umm_425

После этого необходимо изучить основные соотношения между токами, напряжениями и мощностями в цепях ВП, которые выводятся на основании рассмотренных диаграмм (таблица 2.1).

2.2Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях 12-пульсового инверторного преобразователя

При рекуперативном торможении электроподвижного состава (ЭПС) его двигатели переводятся в режим генератора и вырабатывают электроэнергию постоянного тока. Для передачи этой энергии потребителям переменного тока необходимо преобразовать её в переменный ток.

Процесс преобразования постоянного тока в переменный называется инвертированием, а преобразователи, выполняющие эти функции, инверторами. Инверторные преобразователи (ИП) комплектуются только из тиристоров.

Перед выполнением этого раздела КР следует изучить принцип работы и выполнить анализ электромагнитных процессов, происходящих в цепях заданной схемы ИП /1, 2, 3, 4/.

Для этого необходимо начертить схему и построить следующие диаграммы напряжений и токов в цепях ИП на интервале не менее 2π при индуктивно-

сти сглаживающего реактора Xd = ∞ и угле коммутации γ=γНОМ :

1.напряжений вентильных обмоток трансформатора u2 (uА, uВ, uС);

2.входных напряжений каждого моста 12-пульсового ИП uИY, uИ ;

3.токов управления, подаваемых на управляющие электроды тиристоров каждого моста 12-пульсового ИП, iGY , iG ;

4.суммарного входного напряжения 12-пульсового ИП uИ;

5.токов каждого моста 12-пульсового ИП iИY, iИ ;

6.тока тиристорного плеча i′V;

7.обратного напряжения на тиристорном плече u′V;

8.токов фаз вентильных обмоток соединенных в «Y» и в « » 12-пульсового

ИП i′2Y, i′2 ;

9.тока одной из фаз сетевой обмотки i′1.

Во время построения диаграмм необходимо помнить, что при инвертировании напряжение вентильной обмотки повышается в КИ раз, а полярность подключения преобразователя к плюсовой и минусовой шинам изменяется на противоположную. Системой управления обеспечивается работа тиристоров с углом опережения β на обратных полуволнах напряжений вентильной обмотки по сравнению с выпрямительным режимом.

Используя разработанную схему ИП и построенные временные диаграммы, необходимо дать краткое описание схемы и теории её работы для заданного момента времени /1, 2, 3, 4/.

10

Таблица 2.1 Основные расчетные соотношения для различных схем преобразователей при Xd=∞

							Схема преобразователя
	Параметр			6-пульсовая							12-пульсовая
				Мостовая			Нулевая с			Последовательная				Параллельная
							УР
	Udo/U2			2,340			1,170			“Y” 4,678				“Y” 2,340
										“	” 2,701			“	” 1,350
	UИО(β=0)/U2′		2,340			1,170					4,678				2,340
	IV/Id			1/3			1/6				1/3				1/6
	IVMAX/Id		1,0			0,5					1,0				0,5
	UVMAX/Ud0			1,047			2,094				0,5236				1,047
	UVMAX/U2		2,449			2,449					2,449				2,449
	I2/Id			0,8165			0,2887			“Y” 0,8165				“Y” 0,4082
										“	” 0,4714			“	” 0,2357
	КТ·I1/Id		0,8165			0,4082					1,577				0,7887
	S2H/Pd0			1,047			1,481			“Y” 0,5236				“Y” 0,5236
										“	” 0,5236			“	” 0,5236
	S1H/Pd0		1,047			1,047					1,012				1,012
	ST/Pd0			1,047			1,264				1,029				1,029
	SУP/Pd0		0			0,070					0				0,020
	k·КТ·I1(K)/Id			0,7797			0,3898				1,559				0,7797
	KCX		1,0			0,5					1,0				0,5
	A		0,5			0,5					0,2588				0,2588
	ν		0,9549			0,9549					0,9886				0,9886

11

3 Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых преобразователей и выбор схемы выпрямления

3.1 Методика сравнения различных схем выпрямления

В данном разделе КР необходимо рассчитать разность приведенных затрат ЗПР от применения 6-пульсового и 12-пульсового ВП. Если ЗПР окажется положительной, то для дальнейших расчетов выбирается 12-пульсовая схема выпрямления, в противном случае 6-пульсовая.

