1 Принцип работы преобразователя

1.1 Описание схемы и режим работы

В настоящее время 52% преобразователей электрических железных дорог РФ работает по этой схеме.

Шестипульсовые схемы выпрямления имеют существенные недостатки: относительно низкий коэффициент мощности, искаженную форму кривой потребляемого тока и, как следствие, низкое качество электрической энергии, значительное влияние тяговых токов на смежные линии связи.

На рисунке 1 изображены сложная шестипульсовая схема параллельного типа и векторная диаграмма вторичных напряжений. Данная схема – это результат соединения двух трехпульсовых секций. Конструктивное отличие секций в том, что одна из них собрана на вентильных обмотках, соединенных в прямую звезду (в точку О1 собраны начала обмоток), а другая – на обмотках, соединенных в обратную звезду (в точку О2 собраны концы обмоток). В результате вектора напряжений соответствующих фаз оказываются в противофазе друг другу, что обуславливает симметричную систему векторов со сдвигом в . Уравнительный реактор включается между нулевыми точками О1 и О2 звезд и обеспечивает параллельное соединение секций. Из вентилей с общим катодом в данный момент открыт тот, который имеет максимальны потенциал на аноде. В рассматриваемой схеме следует открыть два вентиля, а это возможно достичь, если на анодах у них выровнять потенциалы и оставить большими по сравнению с потенциалами на анодах других вентилей. Вот эту задачу и выполняет уравнительный реактор.

Рассматриваемый преобразователь предназначен для работы в устройствах электроснабжения электрических железных дорог постоянного тока. Выпрямители тяговых подстанций разработаны в соответствии со специфическими требованиями, обусловленными характером тяговой нагрузки (переменная и циклическая), пиковыми нагрузками и перегрузками в нормальном, утяжеленном и аварийном режимах работы подстанции, коммутационными и атмосферными перенапряжениями, способами охлаждения и установки, климатическими условиями, качеством преобразования электроэнергии, экономичностью и эксплуатационной надежностью.

Выходное напряжение выпрямителей для подстанций магистральных железных дорог определяется напряжением в контактной сети и при номинальной нагрузке составляет 3.3 кВ, а максимальное напряжение в контактной сети не должно превышать 4 кВ. Выпрямители должны выдерживать перенапряжения.

Рисунок 1 – Сложная нулевая схема параллельного типа и векторная диаграмма вторичных напряжений

1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов

Для анализа электромагнитных процессов рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений, изображенные на рисунке 2, при условии, что коммутация тока происходит мгновенно (=0).

Выпрямленное напряжение равно полусумме напряжений нечетной и четной звезд. Секции схемы работают независимо друг от друга; коммутация тока идет между вентилями одной секции.

Рисунок 2 – Временные диаграммы электромагнитных процессов в сложной нулевой схеме с УР

2 Расчёт основных параметров схемы преобразователя

2.1 Расчёт напряжений на элементах схемы

Исходным для определения напряжений на обмотках трансформатора и вентильных плечах является среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе преобразователя (U_d0).Определить его можно из уравнения внешней характеристики (формула 1).

, (1)

где U_d – среднее за период значение выпрямленного напряжения при токе I_d;

A – коэффициент наклона внешней характеристики (А = 0,5);

u_к – напряжение короткого замыкания трансформатора.

Так как известно U_d = U_{d ном.} при I_d = I_{d ном.}, то

, (2)

Разница между значениями U_d0 и U_dном. учитывает потери напряжения в обмотках трансформатора, обусловленные их индуктивным сопротивлением и процессом коммутации тока. С целью учёта потерь напряжения в активных сопротивлениях обмоток, вентилях, токоведущей ошиновке и дополнительном оборудовании целесообразно округлить U_d0 в большую сторону, увеличив его на 1-3%.

В.

Действующее значение напряжения на фазе вентильной обмотки U₂ зависит от схемы выпрямителя и от U_d0. Величину этого напряжения можно рассчитать исходя из соотношений между U₂ и U_{d 0}:

, (3)

, (4)

В,

В.

