Принцип действия выпрямителя и основные расчетные соотношения

Число параллельно соединенных  ветвей вентилей в плече моста  определяется из условий обеспечения допустимых среднего и действующего значений тока вентиля. С учетом  формул (16), (17) эти условия имеют вид:

;                                  (20)

                                (21)

 

где I_п - максимально допустимый средний ток вентиля, называемый предельным током;

      I_дm - максимально допустимый действующий ток вентиля;

  k_пер=1,6 - коэффициент, учитывающий возможную перегрузку вентиля

на этапах трогания и  начальной стадии разгона поезда, на которых ток двигателя может превышать номинальный в 1,6 раза;

            k_нер=0.85 - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение

                            тока между параллельными ветвями,  связанное с разбросом вольт-амперной  характеристик вентилей.

  Полученное из условий (20), (21) большее число округляется до ближайшего большего целого.

При нескольких параллельных ветвях в плече моста условие обеспечения допустимой скорости нарастания тока через тиристор приобретает вид

.                                  (22)

После определения n_посл можно уточнить величину выпрямленного напряжения и рассчитать коэффициенты полезного действия выпрямленной установки. Так как ток нагрузки протекает через одно тиристорное и одно диодное плечо моста, фактическое значение напряжения будет меньше рассчитанного по формуле (7) на сумму падений напряжения на этих плечах.

Падение напряжения на вентилях одного плеча моста

DU_пл = n_послDU_в,                          (23)

где DU_в - падение напряжения на открытом вентиле, берется из справочных данных.

Коэффициент полезного  действия выпрямительной установки

,                            (24)

где DU_плд - падение напряжения на диодном плече моста;

       DU_плт - падение напряжения на тиристорном плече моста.

Потери мощности в выпрямительной установке

DР_ву = I_d(DU_плд+DU_плт).                              (25)

У преобразователей ЭПС  эти потери настолько велики, что  для обеспечения допустимой температуры приходится использовать вентили с минимальными значениями DU_в и применять принудительное охлаждение.

Принятое ранее допущение, что выпрямленный ток идеально сглажен, справедливо при индуктивности  цепи нагрузки L_d, стремящейся к бесконечности. При реальных конечных значениях L_d выпрямленный ток пульсирует от значения  I_{d min} до значения I_{d max} с такой же частотой, как и выпрямленное напряжение. Пульсации выпрямленного тока характеризуется коэффициентом пульсаций

,                         (26)

где I_{d m1}- амплитудное значение первой гармонической составляющей выпрямленного тока.

Для обеспечения требуемого значения коэффициента пульсаций (в цепи якоря тягового двигателя максимально допустимое значение k_п составляет    0,25 - 0,3) последовательно с двигателем включается дроссель, который называют сглаживающим реактором. Индуктивность дросселя L_др и индуктивность двигателя L_dв в сумме дают индуктивность цепи нагрузки L_d = L_др + L_дв.

Связь между k_п и L_d устанавливается из эквивалентной схемы цепи нагрузки выпрямителя. Активное сопротивление цепи нагрузки на схеме не показано, так как оно принято нулю. Кроме этого, при расчетах принимается, что показанная ЭДС Е, возникающая в якоре при его вращении, не имеет пульсаций и равна среднему значению выпрямленного напряжения U_d. Допущение это правомерно, так как пульсации тока в обмотке возбуждения ОВ значительно меньше, чем пульсация тока якоря. Для этого обмотка возбуждения зашунтирована резистором R_ш, сопротивление которого значительно меньше полного сопротивления обмотки возбуждения. В результате основная часть переменной составляющей i_d проходит через R_ш, минуя обмотку возбуждения.

Условие U_d =E означает, что переменная составляющая выпрямленного напряжения равна напряжению на индуктивном сопротивлении Х_d. При этом амплитудное значение первой гармонической составляющей тока равно

,                               (27)

где U_dm1 - амплитудное значение первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения.

Разложение u_d в ряд Фурье дает, что первая (низшая) гармоническая составляющая u_d имеет частоту, в два раза превышающую частоту сети f_с. Значение Х_d на этой частоте

Х_d = 4pf_cL_d                              (28)

Из выражений (26) - (28) получаем формулу для расчета индуктивности L_d, обеспечивающей  заданное значение k_п1,

                         (29)

Для расчета U_dm1 определяются коэффициенты ряда Фурье а_n, b_n при         n = 1:

                                (30)

Период Т функции u_d(u) равен p. С учетом того, что в интервале от a + g₁ до pu_d = E_2msinu, получаем:

                              (31), (32)

Наличие индуктивности  цепи нагрузки L_d и индуктивности трансформатора L_а ограничивает диапазон регулирования напряжения на выходе выпрямителя. Ограничение минимального значения выпрямленного напряжения связано с параметрами тиристора, который называется током включения I_L. Если при включении тиристора его анодный ток не достигает I_L, то после окончания управляющего импульса тиристор опять перейдет в закрытое состояние и выпрямитель функционировать не будет.

В момент подачи первого  управляющего импульсного сигнала  на включение тиристора ток нагрузки равен нулю, напряжение на вторичной обмотке трансформатора u₂ = E_2msinа. За время действия управляющего импульса t_и ток возрастает до значения, которое можно определить из уравнения второго закона Кирхгофа для цепи протекания тока:

                                        (33)

где R - сопротивление цепи, складывающееся из сопротивлений трансформатора, дросселя и двигателя;

I = L_a + L_d - индуктивность цепи.

ЭДС якоря в уравнении (33) отсутствует, так как якорь  еще не вращается и Е = 0.

Пренебрегая изменением u ₂ за время которого управляющего импульса, из уравнения (33) можно получить

где - постоянная времени цепи протекания тока.

