Сравнение характеристик выпрямителей

Схема двенадцатипульсового мостового выпрямителя

Схема шестипульсового мостового выпрямителя (схема Ларионова)

Схема шестипульсового мостового выпрямителя представлена на рис. 3.11. В схеме три вентиля (VD2, VD4, VD6) объединены в катодную группу, а три других (VD1, VD3, VD5) – в анодную. В любой момент времени ток проводят два вентиля – один в анодной и один в катодной группе. На схеме указано направление тока i _d для случая, когда наибольшее положительное напряжение на фазе а, наибольшее отрицательное напряжение на фазе с, ток проводят вентили VD1 и VD2. Очерёдность вступления в работу остальных вентилей соответствует их номерам. В схеме используется выпрямительный агрегат ПВЭ-5.

Рис. 3.11. Схема шестипульсового мостового выпрямителя

Выпрямленное напряжение на выходе схемы на холостом ходу составляет

, (3.22)

где U _2Л, U _2Ф – соответственно действующее значение линейного и фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Средний ток вентиля

. (3.23)

Максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле равно амплитуде линейного напряжения:

. (3.24)

Ток в фазе первичной и вторичной обмоток трансформатора

, . (3.25)

Типовая мощность трансформатора

. (3.26)

Временная диаграмма работы шестипульсового мостового выпрямителя представлена на рис. 3.12. Коммутация вентильных токов происходит только между вентилями одной группы. В результате продолжительность работы каждого вентиля 120⁰ Эл, и частота пульсаций выпрямленного напряжения в шесть раз больше частоты питающей сети (50 × 6 = 300 Гц).

Рис. 3.12. Временная диаграмма работы шестипульсового мостового выпрямителя

Как видно из временной диаграммы работы, токи в обмотках трансформатора имеют симметричную форму в положительный и отрицательный полупериоды синусоиды, следовательно, подмагничивания сердечника трансформатора не происходит.

Трёхфазная мостовая схема выпрямления широко используется в различных отраслях техники. В отличие от схем с общим проводом она обладает лучшими технико-экономическими показателями: эффективным использованием трансформатора по мощности (S _T = 1,05 P _d), малой величиной обратного напряжения на закрытом вентиле (U _b.max = 1,045 U _d), отсутствием резкого повышения выходного напряжения на холостом ходу. Однако форма тока в обмотках трансформатора при соединении по схеме «звезда-звезда» носит импульсный характер с паузой в 1/3 часть полупериода синусоиды, что снижает коэффициент мощности выпрямителя.

Чтобы получить непрерывный ток в обмотках трансформатора можно применить соединение обмоток по схеме «звезда-треугольник» (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Схема мостового выпрямителя с соединением обмоток трансформатора «звезда-треугольник»

Рис. 3.14. Временная диаграмма работы схемы

Из временной диаграммы видно, что ток в обмотках трансформатора при включении «звезда-треугольник» стал непрерывным.

Выпрямленное напряжение на выходе схемы на холостом ходу составляет

, (3.27)

где U ₂ – действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, поскольку при включении обмотки в «треугольник» U _2Л = U _2Ф.

Средний ток вентиля такой же, как и в мостовой схеме при включении обмоток «звезда-звезда»

. (3.28)

Максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле равно амплитуде напряжения вторичной обмотки:

. (3.29)

Ток в фазе первичной и вторичной обмоток трансформатора

, . (3.25)

Типовая мощность трансформатора будет такой же, как и при соединении вторичных обмоток в «звезду»

. (3.26)

Включение обмоток трансформатора по схеме «звезда-звезда» и «звезда-треугольник» позволяют на базе шестипульсовых мостовых схем построить многопульсовые (двенадцати, двадцатичетырёх и т.д.) схемы.

Двенадцатипульсовый мостовой выпрямитель представляет собой схему, содержащую два шестипульсовых мостовых выпрямителя, подключённые к вторичным обмоткам трансформатора, одна из которых включена по схеме «звезда», а другая – «треугольник». Вторичные обмотки трансформатора образуют две трёхфазные схемы со сдвигом фаз 30⁰ Эл. Получение такого фазового сдвига поясняет рис. 3.15.

