(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка и расчет энергосберегающей вентильной конструкции кольцевого типа, обеспечивающей снижение потерь мощности при 12-пульсном преобразовании энергии переменного тока в энергию постоянного тока
Введение
В ряде важных областей техники недозволено обойтись без неизменного тока. Главными пользователями неизменного тока являются электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и остальных на техническом уровне незапятнанных металлов; устройства для зарядки аккумуляторных батарей; движки неизменного тока электрифицированного транспорта и на промышленных предприятиях, также неизменный ток передают по линиям электропередачи на огромные расстояния при высочайшем напряжении.
В истинное время неизменный ток получают, обычно, конкретным выпрямлением переменного тока при помощи электронных вентилей, которые производят переключения в цепи выпрямителя. Такие преобразователи именуются статическими и, в отличие от крутящихся, не имеют промежной ступени механической энергии. Переход от двигатель-генераторов к вентильным преобразователям дозволил поменять крутящиеся машинки статическими аппаратами, повысить КПД преобразования, убрать шум и т.д.
В истинное время вопросец о разработке и совершенствовании устройств преобразовательной техники в особенности животрепещущ. Потребность в таковой технике продиктована, до этого всего, высочайшими требованиями, предъявляемыми к качеству электронной энергии, увеличением тарифов на электронную энергию.
Посреди всех заморочек по качеству электронной энергии особенное пространство занимает неувязка электромагнитной сопоставимости, сплетенная с несимметрией и несинусоидальностью токов и напряжений в электронных системах [1, 2].
Тяговые подстанции ж.д. транспорта, электрифицированного на неизменном токе, как массивные энергоёмкие пользователи энергии промышленной сети, в виду нелинейного нрава цепей преобразователей (выпрямителей), можно отнести к искажающим перегрузкам.
Понижение искажающего действия выпрямительных агрегатов (ВА) тяговых подстанций на промышленную сеть достижимо при повышении пульсности выпрямленного напряжения.
При беспристрастно пониженном уровне напряжения неизменного тока, тяга неизменного тока имеет выигрыш по сопоставлению с тягой переменного тока за счет уменьшения финансовложений в устройство и оборудование электропоездов. Одним из решений по уменьшению финансовложений в оборудование подстанций является понижение количества подстанций на погонный участок дистанции магистральной стальной дороги. Это может быть при повышении пульсности выходного напряжения выпрямителей тяговых подстанций со значений 6, 12 до значений 24, 30. Повышение жесткости наружной свойства ВА, связанное с увеличением пульсности, дозволит прирастить дистанцию меж примыкающими подстанциями, а означает уменьшить количество подстанций на участках стальных дорог, электрифицированных на неизменном токе.
Тяговые подстанции в большинстве собственном оборудованы 6-пульсными ВА. часть ВА других подстанций в 70-80 годы были переведены на 12-пульсные схемы выпрямления, а так же, в первый раз в стране, разработан и в 1989г включен в эксплуатацию 24-пульсный выпрямитель. Разработанный сотрудниками ТПА ОмИИТа вместе со службой электроснабжения ЗСЖД 24-пульсный выпрямитель базируется на модернизированном преобразовательном трансформаторе типа ТМРУ-16000/10 и работает на тяговой подстанции Омск Омского отделения ЗСЖД (приложение А).
Подтверждено, что рациональностью внедрения 24-пульсного выпрямителя обеспечивается лишь при большенном количестве перерабатываемой электронной энергией, когда приведенные издержки имеют относительно маленькую величину.
Да и при большенном количестве перерабатываемой электронной энергии животрепещущим остается вопросец понижения издержек на электронную энергию методом улучшения технико-экономических характеристик технических средств.
Значимый экономический эффект при переработке огромных размеров электронной энергии быть может достигнут в случае внедрения энергосберегающих построений вентильных конструкций ВА, что и составляет сущность работы.
Цель работы состоит в разработке и расчете энергосберегающей вентильной конструкции кругового типа, обеспечивающей понижение утрат мощности при 12-пульсном преобразовании энергии переменного тока в энергию неизменного тока.
Реализация сформулированной выше цели просит решения ряда задач, главными из которых являются:
— анализ имеющихся схем построенных выпрямителей;
— поиск, выбор многообещающих схем выпрямления и их сравнительный анализ;
— обоснование перевода выпрямительной части оборудования тяговой подстанции на наиболее многопульсные схемы выпрямления;
— описание разрабатываемой вентильной конструкции и анализ электромагнитных действий в схеме 12-пульсного выпрямителя с новейшей вентильной конструкцией;
— расчеты по выбору характеристик частей вентильной конструкции и оценка их работоспособности и надежности в составе ВА;
— расчет экономической эффективности, оценка издержек, и себестоимости разработанной вентильной конструкции.
1. анализ имеющихся схем многопульсных выпрямителей, используемых на тяговых подстанциях электронного транспорта
1.1 Шестипульсный выпрямитель по схеме «звезда — две оборотные звезды с уравнительным реактором»
Выпрямитель шестипульсный по схеме «звезда — две оборотные звезды с уравнительным реактором» содержит трехобмоточный трансформатор и 6 вентилей (набросок 1.1) [3, 4]. Любая из вентильных обмоток с 3-мя вентилями образует трехпульсную выпрямительную секцию. Секции соединены параллельно через уравнительный реактор (УР).
Благодаря УР коммутация в секциях протекает последующим образом: ток пропускает тот вентиль, на анод которого подается наибольшее положительное напряжение.
Длительность прохождения тока через вентили .
Число пульсации выпрямленных напряжений ud1 и ud2 mq=3. Амплитуды напряжений ud1 и ud2 смещены меж собой на 30°, в итоге что меж секциями возникает разность потенциалов ud1 — ud2. Потому параллельная работа этих секций вероятна только через УР, обмотки оа и о которого размещены на одном сердечнике (набросок 1.1).
Выпрямленное напряжение схемы
(1.1)
Число пульсаций общего выпрямленного напряжения , a амплитуда
(1.2)
где — действующее
Набросок 1.1 — Схема принципная 6-пульсного выпрямителя по схеме «звезда — две оборотные звезды с уравнительным реактором»
Кривая напряжения уравнительного реактора ur содержит только косинусоидальные гармоники с порядковыми номерами 3, 9, 15, 21 и т.д. Порядковые номера высших гармоник УР и гармоник выпрямленного напряжения схемы не совпадают из-за того, что уравнительные токи не проходят через пользователь энергии.
