Двенадцатипульсовые выпрямительно-инверторные преобразователи

1.

7.4 Двенадцатипульсовые выпрямительно-инверторные преобразователи
7.4.1 Схемы и техническая характеристика ВИП
Рисунок 7.4.1 – Принципиальная схема 12-пульсового ВИП-3 последовательного1 типа с
отдельными вторичными обмотками для инвертора ВО1, ВО2 и выпрямителя ВО3, ВО4

2.

A
B
C
СО
I1 A
A
A
V1
К1
IИ
i v IИ
V5
V6
V2
i v IИ
V
UV
+ш
I
a Д bД cД
V7
А1
I
К2
V9
I2Д
A
V
2
i aД I И
3
I 2У
A
IV
ш
U2Д
V4
V3
ВО2
T
i2 y IИ
b у cу
UZ1
i1C
i1A
i2y
aу
C
i1B
U1 V
U2У V
B
i v IИ
1
i bД i cД I И
3
UZ2
V10
V12
А2
A
IИ
V8
V11
xd
И
i v IИ
V
I
UИ
IИ
ЕГ
IИ
И
Г
IИ
И
Рис. 7.4.1, а – Схема 12 П инвертора последовательного типа
2

3.

A
СО
U1
A
B
V
C
I1
i1C
i1A i1B
T
ВО2
ВО1
U 2У
i2 y
V
by
ay
i 2y
cy
A
К1
UZ1
V5
2
ia
I 2У
Д
V4
V1
V3
U 2Д
IИ
iv
IИ
V6
2
IИ
V2
A
IV
IV
V
01
2
I
iv И
2
0
2 I
И
3 2
V10
aД
02
IИ
I 2Д
i b iс
cД
Д
Д
I V V9
V8
К2
UZ2
V11
2
iv
A
IИ
2
IИ
xd
IИ
IИ
1 IИ
3 2
V7
IИ
UV
bД
А2 V12
УР
А1
A
V
2
V
UИ
2
2
К.С.
К
IИ
+Ш
IИ
-Ш
IИ
ЕГ
Г
IИ
Р.
Рисунок 7.4.1, б – Схема 12 П инвертора параллельного типа
3

4.

1. Преобразовательный трансформатор
Т – трансформатор ТРДТП-20000/10И (особенности его
конструктивного выполнения)
10
U1H
, кВ
3
СО – соединена в «У» или «Д» выполнена на
I1 604
Выпрямительная часть
ВО3 – соединена в «У» выполнена на
ВО4 – соединена в «Д» выполнена на
357
, A
U 2 У 755, В
I 2 У 2610, А
U 2 Д 1310, В
I 2Д
2610
, А
3
2. Выпрямитель
UD – 12п. Выпрямитель последовательного типа В-ТПЕД – 3,15к –
3,3к; собран из диодов ДЛ 252 – 2000 – 20
В
4
диодном плече а=2 шт, S=2 шт, N=48 шт.

5.

3. Инвертор
UZ – 12п. Инвертор последовательного типа И–ПТП – 2,4к – 4,0к
Собран из тиристоров Т173-2000-18
В тиристорном плече а=1 шт; S=3 шт; N=36.
4. Защитные и коммутационные аппараты
FU1 … FU4 – разрядники (ограничители перенапряжений) РВКУ – 1,65
(ОПН – 1,5);
FU5, FU6 – разрядники (ОПН) РВКУ – 3,3 (ОПН – 3,0);
RC1, RC2–резисторно-емкостной контур (R=100 Ом, С=0,25 мкФ);
RC3, RC4 - резисторно-емкостной контур (R=56 Ом, С=0,25 мкФ);
LR1, LR2 – помехоподавляющие реакторы РОСВ – 2000;
СР – помехоподавляющие конденсаторы ФСТ – 4,0 –16;
LR3 – токоограничивающий реактор РБФАУ–3250 LP=11; 25 мГн;
Q – масляный (вакуумный) выключатель ВМПЭ – 10 – 1000 ;
QF1…QF3 - быстродействующий выключатель ВАБ – 49 –4000;
QS1 – разъединитель РВРЗ – 10/4000 .
5

6.

6 типа
Рисунок 7.4.2 – Принципиальная схема 12-пульсового ВИП-3 параллельного
на трансформаторе с дополнительными секциями

7.

Рисунок 7.4.3 – Схема 12-пульсового ВИП-3 последовательного типа на трансформаторе с
7
дополнительными секциями в ВО(а), векторные диаграммы ВО «У»(б) и ВО «Д» (в). Варианты
выполнения вентильной обмотки «Д» (г,е) и их векторная диаграмма (д,ж)

8.

