§ 48. Схемы преобразователей
Классификация схем. На электровозах и электропоездах применяют в силовых цепях диодные, тиристорные и диодно-тиристорные выпрямители, выполненные по однофазным двухполупериодным мостовым схемам выпрямления, а в цепях питания обмоток возбуждения тяговых двигателей, вспомогательных цепях и цепях управления — по однофазным двухполупериодным схемам с нулевым выводом, мостовым и мостовым трехфазным с нулевым выводом. В выпрямителе, выполненном по схеме выпрямления с нулевым выводом, чтобы снизить пульсации выпрямленного напряжения, стремятся удвоить число фаз, для чего на обмотке трансформатора делают нулевой вывод. При этом напряжения крайних выводов относительно нулевого вывода образуют двухфазную систему. Мостовые схемы могут быть простыми и сложными, в которых тяговые двигатели подключены к
отдельным группам полупроводниковых приборов выпрямителя.
Однофазные двухполупериодные схемы выпрямления с нулевым выводом и мостовые.
Рассмотрим выпрямление однофазного тока по схеме с нулевым выводом (рис. 130, а), когда нагрузкой является, например, резистор сопротивлением лн. В одной из секций вторичной обмотки трансформатора Т в первый полупериод, когда э д с отсутствует от вывода Ь к выводу а, ток направлен от вывода 0 через фазу 0а, диод VDI, точку К и резистор гл Во второй полупериод полярность э д. с. изменяется и ток протекает от вывода 0, через фазу Ob и диод VD2 В этот полупериод у диода VDI потенциал анода ниже, чем катода, и поэтому проводить ток ои не может. Ток как в первый, так и во второй полупериоды протекает через резистор гк в одном и том же направлении от точки К к выводу 0. Однако в течение каждого полупериода в работе участвует попеременно лишь одна секция обмотки трансформатора Т и соответствующий диод. Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе U ср=£т„2/л=0,637£гп.х= т/Т ■ 0,637£=0,9£,
где Emax и Е — соответственно наибольшее и действующее значения э. д. с и вь0 каждой секции обмотки трансформатора Т.
В простой мостовой двухполупериодиой схеме выпрямления (рис 130, б) с активной и индуктивной нагрузкой в первый полупериод, когда э. д. с. направлена от вывода Ь к выводу а, цепь тока замыкается через диод VDI, сглаживающий реактор СР, обмотки двигателей Ml—МЗ и диод VD3, а во второй
полупериод — через диод Уй2, сглаживающий реактор СР, обмотки двигателей М1—МЗ и диод Уй4, т. е. в оба полупериода ток протекает через всю вторичную обмотку трансформатора Т. В этом случае улучшается использование вторичной обмотки: при мостовой схеме требуется трансформатор мощностью, на 21% меньше, чем у траснформатора при нулевой схеме выпрямления
В мостовой схеме выпрямления обратное напряжение, приходящееся иа диод, в 2 раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом при одном и том же напряжении на нагрузке. Условия работы диодов на э. п с при схемах выпрямления с нулевым выводом и мостовой различны и зависят от среднего по времени тока нагрузки /ср и наибольшего обратного напряжения 67тах Приближенно габаритные размеры выпрямителя определяются суммой произведений (/тах/ср для всех вентилей. В схемах рис. 130, а и б ток через диоды протекает поочередно через полупериод, /ср = = 0,5/<(. Наибольшее обратное напряжение в мостовой схеме равно амплитуде напряжения сА, вторичной обмотки трансформатора, а в схеме с нулевым выводом 267т — амплитуде напряжения двух фаз Для схемы рис 130, б типовая мощность вентилей Явн = 4-0,567т/й. Такой же будет типовая мощность в схеме рис. 130, а, поскольку плеч в выпрямителе здесь вдвое меньше, но наибольшее обратное напряжение в 2 раза больше, т. е. Явн = = 2-2-0,51Ут/<<- Следовательно, при равных коэффициентах запаса по напряжению мостовая схема эквивалентна схеме с нулевым выводом по числу полупроводниковых вентилей и к. п. д Однако для выпрямителя по типовой мощности тягового трансформатора преимущество имеет мостовая схема. Поэтому
Рис. 130. Однофазные двухполупериодные диодные схемы выпрямления с нулевым выходом (а) и мостовые (б и в) и кривые uAjat), i^tnt)(e)
Рис. 131. Схемы (а и г) и диаграммы напряжений и токов (б, в, д, е и эк) выпрямителей трехфазного тока
в силовых цепях на современном э. п. с. применяют только однофазные мостовые схемы выпрямления Простые диодные однофазные двухполупериодные мостовые схемы применяют и в цепях вспомогательных машин постоянного тока (на электровозах ЧС4 и др.).
В сложной мостовой схеме выпрямления (рис 130, в) расхождение в токах параллельно соединенных обмоток якорей практически прямо пропорционально скорости электровоза Например, при скорости движения 50 км/ч в зависимости от расхождения магнитных потоков двигателей и диаметров бандажей колесных пар генераторные токи могут оказаться значительными. Подключение двигателей к отдельным группам диодов исключает переход слабо нагруженных двигателей в генераторный режим и увеличение тока сильно нагруженных двигателей при их независимом возбуждении. При индивидуальном присоединении обмоток якорей двигателей МI—МЗ к диодам повышение э д. с слабо нагруженных двигателей может привести только к уменьшению их тока до нуля. Переход этих двигателей в генераторный режим невозможен, потому что диоды исключают возможность прохождения по ним тока, направленного противоположно току двигательного режима.