Уравнительные токи вызывают искажение форм кривых анодных и фазных токов и, как следует, возникновение в их доп высших гармоник. Намагничивающие токи высших гармоник УР в фазах вторичных обмоток, расположенных на одном сердечнике, протекают в одном направлении и надлежащие им намагничивающие силы суммируются. Если первичная обмотка трансформатора соединена треугольником, то токи этих гармоник трансформируются в первичную обмотку и замыкаются в ней. В этом случае схема магнитно уравновешена.
Если же первичная обмотка соединена звездой, токи гармоник не могут трансформироваться в первичную обмотку и связанные с ними намагничивающие силы во вторичных обмотках делают потоки тройной частоты.
Неизменная составляющая выпрямленного напряжения
(1.3)
Действующее
(1.4)
Действующее
(1.5)
где k — коэффициент трансформации.
Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора
(1.6)
Расчетная мощность вторичных обмоток трансформатора
(1.7)
Типовая мощность трансформатора
(1.8)
1.2 Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова)
Схема Ларионова (набросок 1.2) состоит из трехфазного трансформатора и 6 одноанодных вентилей [4].
Вентили 1, 3, 5 образуют катодную, а вентили 2, 4, 6 — анодную группы. Из катодной группы в текущем промежутке времени ток пропускает тот вентиль, к аноду которого подводится большее положительное напряжение.
Амплитуда выпрямленного напряжения
(1.9)
где — действующее
Неизменная составляющая выпрямленного напряжения
(1.10)
Тогда действующее
(1.11)
а коэффициент трансформации
(1.12)
где — действующее
К любому закрытому вентилю приложено линейное напряжение, потому амплитуда оборотного напряжения
(1.13)
Число пульсации выпрямленного напряжения , потому кривая, не считая неизменной составляющей , содержит высшие гармоники, кратные 6.
Амплитуда анодного тока
(1.14)
Набросок 1.2 — Схема Ларионова
Так, как длительность прохождения тока через любой вентиль равна 120°, неизменная составляющая анодного тока
(1.15)
Ток, протекающий через фазу а вторичной обмотки трансформатора
(1.16)
Действующее
(1.17)
Действующее тока первичной обмотки
(1.18)
Типовая мощность трансформатора
(1.19)
1.3 Двенадцатипульсные схемы выпрямления
В истинное время двенадцатипульсные выпрямительные агрегаты (ВА) почаще всего образованы трехфазными двухмостовыми схемами выпрямления, представляющими из себя два трехфазных моста Ларионова, соединенных по выходу параллельно, или поочередно [5], как это показано на рисунке 1.3.
Трансформатор, входящий в двенадцатипульсный выпрямительный агрегат, имеет две системы вентильных обмоток: одну — соединенную звездой, а другую — треугольником (рис. 1.3, а). Любая из обозначенных систем обмоток питает собственный трехфазный мост Ларионова. Благодаря этому на входе трехфазных мостов действуют две трехфазные системы линейных напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 300, что нужно для реализации двенадцатипульсного выпрямления за период.
Анодный ток, кроме неизменной составляющей, содержит все гармоники, не считая гармоник, кратных трем.
Токи, потребляемые из питающей сети, содержат гармоники с порядковыми номерами .
Типовая (установленная) мощность трансформатора в схеме поочередного типа , где — мощность приемника энергии.
совместно с тем, если в двенадцатипульсном выпрямительном агрегате предусматривается параллельное соединение трехфазных мостов, то в этом случае без использования УР установленная мощность существенно возрастает.
Для двенадцатипульсной выпрямительной схемы с поочередным соединением мостов выпрямленные напряжения умножаются, а в схеме с параллельным соединением мостов умножается выпрямленный ток.
Набросок 1.3 — Схемы принципные 12-пульсных выпрямителей:
а — параллельная, б — поочередная.
Двенадцатипульсовые выпрямители разрешают: повысить коэффициент мощности тяговой подстанции до 0,97 — 0,98; сделать лучше форму кривой потребляемого тока и тем повысить свойство электронной энергии; сделать лучше форму кривой выпрямленного напряжения и понизить воздействие тяговой сети на полосы связи; повысить уровень напряжения в тяговой сети без внедрения особых устройств регулирования напряжения; понизить расход электротехнических материалов, затрачиваемых на изготовка выпрямителя.
1.4 Двадцатичетырехпульсная схема выпрямления
Понятно, что при переходе от шести- к двенадцатипульсным схемам выпрямления улучшаются энерго характеристики выпрямителей. При всем этом увеличивается коэффициент мощности, улучшается форма кривой потребляемого тока. При понижении процентного состава высших гармоник потребляемого тока, падают утраты активной мощности, вызванные этими гармониками. Еще больший экономический эффект достигается при использовании 24-пульсных выпрямителей. Схема 24-пульсного выпрямителя последовательно-параллельного типа, используемого на тяговой подстанции Омск, приведена на рисунке 1.4 [6].
Как видно из рисунка, эта схема содержит трехфазный трансформатор, система вентильных обмоток которого сформировывает две симметричные трехфазные системы напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 15 эл. градусов, что составляет половину продолжительности пульсации 12-пульсного выпрямителя. Любая из этих систем обеспечивает питание 2-ух 12-пульсных преобразовательно-выпрямительных секций поочередного типа.
Система 1 образована за счет внедрения обмоток, соединенных звездой и треугольником, а система 2 — за счет обмоток, соединенных по схемам замкнутых скользящих треугольников.
Таковым образом, на выходе выпрямителя формируется выпрямленное напряжение, огибающая моментальных значений которого имеет 24 пульсации за период.
