книги / Тяговые подстанции городского электрического транспорта

Р А З Д Е Л П Я Т Ы Й

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

Г л а в а XX

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

§ 89. Краткая история развития преобразователей тока

Область применения постоянного тока с каждым годом расгет. В настоящее время постоянный ток используется для элект­ ролиза алюминия, цинка, меди и магния, для магистрального, пригородного и городского электротранспорта, в мощных элект­ роприводах прокатных станов, в грузоподъемных устройствах, для возбуждения генераторов. Успешно решается такая важная народнохозяйственная задача, как передача на постоянном токе электроэнергии на дальние расстояния.

Первый трамвай в России был пущен в Киеве 2 мая 1892 г. Для питания трамвая в городе были построены специальные трамвайные паровые, а позднее дизельные электростанции с ге­ нераторами постоянного тока 600—700 в. Несмотря на такое громоздкое и дорогостоящее электроснабжение, трамвай был более экономичным и удобным, чем конка или паровые желез­ ные дороги.

Электропитание первого трамвая в Москве осуществлялось от тяговых подстанций, оборудованных вращающимися одно­ якорными преобразователями. Электроэнергия переменного то­ ка напряжением 6 кв, 25 гц для питания преобразовательных подстанций вырабатывалась на специальной электростанции. Для своего времени это был значительный прогресс в области электроснабжения.

Первые ртутные выпрямители, разработанные в США Купе­ ром-Хьюиттом, были со стеклянными корпусами и имели ограни­ ченную мощность. Только после реализации идеи Белла Шеффе­ ра об изготовлении вакуумных корпусов из стали ртутные выпря­ мители начали успешно конкурировать с вращающимися преоб­ разователями. Первые металлические выпрямители в США были построены в 1908 г., а в Европе — в 1910 г.

Первый отечественный ртутный выпрямитель был разработан и построен В. К. Крапивиным на заводе «Электросила» в 1924 г., а в 1927 г. этот завод уже перешел на серийный выпуск металли­ ческих ртутных выпрямителей типа PB. Выпрямители постепен­ но совершенствовались и мощность их возросла к 1941 г. до 7000 а при 600 в -Выпуск отечественных ртутных выпрямителей был обеспечен благодаря работам советских ученых и инженеров В. П. Вологдина и* В. К. Крапивина, Л. М. Клячкина, К. М. Глу­ ха, И. Н. Фалеева и других.

Несмотря на преимущества ртутных выпрямителей перед другими, предшествовавшими им, типами преобразователей, под­ линный прогресс в преобразовательной технике пришел с появ­ лением силовых полупроводниковых вентилей.

Области применения современных полупроводниковых вентилей весьма многогранны. На основе силовых полупроводников могут быть следующие виды преобразователей:

а) выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный (электро­ привод, электрическая дуга, электролиз, металлургия, линии передач посто­ янного тока);

б) инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный (электриче­ ская тяга, линии электропередач постоянного тока);

в) преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты (люминесцентное освещение, питание электроинструментов, электропривод);

г) преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (электрическая дуга);

д) преобразование однофазного переменного тока в многофазный; е) преобразование многофазного переменного тока в однофазный;

ж) наконец, применение полупроводников для создания бесконтактной коммутирующей аппаратуры.

§ 90. Основные сведения о ртутных выпрямителях

Современные ртутные выпрямители выпускаются разнообраз­ ных типов и классифицировать их можно следующим образом:

по конструкции вакуумного корпуса выпрямители могут быть стеклянными, стеклянно-металлическими и металлическими;

по способу получения вакуума выпрямители бывают запаян­ ные (безнасосные) и с насосами (разборные). Охлаждение вы­ прямителей воздушное и водяное;

по способу зажигания главной электрической дуги выпрями­ тели разделяются на имеющие постоянно горящую вспомога­ тельную дугу возбуждения (экситроны) и на те, у которых дуга

зажигается только в начале работы каждого анода (иг­ нитроны) ;

по способу регулирования напряжения выпрямленного тока выпрямители делятся на неуправляемые и с управляющими сетками;

наконец, по конструкции корпуса выпрямители разделяются на многоанодные, в которых все аноды расположены в одном вакуумном корпусе и имеют общий катод, и одноанодные, у ко­ торых каждый анод и катод расположен в своем вакуумном корпусе.

На трамвайно-троллейбусных тяговых подстанциях нашли применение следующие типы ртутных выпрямителей:

1) РМНВ-1000 — многоанодный ртутный выпрямитель метал­ лический, насосный, с водяным охлаждением наЛООО а выпрям­ ленного тока при выпрямленном напряжении 600 в. Выпрями­ тель комплектовался с трансформатором типа ТМРУ-1200 с но­ минальной мощностью 685 ква.

