В ряде важнейших областей техники нельзя обойтись без постоянного тока. Основными потребителями постоянного тока являются электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов
 Скачать 5.29 Mb.
|
|
Введение В ряде важнейших областей техники нельзя обойтись без постоянного тока. Основными потребителями постоянного тока являются электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов; устройства для зарядки аккумуляторных батарей; двигатели постоянного тока электрифицированного транспорта и на промышленных предприятиях, а также постоянный ток передают по линиям электропередачи на большие расстояния при высоком напряжении. В настоящее время постоянный ток получают, как правило, непосредственным выпрямлением переменного тока с помощью электрических вентилей, которые осуществляют переключения в цепи выпрямителя. Такие преобразователи называются статическими и, в отличие от вращающихся, не имеют промежуточной ступени механической энергии. Переход от двигатель-генераторов к вентильным преобразователям позволил заменить вращающиеся машины статическими аппаратами, повысить КПД преобразования, устранить шум и т.д. В настоящее время вопрос о разработке и совершенствовании устройств преобразовательной техники особенно актуален. Потребность в такой технике продиктована, прежде всего, высокими требованиями, предъявляемыми к качеству электрической энергии, повышением тарифов на электрическую энергию. Среди всех проблем по качеству электрической энергии особое место занимает проблема электромагнитной совместимости, связанная с несимметрией и несинусоидальностью токов и напряжений в электрических системах [1, 2]. Тяговые подстанции ж.д. транспорта, электрифицированного на постоянном токе, как мощные энергоёмкие потребители энергии промышленной сети, в виду нелинейного характера цепей преобразователей (выпрямителей), можно отнести к искажающим нагрузкам. Снижение искажающего воздействия выпрямительных агрегатов (ВА) тяговых подстанций на промышленную сеть достижимо при повышении пульсности выпрямленного напряжения. При объективно пониженном уровне напряжения постоянного тока, тяга постоянного тока имеет выигрыш по сравнению с тягой переменного тока за счет уменьшения капиталовложений в устройство и оборудование электропоездов. Одним из решений по уменьшению капиталовложений в оборудование подстанций является снижение количества подстанций на погонный участок дистанции магистральной железной дороги. Это возможно при повышении пульсности выходного напряжения выпрямителей тяговых подстанций со значений 6, 12 до значений 24, 30. Увеличение жесткости внешней характеристики ВА, связанное с повышением пульсности, позволит увеличить дистанцию между соседними подстанциями, а значит уменьшить количество подстанций на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе. Тяговые подстанции в большинстве своем оборудованы 6-пульсными ВА. Часть ВА остальных подстанций в 70-80 годы были переведены на 12-пульсные схемы выпрямления, а так же, впервые в стране, разработан и в 1989г включен в эксплуатацию 24-пульсный выпрямитель. Разработанный сотрудниками ТПА ОмИИТа совместно 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). Доказано, что рациональностью применения 24-пульсного выпрямителя обеспечивается только при большом количестве перерабатываемой электрической энергией, когда приведенные затраты имеют относительно небольшую величину. Но и при большом количестве перерабатываемой электрической энергии актуальным остается вопрос снижения затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей технических средств. Существенный экономический эффект при переработке больших объемов электрической энергии может быть достигнут в случае применения энергосберегающих построений вентильных конструкций ВА, что и составляет суть работы. Цель работы состоит в разработке и расчете энергосберегающей вентильной конструкции кольцевого типа, обеспечивающей снижение потерь мощности при 12-пульсном преобразовании энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Реализация сформулированной выше цели требует решения ряда задач, основными из которых являются: - анализ существующих схем построенных выпрямителей; поиск, выбор перспективных схем выпрямления и их сравнительный анализ; обоснование перевода выпрямительной части оборудования тяговой подстанции на более многопульсные схемы выпрямления; описание разрабатываемой вентильной конструкции и анализ электромагнитных процессов в схеме 12-пульсного выпрямителя с новой вентильной конструкцией; расчеты по выбору параметров элементов вентильной конструкции и оценка их работоспособности и надежности в составе ВА; расчет экономической эффективности, оценка затрат, и себестоимости разработанной вентильной конструкции. 1. Анализ существующих схем многопульсных выпрямителей, применяемых на тяговых подстанциях электрического транспорта .1 Шестипульсный выпрямитель по схеме "звезда - две обратные звезды с уравнительным реактором" Выпрямитель шестипульсный по схеме "звезда - две обратные звезды с уравнительным реактором" содержит трехобмоточный трансформатор и шесть вентилей (рисунок 1.1) [3, 4]. Каждая из вентильных обмоток с тремя вентилями образует трехпульсную выпрямительную секцию. Секции соединены параллельно через уравнительный реактор (УР). Благодаря УР коммутация в секциях протекает следующим образом: ток пропускает тот вентиль, на анод которого подается наибольшее положительное напряжение. Продолжительность прохождения тока через вентили  .Число пульсации выпрямленных напряжений ud1 и ud2 mq=3. Амплитуды напряжений ud1 и ud2 сдвинуты между собой на 30°, в результате чего между секциями возникает разность потенциалов ud1 - ud2. Поэтому параллельная работа этих секций возможна лишь через УР, обмотки оа и об которого расположены на одном сердечнике (рисунок 1.1). Выпрямленное напряжение схемы  (1.1)Число пульсаций общего выпрямленного напряжения  , a амплитуда (1.2)где  - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Рисунок 1.1 - Схема принципиальная 6-пульсного выпрямителя по схеме "звезда - две обратные звезды с уравнительным реактором" Кривая напряжения уравнительного реактора ur содержит лишь 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 потребитель энергии. Уравнительные токи вызывают искажение форм кривых анодных и фазных токов и, следовательно, появление в них дополнительных высших гармоник. Намагничивающие токи высших гармоник УР в фазах вторичных обмоток, расположенных на одном сердечнике, протекают в одном направлении и соответствующие 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 создают потоки утроенной частоты. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения  (1.3)Действующее значение фазного тока первичной обмотки  (1.4)Действующее значение фазного тока вторичной обмотки  (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 (рисунок 1.2) состоит из трехфазного трансформатора и шести 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 значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.Постоянная составляющая выпрямленного напряжения  (1.10)Тогда действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки  (1.11)а коэффициент трансформации  (1.12)где  - действующее значение фазного напряжения первичной обмотки.К каждому закрытому вентилю приложено линейное напряжение, поэтому амплитуда обратного напряжения  (1.13)Число пульсации выпрямленного напряжения  , поэтому кривая, кроме постоянной составляющей  , содержит высшие гармоники, кратные шести.Амплитуда анодного тока  (1.14) Рисунок 1.2 - Схема Ларионова Так, как продолжительность прохождения тока через каждый вентиль равна 120°, постоянная составляющая анодного тока  (1.15)Ток, протекающий через фазу а вторичной обмотки трансформатора  (1.16)Действующее значение тока вторичной обмотки  (1.17)Действующее значение тока первичной обмотки  (1.18)Типовая мощность трансформатора  (1.19).3 Двенадцатипульсные схемы выпрямления В настоящее время двенадцатипульсные выпрямительные агрегаты (ВА) чаще всего образованы трехфазными двухмостовыми схемами выпрямления, представляющими собой два трехфазных моста Ларионова, соединенных по выходу параллельно, либо последовательно [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). Каждая из указанных систем обмоток питает свой трехфазный мост Ларионова. Благодаря этому на входе трехфазных мостов действуют две трехфазные системы линейных напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 300, что необходимо для реализации двенадцатипульсного выпрямления за период. Анодный ток, помимо постоянной составляющей, содержит все гармоники, кроме гармоник, кратных трем. Токи, потребляемые из питающей сети, содержат гармоники с порядковыми номерами  .Типовая (установленная) мощность трансформатора в схеме последовательного типа  , где  - мощность приемника энергии.Вместе с тем, если в двенадцатипульсном выпрямительном агрегате предусматривается параллельное соединение трехфазных мостов, то в этом случае без использования УР установленная мощность значительно увеличивается. Для двенадцатипульсной выпрямительной схемы с последовательным соединением мостов выпрямленные напряжения удваиваются, а в схеме с параллельным соединением мостов удваивается выпрямленный ток.  Рисунок 1.3 - Схемы принципиальные 12-пульсных выпрямителей: а - параллельная, б - последовательная. Двенадцатипульсовые выпрямители позволяют: повысить коэффициент мощности тяговой подстанции до 0,97 - 0,98; улучшить форму кривой потребляемого тока и тем самым повысить качество электрической энергии; улучшить форму кривой выпрямленного напряжения и снизить влияние тяговой сети на линии связи; повысить уровень напряжения в тяговой сети без применения специальных устройств регулирования напряжения; снизить расход электротехнических материалов, затрачиваемых на изготовление выпрямителя. .4 Двадцатичетырехпульсная схема выпрямления Известно, что при переходе от шести- к двенадцатипульсным схемам выпрямления улучшаются энергетические показатели выпрямителей. При этом повышается коэффициент мощности, улучшается форма кривой потребляемого тока. При снижении процентного состава высших гармоник потребляемого тока, падают потери активной мощности, вызванные этими гармониками. Еще больший экономический эффект достигается при использовании 24-пульсных выпрямителей. Схема 24-пульсного выпрямителя последовательно-параллельного типа, применяемого на тяговой подстанции Омск, приведена на рисунке 1.4 [6]. Как видно из рисунка, эта схема содержит трехфазный трансформатор, система вентильных обмоток которого формирует две симметричные трехфазные системы напряжений, сдвинутые друг относительно друга на 15 эл. градусов, что составляет половину длительности пульсации 12-пульсного выпрямителя. Каждая из этих систем обеспечивает питание двух 12-пульсных преобразовательно-выпрямительных секций последовательного типа. Система 1 образована за счет применения обмоток, соединенных звездой и треугольником, а система 2 - за счет обмоток, соединенных по схемам замкнутых скользящих треугольников. Таким образом, на выходе выпрямителя формируется выпрямленное напряжение, огибающая мгновенных значений которого имеет 24 пульсации за период.  Рисунок 1.4 - Схема принципиальная 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 показывают исследования, применение УР приводит к увеличению суммарной установленной мощности трансформаторного оборудования (приблизительно на 7%), вызывает дополнительные потери активной мощности в самом УР от протекающих по нему токов и требует на изготовление УР дополнительного расхода электротехнических материалов, стоимость которых в настоящее время становится существенной. Кроме того, в случае несимметрии питающих напряжений в двенадцатипульсном выпрямительном агрегате с параллельным соединением трехфазных мостов возможна неравномерная загрузка секций [7]. Учитывая это, для создания двенадцатипульсных выпрямительных агрегатов широко используются последовательные схемы соединения трехфазных мостов (рисунок 1.3, б) [5]. Основной недостаток схем с последовательным соединением трехфазных мостов заключается в более высоких суммарных потерях активной мощности в вентилях по сравнению с параллельными схемами соединения. Суммарные потери в вентилях многопульсного выпрямителя в общем виде определяются  (1.20)где  - потери в i-м вентиле;N - общее количество вентилей в выпрямителе. Величина потерь активной мощности в многопульсном выпрямителе прямо пропорциональна количеству одновременно последовательно включенных по постоянному току вентилей |