Отсюда получаем условие  нормального функционирования выпрямителя  при максимальном значении угла управления а_max:

                          (34)

Для плавного трогания поезда напряжение на двигателе должно постепенно увеличиваться, начиная с определенного минимального значения U_{d min}, которое и определяет величину а_max. Принимая в формуле (7)      I_d = 0, получаем

                                (35)

Управляющие импульсы на тиристоры вырабатываются системой управления выпрямителем. Структура одного из возможных вариантов выполнения системы и временные диаграммы, иллюстрирующие ее работу.

Напряжение специальной  низковольтной обмотки трансформатора выпрямляется неуправляемым двухполупериодным выпрямителем ДПВ и используется для управления генератором пилообразного напряжения ГПН. Выходное напряжение ГПН подается на вход компаратора. На второй вход компаратора поступает управляющее напряжение U_упр, косвенно задающее величину угла управления. Подается оно либо непосредственно с контроллера машиниста, либо от системы автоматического управления.

В момент, когда линейно  возрастающее напряжение u_гпп сравнивается с U_упр, компаратор переключается и запускает формирователь Ф. Длительность выходного сигнала формирователя равна длительности импульса управления тиристором. Этот импульс должен проходить в один полупериод на тиристор VS1, в другой - на VS2. Для этого в системе используется два однополупериодных выпрямителя ОВП и логические элементы И. Высокий уровень напряжения на выходе элемента И будет только тогда, когда и на первом, и на втором его входе будет также высокий уровень.

На управляющие электроды  тиристоров импульсы подаются через  выходные усилители ВУ и импульсные трансформаторы ИТ. Эти трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку цепей управления и высоковольтных силовых цепей, а также развязку катодов отдельных тиристоров силовой схемы.

Как следует из рассмотренного, регулирование а и U_d осуществляется путем измерения управляющего напряжения U_упр, причем чем больше U_упр, тем меньше U_d.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

 

1. Расчет исходных данных для проектирования трансформатора

 

1. Угол коммутации диодов при I_d = I_dн.
2. Амплитудное и действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора Е_2m, Е₂ = Е_2m/Ö2.

Величина Е_2m определяется из условия получения заданного номинального выпрямленного напряжения U_dн при номинальном токе I_d = I_dн. В номинальном режиме величина угла управления а_н принимается равной углу коммутации диодов при I_d = I_dн.

3. Коэффициент трансформации трансформатора.

При этом расчете принимается, что ЭДС первичной обмотки  Е₁ равна напряжению питания U₁.

4. Токи первичной и вторичной обмоток трансформатора в номинальном режиме I_1н, I_2н.
5. Типовая мощность трансформатора в номинальном режиме.

 

2. Расчет и построение характеристик выпрямителя

 

1. Внешние характеристики выпрямителя.

Нужно построить две  характеристики: при a = a_р и a = 1,4a_р. Выражение (7) представляет собой уравнение прямой линии, поэтому для построения каждой характеристики достаточно рассчитать две точки: Ud при Id = 0 и U_d при    I_d = I_dн. Для увеличения масштаба графика ось U_d можно начинать не с нуля.

2. Регулировочные характеристики выпрямителя.

Эти характеристики представляют собой зависимость выпрямленного  напряжения от угла управления a при постоянном значении тока нагрузки. Рассчитываются и строятся характеристики при I_d = 0 и I_d = I_dн. Результаты расчета сведите в таблицу, выполненную по форме табл. 2.

Таблица 2

Расчет регулировочных характеристик

a, рад	0,524	1,047	1,57	2,093	2,617
Ud при Id = 0, В Ud при Id = Idн, В

 

3. Зависимость угла коммутации тиристоров g₁ и угла сдвига фаз j от a при I_d = I_dн. Расчеты ведутся для значений a, приведенных в табл. 2. Результаты расчета, которые потребуются на следующем этапе, сведите в таблицу. Из графиков определите величины g₁ и j при угле управления a, равном заданному расчетному значению a_р.
4. Зависимость коэффициента мощности от угла управления при I_d = I_dн.

Расчет и построение производятся для значений a, приведенных в табл. 2. Результаты расчета сведите в таблицу.

 

3. Выбор вентилей выпрямительной установки

 

Тип и количество вентилей в плече моста выбираются из условия  получения минимальной стоимости выпрямительной установки. Сравниваются варианты выполнения моста на тиристорах 8-, 9-, 10-го классов с предельным током 250 А и 320 А и диодах 8-, 9-, 10-го классов с предельным током 200 и 320 А. Параметры вентилей и их стоимость приведены в табл. 3, 4.

Таблица 3

Параметры и  стоимость диодов

Тип	Класс	Стоимость, руб.	Uп, В	Iп, А	Iдm, А	DUвm, В
ДЛ161-120	8 9 10	10,1 10,9 11,7	800 900 1000	200	320	1,45
ДЛ171-320	8 9 10	14,9 16,3 17,7	800 900 1000	320	500	1,45

1. Число последовательно соединенных вентилей в диодном плече моста.
2. Число последовательно соединенных вентилей в тиристорном плече моста.
3. Число параллельных ветвей вентилей в диодном плече моста.
4. Число параллельных ветвей вентилей в тиристорном плече моста:

Таблица 4

Параметры и  стоимость тиристоров

 

Тип	Класс	Стоимость руб.	Uп, В	Iп, А	Iдm, А	(di/dt)кр А/мкс	DUвm, В
ТЛ171-250	8 9 10	20,2 22,1 24	800 900 1000	250	390	100	2,05
ТЛ171-320	8 9 10	23,4 25,7 28	800 900 1000	320	500	100	1,65