Лекція 3. Некеровані випрямлячі, основні схеми. Найпростіша схема тягового випрямляча з амплітудним регулюванням напруги

Випрямлячі призначені для перетворення змінного струму у постійний. Існують некеровані, побудовані на базі некерованих діодних ключів, та керовані випрямлячі, які відповідно будують на керованих тиристорних та транзисторних ключах. Класифікують їх по кількості тактів (одно- та двотактні), пульсності випрямленої напруги (одно- дво- три- шести- та дванадцятипульсні) та фазності змінної напруги живлення (одно- та трифазні).

На залізницях їх використовують на тягових підстанціях постійного струму, а також в якості тягових при живленні від однофазних контактних мереж змінного струму частотою 50 або 16 2/3 Гц на магістральних електровозах та електропоїздах приміського сполучення, а також у системі електричної передачі змінно-постійного струму на транспортних засобах з первинним тепловим двигуном, наприклад тепловозах. В останньому випадку електрична передача містить синхронний генератор трифазного змінного струму як джерело живлення випрямляча. В обох випадках випрямляч використовується для перетворення змінного струму у постійний і регулювання вихідної напруги, а при живленні від контактної мережі також для можливого повернення енергії до цієї мережі при рекуперативному гальмуванні двигунів. Узагальнена структурна схема тягового випрямляча наведена на рис. 2.1.

Джерело живлення ДЖ, вхідний фільтр Ф_вх та тяговий трансформатор Т утворюють вхідне коло випрямляча. Тяговий трансформатор як елемент тягового випрямляча завжди потрібен при живленні рухомого складу від контактної мережі з високою напругою, наприклад 25 кВ частотою 50 Гц. Він призначений для зниження напруги та гальванічної розв’язки, під якою мається на увазі відсутність електричного контакту між мережею та електрообладнанням рухомого складу, що необхідно за умов роботи електрообладнання та техніки безпеки. Вхідний фільтр Ф_вх (інша назва фільтро-компенсувальний пристрій) поки що в схемах тягових випрямлячів встановлюється не часто, хоча він дозволяє зменшити несинусоїдальність струму в джерелі живлення і компенсувати реактивну потужність, яка споживається комутатором, тобто підвищувати λ. Трансформатор та вхідний фільтр в схемі випрямляча можуть мінятися місцями.

Вихідний фільтр Ф_вих та навантаження Н утворюють вихідне коло випрямляча. Призначення вихідного фільтра – це зменшення пульсації струму у навантаженні. Наприклад, якщо навантаженням є тяговий двигун постійного струму, то пульсації спричиняють іскріння під щітками, а також додатковий нагрів двигуна. Іноді цей фільтр встановлювати не обов’язково, адже його функції може виконувати індуктивність тягового двигуна постійного струму. Якщо навантаженням є тяговий двигун змінного струму, то він приєднується до випрямляча через автономний інвертор, і вихідний фільтр установлюється між випрямлячем та інвертором.

Шість блоків верхнього ряду структурної схеми тягового випрямляча складають його силову схему. До неї інколи не включають джерело живлення та навантаження, вважаючи їх зовнішніми елементами відносно випрямляча. На рис. 2.1 дані позначення електричних величин, які будуть використовуватися у подальшому. Індекси вказують місце в структурній схемі, до якого належить величина. При цьому індексом ,,d” звичайно позначають величини на боці постійного струму комутатора (на його виході).

Випрямлячі належать до класу перетворювачів, ведених мережею. При цьому частоту основної складової (основної гармоніки) вхідних напруг та струмів визначає контактна мережа або інше джерело змінного струму, наприклад, тяговий генератор. У більшості випадків мережа визначає також рід комутації. За рахунок періодичної зміни полярності напруги живлення можлива реалізація в комутаторі природного вимикання його ключів, що, як наслідок, дозволяє використовувати одноопераційні тиристори.

Основний напрямок потоку потужності у випрямлячі йде від джерела живлення до навантаження. Однак можливе його повернення, наприклад, при електричному гальмуванні двигуна як навантаження. Перетворювач при цьому переходить у режим інвертора або, інакше кажучи, веденого інвертора.

Випрямлячі класифікують, насамперед, за частотними властивостями вхідного та вихідного кіл відносно комутатора. Перш за все важливими є властивості цих кіл на високих частотах.

