книги из ГПНТБ / Маринов, И. А. Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта учеб. пособие

Выбор схемы и количества фаз вторичной обмотки трансформа­ тора, питающего вентили, производится с учетом необходимости высокой степени использования обмоток трансформатора в отноше­ нии мощности, отдаваемой ими в цепь выпрямленного тока; допус­ тимого уровня обратного напряжения на вентиле; режима загруз­ ки вентилей; обеспечения минимальной пульсации выпрямленного напряжения и тока, что очень важно для устройств электрической тяги; минимального числа и величины высших гармонических сос­ тавляющих в цепи переменного тока и в цепи выпрямленного тока.

Гармонические составляющие — это синусоидальные токи, име­ ющие частоту, кратную основной частоте сети. В промышленных сетях и энергосистемах 1-я гармоническая — основная — имеет час­ тоту 50 гц, 2-я гармоническая — 100 гц, 3-я гармоническая —

150 гц и т. д.

Вследствие пульсации выпрямленного напряжения оно содер­ жит переменную составляющую, которую можно рассматривать как сумму бесконечного ряда гармонических составляющих. В це­ пи переменного тока гармонические составляющие появляются вследствие нарушения синусоидальности кривой переменного тока из-за пульсации выпрямленного тока.

Гармонические составляющие повышенной частоты создают по­ мехи для линий связи и вызывают опасные напряжения на подвиж­ ном составе.

С точки зрения использования обмоток трансформаторов на­ илучшими являются трехфазные схемы выпрямления.

У шестифазной схемы уровень использования обмоток гораздо ниже вследствие того, что ток протекает по аноду, а следовательно, и по обмотке в течение 1/6 части периода. Поэтому при использова­ нии шестифазной схемы выпрямления стремятся увеличить продол­ жительность протекания анодных токов.

Рассмотрим трехфазную схему выпрямления трехфазного пере­ менного тока с нулевым выводом (рис. 102).

Втечение трети периода напряжение одной фазы по отношению

кнулю и к катодам вентилей выше напряжения других. В это вре­

мя ток проходит главным образом через вентиль, присоединенный

кэтой фазе. Переход тока от одного вентиля к другому происходит

вмомент пересечения положительных полуволн напряжения (точ­ ки k), т. е. в момент, когда напряжение на работающем вентиле снижается, а напряжение на неработающем — возрастает. Таким образом, ток в каждом вентиле и, следовательно, в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает в течение 7з перио­ да. По нагрузке, которая включается между катодом вентилей и нулевым выводом трансформатора, протекает суммарный ток всех трех вентилей.

Среднее значение выпрямленного тока за период представляет собой сумму средних значений токов, протекающих через вентили всех трех фаз (в течение периода)

U = 3 1а.

141

Максимальное значение тока, протекающего через вентиль

Лг макс — 1>211d == 3 ,63/ а -

Среднее значение выпрямленного напряжения

Ud = \,17Е2.

Максимальное значение обратного напряжения

Рис. 102. Вы прямление трехф азного переменного тока по схеме с нулевым вы во­ дом :

а — схема, б — график

Действующий ток вторичной обмотки трансформатора (без уче­ та пульсации)

/2 = А

Уз

Ток первичной обмотки трансформатора (также без учета пуль­ сации)

/i = 113k Id,

где k — коэффициент трансформации.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

Р г = 1,48Лп Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора

P i = 1 ,2 1 Л г.

142

Расчетная мощность трансформатора

1.345Л,.

В трехфазной мостовой схеме (рис. 103) аноды трех вентилей (1—3—5) подключаются непосредственно к выводам фаз вторич­ ной обмотки, а их катоды соединяются вместе и представляют со-бой

Рис. 103. Вы прямление трехф азного переменного тока по мостовой схеме:

а — схема, б — график

положительный полюс выпрямленного тока. Три других вентиля (2—4—6) подключаются своими катодами к выводам фаз вторич­ ной обмотки трансформатора, а их аноды соединяются вместе и представляют собой отрицательный полюс выпрямленного тока.