Исходя из действующих в настоящее время рекомендаций, для изделий, характеризующихся стабильностью технико-экономических показателей, разность приведенных затрат находится по следующей формуле

TСЛ −1	Э
ЗПР = ЗПР(6) −ЗПР(12) = K +(1−ψ) ∑			,	(3.1)
	(1+E +Z)	t
t=0

где ∆К – экономия капитальных вложений, связанных с внедрением нового изделия, руб.;

∆Э – экономия эксплуатационных расходов, связанных с применением нового изделия, руб.;

Е – норма дисконта, ЕН = 0,13; Z – коэффициент риска, Z = 0,03; t – номер шага расчета;

ψ – доля налоговых отчислений от прибыли, ψ = 0,24; ТСЛ – срок службы изделия, для преобразовательного оборудования при-

нимается 8 лет.

Для ориентировочного экономического расчета можно считать, что ВП состоят из преобразовательного трансформатора, диодного выпрямителя и сгла-

живающего устройства. Поэтому экономию капитальных вложений ∆К можно определить следующим образом

∆К=К(6)–К(12)=(КТР(6)+КД(6)+КСУ(6)) – (КТР(12)+КД(12)+КСУ(12)), (3.2)

где К(6), К(12) – полные капитальные затраты на сооружение соответственно 6- и 12-пульсовых ВП, руб.;

КТР(6), КД(6), КСУ(6) – капитальные затраты соответственно на сооружение трансформатора, диодного выпрямителя и сглаживающего устройства для 6-пульсового преобразователя, руб.;

КТР(12), КД(12), КСУ(12) – капитальные затраты соответственно на сооруже-

12

ние трансформатора, диодного выпрямителя и сглаживающего устройства для 12-пульсового преобразователя, руб.

В настоящее время диодные выпрямители выпускаются унифицированными как для 6-пульсовых, так и для 12-пульсовых ВП. Поэтому формулу (3.2) можно записать следующим образом

∆К = (КТР(6) – КТР(12)) + (КСУ(6) – КСУ(12)) = ∆КТР + ∆КСУ. (3.3)

Эксплуатационные расходы можно представить как сумму расходов, связанных с увеличением тарифа на электроэнергию, которое вызвано повышенным потреблением реактивной мощности преобразователем ЭР, расходов, связанных с потерей активной энергии в преобразователе ЭЭ, и амортизационных отчислений ЭА. Экономия эксплуатационных расходов ∆Э может быть найдена по следующей формуле

∆Э = (ЭР(6) + ЭЭ(6) + ЭА(6)) – (ЭР(12) + ЭЭ(12) + ЭА(12)) = = (ЭР(6) – ЭР(12)) + (ЭЭ(6) – ЭЭ(12)) + (ЭА(6) – ЭА(12)) = ∆ЭР+∆ЭЭ+∆ЭА. (3.4)

3.2Расчет мощности и ориентировочной стоимости преобразовательных трансформаторов

3.2.1Расчет напряжений холостого хода выпрямительного преобразователя

Для определения напряжений холостого хода 6- и 12-пульсовых ВП рекомендуется следующая последовательность расчета.

1.Принимается ориентировочное значение Ud0 =1,1·UdH для 6-пульсового и Ud0 =1,05·UdН для 12-пульсового ВП, где UdH номинальное значение выпрямленного напряжения ВП (таблица 1.1).

2.Находится величина условной мощности ВП, кВт

Рd0 = Ud0 ·IdН,

(3.5)

где IdН – номинальное значение выпрямленного тока ВП (таблица 1.2).

3.По формулам таблицы 2.1 вычисляется значение номинальной мощности сетевой обмотки трансформатора S1H, кВА.

4.Определяется напряжение короткого замыкания (КЗ) питающей сети uKC ,%

13

uКС =	S1Н	100% ,	(3.6)
	SКЗ

где SКЗ – мощность КЗ на шинах, питающих преобразовательный трансформатор (таблица 1.1), кВА.