7.4.2 Отличительные особенности инвертора от выпрямителя
Инверторный преобразователь имеет следующие особенности
по сравнению с выпрямительным преобразователем:
1. ВО выполнены отдельно (рис. 7.4.1) или имеют отпайки
(рис.7.4.2 и 7.4.3), а напряжение в фазах вентильных обмоток
повышается и равно
U 2И k И U 2В
(7.4.1)
2. Инверторные мосты UZ1 и UZ2 комплектуется из тиристоров
3. Системой управления, т.е. токами управления iУ1, iУ3, iУ5, iУ2, iУ4,
iУ6, подаваемыми на управляющие электроды тиристоров V1,
V3, V5, V2, V4, V6 инверторного моста UZ1, эти тиристоры
открываются в точках 1'', 3'', 5'‘, 2'‘, 4'‘, 6'' на угол β раньше точек
естественного включения при обратной полярности напряжения
U2У. Токами управления iУ7, iУ9, iУ11, iУ8, iУ10, iУ12, подаваемые на
управляющие электроды тиристоров V7, V9, V11, V8, V10, V12,
эти тиристоры открываются в точках 7'', 9'', 11'', 8'', 10'', 12'' в
UZ2 на угол β раньше точек естественного включения при
обратной полярности напряжения U2Д (рис.7.4.5, а, б, в, д,е).8

9.

Благодаря этому тиристоры открываются и проводят ток при
обратной полярности напряжения вторичных обмоток u2у , u2Д
по сравнению с выпрямителем (рис. 7.4.5).
4. Изменяется полярность подключения инвертора к +ш и –ш по
сравнению с выпрямителем.
В 12 П.ПОСЛ. схеме инвертора к +ш подключается анод А2, а к
–ш катод К1, в то время как у выпрямителя наоборот к + ш
подключается катод К1, а к –ш анод А2 (рис.7.4.1,а).
В 12 ПАР.схеме к +ш подключается 0 УР, а к –ш общий катод К, в
то время как у выпрямителя +ш подключается общий катод К, а
к –ш 0 УР.
5. Генератором энергии постоянного тока становится ЭПС
(электроподвижной состав).
6. Мощность PИ и ток IИ передаются от ЭПС через контактную сеть
к ВИП, установленному на тяговой подстанции.
9

10.

7.4.3 Условия получения 12п. режима
1. ВО1 и ВО2 тиристорных мостов UZ1 и UZ2 соединенные в «У» и
«Д». Это создаст сдвиг линей напряжений однолинейных фаз на 30° эл.
Рис. 7.4.4 – векторная диаграмма линейного напряжения смежных
фаз инвертора
2. Входное напряжение инверторных мостов UZ1 и UZ2 должны
быть равны UИ01=UИ02
Это возможно если напряжение
U 2 Д 3U 2 У ;
т.е. число витков обмоток 2 Д 3 2 У
10
(7.4.2)

11.

7.4.4 Отличительные особенности 12п. посл. 12п. пар. схемы
В 12п. последовательной схеме:
Мгновенное значение входного
напряжения
uИ uИ1 uИ 2
uИ uИ1 uИ 2
Среднее значение входного
напряжения
U И U И1 U И 2
Откуда входное напряжение
каждого инверторного моста UZ1
и UZ2 равно
U И (7.4.3)
U U
И1
И2
2
Входной ток UZ1 и UZ2 равен
току IИ
(7.4.4)
I I I
И1
И2
И
В 12п. параллельной схеме:
Мгновенное значение входного
напряжения
u И u И1 u И 2
Среднее значение входного
напряжения каждого
инверторного моста UZ1 и
UZ2 равны UИ
U И U И1 U И 2
(7.4.3')
Входной ток UZ1 и UZ2 равны
I И1 I И 2
IИ
2
11
(7.4.4')

12.

7.4.5 Теория работы инвертора и процесс преобразования
постоянного тока ЭПС в трехфазный переменный ток
Физические процессы в 12 П. инверторе наглядно
иллюстрируются временными диаграммами напряжения и тока в
элементах схемы. Методика построения временных диаграмм
аналогична 12 П. выпрямителям (разд. 6.4) с учетом
особенностей работы инвертора (разд. 7.2). При изучении
теории примем:
1. Напряжение в питающей сети, а следовательно в ВО1 и
ВО2 синусоидальные и равно
u 2U sin
2
2
2. Индуктивное сопротивление трансформатора и
питающей цепи >0. Поэтому угол коммутации γ>0.
На рисунке 7.4.5 приведены временные диаграммы
напряжения и токов 12 П инвертора с учетом угла опережения β и
угла коммутации γ.
Рекомендуются следующая последовательность построения
12 и
объяснения временных диаграмм.