Вентили 1—3—5 работают так же, как и вентили в схеме с ну­ левым выводом, т. е. каждый из этих вентилей пропускает ток в ту треть периода, когда его анод имеет наиболее высокий потенциал по отношению к катоду.

Аноды другой группы вентилей (2—4—6) имеют все время оди­ наковый потенциал, так как они связаны между собой, и каждый из этих вентилей пропускает ток (в ту треть периода, когда его ка­ тод имеет больший отрицательный потенциал.

При мостовой схеме в каждый данный момент работают два вен­ тиля — один из нечетной группы, другой из четной. Как видно из

143

кривой рис. 103, выпрямленное напряжение имеет шестифазную пульсацию, т. е. меньшую, чем при схеме трехфазного выпрямления с нулевым выводом. При этом амплитудные значения напряжений гармонических составляющих тоже меньше.

Среднее значение выпрямленного напряжения при мостовой схеме: при соединении вторичной обмотки трансформатора в звезду Ud= 2,34 Е2ф, при соединении в треугольник t/d —1,35 Е2п, где Е2ф — фазное напряжение, а Е2л — линейное напряжение вторичной об­ мотки трансформатора. Следовательно, для получения выпрямлен­ ного напряжения такой же величины, как и при схеме с нулевым выводом, требуется более низкое напряжение переменного тока.

Среднее значение тока, протекающего через вентиль

Максимальное значение тока, протекающего через вентиль

Ух макс ==: Id. макс :== 1,045/d = 3,14/а.

Максимальное значение обратного напряжения при мостовой схеме

IIь макс — 1,045170! — У 3 • У 2 Е2.

Действующий ток вторичной обмотки трансформатора (без уче­ та пульсации)

Отношение токов первичной и вторичной обмоток определяется коэффициентом трансформации

кУЗ к

■Расчетная мощность обмоток трансформатора одинакова для обеих обмоток, т. е.

Pi = P2 = 1,045Pd,

следовательно, полная мощность трансформатора будет

Р т = 1,045/Д.

Как видно на рис. 103 и из формул соотношений токов, мощно­ стей и напряжений, трехфазное выпрямление по мостовой схеме имеет следующие преимущества перед схемой с нулевым выводом:

меньшую пульсацию выпрямленного тока (частота первой гар­ монической составляющей при мостовой схеме 300 гц, при схеме с нулевым выводом — 150 гц. Амплитудное значение напряжения со­ ставляющей 150 гц равно 0,25 Ud, а при частоте 300 гц — 0,057 Ud, т. е. в четыре с лишним раза меньше).

144

'Меньшую амплитуду обратного напряжения; меньшую расчетную мощность трансформатора;

более высокий коэффициент использования первичной и вторич­ ной обмоток трансформатора.

Ранее на тяговых преобразовательных подстанциях применя­ лись многоанодные ртутные вентили, с которыми нельзя было при­ менить мостовые схемы. Замена ртутных вентилей на кремниевые производилась без замены трансформаторов. В связи с этим на подстанциях в настоящее время ;в основном сохранилась и продол­ жает применяться шестифазная схема выпрямления с соединением вторичных обмоток трансформатора в две обратные звезды с урав­ нительным реактором.

В схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором» вторичная обмотка трансформатора состоит из шести секций, сое­ диненных в две звезды. На каждом стержне трансформатора рас­ полагаются по две секции вторичной обмотки, принадлежащие раз­ ным звездам (а{— а4, б3 —• б6, сг — с5) .

Напряжения фаз обеих звезд, находящихся на одном стержне, сдвинуты по отношению друг к другу на 180°, т. е. напряжение меж­ ду выводами этих фаз равно двойному фазовому напряжению (рис. 104). Нулевые точки звезд вторичной обмотки соединены меж­ ду собой через однофазную индуктивную катушку — уравнитель­ ный реактор. Средняя точка уравнительного реактора является от­ рицательным полюсом внешней цепи.

