В ряде важнейших областей техники нельзя обойтись без постоянного тока. Основными потребителями постоянного тока являются электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов
 Скачать 5.29 Mb.
|
 Рисунок 2.3 - Схема принципиальная кольцевого 12-пульсного выпрямителя группы диодов мостов слиты, образуя средние диоды цепочек, а высвободившиеся при слиянии диоды VD1-VD3 восстанавливают электрические связи, нарушенные при трансформации мостов. Для данной схемы соотношения между числами витков обмоток определены следующим образом  (2.46) ,(2.47)где K - коэффициент трансформации. При  установлены следующие соотношения между токами и напряжениями на входе и выходе выпрямителя (2.48) .(2.49)Анализ электромагнитных процессов в первичных и вторичных цепях данного ВА был проведен с использованием рядов Фурье. Получены волновые диаграммы токов, приведенные на рисунке 2.5, где, кроме того, показаны диаграммы линейных напряжений (Ua1b1, Ub1c1, Uc1a1, Ua2b2, Ub2c2, Uc2a2) и токов (i1…i6) во вторичных обмотках, сетевых токов iA, iB, iC и выпрямленного напряжения ud. Результаты приведены для случая, когда  . Из диаграмм (рисунок 2.4) нетрудно видеть, что в данном устройстве достигается оптимальная продолжительность работы вентильных обмоток, при которой обеспечивается хорошее использование типовой мощности трансформатора. Расчет показывает, что типовая мощность трехфазного трансформатора равна 1,029 от выпрямленной мощности ( ). Рисунок 2.4 - Волновые диаграммы двенадцатипульсного ВА Для расчетов вентильных конструкций необходимо знать величину обратных напряжений, прикладываемых к вентилям выпрямителя: для вентилей VD1… VD6  ;(2.50)- для вентилей VD7… VD12  .(2.51)Очевидно, что определенный интерес вызывает форма обратных напряжений, прикладываемых к вентилям рассматриваемого ВА. Форма напряжения для одного из вентилей анодной или катодной групп выпрямителя показана на рисунке 2.5,а. На рисунке 2.5,б показана форма напряжения, прикладываемого к одному из вентилей мостовой части выпрямителя, а на рисунке 2.5,в - форма напряжения на одном из вентилей кольцевой группы вентилей.  Рисунок 2.5 - Форма обратных напряжений, прикладываемых к вентилям: а - анодных и катодных групп; б - мостовой структуры; в - кольцевой группы. Видно, что длительность пребывания под максимальным обратным напряжением вентилей среднего эшелона, принадлежащих к мостовой группе вентилей, больше длительности работы под максимальным обратным напряжением вентилей кольцевой группы этого же эшелона. Режим работы вентилей анодной и катодной групп рассматриваемой вентильной конструкции ничем не отличается от режима работы аналогичных вентилей в обычном 12-пульсном выпрямителе с последовательным соединением трехфазных мостов. В реальном выпрямителе, учитывая коммутационные процессы (  ), соотношения (2.48, 2.49), а также волновые диаграммы, приведенные на рисунке 2.4 будут несколько иными, что может служить предметом дополнительных исследований. Вместе с тем, наличие углов коммутации не должно оказывать существенного воздействия на величину снижения потерь. Это связано с тем, что в предлагаемом ВА экономия электрической энергии обусловлена сокращением величины  , определяемой схемным решением; при этом электромагнитные процессы в обмотках силового трехфазного трансформатора T практически полностью соответствуют процессам в двенадцатипульсном ВА последовательного типа, с которым проведено сравнение.Осциллограмма выпрямленного напряжения (рисунок 2.5) свидетельствует о получении двенадцатипульсного выпрямления за период. Кривые токов вентильных обмоток ничем не отличаются от кривых токов в вентильных обмотках трансформатора 6-пульсного ВА, приведенных на рисунке 2.6. Таким образом, в данном устройстве действительно достигается эквивалентное двенадцатипульсное выпрямление. Следует отметить, что в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2.3, легко может быть осуществлена модернизация существующего оборудования двенадцатипульсных ВА с последовательным соединением трехфазных мостов, поскольку она не требует коренной переделки вентильных конструкций и сводит к минимуму соответствующие затраты.  