12 А, л. Прохорскнй Рис. 220. Тиристор в выпрямительном (п) и инверторном (6) режимах и гра фики (в, г, а), характеризующие инверторный режим

направлена встречно э. д. с. ег и потому называется противо-э. д. с. Согласно второму закону Кирхгофа баланс э. д. с. и напряжений для замкнутого контура будет при er = AUr -(- AUh -f Ем, т. е. э. д. о. ег уравновешивает сумму падений напряжений в тиристоре A(Ут, индуктивности AUL и противо-э. д. й. Е„.

В инверторном режиме (рис. 220, б) двигатель М становится генератором Мт с э. д. с. Е-.,г, а генератор Г должен выполнять роль двигателя Гм с противо-э. д. с. ет. При этом, как у Мг> так и у Гы, не должно изменяться направление тока и вращения по сравнению с предшествующим. Для этого специальными устройствами автоматики производят изменение подключения зажимов генератора /VI,, к двигателю Ги. Однако в этом случае возникает КЗ вследствие нарушении баланса напряжений, записанного для рис. 220, а, так как <?,, 4- Емг » » AUf + AUL (AUT и AUL ничтожно малы по сравнению с Еш). Чтобы этого не произошло (рис. 220, в), положительный отпирающий импульс на управляющий вывод тиристора нужно подавать только тогда, когда на его аноде отрицательная полуволна ег. Это достигается настройкой средств автоматики на соответствующий угол запаздывания (регулирования) а. В этом случае (см. рис. 220, и и а) баланс напряжений принимает следующий вид: Еш = ет А(Ут + AUL. Не-

смотря на наличие на аноде тиристора отрицательного значения ег, через пего в течение времени t0 — tt протекает ток инвертирования /„ (рис. 220, г) под действием положительной разности э. д. с. Еш—ег. Ток /,,, вызванный разностью Еыг — еГ, имеет импульсный характер. Сглаживание тока г,, (рис. 220, д) достигается включением индуктивности L, в которой ог /0 до tl происходит запас электромагнитной энергии, а от А до t2 — отдача этой энергии в таком же количестве приемнику энергии Гм. Запасенная энергия в течение времени ее действия поддерживает протекание тока г'„ в том же направлении.

После проводящего состояния тиристор должен восстановить свое запирающее свойство, чтобы выдержать прямое напряжение, прикладываемое к нему в точке /<. На что требуется соответствующее время, характеризуемое углом восстановления запирающего свойства тиристора 0Т в интервале t3 — /4. Нели за время ta — б. не будет восстановлено запирающее свойство, то он может войти в открытом состоянии в область положительных значений ег, что будет соответствовать аварийному режиму инвертора I ег вместо £мг— е,.), который называется опрокидыванием инвертора. Для обеспечения нормального режима работы инвертора необходимо, чтобы б > 0г, где б — угол, соответствующий интервалу времени /2 — б, от момента прекращения тока в тиристоре до точки К, в которой должно быть восстановлено запирающее свойство тиристора.

Направление мощности Р при выпрямительном и инверторном режимах показано iia рис. 220, а и б.

Трехфазный инвертор. Изложенное выше в отношении обращения режимов работы вращающихся машин, связанных между собой через тиристорное звено, можно распространить и на работу тиристорного преобразователя, связанного с сетью переменного тока через трансформатор. Чтобы выпрямительный агрегат работал в режиме инвертора, необходимо выполнить четыре условия.

Первое условие — изменить полярность преобразователя. Известно, что у источников электрической энергии э. д. с. и ток имеют согласное направление, а у приемников этой энергии они направлены встречно. У преобразовательного агрегата вентильная обмотка трансформатора — источник энергии и поэтому среднее значение э. д. с. Е, (рис 221, а) н ток Id в обмотке имеют согласное направление, в цепи же тягового двигателя М, являющегося приемником, э. д. с. £м и ток ld направлены встречно. При режиме рекуперации (рис. 221, б) £м становится больше £2, а потребляемый ток ld — равным нулю. Так как Емг > £2, то вместо /,, должен появиться ток инвертирования П, того же направления, что и Iл. Чтобы обеспечить прохождение тока /„ (/,,) через тиристор и обмотку трансформатора при инверторном режиме и трансформирование при этом энергии рекуперации в первичную сеть, необходимо положительный полюс генератора Мг соединить с нулевой точкой трансформатора, а отрицательный — с катодом. Но такое переключение приводит к КЗ, что видно из следующих формул: выпрямительный режим

