 |
Регулирование выпрямленного напряжения изменением напряжения, подаваемого на вентили выпрямителя (амплитудное
|
|
|
|
или ступенчатое регулирование)
Для регулирования выпрямленного напряжения можно изменять вторичное напряжение трансформатора, к которому подключен выпрямитель, или напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора.
В зависимости от этого различают два способа регулирования напряжения: на вторичной стороне трансформатора (низшего напряжения) и на первичной его стороне (высшего напряжения).
1.1.1. Регулирование напряжения на вторичной стороне трансформатора
Вторичное напряжение трансформатора можно регулировать, изменяя число витков его вторичной обмотки w2. Этот способ широко применяют на всех электровозах и электропоездах переменного тока. Для этой цели вторичную обмотку разбивают на ряд ступеней (секций), число которых (а, соответственно, и выводов от вентильной обмотки) выбирают исходя из допустимого скачка выпрямленного тока при переходе на высшую ступень.
1.1.1.1. Однофазная мостовая схема выпрямления с регулированием
напряжения на вторичной стороне трансформатора
Однофазная мостовая схема выпрямления с регулированием напряжения на вторичной стороне трансформатора приведена на рис. 1.
Вторичную обмотку трансформатора в этой схеме разбивают на три ступени, к выводам которых а, б, в с помощью соответствующих переключателей 1-6 через переходной реактор (LRп) могут присоединяться вентили выпрямителя. Присоединяя вентили к тому или иному выводу трансформатора, можно изменять число включенных во вторичную обмотку витков, то есть напряжение U2, подводимое к вентилям. Следовательно, будет изменяться и выпрямленное напряжение Ud, подаваемое на тяговые машины, подключенные через сглаживающий реактор (LRс) в цепь выпрямленного тока. Регулирование напряжения при этом производится ступенчато.
|
|
|
Рис. 1. Регулирование напряжения на вторичной стороне трансформатора при однофазной мостовой схеме включения вентилей
Подключение вентилей к различным выводам вторичной обмотки трансформатора должно происходить без разрыва тока нагрузки и без короткого замыкания секций обмотки трансформатора.
Если в процессе регулирования при переключении от вывода а к выводу б сначала включить переключатель 1, а затем включить переключатель 3, то в момент перехода произойдет разрыв тока в цепи нагрузки. При работе ЭПС это привело бы к прекращению тяги и резким толчкам поезда.
Если включить переключатель 3 до выключения переключателя 1, то находящаяся между ними секция б обмотки трансформатора будет замкнута накоротко и индуцируемая в ней ЭДС создаст большой ток короткого замыкания Iк. Во избежание этого при переключении ступеней трансформатора используют переходный реактор LRп. Его включают между смежными выводами обмотки, и в процессе регулирования замыкают переключатель 3 до отключения переключателя 1. В момент, когда замкнуты оба переключателя, индуктивное сопротивление реактора ограничивает ток в цепи, расположенной между ними.
Переходный реактор также используется для получения более плавного изменения напряжения на выпрямителе при сравнительно небольшом числе выводов трансформатора. Для этого к каждому выводу отмотки присоединяют по два переключателя. Четные и нечетные переключатели соединяют соответственно с двумя общими шинами, между которыми включают переходный реактор.
Регулирование напряжения в такой схеме осуществляется следующим образом. При замыкании переключателей 1 и 2 к преобразователю подается напряжение Uс c первой секции трансформатора (а), при этом ток нагрузки делится поровну между обеими половинами обмотки реактора. Затем отключают переключатель 1, после чего замыкают переключатель 3, в результате чего реактор подключается к секции б трансформатора. При таком включении реактор выполняет роль автотрансформатора и делит напряжение секции б пополам. Напряжение на преобразователе составит 1,5Uс. Затем отключают переключатель 2 и замыкают переключатель 4, на преобразователь в этом случае подается суммарное напряжение секций а и б, аналогично напряжение преобразователя можно повысить до 2,5Uс и 3Uс.
|
|
|
Такой способ регулирования позволяет получить число ступеней изменения напряжения вдвое большее, чем число выводов трансформатора.
