Структурная схема и классификация

Выпрямители

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Структурная схема и классификация

Силовая часть в общем случае включает в себя следующие блоки:

 

1 – преобразовательный трансформатор, служащий для согласования входного и выходного напряжения;

2 – блок полупроводниковых вентилей, осуществляющий функцию выпрямления переменного тока;

3 – выходной или сглаживающий фильтр;

4 – блок нагрузки;

5 – блок управления (регулирования) в случае управляемого выпрямителя;

6 – блок сигнализации и защиты.

Выпрямители классифицируют:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз первичной обмотки трансформатора;

по схеме выпрямления;

по возможности регулирования выходного напряжения.

По мощности выделяют выпрямители:

- маломощные (до 1 кВт);

- средней мощности (до 100 кВт);

- мощные (выше 100 кВт).

По напряжению выделяют выпрямители:

- низкого напряжения (до 250 В);

- среднего напряжения (до 1000 В);

- высокого напряжения (выше 1000 В).По числу фаз первичной обмотки трансформатора выделяют выпрямители:

- однофазные;

- трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

- однофазные – однополупериодный с одним диодом, двухполупериодный нулевой, двухполупериодный мостовой;

- трехфазные – нулевые простые, нулевые сложные, мостовые простые, мостовые сложные.

По возможности регулирования:

- нерегулируемые (неуправляемые);

-регулируемые (управляемые).

Иногда выпрямители классифицируют по числу пульсаций m в кривой выпрямленного напряжения за период питающего напряжения.

 

 

 

Теория работы мостовых схем

Однофазный мостовой выпрямитель

На электровозах и электропоездах переменного тока однофазная мостовая схема выпрямления применяется в силовых цепях. В цепях питания обмоток возбуждения тяговых двигателей, вспомогательных цепях и цепях управления применяются однофазные нулевые и мостовые схемы выпрямления, а так же трехфазные нулевые и остовые выпрямители.

 

I 0≤ωt≤π

U_a>U_b

VD1 – A(+) – открыт

VD4 – K(+) – закрыт

VD2 – K(-) – открыт

VD3 – A(-) – закрыт

I U_d=U_K-U_A

U_d=U_a-U_b=U_ab

U₂=1.11U_d0

I_bmax=I_d

U_bmax=1.57U_d0

I_bcp=I_d/2

i₂+i_VD4-i_VD1=0

i₂=i_VD1-i_VD4

i₁w₁+i₂w₂=0

II π≤ωt≤2π

U_b>U_a

VD1 – A(-) – закрыт

VD4 – K(-) – открыт

VD2 – K(+) – закрыт

VD3 – A(+) – открыт

II U_d=U_K-U_A

U_d=U_b-U_a=U_ba

Из рассмотрения типовых мощностей преимущество имеет мостовая схема, поэтому в силовых цепях на современном ЭПС применяют только однофазные схемы выпрямления.

Простая шестипульсовая мостовая схема выпрямления разомкнутого типа (схема Ларионова)

Основными достоинствами простой мостовой схемы являются:

- имея m₂=3 получено m=6 (в простых и сложных нулевых схемах m₂=6) при вдвое меньшем числе витков вентильной обмотки на фазу;

- типовая мощность трансформатора меньше, что и определяет рациональность применения мостовой схемы.

Требования, предъявляемые к СУ и АР

Основные технические требования подразделяются на 2 группы:

1) требования, определяемые физическими

схемы; определяют такие характеристики, как диапазон регулирования, порядок следования и взаимную ориентацию управляющих импульсов, быстродействие, мощность, помехозащищенность и надежность системы управления. Основное требование – точная симметрия управляющих импульсов. Для наиболее распространенных схем асимметрия не должна превышать (2,5-3)^о.

Принципы построения СУ и АР

СУ подразделяют по способу представления и обработки информации и по способу формирования многофазной системы управляющих сигналов. По способу представления и обработки информации СУ делятся на аналоговые и цифровые. Наиболее прогрессивные на сегодняшний день цифровые, однако наиболее распространены аналоговые. По способу формирования управляющих импульсов системы делятся на одноканальные и многоканальные. Кроме того, по способу реализации основной функции системы делятся на системы с задающим генератором и системы с фазовым управлением. Системы с задающим генератором выполняются как правило одноканальными, то есть импульсы управления всех вентилей преобразователя формируются в одном устройстве. В этом случае частота генерируемых импульсов кратна входной частоте преобразователя и числу его фаз.