При протекании по реактору тока нагрузки в ветвях его возни­ кает напряжение самоиндукции, которое выравнивает в каждый момент времени напряжение двух смежных чередующихся фаз, принадлежащих к разным звездам. Это приводит к параллельной работе этих фаз, т. е. к параллельной работе звезд. Следовательно, ток проводят одновременно два анода, питающиеся от фаз разных звезд.

Для того чтобы реактор давал достаточное напряжение самоин­ дукции для выравнивания напряжения смежных фаз, нужно чтобы ток в ветвях уравнительного реактора, а следовательно, и во внеш­ ней цепи, составлял не менее 1— 1,5% номинального. Этот ток на­ зывается критическим /*ф- При токе нагрузки меньше /<гкр схема работает как схема шестифазной звезды, а ветви реактора пред­ ставляют собой добавочные индуктивные сопротивления, которые увеличивают индуктивное падение напряжения во вторичных об­ мотках.

Напряжение на уравнительном реакторе в каждый момент вре­ мени равно разности потенциалов смежных фаз и имеет тройную частоту. Под действием этого напряжения через уравнительный ре­ актор по цепи, замкнутой одновременно работающими анодами, протекает ток тройной'частоты, который производит намагничива­

145

ние реактора, достаточное для получения необходимой электродви­ жущей силы самоиндукции.

Для работы уравнительного реактора при отсутствии нагрузки во .внешнюю цепь выпрямительного агрегата может быть включено балластное сопротивление, обеспечивающее увеличение тока до Д Кр. Намагничивание уравнительного реактора может быть осуще­ ствлено также с помощью утроителя частоты.

АВ С

Уравнительный реактор переводит выпрямительный агрегат в режим трехфазного выпрямления, хотя вторичная обмотка транформатора шестифазная .Преимущества режима трехфазного вы­ прямления заключаются в том, что смежные чередующиеся фазы, принадлежащие к разным звездам, работают параллельно, т. е. каж­ дая фаза трансформатора и, следовательно, каждый анод работают не Уб, а Уз периода. Это повышает коэффициент использования об­ моток трансформатора: параллельная работа двух анодов уменьша­ ет вдвое анодный ток, что увеличивает нагрузочную способность

146

выпрямителя и уменьшает падение напряжения внутри вентилей, од­ новременное протекание тока по двум -фазам, расположенным на разных стержнях сердечника трансформатора, обеспечивает на каж­ дом стержне компенсацию намагничивающих сил первичной и вто­ ричной обмоток и предотвращает появление потока вынужденного намагничения.

Поток вынужденного намагничения — это некомпенсированный магнитный поток, -который возникает в каждом сердечнике и замы­ кается через воздух. Этот поток вызывает дополнительное насыще­ ние сердечников, что приводит к увеличению пока холостого хода трансформатора. Кроме того, этот поток наводит во вторичных об­ мотках трансформатора э. д. с. самоиндукции, которая увеличивает крутизну внешней характеристики.

Кривая выпрямленного напряжения—-средняя для кривых фа­ зовых напряжений обеих звезд с вершиной в точках пересечения кривых фазных напряжений (см. рис. 104).

Среднее значение выпрямленного напряжения при токе нагруз­ ки меньше /<гкр соответствует режиму шестифазного выпрямления, т. е.

Ud = 1,35Ez.

Когда ток нагрузки становится равным /*ф или превысит его, среднее значение выпрямленного напряжения будет соответство­ вать трехфазному режиму выпрямления, т. е.

Ud = l tl7Ez.

Действующий ток фазы вторичной обмотки трансформатора

_

h — ---- гг •

2 У 3

Среднее значение анодного тока

/- - J L

уе

Максимальное значение анодного тока

Действующее значение тока в фазе первичной обмотки транс­ форматора

Я У б Расчетная мощность первичных обмоток трансформатора

Л = 1,045РЙ.

