В отличие от цеховых подстанций, на которых трансформируется энергия переменного тока напряжением выше 1 кВ в напряжение до 1 кВ с той же частотой 50 Гц, преобразовательные установки и подстанции предприятий преобразуют электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества, например трехфазный ток частотой 50 Гц - в трех- или однофазный ток повышенной или пониженной частоты, а также в постоянный.
Для получения постоянного тока из переменного используют кремниевые выпрямительные агрегаты.
Агрегаты состоят из трансформатора, выпрямительных блоков и другого, как правило, комплектного оборудования. Трансформаторы преобразовательных агрегатов питаются от 4УР (иногда и от 5УР) системы электроснабжения на переменном токе напряжением 6, 10 или 35 кВ.
Напряжение постоянного тока для внутрицеховых электроприемников общепромышленного назначения, включая краны, принимается равным 220 и реже 440 В. Для завода (цеха) целесообразно иметь одно основное напряжение постоянного тока, что облегчает рабочее проектирование, заказ и изготовление электрооборудования, улучшает условия эксплуатации и облегчает электроремонт. Обследование ряда крупных заводов показало, что даже на одном заводе используются напряжения постоянного тока: 110, 150, 275, 300, 325, 400, 450, 525, 600, 660, 700, 750,775, 825 В. Часть напряжений появляется по условиям управления электроприводом, и обычно такие преобразовательные подстанции и управление ими проектируются специалистами электропривода, оставляя за электроснабжением вопросы питания.
Для преобразовательных агрегатов применяют: трехфазную нулевую схему, шестифазную нулевую схему с уравнительным реактором и трехфазную мостовую схему преобразования. Преобразовательные агрегаты малой мощности имеют трехфазную нулевую схему.
При шестифазной нулевой схеме первичная обмотка питающего преобразователь трансформатора соединяется в звезду или треугольник, а вторичная — в две обратные звезды, нулевые точки которых соединены через уравнительный реактор. Средняя точка уравнительного реактора является отрицательным полюсом выпрямленного тока.
При трехфазной мостовой схеме первичная и вторичная обмотки преобразовательного трансформатора могут соединяться в звезду и в треугольник. Каждая фаза вторичной обмотки через вентили соединяется с положительным и отрицательным полюсами цепи постоянного тока. Каждый вентиль проводит ток в течение одной трети периода.
При трехфазной нулевой схеме вторичная обмотка трансформатора соединяется в звезду с выведенной нулевой точкой или в зигзаг с выведенной нулевой точкой. В первом случае первичная обмотка должна соединяться в треугольник, во втором - в звезду.
В настоящее время для полупроводниковых агрегатов с выпрямленным напряжением 330 В и выше, как правило, применяется трехфазная мостовая схема, а при меньших напряжениях - нулевая схема. Для агрегатов большой мощности с целью создания двенадцатифазного режима выпрямления трансформаторы выполняют с одной первичной и двумя или четырьмя вторичными обмотками. Одну половину вторичных обмоток соединяют в звезду, а вторую — в треугольник.
Для электролизных установок цветной металлургии и химической промышленности в основном применяют кремниевые выпрямительные агрегаты с номинальными вьпрямленными токами 12,5 и 25 кА. Значения КПД и коэффициента мощности не учитывают потерь в ошиновке агрегата и реактивного сопротивления питающей сети. Предполагается, что дроссели насыщения, если их используют, находятся в насыщенном состоянии - угол регулирования равен нулю. Каждый агрегат состоит из трансформатора, одного, двух или четырех выпрямительных блоков и другого комплектующего оборудования. При выпрямленных напряжениях 75 и 150 В применяется нулевая схема выпрямления с соединением вторичных обмоток трансформатора по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором. При выпрямленных напряжениях 300, 450, 600 и 850 В применяют трехфазную мостовую схему выпрямителя.
Выпрямительные блоки при нулевой схеме выполняются на номинальный ток 12,5 кА, а при трехфазной мостовой схеме — 6,25 кА. Каждое плечо трехфазного выпрямительного моста на ток 6,25 кА и каждая фаза выпрямителя на 12,5 кА при нулевой схеме имеет 19 или 20 параллельно включенных кремниевых вентилей соответствующего класса на номинальный ток 200 А. Последовательно с каждым вентилем включают быстродействующий предохранитель.
Трансформаторы выпрямительных агрегатов имеют переключающее устройство для регулирования напряжения под нагрузкой. Конструкция устройства РПН позволяет осуществлять ручное, дистанционное и автоматическое регулирование вторичного (выпрямленного) напряжения. Поскольку РПН осуществляет ступенчатое регулирование напряжения, агрегаты могут укомплектовываться дросселями насыщения. При наличии дросселей насыщения агрегаты обычно снабжают устройством для автоматической стабилизации тока.
