Преобразование электроэнергии и классификация преобразователей.

Во всех странах мира, в том числе и в России, для выработки и передачи электроэнергии используется преимущественно переменный ток частотой 50 Гц (за исключением США и некоторых других стран, где за основную принята частота 60 Гц).

Это объясняется двумя причинами:

1) источник электроэнергии переменного тока – синхронный генератор прост как по конструкции, так и с точки зрения эксплуатации;

2) электроэнергию переменного тока достаточно просто трансформировать, то есть преобразовывать с одной ступени напряжения на другую.

Электроэнергию переменного тока высокого напряжения возможно экономично передавать на большие расстояния.

Однако ряд приемников электроэнергии требуют постоянного тока. Для одних приемников – это единственно технически приемлемый род тока, для других он обеспечивает ряд важных технико-экономических преимуществ. В настоящее время свыше 40% всей вырабатываемой электроэнергии переменного тока преобразовывается в постоянный ток.

В ряде случаев электроэнергия используется в виде переменного тока повышенной частоты, либо токов специальной формы (например, импульсной и др.).

Разнообразие видов вырабатываемой и потребляемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования.

Основными видами преобразования электроэнергии являются:

1. выпрямление – преобразование переменного тока в постоянный;

2. инвертирование – преобразование постоянного тока в переменный;

3. преобразование частоты – переменный ток одной частоты преобразуется в переменный ток другой частоты, и другие.

Аппараты и устройства, предназначенные для преобразования электроэнергии, называются преобразователями.

Преобразование электроэнергии может происходить разными способами.

традиционным для электротехники является преобразование посредством электромагнитных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом (система Г-Д). недостатки этого способа – наличие подвижных частей, инерционность и т.д.

Поэтому огромное значение уделялось разработке способов статического преобразования электроэнергии.

Основными элементами силовой электроники, ставшими базой для статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы, подразделяемые на управляемые и неуправляемые.

Полупроводниковые преобразователи по сравнению с электромагнитными имеют ряд достоинств:

- малые габариты и масса;

- обеспечение бесконтактной коммутации токов в силовых цепях;

- высокие регулировочные характеристики и энергетические показатели;

-возможность использования в автоматизированных системах;

- бесшумность в работе и так далее.

Благодаря указанным преимуществам статические преобразователи находят все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и на железнодорожном транспорте.В зависимости от режима работы статических полупроводниковых преобразователей, они подразделяются на:

где В – выпрямитель;

И – инвертор;

ПЧ – преобразователь частоты;

Р1 – регулятор постоянного напряжения;

Р2 – регулятор переменного напряжения.

В соответствии со своим назначением и требуемым законом регулирования преобразователь может иметь различные регулировочные характеристики. Под «регулированием» в этом смысле понимается любое изменение электрической мощности, передаваемой из входной (питающей) сети в выходную (приемную) сеть, или любое наперед заданное изменение напряжения U, тока I или частоты f в выходной сети.

Т1 – автотрансформатор, позволяющий плавно изменять напряжение первичной обмотки высоковольтного трансформатора;

PV – вольтметр в первичной цепи повышающего трансформатора;

Т2 – высоковольтный повышающий трансформатор;

R1, R2 – токоограничивающие водяные сопротивления;

ШР– шаровый разрядник.

Классификация простых преобразователей

здесь 1, 3 – выпрямители; 2, 4 – инверторы;

5, 6, 7 – регуляторы постоянного и переменного напряжений.

Выпрямители

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Структурная схема и классификация

Силовая часть в общем случае включает в себя следующие блоки:

1 – преобразовательный трансформатор, служащий для согласования входного и выходного напряжения;

2 – блок полупроводниковых вентилей, осуществляющий функцию выпрямления переменного тока;

3 – выходной или сглаживающий фильтр;

4 – блок нагрузки;

5 – блок управления (регулирования) в случае управляемого выпрямителя;

6 – блок сигнализации и защиты.

Выпрямители классифицируют:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз первичной обмотки трансформатора;

по схеме выпрямления;

по возможности регулирования выходного напряжения.

По мощности выделяют выпрямители:

- маломощные (до 1 кВт);

- средней мощности (до 100 кВт);

- мощные (выше 100 кВт).

По напряжению выделяют выпрямители:

- низкого напряжения (до 250 В);

- среднего напряжения (до 1000 В);

- высокого напряжения (выше 1000 В).По числу фаз первичной обмотки трансформатора выделяют выпрямители:

- однофазные;

- трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

- однофазные – однополупериодный с одним диодом, двухполупериодный нулевой, двухполупериодный мостовой;

- трехфазные – нулевые простые, нулевые сложные, мостовые простые, мостовые сложные.

По возможности регулирования:

- нерегулируемые (неуправляемые);

-регулируемые (управляемые).

Иногда выпрямители классифицируют по числу пульсаций m в кривой выпрямленного напряжения за период питающего напряжения.