Рисунок 2.6 - Кривая выпрямленного напряжения Ud, 10В/дел. В настоящее время на наземном городском электрическом транспорте и метрополитене широко используются серийно выпускаемые 6-пульсные ВА, состоящие из трехфазных трансформаторов и вентильных блоков, собранных по мостовым схемам выпрямления. Поэтому переход к схемам выпрямления с более высокой кратностью пульсаций возможен путем модернизации уже существующего оборудования, обладающего изначально заданными техническими параметрами и имеющего определенные конструктивные особенности узлов и деталей. С практической точки зрения наиболее предпочтительны такие схемы многопульсных ВА, которые могут быть построены на основе существующего оборудования и, по возможности, не требуют его коренной переделки. В соответствии с [5, 6] проведены соответствующие реконструкции тяговых подстанций железнодорожного транспорта и метрополитена, в ходе которых устанавливались трехфазно-шестифазные преобразовательные трансформаторы. Однако выпрямители были традиционно построены по трехфазным мостовым схемам, соединенным по выходу последовательно. При этом минимальное количество вентилей в цепи постоянного тока равно четырем, и не может быть уменьшено даже в случае использования современных силовых полупроводниковых приборов (СПП). Двенадцатипульсный ВА (рисунок 2.3), построенный в соответствии с новыми схемными решениями, позволяет сократить число СПП в цепи постоянного тока с четырех до трех, уменьшив потери активной мощности. Такой ВА может быть построен на основе имеющихся на тяговых подстанциях преобразовательных трансформаторов со схемой соединения вторичных обмоток "звезда" и "треугольник". При этом потребуется только реконструировать существующие вентильные сборки в соответствии с рассматриваемой топологией схемы выпрямителя, что сводит к минимуму затраты на модернизацию существующего оборудования. По отношению к номинальной мощности используемых ВА, суммарная экономия электроэнергии в таких выпрямителях может достигать 0,5…1,0 %. Учитывая абсолютную величину потерь электрической энергии, существенный экономический эффект может быть получен при модернизации двенадцатипульсных ВА на тяговых подстанциях магистральных электрических железных дорог. Выводы по главе Рассмотрены основные теоретические вопросы анализа схем выпрямления и на основании расчетов доказано преимущество многопульсного выпрямления. Дана сравнительная оценка схем двенадцатипульсных ВА с последовательным и параллельным соединением трехфазных мостов. Показано, что существующие способы построения многопульсных ВА не обеспечивают снижения потерь активной мощности в вентилях преобразователей и в этом отношении к настоящему времени себя исчерпали. Предложено применение простой и экономичной схемы двенадцатипульсного ВА, которая может быть легко реализована на действующем оборудовании существующих двенадцатипульсных ВА последовательного типа, например, на тяговых подстанциях электрического транспорта, без значительных затрат на их модернизацию. Обоснована возможность снижения потерь электроэнергии в ВА тяговых подстанций электрического транспорта на постоянном токе при оснащении их новыми вентильными структурами. Приведены основные формулы и соотношения, определенные топологическими особенностями рассматриваемых экономичных построений вентилей. 3. Определение потерь мощности в вентильных конструкциях мостовых и кольцевых 12-пульсных выпрямителей Для полной оценки технико-экономической эффективности выпрямителей необходимо рассчитать потери мощности в вентильных блоках. Потери обусловлены числом силовых полупроводниковых приборов (СПП) выпрямителя, их параметрами и конфигурацией цепей вентильной конструкции, схемой выпрямления и током нагрузки [28]. При расчете потерь определяющая роль принадлежит типу схемы выпрямления и особенностям построения вентильных конструкций. Далее будет рассматриваться порядок расчета числа СПП в вентильных плечах выпрямителей, собранных по последовательно-параллельным мостовым и кольцевым схемам. При расчетах потерь мощности в вентильных конструкциях 12-пульсного мостового выпрямителя, собранного по последовательно-параллельной схеме в качестве исходных данных примем данные, приведенные в [6]. .1 Требования к расчету числа силовых полупроводниковых приборов, соединенных в вентильном плече параллельно В работе [6], приведена (установленная на основании многолетних исследований и длительного опыта эксплуатации) величина тока глухого короткого замыкания IKm на выводах выпрямителя, собранного по схеме последовательного типа с вентильной конструкцией ТПЕД-3150-3,3К-У1 не превышающая 15 кА при теоретических данных