Набросок 1.4 — Схема принципная 24-пульсного выпрямителя, работающего на тяговой подстанции ЗСДИ в составе модернизированных преобразовательного трансформатора ТМРУ-16000/10 и вентильных конструкций типа ТПЕД-3150-3,3К-У1
Выводы по главе
Как демонстрируют исследования, применение УР приводит к повышению суммарной установленной мощности трансформаторного оборудования (примерно на 7%), вызывает доп утраты активной мощности в самом УР от протекающих по нему токов и просит на изготовка УР доп расхода электротехнических материалов, стоимость которых в истинное время становится значимой. Не считая того, в случае несимметрии питающих напряжений в двенадцатипульсном выпрямительном агрегате с параллельным соединением трехфазных мостов вероятна неравномерная загрузка секций [7]. Беря во внимание это, для сотворения двенадцатипульсных выпрямительных агрегатов обширно употребляются поочередные схемы соединения трехфазных мостов (набросок 1.3, б) [5].
Главный недочет схем с поочередным соединением трехфазных мостов заключается в наиболее больших суммарных потерях активной мощности в вентилях по сопоставлению с параллельными схемами соединения.
Суммарные утраты в вентилях многопульсного выпрямителя в общем виде определяются
(1.20)
где — утраты в i-м вентиле;
N — общее количество вентилей в выпрямителе.
Величина утрат активной мощности в многопульсном выпрямителе прямо пропорциональна количеству сразу поочередно включенных по неизменному току вентилей . Это приводит к возрастанию утрат активной мощности. Таковым образом, животрепещуща задачка сокращения количества при одновременном сохранении хорошей продолжительности протекания токов по вентильным обмоткам трансформатора, как в эквивалентных многофазных схемах выпрямления.
2. Главные расчетные соотношения для анализа и сопоставления выпрямителей и обоснование выбора 12-пульсной схемы выпрямления
2.1 Теоретическая база для определения главных черт, расчета и сопоставления многопульсных выпрямителей
Главные соотношения для анализа выпрямленного напряжения
Выпрямленное напряжение относится пульсирующему типу напряжений и быть может представлено в виде суммы неизменной составляющей и несинусоидальной переменной составляющей, разлагаемой в гармонический ряд. При анализе выпрямленного напряжения, характеристики которого впрямую соединены с избранным схемным решением, при известной пульсности, при холостом ходе выпрямителя, сначала определяются [4, 6]:
1. Секундное
(2.1)
где
КСХ — коэффициент схемы, численное
— фазное напряжение вентильной обмотки трансформатора (дальше обмотка с числом витков, принятых за условную единицу — «1,0»);
— текущий угол;
— угол сдвига амплитуды кривой ud0 относительно амплитуды кривой , равный нулю в случае, когда ось ординат проходит через амплитуду кривой выпрямленного напряжения.
2. Среднее
(2.2)
где D — коэффициент выпрямления, который при 1
(2.3)
В режиме перегрузки среднее время деяния которой появляется контур со встречными ЭДС вентильных обмоток. В этом случае среднее значение выпрямленного напряжения
(2.4)
где kd — коэффициент коммутации для неизменной составляющей выпрямленного напряжения,
(2.5)
где — угол коммутации вентильных токов.
В работе [6] отмечено, что в сложных схемах выпрямления коммутация вентильных токов осуществляется снутри отдельных секций (звеньев преобразования) независимо друг от друга. Угол коммутации зависит от схемы выпрямления, и для хоть какой mq — пульсной схемы выпрямления
(2.6)
где — расчетное напряжение недлинного замыкания, приведенное к характеристикам вентильной обмотки;
— коэффициент загрузки, равный отношению тока перегрузки Id к номинальному выпрямленному току .
Относительную величину переменной составляющей кривой выпрямленного напряжения охарактеризовывает коэффициент формы напряжения по действующему значению (волнистость кривой), определяемый по формуле [4]:
(2.7)
где — действенное
— действенное
Действенное
(2.8)
где
— коэффициент эффективности выпрямления, который при 1
(2.9)
В режиме перегрузки волнистость кривой выпрямленного напряжения определяется как отношение действенного значения переменной составляющей выпрямленного напряжения, приобретенной с учетом индуктивного сопротивления вентильных обмоток трансформатора, к среднему значению выпрямленного напряжения на холостом ходу выпрямителя
(2.10)
где — действенное
(2.11)
где — коэффициент коммутации для действенного значения выпрямленного напряжения.
(2.12)
Таковым образом, волнистость кривой выпрямленного напряжения в режиме перегрузки зависит не только лишь от угла коммутации , да и от пульсности выпрямителя. С повышением перегрузки волнистость растет, а при увеличении понижается.
Гармонический анализ выпрямленного напряжения
Кривая выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя за любой период сетевого напряжения представляет собой смыкающихся меж собой и симметричных относительно вертикалей, проходящих через точки максимумов верхних частей косинусоидальных пульсностей (при =2 — полная половина косинусоиды), показанных, к примеру, на рисунке 2.1. Набросок показывает воздействие числа пульсаций на форму выпрямленного напряжения. Приняв одну из вертикалей за ось ординат, получим симметричную относительно данной нам оси повторяющуюся функцию. Разложение таковых функций в ряды Фурье рассмотрено в почти всех изданиях. Опустив перечисление узнаваемых математических выводов, можно отметить, что в [8, 9] получены обыкновенные выражения, по которым определяются неизменная составляющая кривой выпрямленного напряжения и действующее
(2.13)
В режиме перегрузки действующее
(2.14)
где — коэффициент коммутации для n-й гармоники выпрямленного напряжения,
(2.15)
Набросок 2.1 — Воздействие пульсности выпрямителя на форму выпрямленного напряжения
Связи токов на входе и выходе ТПЧФ выпрямителя и гармонический анализ сетевых токов
С учетом пренебрежения токами холостого хода, что полностью приемлемо при массивном трансформаторном оборудовании, составляются уравнения магнитодвижущих сил (МДС) трансформаторов. Из решения приобретенных уравнений, при условии равенства нулю суммы сетевых токов и с учетом схемотехнических соотношений меж числами витков первичных и вентильных обмоток, инсталлируются соотношения, связывающие токи первичной трехфазной и вторичной многофазной цепей. На интервале проводимости соответственных вентилей, при , любой из токов вторичных цепей равным неизменной составляющей тока перегрузки .