Нормально при работе преобразователя должны быть замкнуты два переключателя, подключающие переходный реактор к одному из выводов трансформатора (1 и 2, 3 и 4 или 5 и 6).
Положения, при которых реактор подключается к двум различным выводам трансформатора, являются промежуточными, и продолжительная работа на них не предусматривается, так как при этом через реактор протекает не только ток нагрузки преобразователя, но и ток, возникающий в результате замыкания соответствующей секции трансформатора. Обычно эти положения на электроподвижном составе используют в качестве пусковых ступеней. Езда в таком режиме допускается не свыше 15 минут. Переходные положения, при которых ток протекает только по одной из половин обмотки реактора, можно использовать кратковременно (около 1 с), так как при этом сильно возрастает индуктивное сопротивление реактора, что приводит к увеличению падения напряжения в нем. В результате на выпрямитель будет подаваться пониженное напряжение.
1.1.1.2. Однофазная нулевая схема выпрямления с регулированием
напряжения на вторичной стороне трансформатора
Однофазная нулевая схема выпрямления с регулированием напряжения на вторичной стороне трансформатора представлена на рис. 2.
На ЭПС переменного тока с преобразователями, включенными по схеме с нулевым выводом, необходимо осуществлять переключение выводов его трансформатора в обеих его фазах.
е преобразователя должны быть змкнуты два переключателя, подключающие переходный ре6актор к одному из выводов трансформ
|
|
|
Рис. 2. Регулирование напряжения на вторичной стороне трансформатора при однофазной нулевой схеме включения вентилей
Увеличение напряжения, подаваемого на вентили выпрямителя, достигается отключением переключателей 1 и 2, 3 и 4 и так далее и замыканием переключателей 5 и 6, 7 и 8 и так далее.
Когда трансформатор имеет достаточно большое число выводов и напряжение Uс, действующее в каждой секции, невелико, допускается некоторое неравенство напряжений в двух фазах вторичной обмотки. При этом становится возможным не производить включение и отключение соответствующих переключателей одновременно в обеих фазах (например, 1 и 3, 2 и 4), а выполнять их последовательно и поочередно, то есть осуществлять несимметричное регулирование напряжения по полупериодам. Это позволяет увеличить примерно в два раза число ступеней регулирования напряжения на потребителе без увеличения числа выводов трансформатора.
При подключении выпрямителя к выводам а1 и а2 среднее значение выпрямленного напряжения будет равно Ud1 (рис. 3, а).
а
б
в
Рис. 3. Кривые изменения напряжения при поочередном подключении
вентилей к различным выводам трансформатора
При подключении выпрямителя к выводам а1 и б2 в каждый полупериод на вентили подается от трансформатора переменное напряжение с различной амплитудой Umax1 и Umax2. Выпрямленное напряжение приобретает форму полусинусоидальных импульсов с различными максимальными значениями, которые чередуются через каждый полупериод, а среднее значение выпрямленного напряжения Ud2 будет больше, чем Ud1.
При подключении преобразователя к выводам б1 и б2 импульсы выпрямленного напряжения снова будут иметь одинаковую амплитуду, большую, чем Umax1 и среднее значение Ud3 будет больше Ud2.
С целью дальнейшего увеличения числа ступеней изменения напряжения на электровозах и электропоездах переменного тока вторичную обмотку трансформатора разделяют на регулируемую и нерегулируемую части. Эти части в процессе регулирования напряжения включают согласованно или встречно, что позволяет дважды использовать одни и те же переключатели для получения различных ступеней. В результате применения переходных реакторов и встречносогласованного включения полуобмоток трансформатора число ступеней регулирования увеличивается в четыре раза относительно числа секций трансформатора.
|
|
|
Несимметричное регулирование напряжения по полупериодам и встречно-согласованное включение двух частей вторичной обмотки трансформатора применяют, в частности, на электровозах ВЛ 60К, ВЛ 80К и ВЛ 80Т.
Рассмотренные способы переключения выпрямителя с одного вывода трансформатора на другой требуют применения довольно громоздкого переходного реактора и переключателей, рассчитанных на замыкание больших токов.
Регулирование можно осуществлять без этих недостатков при использовании схемы так называемого вентильного перехода.
