3. Трёхфазные выпрямительные агрегаты

3.1. Классификация выпрямительных агрегатов

Для преобразования переменного тока в постоянный для питания тяговых двигателей ЭПС постоянного тока применяются силовые трёхфазные выпрямительные агрегаты. Классификация выпрямительных агрегатов показывает особенности их схем и применяемых силовых полупроводниковых приборов. Различают схемы с общим проводом (нулевые, «Две обратные звезды с уравнительным реактором») и мостовые; по количеству пульсов выпрямленного напряжения – трёхпульсовые, шестипульсовые, двенадцатипульсовые и многопульсовые (24-х, 48-ми пульсовые). Выпрямительные агрегаты также бывают неуправляемые (в схеме используются диоды) и управляемые (на тиристорах).

Структурная схема выпрямительного агрегата представлена на рис. 3.1.

Р ис. 3.1. Структурная схема выпрямительного агрегата:

1 – преобразовательный (тяговый) трансформатор; 2 – вентильный комплект;

3 – сглаживающий реактор

Первичная обмотка преобразовательного трансформатора подключается к распределительному устройству 6, 10 или 35 кВ, а к его вторичной обмотке, напряжение на которой зависит от схемы выпрямителя, подключается вентильный комплект. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяется сглаживающий реактор РБФАУ индуктивностью 4,5 мГн.

Работа любой схемы выпрямителя характеризуется следующими электрическими параметрами:

- среднее значение выпрямленного напряжения U_d;

- среднее значение выпрямленного тока I_d;

- мощность выпрямителя P_d=U_dI_d;

- действующее значение тока и напряжения на вторичной обмотке трансформатора I₂, U₂;

- действующее значение тока и напряжения на первичной обмотке трансформатора I₁, U₁;

- расчетная мощность первичной, вторичной обмоток и типовая мощность трансформатора S₁, S₂, S_T;

- средний ток диода (вентильного плеча) I_a;

- максимальное обратное напряжение на закрытом диоде (вентильном плече) U_bmax;

- внешняя характеристика выпрямителя U_d=f(I_d).

3.2. Схема трёхпульсового выпрямителя

Рассмотрим простейшую 3-фазную схему выпрямителя – 3-х пульсовую с общим проводом (рис. 3.2). Преобразовательный трансформатор включён по схеме «звезда-звезда». К каждой фазе вторичной обмотки трансформатора подключено одно вентильное плечо выпрямителя (под условным графическим обозначением одного диода на схеме выпрямителя следует понимать целое вентильное плечо, например, как на рис. 2.8).

В характерных точках схемы действуют напряжения и токи: U₂ – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, I₂ – ток вторичной обмотки трансформатора, I_a – ток вентильного плеча выпрямителя, U_d – выпрямленное напряжение в нагрузке, I_d – ток нагрузки. На закрытое вентильное плечо действует обратное напряжение U_b.max.

Р ис. 3.2. Трёхпульсовая схема выпрямителя с общим проводом

Р ассмотрим временную диаграмму работы 3-х пульсового выпрямителя (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Временная диаграмма работы 3-х пульсового выпрямителя

В рассматриваемой схеме в каждый момент времени ток нагрузки пропускает только один диод, потенциал анода которого максимален относительно нулевой точки вторичных обмоток. Каждый диод в течение одного периода проводит ток одну третью часть – 120⁰ Эл.

Среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное) при токе нагрузки, равном нулю (холостой ход)

, (3.1)

где U_2m, U₂ – соответственно амплитудное и действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Действующее значение однофазного переменного напряжения составляет 0,707 его амплитудного значения, т.е. U₂ = 0,707 U_2m, или . Однако для переменного напряжения различают ещё эффективное и средневыпрямленное значения. Согласно закону Джоуля - Ленца, количество тепла, выделяющегося на нагрузке с активным сопротивлением, пропорционально квадрату протекающего по нагрузке тока. Чтобы измерить эффективное значение напряжения или тока, надо в течение некоторого времени возводить в квадрат его мгновенные значения, усреднить результаты и извлечь из среднего квадратный корень. Поэтому эффективное значение называют также среднеквадратичным. Для измерения такого значения применяют приборы электромагнитной системы, благодаря тому, что тяговое усилие электромагнита пропорционально именно квадрату протекающего в обмотке тока. Средневыпрямленное значение переменного напряжения получается при пропуске тока через схему выпрямления с регистрацией выпрямленного напряжения на активной нагрузке, т.е. это постоянная составляющая несглаженного (пульсирующего) напряжения. Оно равно 2/ от амплитуды или  0,637 U_m, что в 1,11 раз меньше эффективного значения.

При выпрямлении трёхфазного напряжения, когда в нагрузке складывается действие всех трёх синусоид, средневыпрямленное значение оказывается в 1,17 раз больше действующего значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Средний ток диода

. (3.2)

Обратное напряжение на закрытом диоде определяется как мгновенная разность потенциалов анода диода VD1 и катодов диодов VD2 и VD3. Это напряжение состоит из линейных напряжений U_bc и U_ca. Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения:

. (3.3)

Ток в фазе вторичной обмотки

. (3.4)

Обратите внимание, токи в одной ветви I₂ и I_a имеют разную величину. Это не нарушение закона Кирхгофа, это следствие разного характера этих токов и измерения их величины различными приборами (I₂ – это эффективное значение тока вторичной обмотки, а I_a – средневыпрямленное значение тока вентильного плеча). Отношение эффективного значения тока к средневыпрямленному значению есть коэффициент формы тока k_ф, используемый в формуле (1.5).

Ток в фазе первичной обмотки

. (3.5)

Типовая мощность трансформатора

. (3.6)

Токи вторичных обмоток содержат постоянную составляющую, которая создает в каждом из трех стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора. Это может вызвать насыщение магнитопровода, если не увеличить размеры трансформатора (т.е. его типовую мощность S_T).

Из-за наличия индуктивности обмотки трансформатора происходит задержка закрывания диода фазы, выходящей из работы. В течение некоторого времени ток проводят два диода – например, диод фазы b, вступивший в работу, и диод фазы a, заканчивающий работу. Такое явление называется коммутацией вентильных токов. Коммутация приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения U_d:

, (3.7)

где U_d0 – напряжение холостого хода выпрямителя;

U_d - среднее значение коммутационного снижения напряжения.

, (3.8)

где А – коэффициент схемы выпрямителя;

u_к – напряжение короткого замыкания трансформатора;

 коэффициент загрузки выпрямителя.

Уменьшение выходного напряжения выпрямителя из-за коммутации отражает зависимость выходного напряжения от выходного тока U_d=f(I_d). Такая зависимость называется внешней характеристикой выпрямителя. График внешней характеристики представлен на рис. 3.4.

Рис. 3.4. График внешней характеристики выпрямителя