1.3. Плавное управление выпрямленным напряжением

с помощью тиристорного выпрямителя

Плавное изменение среднего значения выпрямленного тока при пуске, трогании и при изменении скоростных, тяговых режимов электроподвижного состава можно осуществлять за счет плавного управления средним значением выпрямленного напряжения. Для реализации данного способа управления выпрямительная установка должна быть собрана на управляемых приборах, например, на тиристорах, на тиристорах и на диодах, на транзисторах, а выпрямитель тогда называют управляемым выпрямителем (рис. 1.8).

Рис.1.8. Принципиальная электрическая схема управляемого выпрямителя на тиристорах с активной нагрузкой

Рис. 1.9. Временные диаграммы напряжений, токов в управляемом

выпрямителе на тиристорах

Промежуток времени между моментом подачи положительного потенциала на аноды тиристоров (момент перехода переменного напряжения u через ноль) и моментом подачи импульсов управления i_y на управляющие электроды тиристоров (рис. 1.9) называется углом регулирования α_р.

Импульсно-фазовым способом управления силовыми полупроводниковыми приборами изменяют угол регулирования α_р СПП. До момента подачи импульсов управления на управляющие электроды тиристоры находятся в непроводящем состоянии, несмотря на положительные потенциалы напряжения, которое прикладывается к анодам тиристоров (пунктирная линия на временной диаграмме u_d), поэтому мгновенное значение напряжения на выходе выпрямителя u_d = 0. С момента подачи импульсов управления на управляющие электроды тиристоров они переходят в проводящее состояние, и к нагрузке прикладывается напряжение u_d (сплошная линия на временной диаграмме u_d).

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d (пропорционально заштрихованной площади на временной диаграмме u_d) выразим через амплитудное значение переменного напряжения U_2m во вторичной обмотке трансформатора с учетом изменяющегося α_р:

. (1.11)

Если α_р = π = 180⁰, то U_dо = ,

α_р = 0⁰ , то U_dо = .

Таким образом, с изменением угла регулирования α_р от 180⁰ до 0⁰, то есть с изменением момента подачи управляющих импульсов относительно точки перехода переменным напряжением u через ноль, можно плавно изменять среднее значение выпрямленного напряжения U_dо (пропорциональное заштрихованной площади под сплошной линией u_d временной диаграмме) от нуля до максимальной величины U_do. Из формулы (1.11) следует, что максимальное значение U_do при α_р = 0⁰ зависит от амплитудного U_2m или действующего значения переменного напряжения U₂ на входе выпрямительной установки.

1.4. Электромагнитные процессы при работе выпрямителя

с активно-индуктивной нагрузкой

Питающая сеть и тяговый трансформатор обладают индуктивностью, а нагрузка выпрямителей зачастую имеет активно-индуктивный характер. Например, к выпрямителям могут быть подключены сглаживающие реакторы, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, обмотки электрических машин. В этом случае ток переключается с одного СПП на другой не мгновенно, а за некоторое время, которое в дальнейшем будем называть углом коммутации γ.

Пусть в схеме выпрямителя два плеча выпрямительной установки содержат тиристоры VS1 и VS2, а два других плеча моста содержат диоды VD1 и VD2 (рис. 1.10). Индуктивность на входе выпрямительной установки обозначим через L_T, а индуктивность в цепи выпрямленного тока – через L_d . Для упрощения анализа примем следующие допущения:

1. Выпрямленный ток идеально сглажен, то есть индуктивность L_d=∞.

2. Падение напряжения на активных сопротивлениях обмоток трансформатора равно нулю.

3. Падение напряжения на тиристорах и диодах в проводящем состоянии равно нулю. Их сопротивление в непроводящем состоянии равно бесконечности.

Рис. 1.10. Принципиальная электрическая схема выпрямителя

с активно-индуктивной нагрузкой

В один полупериод переменного напряжения ток нагрузки протекает от вывода вторичной обмотки трансформатора с высоким потенциалом через тиристор VS1, активно-индуктивную нагрузку L_d, R_H, диод VD2 на вывод вторичной обмотки с низким потенциалом. С изменением полярности ЭДС вторичной обмотки е₂ происходит переход диода VD1 в проводящее состояние, а диода VD2 – в непроводящее состояние. С момента снижения ЭДС вторичной обмотки е₂ до нуля диоды VD1 и VD2 оба находятся в проводящем состоянии некоторое время, так как на аноде диода VD1 возникает положительный потенциал, а VD2 продолжает оставаться в проводящем состоянии, так как процесс уменьшения тока во вторичной обмотке трансформатора не может происходить скачкообразно из-за индуктивности L_T трансформатора и питающей сети. ЭДС самоиндукции е_т, возникающая в обмотке w₂, задерживает процесс коммутации (переключения)

Рис. 1.11. Временные диаграммы напряжений, токов в выпрямителе

с активно-индуктивной нагрузкой

тока с одного диода на другой диод на угол γ₂ (рис.1.11). Выводы вторичной обмотки во время γ₂ имеют равные потенциалы из-за проводящего состояния диодов. Во время коммутации диодов выпрямленное напряжение

u_d при принятых допущениях равно нулю. Ток нагрузки i_d протекает под действием ЭДС самоиндукции е_d, возникающей в индуктивности L_d .

