umm_425

СH ≥ СВ , UСН ≥ UC

(5.26)

Если мощности одного резистора или рабочего напряжения одного конденсатора недостаточно, то производится их последовательное, параллельное или последовательно-параллельное включение.

Выравнивание напряжения может быть осуществлено также с помощью лавинных диодов или стабилитронов, включенных параллельно диодам (тиристорам) /1/.

Параметры лавинных диодов и стабилитронов выбираются из следующих условий

U Л ≤URRM ;	PRSM ≥ (3...4) IRRM URRM ;	(5.29)
UCT ≤U RRM ;	ICT MAX ≥ (3...4) IRRM ,	(5.30)

где UЛ, PRSM – напряжение лавинообразования и ударная мощность обратных потерь выравнивающего лавинного диода;

UСТ, IСТ МАХ – напряжение стабилизации и максимальный обратный ток стабилитрона.

В выпрямителях, укомплектованных из лавинных диодов, цепи RВ–СВ для выравнивания напряжения между диодами не требуются.

5.4.2 Выбор устройств выравнивания распределения тока

Несовпадение прямых ветвей вольтамперных характеристик работающих диодов (тиристоров) приводит к неравномерному распределению тока между параллельно включенными приборами (рисунок Г.1, в). Это может привести к перегреву и выходу из строя наиболее нагруженного диода (тиристора).

Одним из наиболее распространенных способов выравнивания тока между параллельно включенными диодами (тиристорами) является применение одновитковых индуктивных делителей тока (ИДТ) (рисунок Г.2, б). Схема вклю-

чения ИДТ зависит от числа параллельно соединенных приборов а. Если а < 6, то целесообразно применять «замкнутую кольцевую схему включения ИДТ»

(рисунок Г.3, а), а при а ≥ 6 – «схему включения с задающим тиристором» (ри-

сунок Г.3, б) /1/.

Если выпрямитель собран из диодов, то ИДТ не применяются. Это объясняется незначительным отклонением суммарных падений напряжений в последовательно работающих диодах.

В КР выбирается схема включения ИДТ тиристорного плеча инвертора.

40

5.5 Выбор типа разработанного выпрямителя (инвертора)

Разработка вентильной части преобразователя завершается определением полного условного обозначения по ГОСТ 26284-84.

Для примера рассмотрим обозначение выпрямителя В-ТПЕД-3,15к-3,3к и инвертора И–ПТП–1,6к–4,0к, применяемых в настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока:

В – наименование (В – выпрямитель; И – инвертор); Т – род тока входной питающей сети (Т – трёхфазный; П – постоянный);

П – род тока на выходе (П – постоянный; Т – трехфазный); Е – способ охлаждения (Е – естественное, П – принудительное воздушное);

Д(–) – вид используемых приборов (Д – диод, нет буквы или Т – тиристор); 3,15к – номинальный выходной (для выпрямителя) или входной (для инверто-

ра) ток, кА; 3,3к – номинальное выходное (для выпрямителя) или входное (для инвертора)

напряжение, кВ.

5.6 Оформление результатов расчета

По результатам расчета необходимо на формате А4 изобразить силовую схему одного диодного (тиристорного) плеча, со всеми устройствами выравнивания напряжения и тока. На этом же листе привести спецификацию на диоды (тиристоры), резисторы и конденсаторы. В спецификации указать тип, основные параметры и число этих элементов в одном плече выпрямителя (инвертора).

41

6 Характеристики и энергетические параметры преобразователей

6.1 Расчет угла коммутации

В процессе работы преобразователя происходит переход тока с одного плеча преобразователя на другое. Этот процесс называется коммутацией тока, а время, в течение которого происходит процесс коммутации, выраженное в уг-

ловых единицах, называется углом коммутации γ.

За счет процесса коммутации изменяются формы кривых тока и напряжений в цепях схемы, среднее значение выпрямленного напряжения, высшие гармоники выпрямленного напряжения и сетевого тока, коэффициенты мощности и полезного действия.