Коэффициент трансформации трансформатора:

, (5)

где U₁ и U₂ - действующие значения фазного напряжения сетевой и вентильной обмоток трансформатора.

Напряжение на вентильном плече определяется линейным напряжением вторичных обмоток. Надёжность работы полупроводниковых вентилей определяется максимальным линейным напряжением на вентильном плече:

, (6)

В

(7)

Напряжение на УР при частоте имеет амплитуду:

(8)

2.2 Расчёт токов в цепях схемы

Условия работы вентильного плеча определяются максимальным I_v.макс. и средним I_v.ср. значениями токов, их расчёт ведется через заданный номинальный ток в режиме выпрямителя I_{d ном.}.

, (9)

А.

, (10)

где λ – продолжительность проводящего состояния вентильного плеча (λ = );

А.

Действующие значения токов вентильной и сетевой обмоток определяются из соотношений между ними и током выпрямителя:

, (11)

, (12)

, (13)

, (14)

2.3 Расчёт мощностей трансформатора

Отличительными особенностями трансформаторов преобразователей являются:

- различное число фаз сетевой и вентильной обмоток;

- нестандартная величина напряжения на вентильной обмотке;

- неодинаковые мощности сетевой S₁ и вентильных S₂ обмоток.

Мощности обмоток рассчитываются следующим образом:

, (15)

ВА.

, (16)

ВА.

Условная мощность:

, (17)

Вт.

Трансформатор преобразователя характеризуется типовой мощностью, которая в общем случае определяется по выражению:

(18)

(19)

ВА

ВА.

Проверить правильность расчётов можно с помощью соотношений мощностей обмоток, типовой мощности трансформатора и условной мощности.

.

.

2.4 Расчёт продолжительности коммутации тока

Процесс преобразования электрической энергии представляет собой регулярное чередование внекоммутационных и коммутационных интервалов в пределах каждого периода сетевого напряжения.

Обобщенное для всех схем и режимов выражение, определяющее , имеет вид:

, (20)

где – искомый угол коммутации;

– угол регулирования (в неуправляемом режиме =0);

Xв – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к напряжению вентильных обмоток,

, (21)

Ом.

Угол коммутации в неуправляемом режиме (α = 0):

,

3 Выбор типа трансформатора

Трансформатор преобразователя должен обеспечить реализацию заданной схемы, надёжность и экономичность агрегата.

Первичная обмотка трансформатора и подведённая питающая система имеют 3 фазы, номинальное линейное напряжение 110 кВ.

Схема вентильных обмоток выбранного трансформатора должна соответствовать заданной. Отсутствие в обозначении сведений о схемах и группах соединения вторичных обмоток требует, чтобы при выборе трансформатора они были указаны дополнительно

Мощность трансформатора должна обеспечивать надёжную работу преобразователя во всём диапазоне нагрузок.

На тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного и переменного тока в настоящее время только масляные трансформаторы с естественным и принудительным охлаждением.

Исходя из выше перечисленных условий для работы преобразователя, будет использоваться трансформатор ТДРУНГ-20000/110. Это трёхфазный трансформатор, предназначенный для выпрямителей тяговой подстанции с одноступенчатой трансформацией напряжения. Охлаждение обмоток осуществляется посредством естественной циркуляцией масла.

Мощность сетевой обмотки – 12,5 МВА

Напряжение сетевой обмотки – 110 кВ

Схема и группа соединения обмоток – Δ/YY обр – 11-5

Схема выпрямления преобразователя – m=6 нулевая

Номинальное фазное напряжение вентильной обмотки – 3400 В

Потери короткого замыкания – 90 кВт

Потери холостого хода – 35 кВт

Напряжение короткого замыкания – 12,6%

Ток холостого хода – 2,3%

Масса – 59,0 т

Номинальное напряжение преобразователя – 3,3 кВ

Номинальный ток преобразователя – 3,0 кА

4 Проект вентильной части преобразователя

4.1 Определение параметров вентиля

Вентильная часть преобразователя состоит из полупроводниковых вентилей (диодов), соединённых в плечи и секции; охладителей для отвода тепла от вентилей в окружающую среду; несущие конструкции и конструктивные узлы.