паянный) на выпрямленный ток 500 а. Два таких выпрямителя: обычно комплектуются с одним трансформатором типа РМНВ-1200.

Несмотря на совершенство современных ртутных выпрямите­ лей, все они имеют недостатки: относительно большие потери энергии в электрической дуге, сложное вспомогательное обору­ дование, сложную систему автоматического управления и конт­ роля; заражение атмосферы машинного зала ртутными парами, сложную и дорогую систему водоснабжения.

На смену ртутным выпрямителям появились полупроводни­ ковые кремниевые выпрямители. Первый отечественный полу­ проводниковый кремниевый выпрямитель для тяговой подстан­ ции был разработан и изготовлен кафедрой электрического транспорта МЭИ под руководством проф. Ефремова И. С. и ав­ тора. Этот выпрямитель на ток 1000 а напряжением 600 в-был включен в эксплуатацию в начале 1960 г.

С 1964 г. началось бурное внедрение кремниевых выпрямите­ лей. Современные кремниевые выпрямители для тяговых под­ станций трамвая и троллейбуса выпускаются Запорожским электроаппаратным заводом на 1000, 2000 и 3000 а выпрямлен­ ного тока.

Быстрое внедрение кремниевых выпрямителей можно объяс­ нить следующими их преимуществами перед ртутными:

1) повышение к. п. д. выпрямленного агрегата на 3% за счет меньшего падения напряжения в вентилях;

2)малая мощность вспомогательных аппаратов;

3)простая система управления, контроля и автоматизации;

4)возможность включения на полную номинальную мощ­ ность в любое время независимо от окружающей температуры

ивремени простоя;

5)большая надежность. Выход из строя отдельного кремние­

вого вентиля менее вероятен, чем повреждения ртутного венти­ ля, и в то же время повреждение одного кремниевого вентиля не вызывает необходимость немедленного отключения агрегата;

6)простота обслуживания, осмотра и ремонта. Для осмотра

лремонта кремниевых выпрямителей не требуется специальных помещений и мастерских;

7)большой срок службы. Если ртутные выпрямители типа

РМ-500 имели срок службы 2—3 года, РМНВ-1000 и РМНВ-500Х6— 16 лет, то ожидаемый срок службы кремние­ вых выпрямителей — 25 лет;

8)не требуют водяного охлаждения;

9)имеют малый вес и малые габариты.

§ 91. Типы кремниевых неуправляемых вентилей

Кремниевые выпрямители комплектуются из последователь­ но и параллельно соединенных вентилей. Знание основных тех­ нических характеристик и параметров вентилей позволяет рацио­ нально сконструировать выпрямитель и правильно его эксплуа­ тировать.

Современные полупроводниковые вентили классифицируют: по материалу полупроводников — на германиевые и кремниевые; по вентильным качествам — на неуправляемые (диоды), управ­ ляемые (тиристоры) и симметричные (управляемые в двух на­ правлениях); по типу и виду применяемых охладителей — с воздушным естественным охлаждением, с воздушным принуди­ тельным охлаждением и принудительным водяным охлаждени­ ем; по технологии изготовления — на диффузионные и сплавные; по максимально допустимому обратному току — на обычные, в которых обратный ток не должен превышать нескольких де­ сятков миллиампер, и лавинные, у которых величина обратных токов ограничивается лишь допустимым временем их прохож­ дения.

Конструкция современного кремниевого диода может быть представлена в следующем виде. Основным элементом вентиля является электронно-дырочный переход, образующийся из соединений кремниевых диодов р- и n-типа. Кремниевая полу­ проводниковая пластина с р—/г-переходом очень хрупка и обла­ дает отличным от меди температурным коэффициентом. Вслед­ ствие этого кремниевая пластина припаивается к медным элект­

Основанием вентиля является медный кристаллодержатель 10 с резьбой, позволяющей присоединить к вентилю охладитель. С другой стороны в кристаллодержатель впрессован стальной корпус 6 со стеклянным или керамическим изолятором 2 с внут­ ренней втулкой 4.

токосъема применяют медную шинку, которая крепится между вентилем и радиатором.

Радиаторы, охлаждаются потоком воздуха, прогоняемым вен­

Жидкостные охладители с принудительным потоком жид­ кости состоят из медного корпуса 1 с патрубками 2 (рис. 91-3).

Жидкостные охладители обеспечивают лучший теплоотвод, чем воздушные, но при большом числе вентилей конструкция выпрямителя сильно усложняется вследствие наличия шлангов. При применении в качестве охлаждающей жидкости воды до­

тельной при помощи насоса. В последнем случае общая цирку-

ляционная система нуждается в дополнительном устройстве для: охлаждения нагретого масла.