£2 — Еы — ДUx - Д£/Л - A(J„.0 = 0; (186)

инверторный режим

£, + £МР — Л(/т — ЛUu — А(/н-с Ф 0. (187)

В первом случае £м уравновешивает £,, во втором случае они действе ют согласно; A U„ Дб/jr, и А (У „ „— падения напряжения в тиристорах, индуктивности и контактной сети ничтожно малы по сравнению с £„ и £чг и не могут их уравновесить.

Второе, условие — обеспечить запирание управляющими выводами тиристоров з ту часть периода, когда э. д. с. вентильной обмотки 12* 355

трансформатора ег относительно подводимого из контактной сети инвертируемого напряжения U„ является положительной, и отпирание их, когда данная э. д. с. становится отрицательной. При инверторном режиме вентильная обмотка трансформатора должна быть приемником энергии и мгновенная э. д. с. этой обмотки е2 и соответственно средняя э. д. с. С2 должны быть направлены противоположно току создаваемому электровозом, находящимся в режиме рекуперации. Если не обеспечить этого условия, т. с. допустить работу тиристоров, когда э. д. с. Ег положительна и совпадает по направлению с э. д. с. генераторов Еш (т. е. двигателей электровозов, работающих в генераторном режиме), то произойдет КЗ, так как согласно формуле (187) Е2 и Еш в таком случае суммируются и ток ограничивается только малым сопротивлением проводов контактной сети. Э. д. с. ЕЫГ. за вычетом потери напряжения в контактной сети создает на шипах подстанции постоянное почти без пульсации напряжение Uкоторое для удобства рассмотрения этого вопроса показано па диаграмме (рис. 221, в) прямой линией ниже оси абсцисс. Напряжение UH на инверторе должно быть уравновешено средней противо-э. д. с. £2, создаваемой э. д. с. поочередно работающих фаз вентильной обмотки трансформатора, мгновенные значения которых — ег изменяются по время работы тиристоров по нижним полуволнам синусоид. Разность же между U „ и е2, заштрихованная вертикально, воспринимается реактором в цепи инвертора, а заштрихованная горизонтально создается реактором за счет накоа-

дп верторньш режим работыленной энергии в течение периода, когда по абсолютной величине U „ > <?2.

Третье условие — правильно отрегулировать момент подачи положительного импульса напряжения на управляющий вывод для отпирания тиристора при отрицательной э. д. с. на его аноде. Коммутация у инвертора, т. е. отпирание его последующего по очереди тиристора и прекращение работы предыдущего, возможна, как и у выпрямителя, лишь тогда, когда положительная разность потенциалов между анодом и катодом больше у вступающего в работу тиристора, чем у прекращающего работу. По в отличие от выпрямителя у инвертора положительная разность потенциалов между анодом и катодом имеется у всех тиристоров, причем у работающего тиристора она равна падению напряжения в нем, а у остальных она значительно больше Эго наглядно видно на диаграмме напряжений трехфазного инвертора (см. рис. 221, в). Разность потенциалов между анодом и катодом в каждый момент времени

Мя-к = ± е?.,

где Uи — напряжение на тинах подстанции, создаваемое двигателями электровоза, е2 — мгновенная фазная э. д. с вентильной обмотки (« !-» относится к положительной полуволне, «—» — к отрицательной). Поэтому необходимо обеспечить падежное запертое состояние тиристоров не работающих фаз посредством управляющих выводов в период, когда э. д. с. е.> по уровню выше (положительное), чем у работающего тиристора. Работающий тиристор должен питаться от фазы с наибольшим отрицательным напряжением. Достаточно одному из не работающих тиристоров с положительным потенциалом на аноде самопроизвольно отпереться, сразу же нарушается нормальная работа инвертора. В этом случае прекращается работа тиристора фазы с наибольшей отрицательной э. д. с. и начинает работать тиристор с возникшим самопроизвольным открытием, э. д. с. которого не уравновешивает инвертируемого напряжения. Вследствие этого возникает аварийный режим, называемый опрокидыванием инвертора.

