Классификация преобразователей.

Роль преобразователей в локомотивном хозяйстве.

§1.1 Понятие о преобразователе.

Преобразователь электрической энергии – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжение, частота, количество фаз либо форма сигнала)

Например, преобразователями являются:

1) Выпрямитель - -преобразует переменное напряжение в постоянное

2) Инвертор – преобразует постоянное напряжение в переменное

Также существует множество других преобразователей (количество фаз, частоты)

§ 1.2 Применение преобразователей на железнодорожном транспорте.

§1.2.1 Применение преобразователей на тяговых подстанциях.

Применение преобразователей для нужд тяги поездов стало необходимым с появлением электротяги (приблизительно 1886г)

Исторически первой появилась система электрической тяги постоянной дороги (участок Балтимор – Огайо, США 1860г)

В России также вначале появилась электротяга на постоянном токе (Баку – Самбунчи, Закавказской железной дороги, 1926г)

На переменном токе электротяга появилась впервые в Италии (трехфазная система электроснабжения с тремя контактными проводами, тяговые двигатели, асинхронные). Электротяга на однофазном переменном токе промышленной частоты появилась в разных странах в начале 20 века.

Вначале для преобразования трехфазного тока в постоянный использовались электромашины – преобразователи, состоящие из асинхронного трехфазного двигателя, на валу которого находится генератор постоянного тока. Подобный преобразователь используется до сих пор на электровозе ВЛ10.На валу двигателя вентилятора охлаждения находится генератор цепей охлаждения.

В России на первых тяговых подстанциях тока (на Закавказье и Урале) ставились подобные мотор – генераторы.

Преобразователи нужны при любой системе электротяги (даже на постоянном токе). Дело в том, что промышленные электростанции вырабатывают трехфазный переменный ток промышленной частоты (потому что трехфазный ток экономически более выгоден). Поэтому на тяговых подстанциях его необходимо преобразовывать в постоянный ток либо в любой другой, который и подается в контактную сеть.

Впоследствии электромашинные преобразователи были заменены статическими преобразователями. Самыми первыми статическими преобразователями были ртутные выпрямители – так называемые игнитроны.

Игнитрон (от лат. ignis – огонь и электрон) – это ионный выпрямительный прибор с управляемым дуговым разрядом. Он применяется в качестве электрического вентиля в силовых преобразовательных устройствах, электроприводах, тяговых подстанциях.

Каждый игнитрон рассчитан на напряжение до 5 кВ и силой тока в сотни Ампер.

Когда на аноде игнитрона «+», а на катоде «−», то возникает мощная электрическая дуга от катода к аноду (катод выполнен в виде жидкой ртути) Для «поджигания» дуги используется специальный поджигающий электрод игнайтер – в нужный момент он приподнимается над ртутью и возникает дуга. Управляя моментом приподнимания игнайтера, можно управлять началом зажигания основной дуги и тем самым регулировать выпрямленное напряжение от нуля до максимального значения. Такие ртутные выпрямителя в металлическом корпусе и с жидкостным охлаждением применялись на тяговых подстанциях и электровозах переменного тока.

Игнитроны нуждаются в принудительном охлаждении, потому что дуга выделяет много тепла.

Ртутные преобразователи были громоздкими и неподъемными и впоследствии были заменены в полупроводниковые преобразователи на силовых диодах и тиристорах.

Последний ртутный выпрямитель в России был снят в 1972г, однако на электровозах они работали еще примерно 10 лет. Сейчас на всех тяговых подстанциях используют полупроводниковые преобразователи.

§1.2.2 Применение преобразователей на ЭПС

Первые электровозы постоянного тока не нуждались в преобразователях (однако преобразователи необходимо было устанавливать на ТП)

В России в 1938г был создан опытный электровоз переменного тока ОР22 (однофазный, ртутный, с нагрузкой на ось 22т)

Через токоприемник на первичную обмотку трансформатора подавалось переменное однофазное напряжение 20кВ, которое понижалось трансформатором и поступало на ртутный выпрямитель в виде металлических игнитронов с водяным охлаждением.

Важной особенностью было плавное регулирование выпрямленного напряжения путем управления моментом зажигания основной дуги игнитрона. Испытания показали, что ОР22 разгонялся быстрее и более плавно, чем существующие электровозы тех лет.

Впервые в отечественном локомотивном строении было применено фазовое регулирование напряжения на двигателе.

Этот принцип регулирования был применен позднее (только лишь в 1979г) на электровозе ВЛ80Р.

На современном ЭПС наибольшее применение нашли тяговые двигатели постоянного тока. На переменном токе на таких электровозах устанавливают выпрямители на силовых диодах.

