Полупроводниковый выпрямитель в зависимости от принятой схемы выпрямления и от схемы соединения силового трансформатора может быть включен по мостовой или нулевой схеме.
Выпрямительные агрегаты для тяговых подстанций городского электрического транспорта ВАК-1000/600-Н, ВАК-2000/600-Н и ВАК-3000/600-Н. Обозначения типов агрегатов расшифровываются следующим образом: выпрямительный агрегат с выпрямителем на кремниевых вентилях, на номинальный выпрямленный ток 1000, 2000 или 3000 а, номинальное выпрямленное напряжение 600 в, работающий по нулевой схеме.
Агрегат состоит из силового трансформатора, выпрямительного блока, шкафа управления, шкафов или панелей защиты и быстродействующего катодного выключателя.
Выпрямительные блоки соответственно типам выпрямительных агрегатов обозначаются БВК-1000/600-Н, БВК-2000/600-Н и БВК-3000/600-Н, что означает: блок выпрямительный кремниевый на номинальный выпрямленный ток 1000, 2000 или 3000 а, номинальное выпрямленное напряжение 600 в, работающий по нулевой схеме.
Каждая фаза или плечо выпрямительного блока состоит из вентилей, соединенных параллельно и последовательно.
Параллельное соединение вентилей применяется, когда номинальный ток фазы или плеча превышает номинальный ток отдельных вентилей.
Последовательное соединение вентилей применяется для обеспечения электрической прочности фазы или плеча в непроводящую часть периода, когда к фазе приложено обратное напряжение.
Число параллельно включенных вентилей в фазе или плече n1 определяется из расчета, что ток фазы или плеча Iа выпрямителя должен быть меньше суммарного номинального тока параллельно включенных вентилей
где Кi — коэффициент запаса по току, принимаемый равным 1,35—1,8.
При параллельном включении вентилей ток между ними распределяется неравномерно, что приводит к перегреву и более быстрому выходу из строя вентилей, по которым протекает большой ток, и недостаточному использованию вентилей по току. Неравномерное распределение тока между параллельно включенными вентилями происходит вследствие того, что вентили практически несколько отличаются друг от друга своими прямыми ветвями вольтамперных характеристик и тепловыми сопротивлениями.
Для выравнивания тока между параллельно включенными вентилями можно применять омические сопротивления, включаемые последовательно с вентилями, или индуктивные делители тока.
Рис. 1. Схема индуктивного делителя тока для двух параллельно соединенных вентилей: Iф — ток фазы, I2в , I1в — ток вентилей
Рис. 2. Схема индуктивного делителя тока для трех параллельно соединенных вентилей
Омические сопротивления, включаемые последовательно с вентилями, применяются редко из-за появления дополнительных потерь и снижения коэффициента полезного действия выпрямителя.
В установках большой мощности, как правило, применяются индуктивные делители тока.
На рис. 1 приведена схема индуктивного делителя тока для двух параллельно соединенных вентилей. Делитель состоит из стального сердечника, на котором намотаны две одинаковые обмотки, включенные таким образом, что создаваемые ими магнитные потоки противоположны по направлению.
При неравенстве тока в параллельных ветвях в сердечнике возникает результирующий магнитный поток, который создает дополнительное падение напряжения в обмотке с меньшим током. Этим достигается выравнивание тока в обмотках и в параллельно включенных вентилях. Для выравнивания тока в параллельных вентилях требуется небольшая по величине э. д. с, поэтому обмотки делителя состоят из небольшого количества витков.
На рис. 2 приведена схема индуктивного делителя тока для трех параллельно включенных вентилей. Делитель состоит из трехстержневого магнитного сердечника с двумя обмотками на каждом стержне. Каждый из параллельно включенных вентилей подключается к фазе через две последовательно соединенные обмотки, расположенные на разных стержнях. При увеличении тока в одной параллельной ветви индуктируется дополнительная э. д. с. в других двух ветвях, чем достигается выравнивание тока в обмотках делителя и вентилях.