После окончания коммутации, когда ЭДС вторичной обмотки е₂ и ЭДС самоиндукции е_т будут равны, диод VD2 переходит в непроводящее состояние.

Коммутация (переключение) тока в тиристорах начинается в момент подачи импульсов управления тиристорами. Подача импульсов управления тиристорами определяется углом регулирования тиристоров α_р, который отсчитывается от начала каждого полупериода (момента перехода переменным напряжением через ноль) до момента поступления импульсов управления тиристорами.

С переходом тиристора VS2 в проводящее состояние тиристор VS1 продолжает находиться в проводящем состоянии, так как из-за индуктивности L_d ток не может измениться скачкообразно, а ЭДС вторичной обмотки е₂ прикладывается к тиристору в обратном направлении. Ток тиристора VS1 постепенно снижается от величины i_vs1 = I_d до нуля, а ток тиристора VS2 постепенно увеличивается от нуля до i_vs2 = I_d .

Процесс переключения тока с одного тиристора на другой продолжается в течение угла коммутации тиристоров γ₁ . Во время коммутации тиристоров выпрямленное напряжение u_d остается равным нулю, а в момент окончания коммутации тиристоров напряжение u_d скачком изменяется до величины е₂ .

Во второй полупериод переменного напряжения в выпрямителе происходят электромагнитные процессы, аналогичные рассмотренным процессам. В начале полупериода происходит коммутация тока с диода VD1 на диод VD2, а выпрямленное напряжение u_d становится равным нулю в течение угла коммутации диодов γ₂ . После окончания коммутации диодов выпрямленное напряжение u_d скачком увеличивается до величины мгновенного значения е₂.

Через интервал времени α_р начинается коммутация тока с тиристора VS2 на тиристор VS1, и после ее окончания мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d скачком возрастает от нуля до величины мгновенного значения е₂ . Среднее значение выпрямленного напряжения U_d пропорционально площади под сплошной линией мгновенного значения выпрямленного напряжения и зависит от ЭДС вторичной обмотки трансформатора, угла регулирования тиристоров и от углов коммутации диодов, тиристоров. Во время проводящего состояния диодов и тиристоров напряжения на них равны нулю. Обратное напряжение на диодах u_VD возникает в моменты перехода диодов в непроводящее состояние и по величине равно мгновенным значениям ЭДС е₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.11). Прямое и обратное напряжения прикладываются к тиристорам u_VS во время их непроводящего состояния и по величине также равны мгновенным значениям ЭДС е₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.11).

Во время коммутации диодов выводы вторичной обмотки трансформатора имеют равные потенциалы из-за проводящего состояния диодов. По второму закону Кирхгофа u₂ = e_T – e₂ = 0, тогда

- L_{T .} (1.12)

При ωt = 0, мгновенное значение тока во вторичной обмотке трансформатора i₂ = I_d , а при ωt = γ₂ , i₂ = 0.

Решение дифференциального уравнения (1.12) имеет вид

cosγ₂ = 1 - . (1.13)

Индуктивное сопротивление трансформатора и питающей сети X_T=ωL_T можно найти из опыта короткого замыкания трансформатора, который во время коммутации СПП находится в режиме короткого замыкания:

X_T∙ , X_T = , (1.14)

где I_dH – среднее значение номинального выпрямленного тока;

u_к – напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах (указывается на трансформаторе).

Выражение (1.13) с учетом (1.14) принимает вид

cosγ₂ = 1 - . (1.15)

Во время коммутации тиристоров, при ωt =α_р , i₂ = 0, а при ωt = α + γ₁,

i₂ = I_d , решение уравнения (1.12) имеет вид

cosα_p – cos(α_p + γ₁) = . (1.16)

Тогда угол коммутации тиристоров γ₁ можно рассчитать по формуле, задаваясь значениями угла регулирования тиристоров α_р,

γ₁ = arc cos (cos α_p - - α_p . (1.17)

Если принять мгновенное значение ЭДС вторичной обмотки равным е₂ = Е_2m·sinωt , то среднее значение выпрямленного напряжения с учетом угла регулирования и угла коммутации тиристоров равно

(1.18)

С учетом выражения (1.16) U_d = f(α_p,γ₁) можно записать в виде

U_d = = . (1.19)

Действующее значение переменного тока во вторичной обмотке трансформатора I₂ можно определить приближенно, приняв его форму прямоугольной, i₂ = I_d , без учета углов коммутации γ₁ и γ₂ :

I₂ = . (1.20)

Действующий ток в первичной обмотке трансформатора можно рассчитать с помощью коэффициента трансформации К_Т трансформатора:

I₁ = I₂/К_Т . (1.21)