленного напряжения. В связи с этим в неуправляемых трехфазных выпрямителях даже при чисто активной нагрузке ток нагрузки является непрерывным и допущение о полностью сглаженном токе более близко к реальным режимам работы. Это допущение, наряду с другими упрощениями, принятыми при анализе однофазных выпрямителей, будет неоднократно использовано и здесь. В трехфазной (трехпульсовой) схеме используется источник напряжения, обмотки которого соединены в звезду с нулевым выводом (рис. 10.4, а). Диоды VD1– VD3 включают в цепь каждой фазы напряжения, а нагрузку – между точкой, соединяющей катоды диодов, и нулевой точкой 0 источника.  Рис. 10.3. Схема мостового выпрямителя.  Рис. 10.4. Трехфазный выпрямитель. а – схема с нулевым выводом; б – графики изменения токов и напряжений источника. Фазы работают поочередно. Ток нагрузки Id проходит только через тот диод, анод которого в данный момент имеет наиболее высокий положительный потенциал (рис. 10.4, б). При изменении потенциалов на анодах диодов ток соответственно переключается с одного диода на другой. Каждый из диодов в течение одного периода проводит ток на интервале 2π/3 =120 эл. град. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке Rн составляет: Ud = 1,17U2ф (10.7) где U2ф – эффективное значение фазного напряжения на холостом ходу, В. Средний ток, протекающий через диод, Iср = 0,33Id. Максимальное обратное напряжение Ubmax, приложенное к диоду VD1, определяется как разность потенциалов анода диода VD1 и катодов диодов VD2n VD3. Подобным образом определяется максимальное обратное напряжение на других диодах: Ubmах = 2,09Ud (10.8) Эффективное значение тока в обмотках источника напряжения: IA + IB + Ic= Id / √3 = 0,58Id (10.9) В случае использования трансформатора коэффициент использования его мощности kp = 0,74, и коэффициент пульсации выпрямленного напряжения kq = 0,25. Как видим, степень использования трансформатора здесь выше, чем в однофазных выпрямителях, но все же достаточно низка. Кривые токов вторичных обмоток содержат постоянную составляющую Id/3. Лучшие результаты дает применение трехфазных шестипульсовых выпрямителей.  Рис. 10.5. Мостовой шестипульсовый выпрямитель. а – схема; б – графики изменения токов и напряжений. МОСТОВАЯ ШЕСТИПУЛЬСОВАЯ схема выпрямителя, или схема Ларионова, состоит из трехфазного источника напряжения, фазные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и двух групп диодов: - катодной VD1, VD3, VD5 и - анодной VD2, VD4, VD6 (рис. 10.5, а). Диоды групп образуют трехфазный мост. Положительным полюсом является общая точка диодов VD1, VD3, VD5, а отрицательным – общая точка диодов VD2, VD4, VD6. Рассмотрим вариант схемы соединения фазных обмоток в звезду. В мостовой шестипульсовой схеме выпрямителя ток одновременно проводят два диода. 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. |