Рис. 3.15. Получение сдвига фаз 30⁰ Эл при совместной работе двух вторичных обмоток, включённых по схеме «звезда» и «треугольник»:

а) векторная диаграмма обмотки по схеме «звезда»; б) векторная диаграмма обмотки по схеме «треугольник»; в) результирующий фазовый сдвиг 30⁰ Эл

Схема двенадцатипульсового выпрямителя с последовательным включением двух шестипульсовых мостовых выпрямителей представлена на рис. 3.16. В схеме используется выпрямительный агрегат ТПЕД.

Рис. 3.16. Схема двенадцатипульсового выпрямителя

Выпрямленное напряжение на выходе схемы на холостом ходу составляет:

, (3.27)

где U _2Y = U _2Ф – действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, соединённой в «звезду».

При заданном значении U _d0 можно определить требуемые напряжения фаз вторичных обмоток трансформатора (для выпрямителя магистральных железных дорог):

В; В.

Средний ток вентиля, как в любой мостовой схеме

. (3.28)

Максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле равно амплитуде линейного напряжения одного моста:

. (3.29)

Токи в фазах вторичных обмоток трансформатора:

; . (3.30)

Ток в фазе первичной обмотки

. (3.31)

Типовая мощность трансформатора

. (3.32)

Временная диаграмма работы двенадцатипульсового выпрямителя представлена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Временная диаграмма работы двенадцатипульсового выпрямителя

Из временной диаграммы видно, что форма кривой тока первичной обмотки трансформатора гораздо больше приближена к форме синусоиды, чем в остальных рассмотренных выпрямителях.

Соотношение S _Т/ P _d двенадцатипульсовой схемы на 2% меньше, чем у шестипульсовой мостовой схемы, и на 23% меньше, чем в схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором».

Если рассмотреть формулу (3.31) в общем виде, то для схем выпрямления с m пульсами действующее значение тока первичной обмотки трансформатора можно записать в виде:

. (3.33)

Из формулы (3.33) следует, что с ростом числа пульсаций уменьшается действующее значение тока первичной обмотки при неизменном токе нагрузки выпрямителя I _d. Если также учесть, что в схемах с большим числом пульсов мощность постоянного тока в нагрузку отдаётся при меньшем значении I _d из-за более высокого уровня напряжения U _d, то потери мощности в трансформаторе ещё более уменьшаются.

Качество потребляемого выпрямителем от сети тока характеризуется коэффициентом искажения формы тока n:

, (3.34)

где - действующее значение тока первой гармоники сетевого тока.

Следовательно, коэффициент искажения формы тока:

. (3.35)

В шестипульсовых выпрямителях n = 0,955, в двенадцатипульсовых - n = 0,988.

Возрастание коэффициента искажения формы тока с увеличением m свидетельствует об улучшении формы кривой тока и о снижении отрицательного влияния высших гармоник на качество электрической энергии в энергосистеме.

Сравнение характеристик различных схем выпрямителей показывает, что наиболее важным показателем является использование преобразовательного трансформатора по мощности – S _Т/ P _d. Наилучшей по данному показателю является двенадцатипульсовая схема выпрямления.

Таблица 3.1

Сравнительные характеристики различных схем выпрямителей

Схема выпрямителя (тип выпрямительного агрегата)	П							Установленная мощность вентилей
Трёхпульсовая		1,17	0,58	0,47		2,09	1,35	2,09 × Рd
Две обратные звезды с уравнительным реактором (ПВЭ-3)		1,17	0,29	0,41		2,09	1,26	2,09 × Рd
Шестипульсовая мостовая (ПВЭ-5)		2,34	0,82			1,045	1,05	2,09 × Рd
Двенадцатипульсовая (ТПЕД)		4,68				0,522	1,027	2,09 × Рd

П – число вентильных плеч выпрямителя.