При помощи хоть какой пригодной компьютерной программки производится гармонический анализ токов первичной трёхфазной сети. Для этого период 2 разбивается на применимое число интервалов, достаточное для данной точности описания кривых сетевых токов. Токи вторичных обмоток трансформаторов, приравненные к току перегрузки, представляются в виде прямоугольных форм с величиной равной 1,0. В согласовании с методом работы вентильных обмоток ФС ЭДС, эти токи трансформируются в ступенчатые формы токов для каждой сетевой фазы, которые потом распадаются в ряд Фурье. Ступенчатость сетевых токов выпрямителя гласит о потреблении из сети несинусоидального тока. В итоге разложения в ряд Фурье для ступенчатой формы токов каждой фазы находятся огромного количества синусоидальных функций (гармоник), представляющих эту форму. Приближенные к настоящим, ступенчатые фазные токи заменяются суммой синусоидальных гармоник со своими фазами в согласовании с выражениями:
(2.16)
где — соответственно неизменная составляющая, амплитуда и фаза k-й гармоники;
m — общее число гармоник.
порядок высших гармоник токов питающей трехфазной сети для многопульсных выпрямителей можно найти в согласовании с 2-мя ординарными принципами [10].
1. Для mq-пульсного выпрямителя на входе находятся гармоники с порядковыми номерами
(2.17)
где n — ряд целых чисел 1, 2, 3…
2. Уровень К-й гармоники назад пропорционален ее порядковому номеру
. (2.18)
В таблице 2.1 приведены уровни гармоник mq-пульсных выпрямителей. Коэффициент пульсации в этом случае определяется
(2.19)
В схемах выпрямления с пульсациями действующее
(2.20)
где — коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора;
— коэффициент, характеризующий схему выпрямления (для поочередного выпрямления =1).
Таблица 2.1 — Гармонический состав токов питающей трехфазной сети для многопульсных выпрямителей
Пульсн. ВА
Гармоники
1
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
6
о. е
1,0
12
о. е
1,0
18
о. е
1,0
24
о. е
1,0
Степень преломления формы кривой потребляемого тока можно охарактеризовывать коэффициентом преломления
(2.21)
где — действующее
Коэффициент преломления формы кривой тока без учета коммутации быть может получен по формуле:
(2.22)
С учетом угла коммутации вентильных токов этот коэффициент определяется по формуле:
(2.23)
К чертам свойства кривой сетевого тока также относится волнистость гармоник сетевого тока (коэффициент К-й гармонической составляющей)
(2.24)
где — ток гармоники К-го порядка сетевой обмотки трансформатора выпрямителя.
Соотношения для построения наружных черт выпрямителей
Изменение величины неизменной составляющей выпрямленного напряжения при нагруженном выпрямителе, с учетом всех утрат напряжения: падения напряжения в питающей сети; падения напряжения в трансформаторе; падения напряжения в вентилях выпрямителя, зависимо от коэффициента загрузки принято считать наружной чертой выпрямителя. При пренебрежении потерями напряжения в питающей сети, на активном сопротивлении трансформаторов и в вентилях выпрямителя уравнение наружной свойства быть может представлено:
(2.25)
где — среднее
В согласовании с [5] уравнение наружной свойства для — пульсного выпрямителя имеет вид:
(2.26)
Коэффициентом наклона наружной свойства определяется выражением
(2.27)
Соотношения, характеризующие энерго характеристики свойства электромагнитных действий
Не считая рассмотренного выше коэффициента преломления тока , к энергетическим показателям свойства электромагнитных действий относится коэффициент гармоник тока (коэффициент несинусоидальности КН.С.), определяемый отношением работающего значения высших гармоник тока к действующему значению тока:
(2.28)
Легкие преобразования демонстрируют очевидность связи 2-ух обозначенных коэффициентов
(2.29)
Охарактеризовывает свойство преобразования также фактор сдвига фазы тока относительно фазы напряжения по первой гармонике, так именуемый коэффициент сдвига тока
(2.30)
где Р(1) и Q(1) — активная и реактивная мощности в цепи, создаваемые первыми гармониками тока и напряжения.
Коэффициент мощности выпрямительного устройства, определенный отношением активной мощности (обусловленной первыми гармониками тока и напряжения) к полной мощности (потребляемой из питающей сети), в цепи с синусоидальным напряжением равен
(2.31)
Сиим коэффициентом оценивается потребление реактивной мощности, обусловленной токами намагничивания трансформатора и действиями коммутации вентилей. Исходя из советов [5] допускают, что коэффициент преломления формы кривой сетевого тока не зависит от перегрузки. При расчете коэффициента мощности считается корректным при определении коэффициента преломления, учесть коммутацию вентильных токов (2.23). Тогда, без учета воздействия тока холостого хода трансформатора и с учетом выражения (2.31), коэффициент мощности равен:
(2.32)
Не во всех вариантах можно третировать током холостого хода, в особенности при малых отягощениях. При учете тока холостого хода угол сдвига растет и коэффициент сдвига в согласовании с [5] можно высчитать по последующей формуле:
(2.33)
где
— коэффициент холостого хода, равный отношению тока холостого хода трансформатора к ;
— угол сдвига меж главный гармоникой напряжения и током холостого хода.
Коэффициент полезного деяния также охарактеризовывает свойство преобразования и определяется по формуле:
(2.34)
Энергетический коэффициент полезного деяния определяется по формуле:
.(2.35)
Коэффициент пульсаций для цепей неизменного тока.
Для эксплуатационной практики существенное значение имеет коэффициент пульсации, потому что от его величины зависят массогабаритные и стоимостные характеристики сглаживающих фильтров.
Таблица 2.2 — Величина коэффициентов пульсации выпрямленного напряжения, характеризующих многопульсные схемы выпрямления
Число пульсаций за период mq
Коэффициент пульсации
Коэффициент пульсации
Коэффициент пульсации
6
0,057000
0,070000
0,042000
12
0,013986
0,017161
0,010285
24
0,003478
0,00429
0,002459
Для оценки пульсаций выпрямленных напряжений обычно употребляют одно из 3-х определений коэффициента пульсаций, которые отражены в виде формул в таблице 2.2, где:
КП — коэффициент пульсации;
U1m — амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения;
ud max, ud min -максимальное и малое секундные значения выпрямленного напряжения;
Un — действующее значение n — й гармонической составляющей;
Ud — неизменная составляющая выпрямленного напряжения.