Таким же образом выполняются делители и при большем числе параллельно включенных вентилей. Число последовательно включенных вентилей в каждом плече или фазе выбирается из расчета, чтобы суммарное номинальное обратное напряжение всех последовательно включенных вентилей было бы больше максимального обратного напряжения, приходящегося на плечо или фазу при избранной схеме выпрямления (мостовая или нулевая)
где Σиобр.вент — сумма номинальных обратных последовательно включенных вентилей, иобрмакс — максимальное обратное напряжение на фазу или плечо при данной схеме выпрямления, Ки — коэффициет запаса по напряжению, принимаемый равным 1,45—1,8.
Следовательно, число последовательно включенных вентилей n2 будет
Число последовательно включенных лавинных вентилей выбирается равным
Для обеспечения равномерного распределения обратного напряжения между последовательно соединенными вентилями, параллельно вентилям подключается цепочка последовательно соединенных шунтирующих резисторов RШ, имеющих равные по величине сопротивления, которые служат делителем напряжения. Величина сопротивления шунтирующих резисторов RШ выбирается в зависимости от класса и числа последовательно включенных вентилей в пределах 1,5—5 ком.
Неравномерность распределения тока по параллельным ветвям фазы или плеча не должна превышать ±5% среднего измеренного тока в параллельной ветви, а при токе нагрузки выше 100% номинального режима до тока короткого замыкания не должна превышать ±10%. Неравномерность распределения обратных напряжений на вентилях не должна превышать ±10% среднего рабочего обратного напряжения, приходящегося на вентиль.
На рис. 3 приведена схема соединения одной фазы выпрямительного блока БВК-1000/600-Н.
Выпрямители БВК с нелавинными вентилями выпускались заводом со шкафами защиты от перенапряжений на стороне переменного и выпрямленного тока.
Защита от перенапряжения на стороне переменного тока этих выпрямителей состоит из конденсаторов С1 и резисторов R1, соединенных в звезду или треугольник, которые подключаются через предохранители к фазам вторичной обмотки трансформатора (рис. 4).
Рис. 3. Схема соединения одной фазы ББК-1000/600-Н
Рис. 4. Схема выпрямительного агрегата ВАК с защитой от перенапряжений
В этой защите применяются конденсаторы КМ-2-3,15 емкостью 7,5—8 мкф, резисторы ПЭ-150, мощностью 150 вт и сопротивлением 5 ом и предохранители ПК-3 с плавкой вставкой на 7,5 а.
Защита от коммутационных перенапряжений со стороны выпрямленного тока осуществляется двумя конденсаторами С2 ИМ-5-150, емкостью 150 мкф, включенными параллельно. Последовательно с ними включаются параллельно два резистора R2 по 5 ом. Конденсаторы с резисторами включаются между положительным и отри дательным полюсами выпрямительного агрегата через предохранитель ПК-3 с плавкой вставкой на 50 а.
Рис. 5. Схема защиты от перенапряжений со стороны вентильной обмотки трансформатора и выпрямленного тока
Перенапряжения на шинах распределительного устройства постоянного тока при отключении быстродействующим выключателем токов короткого замыкания на линии не превышают 2 кв, т. е. не превышают электрической прочности последовательной цепи вентилей. Но на вентили могут воздействовать перенапряжения, возникающие в результате сложения перенапряжений при отключении токов короткого замыкания в линии быстродействующими выключателями с перенапряжениями от коммутации тока в самих вентилях.
Для защиты полупроводниковых выпрямителей от перенапряжении рекомендована схема с применением разрядников и конденсаторов (рис. 5). На вентильной стороне трансформатора устанавливают разрядники РВ1—00, которые включают по одному между каждой фазой и нулем или отрицательным выводом трансформатора. В связи с тем, что разрядники срабатывают за время от 2 до 20 мксек, а перенапряжения возникают в доли микросекунды, параллельно разрядникам необходимо устанавливать емкости по 0,5 мкф. Емкости подключают к вентильным обмоткам через предохранители ПК-3.
