1. Обоснование схемы выпрямления

В данном курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя (рис.1).

Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора – 0,95 против 0,8. Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе. Установленная мощность полупроводниковых приборов в обеих схемах одинакова, также во всех шестипульсовых схемах одинаков угол коммутации.

В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, несмотря на это, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.

А В С

U_1ф

I₁

S₁

ТП

U_2ф

I₂

VS4 VS1

VS6 VS3

UZ

VS2 VS5 Id

- +

I_G



СУ

Ld

Ud

ТД

Рис.1 Схема шестипульсового мостового управляемого выпрямителя

Шестипульсовая мостовая схема обладает рядом достоинств и недостатков в сравнении с другими трехфазными схемами выпрямления (в данном сравнении не рассматривается трехпульсовая нулевая схема выпрямления, так как она обладает гораздо худшими показателями, чем шестипульсовые и двенадцатипульсовые и на практике практически не применяется).

По сравнению с нулевой шестипульсовой схемой выбранная схема обладает следующими достоинствами:

1) Обратное напряжение, прикладываемое к плечу шестипульсовой мостовой схемы в 2 раза меньше, чем в нулевой (U_bm(мост) = 1.045 U_d, U_bm(нул) = 2.09 U_d ), что позволяет в первой схеме либо использовать диоды с меньшим обратным напряжением (в маломощных установках), либо использовать меньшее количество диодов и R-C цепей (которые применяются для выравнивания напряжений на последовательно соединенных СПП) в последовательном соединении в плече преобразователя (в мощных установках), а, следовательно, гораздо упростить конструкцию выпрямителя и уменьшить его стоимость;

2) Шестипульсовая мостовая схема при одной и той же полезной мощности P_d на выходе выпрямителя требует трансформатор с меньшей типовой мощностью, чем шестипульсовая нулевая (S_{T (мост)} = 1.05 P_d, S_{T (нул)} = 1.26 P_d), следовательно, коэффициент использования трансформатора в мостовой схеме выше (k_{u (мост)} = 0.95, k_{u (нул)} = 0.795); это достоинство позволяет уменьшить стоимость трансформатора в шестипульсовой мостовой схеме и повысить его надежность;

3) Конструкция трансформатора в мостовой схеме значительно упрощается в сравнении с нулевой, так как отпадает необходимость во второй вторичной обмотке; это позволяет снизить стоимость трансформатора;

4) Конструкция выпрямительной установки в мостовой схеме гораздо проще, чем в нулевой; это связано с отсутствием необходимости применения в мостовой схеме уравнительного реактора;

5) Внешняя характеристика шестипульсовой нулевой схемы имеет пик холостого хода из-за режима работы без уравнительного реактора в диапазоне нагрузок меньше критического значения, что является крайне нежелательным; поэтому для устранения пика х. х. применяют искусственный источник подмагничивания уравнительного реактора – утроитель частоты или же включают на выходе выпрямителя небольшую балластную нагрузку (это усложняет конструкцию выпрямителя, делает его менее надежным, более дорогостоящим и увеличивает потребляемую им мощность); данного недостатка лишена шестипульсовая мостовая схема выпрямления.

Недостатком шестипульсовой мостовой схемы по сравнению с нулевой является лишь то, что среднее значение тока плеча в мостовой схеме в 2 раза больше, чем в нулевой. Это приводит к необходимости применения в мостовой схеме диодов, рассчитанных на большие токи (в маломощных установках), или применение параллельного соединения диодов с последующим принятием мер по выравниванию токов в них (в мощных установках). А это усложняет конструкцию и стоимость агрегата и уменьшает его надежность.

По сравнению с двенадцатипульсовой мостовой схемой выпрямления шестипульсовая мостовая схема имеет следующие достоинства:

1) Конструкция трансформатора в шестипульсовой схеме гораздо проще, чем в двенадцатипульсовой (нет второй вторичной обмотки), поэтому он обходится дешевле и обладает меньшими габаритами;

2) Конструкция выпрямительной установки в шестипульсовой мостовой схеме проще, чем в двенадцатипульсовой, так как в ней применяется всего один выпрямительный мост; это снижает стоимость агрегата и повышает его надежность;

3) Количество плеч в шестипульсовой схеме в 2 раза меньше, чем в двенадцатипульсовой, что при одинаковых средних значениях тока плеча позволяет уменьшить количество используемых СПП в 2 раза; а это опять же более низкая стоимость и более высокая надежность;

4) Внешняя характеристика двенадцатипульсовой схемы выпрямления более жесткая, чем у шестипульсовой (так как сопротивление трансформатора в двенадцатипульсовой схеме в 2 раза меньше, чем в шестипульсовой).

Но перечисленные выше достоинства шестипульсовой мостовой схемы в сравнении с двенадцатипульсовой не могут перекрыть ее недостатки:

1) Двенадцатипульсовая схема выпрямления обладает лучшим качеством выпрямленного напряжения, чем шестипульсовая; это связано с отсутствием в выпрямленном напряжении двенадцатипульсовой схемы некоторых гармоник, которые есть в выпрямленном напряжении шестипульсовой схемы (показателем качества выпрямленного напряжения является коэффициент волнистости, который в двенадцатипульсовой схеме в 4 раза меньше: = 0.01, = 0.04);

2) В двенадцатипульсовой схеме ток, потребляемый из внешней сети имеет форму более близкую к синусоидальной, чем в шестипульсовой схеме (это опять же связано с отсутствием в первичном токе двенадцатипульсовой схемы некоторых гармоник, присутствующих в первичном токе шестипульсовой схемы); показателем степени искажения формы первичного тока является коэффициент искажения, который у двенадцатипульсовой схемы гораздо ближе к 1 (к идеалу), чем у шестипульсовой: k_{u (12)} = 0.98, k_{u (6)} = 0.955;

3) Обратное напряжение, прикладываемое к плечу шестипульсовой мостовой схемы в 2 раза больше, чем в двенадцатипульсовой (U_bm(6) = 1.045 U_d, U_bm(12) = 0.52 U_d ), что вынуждает в первой схеме либо использовать диоды с большим обратным напряжением (в маломощных установках), либо использовать большее количество диодов и R-C цепей (которые применяются для выравнивания напряжений на последовательно соединенных СПП) в последовательном соединении в плече преобразователя (в мощных установках); а это весьма усложняет конструкцию плеча выпрямителя;