Выпрямленное напряжение Ud (рис. 130,г), приложенное к нагрузке в течение каждого полупериода, изменяется в соответствии с изменением напряжения вторичной обмотки ит, возрастая от нуля до наибольшего значения и затем вновь уменьшаясь до нуля, т. е пульсирует с двойной частотой питающей сети Если бы двигатель имел чисто активное сопротивление (см. рис. 130, б), ток и в его цепи пульсировал бы подобно выпрямленному напряжению ий Однако двигатель обладает некоторой небольшой индуктивностью, частично сглаживающей пульсации тока. Чтобы уменьшить пульсацию тока, включают последовательно с двигателем сглаживающий реактор СР Напряжение ил уравновешивается э. д с. якорей двигателей ел, которая может также пульсировать, падением напряжения в активном сопротивлении цепи и э д. с самоиндукции е$ = Lddid/dt, вызываемой пульсацией выпрямленного тока, т е
где и ^ — соответственно общее активное сопротивление и общая индуктивность сглаживающих реакторов и тяговых двигателей. Если пренебречь малой величиной гли„ то
Графически э.д с. самоиндукции изображается отрезками ординат областей, заштрихованных на рис 130,г. В интервале от тХ\ до ш(г напряжение иа больше еА, значение еа положительно, выпрямленный ток возрастает. В интервале ои<2 — ии<з, когда меньше ею э.д.с. ея отрицательна, выпрямленный ток уменьшается. В моменты ш{] и ои/з выпрямленный ток имеет наименьшее значение, в моменты wt■2 и оиг4 — наибольшее.
Для исключения пульсаций магнитного потока тяговых двигателей их обмотки возбуждения шунтируют резистором, имеющим сопротивление г (см. рис. 130,6), через который проходит переменная составляющая выпрямленного тока (значение г в 10—15 раз больше активного сопротивления обмотки возбуждения). По условиям коммутации тяговых двигателей относительную пульсацию выпрямленного тока обычно допускают в пределах 40— 50% при токах часового режима и 60—70% при меньших токах.
Трехфазные диодные схемы выпрямления. По этим схемам выполняют преобразователи, применяемые во вспомогательных цепях (в системе регулирования возбуждения преобразователя на электропоездах ЭР22, ЭР22М, в цепях управления электровозов и Др.). В выпрямителе трехфазного тока, выполненного по схеме «звезда с нулевым выводом» (рис. 131,а) диоды 1ЛО/, УЭ2 и УйЗ включены в цепи фаз а, Ь и с, а нагрузка л„ — между точками О и К- Фазы работают поочередно, каждая в течение одной трети периода (рис. 131,6) Ток
проходит через тот диод, анод которого в данный момент имеет наиболее высокий потенциал Кривая выпрямленного напряжения, а следовательно, и выпрямленного тока представляет собой огибающую верхних частей положительных полуволн фазных напряжений и токов (рис 131,в). При этом пульсации выпрямленного напряжения и тока значительно меньше, чем в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления с нулевым выводом. Максимальное значение обратного напряжения, которым в течение 2/3 периода закрыт каждый диод, равняется наибольшему значению линейного напряжения или в /3 раз больше наибольшего фазиого напряжения стах вторичной обмотки трансформатора.
Выпрямитель трехфазного тока, выполненный по мостовой схеме (рис. 131,г), имеет две группы соединений диодов — катодную (диоды КО/, УйЗ, У05) и анодную (диоды У02, Уй4 и У£)б) Нагрузка в виде сопротивления ги включена между общим катодом К и общим анодом А. При этом в каждой фазе а, Ь или с ток в течение 2л/3 проходит в одном направлении, а в течение 2л/3 — в обратном В каждый момент времени проводят ток два диода: один из катодной группы с высшим потенциалом анода и одни из анодной группы с низшим потенциалом катода Например, в момент времени <0 (рис. 131,д) наибольшую положительную э.д.с. вао имеет фаза а, а наибольшую отрицательную э д с. еьо — фаза Ь. Ток проходит от фазы а через диод У01, резистор гн и диод Уй4 к фазе Ь. Через диод Уй4 ток ц (рис. 131,е) протекает до тех пор, пока отрицательный потенциал на его катоде больше, чем на катодах диодов Уй2 и Уйб
С момента Г| отрицательная э.д.с есо становится больше э.д.с. е4о. Поэтому диод УЭ4 закроется и включится в работу диод Уйб; ток будет протекать от фазы а к фазе с С момента г2 положительная э.д.с. еао станет меньше еьа. В результате диод КО/ закроется и вступит в работу диод УйЗ, т е. будет создан путь току от фазы Ь сначала к фазе с, а в момент <з — через диод К02 к фазе а. В момент t^ ток от фазы с протекает сначала через диоды К05, Уй2 и фазу о, затем — через диоды К05, Уй4 и фазу Ь. При этом, как видно из рис. 131,3«, выпрямленное напряжение и ток имеют шесть пульсаций за период Мгновенное значение выпрямленного напряжения между точками К и А равно междуфазной э.д с. работающих фаз: иы = /ЗЕгтСОвв, где угол 0 = ш1 изменяется от — я/6 до + л/3.