Величина угла коммутации γ зависит от схемы преобразователя, режима его работы и индуктивного сопротивления цепи коммутации /1, 2, 3/. В общем виде формулы для его расчёта имеют вид:

а) для выпрямительного режима

cosα −cos(α +γ) =	2 KCX XV Id ;	(6.1)
откуда	6 U2

	2 K		X		I		−α
γ = arccos cosα −		CX		V		d		;	(6.2)
		6 U2

б) для инверторного режима	2 KCX XV IИ
cos(β −γ) −cos β =					;		(6.3)
откуда				6 U2′
			2	KCX XV′
	β	+			IИ	,	(6.4)
γ'= β −arccos cos				6 U2′

где α, β – соответственно углы регулирования для выпрямительного преобразователя и опережение для инверторного преобразователя, эл.град;

КСХ – коэффициент схемы (таблица 2.1);

ХV – индуктивное сопротивление фазы цепи коммутации, приведенное к напряжению U2Y (U′2Y) вентильной обмотки, Ом.

Угол опережения β можно найти по коэффициенту повышения напряжения при инвертировании КИ (таблица 1.1)

42

cos β =	U2	=	1	.	(6.5)
	U2′
			КИ

Индуктивные сопротивления фазы цепи коммутации соответственно для выпрямительного и инверторного режимов определяются из следующих выражений:

XV =	3 U2Y2			uК			10−3;
	S1H		100
XV′ =	3 (U2′Y )2					uК		10−3	,	(6.6)
	S1H				100

где U2Y (U'2Y) – номинальное действующее значение фазных напряжений вентильных обмоток, соединенных в «звезду», кВ (таблица 4.1);

uК – напряжение К.З цепи коммутации, % (таблица 3.1);

S1Н – номинальная мощность сетевой обмотки, кВА (таблица 4.2).

6.2 Внешние характеристики

6.2.1 Внешняя характеристика выпрямительного преобразователя

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от выпрямленного тока Ud = f(Id) называется внешней характеристикой ВП. Из-за потерь напряжения в индуктивных сопротивлениях сети и трансформатора в период коммутаций, а также потерь в диодах внешняя характеристика выпрямителя является падающей и описывается следующим уравнением

		uК		Id
						− U П ,	(6.7)
Ud =Ud 0 cosα − A	100
				IdH

где А – коэффициент наклона внешней характеристики, зависящий от схемы преобразователя (таблица 2.1).

UП – потеря напряжения в диодах выпрямителя, В.

Потеря напряжения UП зависит от схемы выпрямителя, типа диодов, числа последовательно и параллельно включенных диодов в плече и определяются следующим выражением

43

		Id KCX
	U П = p s U(TO ) +rT			,	(6.8)
		3a

где p – число последовательно работающих плеч ВП.

6.2.2Входная (внешняя) характеристика инверторного преобразователя

Зависимость среднего значения напряжения от инвертируемого тока UИ=f(IИ) называется входной (внешней) характеристикой ИП. Естественная характеристика ИП является возрастающей по тем же причинам, что и характеристика ВП является падающей, и описывается уравнением

		uК		IИ			′
						+		(6.9)
U И =U ИО(β=0) cos β + A	100						U П ,
				IИН

где U′П – потеря напряжения в тиристорах ИП, находят аналогично (6.8) с заменой величин, соответствующих выпрямительному режиму на величины соответствующие инверторному.

В ИП возможно получение искусственной возрастающей, горизонтальной или падающей входной характеристики. Это достигается автоматическим из-

менением угла β в функции тока IИ.

6.2.3Ограничительная характеристика инверторного преобразователя

Для анализа работы ИП и определения предельного тока инвертирования необходимо кроме внешней характеристики знать его ограничительную характеристику, которая является падающей и описывается следующим уравнением

/1, 2, 3/

		uК		IИ			′
						−		(6.10)
UОГ =U ИО(β=0) cosδMIN − A	100						U П ,
				IИН

где δMIN – минимальное значение угла восстановления, при котором обеспечивается нормальная коммутация тока, эл.град.