Следует также отметить, что установленная мощность вентилей получается одинаковой для всех схем выпрямителей, то есть общее число вентилей зависит только от требуемой мощности P _d. Различие по виду схемы заключается только в количестве параллельно и последовательно соединённых вентилей в вентильном плече. Это обстоятельство позволяет использовать выпрямительные агрегаты ПВЭ-5 как в шестипульсовой мостовой схеме, так и в схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором» вместо устаревших агрегатов ПВЭ-3, а ТПЕД – в любой схеме выпрямителя.

3.7. Вентильная часть двенадцатипульсового выпрямителя ТПЕД-3150-3,3к–У1 и особенности схемы главных электрических соединений

С 1983 года выпускается выпрямитель ТПЕД-3150-3,3к–У1 (Тяговый Полупроводниковый с Естественным охлаждением на Диодах, номинальный ток нагрузки I _dн = 3150 А, номинальное напряжение 3,3 кВ, климатическое исполнение для Умеренного климата 1 категории), предназначенный для размещения на открытой части подстанции (вне здания).

В комплект выпрямителя входят шесть шкафов с диодами, в каждом шкафу установлено по 48 диодов. Принципиальная электрическая схема одного шкафа представлена на рис. 3.18.

а)

б)

Рис. 3.18. Схема одного шкафа выпрямителя ТПЕД-3150-3,3 к:

а – принципиальная электрическая схема; б – расположение выводов (вид сверху);

С1, С2 – конденсаторы К75-15 0,1 мкФ х 16 кВ; R1-R6 – резисторы ПЭВ-100 47 Ом

Вентильные плечи выпрямителя собраны из таблеточных диодов ДЛ133-500-14, установленных на охладителях О243-150.

На крыше шкафа размещено шесть проходных изоляторов, через которые система шин соединяет вентильные плечи с трансформатором и сборными шинами подстанции.

Схема главных электрических соединений выпрямительного агрегата ТПЕД для двенадцатипульсовой схемы выпрямителя представлена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Схема главных электрических соединений выпрямительного агрегата ТПЕД для двенадцатипульсовой схемы выпрямителя

Аналогичные схемы главных электрических соединений можно выполнить для шестипульсовой мостовой схемы и для схемы «две обратные звезды с уравнительным реактором» (Приложение 1).

В качестве тягового (преобразовательного) трансформатора для двенадцатипульсовой схемы выпрямителя применяется ТРДП-12500/10ЖУ1. Общая масса трансформатора составляет 24 200 кг, масса масла – 5800 кг.

В настоящее время производственным объединением НИИЭФА-ЭНЕРГО выпускаются модернизированные двенадцатипульсовые выпрямительные агрегаты для систем тягового электроснабжения железных дорог, метрополитенов и городского электрифицированного транспорта. Выпрямители выполнены в варианте для внутренней установки в помещении тяговой подстанции на базе электротехнических шкафов, несущий каркас которых используется в качестве внутреннего контура заземления.

Внешний вид выпрямительного агрегата В-МПЕД-3,15к-3,3к производства НИИЭФА-ЭНЕРГО представлен на рис. 3.20.

а)	б)

Рис. 3.20. Внешний вид выпрямительного агрегата В-МПЕД-3,15к-3,3к для внутренней установки производства НИИЭФА-ЭНЕРГО: а – общий вид; б – вид на монтаж диодов

Характеристики выпрямительных агрегатов производства НИИЭФА-ЭНЕРГО для магистральных железных дорог и метрополитена представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2.

Характеристики выпрямительных агрегатов В-МПЕД-3,15к-3,3к для магистральных железных дорог и В-МПЕД-1,6к-825 для метрополитена