Расчетная мощность вторичных обмоток трансформатора

Р2 = l,48Pd.

147

Расчетная мощность трансформатора

, _ Р ^ + Рг

l,26Pd.

т2

Расчетное напряжение на уравнительном реакторе при нормаль­ ной частоте составляет 2/з действительного напряжения тройной час­ тоты, т. е.

схеме соединения вторичных обмоток трансформатора в две обратные звезды с уравнительным реактором выше, чем при токе нагрузки, равном или большем Д кр. Внешняя характеристика в точке Д Кр имеет излом (рис. 105). При уменьшении нагрузки от Д кр до холостого хода происходит резкое возрастание напряжения на 15,7% («пик» напряжения).

На рис. 106 дана схема включения уравнительного реактора и утроителя частоты. В этой схеме утроитель частоты состоит из вспомогательного трансформатора ПОМ-3 и трех насыщающихся

148

реакторов УМ-3. Мощность такого утроителя частоты около 1 кет. Применяют также утроитель частоты, представляющий собой трехфазный трансформатор мощностью Ру= 0,1+0,2 Ра, у которого первичные обмотки соединены в звезду, а вторичные обмотки — в разомкнутый треугольник. Первичная обмотка подключается к од­

ной из звезд вторичной об­

вильном включении уравни­ тельный реактор не может выполнять свои функции, поэтому вы­

прямительный агрегат будет работать в шестифазном режиме. Кро­ ме того, при схеме соединения первичной обмотки трансформатора в звезду, в трансформаторе появляется однофазный поток вынуж­ денного намагничивания тройной частоты, который вызывает силь­ ный нагрев трансформатора.

§21. Ф И ЗИ Ч ЕСК И Е О СН О ВЫ

ИПРИНЦИ П РАБОТЫ П О Л У П Р О ВО Д Н И К О ВЫ Х ВЕНТИЛЕЙ

Характерной особенностью полупроводников является уменьше­ ние удельного сопротивления с повышением температуры (таким же свойством обладают изоляторы). У полупроводников электроны более прочно связаны с ядром, чем у металла, а число свободных электронов очень мало. С увеличением температуры увеличивает­ ся количество свободных электронов и, несмотря на наличие хао­ тического движения и столкновения с решеткой кристалла, сопро­ тивление полупроводника снижается и проводимость его увеличи­ вается, так как увеличение количества свободных электронов имеет преобладающее влияние. При достаточно высокой темпера­ туре полупроводник становится проводником.

149

При температуре абсолютного нуля все электроны полупровод­ ника остаются на своих орбитах, так как их энергии недостаточно для отрыва от ядра. В этом случае полупроводник обладает свойст­ вами изолятора. Полупроводники значительно изменяют свое сопро­ тивление при сравнительно небольших изменениях температуры.

Действие света на полупроводник аналогично действию тепла и также вызывает снижение сопротивления и увеличение проводимо­ сти полупроводника. Получение полупроводником дополнительной энергии светового облучения приводит к появлению свободных элек­ тронов.

сталле полупроводника

Полупроводники широко используются для создания приборов, реагирующих на изменение температуры (термисторы, терморезис­ торы) и изменение освещенности (фоторезисторы).

Наиболее часто используемыми полупроводниковыми материа­ лами являются германий, кремний.

Германий и кремний относятся к четвертой группе таблицы Мен­ делеева и имеют на внешней орбите четыре валентных электрона. Для создания устойчивой оболочки атому не хватает еще четырех электронов. Кристаллы этих элементов имеют четырехгранную форму. Атомы в кристалле сближены настолько, что два (Валентных электрона, принадлежащих соседним атомам, образуют общую ор­

При такой ковалентной связи атомы я весь кристалл полупро­ водника электрически нейтрален и полупроводник обладает свой­ ствами диэлектрика.

Однако даже при температуре ниже комнатной, количество теп­ ловой энергии, сообщенной кристаллу, может быть достаточным

150