Установленная мощность преобразовательного трансформатора
Понятно, что аспектом оптимального использования материалов при изготовлении устройств силовой преобразовательной техники служат характеристики установленных мощностей. Эти характеристики разрешают оценивать технико-экономическую эффективность работы преобразовательных устройств.
При нелинейных отягощениях на выходе ТПЧФ (выпрямители с перегрузкой) при расчете коэффициента установленной мощности должны учитываться высшие гармоники тока в цепях преобразователя. В общем случае в расчет установленных мощностей ТПЧФ заходит гармонический анализ токов во всех обмотках. В цепи неизменного тока массивных многопульсных выпрямительных агрегатов (ВА), как правило, имеются значимые по величине индуктивности, благодаря которым на практике вводятся принятые допущения, касающиеся принятия прямоугольной формы токов в вентильных обмотках [11]. Если многопульсный ВА не содержит вентильных блоков, работающих параллельно через уравнительные реакторы, то расчет обычно проводят по последующему методу [11, 12]:
1. Мощность, отдаваемая выпрямителем в нагрузку, равна
,(2.36)
где и — соответственно, напряжение и ток перегрузки.
2. Связь меж током и работающим значением тока i-ой вентильной обмотки
,(2.37)
где Т — период;
t РАБ i — суммарное время прохождения тока через обмотку;
i — порядковый номер вторичной обмотки ТПЧФ.
3. Установленная мощность всех вторичных обмоток определяется
, о.е.,(2.38)
где — действующие значения напряжений вторичных обмоток;
К2 — общее количество вторичных обмоток.
4. Для расчета следует найти токи в первичных обмотках ТПЧФ. Меж токами и существует связь, которую для синусоидальных токов можно вывести аналитически, методом решения системы уравнений магнитодвижущих сил (МДС) первичных и вторичных обмоток, связанных общим магнитным потоком. Пренебрегая токами холостого хода ТПЧФ, построенного на трансформаторах большенный мощности, можно записать
.(2.39)
Потому, применяя формулы разложения повторяющейся функции в ряд Фурье, ток представляют набором отдельных гармоник , … , где k — номер гармоники. Это дозволяет найти первичные токи ТПЧФ для каждой гармоники в отдельности
,(2.40)
где и — k-е гармоники токов в i-ых фазах первичных и вторичных обмоток.
Действующее
.(2.41)
5. Установленная мощность всех первичных обмоток обусловится
, о.е.,(2.42)
где К1 — количество первичных обмоток;
— фазные напряжения первичных обмоток.
6. Дальше находится показатель
,(2.43)
который охарактеризовывает эффективность работы ТПЧФ в составе многопульсного ВА. Величина, оборотная этому показателю, КИСП описывает степень использования трансформаторного оборудования.
В таблице 2.3 приведены главные технические свойства многопульсных выпрямителей принимаемые во внимание при выбирании той либо другой схемы выпрямления, рассчитанные по приведенным в разделе формулам. свойства определены при холостом ходе выпрямителя, при индуктивности реактора сглаживающего фильтра равной бесконечности и при допущении моментальной коммутации тока перегрузки вентилями, что полностью допустимо для сравнительного анализа схем.
Таблица 2.3 — Технические свойства выпрямителей
Схема выпрямителя
характеристики трансформа-тора
Характеристики вентилей
Характеристики перегрузки
РТ/Pd
KИСП
Uобр max/Ud
Ia/Id
Угол проводимости, эл.град.
mq
Кq
Нулевая трехпульсная
1,35
0,74
2,09
1/3
120
6
0,25
Нулевая шестипульсная с УР
1,26
0,8
2,09
1/6
120
6
0,057
Мостовая шестипульсная
1,05
0,95
1,45
1/3
120
6
0,057
Двухмостовая 12-пульсная поочередная
1,029
0,97
0,52
1/3
120
12
0,014
На рисунке 2.2 приведены графические зависимости коэффициентов мощности многопульсных выпрямителей с различной частотой пульсаций от коэффициента загрузки выпрямителя, рассчитанные на основании [5, 13, 14].
За базу при расчете коэффициентов мощности приняты нередко берущиеся в расчетах характеристические данные трансформаторного оборудования: напряжение недлинного замыкания ; коэффициент холостого хода ; угол сдвига . Видно, что наибольшее сторону огромных значений коэффициента перегрузки. В связи с сиим нужно привязать технико-экономическое обоснование преимуществ выпрямителей, имеющих завышенную пульсность выпрямленного напряжения, к настоящим графикам распределения перегрузки.
Набросок 2.2 — Зависимость коэффициента мощности от перегрузки и пульсности выпрямителя
За базу при расчете коэффициентов мощности приняты нередко берущиеся в расчетах характеристические данные трансформаторного оборудования: напряжение недлинного замыкания ; коэффициент холостого хода ; угол сдвига . Видно, что наибольшее сторону огромных значений коэффициента перегрузки. В связи с сиим нужно привязать технико-экономическое обоснование преимуществ выпрямителей, имеющих завышенную пульсность выпрямленного напряжения, к настоящим графикам распределения перегрузки.
При разработке новейших, наиболее действенных выпрямителей, нужно, как правило, обеспечивать понижение материалоемкости и трудозатратности производства. В то же время в почти всех вариантах наиболее значимым является увеличение эффективности преобразования, позволяющее повысить коэффициент мощности, понизить утраты электроэнергии. Увеличение удельных расходов материалов, усложнение трансформаторов становится оправданным при значимом улучшении технико-экономических характеристик.
Одним из важных технико-экономических характеристик выпрямителей является годичная экономии средств (С) за счет увеличения коэффициента мощности при переходе от схемы с числом пульсаций mq к схеме с остальным числом пульсаций mqґ.
Увеличение пульсности выпрямленного напряжения безизбежно соединено с усложнением технологии и повышением вещественных издержек при изготовлении выпрямителя, потому нужно буквально оценить экономию средств при эксплуатации выпрямителей, построенных по новеньким схемным решениям.
В таблице 2.4 сведены результаты расчетов дневной экономии электроэнергии и годичный экономии средств, приобретенной за счет увеличения коэффициента мощности при переходе на наиболее многопульсное выпрямление.
