ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Как уже было отмечено, наибольшее применение на электроподвижном составе нашли тяговые двигатели постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, пульсирующий) на электровозах переменного тока устанавливают выпрямители. В выпрямителях используют полупроводниковые приборы. Принцип действия этих приборов основан на их свойстве пропускать ток только в одном направлении.
Для изготовления полупроводниковых вентилей используют германий, кремний, селен и другие материалы. Пластины, изготовленные из этих материалов, после внесения специальных примесей имеют слоистую структуру, в которой чередуются проводимости различных типов — электронная (n) и дырочная (р).
В неуправляемых выпрямителях используют неуправляемые вентили — диоды, которые начинают проводить ток, как только к ним прикладывают напряжение, действующее в проводящем направлении. Диоды имеют двухслойную р-n-p-структуру, для них характерна высокая проводимость в прямом направлении и низкая в обратном.
В преобразователях, предназначенных не только для выпрямления, но и для регулирования выпрямленного напряжения и инвертирования (т. е. преобразования постоянного напряжения в переменное) используют полупроводниковые управляемые вентили — тиристоры.
Полупроводниковые приборы подразделяют на различные типы по исходному материалу, назначению, конструкции, мощности, виду охлаждения, диапазону рабочих частот и т. д. В силовых цепях электроподвижного состава используют мощные (силовые) кремниевые полупроводниковые приборы с принудительным воздушным охлаждением.
Силовые диоды способны выдерживать высокое (до 4000 В) обратное (прикладываемое в непроводящем направлении) напряжение при незначительных токах утечки (до 5 мА).

Рис. 59 Общий вид диода штыревой конструкции (а)
и его вольт-амперная характеристика (б)

У силового диода (рис. 59, а) наружный конец гибкого вывода является одним из электродов вентиля, на него насажен стандартный наконечник для включения прибора в схему. Положительный электрод называется анодом, а отрицательный — катодом.   Направление   тока   в вентиле (от верхнего гибкого вывода к основанию или, наоборот, от основания к выводу) указывают значком на корпусе вентиля. Охладители имеют массивное основание и ребра, увеличивающие поверхность охлаждения.
Основной для полупроводниковых вентилей является вольт-амперная характеристика (ВАХ), показывающая зависимость тока, проходящего через прибор в прямом Iпр и обратном Iобр направлении от соответствующего напряжения (рис. 59, б).
При прохождении прямого тока через вентиль в нем вследствие внутреннего электрического сопротивления происходит падение напряжения (прямое падение напряжения) и возникают потери энергии, которые выделяются в виде тепла. Поэтому ток Iпр, проходящий через диод в прямом (проводящем) направлении, ограничивается допустимой температурой нагрева полупроводниковой структуры и условиями охлаждения. Современные силовые диоды с воздушным охлаждением рассчитаны на предельные прямые токи до 1600 А.
При включении диода в непроводящем направлении ток Iобр с увеличением обратного напряжения Uобр возрастает медленно. Затем при достижении предельного напряжения Umax наступает пробой вентиля, т. е. он теряет свои запирающие свойства. Поэтому напряжение, подводимое к вентилю, должно быть меньше значения Umax, при котором происходит пробой.
Вентили рассчитывают на определенное обратное номинальное напряжение (повторяющееся напряжение), при котором завод-изготовитель гарантирует их длительную работу без пробоя.
В зависимости от номинального напряжения Uном вентили подразделяют на классы. Величина Uном/100 означает класс вентиля. Например, кремниевый вентиль 8-го класса имеет повторяющееся напряжение
8 * 100 = 800 В. Вполне понятно, что чем выше класс вентиля, тем больше его стоимость. На электровозах устанавливают вентили не ниже 8-го класса.
Для того чтобы напряжение, приложенное к вентилю, не могло превысить предельного значения, вентили выбирают с соответствующим запасом.
Устанавливаемые на современных отечественных электровозах полупроводниковые вентили могут кратковременно пропускать в прямом направлении ток более 1000 А, не повреждаясь при этом, но не выдерживают обратного тока даже 1 А. Это объясняется тем, что прямой ток, как и выделяемое при прохождении его тепло, распределяется равномерно по всей площади структуры полупроводника. Обратный же ток проходит не по всей поверхности, а по отдельным небольшим каналам. Поэтому в отдельных точках выделяется значительное количество тепла, что способствует пробою вентиля.
Учитывая это, кремниевые пластины вентилей стали изготовлять по особой технологии. Это позволило обеспечить прохождение обратного тока равномерно по всей поверхности пластины, что снизило вероятность его недопустимого нагрева и пробоя. Такие вентили получили название лавинных. Их широко применяют на электровозах.
Силовые тиристоры, широко применяемые на электроподвижном составе, способны находиться в закрытом состоянии в случае приложения к ним как прямого, так и обратного напряжения, если на вентиль не подается сигнал управления, и пропускать ток при весьма малом падении напряжения в прямом направлении, если прибор открыт управляющим сигналом.
После того как тиристор откроется, он продолжает работать независимо от того, поступает или нет сигнал на его управляющий вывод. Закрыть его можно только уменьшив прямой ток практически до нуля. Тиристоры имеют более сложную, четырехслойную р-n-р-n-структуру, обеспечивающую эти свойства.
Управляемые вентили (штыревые и др.) конструктивно сходны с неуправляемыми (см. рис. 59, а). Отличие их состоит в том, что они, кроме силового (гибкого), имеют еще дополнительный вывод в корпусе от управляющего электрода, В мощных тиристорах толщина кремниевой пластинки, находящейся внутри корпуса полупроводникового прибора, не превышает 0,35 мм. Диаметр ее зависит от пропускаемого тока.
Широкое распространение получили тиристоры (рис. 60, а) и диоды таблеточного типа, так как у них по сравнению со штыревыми существенно увеличена поверхность охлаждения, улучшен теплоотвод и выше стойкость к перегрузкам.