1.1.1.3. Схема вентильного перехода
Схема вентильного перехода приведена на рис. 4.
В этой схеме последовательно с переключателями 1, 2, 3… выводов трансформатора включены вентили VD1, VD2, VD3…, которые при переключении преобразователя с секции а на секцию б вторичной обмотки трансформатора позволяют осуществлять замыкание переключателя 2 до отключения переключателя 1.
Рис. 4. Схема вентильного перехода
При одновременном включении обоих переключателей (1 и 2) секция б замыкается накоротко, но вентили VD1 и VD2 предотвращают возникновение тока короткого замыкания. Переключатель 1 в этом случае отключается без разрыва тока нагрузки, так как электрическая цепь выпрямителя замкнута через переключатель 2. То же происходит при переключении выпрямителя с секции б на секцию в и так далее. Во время обратных переходов, когда сначала замыкается переключатель 1, а затем размыкается переключатель 2, последний разрывает ток, но при более легких условиях, так как дуга горит в нем только в продолжение одного полупериода. Если же контакты переключателя 2 размыкаются в бестоковый полупериод для данного плеча выпрямителя, то дуга вообще не возникает. Это существенно улучшает условия работы переключателей и позволяет выполнить их более простыми и компактными.
В отличие от схемы с переходным реактором схема вентильного перехода не позволяет получить промежуточных ступеней изменения напряжения, так как при регулировании напряжения очередные секции трансформатора вводятся сразу же в цепь потребителя. Необходимое число ступеней достигается другими способами. На электровозах с выпрямителями, включенными по схеме с нулевым выводом это обеспечивается поочередным переключением выводов в различных фазах, а при мостовой схеме – поочередной подачей различного напряжения на вентили, включенные в смежные плечи моста.
|
|
|
На ЭПС переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями в качестве переходных вентилей может быть использована часть вентилей главной выпрямительной установки.
1.1.2. Регулирование напряжения на первичной стороне трансформатора
Напряжение, подаваемое на вентили, можно также регулировать, если изменять каким-либо способом напряжение U1, подводимое к первичной обмотке трансформатора.
Для изменения напряжения U1 можно использовать дополнительный регулировочный автотрансформатор.
Рис. 5. Схема регулирования напряжения на первичной стороне
трансформатора при однофазной мостовой схеме включения вентилей
При напряжении сети 25 кВ ток в первичной обмотке трансформатора электровоза не превосходит 200-300 А, поэтому коммутирующие аппараты могут иметь более простую конструкцию.
Переключая витки автотрансформатора, можно регулировать напряжение на первичной обмотке основного трансформатора. Регулировочный автотрансформатор обычно выполняют в виде дополнительной обмотки на сердечнике основного трансформатора. При поочередном замыкании переключателей 1, 2, 3, 4 возрастает напряжение U1, подаваемое на вентили выпрямителя. Во избежание короткого замыкания секций регулировочного автотрансформатора при одновременном замыкании двух переключателей в схему переключения вводят переходные резисторы (на схеме они не показаны), которые выполняют ту же роль, что и переходные реакторы. В некоторых случаях вместо контактных переключателей используют бесконтактные тиристорные.
Каждый из рассмотренных способов имеет свои преимущества и недостатки:
1) при регулировании на вторичной стороне переключающие аппараты выполняются на большие токи, что усложняет их конструкцию;
2) при регулировании на первичной стороне удается значительно упростить конструкцию переключающих аппаратов, так как токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны их напряжениям (не превышают 200-3001А). Однако масса и габариты трансформатора возрастают, а КПД и коэффициент мощности уменьшаются. Кроме того, переключающая аппаратура выполняется с усиленной изоляцией и с высокой степенью точности, так как несогласованность работы отдельных выключателей на стороне высокого напряжения может привести к тяжелым авариям.
Все рассмотренные способы позволяют осуществить только ступенчатое регулирование выпрямленного напряжения, подаваемого на тяговые машины, что приводит к тому, что при пуске электровоза возникают довольно значительные толчки тягового усилия, которые могут вызвать боксование колесных пар.
|
|
|
