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.
|
 Рисунок 2.2 - Зависимость коэффициента мощности от нагрузки и пульсности выпрямителя За основу при расчете коэффициентов мощности приняты часто берущиеся в расчетах характеристические данные трансформаторного оборудования: напряжение короткого замыкания  ; коэффициент холостого хода  ; угол сдвига  . Видно, что наибольшее значение коэффициента мощности многопульсного выпрямителя достигается при нагрузке меньше номинальной, причем с увеличением пульсности выпрямителя максимумы коэффициентов мощности смещаются в сторону больших значений коэффициента нагрузки. В связи с этим необходимо привязать технико-экономическое обоснование преимуществ выпрямителей, имеющих повышенную пульсность выпрямленного напряжения, к реальным графикам распределения нагрузки.При создании новых, более эффективных выпрямителей, необходимо, как правило, обеспечивать снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления. В то же время во многих случаях более существенным является повышение эффективности преобразования, позволяющее повысить коэффициент мощности, снизить потери электроэнергии. Повышение удельных расходов материалов, усложнение трансформаторов становится оправданным при значительном улучшении технико-экономических показателей. Одним из важнейших технико-экономических показателей выпрямителей является годовая экономии средств (С) за счет повышения коэффициента мощности при переходе от схемы с числом пульсаций mq к схеме с другим числом пульсаций mq´. Повышение пульсности выпрямленного напряжения неизбежно связано с усложнением технологии и увеличением материальных затрат при изготовлении выпрямителя, поэтому необходимо точно оценить экономию средств при эксплуатации выпрямителей, построенных по новым схемным решениям. В таблице 2.4 сведены результаты расчетов суточной экономии электроэнергии и годовой экономии средств, полученной за счет повышения коэффициента мощности при переходе на более многопульсное выпрямление. По данным [6] средняя переработка электроэнергии тяговой подстанцией на Западно-Сибирской железной дороге в 1991 году составила 33,2 млн кВт ч, что соответствует суточной переработке 91 МВт ч. После определенного снижения потребляемой электроэнергии в середине 90-х годов, в последние годы, в связи с увеличивающимся объемом грузоперевозок, отмечается заметный рост потребления электроэнергии, что позволяет ориентироваться при подсчете усредненной годовой экономии средств на значение коэффициента загрузки КЗ = 0,3-0,5. Таблица 2.4 - Зависимость экономии электроэнергии и годовой экономии денежных средств от повышения пульсности выпрямителя при заданных нагрузках постоянного тока
Для примера в таблице 2.5 приведена динамика роста энергопотребления на тяговой подстанции Сокур Западно-Сибирской Дирекции Инфраструктуры за шесть не зимних месяцев в период 2010-2012 г.г. В зимние месяцы энергопотребление существенно возрастает. В октябре текущего года суточная переработка электроэнергии на подстанции Сокур достигла 185,4 МВт ч, что является хорошим показателем. Таблица 2.5 - Расход электроэнергии на тягу поездов, кВт ч, согласно месячным отчетам подстанции Сокур Западно-Сибирской Дирекции Инфраструктуры.
Невысокий коэффициент использования выпрямителей, говорящий о наличии резерва установленных мощностей, и повсеместный переход к совершенным, по сравнению с ртутными выпрямителями, силовым полупроводниковым приборам, обусловили активизацию научно-технического поиска в направлении обоснованного пересмотра стандарта номинальных мощностей преобразовательных трансформаторов. Работы в данном направлении появились уже в 60 годы. В частности в [15] вместо шага номинальных мощностей 1,6 МВА обосновывалось установление шага, равного 1,35 МВА. Зарубежом (Япония, США, ЮАР) также осуществляются работы по расширению диапазона номинальных мощностей преобразователей. Так, на японских железных дорогах эксплуатируются выпрямители различной мощности с шагом 1 МВА. Большой 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 железной дороге новых 12-пульсных выпрямителей последовательного типа на базе реконструированных вентильных конструкций ПВЭ-5 и преобразовательного трансформатора ТРМП-6300/35ЖУ1, имеющего номинальную мощность 5700 кВА. В настоящее время для этого выпрямителя разработаны и изготавливаются (АО "Электровыпрямитель", г. Саранск) вентильные конструкции пониженной мощности - ТПЕД- 2,0к-3,3к-У1 на номинальный ток 2000А. Анализируя приведенные характеристики выпрямителей, можно сделать вывод, что при всех прочих равных условиях, например, при одинаковых характеристиках трансформаторного оборудования, выпрямители с большим числом пульсаций имеют лучшие показатели по коэффициенту мощности, по коэффициенту полезного действия, по коэффициенту пульсаций, по наклону внешней характеристики. Увеличение числа пульсаций приводит к значительному улучшению формы выпрямленного напряжения и потребляемых токов, снижает требования к сглаживающим фильтрам. Таким образом, установка на тяговой подстанции Омск 24-пульсного выпрямителя вполне обоснована. 2.2 Обоснование реконструкции мостовых вентильных цепей 12-пульсного выпрямителя в кольцевые Как было отмечено выше переход от шести- к двенадцатипульсным схемам выпрямления улучшает энергетические показатели выпрямителей, позволяет повысить коэффициент мощности, улучшить форму кривой потребляемого тока, приблизив её к синусоиде [5]. При этом процентный состав высших гармоник потребляемого тока снижается, а следовательно, снижаются потери активной мощности, вызванные этими гармониками. Внешняя характеристика у многопульсных ВА оказывается более жесткой, что способствует стабилизации выпрямленного напряжения, например, в тяговой сети электрического транспорта. Так, коэффициент наклона внешней характеристики для шестипульсных ВА равен 0,5, в то время как для двенадцатипульсных ВА он составляет 0,26, что вдвое меньше [1, 16-20]. В [21, 22] показано, что наибольшая эффективность использования установленной мощности вентильных обмоток трансформаторов в многопульсных ВА обеспечивается, если длительность протекания токов через эти обмотки составляет  . Это достигается в эквивалентных многофазных схемах выпрямления. В настоящее время двенадцатипульсные ВА чаще всего образованы трехфазными двухмостовыми схемами выпрямления, представляющими собой два трехфазных моста Ларионова, соединенных по выходу либо параллельно, либо последовательно (рисунок 1.3).Трансформатор, входящий в двенадцатипульсный ВА, имеет две системы вентильных обмоток: одну - соединенную звездой, а другую - треугольником. 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. Использование установленной мощности трансформатора в таких схемах оказывается наиболее оптимальным, при этом мощность обмоток составляет  от мощности нагрузки постоянного тока.Вместе с тем, если в двенадцатипульсном ВА предусматривается параллельное соединение трехфазных мостов, то в этом случае для эффективного использования обмоток возникает необходимость использования УР. Однако, применение УР ведет 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 и несинусоидальности питающих напряжений в двенадцатипульсном ВА с параллельным соединением трехфазных мостов возможна неравномерная загрузка секций [7, 23]. Учитывая это, для создания двенадцатипульсных ВА широко используются последовательные схемы соединения мостов (рисунок 1.3,б) [5]. Основной недостаток схем с последовательным соединением трехфазных мостов заключается в повышенных потерях активной мощности в вентилях по сравнению с параллельными схемами соединения. Суммарные потери в вентилях многопульсного выпрямителя в общем виде определяются  (2.44)где  - потери в i-м вентиле;N-общее количество вентилей в выпрямителе. В соответствии с [4], полагая, что в многопульсном выпрямителе все вентили имеют одинаковые параметры, и, допуская в первом приближении мгновенную коммутацию, можно записать  ,(2.45)где  - количество вентилей, включенных одновременно и последовательно в цепи постоянного тока; - количество вентилей, включенных одновременно параллельно в цепи постоянного 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 потерь активной мощности в таких многопульсных выпрямителях прямо пропорциональна количеству одновременно и последовательно включенных в цепи постоянного тока вентилей (  ). Таким образом, возникает задача сокращения  при одновременном сохранении оптимальной длительности протекания токов по вентильным обмоткам трансформатора, присущей эквивалентным многофазным схемам выпрямления.Известные сочетания трехфазных мостов Ларионова не позволяют строить экономичные многопульсные ВА с малыми потерями в вентильных цепях, поэтому принцип построения многопульсных схем с последовательным или параллельным соединением мостов в этом отношении к настоящему времени себя исчерпал. Для решения задачи снижения потерь активной мощности на кафедре "Электрический транспорт" предложена новая концепция построения многопульсных ВА и разработаны более совершенные схемные решения многопульсных ВА [24-26]. Схема такого 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 этом на стержнях трансформатора размещены 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 трех цепочек, образованных последовательным соединением трех однонаправленных вентилей. Выводы вторичных обмоток, соединенных в звезду, подключены к линиям, соединяющим диоды анодной группы со средними в цепочках диодами. К линиям, соединяющим средние диоды с диодами катодной группы, подключены выводы вторичных обмоток трансформатора, соединенных в треугольник, причем если с одной стороны диода средней группы подключен вывод фазы звезды одного наименования, то с другой его стороны подключен вывод фазы треугольника очередного наименования. Вывод каждой из фаз звезды соединен через дополнительный диод с той фазой треугольника, с которой он не соединен диодом моста. Средние диоды моста и дополнительные диоды VD1- VD5 образуют замкнутое кольцо из шести диодов, соединенных между собой только одноименными электродами. В связи с этим такой выпрямитель можно назвать кольцевым. Его вентильная конструкция получена путем трансформации двух трехфазных диодных мостов 1 и 2, соединенных последовательно. Смежные | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, для выпрямителя с числом пульсаций6