Содержание материала

Преобразователи в зависимости от их назначения работают в разнообразных режимах. Технологические процессы в той или иной отрасли народного хозяйства предъявляют специфические требования к конструкции трансформатора, к способам и диапазону регулирования выпрямленного напряжения и тока. Однако во всех случаях отклонение напряжения от номинального значения существенно влияет на технико-экономические показатели работы электрических установок. В условиях эксплуатации возникает необходимость поддерживать выпрямленное напряжение постоянным или меняющимся по определенному закону, а также стабилизировать в ряде случаев выпрямленный ток. Регулирование напряжения позволяет обеспечить наивыгоднейший режим работы установок, повысить коэффициент мощности, снизить потери энергии. В каждом конкретном случае способ регулирования напряжения выбирают, исходя из особенностей технологического процесса, для которого проектируется преобразователь. Рассмотрим кратко требования, предъявляемые к регулированию напряжения и тока различных типов преобразователей.
Наиболее мощными и энергоемкими потребителями постоянного тока являются электролизные установки. Они имеют ряд особенностей: процесс электролиза непрерывен, параллельно работают несколько выпрямителей. Процесс электролиза состоит в основном из двух этапов: режима пуска и установившегося технологического режима. Колебания напряжения источника питания во многих случаях приводят не только к уменьшению объема производства, но и к ухудшению качества и появлению брака продукции. Длительное снижение напряжения вызывает уменьшение тока, повышение удельного расхода электрической энергии, уменьшение производительности электролизных ванн, что в конечном счете удорожает продукцию.

Рис. 1.18. Внешняя характеристика преобразователя по схеме две обратные звезды с уравнительным реактором

Электролизные установки относятся к ответственным потребителям электрической энергии, и к ним предъявляются жесткие требования в отношении бесперебойности электроснабжения. Преобразовательные агрегаты для электролиза должны обеспечивать надежное регулирование напряжения при пуске, при изменении количества эксплуатируемых ванн или электролизеров, при выгрузке готовой продукции, при изменении напряжения сети и изменении напряжения на ваннах и электролизерах по технологическим причинам.
Требования по регулированию напряжения, обусловленные указанными причинами, сводятся к двум основным: обеспечению заданной глубины регулирования и плавности изменения напряжения. Глубина регулирования напряжения в электролизных производствах как цветной металлургии, так и химической промышленности должна составлять до 80-85% номинального выпрямленного напряжения. Требования же к плавности регулирования напряжения различны. Так, при производстве алюминия требуемая технология в основном обеспечивается при регулировании напряжения в зоне номинальных значений ступенями 3 — 5% номинального. В химической промышленности требуется регулирование напряжения ступенями не более 1 —1,5% номинального. Эти различия в требованиях по плавности регулирования напряжения приводят к различным схемным решениям в зависимости от назначения трансформатора. Современные серии преобразовательных агрегатов для электролиза выполняют на выпрямленные токи 12.5—300 кА при выпрямленном напряжении от 75 до 850 В [1.9—1.11 ].
Энергоемким потребителем постоянного тока являются также электрифицированные на постоянном токе железные дороги. Непрерывный рост грузооборота и увеличение протяженности электрифицированных магистралей, их высокие технико-экономические показатели, успешное развитие электроаппаратостроения и тягового машиностроения являются объективными предпосылками для дальнейшей электрификации железных дорог нашей страны. Режимы напряжения системы электроснабжения существенно влияют на режимы работы электроподвижного состава. Однако режим ведения поезда и расход электрической энергии на тягу поездов зависят не только от электрических показателей системы, но и от таких факторов, как рельеф пути, различные ограничения по скорости, погодные условия и т. п. Вследствие этого процесс веления поезда в оптимальном режиме является сложной задачей и состоит из различного сочетания этапов пуска, разгона, выбега и торможения тяговых двигателей. Длительные пуски, разгон и затяжные подъемы приводят к значительному увеличению потребляемых электрическим подвижным составом токов, понижению напряжения в контактной сели и на шинах тяговой подстанции, к уменьшению участковой скорости, увеличению потерь электрической энергии в электровозах и системе электроснабжения, что в конечном счете удорожает стоимость и увеличивает длительность перевозок. Различают нормальные и вынужденные режимы работы системы электроснабжения. При нормальных режимах работы выпрямитель должен иметь напряжение, обеспечивающее требуемые параметры движения с учетом массы поездов и других условий эксплуатации электроподвижного состава. В вынужденных режимах, возникающих при отключении параллельно работающего преобразователя или тяговой подстанции, должно обеспечиваться минимально допустимое напряжение. Уровень номинального напряжения на шинах тяговой подстанции постоянного тока принят 3,3 кВ, а в тяговом режиме на токоприемнике электровозов 3 кВ. В нормальном тяговом режиме работы на токоприемнике допускается максимальное напряжение 3,85 кВ, в рекуперативном 4 кВ, а в вынужденном режиме 2,2 кВ. Однако в соответствии с правилами технической эксплуатации (ПТЭ) на любом блок-участке напряжение на токоприемнике электровоза не должно быть менее 2,7 кВ.