13.

Рассмотрим работу 12 пульсового инвертора
последовательного типа (рис. 7.4.1,а) и паралельного типа (рис.
7.4.1, б) в момент Θ1.
Согласно разделов 7.2.1, 7.2.3 в инверторе тиристоры должны
работать с углом опережения β при обратной полярности
напряжения u2У и u2Д по сравнению с диодами выпрямителя.
Из рис.7.4.5,а, б следует, что в UZ1 током iУ1, iУ2 должны быть
включены V1, V2, т.к.
u aУ min, u cУ max
При этом потенциал общего катода K1 равен
uK1=uaУ
Потенциал общего анода А1 равен
uА1=uсУ
Мгновенное значение входного напряжения между К1 и А1 равно
13
(7.4.5)
uИ1= uК1- uА1= uаУ -uсУ

14.

Из рис.7.4.5, д, е следует, что в UZ2 током iУ7, iУ8 должны быть
включены V7, V8.
т.к.
u aД min, u cД max
При этом потенциал общего катода K2 равен
uK2=uaД
Потенциал общего анода А2 равен
uА2=uсД
Мгновенное значение входного напряжения между К2 и А2 равно
uИ2= uК2- uА2= uаД -uсД
В таблице 7.4.6 приведена последовательность включения
тиристоров за период 0≤Θ≤2π
(7.4.6)
14

15.

Таблица 7.4.1 - Последовательность подачи импульсов тока
управления и работы тиристоров инвертора за период 0≤Θ≤2π
в UZ1
на тиристоры
V1, V3, V5
V2, V4, V6
подать ток управления
iУ1, iУ3, iУ5
iУ2, iУ4, iУ6
в точках
1", 3" , 5"
2", 4" , 6"
1,
2,
на угол β раньше точек
3,
5
4,
6
в UZ2
на тиристоры
V7, V9, V11
V8, V10, V12
подать ток управления
iУ7, iУ9, iУ11
iУ8, iУ10, iУ12
в точках
7", 9" , 11"
8", 10" , 12"
7,
8,
на угол β раньше точек
9,
11
10,
12
15

16.

Временные диаграммы тока управления iУ1, потенциала общего
катода uK1, общего анода uА1, входного напряжения uИ1, входного
тока iИ1 и порядок его прохождения через тиристоры инверторного
моста UZ1 за период 0≤Θ≤2π приведены на рис. 7.4.5, а, б, в, г.
Аналогично временные диаграммы для инверторного моста UZ2
приведены на рис.7.4.5 д, е, ж.
Результирующее входное напряжение uИ12 12 пульсового
инвертора приведена на рис.7.4.5, з. С учетом (7.4.3) и (7.4.3‘)
получим:
Для 12 пульсовой последовательной схемы
uИ12=uИ1+uИ2
Для 12 пульсовой параллельной схемы
uИ12=(uИ1+uИ2)/2
16

17.

Временные диаграммы напряжений и токов
uК1
17

18.

з)
и)
к)
л)
18

19.

Рисунок 7.4.5 – Временные диаграммы напряжения u2У (а), токи
управления iУ1 (б), входного напряжения uИ1 (в), входного тока iИ1
(г), тока вентильной обмотки i2аУ (и) инверторного моста UZ1;
тока управления iУа2 (д), входного напряжения uИ2 (е), входного тока
iИ2 (ж), тока вентильной обмотки i2аД (к), инверторного моста UZ2;
результирующего входного напряжения uИ12 (з) и тока сетевой
обмотки i1А (л) 12пульсового инвертора.
19

20.

На рис.(7.4.1, а) и (7.4.1, б) показаны цепь прохождения тока от
ЭПС через контактную сеть, рельсы, шины ВИП, тиристоры, фазы
ВО1, ВО2 и фазы СО для момента Θ1 при работе тиристоров V1,
V2, V7, V8.
За период 2π открывая поочередно тиристоры V1, V3, V5, V2,
V4, V6 синхронно с напряжением uау, ubУ, ucУ , ток инвертора
поочередно проходит через фазы аУ, bУ, cУ в UZ1. Аналогично,
открывая поочередно тиристоры V7, V9, V11, V8, V10, V12
синхронно с uаД, ubД, uсД , ток инвертора поочередно проходит
через фазы аД, bД, cД в UZ2.
При этом в фазах А, В, С сетевой обмотки создается трехфазный
переменный ток, т.е. постоянный ток IИ , создаваемый ЭПС
преобразуется в трехфазный переменный ток (рис.7.4.5).
Примечание: в 12П параллельной схеме физические процессы и
цепь прохождения тока аналогичны, но вместо тока IИ необходимо
подставлять IИ /2. Т.к. мосты UZ1, UZ2 работают параллельно.
20

21.