По данным [6] средняя переработка электроэнергии тяговой подстанцией на Западно-Сибирской стальной дороге в 1991 году составила 33,2 млн кВт ч, что соответствует дневной переработке 91 МВт ч. Опосля определенного понижения потребляемой электроэнергии посреди 90-х годов, в крайние годы, в связи с увеличивающимся объемом грузоперевозок, отмечается приметный рост употребления электроэнергии, что дозволяет ориентироваться при подсчете усредненной годичный экономии средств на
Таблица 2.4 — Зависимость экономии электроэнергии и годичный экономии валютных средств от увеличения пульсности выпрямителя при данных отягощениях неизменного тока
Дневная переработка, МВт ч и соответственный КН
48
96
144
192
240
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
, для выпрямителя с числом пульсаций
6
0,346687
0,349821
0,366809
0,387584
0,409861
12
0,212177
0,210773
0,224764
0,241875
0,259731
24
0,153947
0,145406
0,154348
0,166548
0,179447
Дневная экономия энергии при подмене выпрямителей, МВт ч
6>12
0,5165
1,0679
1,6363
2,2381
2,8825
6>24
0,7401
1,5699
2,4475
3,3951
4,4239
12>24
0,2236
0,5020
0,8112
1,1570
1,5414
Годичная экономия средств при подмене выпрямителей, тыс. руб при стоимости 1 кВт ч 1,78 р
6>12
224,34
463,84
710,72
972,12
1252,01
6>24
321,46
681,88
1063,07
1474,66
1921,52
12>24
97,12
218,04
352,34
502,54
669,50
Для примера в таблице 2.5 приведена динамика роста энергопотребления на тяговой подстанции Сокур Западно-Сибирской Дирекции Инфраструктуры за 6 не зимних месяцев в период 2010-2012 г.г. В зимние месяцы энергопотребление значительно растет. В октябре текущего года дневная переработка электроэнергии на подстанции Сокур достигнула 185,4 МВт ч, что является неплохим показателем.
Таблица 2.5 — Расход электроэнергии на тягу поездов, кВт ч, согласно месячным отчетам подстанции Сокур Западно-Сибирской Дирекции Инфраструктуры.
Годы Месяц
2010
2011
2012
май
3032080
3155508
3262266
июнь
3025320
3212608
3316092
июль
3241920
3433926
3643996
август
3512760
3377604
3601254
сентябрь
3158040
3412686
3557582
октябрь
3295080
3528954
3773112
результат
19265200
20121286
21154302
прирост
—
856086
1033016
Низкий коэффициент использования выпрямителей, говорящий о наличии резерва установленных мощностей, и повсеместный переход к совершенным, по сопоставлению с ртутными выпрямителями, силовым полупроводниковым устройствам, определили активизацию научно-технического поиска в направлении обоснованного пересмотра эталона номинальных мощностей преобразовательных трансформаторов.
работы в данном направлении возникли уже в 60 годы. А именно в [15] заместо шага номинальных мощностей 1,6 МВА обосновывалось установление шага, равного 1,35 МВА. Зарубежом (Япония, США (Соединённые Штаты Америки — Республика — государство в южной части Африканского континента)) также осуществляются работы по расширению спектра номинальных мощностей преобразователей. Так, на японских стальных дорогах эксплуатируются выпрямители различной мощности с шагом 1 МВА. большенный теоретический и практический вклад в данном направлении внесен учеными ВНИИЖТа и сотрудниками кафедры ЭЖТ ОмГУПС [5]. Это позволило приступить к промышленному изготовлению и внедрению на стальной дороге новейших 12-пульсных выпрямителей поочередного типа на базе реконструированных вентильных конструкций ПВЭ-5 и преобразовательного трансформатора ТРМП-6300/35ЖУ1, имеющего номинальную мощность 5700 кВА. В истинное время для этого выпрямителя разработаны и делаются (АО «Электровыпрямитель», г. Саранск) вентильные конструкции пониженной мощности — ТПЕД- 2,0к-3,3к-У1 на номинальный ток 2000А.
Анализируя приведенные свойства выпрямителей, можно прийти к выводу, что при всех иных равных критериях, к примеру, при схожих свойствах трансформаторного оборудования, выпрямители с огромным числом пульсаций имеют наилучшие характеристики по коэффициенту мощности, по коэффициенту полезного деяния, по коэффициенту пульсаций, по наклону наружной свойства. Повышение числа пульсаций приводит к значительному улучшению формы выпрямленного напряжения и потребляемых токов, понижает требования к сглаживающим фильтрам. Таковым образом, установка на тяговой подстанции Омск 24-пульсного выпрямителя полностью обусловлена.
2.2 Обоснование реконструкции мостовых вентильных цепей 12-пульсного выпрямителя в кольцевые
Как было отмечено выше переход от шести- к двенадцатипульсным схемам выпрямления улучшает энерго характеристики выпрямителей, дозволяет повысить коэффициент мощности, сделать лучше форму кривой потребляемого тока, приблизив её к синусоиде [5]. При всем этом процентный состав высших гармоник потребляемого тока понижается, а как следует, понижаются утраты активной мощности, вызванные этими гармониками. Наружная черта у многопульсных ВА оказывается наиболее твердой, что содействует стабилизации выпрямленного напряжения, к примеру, в тяговой сети электронного транспорта. Так, коэффициент наклона наружной свойства для шестипульсных ВА равен 0,5, в то время как для двенадцатипульсных ВА он составляет 0,26, что в два раза меньше [1, 16-20].
В [21, 22] показано, что большая эффективность использования установленной мощности вентильных обмоток трансформаторов в многопульсных ВА обеспечивается, если продолжительность протекания токов через эти обмотки составляет . Это достигается в эквивалентных многофазных схемах выпрямления. В истинное время двенадцатипульсные ВА почаще всего образованы трехфазными двухмостовыми схемами выпрямления, представляющими из себя два трехфазных моста Ларионова, соединенных по выходу или параллельно, или поочередно (набросок 1.3).
Трансформатор, входящий в двенадцатипульсный ВА, имеет две системы вентильных обмоток: одну — соединенную звездой, а другую — треугольником. Любая из обозначенных систем обмоток питает собственный трехфазный мост Ларионова. Благодаря этому на входе трехфазных мостов действуют две трехфазные системы линейных напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 300, что нужно для реализации двенадцатипульсного выпрямления за период. Внедрение установленной мощности трансформатора в таковых схемах оказывается более хорошим, при всем этом мощность обмоток составляет от мощности перегрузки неизменного тока.