Значение угла δMIN можно определить по формуле

δMIN = δ0 + τ ,	(6.11)
44

где δ0 – время выключения тиристора в угловых единицах, для современных типов тиристоров составляет 50 ... 200 мкс или 0,9...3,6 эл. град;

τ – угол запаса, принимаемый при f = 50 Гц равным 5…10 эл. град.

Нормальная работа инвертора обеспечивается при условии

β ≥ γMAX + δMIN ,

(6.12)

где γMAX – угол коммутации при максимальном рабочем токе IИ MAX.

Если с увеличением тока IИ, а соответственно и угла коммутации γ, условие (6.12) будет нарушено, то произойдет опрокидывание инвертора, т.е. короткое замыкание системы «электровоз-инвертор».

Величина предельного (максимального) тока инвертора IИ MAX, при котором еще сохраняется его устойчивая работа, графически определяется точкой пересечения внешней и ограничительной характеристик.

Аналитический расчет IИ MAX может быть выполнен по следующим формулам а) при естественной внешней характеристике

	IИ МАХ1 =	50		I	ИН (cosδMIN −cos β);	(6.13)
		uК	A

б) при стабилизированной внешней характеристике

			100					−UCТ − UП′
I		=			I	cosδ			.	(6.14)
	И МАХ 2						MIN
			uК	A		ИН		UИО( β=0 )

где UСТ – напряжение стабилизированной внешней характеристики ВП, равное

Ud0, кВ.

6.3 Энергетические параметры преобразователя

6.3.1 Коэффициент мощности

Коэффициент мощности λ есть отношение активной мощности P1, потребляемой из сети, к полной кажущейся мощности S1.

Для ВП и ИП величину λможно рассчитать по формуле

45

λ =	m1 U1 I1(1) сosϕ1(1)	=	I1(1)	cosϕ	=ν cosϕ	,	(6.15)
	m1 U1 I1		1(1)		1(1)
			I1

где ν– коэффициент искажения (таблица 2.1);

сos ϕ 1(1) – коэффициент сдвига.

Через известные параметры трансформатора и преобразователя с учётом тока ХХ трансформатора этот коэффициент мощности определяется по следующим выражениям:

а) для ВП

γ

cos α +

2

λВ

=ν

2

;

(6.16)

i0

IdН

i0

IdН

γ

sin α +

1+

100

Id

+2

100

Id

2

б) для ИП

γ

β −

cos

2

λИ

=ν

2

.

(6.17)

i0

IИН

i0

I

ИН

γ

1+

+2

sin

β −

100

IИ

100

IИ

2

где i0 – ток ХХ трансформатора в %. В КР принимаем равным 1%.

6.3.2 Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) (η) ВП есть отношение активной мощности Pd, отдаваемой им приемнику постоянного тока, к активной мощности Р1, потребляемой ВП из сети

Pd

1

1

,

ηВ =

P

+

P =

1+

Pd

=

1+

Pd

(6.18)

d

d

P

I

d

U

d

d

где Рd – суммарные потери мощности в выпрямительном режиме, кВт.

В инверторном режиме преобразователь потребляет от генератора со стороны постоянного тока активную мощность РИ и, преобразуя ее в переменный ток I1, отдает в питающую сеть. Поэтому КПД ИП равен

46

η	И	=	PИ − PИ	=1− PИ =1−	PИ	,	(6.19)
			PИ	PИ	IИ UИ

где РИ – суммарные потери мощности в инверторном режиме, кВт.

Суммарные потери мощности в преобразователе можно определить по следующим выражениям:

а) для выпрямительного режима

Pd =	PT +	PП +		PСУ +	POX +		PУ ;		(6.20)
б) для инверторного режима
PИ =	P′T +	P′П +		P′СУ +		P′OX +	P′У ;		(6.21)
Потери мощности в преобразовательном трансформаторе								PT	( P′T)
складываются из потерь в стали (потери ХХ – PXX) и потерь в меди (потери
КЗ – PКЗ) (таблица 4.2)				2
			Id
РТ = РХХ
		+		РКЗ		.			(6.22)
			IdH
Потери мощности в диодах (тиристорах) в ВП (ИП)							PП (	P′П)	зависят

от типа, числа последовательно s и параллельно a включенных диодов (тиристоров) в плече, схемы преобразователя, числа последовательно работающих

плеч ри равны

I

d

p s

K

CX

I

d

Р

= K

U

(TO)

+r

.