Рис.60 Общий вид тиристора таблеточной конструкции

Таблеточные тиристоры и диоды зажимают контактными поверхностями, представляющими собой анодный и ка-
тодный электроды прибора, между двумя половинками охладителей, которые изолированы друг от друга.
Напряжение включения можно значительно снизить, если на управляющий электрод подать импульс тока. Очевидно, что тиристоры должны выдерживать в закрытом состоянии не только обратное напряжение, но и прямое. Переход тиристора в открытое состояние должен происходить только при наличии импульса тока в цепи управления.
Для тиристоров, как и для диодов, основными параметрами являются: предельный прямой ток, обратное повторяющееся напряжение, прямое падение напряжения, обратный ток утечки. Кроме того, существует ряд дополнительных параметров: прямое повторяющееся напряжение, ток управления, напряжение управления, время включения и выключения, а также ряд других пара­метров.
Обозначения тиристоров и диодов расшифровываются следующим образом. Например, в марке ДЛ123-320-20 буквы и цифры означают: Д — диод; Л — лавинный; 123 — группа цифр, характеризующих модификацию прибора, условный   диаметр   и   конструктивное исполнение корпуса; 320 — предельный ток, А; 20 — класс вентиля. В марке Т253-1250-16 буква «Т» означает тиристор, а цифры расшифровываются так же, как в обозначении диода.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕЖИМА ТЯГИ

Неуправляемые выпрямители широко применяют на электровозах переменного тока для питания тяговых двигателей в режиме тяги. Они преобразуют переменный ток в постоянный (пульсирующий). Выпрямители могут быть соединены с обмоткой трансформатора различными способами и вследствие этого имеют различную структуру. Самое простое включение показано на рис. 61, где выпрямитель состоит из одного диода.

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

Электродвижущая сила во вторичной обмотке трансформатора, как и в первичной, 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 диода VD 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). Рассмотренная схема однополупериодного выпрямления на электровозе не используется. Для того чтобы через выпрямитель проходил ток в оба полупериода, применяют схему двухполупериодного выпрямления либо с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, либо мостовую.