В настоящее время на тяговых подстанциях эксплуатируются преобразователи, созданные на базе обычных диодов и обычных тиристорах. Вентильные конструкции выпрямителя состоят из диодов типа Д143-1000, выполненных с охладителями О243-150, работающих при естественном охлаждении.

Нагрузочную способность силовых полупроводниковых вентилей характеризует максимально допустимый средний прямой ток – среднее за период значение прямого тока, протекающего в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180˚, когда при установившемся тепловом состоянии температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода – максимально допустимой. Использование приборов в конкретной схеме с отличающимися условиями приведет к изменению максимально допустимого прямого тока диода по сравнению с приведенным в обозначении данного типа вентиля, необходимо это учесть при сравнении с расчетным значением тока вентиля.

Таблица 1 – Параметры вентиля типа Д143-1000 с охладителем О 243-150

Обозначение	Наименование	Значение
IFAVmax	максимально допустимый средний прямой ток, А	1000
URRM	повторяющееся импульсное обратное напряжение, В	1600
IFSM	ударный неповторяющийся прямой ток (ударный ток), кА	20
UFM	импульсное (амплитудное) прямое напряжение, В	1,55
U(ТO)	пороговое напряжение, В	0,9
rT	дифференциальное прямое сопротивление (динамическое сопротивление), мОм	0,26
Tjm	максимально допустимая температура p-n-перехода, ˚C	190
Rthjc	тепловое сопротивление «переход – корпус», ˚C/Вт	0,034
Rthha	тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда», °C/Вт	0,25
Rthch	тепловое сопротивление «корпус – контактная поверхность охладителя», °C/Вт	0,01
Z(th)tjc	переходное тепловое сопротивление «переход – корпус», °C/Вт	0,04
Z(th)tha	переходное тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда», °C/Вт	0,02

4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях

Для оценки реальной нагрузочной способности вентиля рассчитывается максимальное значение среднего прямого тока вентиля I_FAVm (формула 23) в заданных условиях, для этого необходимо знать тепловое сопротивление «переход – окружающая среда», которое определяется по формуле (22).

, (22)

ºС/Вт.

, (23)

где k_ф – коэффициент формы кривой тока, зависящий от характера нагрузки и схемы преобразователя, k_ф = 1,73;

T_а – температура охлаждающей среды, обычно принимается +40ºС.

При расчёте мощности потерь в вентиле, обусловленной током предварительной нагрузки, необходимо оговорить величину этого тока (формула 25) и предварительно определить число вентилей, соединяемых в плече параллельно (формула 24).

, (24)

где I_{v ср.} – средний ток вентильного плеча;

I_{FAV m} – максимально допустимый средний прямой ток;

k_i – коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между вентилями и принимаемый обычно 0.8 – 0.85.

.

Наиболее тяжёлым будет режим при номинальном токе до наступления перегрузки, то есть при

, (25)

Мощность потерь в вентиле, обусловленная током предварительной нагрузки

, (26)

Температура перехода в результате нагревания его током предварительной нагрузки определяется как

, (27)

ºC.

Переходное тепловое сопротивление «переход-среда»

, (28)

ºC/Вт

Критериями оценки работоспособности полупроводниковых приборов являются перегрузочные характеристики и ударный неповторяющийся ток. Исходными данными для расчёта перегрузочных характеристик являются тип прибора, тип охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.

Допустимый ток перегрузки

, (29)

Вентильные конструкции должны выдерживать и аварийные перегрузки, в том числе сохранять исправность при режиме короткого замыкания. Способность вентилей характеризуется неповторяющимся ударным током I_FSM – током, при котором превышается максимально допустимая температура перехода, но который протекает ограниченное время и в единичных случаях за весь срок службы прибора. Нормируется ударный неповторяющийся прямой ток в виде однополупериодного синусоидального или одиночного импульса длительностью 10 мс.

Этот ток сравнивается с расчётным ударным током короткого замыкания в схеме преобразователя, определяемым по формуле (30).

, (30)

где u_к – напряжение короткого замыкания трансформатора;

u_{к. с.} – напряжение короткого замыкания, эквивалентное сопротивлению питающей системы с мощностью короткого замыкания S_{к. з. с.}.