Функциональные узлы СУ и АР

Устройство синхронизации

В многоканальных устройствах синхронизация производится в каждом канале.

Отпайки a, b, c вторичной обмотки трансформатора Т1 предназначены для регулирования синхронизирующего напряжения и компенсации возможных технологических отклонений параметров элементов схем. На первичной обмотке трансформатора Т1 подается питающее напряжение. Напряжение питающей сети является синхронизирующим. Синхронизация достигается изменением схемы соединения первичных обмоток трансформатора. Искажение питающего напряжения коммутационными провалами (изменение фазы и амплитуды) может нарушить работу СУ, поэтому в цепи синхронизирующего напряжения для выделения основной гармоники напряжения устанавливают фильтры для.

Фильтрация синхронизирующего напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1 осуществляется фильтром L1С1,С2. Таким образом исключается возможность асимметрии управляющих импульсов. Напряжение, снимаемое со вторичных обмоток трансформатора Т2 используется в ФСУ противофазных каналов.

Фазосдвигающие устройства

Предназначены для преобразования фазы напряжения управления в соответствующее фазовое положение импульсов, подаваемых на управляющие выводы тиристоров на тиристоров. В качестве опорного используется либо синусоидальное синхронизирующее напряжение, либо напряжение пилообразной формы от специального генератора (ГПН или ГЛИН).

Наибольшее распространение получили ФСУ с пилообразным опорным напряжением; в основе такой схемы лежит цепь RС, в качестве опорного используется напряжение заряда конденсатора от независимого источника постоянного тока. Синхронизация ГПН осуществляется диодным или транзисторным коммутатором. Транзисторные коммутаторы по сравнению с диодными потребляют меньшую модность и обеспечивают большую точность фиксации перехода синхронизирующего напряжения через 0.

ГПН с транзисторным коммутатором:

Положительный полупериод синхронизирующего напряжения – конденсатор С – закорочен открытым переходом эмиттер-коллектор транзистора VT. В момент перехода синхронизирующего напряжения через 0 VT запирается, конденсатор заряжается от источника постоянного тока. Выход ГПН и напряжение управления подключаются на входы схем узлов сравнения (0-органов), которые предназначены для мгновенного переключения при равенстве двух входных разнополярных сигналов они отличаются большим разнообразием. Простейшие нуль-органы – транзистор, работающий в ключевом режиме; схема на двух транзисторах; триггеры, блокинг-генераторы и другие.

С развитием микроэлектроники стали широко применяться операционные усилители, которые обеспечивают высокую точность сравнения как разнополяных, так и однополярных входных сигналов.

Выходные устройства СУ

Предназначены для формирования импульсов управления и подачи их на управляющие выводы тиристоров. Выходные устройства – формирователи осуществляют усиление управляющего сигнала и потенциальное разделение цепи СУ и силовых цепей.

Обязательными элементами формирователей являются усилительный каскад и трансформатор. Для управления тиристорами широко применяются транзисторные и тиристорные усилители. Распространенной схемой формирователя импульсов является схема блокинг-генератора благодаря своей простоте, хорошей форме выходного импульса и малой мощности запускающего сигнала.

Схема блокинг-генератора:

Первичная обмотка w₁ импульсного трансформатора Т включена в коллекторную цепь транзистора VT. В момент подачи управляющего импульса транзистор VT открывается, по обмотке w₁ начинает протекать ток, наводится ЭДС в обмотке w₂, которая форсирует процесс открытия транзистора VT. Обмотка w₃ выполняет роль выходной обмотки.

Съема блокинг-генератора используется в качестве запускающего элемента тиристорного формирователя.