§ 92. Вольт-амперная характеристика неуправляемых кремниевых вентилей

Определение электрических характеристик полупроводнико­ вых вентилей необходимо для проверки их устойчивости при различных условиях работы.

Существуют прямые вольт-амперные характеристики, отра­ жающие зависимость падения напряжения в вентиле от прямого- (рабочего) тока, и обратные характеристики, которые дают зави­ симость обратного тока в вентиле от приложенного к вентилю напряжения.

В соответствии с методом снятия прямых и обратных вольт* амперных характеристик различают статические характеристики^ снятые на постоянном токе, и полудинамические, снятые на однополупериодном синусоидальном токе для прямых характе­

ристик и однополупериодном обратном напряжении для обрат­ ных характеристик.

Статические характеристики строятся для прямого и обрат­ ного токов (рис. 92-1). Для удобства пользования эти характе­

тем, что отношение прямого и обратного токов в современных

проводимостью, но этот участок мал. На участке Г наступает яв­ ление насыщения, при котором рост обратного тока невелик. Третий участок Д определяет максимальное допустимое обрат­ ное напряжение вентиля (Д — для обычных вентилей, Д\ — для лавинных).

При повышении обратного напряжения за пределами участ­ ка Д обратный ток резко возрастает, и наступает пробой венти­ ля. Напряжение, при котором происходит пробой вентиля, назы­ вается пробивным напряжением.

Пробой вентиля может быть обратимым и необратимым.

В обычных (нелавинных) вентилях обратный ток проходит по сравнительно узкому каналу, поэтому даже при нескольких десятках ма плотность тока достигает значительных величин и происходит прожиг р—n-перехода. Пробой необратимый.

В вентилях с лавинной обратной характеристикой обратный ток проходит по большой площади р—/г-перехода, поэтому есди энергия, теряемая в вентиле, не превосходит определенного зна­ чения, то пробой является обратимым. Следует отметить, что вентили лавинного типа в течение короткого времени могут про­ пускать в обратном направлении токи, превосходящие номиналь­ ные значения'прямых токов.

Зависимость вольт-амперных характеристик вентилей от тем­ пературы приведена на рис. 92-2. Кремний обладает отрицатель­

ъ вентиле действительная вольт-амперная статическая характе­ ристика аппроксимируется двумя прямыми. Первый, участок характеризуется расчетным пороговым напряжением U0 (см. рис. 92-1), а второй (участок Б) —динамическим сопротивлени­ ем вентиля р.

Значения коэффициента схемы могут быть приняты следую­

ных токах составляют около 5% и ими можно пренебречь. Ком­ мутационные потери при нормальной частоте 50 гц еще меньше и их также в расчетах можно не принимать во внимание.

Полудинамические характеристики снимаются на синусои­

статическая характеристика вентиля не линейная, то для обес­ печения синусоидального тока в цепи трансформатора и испы­ туемого вентиля ИВ должно быть включено линейное сопротив­ ление R, величина которого должна превосходить в 5—7 раз суммарное сопротивление вентилей.

Вольтметр V, подключенный к испытываемому вентилю, по­ кажет среднее падение напряжения на вентиле за период при среднем токе вентиля. Таким образом, прямая полудинамическая характеристика представляет зависимость £/„.ср = f ( / B.сР ) при синусоидальном однополупериодном токе. Но обычно опре­

Значение среднего падения напряжения на вентиле при одиополупериодном переменном токе может быть измерено, опреде­ лено графически с использованием прямой статической харак­ теристики (рис. 92-3) или вычислено по формуле. Если действи­ тельную прямую статическую характеристику вентиля заменить кусочно-линейной аппроксимацией, то

нарастания обратного тока определяют точку загиба обратной характеристики и тем самым фиксируют максимальное допусти­ мое обратное напряжение. Эти измерения обычно проводят при

Для обычных вентилей обратное рабочее напряжение прини­ мается равным 0,5 от максимально допустимого, а для лавин­ ных 0,75. По обратному рабочему напряжению вентили подраз­ деляются по классам: класс 1 — 100 в, класс 2 —200 в и т. д.

Поскольку прямые и обратные полудинамические характери­ стики служат для классификации вентилей по группам и по классам, то эти характеристики иногда называют классифика­ ционными.

При включении и отключении вентилей, вследствие переход­ ных процессов в самой структуре р—л-перехода, имеет место коммутационный процесс.

При включении вентиля к нему подается прямое напряже­ ние, возрастающее по кривой и\ (рис. 92-4,а). Но вследствие переходных процессов, происходящих в течение времени t BKJl,