5. Вычисляется полное значение напряжения uK цепи коммутации, %

uK=uKС+uKТ ,

(3.7)

где uKТ – напряжение КЗ преобразовательного трансформатора

(таблица 1.2), %.

6.Находится уточненное значение Udo, которое принимается в дальнейших расчетах

Udo = UdН +		UП ,		(3.8)
1− А		uK
	100

где А – коэффициент наклона внешней характеристики, зависящей от схемы выпрямления (таблица 2.1);

UП – потеря напряжения в диодах преобразователя, которые ориентировочно можно принять 1% от UdН .

3.2.2 Определение параметров преобразовательных трансформаторов

Пользуясь таблицей 2.1 для заданного значения IdН и уточненного по (3.8) значения Ud0, необходимо рассчитать и свести в таблицу 3.1 следующие параметры преобразовательных трансформаторов для двух сравниваемых схем ВП:

1.Уточненное значение Ud0, кВ.

2.Условную мощность Pd0 (3.5), найденную по уточненному значению Ud0, кВт.

3.Номинальную мощность сетевой обмотки S1Н (таблица 2.1), найденную по уточненному значению Рd0, кВА.

4.Напряжение КЗ питающей сети uKC, %.

5.Полное значение напряжения цепи коммутации uK, %.

6.Номинальные действующие значения фазных напряжений вентильных об-

моток, соединенных в «звезду» U2Y и «треугольник» U2 (таблица 2.1), кВ.

14

7.Номинальные токи вентильных обмоток, соединенных в «звезду» I2Y и «треугольник» I2 (таблица 2.1), А.

8.Номинальное действующее значение фазного напряжения сетевой обмотки U1Ф, кВ

U	1Ф	= U1Л .	(3.9)
		3

9. Номинальный ток сетевой обмотки I1Н (таблица 2.1). 10.Коэффициент трансформации КТ = U1Ф / U2Y .

11.Номинальные мощности вентильных обмоток, соединенных в «звезду» S2НY и «треугольник» S2Н (таблица 2.1), кВА.

Таблица 3.1 – Параметры преобразовательного трансформатора

	Параметр		Расчетные значения
			6 пульсовый ВП		12 пульсовый ВП
	Ud0, кВ
	Pd0, кВт
	S1Н, кВА
	uKC, %
	uK, %
	U2Y, кВ
	U2 , кВ
	I2Y, А
	I2 , А
	U1Ф, кВ
	I1Н, А
	КТ
	S2НY, кВА
	S2Н , кВА
	S2Н, кВА
	SТ, кВА
	SУР, кВА
	SТΣ, кВА
	PХХ, кВт
	PКЗ, кВт

15

12. Общую номинальную мощность вентильных обмоток

S2Н=S2НY +S2Н .

(3.10)

13.Типовую мощность трансформатора ST (таблица 2.1), кВА.

14.Мощность уравнительного реактора SУР (таблица 2.1), кВА.

15.Суммарную мощность трансформаторного оборудования

STΣ = ST + SУР .	(3.11)
16. Потери холостого хода (ХХ) РХХ и потери КЗ	РКЗ. Так как полного рас-

чета трансформатора в данной курсовой работе не производится, то ориентировочно можно принять

РХХ = 0,002·STΣ ; РКЗ = 0,007·STΣ . (3.12)

Расчетные значения РХХ и РКЗ следует округлить до целого.

Экономию капитальных вложений связанных с изготовлением трансформатора для 12-пульсового ВП КТР (3.3) можно определить по следующему соотношению

КТР = еТР(6)·STΣ(6) – еТР(12)·STΣ(12),

(3.13)

где еТР(6), еТР(12) – удельные стоимости изготовления 1 кВА трансформатора, соответственно для 6- и 12-пульсовых ВП, руб/кВА (принимаются по действующим ценам или задаются преподавателем).

3.3Оценка качества выпрямленного напряжения и выбор сглаживающего устройства

3.3.1Расчет гармонического состава выпрямленного напряжения

ипсофометрического напряжения

Для уменьшения мешающего влияния переменной составляющей выпрямленного напряжения на близлежащие линии связи на тяговых подстанциях устанавливают сглаживающие устройства, которые снижают напряжение высших гармоник в контактной сети.