от 10 до 25 кА. Отмечено, что при использовании со стороны переменного тока выпрямителя вакуумного выключателя полное время срабатывания защиты при глухом коротком замыкании на выводах выпрямителя составляет около 40 мс, что позволяет увеличить ток короткого замыкания на 35-40%. Это дает возможность снизить на одну треть число а параллельно включенных в вентильном плече ветвей, с 6 до 4. Учитывая процесс непрерывного совершенствования СПП, можно утверждать, что число a СПП в плече стремится к 2, то есть один из приборов способен взять на себя всю рабочую и аварийную нагрузку, а второй является резервным, причем в рабочем режиме нагрузку оба СПП делят пополам. При всех аналогичных расчетах необходимо учитывать, что возможная амплитуда тока через СПП не должна превышать IFSM, то есть должно соблюдаться соотношение  .(3.1).2 Требования к расчету числа силовых полупроводниковых приборов, соединенных в вентильном плече последовательно Перед проведением расчета числа СПП (s), соединенных в вентильном плече последовательно, необходимо определить рабочие обратные напряжения, прикладываемые к вентильному плечу при различных схемах выпрямления. В соответствии с результатами анализа электромагнитных процессов в известных мостовых схемах последовательного типа и новых кольцевых схемах с сокращенным числом вентильных плеч (раздел 2) составлена сводная таблица 3.1 с расчетными формулами. В таблице 3.1 UЛ - действующее значение линейного напряжения любой из симметричных трехфазных систем питающих напряжений. Для одного 12- пульсного выпрямителя последовательного типа Ud0 = 2,7 UЛ, а при параллельном соединении двух 12-пульсных секций через УР, Ud0 = 2,678 UЛ. Число s СПП класса К, соединенных последовательно, можно определить по известной из [14] формуле  (3.2)где U - амплитуда возможного перенапряжения на плече выпрямителя, кВ; 1+Δu -коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения на СПП вследствие неравномерного распределения обратного напряжения (при лавинных вентилях Δu = 0, в случае применения нелавинных вентилей обычно принимают Δu = 0,1);ИВ - коэффициент, равный отношению неповторяющегося напряжения URMS (или напряжения лавинообразования) к повторяющемуся URRM, определяющему класс СПП; ΔuL - величина, учитывающая влияние окружающей температуры на напряжение лавинообразования (при нелавинных вентилях ΔuL = 0);Р - число резервных СПП; SД - число, дополняющее результат вычислений до целого значения в сторону увеличения. Таблица 3.1 - Обратные напряжения, прикладываемые к СПП в мостовой и кольцевой схемах в номинальном рабочем режиме
Амплитуда возможного перенапряжения U зависит от характеристик устройств ограничения перенапряжений. Перенапряжения на шинах тяговой подстанции UШ сопровождаются перенапряжениями между анодами и катодами СПП. Они появляются вследствие включений сглаживающих устройств, отключения токов короткого замыкания, прихода волн перенапряжений со стороны контактной сети. Амплитуда этих перенапряжений ограничивается вентильными разрядниками до 8,5 - 9 кВ. Ограничение перенапряжения до величин меньших 2 Udo из-за неустойчивости разряда технически сложно. Так как перенапряжения превышают ЭДС выпрямителя, потенциалы катодов при воздействии перенапряжений выше потенциалов анодов, и выпрямитель в таком режиме по определению [29] как бы заперт. При этом, в отличие от рабочего режима, линейное напряжение вентильных обмоток распределяется равномерно между запертыми СПП. Амплитуды появляющихся перенапряжений UШ могут достигать нескольких десятков киловольт. При установке в анодные цепи разрядников, уменьшающих амплитуду и длительность перенапряжений, остаточные перенапряжения U′Ш не будут превышать пробивного напряжения разрядника UР или величины остающегося на нем напряжения:  .В нормальном рабочем режиме к каждому вентильному плечу приложено обратное напряжение, определяемое по формулам, приведенным в таблице 3.1. При перенапряжениях на шинах постоянного тока, когда СПП устройства заперты, максимальные значения линейных напряжений питающих трехфазных систем напряжений суммируются векторно и равномерно распределяются по запертым вентильным плечам. Максимум общего обратного напряжения UО, создаваемого питающими системами напряжений, можно определить в этом случае по формуле | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
при заданной пульсности
значение
120,5236 Ud0
121,0115 Ud0