Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ существующих способов и устройств для стабилизации напряжения контактной сети 11
1.1.Стабилизация напряжения тяговой подстанции со стороны первичной обмотки трехфазного трансформатора . 11
1.1.1.Изменение числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора 11
1.1.2. Компенсация реактивной мощности в сети, питающей трехфазный трансформатор 18
1.2.Стабилизация напряжения подстанции со стороны вторичной обмотки трехфазного трансформатора . 20
1.2.1. Использование вольтодобавочных устройств полупроводниковых преобразователей 20
1.2.2. Использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии 25
1.3.Стабилизация напряжения контактной сети с помощью тягового трансформатора с модифицированной конструктивной схемой 26
Выводы по 1 главе 29
Глава 2. Разработка и исследование способа стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора 30
2.1.Способ стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора без короткозамкнутых витков на подстержнях (вариант 1) 30
2.2.Способ стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора с короткозамкнутыми витками (вариант 2) 49
2.3.Способ стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора с короткозамкнутыми витками и секционированной первичной обмоткой (вариант 3) . 57
2.4.Сравнительный анализ разработанных способов стабилизации напряжения 62
Выводы по 2 главе 64
Глава 3. Предварительный электромагнитный расчет трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами 65
3.1. Предварительный электромагнитный расчет трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами 65
3.2. Расчет и размещение первичных обмоток 77
3.3. Расчет и размещение вторичных и короткозамкнутых обмоток 80
3.4. Расчет электрических и магнитных потерь трехфазного трансформатора 83
3.5. Расчет холостого хода трансформатора 85
3.6. Расчет коэффициента полезного действия трансформатора 86
Выводы по 3 главе 87
Глава 4. Расчетные исследования режимов работы трансформаторно-выпрямительного агрегата со стабилизирующими свойствами 88
4.1. Исследование номинального режима работы трансформатора 88
4.2.Исследование режима холостого хода трансформатора со стабилизирующими свойствами 4.3. Исследование режима короткого замыкания трансформатора со стабилизирующими свойствами 108
4.4. Некоторые результаты исследований выпрямителя трансформаторно-выпрямительного агрегата 115
Выводы по 4 главе 121
Глава 5. Эксперимент и инженерная методика расчета основных параметров трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами . 122
5.1.Определение критериев подобия . 122
5.2. Расчет модели трансформатора со стабилизирующими свойствами... 126
5.3. Проведение экспериментальных исследований на модели трансформатора и математическая обработка результатов измерений 132
5.3.1. Описание схемы эксперимента . 132
5.3.2. Эксперимент . 133
5.3.3. Статистическая обработка экспериментальных данных методом регрессионного анализа 135
5.4. Точность воспроизведения критериев подобия 141
5.5. Методика инженерного расчета основных параметров трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами 144
Выводы по главе 5 149
Заключение 150
Библиографический список 152
Приложение 1. Перечень технических характеристик базового трансформатора со стабилизирующим эффектом 160
Приложение 2. Патенты . 161
Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертационной работы 166
- Использование вольтодобавочных устройств полупроводниковых преобразователей
- Предварительный электромагнитный расчет трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами
- Некоторые результаты исследований выпрямителя трансформаторно-выпрямительного агрегата
- Методика инженерного расчета основных параметров трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами
Введение к работе
Актуальность. Резко переменный характер нагрузки, а также возрастающие потребности в увеличении пропускной способности железнодорожных магистралей, связанные с использованием грузовых и высокоскоростных электроподвижных составов, сопряжены с рядом негативных последствий, вытекающих из особенностей системы электротяги 3,3 кВ постоянного тока, к которым можно отнести искажение формы тока, получаемого от системы питания, из-за нелинейности характеристик тяговой подстанции, увеличение тяговых токов в 1,25-1,5 раза от их номинального значения и снижение уровня напряжения в контактной сети.
Существующие устройства стабилизации напряжения на шинах питающей подстанции при длительном превышении тяговых токов не всегда способны поддерживать требуемый уровень выпрямленного напряжения с достаточной степенью надежности. Отмеченный факт указывает на необходимость разработки агрегата электроснабжения подстанции, способного самостоятельно (без регулирующих устройств) компенсировать отклонения напряжения от требуемого уровня в контактной сети, в месте ее присоединения к шинам подстанции постоянного тока 3,3 кВ.
Степень разработанности. Вопросам стабилизации напряжения на
тяговой подстанции постоянного тока, а также в контактной сети
посвящены работы отечественных ученых: Б.А. Аржанникова,
А.Т. Буркова, Р.Р. Мамошина, А.Н. Марикина, К.Г. Марквардта, Р.И. Мирошниченко, В.Н. Пупынина, М.Г. Шалимова и других.
Целью исследования является разработка и исследование научно
обоснованного технического решения для решения проблемы
стабилизации напряжения контактной сети в месте ее присоединения к шинам подстанции постоянного тока 3,3 кВ.
Объект исследования - трансформаторно-выпрямительный агрегат подстанции постоянного тока со стабилизирующим эффектом.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы,
протекающие в конструктивных элементах трансформаторно-
выпрямительного агрегат в различных режимах работы и
обуславливающие его стабилизирующие свойства.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка и исследование способа стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней тягового трехфазного трансформатора агрегата.
-
Исследование влияния основных параметров магнитопровода и обмоток трансформатора на процесс стабилизации напряжения.
-
Разработка конструкции трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами для тяговых подстанций постоянного тока.
-
Математическое моделирование основных режимов работы трехфазного трансформатора со стабилизирующим эффектом.
-
Проведение экспериментальных испытаний на модели однофазного трансформатора для верификации его стабилизирующих свойств.
-
Разработка методики определения основных параметров трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами.
-
Исследование влияния выпрямителя на стабилизирующие свойства трансформаторно-выпрямительного агрегата подстанции 3,3 кВ.
Методика исследований. В ходе исследований использовались методы математического анализа, теории функций комплексного переменного, теории линейных и нелинейных электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории подобия, численные методы с использованием пакета программы Elcut. Работа построена на традиционных положениях теории трансформаторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способ стабилизации напряжения контактной сети в месте ее присоединения к шинам подстанции постоянного тока 3,3 кВ с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора и последующим перераспределением магнитных потоков, протекающим по подстержням.
-
Результаты расчетных исследований трансформаторно-выпрямительного агрегата со стабилизирующим эффектом в различных режимах его работы.
-
Методика расчета трехфазного трансформатора со стабилизирующим эффектом.
Научная новизна. В ходе работы были получены следующие результаты:
-
Разработан новый способ стабилизации напряжения контактной сети в месте ее присоединения к шинам подстанции постоянного тока 3,3 кВ с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора трансформаторно-выпрямительного агрегата подстанции постоянного тока.
-
Построена математическая модель трансформатора со стабилизирующим эффектом, описывающая электромагнитные процессы, протекающие в данном трансформаторе.
-
Разработана методика расчета трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами.
Достоверность и обоснованность научных результатов
подтверждена результатами математического моделирования в среде пакета Elcut 6.0 и данными, полученными в ходе проведения серии экспериментальных исследований на модели однофазного трансформатора со стабилизирующими свойствами.
Практическая значимость:
-
Разработан трансформаторно-выпрямительный агрегат тяговой подстанции, позволяющий самостоятельно стабилизировать уровень напряжения в контактной сети при критических токовых перегрузках (до 2% от номинального значения).
-
Сформулированы требования, предъявляемые к параметрам магнитопровода и обмоткам трансформатора агрегата со стабилизирующими свойствами на этапе проектирования.
-
Разработана методика расчета трехфазного трансформатора трансформаторно-выпрямительного агрегата со стабилизирующими свойствами.
Реализация. Результаты диссертационной работы были
использованы на ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» при
разработке перспективных систем и устройств электропитания
железнодорожного транспорта.
Апробация. Положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах:
-
Шестой и Седьмой Международный симпозиум «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте» Eltrans’2011 и Eltrans’2013 (Санкт-Петербург, ПГУПС);
-
Всероссийская научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (2012, 2013, Санкт-Петербург, ПГУПС);
-
III Всероссийская научно-техническая конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (14 - 17 апреля 2014 г., Тольятти, ТГУ);
-
III Всероссийский конгресс молодых ученых (8 - 11 апреля 2014 г., Санкт-Петербург, Университет ИТМО);
-
V Международная молодежная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи-2014» (Томск, 10-14 ноября 2014 г.);
-
Международная научно-практическая конференция «Транспорт-2013» (Ростов-на-Дону, 2013);
а также на научно-методических семинарах кафедры «Теоретические основы электротехники» ПГУПС (2011 - 2017).
Публикации. По материалам и результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них в 2 изданиях, входящих в перечень ВАК, получено 5 патентов на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 166 страниц основного машинописного текста, 14 таблиц, 72 рисунка и 3 приложения. Библиографический список включает 69 наименований.
Использование вольтодобавочных устройств полупроводниковых преобразователей
Одним из способов усиления участков электрифицированного железнодорожного транспорта является установка вольтодобавочных устройств на тяговых подстанциях постоянного тока. К таким техническим средствам относится преобразователь выпрямительный для электрифицированного транспорта регулируемый (ПВЭР). Преобразователь состоит из регулируемой и нерегулируемой частей. Нерегулируемая часть выполнена по схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором». Регулируемая часть выполнена по схеме Ларионова. Питание осуществляется от трансформатора типа ТМП-3200/10.
Номинальное напряжение преобразователя составляет 600 В, номинальный выпрямленный ток - 3,0 кА.
Управление преобразователем – амплитудно-фазное [18]. Регулирование напряжением осуществляется подачей на управляемые электроды тиристоров импульсных сигналов с равным сдвигом по фазе на угол [9].
Выходные характеристики агрегата ПВЭР приведены на рисунке 1.8.
Преимущества использования ПВЭР:
1. Вольтодобавочная часть, входящая в ПВЭР, позволяет не только регулировать (характеристика 4), но и стабилизировать (характеристика 3) напряжение на шинах тяговой подстанции.
2. Использование параллельно включенных шунтирующих диодов в схему регулируемой части ПВЭР позволяет обеспечить непрерывное протекание тягового тока при исчезновении сигналов управления на выходах тиристоров, следовательно, повышается надежность работы тяговой подстанции.
Недостатки использования ПВЭР:
1. Использование шунтирующих диодов в схеме ПВЭР повышает коэффициент мощности регулируемой части всего на 4%.
2. Использование дополнительной регулируемой части в ПВЭР увеличивает его стоимость.
Преобразовательный агрегат с магнито-тиристорным регулятором выпрямленного напряжения (ВДУ ЛИИЖТа)
Устройство состоит из основного преобразователя и магнито-тиристорного регулятора. Магнитотиристорный регулятор состоит из вольтодобавочного трансформатора (преобразовательный трансформатор типа ТМР-3200/35) и блока тиристоров. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) подключена к вторичной обмотке основного преобразовательного трансформатора, а также через группу тиристоров к его нулевому выводу. Концы вторичных обмоток ВДТ соединены с выпрямителем.
Тиристорами осуществляется амплитудно-фазное регулирование напряжения, питающее первичную обмотку ВДТ. В зависимости от угла регулирования тиристоров напряжение вторичных обмоток ВДТ изменяется в диапазоне 0 600 В [18]. Таким образом, диапазон регулирования фазного напряжения вторичной обмотки ВДТ составляет .
Недостатки агрегата:
1. Наличие встречно включенных тиристоров не обеспечивает постоянного поддержания магнитного равновесия в стержнях ВДТ, вследствие этого возникают перенапряжения, представляющие угрозу для работающих тиристоров и изоляции ВДТ.
2. Напряжение, формируемое на компенсационной обмотке, не способно обеспечить подъем напряжения на шинах питающей подстанции до требуемого уровня.
3. Включение ВДТ резко снижает коэффициент мощности всей системы в целом [9,18].
Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) с регулируемым напряжением
Используется для централизованного регулирования напряжения на электрифицированном участке. В состав входят: управляемые реакторы УР1-УР2 каждой фазы трехфазной питающей системы, ШАУНТ (шкаф автоматического управления напряжением на тиристорах), трансформатор ТДП-16000/10Ж, выпрямительно-инверторный блок, измерительные трансформаторы, система управления, система датчиков гармонического состава выпрямленного напряжения и импульсный трансформатор.
Регулирование напряжения тяговой подстанции осуществляется путем изменения напряжения вторичной обмотки трансформатора за счет регулирования коэффициента трансформации управляемыми реакторами [9].
Достоинства ВИП:
1. Регулирование выпрямленного напряжения в широком диапазоне, как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертирования.
2. Переход из режима выпрямления (а также при стабилизации напряжения) в режим инвертирования осуществляется автоматически на основе данных об уровне напряжения в тяговой сети и гармонического состава выпрямленного напряжения.
Недостатки ВИП:
1. В процессе стабилизации напряжения участвуют управляемые реакторы с подмагничиванием, снижающие коэффициент мощности ВИП.
2. Ступенчатое изменение напряжения на вторичной обмотке трансформатора приводит к возникновению опасных переходных процессов, протекающих в его первичной и вторичной обмотках, тем самым снижается надежность всей системы питания.
Вольтодобавочные устройства Московского института инженеров транспорта и Уральского электромеханического института инженеров железнодорожного транспорта
Схема ВДУ МИИТа содержит трансформатор, неуправляемый выпрямитель и управляемый выпрямитель с шунтирующими диодами и тиристорами (рисунок 1.9).
Управляемый выпрямитель ВДУ подключается к контактной сети. Номинальное выпрямленное напряжение управляемого выпрямителя составляет 540 В, номинальный выпрямленный ток выпрямителя – 3 кА. Такая схема позволяет повысить напряжение в сети на 540 В [18].
Вольтодобавочное устройство УЭМИИТа, как и вольтодобавочное устройство МИИТа, содержит преобразовательный трансформатор, кроме того здесь используется вольтодобавочный трансформатор и регулирующий орган (РО) – управляемый и неуправляемые реакторы (НР-УР). Устройство способно стабилизировать внешние характеристики в диапазоне от 3,5 до 3,8 кВ [18,19].
Из [20] известна схема тяговой подстанции со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии (СПИН) (рисунок 1.10).
Холодная зона
В состав СПИН входят следующие компоненты: сверхпроводниковая катушка индуктивности (СКИ), обмотка которой выполнена из сверхпроводников второго рода (NbTi, Nb3Sn, V3Ga), сглаживающий фильтр (состоит из конденсатора и реактора ), блок конденсаторов , криотроны К1-К4, полупроводниковые управляемые ключи ПК1-ПК6, блок управления БУ, датчик тока ДТ, датчик направления тока ДНТ и датчик напряжения ДН. В СПИН криотроны К1-К4, полупроводниковые управляемые ключи ПК1-ПК6 и блок конденсаторов представляют собой блок сопряжения СКИ с системой тягового электроснабжения. Такой блок позволяет избежать прямого подключения СПИН к системе электроснабжения, не допуская увеличения токов I в обмотках двигателей и не вызывая аварийного перенапряжения в сети тягового электроснабжения [20].
В [21] отмечается, что при 25-кратном броске тока тягового фидера напряжение фидера снижается на 375 В. При среднесуточном токе (100 А) напряжение тягового фидера не падает ниже 3375 В. Номинальное значение напряжения тягового фидера составляет 3500 В [22].
Необходимость обеспечения криогенных температур, ограничения по скорости ввода и вывода энергии из СПИН, зависимость поведения сверхпроводящих обмоточных проводов от внешних условий (например, от внешних и собственных магнитных полей) пока делают использование СПИН весьма проблематичным.
Предварительный электромагнитный расчет трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами
Исследуемый трансформатор является тяговым, место установки - тяговая подстанция постоянного тока 3,3 кВ.
Известно, что современными направлениями совершенствования трансформаторов являются:
1. Повышение надежности трансформаторов при эксплуатации.
2. Уменьшение габаритов и стоимости трансформаторов.
Так как разрабатываемый трансформатор непременно должен отвечать требованиям увеличения потребляемой мощности и сохранения высокого коэффициента полезного действия, механической и термической прочности, расчет оптимальных параметров его конструктивной схемы является важнейшим этапом его проектирования.
Выполним предварительный расчет трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами. Исходными данными для такого расчета являются:
1. Выпрямленное напряжение тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ.
2. Выпрямленный ток тяговой подстанции постоянного тока (значение берется из [9]).
3. Напряжение короткого замыкания трансформатора (для предварительного расчета данные берутся из [4]).
4. Напряжение первичной обмотки трансформатора .
5. Схема соединения вторичных и первичных обмоток трансформатора [18].
6. Схема выпрямительной установки, подключаемой к вторичной обмотке [9].
Предполагается, что полная номинальная мощность тяговой подстанции постоянного тока равна полной номинальной мощности трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами, то есть ., потери в выпрямительной установке не учитываются, так как предварительно считаем, что к.п.д. выпрямителя близок к 1.
Полная номинальная мощность подстанции при известном значении напряжения на ее шинах и значении напряжения короткого замыкания проектируемого трансформатора определяется по формуле из [9, 56]
Так как в конструкции исследуемого трансформатора стержень фазы состоит из двух параллельно соединенных подстержней, необходимо установить, в каких долях распределяется полная электрическая мощность фазы между под стержнями.
Рассмотрим вторичную обмотку фазы «А» трехфазного трансформатора. Электродвижущая сила, индуктируемая в первой секции вторичной обмотки, дается выражением
При уменьшении мощности секций вторичной обмотки, расход стали уменьшается, как и при увеличении энергии электромагнитного поля подстержней. Однако следует помнить, что снижение полной мощности секций вторичных обмоток трансформатора, а значит и полной мощности трехфазного трансформатора (мощности трансформаторно-выпрямительного агрегата тяговой подстанции), ведет к снижению пропускной способности тяжеловесных и скоростных линий.
Согласно принципу стабилизации напряжения вторичной обмотки трансформатора, магнитное поле подстержней характеризуется разными амплитудными значениями индукции и напряженности и разными относительными магнитными проницаемостями
Увеличение индукции магнитного поля выше допустимого значения 1,65 Тл ведет к увеличению магнитных потерь на гистерезис и вихревые токи [57]. Повышение плотности тока в проводах обуславливает увеличение джоулевых потерь, нарушение оптимального соотношения между потерями в меди и железе, снижение коэффициента полезного действия.
Кроме того, значения магнитной индукции , напряженности магнитного поля подстержней, плотности тока в проводах первичной, вторичной и короткозамкнутой обмоток должны находиться в строго определенных пределах, устанавливаемых мощностью трансформатора.
Согласно с результатами исследований, приведенными во второй главе, предполагаем, что короткозамкнутая обмотка трансформатора, содержащая 0,4 витков и состоящая из параллельных групп, распределена равномерно поверх первой секции первичной обмотки. С учетом этого, уравнение (3.5) перепишем в виде , где – ширина меди первой секции вторичной обмотки; – высота меди первой секции вторичной обмотки, – плотность тока вторичной обмотки, – ширина чистой меди секции вторичной обмотки, – коэффициент заполнения окна. Формулы (3.12) и (3.13) показывают, что полная электрическая мощность секции вторичной обмотки трансформатора прямо пропорциональна амплитудному значению индукции магнитного поля подстержня при неизменных геометрических размерах трансформатора.
Во второй главе определены оптимальные соотношения: числа витков первой и второй секций вторичной обмотки ( =1,36); числа витков короткозамкнутой обмотки и первой секции вторичной обмотки ( =0,4); площадей поперечных сечений подстержней ). Изменение числа витков секций вторичной обмотки при ведет к необходимости изменения высоты подстержней и ширины окна трансформатора, при заданной мощности требуется изменить и диаметр подстержня. В результате меняются магнитные и электрические потери в трансформаторе.
Таким образом, необходимо найти оптимальное значение , удовлетворяющее максимальному коэффициенту полезного действия трансформатора, его минимальному весу и стоимости.
Согласно полученным результатам во второй главе при 2844 А и выше стабилизирующие свойства трехфазного трансформатора исчезают, при этом напряжения первой и второй секций вторичной обмотки равны друг другу ( 4600 В). Равны и максимальные полные мощности секций вторичной обмотки ( 6541,2 кВА).
Расчет при определяет максимально допустимое значение диаметра подстержя трансформатора.
В номинальном режиме работы трансформатора материал второго подстержня приближается к состоянию магнитного насыщения (в процессе стабилизации напряжения), а материал первого - намагничен так, что значение магнитной индукции находится в допустимых границах и относительная магнитная проницаемость материала первого подстержня достигает максимального значения
Некоторые результаты исследований выпрямителя трансформаторно-выпрямительного агрегата
Трансформаторно-выпрямительный агрегат тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ должен обеспечивать стабилизацию напряжения на шинах питающей подстанции и выдерживать большие токовые перегрузки.
Надежность агрегата определяется условиями его работы (характером изменения выпрямленного тока тяговой подстанции, загруженностью электрифицированного участка), а также параметрами входящих в его состав устройств, среди которых особое место занимает выпрямительная установка, причем надежность выпрямителя, выполненного на диодах выше, чем на управляемых полупроводниковых приборах. Среди схем выпрямления, построенных на диодах, наиболее эффективными считаются 6-ти и 12-типульсовые схемы. Достоинства 12-типульсовых схем:
- получение меньших пульсаций выпрямленного напряжения;
- снижение высших гармоник токов первичных и вторичных обмоток трансформатора;
- высокий коэффициент использования трансформатора 0,97.
Двенадцатипульсовые схемы разделяют на эквивалентные и собственные схемы. Для реализации и тех, и других используются две последовательно соединенные 6-ти пульсовые мостовые схемы выпрямления, при этом в качестве преобразователя переменного напряжения в переменное напряжение меньшего значения может выступать как один трехобмоточный трансформатор, так и группа из двух двухобмоточных трансформаторов [9].
Шестипульсовые же выпрямительные схемы подключаются непосредственно к вторичным обмотками трансформатора. К достоинствам таких схем также можно отнести достаточно высокий коэффициент =0,95, но пульсации выпрямленного напряжения больше, чем в 12-типульсовой схеме выпрямления.
Трансформаторно-выпрямительный агрегат согласно своей конструкции содержит только один двухобмоточный трехфазный трансформатор. Это означает, что в качестве выпрямительной части агрегата следует использовать 6-типульсовую мостовую схему.
Известна мостовая параллельная шестипульсовая схема блока тягового выпрямителя типа БЛ-В-ТПП-3,15к-3,3к УХЛ4, изготавливаемого в ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО». Достоинство параллельной мостовой шестипульсовой схемы по сравнению с обычной шестипульсовой- увеличение выходных параметров по току, мощности и напряжению.
Характеристики схемы:
- номинальное среднее значение выпрямленного напряжения - 3,3 кВ;
- номинальное среднее значение выпрямленного тока - 3,15 кА;
- коэффициент полезного действия тягового выпрямителя в номинальном режиме работы - 99,5%.
На рисунке 23 приведена схема трансформаторно-выпрямительного агрегата тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ, на схеме: 1 стабилизирующий трансформатор, 2-параллельная шестипульсовая схема выпрямления, VD1-VD24 - полупроводниковые приборы, - мгновенное значение выпрямленного тока агрегата, – мгновенное значение выпрямленного напряжения агрегата.
Поскольку в диссертационной работе речь идет о поддержании уровня напряжения контактной сети (в точке ее присоединения к питающей подстанции постоянного тока) на заданном уровне, поэтому необходимо оценить влияние трехфазного трансформатора на стабилизирующую функцию агрегата. Для этого исследуем внешнюю характеристику трансформаторно-выпрямительного агрегата.
Из (4.9) следует, что среднее значение выпрямленного напряжения будет определяться не только амплитудой напряжения вторичной обмотки трансформатора, но и начальной фазой напряжения .
На рисунке 4.24 представлена внешняя характеристика трехфазного стабилизирующего трансформатора с секционированными первичными и вторичными обмотками и короткозамкнутой обмоткой (результаты численного расчета п.2.3 второй главы). Номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора составляет 3715 В при номинальном токе 2000 А.
При увеличении тока более чем в 1,4 раза напряжение уменьшается на 20 В.
На рисунке 4.25 представлен график зависимости . С увеличением тока начальная фаза изменяется нелинейно и при 2000 А составляет -20 электрических градусов.
В результате расчетов для и получена внешняя характеристика трансформаторно-выпрямительного агрегата с учетом электрических и магнитных потерь в трансформаторе, потери в выпрямителе не учитывались (рисунок 4.26).
Согласно рисунку 4.26 при 3300 кВ среднее значение выпрямленного тока подстанции составляет 3200 А. При увеличении тока более чем в 1,4 раза напряжение контактной сети (в точке ее присоединения к шинам питающей подстанции) снижается на 67 В.