Вкупе с тем, если в двенадцатипульсном ВА предусматривается параллельное соединение трехфазных мостов, то в этом случае для действенного использования обмоток возникает необходимость использования УР. Но, применение УР ведет к повышению суммарной установленной мощности трансформаторного оборудования (примерно на 7%), вызывает доп утраты активной мощности в самом УР от протекающих по нему токов и просит на изготовка УР доп расхода электротехнических материалов, стоимость которых в истинное время становится значимой. Не считая того, в случае несимметрии и несинусоидальности питающих напряжений в двенадцатипульсном ВА с параллельным соединением трехфазных мостов вероятна неравномерная загрузка секций [7, 23]. Беря во внимание это, для сотворения двенадцатипульсных ВА обширно употребляются поочередные схемы соединения мостов (набросок 1.3,б) [5].
Главный недочет схем с поочередным соединением трехфазных мостов заключается в завышенных потерях активной мощности в вентилях по сопоставлению с параллельными схемами соединения.
Суммарные утраты в вентилях многопульсного выпрямителя в общем виде определяются
(2.44)
где — утраты в i-м вентиле;
N-общее количество вентилей в выпрямителе.
В согласовании с [4], полагая, что в многопульсном выпрямителе все вентили имеют однообразные характеристики, и, допуская в первом приближении секундную коммутацию, можно записать
,(2.45)
где — количество вентилей, включенных сразу и поочередно в цепи неизменного тока;
— количество вентилей, включенных сразу параллельно в цепи неизменного тока;
— величина среднего выпрямленного тока;
(UT0) — напряжение отсечки вентиля (пороговое напряжение);
(rT)- сопротивление вентиля, включенного в прямом направлении;
— коэффициент загрузки ВА.
Как видно из (2.44), величина утрат активной мощности в таковых многопульсных выпрямителях прямо пропорциональна количеству сразу и поочередно включенных в цепи неизменного тока вентилей (). Таковым образом, возникает задачка сокращения при одновременном сохранении хорошей продолжительности протекания токов по вентильным обмоткам трансформатора, присущей эквивалентным многофазным схемам выпрямления.
Известные сочетания трехфазных мостов Ларионова не разрешают строить экономные многопульсные ВА с малыми потерями в вентильных цепях, потому принцип построения многопульсных схем с поочередным либо параллельным соединением мостов тут к истинному времени себя исчерпал.
Для решения задачки понижения утрат активной мощности на кафедре «электронный транспорт» предложена новенькая теория построения многопульсных ВА и разработаны наиболее совершенные схемные решения многопульсных ВА [24-26].
Схема такового выпрямителя с 12-кратной частотой пульсации выпрямленного напряжения [24] приведена на рисунке 2.3.
Выпрямитель содержит трехфазный трансформатор Т и двенадцать вентилей VD1- VD12, при всем этом на стержнях трансформатора расположены одна первичная и две вторичных системы обмоток, которые образуют соединения в звезду и треугольник. Выводы каждой из этих систем вторичных обмоток соединены с мостом, состоящим из 3-х цепочек, образованных поочередным соединением 3-х однонаправленных вентилей.
Выводы вторичных обмоток, соединенных в звезду, подключены к линиям, соединяющим диоды анодной группы со средними в цепочках диодиками. К линиям, соединяющим средние диоды с диодиками катодной группы, подключены выводы вторичных обмоток трансформатора, соединенных в треугольник, при этом если с одной стороны диодика средней группы подключен вывод фазы звезды 1-го наименования, то с иной его стороны подключен вывод фазы треугольника еще одного наименования. Вывод каждой из фаз звезды соединен через доп диодик с той фазой треугольника, с которой он не соединен диодиком моста.
Средние диоды моста и доп диоды VD1- VD5 образуют замкнутое кольцо из 6 диодов, соединенных меж собой лишь одноименными электродами.
В связи с сиим таковой выпрямитель можно именовать кольцевым. Его вентильная система получена методом трансформации 2-ух трехфазных диодных мостов 1 и 2, соединенных поочередно. Смежные
Набросок 2.3 — Схема принципная кругового 12-пульсного выпрямителя группы диодов мостов слиты, образуя средние диоды цепочек, а высвободившиеся при слиянии диоды VD1-VD3 восстанавливают электронные связи, нарушенные при трансформации мостов.
Для данной схемы соотношения меж числами витков обмоток определены последующим образом
(2.46)
,(2.47)
где K — коэффициент трансформации.
При установлены последующие соотношения меж токами и напряжениями на входе и выходе выпрямителя
(2.48)
.(2.49)
анализ электромагнитных действий в первичных и вторичных цепях данного ВА был проведен с внедрением рядов Фурье. Получены волновые диаграммы токов, приведенные на рисунке 2.5, где, не считая того, показаны диаграммы линейных напряжений (Ua1b1, Ub1c1, Uc1a1, Ua2b2, Ub2c2, Uc2a2) и токов (i1…i6) во вторичных обмотках, сетевых токов iA, iB, iC и выпрямленного напряжения ud.
Результаты приведены для варианта, когда . Из диаграмм (набросок 2.4) несложно созидать, что в данном устройстве достигается лучшая длительность работы вентильных обмоток, при которой обеспечивается не плохое внедрение типовой мощности трансформатора. Расчет указывает, что типовая мощность трехфазного трансформатора равна 1,029 от выпрямленной мощности ().
Набросок 2.4 — Волновые диаграммы двенадцатипульсного ВА
Для расчетов вентильных конструкций нужно знать величину оборотных напряжений, прикладываемых к вентилям выпрямителя:
— для вентилей VD1… VD6
;(2.50)
— для вентилей VD7… VD12
.(2.51)
Разумеется, что определенный Энтузиазм вызывает форма оборотных напряжений, прикладываемых к вентилям рассматриваемого ВА. Форма напряжения для 1-го из вентилей анодной либо катодной групп выпрямителя показана на рисунке 2.5,а. На рисунке 2.5,б показана форма напряжения, прикладываемого к одному из вентилей мостовой части выпрямителя, а на рисунке 2.5,в — форма напряжения на одном из вентилей круговой группы вентилей.
