Особенности выпрямительной установки тепловоза и ее характеристики

Как было показано выше (см. табл. 3.1) наиболее рациональной схемой выпрямления трехфазного тока является мостовая, обеспечивающая хорошие показатели преобразования переменного напряжения и относительно малую ампли­туду пульсаций U_d. Для еще большего снижения пульсаций напряжения и повышения их частоты (что важно для работы энергетического оборудования) на тепловозах применяют синхронный генератор с двумя статорными обмотками, сдвинутыми друг относительно друга на 30 электрических градусов. Каждая обмотка включена на свой трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 3. 16) /4/. Двухмостовая схема образует двенадцатипульсную систему выпрямления, при которой и ; столь низкие значения пульсаций выпрямленного напряжения u_d обеспечивают хорошую коммутацию на коллекторах тяговых электродвигателей. Мосты соединены между собой параллельно со стороны выпрямленного напряжения; это позволяет получить большой ток тяговых двигателей, а следовательно и тяговый момент на колесе тепловоза. Каждый мост состоит из шести плеч. В плече вентили включены по два после­довательно /2/. На продолжительном режиме работы к.п.д. ВУ может достигать 98%.

Процессы, происходящие в каждом выпрямителе тепловозной ВУ аналогичны рассмотренным в § 3.4 и 3.7.2 (рис. 3.15,б); здесь также можно выделить три характерных режима:

режим I — увеличение тока нагрузки I_d вызывает возрастание угла коммутации в диапазоне (зона I рис. 3.15,б); в катодной и анодной группах постоянно работают по одному вентилю, а на время их коммутации присоединяется дополнительный вентиль из катодной или анодной групп;

режим II— за счет увеличения тока I_d угол коммутации , появляется дополнительный угол регулирования (зона II рис. 3.15,б); постоянно работают три вентиля моста;

режим III — дальнейшее возрастание тока I_d увеличивает угол коммутации в диапазоне , дополнительный угол регулирования (зона III рис. 3.15,б); постоянно работают три вентиля, на интервалах коммутации вентилей в анодной или катодной группах пропускают ток четыре вентиля.

Мгновенное выпрямленное напряжение содержит спектр высших гармонических составляющих, частота и амплитуда которых определяются свойствами этой системы. Пульсации тока в силовой цепи неблаго­приятно сказываются на коммутации тяговых электродвигателей и кпд электропередачи в целом, поэтому целесообразно, насколько это возможно, уменьшать их амплитуду и увеличивать частоту.

Мгновенные значения выпрямленного напряжения равны мгно­венным значениям линейных напряжений тягового генератора, за вычетом падений напряжений на вентилях. Поскольку нагрузка в трехфазных мостовых схемах выпрямления включена на линейное напряжение генератора U_Λ, в соответствии с (3.18) максимальное значение амплитуды выпрямленного напряжения определиться амплитудой линейного напряжения генератора :

,

где - действующие значения фазного напряжения генератора.

Среднее значение выпрям­ленного напряжения с учетом его пульсаций в соответствии с (3.12) составит

К каждому вентилю в непроводящем состоянии приложено амплитудное значение выпрямленного напряжения (обратное напряжение)

.

Внешние характеристики выпрямителя позволяют определить зависимости выпрямленного напряжения и выпрямленного тока при различных режимах работы выпрямителя (рис. 3.17, 3,18).

В частности, по рис. 3.18 можно определить, как меняется результирующий угол коммутации вентилей выпрямителя при возрастании тока нагрузки I_d. А увеличение угла коммутации вентилей неизбежно снижает значение выпрямленного напряжения. Так, например, уже при .

Режимы коммутации вентилей тепловозной ВУ выбираются так, чтобы рабочая часть характеристики системы СГ-ВУ полностью располагалась в зоне I коммутации вентилей выпрямителей (рис. 3.19). В этой зоне располагаются участки ограничения напряжения генератора (линии 1-2) и его мощности (линии 2-3). И только на участках ограничения тока генератора (линии 3-4), т.е. при кратковременных режимах трогания тепловоза, допускается работа системы СГ-ВУ с углами коммутации вентилей . Поэтому можно считать, что внешняя характеристика тепловозной ВУ линейна в рабочем диапазоне характеристики генератора /2/.

Из-за наличия пульсаций выпрямленного напряжения его мгновенное значение кроме постоянной составляющей U_d, содержит высшие гармоники, кратные двенадцати

где Поскольку тепловозная выпрямительная установка содержит два трехфазных мостовых выпрямителя, соединенных параллельно, т.е. представляет собой двенадцатипульсную система выпрямления, из состава выпрямленного напряжения исключаются и гармонические кратные шести.

На режимах, когда индуктивное сопротивление нагрузки X_d → 0, кривая вы­прямленного тока по форме совпадает с кривой напряжения u_d. В этом случае можно считать, что выпрямленный ток

где

, а .

Амплитуда анодного тока вентиля на этом режиме имеет наибольшее значение

Очевидно, что если , выпрямленный ток не содержит высших гармоник, т. е. .

Так как продолжительность прохождения тока через каждый вен­тиль равна 120° эл., постоянная (средняя) составляющая анодного тока .

Особенностью работы шестифазной (двенадцатипульсной) системы ГС - ВУ является то, что выпрямленные значения на­пряжения каждой «звезды» генератора u_d1 и u_d2 сдвинуты относительно друг друга на 30° эл. (рис. 3.20). В результате, в каждый момент времени между выходами мостов будет иметься разность потенциалов, равная . Разность потенциалов создаст уравнительный ток i₀, который будет циркулировать между параллельно включенными мостами, минуя нагрузку. Этот ток не выполняет полезной работы, а только дополнительно нагружает вентили, увеличивая потери в них и нагрев, а также несколько снижает к.п.д. ВУ.