Тяговые трансформаторы без РПН, но с компенсацией колебания напряжения питающей сети с помощью переключения числа витков СО без возбуждения выполняются из расчета получения выпрямленного напряжения XX 3,5 кВ. Опыт эксплуатации таких тяговых трансформаторов показывает, что нередко напряжение в контактной сечи оказывается ниже 2,7 кВ, предусмотренного в ПТЭ. В связи с увеличением объема перевозок и массы грузовых поездов тяговые трансформаторы без регулирования напряжения под нагрузкой, особенно на грузонапряженных участках и направлениях, не обеспечивают требуемого уровня напряжения. При электрификации и реконструкции таких участков и направлений возникает необходимость в регулировании под нагрузкой напряжения на шинах тяговой подстанции и контактной сети электрических железных дорог постоянного тока. Затраты на регулирование напряжения под нагрузкой существенно зависят от выбора диапазона регулирования. При расчетах тяговых трансформаторов относительное индуктивное сопротивление питающей сети принимают равным 4%. Для тяговых преобразователей с номинальным током 3000 А это соответствует мощности КЗ, равной 280— 300 МВ-А. В действительности на наиболее распространенных тяговых подстанциях с двойной трансформацией мощность КЗ оказывается значительно ниже. Это следует учитывать при определении пределов регулирования. Оптимальным следует считать диапазон регулирования, позволяющий поддерживать наиболее высокий допустимый уровень напряжения. С учетом указанных соображений установлено, что оптимальным является диапазон изменения напряжения в режиме XX, равный 20—25%. Для электрических железных дорог постоянного тока современные преобразователи с регулированием напряжения под нагрузкой выполняют на выпрямленный ток 3 кА при выпрямленном напряжении 3,85 кВ [1.12, 1.13].
Широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства находит вентильный электропривод постоянного тока, который обладает существенными преимуществами по сравнению с электроприводом с вращающимися электромашинными преобразователями. Безинерционность вентильного преобразователя обеспечивает более высокие скорости и точность регулирования, что имеет решающее значение для повышения производительности механизмов и качества вырабатываемой продукции. Недостатками вентильного электропривода постоянного тока являются невысокий коэффициент мощности при глубоком регулировании, а также увеличенная пульсация выпрямленного напряжения и тока, что отрицательно влияет на коммутацию приводного электродвигателя. При регулировании мощных вентильных электроприводов происходят значительные колебания напряжения в питающей сети, связанные с колебанием реактивной мощности, при этом толчки тока передаются в сеть практически без сглаживания. Особенности вентильных электроприводов потребовали создания специальных трансформаторов. Благодаря тиристорам вентильный электропривод завоевывает все новые области применения. Тиристорные преобразователи практически полностью вытеснили ионные и выполняются по мостовой схеме выпрямления для всей шкалы напряжений и токов: от 115 до 1050 В и от 25 до 25000 А. Для питания реверсивных и нереверсивных электроприводов большой мощности выпускают двухобмоточные трансформаторы типовой мощностью 2500—10000 кВ-А, двухобмоточные трансформаторы типовой мощностью 3200—20 000 кВ-А с двумя активными частями в одном баке, а также трехобмоточные трансформаторы типовой мощностью до 32000 кВ-А. Для компенсации колебания напряжения питающей сети в пределах +5% трансформаторы имеют устройства ПБВ. В целях повышения коэффициента мощности преобразователей двухобмоточные трансформаторы некоторых типов выполняют также с РПН девятью ступенями при глубине регулирования 40%. Для группового регулирования тиристорных преобразователей используют регулировочные автотрансформаторы с РПН проходной мощностью 2500—10000 кВ-А [1.14—1.16].