7.4.6 Особенности распределения тока в фазах ВО2, соединенной
в «Д»
В ВО2 соединенной в Д в любой момент времени работают все
фазы аД ,bД, сД.
Ток распределяется обратно пропорционально сопротивлению
цепи тока.
2
В момент Θ1, когда работают V7 и V8, токи i aД 3 I И , а
1
i bД i cД I И .
3
Т.о., ток в фазе начало и конец которой подключен к работающим
1
2
IИ
тиристорам, равен
, а в остальных
фазах
.
IИ
3
3
IИ
2
Временная диаграмм тока i2аУ в фазе аУ приведены на рис.7.4.5 и,
тока i2аД в фазе аД на рис.7.4.5 к.
Примечание: В 12П пар. схеме вместо IИ подставлять
21

22.

7.4.7 Распределение тока в фазах СО
Мгновенное значение токов в фазах СО
i 2У i 2Д
i1
,
к ТУ к ТД
(7.4.9)
где КТУ – коэффициент трансформации обмотки звезда
к ТУ
U1
,
U 2У
(7.4.10)
где КТД – коэффициент трансформации обмотки треугольник
к ТД
С учетом (6.4.10)
U1
U1
к
ТУ
U2Д
3U 2 У
3
i1 i 2 У i 2 Д
(7.4.10)
1
3
к ТУ
(7.4.11)
На рис.7.4.5 и, к, л приведены временные диаграммы i2аУ, i2аД, i1А для фазы22аУ, аД
вторичных обмоток и фазы А сетевой обмотки

23.

7.4.8 Основные расчетные соотношения
двенадцатипульсовых схем инвертирования
Расчетные параметры тиристорного плеча и обмоток
трансформатора зависят от схемы выпрямительного или
инверторного преобразователя, поэтому все выводы и расчетные
формулы разделов 6.4.7 справедливы для инвертора. В таблице 7.4.2
приведены расчетные соотношения 12 пульсовых схем
инвертирования с учетом особенностей работы тиристоров
инвертора, подробно изложенных в разделах 7.2.2, 7.2.3, 7.2.4.
23

24.

Таблица 7.4.2 – Основные расчетные соотношения 12 П инверторов
Обозначение параметра
Dсх
Ud0 1,2
Последовательного типа
ВО «У»
Параллельного типа
3
3
ВО «Д»
1
1
ВО «У»
2,34 U2У
2,34 U2У
ВО «Д»
1,35 U2Д
1,35 U2Д
UИ0(β=0)
4,68 U2У
2,34 U2У
UИ0
4,68 U2У cosβ
2,34 U2У cosβ
Uv max
√6 U2У
√6 U2У
КСК
1
0,5
Iv
IИ/3
IИ/6
Iv max
IИ
0,5 IИ
I2У
2 / 3IИ
2 / 3IИ /2
I2Д
2 / 3 IИ
2 / 3 IИ /2
I1
1,577IИ/Kr
0,789IИ/Kr
S2
S2У=S2Д=0,51РИ
S2У=S2Д=0,51РИ
S1
1,02 РИ
1,02 РИ
ST
1,02 РИ
1,02 РИ
A
0,26
0,26
v
0,988
0,988
24

25.

Продолжение таблицы 7.4.1
25

26.

7.4.8 Условия надежной работы инвертора
Надежная работа инвертора обеспечивается, если угол опережения
MAX
MIN
(7.4.12)
MIN
0
,
(7.4.13)
где β – угол опережения;
γmax – угол коммутации при IИmax;
δо – время выключения тиристора;
τ – угол запаса.
26

27.

7.4.9 Угол коммутации
Угол коммутации из (6.6.13) равен
2K СХ I И x V
arccos cos
6 U2
,
(7.4.14)
где XV – индуктивное сопротивление фазы цепи коммутации.
Из (7.2.14) видно, что при изменении тока 0≤IИ≤ IИ max , угол
коммутации γ изменяется в пределах
0≤γ≤ γ max
(7.4.15)
После завершения коммутации с V1 на V3 в работе остается V3
мгновенное значение входного напряжения будет равно
u u
И
b
27

28.

