Раздел I. Электрические машины

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.

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 U_d: 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 U_d на нагрузке R_н принимают равным среднему значению U_cp пульсирующего напряжения. Пренебрегая падением напряжения на вторичной обмотке трансформатора, получим:

U_d = U_cp = (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 (R_н, L_н) 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.

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:

kp = 1 + cosα / √π (10.15)

Анализируя полученную зависимость, можно видеть, что при регулировании выпрямленного напряжения путем изменения угла управления тиристоров α, коэффициент мощности kp снижается при увеличении α. Это свидетельствует о возрастании амплитуды высших гармонических составляющих тока и снижении КПД выпрямителя. В связи с этим данные устройства используются, как правило, в качестве маломощных источников регулируемого напряжения.

Однополупериодные управляемые выпрямители трехфазного напряжения.
На тепловозах ТЭ109, 2ТЭ116УП, 2ТЭ121 устанавливают тяговый агрегат, содержащий тяговый генератор и отопительный генератор. Последний предназначен для питания системы электроснабжения поезда и приводов вспомогательных агрегатов тепловоза. Независимое возбуждение этих генераторов выполнено по системе трехфазная обмотка – управляемый выпрямитель. Формирование тока возбуждения в таких системах осуществляется при помощи двух независимых однополупериодных управляемых (полууправляемых) выпрямителей трехфазного напряжения, схема одного из которых приведена на рис. 10.11, а. Для открытия одного из тиристоров VS1, VS2 или VS3 необходимо соблюсти два условия:
во-первых, на аноде тиристора должен быть положительный потенциал,
а во-вторых, на его управляющий электрод должен быть подан сигнал управления.
Предположим, что эти условия выполнены для тиристора VS1. После его открытия ток от источника напряжения через тиристор VS1 и нагрузку Rн потечет к нулевой точке. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет смена полярности напряжения данной фазы или не будет открыт тиристор другой фазы, анод которого имеет более высокий потенциал по сравнению с VS1. Для удобства анализа процессов, происходящих в данной схеме, будем считать, что на выходе источника напряжения сформирована трехфазная система синусоидальных напряжений (рис. 10.11, б), тиристоры – идеальные ключи, активное сопротивление обмоток источника напряжения равно нулю. При этом для выпрямителей относительно небольшой мощности (мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, составляет 3...5% мощности тягового генератора) можно считать, что и индуктивное сопротивление обмотки возбуждения тягового генератора равно нулю. Полный диапазон изменения угла регулирования тиристоров в данном выпрямителе составляет 180 эл. град. Как и в однофазном диодно-тиристорном выпрямителе, в рассматриваемом выпрямителе тиристоры включаются по сигналу от системы управления. Среднее значение выпрямленного напряжения установки можно определить на основании следующего соотношения:

Ucp= 1,17U2(1 + cosα) (10.16)

Средние значения токов, протекающих через тиристоры, могут быть определены по формуле:

Iтср = (1 / 2π)[(2π / 3)Id] = Id / 3 (10.17)

Максимальное значение обратного напряжения, приложенного к тиристорам, составляет:

Uтoбp = √6U2 = (π/3)Ud = l,05Ud (10.18)

Мостовой управляемый выпрямитель.
Для плавного регулирования напряжения, приложенного к тяговому электродвигателю, может использоваться мостовой управляемый выпрямитель трехфазного напряжения (рис. 10.12). Схема выпрямителя выполнена на тиристорах VS1– VS6. В отличие от полууправляемого выпрямителя в данной схеме все процессы симметричны и его характеристики более благоприятны в широком диапазоне регулирования.

