Файл: Высшего образования Ростовский государственный университет путей сообщения (фгбоу во ргупс).pdf

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
24
МСС 18.03.10 ПЗ
напряжения, чем на электроподвижном составе постоянного тока.
Если мощность тяговых двигателей не велика, то регулирование напряжения осуществляется на стороне низшего напряжения. В этих схемах предусматривают переход с одной ступени на другую без разрыва силовой цепи или коротким замыканием секций обмотки трансформатора. Переходы сопровождаются мгновенным изменением напряжения, и необходимая плавность пуска достигается выбором достаточно большого числа ступеней регулирования напряжения.
Существуют схемы с активными переходными сопротивлениями, с индуктивными переходными сопротивлениями, и схемы с вентильными переходами.
Недостатки данных схем состоят в том, что в схеме с переходным активным сопротивлением часть энергии превращается в тепло и резистор рассчитан на кратковременную нагрузку.
В схеме с переходным реактором, на основных ступенях регулирования оба конца обмотки реактора присоединяются к одному выводу обмотки трансформатора. В этом случае он работает как делитель тока, распределяя нагрузку между двумя контакторами переключения ступеней. Реактор вызывает потерю выпрямленного напряжения, определяемого половиной активного и индуктивного сопротивлений его полуобмоток.
При включении реактора на смежные выводы вторичной обмотки трансформатора, реактор в этом случае работает как автотрансформатор, делящий напряжение секции пополам, и напряжение на входе выпрямителя возрастает на половину величины напряжения секции обмотки трансформатора.
При одностороннем включении реактора на вывод обмотки трансформатора в его полуобмотке возникает индуктивное падение напряжения, определяемое током нагрузки и индуктивным сопротивлением полуобмотки реактора. Индуктивное падение напряжения в реакторе во время одностороннего включения будет велико и вызовет значительную

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
25
МСС 18.03.10 ПП
потерю напряжения. Не удастся избежать насыщения сердечника при одностороннем включении, поэтому переходной процесс включения на секцию сопровождается импульсом тока, превышающим амплитуду намагничивающего тока реактора. Такая нагрузка контактов контактора, замыкающих цепь, создает опасность их сваривания.
Наиболее перспективным направлением является плавное регулирование выпрямленного напряжения управляемыми вентилями преобразователя.
Фазовое регулирование напряжения осуществляется с помощью задержки отпирания вентилей на угол α. Коммутация тока с фазы на фазу трансформатора не совпадает с началом полупериода, а происходит со сдвигом на угол α. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения при некотором угле регулирования [5]: где
- максимальное напряжение вторичной обмотки трансформатора, В;
- частота питающей сети.
Изменением угла α осуществляется плавное бесступенчатое регулирование напряжения на тяговых двигателях, однако оно вызывает понижение коэффициента мощности электропоезда. Основная гармоника тока отстает на угол α, то есть
, а коэффициент мощности [5]:

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
26
МСС 18.03.10 ПП
Так как
То
Следовательно, коэффициент мощности падает пропорционально выпрямленному напряжению.
Недостатком фазового регулирования напряжения является также повышенная пульсация выпрямленного тока, возникающая в результате того, что кривая выпрямленного напряжения переходит в область отрицательных значений, в которой выпрямленный ток протекает против электродвижущей силы трансформатора.
Чисто фазовое регулирование, несмотря на его простоту, не может найти применения из-за резкого ухудшения коэффициента мощности. Кроме того, при фазовом регулировании, когда коммутация тока происходит вблизи максимума напряжения, в середине полупериода время коммутации соответственно сокращается, а значение возрастает, что вызывает увеличение электродвижущих сил, индуктируемых тяговой сетью в проводах связи, то есть увеличение мешающего влияния. Эти недостатки смягчаются при использовании плавного фазового регулирования выпрямленного напряжения между относительно грубыми ступенями напряжения трансформатора.
Основным преимуществом зонно-фазового регулирования является

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
27
МСС 18.03.10 ПП
непрерывность процесса перехода с зоны на зону, но это достигается применением дополнительных вентилей в преобразователе.
Известно большое число вариантов схем с зонно-фазовым регулированием. Они отличатся числом зон и соотношений напряжений в зонах. Главным отличием является наличие или отсутствие контактных переключений плеч преобразователя. По этому признаку их можно подразделить на схемы с плавным регулированием с вентильным переходом, и схемы с бесконтактным регулированием.
При плавном регулировании с вентильным переходом сохраняется переключение выводов обмоток трансформатора контактами переключателя, а тиристоры служат для плавного регулирования между ступенями и обеспечивают бесстыковую коммутацию.
Наиболее перспективным на данный момент времени является бесконтактное регулирование напряжения с помощью тиристоров.
Достоинством схемы является отсутствие контактов и группового переключателя. Благодаря тиристорному регулированию удастся сократить число ступеней, оказывается возможным упростить конструкцию трансформатора, освобождает от необходимости использования громоздких переходных реакторов. Выбор способа и силовой схемы выпрямительной установки также зависит от технико-эксплуатационных параметров и реализации коэффициента мощности.
В последнее время в нашей стране и за рубежом на электрических железных дорогах однофазно-переменного тока промышленной частоты широкое распространение получил электроподвижной состав, оборудованный выпрямительными установками с тиристорным регулированием. Поэтому особую важность приобретают вопросы наиболее рациональной компоновки выпрямителей с точки зрения выбора числа зон, схемных решений, алгоритма управления.
В сравнении с неуправляемым диодным выпрямителем управляемый тиристорный выпрямитель с фазовым регулированием выходного