Большим потребителем трансформаторов для преобразователей постоянного тока являются вакуумные дуговые электрические печи, предназначенные для получения особо чистых металлов и сплавов, пригодных для работы при высоких температурах, в агрессивных средах, при значительных механических напряжениях. Режимы работы трансформаторов преобразователей вакуумных дуговых печей (ВДП) определяются технологическим процессом плавки металла, состоящего обычно из следующих этапов: приварка электрода, зажигание дуги и прогрев электрода, плавка, выведение усадочной раковины. Электрод, предназначенный для выплавки металла и помещенный в кристаллизатор дуговой печи, приваривается к оставшейся от предыдущей плавки части электрода (огарку) путем КЗ при токе (0,25 — 0,35) Iном. Началом плавки является процесс зажигания дуги. Прогрев электрода осуществляется постепенным увеличением тока до номинального значения. В установившемся режиме плавки расплавленный металл стекает в виде капель через разрядный промежуток кристаллизатора, частично шунтирует дугу и снижает ее электрическое сопротивление. В зависимости от диаметра кристаллизатора напряжение на дуге в процессе плавки колеблется в пределах от 25 до 35 В. а «капельные» КЗ приводят к значительному колебанию тока в дуге. Для получения металла высокого качества источник питания должен обеспечивать стабилизацию номинального тока с точностью 1—2%. Процесс плавки металла завершается режимом выведения усадочной раковины. В этом режиме ток электрода постепенно снижается, чем обеспечивается уменьшение усадочной раковины и. следовательно. увеличение полезной части слитка и выхода готовой продукции. Из изложенного следует, что источник питания ВДП должен удовлетворять следующим основным требованиям: регулировать ток нагрузки в диапазоне (0,1 — 1,0) Iном, стабилизировать ток нагрузки во всех режимах работы печи с точностью 1—2% номинального значения, обеспечивать высокую надежность работы всей установки.
В последние годы наблюдается также тенденция перевода и дуговых сталеплавильных печей (ДСП) на электроснабжение постоянным током, как наиболее экономичное. В связи с этим возникла потребность в ПТ для источников питания ДСП. Технологический процесс плавки стали состоит из нескольких последовательных периодов: расплавление, окисление и рафинирование. Этим периодам соответствуют определенные значения токов и напряжений. На рис. 1.19 для примера представлен режим нагрузки 12-тонной печи, на основании которого могут быть определены основные требования к источнику питания: возможность регулирования напряжения от максимального в период расплавления до минимального в периоды окисления и рафинирования, возможность поддержания постоянства тока при изменении сопротивления нагрузки в периоды технологического цикла. Как правило, регулирование напряжения осуществляется ступенчато: в трансформаторах небольшой мощности (для печей емкостью 0,5; 1,5; 3 т) — способом ПБВ. пятью- шестью ступенями, а также переключением сетевой обмотки с треугольника на звезду, в трансформаторах средней и большой мощности (для печей емкостью 6 т и больше) - РПН с глубиной регулирования до 70% номинального. Стабилизация тока в пределах ступени регулирования трансформаторов с ПБВ осуществляется подъемом и опусканием электрода в печах, а в трансформаторах с РПН управлением тиристорами преобразователя. Плавка металлов в электропечах на постоянном токе обеспечивает как равномерную загрузку питающей сети при достаточно высоких значениях коэффициента мощности установки, гак и устойчивость горения электрической дуги. Внедрение полупроводниковых выпрямителей взамен электромашинных преобразователен постоянного тока обеспечило возможность создания источников тока для ВДП на относительно низкие напряжения (75         150 В) и большие выпрямленные токи (50 кА и более), а также источников тока для ДСП на напряжения 300— 600 В и токи 3,2—25 кА.