Параметр	Тип выпрямителя
В-МПЕД-3,15к-3,3к	В-МПЕД-1,6к-825
Номинальное входное линейное напряжение, Y/D, В	1305 / 1305	658 / 658
Номинальная частота питающей сети, Гц
Номинальное выпрямленное напряжение, В
Номинальный выпрямленный ток, А
Перегрузки по току: -в течение 15 мин один раз в 2 часа; -в течение 2 мин один раз в час; -в течение 10 с один раз в 2 мин	£ 1,25 Iном £ 1,5 Iном £ 2 Iном
Ток термической стойкости с полным временем отключения защитой не более 0,25 с, кА	³ 25	³ 12,5
Номинальный ток электродинамической стойкости силовых цепей, кА
Амплитуда перенапряжений на шинах постоянного тока, кВ	£ 9	£ 1,6
Номинальное напряжение питания собственных нужд переменного тока 50 Гц, В
Мощность питания собственных нужд, Вт	£ 200	£ 200
Суммарная мощность тепловых потерь, кВт	£ 16	£ 8
Коэффициент полезного действия	³ 99,6%	³ 99,3%
Габаритные размеры: длина х глубина х высота	1455х1520х2800 мм	1010х1460х2400 мм
Масса, кг
Установленный срок службы	25 лет

Контрольные вопросы

1. Перечислите схемы трёхфазных выпрямителей. Какие типы преобразовательных агрегатов используются в той или иной схеме?

2. Приведите расчётные формулы для определения напряжения U _d, тока вентильного плеча I _d, токов обмоток I ₁ и I ₂, напряжения на закрытом вентильном плече U _b.max и соотношения мощностей S _Т/ P _d для трёхпульсового выпрямителя.

3. Какую часть периода синусоиды открыт вентиль в схеме трёхпульсового выпрямителя? Поясните на примере графика временных диаграмм.

4. Из-за чего происходит подмагничивание сердечника трансформатора в трёхпульсовой схеме выпрямителя?

5. Приведите расчётные формулы для определения напряжения U _d, тока вентильного плеча I _d, токов обмоток I ₁ и I ₂, напряжения на закрытом вентильном плече U _b.max и соотношения мощностей S _Т/ P _d для выпрямителя «две обратные звезды с уравнительным реактором».

6. Какую часть периода синусоиды открыт вентиль в схеме выпрямителя «две обратные звезды с уравнительным реактором»? Поясните на примере графика временных диаграмм для режимов условного холостого хода и режима параллельной работы.

7. Для чего в схеме выпрямителя «две обратные звезды с уравнительным реактором» применяется уравнительный реактор?

8. Чем достигается отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора в схеме выпрямителя «две обратные звезды с уравнительным реактором»?

9. Приведите расчётные формулы для определения напряжения U _d, тока вентильного плеча I _d, токов обмоток I ₁ и I ₂, напряжения на закрытом вентильном плече U _b.max и соотношения мощностей S _Т/ P _d для шестипульсового мостового выпрямителя.

10. Какую часть периода синусоиды открыт вентиль в схеме шестипульсового мостового выпрямителя? Поясните на примере графика временных диаграмм.

11. Нарисуйте схему шестипульсового мостового выпрямителя. Укажите путь прохождения тока через вентили при мгновенных значениях напряжения на вторичных обмотках трансформатора + u _a, - u _c; (+ u _b, - u _c; + u _c, - u _a).

12. Для чего применяется включение вторичных обмоток «в треугольник» в схеме шестипульсового мостового выпрямителя?

13. В чём состоит преимущество трёхфазной мостовой схемы выпрямления перед схемами с общим проводом – трёхпульсовой и «две обратные звезды с уравнительным реактором»?

14. Приведите расчётные формулы для определения напряжения U _d, тока вентильного плеча I _d, токов обмоток I ₁ и I ₂, напряжения на закрытом вентильном плече U _b.max и соотношения мощностей S _Т/ P _d для двенадцатипульсового выпрямителя.

15. В чём состоит преимущество двенадцатипульсовой схемы выпрямления перед остальными схемами выпрямителей?

16. Нарисуйте схему двенадцатипульсового мостового выпрямителя. Укажите путь прохождения тока через вентили при мгновенных значениях напряжения на вторичных обмотках трансформатора + u _a, - u _c, +x, -z; (+ u _b, - u _c +y, -z; + u _c, - u _a+z, -x).

17. Докажите, что установленная мощность вентилей не зависит от схемы выпрямителя.

18. Как достигается универсальность применения выпрямительного агрегата ТПЕД в различных схемах выпрямления?

19. Расшифруйте обозначение выпрямительного агрегата ТПЕД-3150-3,3 кВ.

Дата добавления: 2014-01-07