1.3 Трансформаторно-тиристорное оборудование для регулирования параметров электроэнергии в цеховых сетях

На сегодняшний день существует значительное количество различных трансформаторно-тиристорных устройств и установок, позволяющих осуществлять регулирование параметров электроэнергии в цеховых электросетях на зажимах электроприемников. Выполнение этих функций необходимо для обеспечения надежной работы технологического электрооборудования, а также обеспечения электромагнитной совместимости этих электроприемников с питающей сетью.

1.3.1 Трансформаторно-тиристорные источники питания сварочных аппаратов и машин

Трансформаторно-тиристорные источники питания сварочных аппаратов представляют собой группу источников питания, в основе которых положен способ фазового регулирования тока. Основным узлом этих устройств является тиристорный фазорегулятор (ФР), работающий в комплекте с силовым трансформатором ФР состоит из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров и системы управления фазой их включения [57]. Способ фазового регулирования переменного тока основан на преобразовании синусоидального тока в знакопеременные импульсы, амплитуда и длительность которых определяются углом (фазой) включения тиристоров. Этот способ, широко используется в машинах контактной и шлаковой сварки, а также в дуговой сварке.

Разработан ряд конструкций трансформаторно-тиристорных источников питания [22, 57], обеспечивающих достаточно высокую стабильность горения дуги и позволяющих реализовать достоинства фазового регулирования тока: снижение массы; упрощение конструкции силового трансформатора и всего источника в целом; формирование внешних характеристик требуемого вида; стабилизация режима сварки при различных возмущениях; управление постоянной составляющей сварочного тока, обеспечение возможности автоматизации, программирования и модуляции режима сварки; обеспечение снижения выходного напряжения при холостом ходе.

Силовые схемы этих устройств разделяются по способу обеспечения непрерывности процесса сварки на: схемы с прерывистой формой тока сварки и схемы с цепью подпитки горения дуги. Тиристорный ФР может быть установлен в первичную или вторичную цепи.

В промышленных сварочных установках широкое распространение получили трансформаторно-тиристорные источники питания с прерывистым регулированием тока и импульсной стабилизацией. Это связано с тем, что применение цепи подпитки приводит к дополнительному расходу активных материалов из-за использования дополнительного коммутатора в цепи подпитки, предназначенного для снятия напряжения холостого хода. Относительно низкая скорость нарастания тока подпитки при смене полярности обусловливает невысокие сварочные качества таких источников. На рисунке 1.2 приведены варианты схем трансформаторно-тиристорных источников питания с прерывистым режимом сварочного тока.

Рисунок 1.2 – Схемы трансформаторно-тиристорных источников питания с прерывистым режимом сварочного тока и импульсной стабилизацией

Трансформатором такого типа (с тиристорным регулированием) является, в частности, однофазный однопостовой трансформатор ТДФЖ-2002, предназначенный для автоматической дуговой сварки сталей под флюсом переменным током промышленной частоты.

Также, к этому типу оборудования относятся трансформатор сварочный с тиристорным регулированием ТДФЖ-1002, трансформаторы серии ТДЭ (например, ТДЭ-202 «Каскад», ТДЭ-250 «Урал»), сварочный полуавтомат ПДГ-202 "Каскад", источники питания машин контактной сварки серии МТП и ряд других сварочных установок.

1.3.2 Электроустановки для повышения ПКЭ в цеховых сетях

Эксплуатация мощных технологических электроустановок в промышленных цехах (металлургических, металлообрабатывающих, электролизных и других) приводит к возникновению искажений ПКЭ и снижению качества электроэнергии в цеховых электросетях.

Для компенсации возникаемых искажений и повышения параметров качества электроэнергии созданы и продолжают разрабатываться различные устройства и установки, в том числе и бесконтактного трансформаторно-тиристорного типа, с целью обеспечения электромагнитной совместимости технологического электрооборудования с питающей сетью. Достаточно полная классификация силовых устройств этого типа приведена в литературных источниках [83, 86].

Среди них можно выделить, устройства регулирования напряжения под нагрузкой с тиристорно-контактным способом коммутации отводов (УРПН с ТКУ). Этот класс устройств исследовался в работах В.В. Порудоминского [66, 67], С.С. Окуня [58], Б. Ю Алтунина [3 - 5, 83], В.А. Сучкова [2], К. А. Липковского [47] и другими авторами, в том числе и зарубежными [123].

Отмечается [86], что одним из широко применяемых в СНГ и Европе является УРПН типа РС-4 (фирма Elprom-Energo), с номинальными токами от 200 до 630 А и напряжением ступени 3 кВ.