У випрямлячах напруги на високих частотах вхідне коло має малий опір, а вихідне – великий. Коли немає вхідного фільтра, то малий опір вхідного кола забезпечується за рахунок того, що джерело живлення є джерелом напруги з малим внутрішнім опором. Якщо є вхідний фільтр, то він починається з конденсатора, підключеного паралельно входу комутатора, що також забезпечує малий опір на високих частотах. В результаті форма вхідної напруги комутатора майже не залежить від процесів у ньому і у більшості випадків може бути прийнята синусоїдальною. З відрізків цієї синусоїди комутатор шляхом перемикань формує кускову вихідну напругу, яка поряд з корисною постійною складовою має також великий вміст пульсацій. Щоб не пропустити їх до навантаження, вихідний фільтр повинен мати великий опір відносно комутатора, тобто він повинен починатися з послідовного дроселя. В результаті вихідний струм комутатора добре згладжений.

У випрямлячах струму частотні властивості протилежні (дуальні). Вхідне коло має великий опір на високих частотах, тому добре згладженим (майже синусоїдальним) буде вхідний струм. Вихідний струм комутатора формується кусково з відрізків цієї синусоїди і має, поряд з корисною постійною складовою, великий вміст пульсацій. Щоб пропустити їх не через навантаження, а повз нього, вихідний фільтр повинен починатися з великого паралельного конденсатора. В результаті буде добре згладжена вихідна напруга комутатора.

У даний час найбільш поширені випрямлячі напруги. Тому надалі під терміном “випрямляч”, якщо не зроблено застереження, матимемо на увазі випрямляч напруги.

Існують три способи регулювання вихідної напруги у тягових випрямлячах:

1) амплітудне регулювання шляхом перемикання секцій вторинної обмотки тягового трансформатора, що і дозволяє змінювати амплітуду напруги, яка випрямляється;

2) фазове регулювання, при якому відрізки синусоїд вхідної напруги, з яких формується вихідна, мають постійну тривалість, але змінюються за фазою (мають змінні початок та кінець);

3) широтне регулювання, при якому ці відрізки мають змінну тривалість.

Ці три способи можуть також комбінуватися один з одним. У цьому розділі розглядаються схеми випрямлячів, що реалізують перші два способи регулювання та їх комбінацію, а схеми з широтним регулюванням розглядаються в розділі 4.

На ЕРС застосовують схеми з амплітудним регулюванням за допомогою механічних перемикачів секцій вторинної обмотки трансформатора. Такі схеми використовувалися на електровозах змінного струму перших випусків, коли ще були обмежені можливості керованих напівпровідникових приладів.

Схема забезпечує випрямлення та ступеневе регулювання напруги на тяговому двигуні постійного струму. Силова частина найпростішої схеми з амплітудним регулюванням зображена на рис. 2.2, а і містить джерело живлення u₁ змінного струму, тяговий трансформатор Т з первинною обмоткою W і секціонованою вторинною W1–W4 обмоткою, контактори 1–4, діодний мостовий комутатор та навантаження ТД: якір та обмотку збудження двигуна.

На рис. 2.2, в наведені напруга та струм первинної обмотки тягового трансформатора Т. Струм показано за умови, що індуктивності розсіювання між первинною та вторинною обмотками відсутні, а мережа u₁ не має внутрішнього опору. Вплив цих реальних параметрів буде обговорюватися окремо. Слід відзначити, що напрямок струму в обмотках змінюється в точках нулів напруги, коли перемикаються пари діодів. Тому струм не зсунутий відносно напруги і реактивна потужність не споживається. Це головна перевага амплітудного способу регулювання вихідної напруги. Якщо не потрібно змінювати полярність вихідної напруги з метою рекуперативного гальмування, то в комутаторі можуть використовуватися

Основні недоліки:

1) при перемиканні секцій виникає перебій живлення двигуна, оскільки неможливо замкнути одночасно два контактори, бо це призведе до короткого замикання секцій вторинної обмотки. Тому спочатку розмикається той контактор, який був замкнений, а вже потім замикається наступний;

2) число ступенів вихідної напруги дорівнює числу секцій вторинної обмотки трансформатора і не перевищує його.

У зв’язку з переліченими недоліками схема рис. 2.2, а не знайшла застосування на рухомому складі, але принцип її дії лежить в основі практичних схем, які розглядаються далі у цьому розділі.