Схема тиристорного формирователя:

 

Тиристорный формирователь питается от сети питающего напряжения, синхронизированного. В нерабочий полупериод за счет диода VD конденсаторы С1, С2, С3 заряжаются до амплитудного значения питающего напряжения. При открытии тиристора VS1, который включается в работу сигналом от блокинг-генератора, происходит разряд конденсаторов на первичную обмотку w1 изолировочного трансформатора Т. Поскольку время разрояда конденсатора С1-С3 различно, то изменяя параметры их цепей разряда можно получить выходной импульс с необходимыми параметрами. Изолировочный трансформатор Т может иметь несколько независимых вторичных обмоток, каждая их которых служит для управления одним тиристором. В случае, когда преобразователь имеет большое количество последовательно включенных тиристоров, применяют последовательное включение специальных импульсных трансформаторов, первичные обмотки которых выполнены кабелем с изоляцией на полное напряжение. Такие схемы обычно применяют при напряжении 3 кВ и выше, так как при высоких напряжениях преобразователя невозможно изготовить импульсный трансформатор изоляцией на полное напряжение, удовлетворяющий требованиям передачи импульса с крутым фронтом.

Принципиальная схема устройства для размножения импульсов:

Требования, предъявляемые к управляющим импульсам

Это требования I группы из общих требований, предъявляемых к СУ, они определяют параметры управляющего сигнала (ток и напряжение) и зависят в основном от типа применяемых вентилей и схемы включения – один или несколько вентилей в плече. Для надежного включения тиристора необходим сигнал с параметрами:

- по напряжению – (10-20)В;

- по току – (1-2)А.

при групповом включении тиристоров необходимо соответственное увеличение мощности суммарного сигнала и повышение крутизны импульса, подаваемого на управляющий вывод тиристора. При этом в импульсном режиме работы аппаратуры управления ток и напряжение управляющего сигнала действуют в течение коротких промежутков времени. Электрические импульсы могут быть прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной формы.

Основными параметрами, характеризующими импульс, являются:

- амплитуда;

- время импульса;

- длительность фронта;

- длительность спада.

Форма реального импульса отличается от идеальной, поэтому за длительность импульса принимают длительность на уровне 0,1U_и, а длительность фронта и спада – между уровнями 0,1 и 0,9 от амплитудного значения.

Прямоугольный импульс:

Чтобы уменьшить потребляемую мощность очень часто управление тиристорами производят короткими импульсами. Минимальная длительность импульса должна быть не менее (20-30)мкс, так как за время импульса силовой ток тиристора должен достичь значений, больших тока включения.

Предъявляются требования и к крутизне импульса. Необходимо обеспечить высокую скорость нарастания фронта управляющего импульса, то есть крутизна фронта импульса управления должна превышать крутизну нарастания анодного тока.

Применительно к преобразователям, работающим от сети с частотой 50 Гц необходимо увеличивать крутизну импульса управления для уменьшения разброса моментов включения из-за различия характеристик входных цепей отдельных тиристоров с учетом этого S_у>(0,2-0,3)А/мкс.

 

Выпрямители

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Структурная схема и классификация

Силовая часть в общем случае включает в себя следующие блоки:

 

1 – преобразовательный трансформатор, служащий для согласования входного и выходного напряжения;

2 – блок полупроводниковых вентилей, осуществляющий функцию выпрямления переменного тока;

3 – выходной или сглаживающий фильтр;

4 – блок нагрузки;

5 – блок управления (регулирования) в случае управляемого выпрямителя;

6 – блок сигнализации и защиты.

Выпрямители классифицируют:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз первичной обмотки трансформатора;

по схеме выпрямления;

по возможности регулирования выходного напряжения.

По мощности выделяют выпрямители:

- маломощные (до 1 кВт);

- средней мощности (до 100 кВт);

- мощные (выше 100 кВт).

По напряжению выделяют выпрямители:

- низкого напряжения (до 250 В);

- среднего напряжения (до 1000 В);

- высокого напряжения (выше 1000 В).По числу фаз первичной обмотки трансформатора выделяют выпрямители:

- однофазные;

- трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

- однофазные – однополупериодный с одним диодом, двухполупериодный нулевой, двухполупериодный мостовой;

- трехфазные – нулевые простые, нулевые сложные, мостовые простые, мостовые сложные.

По возможности регулирования:

- нерегулируемые (неуправляемые);

-регулируемые (управляемые).

Иногда выпрямители классифицируют по числу пульсаций m в кривой выпрямленного напряжения за период питающего напряжения.