, (31)

%.

Ударное значение тока короткого замыкания

, (32)

4.3 Расчет группового соединения вентилей

В преобразователях большой мощности, как правило, приходится использовать групповое соединение силовых полупроводниковых вентилей с целью обеспечения нагрузочных режимов и необходимой надёжности.

Если I_{V ср.} > I_FAV, I_Vпер. > I_F(OV) или I_уд. > I_FSM, то приходится применять параллельное соединение приборов. Аналогично, если U_{V макс.} > U_RWM или U_{V повт.} > U_RRM или U_{V неповт.} > U_RSM, то применяют последовательное соединение приборов.

Расчёт числа параллельно соединяемых вентилей ведётся по трём режимам:

1. номинальной нагрузки (формула 24)

,

;

2. технологической перегрузки

, (33)

где I_{V пер.} – максимальное значение тока вентильного плеча при перегрузке;

k_п – коэффициент перегрузки, k_п = 2,5;

, (34)

А.

;

3. короткого замыкания

; (35)

.

Таким образом, диоды в вентильных плечах соединены параллельно по 2 вентиля.

Число последовательно соединяемых вентилей в плече схемы также ведётся по трём режимам:

1. расчетному

, (36)

где U_Vмакс. – максимальное обратное напряжение на вентильном плече;

U_RWM – рабочее обратное напряжение одного вентиля,

, (37)

В;

k_U – коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение напряжения, часто принимается 0,9;

;

2. по повторяющимся (коммутационным) перенапряжениям

; (38)

где U_{V пов} – регулярно повторяющиеся перенапряжения на плече, определённые процессами в схеме,

, (39)

, (40)

В;

U_RRM – напряжение класса;

;

3. по неповторяющимся перенапряжениям

, (41)

где U _Vнепов. – неповторяющееся аварийное перенапряжение,

, (42)

, (43)

В;

U_RSM – неповторяющееся обратное напряжение, допустимое на один вентиль,

, (44)

В;

n – число последовательных плеч в схеме, включенных на выпрямленное напряжение, n = 1;

.

В параллельных ветвях вентили соединены последовательно по 9 диодов.

Общее число потребных вентилей

, (45)

где p – число вентильных плеч;

.

Схема вентильного плеча изображена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема вентильного плеча

5 Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя

Схема, показывающая способ соединения вентильной части преобразователя с обмотками трансформатора, а также основные элементы электроустановки (коммутационные аппараты и защитное оборудование), соединенные в такой последовательности, которая выполнена в реальных условиях, называется схемой главных электрических соединений преобразователя.

При проектировании преобразователя кроме выбора трансформатора и расчета вентильной части необходимо предусмотреть следующие коммутационные аппараты и защитное оборудование:

1) высоковольтные выключатели для производства оперативных и аварийных переключений под нагрузкой со стороны как переменного, так и постоянного тока;

2) разъединители для обеспечения безопасности производства ремонтно-наладочных работ;

3) измерительные трансформаторы, шунты и добавочные сопротивления для подключения средств измерения и защиты;

4) токоведущие конструкции (шины) для подключения преобразователя к шинам переменного и постоянного напряжения и для соединения выводов трансформатора с вентильными плечами;

5) ограничители перенапряжений (ОПН) или разрядники для защиты от воздействия атмосферных и коммутационных перенапряжений, возникающих как в тяговой сети и питающих линиях переменного тока, так и при включениях и отключениях преобразователей, включениях сглаживающего фильтра, отключениях токов к. з. и опрокидываний.

Условия выбора аппаратов и шин:

аппараты и шины выбираются по назначению и способу установки (наружная или внутренняя);

аппараты и изоляторы – по номинальному напряжению аппарата (U_ном.ап) в сравнении с номинальным напряжением установки (U_{ном.уст}) при усло-вии, что ;

аппараты и токоведущие шины – по допустимому току (I_ном.ап) в сравнении с номинальным рабочим током цепи (I_{ном.уст}) при условии, что .