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
28
МСС 18.03.10 ПП
напряжения вызывает более сильное искажение формы кривой первичного тока и повышенное содержание в нем высших гармоник. При этом существенно возрастает мешающее влияние на устройства СЦБ и линии связи.
Установлено, что можно снизить амплитудные значения высших гармоник в первичном токе, обусловленные коммутацией в управляемом выпрямителе. Этого можно добиться двумя способами:
•
уменьшением величины изменения коммутируемого тока в зоне фазового регулирования путем выбора как можно более высокого числа зон;
•
увеличением угла покрытия путем введения в контур коммутации дополнительно индуктивности, замедляющей изменение тока.
Иными словами, переход от однозонного регулирования к многозонному фазовому регулированию позволяет уменьшить влияние на линии связи и сблизить характеристики тиристорного электроподвижного состава с зонно-фазовым регулированием с характеристиками диодно- выпрямительного электроподвижного состава со ступенчатым регулированием напряжения.
Многозонный тиристорный преобразователь можно получить двумя способами, различными по компоновке элементов схемы, но одинаковыми с точки зрения воздействия на контактную сеть: последовательное соединение несимметричных полу управляемых мостовых выпрямителей на стороне выпрямленного тока (рис. 2.1) и на стороне переменного тока (рис. 2.2).
Согласно схеме на рис. 2.1 трансформатор имеет несколько изолированных обмоток, питающих соответственно несколько несимметричных мостовых выпрямителей, которые включены последовательно. Начинается оно с постепенного повышения напряжения моста первой зоны, причем ток нагрузки протекает через диодные ветви остальных мостов. После полного открытия моста первой зоны начинается фазовое регулирование моста второй зоны, напряжение которого накладывается на напряжение моста первой зоны и так далее до последней

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
29
МСС 18.03.10 ПП
зоны.
Согласно схеме на рис. 2.2 вторичная обмотка трансформатора промежуточными отпайками разделена на несколько неизолированных секций. Мост каждой зоны образуется диодной и тиристорной ветвями выпрямителя.В последнее время с повышением класса напряжения полупроводниковых приборов, используемых в тяговых преобразователях электроподвижного состава, наметилась тенденция применения по схеме
(рис. 2.2). К тому же в схеме с изолированными мостовыми выпрямителями возникает взаимоиндукция между соответствующими им обмотками

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
30
МСС 18.03.10 ПП
трансформатора. Это ведет к ухудшению энергетических показателей использования.
Большое внимание уделяется проблеме повышения коэффициента мощности. Существует много способов его повышения, которые имеют свои преимущества и недостатки.
При проведении испытаний секции электропоездов серии 420, австрийских электровозов 1044 - 01, с числом зон регулирования 4 и 8 соответственно, было установлено, что повышение числа зон дает незначительный прирост среднеэксплуатационного коэффициента мощности.
Поэтому можно признать мировой тенденцией снижение числа зон регулирования до 2, что в том числе имеет ряд преимуществ:
1)Уменьшение количества выводов тягового трансформатора, а следовательно и его стоимость;
2)Уменьшение количества используемых полупроводниковых приборов;
3)Снижение трудоемкости в обслуживании электрической аппаратуры.
Существует еще несколько способов повышения коэффициента мощности, и для сравнения с зонно-фазовым регулированием мы рассмотрим некоторые из них.
Одним из способов является применение импульсно-фазового регулирования, то есть за период работы выпрямительной установки есть несколько импульсов выходного напряжения, что позволяет приблизить форму тока, потребляемого преобразователем, к синусоиде. Таким образом, достигается улучшение гармонического состава тока и, следовательно, снижение мощности искажения.
Однако, такая система имеет ряд недостатков. Необходимо применять быстродействующие тиристоры с узлами принудительной коммутации, что в значительной степени удорожает конструкцию и ухудшает массогабаритные показатели. К тому же такой способ регулирования более эффективен при

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
31
МСС 18.03.10 ПП
большом периоде питающего напряжения, например, при частоте
Гц и малой мощности питающих подстанций, когда требуется иметь минимальный угол сдвига между напряжением и током.
При малом периоде питающего напряжения возможно появление таких моментов, когда близлежащие к середине импульсы сливаются и появляется необходимость перейти на регулирование с меньшим числом импульсов, что при синусоидальной модуляции приводит к росту более удаленных от середины импульсов и, следовательно, резкому ухудшению коэффициента мощности и гармонического состава потребляемого тока.
Другим способом импульсного регулирования является формирование единичного импульса от максимума кривой приложенного напряжения, что позволяет получить уже на первой зоне регулирования достаточно высокие значения коэффициента мощности.
При этом наилучшие энергетические показатели работы выпрямительной установки получаются на второй зоне регулирования, когда форма потребляемого тока близка к синусоиде.
Поэтому целесообразно, чтобы номинальный режим работы электроподвижного состава приходился бы на вторую зону регулирования.
Из приведенного выше сравнения тяговых статических преобразователей можно отметить преимущества преобразователя с зонно- фазовым регулированием напряжения и числом зон регулирования равным двум. Основные преимущества данного преобразователя заключаются в следующем:
1)Малое количество выводов обмотки трансформаторов;
2)Малое число полупроводниковых элементов;
3)Эксплуатационная надежность и ремонтопригодность;
4)Достаточно высокий коэффициент мощности;
5)Снижение массы преобразователя и его габаритов;
6)Снижение себестоимости установки;

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
32
МСС 18.03.10 ПП
7)Снижение эксплуатационных расходов.