Вентильные преобразователи и схемы их включения

Вентильные преобразователи представляют собой устройства для преобразования электрического тока, напряжения, частоты с помощью электронных или ионных вентилей.

Различают вентильные преобразователи переменного тока в постоянный (выпрямители), постоянного тока в переменный (инверторы), постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. Все эти возможности вентильных установок используют в той или иной степени на электроподвижном составе. Пока на электровозах переменного тока наиболее широко вентили применяют для преобразования переменного тока в постоянный (пульсирующий).

Из вентилей, соединенных в определенной последовательности, собирают выпрямительную установку (выпрямитель). Конструкция выпрямителя зависит от напряжения переменного тока, который нужно преобразовать в постоянный, тока нагрузки и схемы подключения выпрямителя к обмотке трансформатора.

Выпрямители могут быть соединены с обмоткой трансформатора различными способами. Самое простое включение показано на рис. 61.

Рис. 61. Схема однополупериодного выпрямления (а) и кривая выпрямленного напряжения (б)

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной обмотке трансформатора, так же, как и в первичной обмотке, изменяется по синусоиде. Когда э. д. с., а следовательно, и напряжение U, приложенное к выпрямителю, во вторичной обмотке действуют слева направо (на рис. 61, а направление показано сплошной стрелкой), потенциал анода выпрямителя В выше, чем катода, и через двигатель проходит ток. При изменении направления э. д. с. на противоположное выпрямитель не пропускает тока. Таким образом, по цепи нагрузки проходит не постоянный, а пульсирующий ток: он постоянен только по направлению (рис. 61, б). Такую схему выпрямления на электровозе не применяют. Для того чтобы через выпрямитель проходил ток в оба полупериода, применяют схему двухполупериодного выпрямления либо с нулевым выводом вторичной обмотки, либо мостовую.

В схеме с нулевым выводом вторичную обмотку трансформатора делят на две равные части, а выпрямитель и двигатель выключают, как показано на рис. 62, а. Когда э. д. с., а следовательно, и напряжение в первый полупериод направлены слева направо (сплошная стрелка на рис. 62, а), проводит ток (открыт) выпрямитель B2, а выпрямитель В1 заперт: к нему приложено напряжение, действующее в непроводящем направлении. При изменении направления э. д. с. трансформатора на противоположное ток проводит вентиль В1. Таким образом, в течение обоих полупериодов через двигатель проходит ток, изменяющийся от нуля до амплитудного значения и вновь до нуля.

Рис. 62. Схемы двухполупериодного выпрямления (а и б) и кривая выпрямленного напряжения (в)

Недостаток такой схемы выпрямления заключается в том, что в каждый полупериод работает только половина обмотки трансформатора, из-за чего увеличивается расход меди.

Выпрямительная установка, собранная по мостовой схеме, состоит из четырех плеч, образованных вентилями (рис. 62, б). Когда напряжение во вторичной обмотке трансформатора действует слева направо, ток проходит через вентиль В1, нагрузку (двигатель), вентиль В3 и в обмотку трансформатора (сплошные стрелки). В случае противоположного направления напряжения (штриховые стрелки) ток проходит через вентиль В2, нагрузку, вентиль В4 и возвращается в обмотку трансформатора. Следовательно, как и в предыдущей схеме, ток в каждый полупериод проходит через нагрузку (рис. 62, в). В мостовой схеме работает полностью вторичная обмотка, но число вентилей при этом удваивается, зато напряжение, приходящееся на каждый вентиль, уменьшается в 2 раза. Это очень важное преимущество мостовой схемы, поскольку, как уже отмечалось выше, для полупроводниковых вентилей наибольшую опасность представляет обратное напряжение. На электровозах переменного тока применяют кремниевые выпрямители, собранные по мостовой схеме. Каждое плечо моста имеет несколько последовательно включенных вентилей и несколько параллельных ветвей. Так, одна выпрямительная установка электровоза ВЛ80^Т имеет в каждом плече моста (рис. 63) четыре последовательно включенных лавинных вентиля и 12 параллельных ветвей. Следовательно, в одной выпрямительной установке использовано 4 × 4 × 12 = 192 вентиля. Установка рассчитана на номинальный выпрямленный ток 3200 А и номинальное выпрямленное напряжение 1350 В. Она питает два тяговых двигателя. Поэтому на восьмиосных электровозах имеется четыре таких выпрямительных установки, а общее количество вентилей в них равно 768. Коэффициент полезного действия установки 99%. Выпрямительная установка размещена в двух шкафах и работает только с принудительным охлаждением. Каждая выпрямительная установка снабжается довольно сложной защитой.

Рис. 63. Схема плеча выпрямительной установки восьмиосного электровоза