Известна группа устройств – управляемые подмагничиванием шунтирующие реакторы (УШР), которые позволяют осуществлять стабилизацию напряжения, компенсацию реактивной мощности, повышать надежность эксплуатации и снижать потери в ЛЭП и распределительных сетях. Серия таких устройств (РТУ, РУОМ) всего диапазона мощностей (от сотен кВА до сотен МВА) и всех классов напряжений (от 6 кВ до 500 кВ) разработана группой компаний ОАО «Электрические управляемые реакторы ЭЛУР», ОАО «Запорожтрансформатор», ОАО «Энергия-Т». На текущий момент в эксплуатации находится более 100 таких устройств, в частности шунтирующий УШР типа РТУ-25000/110 мощностью 25 МВА и напряжением 110 кВ введен в эксплуатацию в сентябре 1999 года на подстанции «Кудымкар» Пермэнерго и в более поздние сроки на ряде других подстанции России. УШР типа РТС мощностью 1,5 МВА напряжением 10 кВ, включенный параллельно конденсаторной батарее, на металлургическом заводе в городе Электросталь находится в эксплуатации около 8 лет. В состав УШР входит управляемый тиристорный выпрямитель с питающим трансформатором, образующие полупроводниковый преобразователь (ПП), предназначенный для регулирования величины постоянного тока в обмотке управления электромагнитной части (реактор) путем изменения значения выпрямленного напряжения преобразователя. Все устройство ПП выполнено или в виде единого изделия, расположенного в одном (или двух) маслонаполненных баках, или размешено в одном баке с электромагнитной частью, или часть устройства размещена в навесных баках на баке электромагнитной части.

В качестве регуляторов реактивной мощности используются различные варианты статических тиристорных компенсаторов (СТК). Они применяются для снижения потерь в ЛЭП, продольной и поперечной компенсации электропечных установок в цехах [82] и для электрифицированных железных дорог [13]. Принцип действия СТК состоит в подключении с помощью тиристоров батареи конденсаторов параллельно с нагрузкой для компенсации индуктивной составляющей тока нагрузки. Одним из производителей СТК в России является ОАО «Электровыпрямитель». Это предприятие изготавливает СТК в виде серии силовых тиристорных блоков СБ ТКРМ на действующее напряжение до 1050 В, и номинальный ток в длительном состоянии до 1400 А (применяются отечественные тиристоры Т163-1000-42-71 УХЛ2, смонтированные на охладителях с вентиляторами). Управление СБ ТКРМ осуществляется совместно от микропроцессорной системы управления (СУ ТКРМ) на базе микроконтроллера Atmega128 (тактовая частота 16 Мгц) и микропроцессорной системы управления релейной защиты и автоматики (СУРЗА) на базе микропроцессора совместимого с архитектурой intel х86 и тактовой частотой 200 МГц.

Существуют бесконтактные трансформаторно-тиристорные регуляторы ПКЭ, применимые для цехов, например:

– трансформаторно-тиристорный компенсатор отклонений напряжения и реактивной мощности [61], построенный на базе коммутатора вольтдобавочного трансформатора в виде преобразователя амплитуды и фазы напряжения, со звеном постоянного тока и двухсторонним обменом энергии;

– устройство для регулирования трехфазного напряжения на силовых интеллектуальных модулях [62]. Регулирование трехфазного напряжения выполняется способом высокочастотной широтно-импульсной модуляции напряжения вольтодобавки. Установка содержит трехфазный трансформатор, первичная обмотка которого через трехфазный реверсивный тиристорный коммутатор подключена к сети, а вторичная включена в цепь нагрузки. Коммутатор выполнен на четырех трехфазных интеллектуальных модулях и одном запираемом тиристоре. Два из указанных модулей включены по схеме трехфазных ключей на симметричных тиристорах, а два другие - по схеме тиристорных выпрямительных мостов, шунтированных запираемым тиристором. Модули включаются прерыванием тока в первичной обмотке трехфазного трансформатора посредством запираемого тиристора. Устройство, выполненное с минимальным количеством запираемых тиристоров, обеспечивает плавное регулирование напряжения на нагрузке вверх и вниз относительно напряжения сети в заданном диапазоне.

– устройство для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции [63]. Установка предназначена для стабилизации трехфазного напряжения на высокой стороне главного трансформатора подстанции. Агрегат содержит преобразователь со звеном постоянного тока и вольтодобавочный трансформатор, вторичная обмотка которого через преобразователь подключена к нагрузке, а его первичная обмотка включена последовательно с первичной обмоткой главного трансформатора. Устройство обеспечивает компенсацию отклонения напряжений на входе трансформаторной подстанции без сдвига фазы напряжения на нагрузке.

Также известно бесконтактное устройство, разработанное фирмой ВВС (Швейцария) для регулирования напряжения путем использования специального питающего трансформатора, вспомогатепьного вольтодобавочного трансформатора и тиристоров, включаемых в различных комбинациях, [86]. Диапазон устройства составляет ±40 степеней регулирования.

В работах В.П. Кириенко [40], Е.А. Копеловича [42] и других авторов приводятся теоретические и экспериментальные исследования силовых трансформаторно-тиристорных фильтров для компенсации неактивных составляющих мощности.

Таким образом, на сегодняшний день существует достаточно много устройств позволяющих регулировать показатели качества электроэнергии. Наиболее эффективными и целесообразными для применения и возможной дальнейшей модернизации считаются устройства, обладающие микропроцессорной системой управления. Такие устройства широко разрабатываются, в настоящее время, для различных типов элетроприемников и позволяют значительно улучшить показатели качества электроэнергии.