Основные параметры выпрямителей. Допущения при анализе и эксплуатационные характеристики

При расчете параметров основных элементов, входящих в выпрямитель и для различных схем с целью выбора оптимальных исходными величинами являются:

I_dном – номинальный выпрямленный ток, соответствующий наибольшему рабочему току;

U_dном – номинальное выпрямленное напряжение при указанном токе I_dном, соответствующее номинальному напряжению приемников;

U₁(U_с) – линейное напряжение питающей сети, подводимое к сетевой (первичной) обмотке трансформатора;

m₁ – число фаз питающей системы;

U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения пои холостом ходе;

m – число пульсаций кривой выпрямленного напряжения за период питающего.

Условия работы вентильных плеч характеризуются следующими параметрами:

I_{v max}, I_{v ср} – максимальный и средний токи вентильного плеча, выраженные через ток нагрузки I_d;

U_{v max}, - максимальное значение обратного напряжения, определяемое через U_d0(U₂).

Эти параметры позволяют выбрать тип вентиля и рассчитать число параллельно и последовательно соединенных вентилей в плече.

Условия работы трансформатора определяются параметрами:

I₂, I₁ – действующее значение токов в вентильной (вторичной) и сетевой обмотках трансформатора, выраженные через I_dном;

U₂, U₁ – действующие значения фазных напряжений на этих обмотках, выраженные в функциях от U_d0;

m₂ – число фаз вентильной обмотки;

S₂, S₁ – мощности соответственно вентильной и сетевой обмоток

S_тип – типовая расчетная мощность трансформатора, по которой характеризуется расход материалов, габариты и вес трансформатора.

k – коэффициент трансформации.

помощью шаровых разрядников и определил коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора. В результате, с помощью экспериментально полученных данных и произведенных расчетов, можно достаточно точно определить коэффициент трансформации, среднее значение которого после пяти экспериментов получилось равным 349,442трансформатора не учитывается; питающее напряжение синусоидально, нагрузка на выпрямитель имеет бесконечно большое индуктивное сопротивление, что обусловливает абсолютное сглаживание выпрямленного тока, этот режим обусловлен индуктивным сопротивлением тяговых двигателей, контактной сети и сглаживающего реактора, у которых активное сопротивление несоизмеримо меньше индуктивного.

Основными эксплуатационными характеристиками выпрямителя являются: внешняя характеристика (зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки); характеристики КПД и коэффициента мощности; качество сетевого тока; качество выпрямленного напряжения. Сравнение этих характеристик в совокупности с числом вентилей и типовой мощностью трансформатора позволяет определить технико-экономическую эффективность схем выпрямления и выбрать оптимальную из них.

Анализ процессов в простой нулевой трехфазной m-пульсовой схеме выпрямления

В рассматриваемой схеме вентильные обмотки трансформатора могут быть соединены либо по схеме звезды, либо зигзага, но с обязательно доступной нулевой точной О, образующей отрицательный полюс вентильной установки.

Число обмоток может быть кратным числу фаз первичной обмотки

К каждому фазовому выводу подключено вентильное плечо. Точка объединения катодов вентильных плеч К образует положительный полюс системы выпрямленного напряжения. Фазовые напряжения вторичной обмотки образуют симметричную систему векторов с углом между ними δ

ωt₁: если вентиль VD1, подключенный к фазе А, открыт, то потенциал на его катоде

Условием открытия вентиля VD2, подключенного к фазе В, является положительный относительно катода потенциал на аноде, то есть необходимо, чтобы

Учитывая, что катоды вентилей однопотенциальны, условие открытия вентиля VD2 будет иметь вид:

Таким образом, в простой нулевой схеме в каждый момент времени открыт только один вентиль с потенциалом на аноде.

Выпрямленное напряжение U_d всегда равно фазовому – максимальному в данный момент времени напряжению. Кривая U_d огибает вторичные фазные напряжения, число пульсаций ее равно числу фаз вторичной обмотки. Продолжительность пульсации составляет 2π/m.

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя при продолжительности пульсации 2π/m

При х_d=∞ кривые токов вентилей абсолютно сглажены, поэтому условия работы вентилей будут следующими:

Этот ток определяет тип и число параллельно соединенных в плече вентилей.

Определим напряжение на вентиле

U_VDmax определяет класс и число вентилей последовательно соединенных в плече.

В простых нулевых двух- и шестипульсовых схемах U_VDmax:

во всех остальных схемах

Условия работы трансформатора определяются напряжениями и токами обмоток

где b – коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы.

Ток фазы вентильной обмотки равен мо величине и продолжительности току соответственно подключенного вентиля.

Действующее значение – средняя квадратичная величина всех мгновенных значений за период

Ток через вентильную обмотку протекает только в одном направлении, а продолжительность работы обмотки определяется числом фаз.

Мощность, отдаваемая фазой вторичной обмотки:

в режиме выпрямления

в режиме переменного тока

Коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора зависит от числа фаз и определяется следующим образом:

Для улучшения качества выпрямленного напряжения следует увеличивать число его пульсаций m за период питающего напряжения. В рассматриваемых нулевых схемах этого можно достичь только увеличением числа фаз вторичной обмотки, однако при этом снижается значение коэффициента С₂.

Именно это обстоятельство (плохое использование обмоток трансформатора) исключает применение простых нулевых схем в мощных преобразователях и заставляет переходить к сложным схемам.