Диод пропускает ток только в одном направлении: от анода «+» к катоду «−». Если на катоде будет «+», а на аноде «−», то диод закроется и ток не пропустит.

На электровозах ВЛ60, ВЛ80Т, ВЛ80С используют неуправляемые выпрямители на силовых диодах.

На более современных электровозах ВЛ80Ри ВЛ85 используют силовой преобразователь ВИП- 4000. Он позволяет не только выпрямлять переменный ток, но и преобразовывать постоянный в переменный. При этом можно плавно регулировать выпрямленное напряжение – используются зонно – фазовые регулирования напряжения на ТД.

На современном электровозе 2ЭС6 используют преобразователи для питания асинхронных вспомогательных машин и цепей управления электровозом. Этот преобразователь состоит из четырех шкафов и выполнен на IGBT-транзисторах. Он обеспечивает:

1) Питание асинхронных двигателей вспомогательных машин

2) Питание цепей управления напряжением 110В

3) Заряд аккумуляторной батареи

4) Питание цепей кондиционера

5) Питание обмоток возбуждения ТД электровоза

Схема преобразователя предусматривает микропроцессорное управление и диагностирование. На электровозе ЭП – 10 используются трехфазные асинхронные преобразователи, выполненные на ЖТО-тиристорах. На них собрана схема трехфазного автономного инвертора с водяным охлаждением. Имеется температурная стабилизация.

На электровозе ЭП – 20 тоже используются асинхронные ТД, которые запитываются от автономных трехфазных инверторов, выполненных на IGBT – транзисторах.

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимость использования более ранних приборов, например, совместно с полупроводниковыми приборами используют трансформаторы

Как видим преобразователи применяются на всех типах локомотивов (реже на постоянном токе) и на тепловозах.

§1.3 Классификация преобразователей

Согласно этой схемы бывают следующие виды преобразователей:

1) Переменно-постоянного тока.

На входе преобразователя имеется переменный ток с определенным количеством фаз, на выходе преобразователя - постоянный ток. Они бывают управляемые и неуправляемые.

2) Постоянно- переменного тока (инверторы).

Они преобразуют постоянный ток в переменный с заданным количеством фаз.

3)Переменно-переменного тока.

Преобразуют переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты и количество фаз.

Они бывают:

а) Регуляторами напряжения (преобразуют исходное переменное напряжение в регулируемое переменное напряжение той же частоты. ДТ - двунаправленный ток (т.е. переменный); ДТ(Н) – регулируемое напряжение двунаправленного тока.

б) Преобразователи частоты – преобразуют двунаправленный ток одной частоты в двунаправленный ток другой частоты ДТ(Ч) либо количество фаз ДТ(Ф)

в) Компенсаторы реактивной мощности. Они еще называются «регулируемые источники реактивной мощности». Они обеспечивают компенсацию реактивной мощности в системах электроснабжения.

4) Постоянно-постоянного тока.

Они еще называются «регуляторы постоянного тока» либо «электронный трансформатор». Они бывают с промежуточным звеном переменного тока, с промежуточным звеном постоянного тока.

Все эти преобразователи импульсные.

§1.4 Общая схема преобразователя

ТР – трансформатор

ПР – преобразователь

СФ – сглаживающий фильтр

В общем случае преобразователь содержит входной трансформатор ТР (иногда может быть и выходной трансформатор), преобразовательное звено ПР, а также сглаживающий фильтр СФ (могут быть и входные фильтры)

Трансформатор необходим:

1) Для согласования уровня входного напряжения с допустимым уровнем на входе преобразователя (в контактной сети 25 кВ, а на вход преобразователя можно подать не больше 1500 В)

2) Для увеличения количества фаз на вторичной стороне трансформатора (когда двигатели трехфазные, а в контактной сети – однофазные)

3) Для гальванической изоляции входных и выходных цепей преобразователя (это используется в преобразователях DC/DC с промежуточным звеном переменного тока). Это позволяет избежать попадания высокого напряжения на сторону низкого напряжения при аварии.

Преобразователь ПР осуществляет преобразование электрической

энергии с помощью нелинейных элементов, которые могут находиться только в одном из двух состояний включенном (проводящем) и выключенным (запертым). В качестве нелинейных элементов используются полупроводниковые вентили (диоды, тиристоры и транзисторы). В результате потребления энергии преобразователи из питающей сети и передачи ее с выходом преобразователя на потребитель происходят дискретно, что снижает качество преобразуемой электроэнергии (например, нарушается форма напряжения, появляются высокочастотные составляющие в выпрямленном токе, что негативно влияет на потребителя).

Для сглаживания последствий дискретности процесса преобразования энергии, служат сглаживающие фильтры СФ на выходе преобразователя (также могут быть и на входе преобразователя).

Тема № 2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: