Проектирование преобразователей для тяговой подстанции постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Проектирование преобразователей»

ИНМВ. 400628. 000 ПЗ

Студент гр. 43 В

К.В. Кустов

Руководитель:

доцент кафедры ЭЖТ

Т.В. Комякова

Омск 2016



Задание

студенту гр.43 В Кустову К. В.

на курсовую работу по теме:

«Проектирование преобразователя для тяговой подстанции постоянного тока»

Спроектировать полупроводниковый преобразователь, получающий питание от трехфазной сети переменного тока, с заданными схемой и режимом работы при бесконечной индуктивности цепи выпрямленного тока (Xd=).

Исходные данные (по шифру 628):

1 Схема преобразователя - мостовая сложная последовательного типа.

2 Число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения m = 12.

3 Назначение - железнодорожный транспорт.

4 Режим работы - неуправляемый выпрямитель.

5 Параметры питающей сети: U1л=10,5 кВ; Sк.з.с=150 МВА.

6 Напряжение короткого замыкания трансформатора uк=5,6 %.

7 Параметры сети постоянного тока:

Udном=3,3 кВ; Idном=1600 А.

8 Условия перегрузки по току и напряжению:

kп = Idпер/Idном = 2,5 (tпер= 10с); (Uvпов/Uvмакс) = 1,6; (Uvнепов/Ud0) = 3,5.

9 Тип диода - Д 143 - 1000.



Реферат

УДК 621.311: 621.314.632:621.331

Курсовая работа содержит 40 страниц, 9 рисунков, 5 таблиц, 9 источников.

Неуправляемый выпрямитель, двенадцатипульсовая мостовая схема, электромагнитные процессы, параметры, коммутация, трансформатор, диоды, схема главных электрических соединений, эксплуатационные характеристики, качество электроэнергии.

Объектом исследования является неуправляемый двенадцатипульсовой мостовой силовой полупроводниковый преобразователь для тяговой подстанции постоянного тока электрифицированного железнодорожного транспорта.

Цель работы - рассчитать параметры и характеристики преобразователя, построить электромагнитные процессы, выбрать необходимую коммутационную и измерительную аппаратуру.

Методы исследования - аналитические и графические.

Дано предварительное описание выпрямителя, определены основные параметры схемы преобразователя. Произведен выбор трансформатора и диодов с охладителями. Рассчитано групповое соединение вентилей, выбрана коммутационная, защитная и измерительная аппаратура. Определены показатели, характеризующие качество электрической энергии на выходе и входе преобразователя, построены диаграммы электромагнитных процессов и рассчитаны эксплуатационные характеристики. Сделан вывод о целесообразности использования данной схемы выпрямления в устройствах электроснабжения электрических железных дорог постоянного тока.



Содержание

Введение

1. Принцип работы преобразователя

1.1 Описание схемы и режима работы

1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов в схеме

2. Расчет основных параметров схемы преобразователя

2.1 Расчет напряжений на элементах схемы

2.2 Расчет токов в цепях схемы

2.3 Расчет мощностей трансформатора

2.4 Расчет продолжительности коммутации тока

3. Выбор трансформатора

4. Проект вентильной части преобразователя

4.1 Выбор вентилей по типу и классу

4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях

4.3 Расчет группового соединения вентилей

5. Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя

6. Диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя

7. Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии

7.1 Качество выпрямленного напряжения

7.2 Качество сетевого тока

7.3 Внешняя характеристика

7.4 Характеристика коэффициента мощности

7.5 Характеристика коэффициента полезного действия

Заключение

Библиографический список

преобразователь электромагнитный коммутационный аппаратура



Введение

Основными элементами тяговых подстанций постоянного тока электрических железных дорог, метрополитена, городского и рудничного (карьерного) электротранспорта являются мощные выпрямительные, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи, являющиеся промежуточными звеньями между источниками и приемниками электроэнергии. Выпрямители должны обеспечивать надежное питание тяговых двигателей электроподвижного состава, инверторы надежный прием избыточных токов рекуперации, выпрямительно-инверторные преобразователи совмещать их функции.

Любой из вышеперечисленных преобразователей состоит из тягового трансформатора, служащего для преобразования уровня напряжения и числа фаз; вентильных конструкций, состоящих из управляемых или неуправляемых вентилей, которые обладают односторонней проводимостью; устройств коммутации и защиты преобразователя от аномальных режимов работы.



1. Принцип работы преобразователя

1.1 Описание схемы и режима работы

Рисунок 1 - Двенадцатипульсовая схема выпрямления последовательного типа

Двенадцатипульсовые схемы выпрямления позволяют: повысить коэффициент мощности тяговых подстанций до 0,97…0,98; улучшить форму кривой потребляемого от сети 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 расходы электротехнических материалов, затрагиваемых на изготовление выпрямителей. Приведенная схема является результатом последовательного соединения двух секций, каждая из которых представляет собой простую шестипульсовую мостовую схему выпрямления. Различие между секциями состоит с том, что у одной из них вентильная обмотка трансформатора соединена по схеме «звезда», а у другой - по схеме «треугольник». В результате этого кривые выпрямленных напряжений секций сдвинуты одна относительно другой на угол 30о, а результирующее напряжение на выходе выпрямителя имеет двенадцатипульсовую форму. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора может соединяться как в «звезду» так и в «треугольник». В этой схеме катод мостовой схемы «звезды» соединен с анодом «треугольника» нагрузка подключается к выводам «+Ud» и «-Ud». В каждой мостовой схеме работают одновременно два диода: один - из катодной группы, другой - из анодной. При совместной работе находятся одновременно четыре диода, напряжение одной схемы складывается с напряжением другой, в результате чего на нагрузку поступает двенадцатипульсовое выпрямленное напряжение.

1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов в схеме

Векторная и временные диаграммы электромагнитных процессов в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа приведены на рисунке 2 и 3 соответственно.

Рисунок 2 - Векторная диаграмма в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа



Рисунок 3 - Временные диаграммы электромагнитных процессов в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа



2. Расчет основных параметров схемы преобразователя

2.1 Расчет напряжений на элементах схемы

Исходным для определения напряжения на обмотках трансформатора и вентильных плечах является среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе преобразователя (Ud0). Определить Ud0 можно и из уравнения внешней характеристики для неуправляемого выпрямительного режима:

(1)

Так как известно, что при , то

, (2)

где Ud - среднее значение выпрямленного напряжения при токе нагрузки ;

А - коэффициент наклона внешней характеристики, зависящий от схемы, который может быть либо рассчитан, либо принят согласно справочным данным (табл. 5[1]);

uк - напряжение короткого замыкания трансформатора, определенное заданием и выраженное в относительных единицах.

Разница между значениями и учитывает потери напряжения в обмотках трансформатора, обусловленные их индуктивным сопротивлением и процессом коммутации тока. С целью учета потерь напряжения в активных сопротивлениях обмоток, вентилях, токоведущих шинах и в дополнительном оборудовании целесообразно округлить Ud0 в большую сторону, увеличив его на 1 - 3 %.

Для сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления последовательного типа действующие значения напряжений вентильной обмотки трансформатора определяются для каждой из секций: для секции «звезды» используется значение соотношения Ud0/U2, указанное в числителе, для секции «треугольника» - в знаменателе (см. табл. 5[1]).

Для секции «звезды»:

Для секции «треугольника»:

Учитывая, что номинальное линейное напряжение питающей сети U1л задано, коэффициент трансформации трансформатора:

, (3)

где U1 и U2 - действующие значения фазных напряжений первичной и вторичной вентильных обмоток трансформатора.

Для секции «звезды»:

Надежность работы полупроводниковых вентилей определяется максимальным (амплитудным) обратным напряжением на вентильном плече, т. е.



. (4)

Для секции «звезды»:

Для секции «треугольника»:

Для сравнения условий работы вентилей в различных схемах принято выражать UVmax через Ud0. Эти соотношения приведены в справочных данных (см. табл. 5[1]).

2.2 Расчет токов в цепях схемы

Условия работы вентильного плеча определяются максимальным IVmax и средним IVср значениями тока, поэтому для проектирования преобразователя необходимо рассчитать их через известный ток выпрямителя Idном. Соотношения между ними определяются схемой преобразователя (см. табл. 5[1]).

Заданием предусмотрена работа схем при абсолютно сглаженном токе преобразователя (Id = const, так как Xd = ). В этом случае мгновенный и максимальный значения тока вентильного плеча равны, причем для сложных мостовых схем последовательного типа IVmax = Idном.

Среднее значение тока в этих цепях:

, (5)

где = 2/3 - продолжительность проводящего состояния вентильного плеча.

Действующее значение тока вентильной обмотки трансформатора I2 определяется из соотношений, приведенных в таблице 5[1]. Для сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления последовательного типа токи I2 определяются для каждой из секций: для секции «звезды» используется значение соотношения I2/Id, указанное в числителе, для секции «треугольника» - в знаменателе.

Для секции «звезды»: I2=1307,2 А.

Для секции «треугольника»: I2=753,6 А.

Действующее значение тока сетевой обмотки трансформатора I1 определяется из соотношений, приведенных в таблице 5[1].

I1=301,2 А.

2.3 Расчет мощностей трансформатора

Особенностями преобразовательного трансформатора по сравнению с обычным силовым являются:

1) различное в большинстве случаев число фаз сетевой m1 и вентильной m2 обмоток, т. е. ;

2) нестандартное значение напряжения на вентильной обмотке;

3) неравенство мощностей сетевой S1 и вентильной S2 обмоток.

Вследствие последнего положения трансформатор характеризуется так называемой типовой мощностью Sтип, которая в общем случае определяется по выражению:

(6)



Мощность сетевой обмотки:

. (7)

При расчете сложных мостовых схем, в которых вентильные обмотки соединены в «звезду» и «треугольник»:

. (8)

В теории выпрямления тока принято выражать S1, S2 и Sтип через так называемую условную мощность:

. (9)

При сравнении рассчитанных по уравнениям (6) - (8) мощностей S1, S2 и Sтип с основными расчетными соотношениями, приведенными в таблице 5[1], получаем равенство S1/Pd0=1,006(1,008);S2/Pd0=1,045(1,05);Sтип/Pd0=1,026(1,029)

2.4 Расчет продолжительности коммутации тока

Процесс преобразования электрической энергии представляет собой регулярное чередование внекоммутационных и коммутационных интервалов в пределах каждого периода сетевого напряжения, поэтому необходимо определить продолжительность коммутации тока (значение угла коммутации ). С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения, абсолютно сглаженный ток на стороне постоянного напряжения, отсутствие взаимного влияния секций в сложных схемах, расчет при нагрузках, не превышающих номинальной и др.) можно определить угол коммутации и оценить его влияние на работу преобразователя.

Обобщенное для всех схем и режимов выражение, определяющее , согласно литературе [2, 10, 11] имеет вид:

, (10)

где - искомый угол коммутации;

= 0 - угол регулирования;

- угол опережения открытия тиристоров;

xв - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к напряжению вентильных обмоток,

; (11)

IVmax = f(Id) - ток, который коммутируют вентильные плечи данной схемы.

В результате вычислений получаем г = 15,13.

3. Выбор трансформатора

3.1 Критерии выбора трансформатора

Трансформатор преобразователя должен обеспечить реализацию заданной схемы, надежность и экономичность агрегата. При выборе трансформатора необходимо добиться соответствия паспортных данных условиям эксплуатации. При этом выбор производится по следующим критериям:

1) по соответствию параметрам питающей системы. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора и подведенная питающая сеть должны иметь одинаковое число фаз m1 и равные номинальные линейные напряжения;

2) по мощности. Мощность трансформатора должна обеспечить надежную работу преобразователя во всем диапазоне нагрузок, для этого при выборе необходимо соблюдение условия:

Sтип Sт.ном, (12)

где Sтип типовая (расчетная) мощность трансформатора, определенная в разделе 2 для проектируемого преобразователя;

Sт.ном номинальная мощность выбранного типа трансформатора, соответствующая одному из установленных значений шкалы номинальных мощностей трансформаторов, выпускающихся в России;

3) по схеме вторичных (вентильных) обмоток. Схема вентильных обмоток выбранного трансформатора должна соответствовать заданной;

4) по системе охлаждения. Выбор системы охлаждения производят в зависимости от типовой мощности и условий эксплуатации трансформатора (от назначения преобразователя). Применяемые в составе преобразователя трансформаторы могут быть сухими или масляными. В настоящее время сухие трансформаторы изготавливаются мощностью до 2500 кВ•А и разрабатываются более мощные. На тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока применяются исключительно масляные трансформаторы.

С учетом выше изложенных условий выбираем трансформатор типа:

Дополнительные данные:

- схема и группа соединения обмоток - У/ДУ - 11- 0;

- схема преобразователя - m=12 мостовая сложная последовательного типа;

- потери холостого хода Рх.х. = 9 кВт;

- потери короткого замыкания Рк.з. = 39 кВт;

- напряжение короткого замыкания: uк = 7,5% ;

- ток холостого хода: i0 = 0,77% ;

- масса: 14,6т;

- номинальное напряжение преобразователя: Udном = 3,3 кВ;

- номинальный ток преобразователя: Idном = 1,6 кА;

- мощность сетевой обмотки: 5,7 МВ.А;

- напряжение сетевой обмотки: U1л =10,5 кВ.

4. Проект вентильной части преобразователя

4.1 Выбор вентилей по типу и классу

Выбор вентиля проводится по следующим критериям:

1) по назначению преобразователя и режиму работы. При неуправляемом выпрямителе необходим диод;

2) по принципу охлаждения;

3) по конструктивному исполнению приборов;

4) по допустимому среднему току прибора. Исходным является значение среднего тока вентильного плеча IVср, рассчитанное по формуле (5), которое сравнивается с током одного вентиля.

Нагрузочную способность силовых полупроводниковых приборов характеризует максимально допустимый средний ток - среднее за период значение прямого тока, протекающего через прибор в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180о, когда при установившемся тепловом состоянии температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода - максимально допустимой.

5) по классу прибора. Выбор основан на сравнении максимального напряжения на вентильном плече UVmax, рассчитанного в подразделе 1.1, с допустимыми напряжениями для выбранного вентиля, определяемыми его классом.

Таблица 1 - Параметры вентиля типа Д143-1000 с охладителем О243 - 150

Обозначение параметра диода	Наименование параметра	Значение
IFAVm	Максимально допустимый средний прямой ток, А	1000
URRM	Повторяющееся импульсное обратное напряжение (напряжение класса), В	1600
IFSM	Ударный неповторяющийся прямой ток (ударный ток), кА	20,0
UFM	Импульсное (амплитудное) прямое напряжение, В	1,55
U(TO)	Пороговое напряжение, В	0,9
rт	Дифференциальное прямое сопротивление (динамическое сопротивление), мОм	0,26
Tjm	Максимально допустимая температура перехода, С	190
Rthjc	Тепловое сопротивление «переход - корпус», С/Вт	0,034
Rthha	Тепловое сопротивление «охладитель - охлаждающая среда», С/Вт	0,25
Rthch	Тепловое сопротивление «корпус - контактная поверхность охладителя», С/Вт	0,01
Z(th)tjc	Переходное тепловое сопротивление «переход - корпус» при t = 10 с, С/Вт	0,04
Z(th)tha	Переходное тепловое сопротивление «охладитель - охлаждающая среда» при t = 10 c, С/Вт	0,02

4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях

Максимально допустимый средний прямой ток при заданных условиях работы отличается от указанного в обозначении типа вентиля, так как прибор в конкретной схеме имеет иную продолжительность открытого состояния, различные значения температуры охлаждающей среды, интенсивности охлаждения и т. п., поэтому для оценки реальной нагрузочной способности вентиля рассчитывается IFAVm в заданных условиях по выражению:

, (13)

где Rthja - тепловое сопротивление «переход - среда», оС/Вт, причем

; (14)



оС/Вт,

kф = 1,73 коэффициент формы кривой тока, зависящий от характера нагрузки и схемы преобразователя, равный отношению действующего значения тока к среднему;

Та - температура охлаждающей среды (воздуха). В расчетах обычно принимается равной +40оС, но может изменяться в зависимости от места установки преобразователя, климатических условий и способа эксплуатации.

А.

Критериями оценки работоспособности полупроводниковых приборов при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристики и ударный неповторяющийся ток. Исходными данными для расчета перегрузочных характеристик являются типы прибора и охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.

Допустимый ток перегрузки определяется по формуле:

, (15)

где Tj - температура перехода в результате нагрева его током предварительной нагрузки,

; (16)

PF(AV) - мощность потерь в вентиле, обусловленная током предварительной нагрузки,

; (17)



Z(th)tja - переходное тепловое сопротивление «переход - среда» для продолжительности перегрузки t, с.

При t = 10 с:

Z(th)10ja = Z(th)10jc + Rthch + Z(th)10ha. (18)

Наиболее тяжелым будет режим при номинальном токе до наступления перегрузки, т. е. при

, (19)

где а = 2 - число вентилей, соединяемых в плече параллельно.

Z(th)10ja = 0,04 + 0,01 + 0,02=0,07С/Вт;

Вентильные конструкции должны выдерживать и аварийные перегрузки, в том числе сохранять исправность при режиме короткого замыкания (к. з.). Перегрузочная способность вентиля характеризуется ударным неповторяющимся прямым током IFSM - током, при котором превышается максимально допустимая температура перехода, но который протекает кратковременно и в единичных случаях за весь срок службы прибора. Нормируется допустимое значение ударного неповторяющегося прямого тока в виде одиночного импульса синусоидальной формы длительностью 10 мс в аварийном режиме. Обычно IFSM (15 - 20) IFAVm.

Этот ток сравнивается с расчетным ударным током к. з. в схеме преобразователя. Определить последний можно по упрощенной методике по выражению:

, (20)

где - напряжение короткого замыкания, эквивалентное сопротивлению питающей системы с мощностью к. з. Sк.з.с,

. (21)

Ударное значение тока к. з. определяется по выражению:

Iуд = 2,55 Iк.з. (22)

Iуд = 2,55· 11172,6 = 28490,13 А.

4.3 Расчет группового соединения вентилей

В преобразователях большой мощности, как правило, приходится использовать групповое соединение силовых полупроводниковых приборов с целью обеспечения нагрузочных режимов и необходимой надежности.

Порядок расчета числа параллельно соединенных вентилей предусматривает определение его по трем режимам:

1) номинальной нагрузки - 

, (23)

где IFAVm - максимально допустимый средний прямой ток вентиля, определяемый для заданных условий по выражению (19);

= 0,8 - коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между параллельно соединенными вентилями;

2) технологической перегрузки -

, (24)

где IVпер - максимальное значение тока вентильного плеча при перегрузке,

, (25)

kп 2,5 - коэффициент перегрузки за t = 10 с принимаемый в соответствии с заданием;

IF(OV) - амплитуда допустимого тока перегрузки одного вентиля, рассчитанная по формуле (15);

3) короткого замыкания -



, (26)

где Iуд - ударное значение тока к. з. в схеме преобразователя, определенное по выражению (22);

IFSM - ударный неповторяющийся прямой ток вентиля, принимаемый согласно паспортным данным.

Наибольшим из них является а1 ? 2.

Число последовательно соединяемых вентилей в плече схемы также определяется по трем режимам:

1) расчетному -

, (27)

где UVmax - максимальное обратное напряжение на вентильном плече, определенное по выражению (4) для данного режима;

URWM - рабочее обратное напряжение одного вентиля, принимаемое как параметр по паспорту. В случае отсутствия данных в паспорте принимается условие: ;

kU = 0,9 - коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение напряжения;

2) по повторяющимся (коммутационным) перенапряжениям -



, (28)

где UVпов = 2847 В - регулярно повторяющееся перенапряжение на плече, определенное процессами в схеме, значение которого задано в исходных данных;

URRM - повторяющееся обратное напряжение вентиля (напряжение класса);

3) по неповторяющимся перенапряжениям -

, (29)

где UVнепов = 11900 В - неповторяющееся аварийное перенапряжение, определенное исходными данными как перенапряжение между плюсовой и минусовой шинами преобразователя;

URSM - неповторяющееся обратное напряжение, допустимое на один вентиль;

URSM = 1,25URRM;

URSM = 1,25·1600 = 2000 В;

n - число последовательных плеч в схеме, включенных на выпрямленное напряжение.

s принимается равным 3.

Общее число вентилей в преобразователе определяется по выражению:

N = p a s, (30)

где p - число вентильных плеч в преобразователе.

N = 12·2·3 = 48.

Рисунок 4 ? Схема вентильного плеча.



5. Схема главных электрических соединений преобразователя

5.1 Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя

Схема, показывающая способ соединения вентильной части преобразователя с обмотками трансформатора, а также основные элементы электроустановки (коммутационные аппараты и защитное оборудование), соединенные в такой последовательности, которая выполнена в реальных условиях, называется схемой главных электрических соединений преобразователя.

Схема главных электрических соединений преобразователя приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема главных электрических соединений преобразователя



5.2 Выбор типа и обоснование примененных оборудования и аппаратов в схеме

Условия выбора аппаратов и шин:

аппараты и шины выбираются по назначению и способу установки (наружная или внутренняя);

аппараты и изоляторы - по номинальному напряжению аппарата (Uном.ап) в сравнении с номинальным напряжением установки (Uном.уст) при условии, что ;

аппараты и токоведущие шины - по допустимому току (Iном.ап) в сравнении с номинальным рабочим током цепи (Iном.уст) при условии, что .

Наименование выбранных коммутационных аппаратов, защитного оборудования и токоведущих шин, место их установки, основные параметры и позиционные обозначения сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Перечень элементов схемы главных электрических соединений преобразователя

Поз. обозначение	Наименование	Место установки	Кол-во	Номинальное напряжение, кВ	Номинальный ток, А
				Uном.ап	Uном.уст	Iном.ап	Iном.уст
Q	Высоковольтный вакуумный выключатель ВВTЭ-10 II 25/630	Сторона переменного напряжения	1	10	10	1600	301.2
QF	Выключатель автоматический быстродействующий ВАБ-49-4000/30-К-УХЛ4	Сторона постоянного напряжения	1	3,3	3,3	4000	1600
QS2	Разъединитель РВПТЗ-3/4000 УХЛ 2	Сторона постоянного напряжения	1	3,3	3,3	4000	1600
ТА	Трансформатор тока ТПЛ-10	Сторона переменного напряжения	2	10	10	400	301,2
РА	Амперметр М367 с наружным шунтом 75 ШСМ	Сторона постоянного напряжения	1	-	-	4000	1600
РV	Вольтметр М151 с добавочным резистором Р103	Сторона постоянного напряжения	1	4	3,3	-	-
-	Шина переменного тока РУ-10 кВ А 304	Подключение преобразователя на переменное напряжение	3	-	-	365	301,2
-	Шина постоянного тока РУ-3,3 кВ А 1008	Подключение преобразователя на постоянное напряжение	2	-	-	1625	1600
-	Шина подключения вентильного блока к вторичным обмоткам трансформатора А 808	Соединение выводов трансформа-тора с вентильными плечами	6	-	-	1320	1307,2
R1-R6	Ограничители перенапряжений ОПН-1,5УХЛ1	Подключение к выводам вентильных обмоток тягового трансформа-тора	6	1,5	1,2	-	-



6. Диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя

Результаты расчета и принцип работы преобразователя в заданном режиме иллюстрируются диаграммами электромагнитных процессов, которые представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Диаграммы электромагнитных процессов



7. Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии

7.1 Качество выпрямленного напряжения

В кривой выпрямленного напряжения при симметричных и синусоидальных напряжениях питающей сети содержатся гармонические составляющие следующего порядка:

n = k m, (31)

где k = 1, 2, 3, 4,…;

m - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения.

Действующее значение каждой гармоники определяется по выражению:

; (32)

По выражению (32) можно определить действующее значение гармоники Ud0n:

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения характеризует результирующее влияние всех гармоник и определяется по формуле:

; (33)

Качество выпрямленного напряжения определяется коэффициентом полной волнистости:

; (34)

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета действующего значения переменной составляющей выпрямленного напряжения и коэффициента полной волнистости преобразователя

Неуправляемый выпрямитель
n		Ud0n	U2d0n
12	0,0098	33,11	1096,79
24	0,0024	8,23	67,83
36	0,00109	3,65	13,37
48	0,00061	2,05	4,22
60	0,00039	1,31	1,73
72	0,00027	0,91	0,83
1184,79
34,42
щd0 = 0,01

Сравнивая полученные значения щd0 (0,01) c приведенным в [1] и со значениями для других схем выпрямления, можно сделать вывод о высоком качестве напряжения в двенадцатипульсовой схеме по сравнению с шестипульсовой.

7.2 Качество сетевого тока

Форма кривой тока, потребляемого выпрямителем из сети, несинусоидальна и содержит гармонические составляющие с порядковым номером:

, (35)

где k = 0, 1, 2, 3, …

В результате расчетов получили n1=1, 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49.

Если принять = 0 и Xd = , то доля каждой гармоники I1(n1) от основной или первой (f = 50 Гц) гармоники тока I1(1) :

, (36)

а действующее значение полного сетевого тока:

; (37)

Показателем качества этого тока является коэффициент формы кривой сетевого тока:



0 , (38)

характеризующий совершенство схем.

После преобразований из уравнений (37) и (38) можно получить формулу для определения коэффициента формы кривой сетевого тока:

0 (39)

0 ==0,99

7.3 Внешняя характеристика

Большое значение для оценки эффективности преобразователя имеет внешняя характеристика, устанавливающая зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки: Ud = f(Id).

Для выпрямительного режима работы уравнение внешней характеристики имеет вид:

(39)

Внешняя характеристика представлена на рисунке 7.



Рисунок 7 - Внешняя характеристика преобразователя

7.4 Характеристика коэффициента мощности

Коэффициент мощности показывает долю активной мощности P1 от полной S1, потребляемой выпрямителем (реализуемой инвертором) с данной схемой в зависимости от нагрузки, т. е.

. (40)

Расчетным выражением для определения коэффициента мощности, справедливым для выпрямительного режима, является следующее:

, (41)

Смысл аргумента косинусной функции - угол сдвига первой гармоники сетевого тока относительно кривой питающего напряжения.

Результаты расчетов сведены в таблицу 4. Характеристика коэффициента мощности представлена на рисунке 15.

Таблица 4 - Результаты расчета коэффициента мощности преобразователя

	Неуправляемый выпрямитель
	, гр.
0,2	6,28	0,994
0,4	8,88	0,988
0,6	10,58	0,983
0,8	12,31	0,977
1	15,13	0,965

Рисунок 8 - Характеристика коэффициента мощности

7.5 Характеристика коэффициента полезного действия

Характеристика коэффициента полезного действия (КПД) показывает отношение мощности Pd, отдаваемой выпрямителем нагрузке в данном режиме работы, к активной мощности Р1, потребляемой из питающей сети. Расчетным выражением для определения КПД будет следующее:



, (42)

где Pd - мощность на стороне постоянного тока,

Pd = Ud Id ; (43)

Pd = 3400· 1600 = 5440000 Вт;

P - активные потери в схеме преобразователя;

Pт - потери мощности в трансформаторе,

, (44)

где Pх.х - потери холостого хода трансформатора;

Pк.з - потери короткого замыкания трансформатора;

Pв - потери мощности в вентилях преобразователя,

, (45)

где na = 1 - число параллельных секций;

Pс.н - потери мощности в устройствах собственных нужд преобразователя, включающие потери в системах управления и охлаждения, а также в устройствах защиты;

Pр - потери мощности в сглаживающем реакторе,

Pр = Rp Id2, (46)

где Rp - активное сопротивление обмотки реактора.

Потери мощности Pс.н не зависят от схемы и режима преобразователя, поэтому допустимо в курсовой работе их не учитывать, или принять равными 0,5% Pd при токе Id = Idном. Так как в курсовой работе не выбирается сглаживающий реактор, то потери мощности Pр также можно не учитывать.

Результаты расчета КПД преобразователя для заданного режима работы сведены в таблицу 5. Характеристика коэффициента полезного действия представлена на рисунке 16.

Таблица 5 - Результаты расчета КПД преобразователя

Id, А	Ud, В	Pd		Pт			Pв	P
		кВт	А	В	кВт	-
320	3390	1085	1,56	10,56	3840	0,942	3,62	14,18	0,9871
640	3380	2163	6,24	15,24	7680	0,983	7,55	22,79	0,9896
960	3370	3235	14,04	23,04	11520	1,025	11,81	34,85	0,9893
1280	3360	4301	24,96	33,96	15360	1,066	16,38	50,34	0,9884
1600	3350	5361	39	48	19200	1,108	21,27	69,27	0,9872



Рисунок 9 - Характеристика коэффициента полезного действия



Заключение

В процессе данной курсовой работы был спроектирован полупроводнико-вый преобразователь, получающий питание от трехфазной сети переменного тока, с двенадцатипульсовой схемой выпрямления последовательного типа и режимом работы при бесконечной индуктивности цепи выпрямленного тока (Xd = ?), выбран преобразовательный трансформатор типа ТРМП - 6300 / 35ЖУ1, спроектирована вентильная часть преобразователя, разработана схема главных электрических соединений преобразователя, построены диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя, рассчитаны эксплутационные характеристики и параметры, характеризующие качество электроэнергии. Стабилизация напряжения в контактной сети повышает пропускную способность участков железных дорог.

Применение в спроектированном преобразователе двенадцатипульсовой схемы выпрямления позволяет: повысить коэффициент мощности тяговых подстанций до 0,988; улучшить форму кривой потребляемого от сети 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 расходы электротехнических материалов, затрагиваемых на изготовление выпрямителей. Данный преобразователь имеет достаточно большой коэффициент полезного действия (0,9896).



Библиографический список

1. Салита Е. Ю. Проектирование преобразователей для тяговых подстанций постоянного тока: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении» / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалева / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2016. 54 с.

2. Барковский Б. С. Теория выпрямления тока на тяговых подстанциях: Конспект лекций / Б. С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 50 с.

3. Салита Е. Ю. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении» / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалева / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 44 с.

4. Силовые преобразователи тяговых подстанций и электроподвижного состава: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Е. Ю. Салита, Г. С. Магай, Т. В. Комякова и др.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 131 с.

5. Давыдова И. К. Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования / И. К. Давыдова, Б. И. Попов, В. М.Эрлих. М.: Транспорт, 1978. 416 с.

6. Чебовский О. Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. М.: Энергоатомиздат, 1985. 400 с.

7. Новое оборудование для проектирования тяговых и трансформаторных подстанций: Учебное пособие / Г. С. Магай, Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова и др.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 81 с.

8. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог. Сборник справочных материалов / ОАО «Российские железные дороги», филиал «Проектно-конструкторское бюро по электрификации железных дорог». М.: Трансиздат, 2004. 384 с.

9. Засорин С. Н. Электронная и преобразовательная техника / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма М., 1981. 319 с.

Размещено на Allbest.ru