Для электролизных установок выпускаются также мощные кремниевые выпрямительные агрегаты - 50 кА на 450 и 300 В и 63 кА на 850 В. Особенностью этих агрегатов можно считать их совмещенную конструкцию — выпрямительные блоки в них расположены в одной камере с трансформатором. Такая конструкция при большой единичной мощности агрегатов позволяет значительно уменьшить габариты преобразовательных подстанций и трудоемкость их монтажа. Большие выпрямительные токи требуют принудительного охлаждения вентилей в процессе работы, которое может быть воздушным, водяным и масляным.
Питание дуговых вакуумных и графитизированных электропечей также осуществляется выпрямленным током. Применение для вакуумных печей постоянного тока вместо переменного позволяет обеспечить более устойчивое горение дуги, высокий коэффициент мощности и равномерную нагрузку на питающую сеть (при двухэлектродной конструкции электропечи). Выпрямительные блоки в агрегатах дуговых вакуумных и графитизированных электропечей аналогичны выпрямительным блокам агрегатов для электролизных установок.
В установках для электрохимической обработки металлов (обезжиривание, травление, электрополировка, размерная обработка) и нанесения различных гальванических покрытий (меднение, хромирование, никелирование, цинкование и др.) используют кремниевые выпрямительные агрегаты с низкими номинальными выпрямленными напряжениями. Технологический процесс таких установок требует регулирования выпрямленного тока в широких пределах, что достигается путем регулирования выпрямленного напряжения. В связи с этим агрегаты выполняются на тиристорах, что позволяет получить широкий диапазон изменения выпрямленного напряжения и тока в автоматическом и ручном режимах.
Схемы и конструкции преобразовательных подстанций зависят от распределительных устройств переменного тока, преобразовательных агрегатов РУ выпрямленного тока. Преобразовательные подстанции часто совмещают с распределительными пунктами 6-10 кВ промышленных предприятий, и по схемам они отличаются от подстанций 4УР. В этом случае от РУ переменного тока наряду с преобразовательными агрегатами получают питание и другие цеховые потребители электроэнергии.
Преобразовательные подстанции электролизных установок по производству алюминия, магния и хлора построены обычно по схеме параллельного включения выпрямительных агрегатов (из-за необходимости больших значений выпрямленного тока). Для других производств с электролизерами, требующими меньшего тока, характерно применение одиночных выпрямительных агрегатов на каждый электролизер. Схемы питания преобразовательных подстанций строят в зависимости от числа параллельно работающих преобразовательных агрегатов и требований надежности электроснабжения. При небольшом количестве преобразовательных агрегатов (два-четыре) РУ переменного тока преобразовательной подстанции обычно имеет одиночную секционированную систему шин 6-35 кВ. При большом числе преобразовательных агрегатов и наличии потребителей I категории (на стороне постоянного тока) применяют РУ с двойной системой шин.
На промышленных предприятиях для питания цеховых сетей постоянного тока напряжением 230 В широко применяются комплектные выпрямительные полупроводниковые подстанции КВПП. Это подстанции, состоящие из силового трансформатора с кабельным вводом, выпрямительного шкафа, шкафа управления, защиты и сигнализации, РУ постоянного тока. Схема подстанции - шестифазная нулевая схема, на которой первичная обмотка трансформатора преобразователя соединена в звезду, а вторичная (вентильная) — в две обратные звезды, нулевые точки которых соединены через уравнительный реактор. Средняя точка уравнительного реактора - отрицательный полюс выпрямленного тока.
Для снижения выпрямленного напряжения при холостом ходе подстанции в шкафу управления устанавливают балластное сопротивление R, которое включается при отсутствии нагрузки и автоматически выключается контактором КМ при токе нагрузки, превышающем 1 % от номинального.
Конструкция КВПП допускает их открытую установку (без дополнительных ограждений) в помещениях с нормальной средой. РУ постоянного тока состоит из стандартных шкафов с двусторонним обслуживанием. Охлаждение выпрямительных шкафов - воздушное принудительное с помощью вентиляторов, установленных на шкафах. Конструкция РУ постоянного тока позволяет осуществлять вывод из шкафов РУ кабелем и шинами (шинопроводом типа ШМАД).
В настоящее время выпускается серия КВПП на ток 1000, 2500, 4000 и 6300 А и напряжение 230 В со стабилизацией и без стабилизации выходного напряжения, коэффициент полезного действия равен 96 %, коэффициент мощности 0,925.