Наименование выбранных коммутационных аппаратов, защитного оборудования и токоведущих шин, место их установки, основные параметры и позиционные обозначения сводим в таблицу 2. Схема главных электрических соединений приведена на рисунке 4.

Таблица 2 – Перечень элементов главных электрических соединений преобразователя

Позиционное обозначение	Наименование	Место установки	ККол-во	Номинальное напряжение, кВ		Номинальный ток, А
				Uном.ап	Uном.уст	Iном.ап	Iном.уст
Высоковольт. шины на перемен.напр.	Прямоугольные шины АДО 15 x 3 1 полоса	Сетевая сторона, переменное напряжение	3	–	–	165	58,6
Высоковольт. шины на перемен.напр.	Прямоугольные шины АДО 60 x 6 1 полоса	Вентильная сторона, переменное напряжение	3	–	–	870	866,03
Высоковольт. шины на постоян.напр.	Прямоугольные шины АДО 120 x83 2 полосы	Сторона постоянного напряжения	2	–	–	3350	3000
Q	ВГТ-110-40/2500 У1 Выключатель элегазовый	Сетевая сторона, переменное напряжение	1	110	110	2500	58,6
QS1	Горизонтально поворотный разъединитель наружной установки SGF123	Сетевая сторона, переменное напряжение	1	110	110	1600	58,6
QF	Быстродействующий катодный выключатель ВАБ-49-4000/30-К-УХЛ4	Сторона постоянного напряжения	1	3,3	3,3	4000	3000
QS2	Разъединитель внутренней установки РВПТЗ-3/4000 УХЛ 2	Сторона постоянного напряжения	1	3,3	3,3	4000	3000
R1	Ограничитель ОПН-3УХЛ1	Между выводами вентильных обмоток и средней точкой УР	6	3,0	3,3	–	–
ТА1-2	Трансформатор тока TG 145	Сетевая сторона, переменное напряжение	2	110	110	300	58,6
PA	Амперметр М 151 с наружным шунтом 75 ШСМ 25 мкОм	Сторона постоянного напряжения	1	–	–	3000	3000
RS	Шунт 75 ШСМ 25 мкОм	Сторона постоянного напряжения	1	–	–	3000	3000
PV	Вольтметр М 151 с добавочным резистором Р103 1333 кОм	Сторона постоянного напряжения	1	4,0	3,3	–	–
R3	Добавочный резистор Р103 1333 кОм	Сторона постоянного напряжения	1	4,0	3,3	–	–

R1

R2

C

Рисунок 4 – Схема главных электрических соединений шестипульсового нулевого выпрямителя параллельного типа

6 Диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя

Результаты расчета и принцип работы преобразователя в заданном режиме иллюстрируются диаграммами электромагнитных процессов.

Из всех вентилей в данный момент открыт тот, который имеет положительный и максимальный потенциал на аноде.

Выпрямленное напряжение равно полусумме напряжений нечетной и четной звезд.

(46)

В схеме ток нагрузки проходит одновременно овентилям двух фаз, а при коммутации по вентили трех фаз.

Во время коммутации тока работают вентили трех фаз, напряжения коммутирующих фаз одной звезды становятся одинаковыми, что вызывает уменьшение напряжения вступающей в работу фазы и увеличение напряжения другой фазы на величину:

(47)

При этом напряжение на уравнительном реакторе так же изменяется на эту величину, а выпрямленное напряжение на половину

На диаграммах обозначаем следующие соотношения:

,

,

Уравнительный реактор попадает под напряжение, равное разности фазных различных звезд. Это напряжение имеет утроенную частоту по сравнения с частотой питающего напряжения.

Рисунок 5 – Временные диаграммы напряжения и тока в нулевой 6-пульсовой схеме

7 Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии

7.1 Качество выпрямленного напряжения

Выпрямленное напряжение содержит не только постоянную составляющую, но и переменную, причем, чем последняя меньше, тем выше качество электроэнергии, отдаваемой преобразователем. Это качество зависит от схемы преобразователя и от нагрузки. В курсовой работе исследуется лишь зависимость качества напряжения от схемы, следовательно, оно рассчитывается при холостом ходе (х.х.).