Таким образом, уменьшению фазного напряжения вторичной обмотки стабилизирующего трансформатора на 0,54% соответствует снижение уровня напряжения на шинах питающей подстанции 3,3 кВ не более чем на 2% при изменении тягового тока более чем в 1,4 раза, этот факт подтверждает стабилизирующие свойства трансформаторно-выпрямительного агрегата подстанции постоянного тока 3,3 кВ.
Методика инженерного расчета основных параметров трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами
К основным параметрам трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами можно отнести: диаметр подстержней трансформатора, число витков секций первичных и вторичных обмотки, число витков короткозамкнутых обмоток, высоту подстержней трансформатора.
На рисунке 5.6 представлена блок-схема алгоритма расчета основных параметров трансформатора со стабилизирующими свойствами.
На этапах этого алгоритма выполняются следующие операции.
П.1. Определение напряжения вторичной обмотке трансформатора при максимально допустимом амплитудном значении тока вторичной обмотки .
П.2. Во второй главе показано, что при максимально допустимом амплитудном значении тока вторичной обмотки трансформатора амплитудные значения напряжений секций равны ( , а результирующее напряжение вторичной обмотки связано с напряжениями ее секций выражением:
П.3. Определение максимально допустимого тока вторичной обмотки трансформатора позволит установить максимальные значения полных мощностей секций вторичной обмотки. При известном максимальном значении выпрямленного тока питающей подстанции максимально допустимый ток вторичной обмотки может быть определен по формуле из [9]: – максимальное значение тягового тока; – коэффициент, зависящий от схемы выпрямление и соединения вторичных обмоток трансформатора.
П.4. Определение полных мощностей секций вторичной обмотки по формуле: где и – действующие значения полных мощностей секций вторичной обмотки.
П.5. На этом этапе осуществляется выбор действующего значения плотности тока вторичной обмотки трансформатора , коэффициента заполнения сечения круга ( ), полного коэффициента заполнения окна магнитопровода трансформатора ( ), геометрических соотношений ( и ). Предполагается, что процессы в трансформаторе протекают с промышленной частотой =50 Гц.
П.6. Определение амплитудного значения индукции магнитного поля второго подстержня при максимально допустимом токе вторичной обмотки при соблюдении ограничения , где – амплитудное значение индукции насыщения, выбирается из справочника для данной марки стали (при трансформатор теряет свои стабилизирующие свойства).
П.7. Определение диаметра подстержня трансформатора
П.8. Определение длины подстержня трансформатора и ширины окна по формулам
П.9. Если не учитывать активные сопротивления секций вторичной обмотки трансформатора, можно считать, что при максимально допустимом токе вторичной обмотки амплитудные значения напряжений секций равны, тогда (амплитудные значения электродвижущих сил, индуктируемых в секциях вторичной обмотки).
П.10. Определение число витков второй секции вторичной обмотки с учетом известного амплитудного значения напряжения секции вторичной обмотки при максимально допустимом токе обмотки по формуле
П.11. Определение числа витков первой секций вторичной обмотки выполняется по формуле (см. вторую главу):
П.12. Определение числа витков первых секций первичных обмоток из соотношения числа витков первой секции первичной обмотки к числу витков первой секции вторичной обмотки
П.13. При определении числа витков первой секции первичной обмотке необходимо учитывать, что оно равно числу витков второй секции первичной обмотки
П.14. При определении витков короткозамкнутой обмотки следует руководствоваться, что их число с числом витков первой секции вторичной обмотки соотносятся следующим образом: (см. вторую главу).
П.15. Для проверки расчета необходимо убедиться в том, что условия существования режима – точки на кривой , в окрестности которой проявляется стабилизирующий эффект, выполняются. Для этого необходимо рассчитать амплитудные значения напряженностей магнитного поля подстержней трансформатора при номинальном токе его вторичной обмотки:
П.16. По кривой намагничивания материала магнитопровода трансформатора осуществляется определение амплитудных значений индукций магнитного поля подстержней и , а также расчет относительных магнитных проницаемостей и материалов подстержней. Если ( – максимальное значение относительной магнитной проницаемости материала магнитопровода) и , тогда первое условие проявления эффекта стабилизации выполняется. Так как установлены оптимальные соотношения между витками обмоток трансформатора, то при выполнении условия , то условия будет выполняться автоматически.