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

В схеме с нулевым выводом вторичную обмотку трансформатора делят на две равные части, выпрямитель и двигатель включают, 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) диод VD2, а диод VD1 закрыт. К нему приложено напряжение, действующее в непроводящем направлении. При изменении направления э. д. с. трансформатора на противоположное ток проводит вентиль VD1. Таким образом, в течение обоих полупериодов через двигатель проходит ток, изменяющийся от нуля до амплитудного значения и вновь до нуля.
Недостаток такой схемы выпрямления заключается в том, что в каждый полупериод работает только половина
обмотки трансформатора, а это приводит к плохому использованию, а значит, и большему расходу меди.
Выпрямительная установка, собранная по мостовой схеме, состоит из четырех плеч (рис. 62, б). Когда напряжение во вторичной обмотке трансформатора действует слева направо, ток проходит через диод VD1, нагрузку (двигатель), диод VD3 в обмотку трансформатора (сплошные стрелки). При изменении направления напряжения (штриховые стрелки) ток проходит через диод VD2, нагрузку, диод VD4 и возвращается в обмотку трансформатора. Следовательно, как и в предыдущей схеме, ток в каждый полупериод проодит через нагрузку в одном направ­лении (рис. 62, в).
В мостовой схеме вторичная обмотка тягового трансформатора работает полностью. На первый взгляд кажется, что число вентилей в этой схеме удваивается. Однако напряжение, приходящееся на каждый диод, уменьшается в 2 раза. Поскольку каждое плечо моста VD1—VD4 имеет несколько последовательно включенных вентилей и несколько параллельных ветвей, то общее число диодов, необходимое для выпрямителя, питающего тяговые двигатели и собранного по мостовой схеме (см. рис. 62, б), равно числу диодов в схеме рис. 62, а. Так, один выпрямитель электровоза ВЛ80т(с) имеет в каждом плече моста 12 параллельных ветвей (рис. 63), каждая из которых содержит четыре последовательно включенных лавинных вентиля.

Рис. 63. Схема плеча выпрямительной установки восьмиосного электровоза

Следовательно, в одном выпрямителе имеется 4-4-12= 192 вентиля. Выпрямитель рассчитан на номинальные выпрямленные ток 3200 А и напряжение 1350 В. Он питает два тяговых двигателя. Поэтому на восьмиосных электровозах установлено четыре таких выпрямителя; общее число вентилей в них равно 708. Коэффициент полезного действия выпрямителя 99%. Выпрямитель размещен в двух шкафах и работает только с принудительным охлаждением. Каждый выпрямитель снабжается довольно сложной защитой.
Управляемые выпрямители, собранные на тиристорах, позволили осуществить не только преобразование переменного тока в постоянный, но и плавное регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям электровозов переменного тока, вместо ступенчатого.
Как же осуществляется плавное регулирование? В выпрямителе, собранном на тиристорах VS по схеме моста (рис. 64, а), можно изменять угол а их включения, т. е. подавать в соответствующие моменты управляющие импульсы тока Iу (см. рис. 60).

Рис. 64. Принципиальная схема плавного регулирования напряжения,
подводимого к тяговым двигателям (а), и кривые напряжения при глубоком регулировании

При этом можно регулировать среднее значение напряжения Ucp от нуля при а = 180° до максимального возможного при а = 0° (рис. 64, б). Последнее соответствует среднему выпрямленному напряжению в неуправляемых выпрямителях (см. рис. 62, в).
Как видно из рис. 64, при таком регулировании, называемом глубоким, возникают большие пульсации напряжения и выпрямленного тока. Это значительно осложняет работу тяговых двигателей. Для устранения таких пульсаций на электровозе ВЛ80р осуществляется более плавное регулирование напряжения. Здесь тяговый трансформатор имеет три секции вторичной обмотки с напряжениями Um/4, Um/4 и Um/2. Выпрямитель выполнен по мост­вой схеме (рис. 65, а), имеет восемь плеч.

Рис.65. Упрощенная силовая схема электровоза ВЛ80р (а)
и кривые напряжения при зонном регулировании
в пределах секции вторичной обмотки трансформатора (б)

Предусмотрено четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения, в каждой из которых осуществляется плавное регулирование в пределах четверти амплитуды полного напряжения. Переключение с одной секции на другую тиристоры позволяют осуществлять без тока   и  необходимость  в  контакторах с дугогашением отпадает.
Напряжения, возникающие в процессе его плавного изменения в пределах регулируемой секции, складываются с напряжением, индуцируемым в секциях, где уже был завершен этот процесс (рис. 65, б). Поэтому здесь только в первой секции вторичной обмотки (когда на двигатели подается небольшое напряжение) осуществляется глубокое регулирование.

В начало статьи
<<Назад --------------------------------- Дальше >>