В кривой выпрямленного напряжения при симметричных и синусоидальных напряжениях питающей сети содержатся гармонические составляющие следующего порядка

n = k m (48)

где k = 1, 2, 3, 4,…;

m – число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения.

Действующее значение каждой гармоники определяется по выражению

(49)

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения характеризует результирующее влияние всех гармоник и определяется по формуле (при  = 0):

(50)

Качество выпрямленного напряжения определяется коэффициентом полной волнистости. Для неуправляемого выпрямителя

(51)

Сделаем расчет для первой гармонической составляющей:

Действующее значение первой гармоники:

Аналогично считаются действующие напряжения для остальных гармоник до 36-ой. Результаты расчетов заносятся в таблицу 6.

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения:

Аналогично делается расчет для остальных гармоник, и результат заносится в таблицу 6.

Коэффициентом полной волнистости:

Результаты расчетов представим в виде таблицы 3.

22

Таблица 3 – Результаты расчета действующего значения переменной составляющей выпрямленного напряжения и коэффициента полной волнистости преобразователя

Неуправляемый выпрямитель
n		Ud0n, В	U2d0n, В
6	0,0404	142,31	20252,22
12	0,0099	34,83	1213,21
18	0,0044	15,42	237,80
24	0,0025	8,66	75,04
30	0,0016	5,54	30,70
36	0,0011	3,85	14,79
21823,75 В
147,73 В
ωd0 = 0,042

7.2 Качество сетевого тока

Форма кривой тока, потребляемого выпрямителем из сети или возвращаемого инвертором, несинусоидальна и содержит гармонические составляющие с порядковым номером

(52)

где k = 0, 1, 2, 3, …

Если принять  = 0 и X_d = , то доля каждой гармоники I_1(n1) от основной или первой (f = 50 Гц) гармоники тока I₁₍₁₎

(53)

а действующее значение полного сетевого тока

(54)

Показателем качества этого тока является коэффициент формы кривой сетевого тока

₀ (55)

характеризующий совершенство схем.

После преобразований из уравнений (54) и (55) можно получить формулу для определения коэффициента формы кривой сетевого тока:

(56)

Расчет произведем до 37-й гармоники. Результаты расчета следует сравниваются с теоретическими данными.

7.3 Внешняя характеристика

Большое значение для оценки эффективности преобразователя, особенно предназначенного для устройств электрической тяги, имеет внешняя характеристика, устанавливающая зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки: U_d = f(I_d).

Для выпрямительного режима работы уравнение внешней характеристики имеет вид:

(57)

Построим внешнюю характеристику для неуправляемого выпрямительного режима ( = 0). Для этого составим таблицу значений тока и напряжения.

Таблица 4 – Внешняя характеристика шестипульсовой нулевой схемы

	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
	3557	3477,62	3433,26	3388,87	3344,49	3300,11

U_d

Рисунок 6 – Внешняя характеристика шестипульсовой схемы преобразователя параллельного типа

7.4 Характеристика коэффициента мощности

Коэффициент мощности показывает долю активной мощности P₁ от полной S₁, потребляемой выпрямителем с данной схемой в зависимости от нагрузки, т. е.

. (58)

Расчетным выражением для определения коэффициента мощности, справедливым для выпрямительного режима, является следующее:

, (59)

Смысл аргумента косинусной функции – угол сдвига первой гармоники сетевого тока относительно кривой питающего напряжения.

Рассчитаем коэффициент мощности. При этом k_ф можно считать постоянным, а величину I_d изменять, каждый раз определяя  с учетом I_d и режима работы.

Результаты расчетов сведем в таблицу 5.