Индуктивное сопротивление фазы цепи коммутации
определяется по формуле (7.4.16).2
X
V
3 U
2Y
S
u
К
100
10
3
,
(7.4.16)
где
U2Y – номинальное действующее значение фазных
напряжений вентильных обмоток, соединенных в «звезду», кВ;
1H
uК – напряжение К.З цепи коммутации, %;
S1Н – номинальная мощность сетевой обмотки, кВА.
Напряжение короткого замыкания цепи коммутации равно
uK=uKС+uKТ ,
(7.4.17)
где uKТ – коммутационное напряжение КЗ преобразовательного
трансформатора, %;
uКС – напряжение КЗ питающей цепи, %.
S
(7.4.18)
u 1Н 100% ,
КС
S
КЗ
где SКЗ – мощность КЗ на шинах, питающих преобразовательный
28
трансформатор, кВА.

29.

7.4.10 Входные характеристики инвертора
Входной характеристикой инвертора называется зависимость
U И f (I И )
Согласно теории работы инвертора входное напряжение с
увеличением тока инвертора возрастает и с учетом (7.2.19), (7.2.22)
равно
U U
И
И0
U U
П
(7.4.19)
Через известные параметры схемы и преобразовательного
трансформатора входное напряжение инвертора определяется
уравнением
u
I
cos A КЗ И U
U U
И
И 0 ( 0 )
П
100 I
ИН
(7.4.20)
29

30.

Падение напряжения в тиристорах инвертора
K I
CX И
U ps U
r
П
Т
3 а
( TO )
,
(7.4.21)
где p – число последовательно работающих плеч преобразователя;
p=4 для 12 П.ПОСЛ.
р=2 для 12 П.ПАР.
s, a – число последовательно и параллельно включенных
тиристоров в одном плече инвертора;
А – коэффициент наклона входной характеристики схемы (А=0,5
для m=6; А=0,266 для m=12);
uКЗ – напряжение короткого замыкания цепи коммутации;
UТО, rT – пороговое напряжение и дифференциальное
сопротивление тиристора
30

31.

Для инверторных преобразователей, применяемых на тяговых
подстанциях, входные напряжения холостого хода определяются
следующими соотношениями
Для 6П.М. и 12 П. ПАР
UИ0(β=0)=2,34U2У ; UИ0=2,34U2Уcosβ
(7.4.22)
Для 12 П. ПОСЛ.
UИ0(β=0)=4,68U2У; UИ0=4,68U2Уcosβ
(7.4.23)
31

32.

7.4.11 Ограничительная характеристика инвертора
При работе инвертора входной ток изменяется в пределах
0≤ IИ≤ IИmax
Следовательно согласно (7.2.14) угол коммутации также
изменяется в пределах 0≤ γ≤ γ max
Надежная работа инвертора обеспечивается, если при любом токе
IИ (угле коммутации γ), сохраняется условие
MAX MIN
(7.4.24)
32

33.

Если при β=const с увеличением тока IИ (угла коммутации γ)
условие (7.4.24) нарушается, то произойдет опрокидывание
инвертора и аварийный ток увеличится в десятки раз по сравнению
с номинальным током.
Для предупреждения опрокидывания инвертор имеет
ограничительную характеристику
U
ОГ
u
I
cos
U
A КЗ И U
И 0 ( 0 )
MIN
П
100 I
ИН
(7.4.25)
33

34.

7.4.12 Предельный (максимальный) ток инвертора
Величина предельного (максимального) тока инвертора IИ MAX, при
котором еще сохраняется его устойчивая работа, графически определяется
точкой пересечения внешней и ограничительной характеристик
(рис.7.4.6).
Аналитический расчет IИ MAX может быть выполнен по следующим
формулам
а) при естественной внешней характеристике
I И МАХ1
50
I ИН cos MIN cos (7.4.26)
uК A
б) при стабилизированной внешней характеристике
U
U
100
CТ
П
I
I cos
,
И МАХ3
MIN
u A ИН
U
К
ИО
(
0
)
U – напряжение стабилизированной
внешней
где
СТ
характеристики ВП, равное Ud0, кВ;
А – коэффициент наклона входной (внешней)
характеристики инвертора.
(7.4.27)
34

35.

Внешние и ограничительные характеристики ВИП
Входные характеристики и предельные максимальные токи
инвертора при угле β1=const (1), β2=const (2), искусственная
(компаундированная) при β≠const (3)
35
Рисунок 7.4.6 – Внешние и ограничительные характеристики ВИП