(6.23)

3

a

П

СХ

T

При расчете потерь мощности в тиристорах ИП

Р'П в (6.23) необходимо

подставлять ток IИ, число вентилей s′ и a′, а также параметры тиристоров соответствующего ИП.

Потери мощности в сглаживающем устройстве РСУ (Р′СУ) зависят от его

конструкции и определяются по следующим выражениям:
PСУ = rСУ·Id2;	(6.24)

47

P′СУ = (rСУ + rP)·IИ2,

(6.25)

где rСУ – активное сопротивление сглаживающего реактора;

rP – активное сопротивление дополнительного реактора в цепи ИП.

Врасчетах принять:

для преобразователей магистральных железных дорог rСУ = 0,006 Ом

(LP=5 мГн), rP= 0,016 Ом (LP=11 мГн);

для преобразователей метрополитена, промышленного и городского транс-

порта rСУ=0,002 Ом (LP=1,1 мГн) и rP=0,008 Ом (LP=4,5 мГн).

Мощность системы охлаждения РОХ и системы управления преобразователем РУ ориентировочно можно принять:

для преобразователей с естественным охлаждением — РОХ = 0, для преобразователей с принудительным охлаждением — РОХ = 2 кВт;

для преобразователей на диодах — РУ = 0, для преобразователей на тиристорах — РУ = 1,5 кВт.

Расчеты энергетических параметров ВП необходимо выполнить при пяти

значениях Id: 0, 0,05·IdН, 0,15·IdН, 0,25·IdН, 0,5·IdН, 0,75·IdН и IdН. Результаты расчетов следует свести в таблицу 6.1 и 6.2. При этом особое внимание следует

обратить на то, что при расчетах мощности Рd и потерь мощности Рd все величины должны быть выражены в одних и тех же единицах измерения, например, в кВт.

Таблица 6.1 – Расчет энергетических параметров ВП при γ = ___эл. град.

и ХV = _____ Ом

	Параметр				Значение параметра при Id
		0		0,05·IdH	0,15·IdH	0,25·IdH		0,5·IdH	0,75·IdH		IdH
	γВ, эл.°
	UП, В
	Ud, кВ
	λВ, о.е
	РТ, кВт
	РП, кВт
	РСУ, кВт
	РОХ, кВт
	РУ, кВт
	Рd, кВт
	Рd, кВт
	ηВ, о.е

48

Таблица 6.2 – Расчет энергетических параметров ИП при β = _____ эл. град.

и ХV= _____ Ом

Параметр

Значение параметра при IИ

0

0,05·IИH

0,15·IИH

0,25·IИH

0,5·IИH

0,75·IИH

IИH

γИ, эл.°

U'П, В

UИ, кВ

UОГ, кВ

λИ, о.е

Р'Т, кВт

Р'П, кВт

Р'СУ, кВт

Р'ОХ, кВт

РУ, кВт

РИ, кВт

РИ, кВт

ηИ, о.е

IИ MAX 1, А

IИ MAX 2, А

6.4 Оформление результатов расчета

По результатам расчета необходимо на формате А4 построить:

зависимости выпрямленного напряжения Ud, угла коммутации γВ, коэффициента мощности λВ, коэффициента полезного действия ηВ в функции от выпрямленного тока Id для 12-пульсового ВП;

зависимости входного напряжения ИП UИ, угла коммутации γИ, коэффициента мощности λИ, коэффициента полезного действия ηИ в функции от тока

IИ для 12-пульсового ИП.

Построение рекомендуется выполнить для ВП в I-ом, а для ИП в II- ом квадранте осей координат.

49