Набросок 2.5 — Форма оборотных напряжений, прикладываемых к вентилям: а — анодных и катодных групп; б — мостовой структуры; в — круговой группы.
Видно, что продолжительность пребывания под наибольшим оборотным напряжением вентилей среднего эшелона, принадлежащих к мостовой группе вентилей, больше продолжительности работы под наибольшим оборотным напряжением вентилей круговой группы этого же эшелона.
Режим работы вентилей анодной и катодной групп рассматриваемой вентильной конструкции ничем не различается от режима работы подобных вентилей в обыкновенном 12-пульсном выпрямителе с поочередным соединением трехфазных мостов.
В настоящем выпрямителе, беря во внимание коммутационные процессы (), соотношения (2.48, 2.49), также волновые диаграммы, приведенные на рисунке 2.4 будут несколько другими, что может служить предметом доп исследовательских работ. совместно с тем, наличие углов коммутации не обязано оказывать существенного действия на величину понижения утрат. Это соединено с тем, что в предлагаемом ВА экономия электронной энергии обоснована сокращением величины , определяемой схемным решением; при всем этом электромагнитные процессы в обмотках силового трехфазного трансформатора T фактически вполне соответствуют действиям в двенадцатипульсном ВА поочередного типа, с которым проведено сопоставление.
Осциллограмма выпрямленного напряжения (набросок 2.5) свидетельствует о получении двенадцатипульсного выпрямления за период. Кривые токов вентильных обмоток ничем не различаются от кривых токов в вентильных обмотках трансформатора 6-пульсного ВА, приведенных на рисунке 2.6.
Таковым образом, в данном устройстве вправду достигается эквивалентное двенадцатипульсное выпрямление.
Необходимо подчеркнуть, что в согласовании со схемой, приведенной на рисунке 2.3, просто быть может осуществлена Модернизация имеющегося оборудования двенадцатипульсных ВА с поочередным соединением трехфазных мостов, так как она не просит коренной переделки вентильных конструкций и сводит к минимуму надлежащие Издержки.
Набросок 2.6 — Кривая выпрямленного напряжения Ud, 10В/дел.
В истинное время на наземном городском электронном транспорте и метрополитене обширно употребляются серийно выпускаемые 6-пульсные ВА, состоящие из трехфазных трансформаторов и вентильных блоков, собранных по мостовым схемам выпрямления. Потому переход к схемам выпрямления с наиболее высочайшей кратностью пульсаций вероятен методом модернизации уже имеющегося оборудования, владеющего вначале данными техническими параметрами и имеющего определенные конструктивные индивидуальности узлов и деталей.
С практической точки зрения более предпочтительны такие схемы многопульсных ВА, которые могут быть построены на базе имеющегося оборудования и, по способности, не требуют его коренной переделки.
В согласовании с [5, 6] проведены надлежащие реконструкции тяговых подстанций жд транспорта и метрополитена, в процессе которых устанавливались трехфазно-шестифазные преобразовательные трансформаторы. Но выпрямители были обычно построены по трехфазным мостовым схемам, соединенным по выходу поочередно. При всем этом малое количество вентилей в цепи неизменного тока равно четырем, и не быть может уменьшено даже в случае использования современных силовых полупроводниковых устройств (СПП).
Двенадцатипульсный ВА (набросок 2.3), построенный в согласовании с новенькими схемными решениями, дозволяет уменьшить число СПП в цепи неизменного тока с 4 до 3-х, уменьшив утраты активной мощности. Таковой ВА быть может построен на базе имеющихся на тяговых подстанциях преобразовательных трансформаторов со схемой соединения вторичных обмоток «звезда» и «треугольник». При всем этом будет нужно лишь реконструировать имеющиеся вентильные сборки в согласовании с рассматриваемой топологией схемы выпрямителя, что сводит к минимуму Издержки на модернизацию имеющегося оборудования.
По отношению к номинальной мощности применяемых ВА, суммарная экономия электроэнергии в таковых выпрямителях может достигать 0,5…1,0 %. Беря во внимание абсолютную величину утрат электронной энергии, значимый экономический эффект быть может получен при модернизации двенадцатипульсных ВА на тяговых подстанциях магистральных электронных стальных дорог.
Выводы по главе
Рассмотрены главные теоретические вопросцы анализа схем выпрямления и на основании расчетов подтверждено преимущество многопульсного выпрямления.
Дана сравнительная оценка схем двенадцатипульсных ВА с поочередным и параллельным соединением трехфазных мостов. Показано, что имеющиеся методы построения многопульсных ВА не обеспечивают понижения утрат активной мощности в вентилях преобразователей и тут к истинному времени себя израсходывали.
Предложено применение обычной и экономной схемы двенадцатипульсного ВА, которая быть может просто реализована на работающем оборудовании имеющихся двенадцатипульсных ВА поочередного типа, к примеру, на тяговых подстанциях электронного транспорта, без значимых издержек на их модернизацию.
Обусловлена возможность понижения утрат электроэнергии в ВА тяговых подстанций электронного транспорта на неизменном токе при оснащении их новенькими вентильными структурами.
Приведены главные формулы и соотношения, определенные топологическими чертами рассматриваемых эконом построений вентилей.
3. Определение утрат мощности в вентильных системах мостовых и кольцевых 12-пульсных выпрямителей
Для полной оценки технико-экономической эффективности выпрямителей нужно высчитать утраты мощности в вентильных блоках. Утраты обоснованы числом силовых полупроводниковых устройств (СПП) выпрямителя, их параметрами и конфигурацией цепей вентильной конструкции, схемой выпрямления и током перегрузки [28]. При расчете утрат определяющая роль принадлежит типу схемы выпрямления и особенностям построения вентильных конструкций. Дальше будет рассматриваться порядок расчета числа СПП в вентильных плечах выпрямителей, собранных по последовательно-параллельным мостовым и кольцевым схемам. При расчетах утрат мощности в вентильных системах 12-пульсного мостового выпрямителя, собранного по последовательно-параллельной схеме в качестве начальных данных примем данные, приведенные в [6].
]]>