Таблица 5 – Результаты расчета коэффициента мощности преобразователя

	Неуправляемый выпрямитель
	, гр.	
0,2	12,83	0,953
0,4	18,19	0,947
0,6	22,32	0,941
0,8	25,83	0,934
1,0	29,10	0,928

Построим по данным таблицы 5 характеристику

χ

Рисунок 7 – Характеристика коэффициента мощности

7.5 Характеристика коэффициента полезного действия

Характеристика коэффициента полезного действия (КПД) показывает отношение мощности P_d, отдаваемой выпрямителем нагрузке в данном режиме работы, к активной мощности Р₁, потребляемой из питающей сети. Расчетным выражением для определения КПД будет следующее:

, (60)

где P_d – мощность на стороне постоянного тока,

P_d = U_d I_d , (61)

P – активные потери в схеме преобразователя;

P_т – потери мощности в трансформаторе (потерями в уравнительном реакторе можно пренебречь),

, (62)

где P_х.х – потери холостого хода трансформатора;

P_к.з – потери короткого замыкания трансформатора;

P_в – потери мощности в вентилях преобразователя,

, (63)

где n_a – число параллельных секций, в сложных схемах параллельного типа n_a = 2, в остальных n_a = 1;

P_с.н – потери мощности в устройствах собственных нужд преобразователя, включающие потери в системах управления и охлаждения, а также в устройствах защиты;

P_р – потери мощности в сглаживающем реакторе,

P_р = R_p I_d², (64)

где R_p – активное сопротивление обмотки реактора.

КПД преобразователя необходимо рассчитать для нескольких значений тока I_d (0,2 I_dном, 0,4 I_dном, …, 1,0 I_dном).

Потери мощности P_с.н не зависят от схемы и режима преобразователя, поэтому допустимо в курсовой работе их не учитывать, или принять равными 0,5% P_d при токе I_d = I_dном. Так как в курсовой работе не выбирается сглаживающий реактор, то потери мощности P_р также можно не учитывать.

Произведем расчет для

,

,

,

,

,

Аналогично делаются расчеты для , , , .

Результаты расчета КПД преобразователя для заданного режима работы необходимо представить в виде таблицы 6.

Таблица 6 – Результаты расчета КПД преобразователя

Id, А	Ud, В	Pd		Pт			Pв	P	
		кВт			А	В	кВт		-
600	3477,62	2086,57	3,6	38,6	5400	0,939	5,07	43,67	0,9793
1200	3433,26	4119,89	14,4	49,4	10800	0,978	10,56	59,96	0,9856
1800	3388,86	6099,96	32,4	67,4	16200	1,017	16,48	83,88	0,9861
2400	3344,49	8026,78	57,6	92,6	21600	1,056	22,81	115,41	0,9857
3000	3300,11	9900,34	90	125	27000	1,095	29,57	154,57	0,9845

Построим графически зависимость .

η

Рисунок 8 – Характеристика КПД преобразователя

Заключение

В данном курсовом проекте спроектирован шестипульсовый нулевой выпрямительный преобразователь параллельного типа с уравнительным реактором, предназначенный для тяговых подстанций электрических железных дорог.

В результате выполнения дано описание проектирования шестипульсового преобразователя, вычислены основные параметры схемы, выбраны трансформатор, коммутационная аппаратура и тиристоры с охладителями, рассчитано групповое соединение вентилей, определены показатели качества электроэнергии, построены диаграммы электромагнитных процессов и эксплуатационные характеристики.

Спроектированный преобразователь включает в себя трансформатор ТДРУНГ-20000/110, 108 диодов Д143-1000 с охладителями О243-150. Основные параметры и соотношения, рассчитанные для схемы выпрямителя, а именно максимально допустимый средний прямой ток и допустимый ток перегрузки велики, следовательно, в процессе эксплуатации преобразователь сгорит. Хотя и эксплуатационные характеристики, определяющие качество электроэнергии, соответствуют удовлетворительным значениям. Из выше перечисленного можно сделан вывод, что спроектированный выпрямитель не пригоден для эксплуатации.

Шестипульсовые схемы выпрямления имеют существенные недостатки: относительно низкий (при современных требованиях) коэффициент мощности, искаженную форму кривой потребляемого тока и, как следствие, низкое качество электрической энергии, значительное влияние тяговых токов на смежные линии связи.

Рассмотренная схема выпрямления применяется на большинстве тяговых подстанций. Ее особенность – в получении шестипульсового напряжения при удовлетворительном использовании трансформатора. Однако полное сравнение технико-экономических показателей этой схемы говорит не в ее пользу и дальнейшее ее применение при полупроводниковых вентилях не оправдано.