Со стороны выпрямленного тока между положительным и отрицательным полюсами включают лавинные вентили с общим напряжением лавинообразования 900 — 1000 в. Вентили подключают к положительной шине через предохранители ПК-3. Конструктивно эта защита представляет собой гетинаксовую панель, на которой установлены предохранитель, два лавинных вентиля ВЛ-200 и два резистора. Панель устанавливается в ячейке катодного выключателя. На рис. 6 приведен габаритный чертеж панели защиты от перенапряжений на стороне выпрямленного тока.
Для защиты от атмосферных перенапряжений рекомендуется у выводов положительного (а на троллейбусных линиях и отрицательного) полюса на контактной сети устанавливать разрядники.
В связи с тем, что лавинные вентили могут кратковременно пропускать в обратном направлении значительные токи, подключаемые параллельно вентилям, цепочки RШ и R — С могут не устанавливаться. Поэтому у выпрямительных блоков БВКЛ нет цепочек R — С, что упрощает схему блоков. Однако для обеспечения правильной работы схемы контроля состояния вентилей цепочки RШ сохранились и у выпрямительных блоков с лавинными вентилями.
Рис. 6. Панель защиты от перенапряжений на стороне выпрямленного тока: а — вид спереди, б — вид сверху, 1 — резисторы, 2 — лавинные вентили, 3 — предохранитель ПК-3
Контроль за состоянием вентилей осуществляется указательными реле (бленкерами), подключаемыми к средним точкам параллельных ветвей вентилей каждой фазы или плеча, имеющим одинаковый потенциал (или очень небольшую разность потенциалов в связи с различиями в характеристиках вентилей).
При пробое вентиля в каком-либо плече параллельной ветви вентилей в связи с изменением сопротивления данного плеча между точками присоединения бленкеров возникает разность потенциалов, достаточная для срабатывания бленкера и замыкания его контактов.
Контакт бленкера замыкает цепь какой-либо вторичной обмотки сигнального трансформатора ТС, вызывает этим изменение магнитного потока в магнитопроводе и срабатывание реле РЗ, которое, в свою очередь, замыкает цепь на сигнал или отключение выпрямительного агрегата. Сигнальный трансформатор одновременно изолирует контакты бленкеров от цепей 220 в.
На панели шкафа управления, рядом с бленкерами указывается фаза и номера параллельных цепей, между которыми бленкеры включены. Выпавший флажок бленкера показывает, в какой цепи следует искать повреждение.
Выпрямительные блоки выполнены в виде металлических шкафов каркасного типа с двойными, дверями спереди и сзади и съемными боковыми стенками. Внутри шкафов устанавливают съемные панели из изолирующего материала, на которых крепят вентили с охладителями. На каждой панели крепят вентили одной последовательной цепи.
Для обеспечения большей электрической прочности выпрямительного блока, уменьшения вероятности перекрытия между вентилями или их охладителями по воздуху размещение панелей с вентилями в шкафу производят таким образом, чтобы между ними по возможности была наименьшая разность потенциалов.
Внутри шкафа, с одной боковой стороны расположены шины переменного тока, к которым через делители тока подключаются параллельные ветви вентилей. Подвод анодных проводов от трансформатора к шинам может осуществляться как снизу, так и сверху. На другой боковой стороне расположена катодная шина с шунтом. Шкаф выпрямительного блока устанавливают таким образом, чтобы была возможность обслуживать его не только спереди и сзади, но и с боков.
Сверху шкафа установлен вентилятор, создающий поток охлаждающего воздуха, имеющего направление снизу вверх. На кожухе вентилятора установлено воздушное реле, контролирующее наличие потока охлаждающего воздуха.