Рис. 10.11. Схема трехфазного управляемого выпрямителя (а)
и графики изменения напряжений и токов (б)

Рис. 10.12. Схема мостового управляемого выпрямителя (УВ).
ТЭД – тяговый электродвигатель

На тиристоры от блока управления подаются сдвоенные (с интервалом в π /3 = 60 эл. град.) импульсы управления или пакеты импульсов длительностью более π/3. Такой алгоритм следования импульсов необходим для одновременного отпирания одного тиристора в катодной группе и одного тиристора в анодной, чтобы образовалась цепь нагрузки (в данном случае тяговый электродвигатель) при включении выпрямителя и в режиме прерывистого тока при глубоком регулировании.
Открытие одного из тиристоров катодной группы VS1, VS3, VS5 (например, VS1) произойдет при наличии на аноде положительного потенциала и подаче на него импульса управления.
Открытие одного из тиристоров анодной группы VS2, VS4, VS6 (например, VS6) произойдет при наличии на катоде отрицательного потенциала и подаче на него импульса управления. После этого создается цепь от фазы А источника напряжения через тиристор VS1, тяговый электродвигатель, тиристор VS6 к фазе С источника напряжения.
Коммутация в этой схеме происходит при смене полярности приложенного к тиристорам напряжения либо при открытии пары тиристоров с более высокими положительными и отрицательным потенциалами соответственно.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Udср = Ud0 - ΔUdα - ΔUdγ (10.19)

где ΔUdα - 1,17U2(1 - cosα) – потери, обусловленные отклонением формы выпрямленного напряжения от синусоидального, В;
ΔUdγ - 1,17U2[cosα - cos (α + γ)] – потери, обусловленные коммумутацией тиристоров, В;
γ = arccos (1 - (2IdxL / √6U2)) угол коммутации, эл. град.;
xL – индуктивное сопротивление нагрузки, Ом.

Подставив значения составляющих в выражение (10.19), получим уравнение внешней характеристики выпрямителя:

Udср = Ud0cosα - (3IdxL / π) (10.20)

При изменении угла управления с пределах 0 < α < 60 эл. град, напряжение и ток выпрямителя непрерывны даже при активной нагрузке. Для этого поддиапазона среднее значение выпрямленного напряжения составляет:

UсрI = Ud0cosα (10.21)

При изменении угла управления в пределах 60 ≤ α ≤ 120 эл. град, кривая выпрямленного напряжения Ud при активной нагрузке становится прерывистой и среднее значение выпрямленного напряжения можно определить как:

UсрII = 1,17U2[1 + cos(π / 3 + α)] (10.22)

Предельным углом управления, при котором Ud = 0, в случае активной нагрузки является α mах = 120 эл. град. Управляемые выпрямители выполняют также функцию бесконтактного аппарата, обеспечивающего отключение цепи нагрузки от сети в случае аварийного нарастания тока путем прекращения подачи импульсов управления на тиристоры.

Инверторы.

Преобразователь с тиристорами может работать в выпрямительном и инверторном режимах. Как уже отмечалось, выпрямительным режимом называют такой режим, когда электрическая мощность передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. При инверторном режиме, наоборот, мощность передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. На железных дорогах используются два вида инверторов:
1) АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ для построения электрической передачи мощности локомотивов с приводов переменного тока;
2) неавтономные инверторы, или ведомые сетью, для преобразования энергии при рекуперативном торможении электровоза или при реостатных испытаниях тепловозов.

АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ – это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних электрических цепях. Независимая коммутация обеспечивается дополнительными коммутирующими устройствами внутри самого преобразователя. На выходе такого преобразователя можно получать переменный ток теоретически любой частоты и напряжения и плавно регулировать его от нуля до максимального значения. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными электродвигателями. Процессы переключения тока в автономных инверторах зависят от способа принудительной коммутации тока, особенностей электрической схемы, параметров источника питания и нагрузки. Полная коммутация с переключением тока из одной ветви схемы в другую в автономных инверторах происходит за несколько этапов, важнейшими из которых являются:
- уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля;
- задержка подачи прямого напряжения на этот тиристор до полного восстановления его запирающей способности;
- нарастание прямого тока во втором тиристоре.

Эти события могут наступать одновременно или последовательно. Создание средств для осуществления надежной коммутации обычно является одной из наиболее трудных проблем при проектировании автономных инверторов. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу можно отнести обычные, не полностью управляемые тиристоры, дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например, в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров. Второй класс составляют запираемые тиристоры и силовые транзисторы, которые закрываются специальными импульсами управления. Инверторы, ведомые сетью, используются для передачи избыточной энергии потребителей в сеть переменного тока частотой 50 Гц, в частности, при рекуперативном торможении электровозов и электропоездов. Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Управление режимом работы инвертора должно быть таким, чтобы обеспечивалась коммутация тиристоров под действием сети. Необходимым условием работы инвертора является подача на его вход напряжения постоянного тока. Из всего многообразия инверторов можно выделить две большие группы: автономные инверторы напряжения и автономные инверторы тока.

