Статический преобразователь

Материал из Ответы на вопросы WikiPTE
Перейти к: навигация, поиск

Статический преобразователь — устройство, предназначенное для преобразования рода тока, напряжения и частоты в силовых, вспомогательных и низковольтных цепях управления и защиты на электроподвижном составе (ЭПС) и тяговых подстанциях, в устройствах связи и СЦБ, в депо и т. д. Статический преобразователь не содержит подвижных частей, состоит из трансформатора (на переменном токе), управляемых и неуправляемых вентилей, аппаратуры управления, охлаждения, защиты и сигнализации.

Классификация преобразователей[править]

По виду применяемых вентилей статические преобразователи подразделяют на ионные (газотронные, ртутные) и полупроводниковые (кремниевые, селеновые, германиевые и др.); по типу вентилей — на диодные, тиристорные и диодно-тиристорные, с 1990-х годов получают распространение транзисторные преобразователи. На тяговых преобразователях подвижного состава в настоящее время применяются запираемые тиристоры (GTO) и транзисторы IGBT в зависимости от мощности привода.

По выполняемым функциям выделяют выпрямительные преобразователи, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи; по способу регулирования напряжения — на импульсные (постоянного тока), импульсно-фазовые, зонно-фазовые, частотные, частотно-импульсные, широтно-импульсные и др.

Статические преобразователи могут быть зависимыми от питающего напряжения (для ЭПС переменного тока) и независимыми (для ЭПС постоянного тока); выполняются с охлаждением естественным и принудительным, воздушным и жидкостным (масляным), а также термосифонным.

Конструктивно статические преобразователи могут быть стационарными и передвижными, на ЭПС внутрикузовными (внутривагонными) и подвагонными.

Статические преобразователи силовых цепей подстанций и ЭПС изготовляют в виде шкафов или панелей, в которых устанавливают вентили. По схеме соединения вентилей различают статические преобразователи 2-, 4-плечевые (мостовые), 6-, 8-, 10-плечевые и другие с последовательно-параллельным включением вентилей.

На ЭПС применяют статические преобразователи в тяговом исполнении (см. рис.) с электрическими вентилями, выполненные с учётом соответствующих технических условий. В маломощных, низковольтных статических преобразователях используют вентили общетехнического изготовления.

На железной дороге распространены также полупроводниковые статические преобразователи, более надёжные по сравнению с ртутными, имеющие меньшие габаритные размеры и массу, больший срок службы, не токсичные при обслуживании и ремонте.

Статические преобразователи для ЭПС должны обеспечивать:

работоспособность ЭПС без ограничений мощности при выходе из строя одного из вентилей (в любом плече) и при повреждениях в цепях управления;
удобную и быструю замену повреждённых вентилей;

устойчивую работу при изменении значения и формы питающего напряжения в установленных пределах.

При работе статические преобразователи открываются и закрываются в соответствии с заданным алгоритмом управления, в результате чего в нагрузке возникает ток в определённые периоды времени. На ЭПС устанавливают один или несколько силовых статических преобразователей, от каждого из которых питается один или несколько тяговых электродвигателей. Мощность таких статических преобразователей — до нескольких тысяч кВт, рабочее напряжение — от единиц до нескольких тысяч В; сила тока — от единиц до нескольких тысяч А.

Совершенствование статических преобразователей возможно в направлении улучшения их параметров, снижения габаритных размеров и массы, уменьшения числа вентилей при обеспечении той же мощности, повышения надёжности, упрощения системы обслуживания и ремонта.

История развития и области применения[править]

Файл:Выпрямитель на ТП.jpg
Выпрямитель на кремниевых диодах с естественным охлаждением на железнодорожной тяговой подстанции

Первыми на электрическом транспорте получили распространение ртутные (игнитронные) выпрямители, применявшиеся на тяговых подстанциях для преобразования тока промышленной частоты в постоянный. Они использовались также для питания тяговых двигателей на первых электровозах переменного тока. До 1960-х годов ртутные выпрямители оставались единственными аппаратами, имевшими массовое распространение.

Ртутные выпрямители имели ряд недостатков, главными из которых были большие габариты и опасность выделения ртутных паров при повреждении корпуса аппарата. По мере появления кремниевых и германиевых вентилей ртутные выпрямительные установки были заменены полупроводниковыми. Полупроводниковые диодные выпрямители до сих пор широко применяются на тяговых подстанциях постоянного тока, электровозах переменного тока, тепловозах с передачей переменно-постоянного тока.

С 1960-х годов предпринимались попытки создания бестрансформаторных преобразователей постоянного тока и инверторов на основе тиристоров, но преобразователи на их основе имели низкую надежность, высокую стоимость и большие габариты, что сдерживало их массовое применение. Сдерживал их распространение и низкий технический уровень большинства эксплуатационных предприятий. Отдельные полупроводниковые приборы имели малое напряжение пробоя и номинальный ток, что приводило к необходимости применения в силовых преобразователях сборок с большим числом приборов. Предлагались схемы ЭПС, в которых тиристорные преобразователи тягового тока использовались совместно с контактными аппаратами, а иногда и с реостатным регулированием для уменьшения числа ступеней и повышения плавности регулирования, однако они не получили массового применения.

Основными областями применения тиристорных преобразователей были управляемые выпрямители на тяговых подстанциях, где требования к массогабаритным характеристикам менее жесткие, а также преобразователи собственных нужд и регуляторы поля тяговых двигателей на подвижном составе, так как в этих цепях коммутируемые токи сравнительно малы.

С 1974 года серийно строились электровозы ВЛ80р, на которых тиристорный преобразователь использовался не только для плавного регулирования тока тяговых двигателей, но и был способен работать в режиме инвертора, обеспечивая рекуперацию. На городском транспорте СССР массовое применение тяговых статических преобразователей на основе тиристоров началось только с середины 80-х годов.

Начиная с 2000-х годов в России массово строится подвижной состав ГЭТ и метрополитена с тяговыми преобразователями на основе IGBT-транзисторов, как изменяющих напряжение постоянного тока на коллекторных двигателях, так и автономных инверторов для питания асинхронных тяговых двигателей.

На железной дороге в 1990-х и 2000-х годах испытывались и эксплуатировались опытные образцы и малые серии (например, ЭП10) подвижного состава с преобразователями зарубежного производства на основе вентилей GTO, но массовое применение тяговых статических преобразователей на современной элементной базе начато только с серийным производством электровозов 2ЭС10 в 2012 году.

Источник:

  • «Энциклопедия железнодорожного транспорта», научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1995 год.