4.3. Основные направления в совершенствовании конструкций электрических аппаратов.
Одним из современных направлений развития электрических аппаратов является совершенствование и создание полупроводниковых аппаратов. Этому способствует интенсивное развитие силовых полупроводниковых элементов – транзисторов и тиристоров, а также микросхемотехники. Использование полупроводниковых элементов позволяет значительно повысить износостойкость и быстродействие создаваемых аппаратов, а также расширить их функциональные возможности.
В настоящее время полупроводниковые реле находят все большее применение в различных электротехнических устройствах и изделиях автоматики, в частности: для коммутации в силовых цепях электродвигателей постоянного и переменного тока; в управляющих устройствах систем автоматического управления; в импульсных источниках питания, быстродействующих системах защиты и т. д.
Весьма перспективным является использование твердотельных реле (оптико - электронное устройство, в котором слаботочный сигнал управления передается через оптический канал и переключает мощное выходное электронное устройство).
Рекуперативное торможение. При рекуперации на электровозах переменного тока, как и на электровозах постоянного тока, тяговые двигатели работают в генераторном режиме, преобразуя кинетическую и потенциальную энергию поезда в электрическую постоянного тока. Чтобы передать эту энергию в контактную сеть, ее необходимо преобразовать в электрическую энергию переменного тока. Этот процесс называется инвертированием. Если выпрямительную установку электровоза переменного тока собрать из тиристоров, она может быть использована и как инвертор. Инвертирование, как и выпрямление, осуществляют по различным схемам. Принцип инвертирования на примере мостовой схемы (рисунок 75, а).
Рисунок 75. Принципиальная схема инвертора
Для осуществления рекуперации тяговые двигатели переводят в генераторный режим, обеспечивая их независимое возбуждение. Одновременно изменяют полярность обмоток якорей для того, чтобы направление генерируемого тока соответствовало прямой проводимости тиристоров. Для этого необходимо установить соответствующее направление тока в обмотках возбуждения ОВ. Напряжение от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, подводится к инвертору, плечи которого соединены по схеме моста. В диагональ моста включена вторичная обмотка тягового трансформатора Т. Чтобы передать электрическую энергию в контактную сеть, необходимо, прежде всего, обеспечить прохождение тока двигателя, работающего в режиме генератора, через вторичную обмотку Н2-К2. Ток в ней должен быть направлен встречно по отношению к напряжению в этой обмотке. Если в первый полупериод напряжение во вторичной обмотке действует слева направо, тогда генерируемый ток проходит справа налево. Для этого необходимо открыть тиристоры VS2 и VS4, а в следующий полупериод - тиристоры VS1 и VS3 и т. д. Так как частота тока в контактной сети равна 50 Гц, то в течение 1 с нужно 100 раз менять направление тока в обмотке Н2-К2. Необходимо, чтобы напряжение, наводимое в первичной обмотке трансформатора, было бы несколько выше напряжения в контактной сети. Только при этом ток из первичной обмотки трансформатора пойдет в контактную сеть. Очень важная особенность инвертирования: тиристор закрыть при прохождении через него тока нельзя, поэтому, если, допустим, были открыты тиристоры VS1 и VS3, а затем в начале следующего полупериода откроются тиристоры VS2 и VS4, то образуются две короткозамкнутые цепи: через вентили VS1,VS4 и через VS2,VS3. Произойдет опрокидывание инвертора. Во избежание короткого замыкания необходимо подать импульс, открывающий тиристоры VS2,VS4 до момента, в который изменяющееся синусоидально напряжение во вторичной обмотке достигнет нулевого значения (рисунок 75, б). Угол ß, отсчитываемый от момента открытия этих тиристоров до момента, в который напряжение U2 становится равным нулю, называют углом опережения открытия вентилей. В следующий полупериод должны быть открыты с тем же углом опережения тиристоры VS1, VS3 и т. д.
Преобразователи, установленные на электровозе ВЛ80р, являются управляемыми выпрямителями в тяговом режиме работы электровоза и инверторами в режиме рекуперативного торможения. Эксплуатация электровозов ВЛ80р показала, что среднее количество электрической энергии, возвращаемой в контактную сеть, составляет 10-14 % от расходуемой в тяговом режиме на Дальневосточной дороге и 7-10 % на других дорогах. Контакты высоковольтных аппаратов должны выдерживать десятки миллионов включений и отключений. Чтобы повысить износостойкость контактов и уменьшить время замыкания и размыкания их на электровозах и электропоездах, в цепях управления начали применять герметичные контакты – герконы.
Рисунок 76. Схема геркона: 1,3 – пластина; 2 – катушка; 4 - баллон
Они выполнены в виде пластин из железоникелевого сплава и размещены в баллоне (стеклянный или из другого материала), заполненном азотом с примесью водорода или гелия при давлении от 1·105 до 4·105 Па. При возбуждении катушки или нахождения в зоне действия постоянных магнитов контакты замыкаются. Когда разомкнута цепь катушка или пластины находятся вне действия поля постоянных магнитов, контакта разомкнуты вследствие упругости пластин. Для повышения надежности контакты покрывают тонким слоем золота, радия или серебра. Износостойкость герконов, размещенных в инертном газе, на два порядка выше, чем обычных контактов, работающих на открытом воздухе, а время срабатывания и размыкания в 3 раза меньше, чем у контактов с пневматическим, электромагнитным или электродвигательным приводом.