Однофазный автономный инвертор напряжения.
Эта схема содержит мост главных тиристоров VS1– VS4, встречно включенный мост обратных диодов VD1– VD4, блок управления тиристорами, входной конденсатор фильтра Q, активно-индуктивную нагрузку LнRн и коммутирующий конденсатор Ск (рис. 10.13, а).

Рис. 10.13. Схема однофазного инвертора напряжения (а)
и графики изменения напряжений и токов (б).

Тиристоры попарно и поочередно отпираются по цепи управления, подключая цепь нагрузки к источнику напряжения. Такой алгоритм переключения обеспечивает формирование в нагрузке напряжения прямоугольной формы. Предположим, что открыты тиристоры VS1, VS4. Тогда ток от источника напряжения Ud через открытый тиристор VS1, нагрузку LнRн и открытый тиристор VS4 протекает ко второму выводу источника напряжения.
Параллельно нагрузке подключен коммутирующий конденсатор Ск, который в этот период заряжается от источника Ud (полярность заряда конденсатора показана без скобок). Это состояние продолжается до момента открытия тиристоров VS3 и VS2. Если открыть тиристоры VS3 и VS2, то в первый момент времени тиристоры VS1 и VS4 остаются открытыми. Этим создается цепь разряда конденсатора Ск по двум цепям:
во-первых, от положительно заряженной обкладки (от плюса) Ск через открытые тиристоры VS1 и VS3 на отрицательно заряженную обкладку (на Минус) Ск, а,
во-вторых, от плюса Ск через открытые тиристоры VS2 и VS4 на минус Ск.
Для тиристоров VS1 и VS4 ток разряда конденсатора Ск является обратным, который приводит к уменьшению тока этих тиристоров ниже тока удержания, и они закрываются. Окончательный разряд конденсатора Ск происходит через диод VD1 и тиристор VS3, а также через тиристор VS2 и диод VD4.
Наступает новый цикл работы инвертора. Ток нагрузки Iн протекает в обратном направлении, и заряд конденсатора Ск имеет противоположную полярность (полярность заряда показана в скобках). Это состояние продолжается до момента открытия тиристоров VS1 и VS4. Временные диаграммы работы однофазного инвертора напряжения представлены на рис. 10.13, б. В момент очередного запирания тиристоров энергия, запасенная в Lн, поступает в источник питания через обратные диоды, а конденсатор фильтра Сd исключает уменьшение напряжения питания в моменты коммутации тиристоров. Изменением момента запирания одного из тиристоров в каждой работающей паре можно менять длительность и частоту подачи напряжения источника питания на нагрузку. Эффективное значение напряжения первой гармонической составляющей на нагрузке:

Uн1 = (2√2 / π)Ud = 0,9Ud (10.23)

Величина тока нагрузки:

Iн = Ud / Rн - (Ud / Rн + Iн0)exp((- Rн / xL)ωt) (10.24)

где Iн0 – ток нагрузки в момент коммутации, А.

Трехфазный мостовой инвертор напряжения.
Схема этого инвертора содержит шесть тиристорных ключей VS1–VS6, образующих мост, шесть встречно включенных диодов VD1–VD6, соединенных также по схеме трехфазного моста, и блок управления. Диоды выполняют функции диодов обратного тока, а блок управления обеспечивает переключение тиристорных ключей по заданному алгоритму управления продолжительностью проводящего состояния тиристоров (рис. 10.14). Частота выходного напряжения задается блоком управления посредством изменения цикла переключения тиристорных ключей. Устройства для коммутации тиристоров на схеме не показаны. Тиристоры и диоды трех фаз А, В и С образуют анодную (VS1, VS3, VS5; VD1, VD3, VD5) и катодную (VS2, VS4, VS6; VD2, VD4, VD6) группы.

Рис. 10.14. Схема трехфазного мостового инвертора.

Тиристоры анодной и катодной групп могут переключаться по различным алгоритмам: с однократным и многократным