Типы преобразовательных агрегатов

Высоковольтная сеть переменного тока подводит к тяговым подстанциям трехфазный ток напряжением 6, 10, 35, 110 или 220 кВ. На тяговых подстанциях участков железных дорог, электрифицированных на переменном токе, преобразовательными агрегатами служат трансформаторы, преобразующие трехфазный ток в однофазный напряжением 27,5 кВ той же частоты. На тяговых подстанциях постоянного тока для железнодорожного транспорта (3300 В) и метрополитенов (825 В) устанавливают преобразовательные агрегаты, преобразующие переменный трехфазный ток в . постоянный соответствующего напряжения. Таким образом, на тяговых подстанциях всегда имеются силовые преобразовательные агрегаты, назначение которых — преобразовывать трехфазный ток высокого напряжения, получаемый от энергосистемы, в ток соответствующего рода (однофазный, постоянный) и напряжения (27,5 кВ, 825 и 3300 В) для питания электрического подвижного состава.
Силовые трансформаторы на тяговых подстанциях однофазного тока являются самостоятельными преобразовательными агрегатами. Трехфазный ток подводится к первичным обмоткам трансформатора, соединенным в звезду, а от вторичных обмоток, соединенных в треугольник, получает питание контактная сеть. На тяговых подстанциях постоянного тока силовой трансформатор является частью преобразовательного агрегата. Здесь трехфазный ток также подводится к первичным обмоткам трансформатора, а его вторичные обмотки присоединяют к выпрямителю по различным схемам выпрямления..На выводах агрегата со стороны выпрямителя получают постоянный или, вернее, пульсирующий выпрямленный ток.
Выбор типа и схемы соединения преобразователя зависят от его технико-экономических показателей. При одинаковой надежности в эксплуатации выбирают наиболее экономичный преобразователь, т. е. преобразователь с наименьшими первоначальной стоимостью и потерями энергии и минимальными расходами на эксплуатацию.
В первый период развития электрической тяги на тяговых подстанциях применялись вращающиеся преобразователи: двигатель генераторы и одноякорные преобразователи.
Двигатель-генератор представляет собой агрегат, состоящий из двух независимых одна от другой в электрическом отношении машин, связанных между собой механически (муфтой). В тяговом режиме двигатели, получая питание от сети переменного тока, вращают генераторы постоянного тока, которые в свою очередь питают подвижной состав через тяговую сеть. При рекуперативном режиме электровозов, т. е. когда тяговые двигатели работают в генераторном режиме, генераторы постоянного тока на подстанциях получают питание от сети и начинают работать как двигатели. Двигатели переменного тока в этом случае работают как синхронные генераторы и отдают преобразованную избыточную энергию рекуперации в сеть переменного тока.
Одноякорный преобразователь представляет собой электрическую машину постоянно-переменного тока. От обычной машины постоянного тока он отличается тем, что кроме коллектора (сторона постоянного тока) имеет кольца, к которым подведены соответствующие выводные обмотки. В зависимости от числа пар полюсов машины и колец можно создать одноякорный преобразователь на различное число фаз.
В настоящее время не применяют вращающихся преобразователей, которые по сравнению со статическими имеют низкий кпд (0,85—0,8 при номинальной нагрузке и еще более низкий при малых нагрузках) и из-за больших габаритов и массы требуют для установки много места и тяжелых фундаментов.
Вместо них до 1970 г. на тяговых подстанциях железных дорог и метрополитенов в качестве преобразователей переменного тока в постоянный широко применялись ртутные выпрямители. Современные многофазные выпрямители состоят из вентилей — однофазных выпрямительных элементов.
Ртутный вентиль представляет собой герметический сосуд, в котором поддерживается низкое давление порядка 0,13—0,2 Па. Внутри сосуда расположены аноды и ртутный катод. Действие ртутного вентиля в качестве преобразователя основано на том, что при низком давлении внутри сосуда достаточно приложить к аноду положительное (по отношению к катоду) напряжение, чтобы началось движение электронов. Вблизи анода происходит ионизация газа и при наличии положительного напряжения возникает дуга между ним и катодом. Эта дуга является проводником электрического тока внутри вентиля. Если напряжение анода по отношению к катоду отрицательное — дугового разряда не произойдет, движения электронов не будет и ток через вентиль не потечет. Указанные свойства используют для выпрямления тока, т. е. преобразования переменного тока в постоянный.
Вначале отечественная промышленность выпускала многоанодные откачные ртутные выпрямители, где в одном корпусе помещались шесть анодов, а вакуум создавался путем непрерывной откачки газов из корпуса выпрямителя посредством специальных насосов.
В дальнейшем заводы начали выпускать одноанодные ртутные выпрямители, где каждый анод помещался в отдельном корпусе. Эти выпрямители имели ряд преимуществ перед многоанодными. Так, расстояние между анодом и катодом у них меньше, чем у многоанодных выпрямителей, что приводит к уменьшению падения напряжения в дуге и потерь электроэнергии, делает работу вентиля более устойчивой. Значительно упрощается переборка и ремонт, так как каждый вентиль можно ремонтировать отдельно. Централизуется ремонт в специализированных мастерских. На подстанциях создается подготовленный резерв вентилей, что позволяет в короткий срок заменить неисправный вентиль и ввести агрегат в работу.
Следующим этапом усовершенствования ртутных выпрямителей явилось создание запаянных вентилей, из которых воздух откачивался на заводе-изготовителе. Преимуществом их перед откачными явилось отсутствие насосной системы и ртутных паров, оказывающих вредное действие на здоровье обслуживающего персонала.
Последние типы ртутных выпрямителей как откачных (разборных), так и запаянных, снабжали управляющими сетками, позволяющими регулировать напряжение выпрямленного тока и используемыми также для электрозащиты при обратных зажиганиях.
В дальнейшем большое распространение получили полупроводниковые преобразовательные агрегаты, которыми в настоящее время оборудованы практически все тяговые подстанции.