Чтобы обеспечить коммутацию, необходимо осуществлять отпирание очередного тиристора в тот момент, когда э. д. с. его фазы менее отрицательна (более положительна), чем у работающего. Поэтому у инвертора применяют опережение отпирания в области отрицательных э. д. с. еа. Работы фазы, имеющей э. д. с. —е2п, должна заканчиваться па угол р ранее, чем э. д. с. —е.1Ь очередной фазы сравняется с —<?2в. Чтобы нагрузка с фазы а при опережении на угол р перешла на тиристор фазы Ь, достаточно подать положительный импульс па его управляющий вывод, гак как потенциал анода тиристора фазы b при этом выше, чем у тиристора фазы а. После отпирания тиристора фазы b происходит коммутация тиристоров фаз а и b в течение времени, соответствующего углу коммутации у (см. рис. 221, «), а затем работает только тиристор фазы Ь, тиристор же фазы а с меньшей в течение времени р — у э. д. с. —ebl прекращает работу до следующего периода. Таким же порядком вступают в работу остальные тиристоры.

Угол опережения Р характеризует время от момента отпирания очередного тиристора до момента равенства э. д. с. двух коммутируемых фаз. Угол опережения Р должен быть достаточным для процесса коммутации, который длится некоторое время, зависящее от величины тока (рис. 221, г), и для процесса восстановления запирающего свойства тиристора, характеризуемого углом б. Если опережение недостаточно и до момента равенства отрицательных э. д. с. коммутируемых фаз коммутация и восстановление запирающего свойства не закопчены, то протекание тока работавшего ранее тиристора не прекратится, в результате чего возникнет КЗ, называемое опрокидыванием инвертора. Таким образом, у инвертора должно соблюдаться условие

Так как угол коммутации и восстановления запирающего свойства тиристора зависит от анодного тока и чем он больше, тем больше времени длятся эти процессы, то необходимо угол опережения выбирать исходя из наибольшего возможного среднего прямого тока или автоматически увеличивать угол р по мере увеличения инвертируемого тока.

Четвертое условие — повысить напряжение вентильной обмотки трансформатора инвертора Uin. На тяговой подстанции, кроме инверторного преобразователя И (рис. 222), установлен выпрямительный преобразователь В. Преобразователь И переходит в инверторный режим при отсутствии потребления тока тяговой нагрузкой, т. е. при холостом ходе. В этом случае напряжение холостого хода выпрямителя U,1о равно напряжению инвертора U„0. Эти напряжения определяются через напряжения вентильных обмоток трансформаторов выпрямителя UiK и инвертора U.iU:

(188)

При холостом ходе инвертора угол Р = 6, а при нагрузке током I, угол р = у + б, что приводит к уменьшению напряжения Uи0 вслед' етвие коммутации. Ud0 становится больше U и0. Это вызывает появле-

Рис. 222. Схема совместной работы выпрямителя н инвертора

Р > У -b S-

ЮкВ

ние уравнительных токов г'ур в цени выпрямитель-инвертор, которые загружают инвертор и создают потери энергии в диодах, тиристорах и активных сопротивлениях контура. Чтобы уменьшить уравнительные токи, устанавливают реакторы Р, которые могут ограничивать только прерывистые значения этих токов, обусловленные разностью мгновенных значений >. д. с. выпрямителя и обмоток трансформатора инвертора. Для снижения уравнительных токов необходимо повысить напряжение вентильной обмотки трансформатора инвертора. Значение наименьшего напряжения вентильной обмотки трансформатора (при наибольшем значении угла Р), при котором не протекают уравнительные токи, обусловленные неравенством напряжений и,,п и U находится из совместного решения выражений (188) при Ud0 = U но;

Uг и — U > J cos р. (189)