Номер «k» и частоту fK гармоник выпрямленного напряжения определим из следующих выражений

k = m·е ;

(3.14)

16

fK = fС·k ,

(3.15)

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения; е = 1, 2, 3,… – натуральный ряд чисел;

fС = 50 Гц – частота питающей сети.

Действующее значение напряжения гармоники k-ого порядка для неуправляемого выпрямителя при работе на ХХ равно

UdK =	2 Ud 0	,	(3.16)
	k2 −1

где Ud0 – среднее значение выпрямленного напряжения ВП при ХХ (таблица 3.1).

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения с учетом всех высших гармоник определяется по формуле

U		=	∞
	K		ΣU 2		(3.17)
			k=1	dK .

Напряжение гармоники (3.16) и переменной составляющей (3.17) выраженное в процентах от Ud0, называется соответственно коэффициентами волнистости k-ой гармоники и выпрямленного напряжения

ωdK =	U	dK	100%;	ωK =	UK	100%.	(3.18)
					Ud 0
	Ud 0

Для расчета напряжения шума в линиях связи все высшие гармоники k- ого порядка заменяются псофометрическим напряжением, называемым также эквивалентным мешающим напряжением

∞

UПС = ∑(UdK pK )2 , (3.19)

k =1

где pK – коэффициент акустического воздействия гармоники k-ого порядка (приложение Ж.1).

17

Волнистость псофометрического напряжения определяется по формуле

ωПС	=	UПС	100%.	(3.20)
		Ud 0

Результаты расчетов необходимо свести в таблицы 3.1 и 3.2.

Таблица 3.2 – Гармонический состав выпрямленного напряжения ВП

	k	fK, Гц	рK	6-пульсовый ВП		12-пульсовый ВП
				UdK, В	ωdK, %	UdK, В	ωdK, %
	6
	12
	18
	24
	30
	36
	42
	48

Таблица 3.3 – Переменные составляющие и псофометрические напряжения выпрямленных напряжений преобразователей

Параметр

6-пульсовый ВП

12-пульсовый ВП

UK, В

ωK, %

UПС, В

ωПС, %

3.3.2 Выбор сглаживающего устройства

Выбор типа сглаживающего устройства определяется процентным составом псофометрического напряжения. При ωПС ≤ 1% используют однозвенное

резонансно-апериодическое сглаживающее устройство. При ωПС > 1% применяют двухзвенное сглаживающее устройство Западно-Сибирской железной до-

роги /7, 8/.

Экономию капитальных вложений, связанную с сооружением сглаживающего устройства для 12-пульсового ВП КСУ (3.3), можно определить по следующему выражению

18

КСУ = eСУ(6)·Pd0(6) – eСУ(12)·Pd0(12),

(3.21)

где eСУ(6) ,eСУ(12) – удельные стоимости сооружения сглаживающего устройства на 1 кВт условной мощности преобразователя соответственно для 6- и 12-пульсовых ВП, руб./кВт (принимаются по действующим ценам или задаются преподавателем).

3.4Оценка качества сетевого тока и расчет снижения эксплуатационных расходов при увеличении коэффициента мощности преобразователя

3.4.1 Расчет гармонического состава и коэффициента искажения сетевого тока

Кривая переменного тока i1, потребляемого преобразователем из сети, состоит из основной (первой) гармоники с частотой, равной частоте сети i1(1), и ряда высших гармоник i1(К).

Номер k и частота fK гармоник сетевого тока находятся из выражений

k = m·е ± 1;	(3.22)
fK = fC·k,	(3.23)

где е = 0,1,2,... – натуральный ряд чисел.

Доля каждой гармоники I1(К), выраженная в процентах от основной I1(1), определяется следующим соотношением

ω	=	I1(K )	100% .	(3.24)
1(K )		I1(1)

Показателем качества сетевого тока является его коэффициент искажения, равный отношению действующих значений тока основной гармоники I1(1) и полного тока I1 сетевой обмотки

ν =	I1(1)	=	I1(1)	=	1	.	(3.25)
	∞		∞		∞
	∑(I1( K ) )2		I1(1)2 + ∑(I1(K ) )2		1+ ∑(ω1(K ))2
	K =1		K =2		K =2

19