Выпрямшпельно - инверторный преобразователь для электрифицированного железнодорожного транспорта ВИПЭ-2 работает по схеме двух встречно-иараллсльпо включенных трехфазных мостов — выпрямительного 5 (рис. 223) и инверторного 2. Три фазы выпрямительного моста собраны из лавинных диодов ВЛ-200 не ниже класса 8 к размещены в одном шкафу, образуя выпрямитель типа ПВЭ-ЗМ (М — мостовая схема выпрямления). Три фазы инверторного моста собраны из тиристоров типа 'ГД-320 с повышенными динамическими параметрами не ниже класса 12 и смонтированы в трех шкафах. Реакторы 8, 9 и 11 предназначены для уменьшения радиопомех, улучшения коммутации, сглаживания напряжения и уменьшения токов КЗ при аварийных режимах. Разрядники Рр1 и Рр2 типа РБК подключены к выводам анод-катод обоих мостов и служат для защиты их от атмосферных и внешних коммутационных перенапряжений; разрядник 7 типа РВБК-3,3 защищает ВИН.-) от перенапряжений со стороны контактной сети. Шкаф RC подключен к вентильным выводам трансформатора и выполняет ту же роль, что и у ранее рассмотренных выпрямительных агрегатов. В выпрямительном режиме замкнуты быстродействующие выключатели 4 и 6 и разомкнуты 1 и 3, в инверторном режиме — наоборот; выключатель 10 замкнут в обоих режимах. Повышение напряжения трансформатора ТДП-12500/10Ж для инверторного ре-

От ЛИ

Рнс. 223. Электрическая схема ВИПЭ-2

жима в соответствии с формулой (189) осуществляется увеличением числа витков вентильной обмотки. Процессы перевода ВИПЭ-2 из выпрямительного в инверторный режим и обратно полностью автоматизированы на полупроводниковых устройствах. ВИПЭ предназначен для работы в закрытых помещениях и снабжен вентиляторами 12 и 13.

На рпс. 223 показаны также блоки автоматического управления ВИПЭ-2: датчик ДН выпрямленного напряжения па шинах 3,3 кВ; датчик переключения режимов ДПР и шкаф управления ШУ. Предположим, что ВИПЭ-2 находится в выпрямительном режиме н наступил инверторный режим. Сигналы соответствующих уровней поступают от ДН на ШУ и от 2ТТ. ТН и ШУ на ДПР. Логические элементы ДПР и ШУ обрабатывают поступившие сигналы и со своих выходных каскадов выдают: ДПР — сигналы на отключение выключателей 4 и 6 выпрямителя 5 и на включение выключателей 1 и 3 инвертора 2; ШУ — отпирающие импульсы с заданным углом опережения р на управляющие выводы тиристоров инвертора 2.

Технические данные ВИГ1Э-2: выпрямительный режим — Pd, пом = — 8250 кВт, Ud ном = 3300 В, /,, 1ЮМ = 2500 А; инверторный режим — Ри — 6000 кВт, Uu = 3200-;-3800 В, /„ = 1600 А.

Поглощающие устройства. Применение в качестве поглощающих устройств сопротивлений, в которых энергия рекуперации бесполезно рассеивается, целесообразно лишь тогда, когда количество энергии рекуперации, поступающее па подстанции, незначительно и эта энергия в основном потребляется электровозами, находящимися в тяговом режиме. Это возможно на многопутных электрифицированных участках с интенсивным движением, на которых почти всегда в зонах питания имеются электровозы, потребляющие энергию. Но в некоторые моменты времени на таких участках возможно кратковременное отсутствие электровозов — потребителей энергии рекуперации. В таких случаях при отсутствии приемников энергии на подстанциях возможны срывы рекуперативного торможения поездов, движущихся с большой скоростью по уклону. Эго недопустимо как с точки зрения безопасности движения поездов, так и вследствие возникновения в таких случаях чрезмерно высокого напряжения, опасного для тяговых машин. Поэтому поглощающие сопротивления на подстанциях служат резервным приемником энергии рекуперации в указанные моменты времени. Их включение должно производиться безынерционно, как только напряжение на шинах подстанции Um превысит напряжение холостого хода выпрямителя Vd0, т. е. при Um > U,,„. Это неравенство характеризует наличие электровозов, работающих в режиме рекуперативного торможения. Установка для поглощения избыточной энергии рекуперации состоит из нескольких сопротивлений, рассчитанных каждое на ток 100 А при напряжении 4 кВ, т. е. на 400 кВт, и включаемых автоматически безынерционно и поочередно в зависимости от величины избыточной мощности. Сопротивления поглощающего устройства отключаются в обратной последовательности.