Диплом_(образец)

2 При малой индуктивности реактора L_p=2,5 и 5 мГн возможно использование одиночного выключателя на фидерах ТП, т.к. напряжение дуги u_d

меньше, чем предельно допустимое напряжение по паспортным данным выключателя, но при этом возрастает энергия выделяемая в дуге при к.з.

56

выключателя и соответственно снижается ресурс выключателя. С использованием УР ресурс выключателя снизится до 16,3 лет при L_p=2,5 мГн; без использования УР ресурс выключателя снизится до 11,6 лет при L_p=2,5 мГн.

1.2.2 Оптимальный выбор типа и числа конденсаторов в параллельной части апериодических фильтров

Конденсаторы — второй составной элемент сглаживающего устройства тяговой подстанции.

В качестве ёмкости в апериодическом контуре сглаживающих фильтров применяются конденсаторные батареи, состоящие из несколько последовательно соединённых конденсаторов. Ёмкость конденсаторной батареи C _рез определяется по формуле 1.48, мкФ:

^C рез ^=Ск ^{ N}мин.доп ^,

(1.48)

где С_к – ёмкость одного конденсатора, мкФ;

N_{мин.доп}– минимально допустимое количество

конденсаторов в

конденсаторной батареи, шт.

Конденсаторы должны иметь длительно работать при номинальном выпрямленном напряжении 3300 В в условиях резонансного контура, где на постоянное напряжение накладывается переменное напряжение и протекает переменный ток различных звуковых частот. Желательно, чтобы конденсаторы были заполнены негорючей вязкой жидкостью, безопасной в пожарном отношении.

Для апериодических контуров применяют конденсаторы ФСТ 4-13

(заполненные синтетической негорючей жидкостью, номинальное напряжение 4,0

кВ, номинальная ёмкость 13 мкФ ±20%), конденсаторы ФЭТ-4-16У2 (заполненные экологически безопасной жидкостью, для применения на тяговых подстанциях, номинальное напряжение 4,0 кВ, номинальная ёмкость 16 мкФ

±20%) и конденсаторы ФЭК-5-25У2(заполненные экологически безопасной

57

где n – номер гармоники; j - мнимая еденица;

f_c – частота питающей сети (f_c =50 Гц), Гц;

L_p – индуктивность реактора, мГн;



U(n) – напряжение n-ой гармоники, В.

Ток n-ой гармоники I_к(n), А, протекающий через один конденсатор определяется по формуле 1.50:

58

жидкостью, с комбинированным диэлектриком, номинальное напряжение 5,0 кВ,

номинальная ёмкость 25 мкФ ±20%).

Конденсаторы работают при одновременном наложении напряжения переменного тока частотой от 100 до 1200 Гц с максимально допустимым отклонением значения частоты не более ±2,5%. При этом значения напряжения переменного тока не должно превышать указанных в таблице 2.

Таблица 2 - Отношение значения переменного тока к значению ёмкости конденсатора

Частота, Гц, не более

100

200

300

400

500

600

900

1200

Отношение значения

переменного

тока к значению

0,58

0,82

1,0

1,15

1,28

1,42

1,73

2,0

ёмкости конденсатора

I_к.доп, А/мкФ, не более

Конденсаторы рассчитываются на длительное протекание переменного тока определенной величины частотой от 300 до 1200 Гц. Ток n-ой гармоники I_(n), А,

протекающий через апериодическую часть СФ определяется по формуле 1.49:



^I(n) ⁼

^U(n)

,

(1.49)

j2πf_c nL_p +

1

j2πf_cnC_рез

^I к(n) ⁼

^I(n)

.

(1.50)

^Nмин.доп

На рисунках 32,33,34,35,36,37,38,39 соответственно приведены графики зависимостей отношений значений тока для n-ой гармоники, к числу конденсаторов в апериодической части СФ при коэффициентах несимметрии питающего напряжения a_u=0%, a_u=2%, a_u=6%, a_u=10%, углом сдвига между составляющими прямой и обратной последовательностей ψ = 0 ⁰, схеме выпрямления питающего напряжения m=6 и m=12 конденсатора типа ФЭТ-4-

16У2.

59

Рисунок 32- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=0%,

ψ = 0 ⁰, m=6

Рисунок 33- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=2%,

ψ = 0 ⁰, m=6

60

Рисунок 34- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=6%,

ψ = 0 ⁰, m=6

Рисунок 35- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=10%,

ψ = 0 ⁰, m=6

61

Рисунок 36- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=0%,

ψ =0 ⁰, m=12

Рисунок 37- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=2%,

ψ =0 ⁰, m=12

62

Рисунок 38- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=6%,

ψ =0 ⁰, m=12

Рисунок 39 - Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=10%,

ψ =0 ⁰, m=12

63

Из вышеприведённых графиков можно сделать вывод о величине ёмкости и количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u. Аналогичным образом можно рассчитать необходимое количество конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13

при индуктивности реактора L_p=3 мГн, L_p=5 мГн.

В таблице 3 приведены данные о минимальном количестве конденсаторов,

необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u для конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 и

ФЭТ-4-16У2.

Таблица 3 - Данные о минимальном количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u для конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 и ФЭТ-4-16У2

количество конденсаторов N_{мин.доп}

коэффициент

при ёмкости конденсаторов, мкФ

выпрямитель

несимметрии

13

16

25

a_u, %

индуктивность реактор L_p, мГн

3

5

3

5

3

5

a_u=0

13

8

10

6

6

5

m=6

a_u=2

68

42

56

35

38

23

a_u=6

76

45

63

38

40

25

a_u=10

82

48

67

40

43

26

a_u=0

5

3

3

3

2

2

m=12

a_u=2

68

42

55

33

36

22

a_u=6

76

46

62

37

39

24

a_u=10

82

48

66

40

42

25

Исходя из вышеприведённых расчётов можно построить графики

зависимости

минимального

количества

конденсаторов,

необходимых для

64

применения в апериодической части СФ от коэффициентов несимметрии питающего напряжения, a_u при шестипульсовой и двенадцатипульсовой схеме выпрямления (m=6, m=12)для конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 и ФЭТ-4-16У2 (рисунок 40,41).

Рисунок 40 - Зависимость минимального количества конденсаторов в параллельной части апериодического СФ от коэффициентов несимметрии

питающего напряжения, a_u при шестипульсовой схеме выпрямления

65

Рисунок 41 - Зависимость минимального количества конденсаторов в параллельной части апериодического СФ от коэффициентов несимметрии питающего напряжения, a_u при двенадцатипульсовой схеме выпрямления

Как видно из полученных результатов, при увеличении степени нессиметрии минимально допустимое количество конденсаторов в параллельной части СФ увеличивается и достигает количества равного 82 при С_к=13 мкФ, это соответствует ёмкости параллельной части апериодического СФ равной 1066

мкФ. Соответственно при такой большой ёмкости в параллельной части можно использовать индуктивность реактора L_p=3 мГн и менее и получать при этом эффективный фильтр, который может подавлять все гармоники, которые могут вызывать мешающее и опасное влияния на смежные электротехнические коммуникации. Таким образом, в качестве основного мероприятия по увеличению эффективности пассивного СФ может являться использование повышенной ёмкости в параллельной части, но при этом использование пониженной индуктивности в последовательной части СФ. Пониженная индуктивность реактора приводит к уменьшению расхода электроэнергии, и незначительному влиянию на снижение ресурса выключателя, но при этом эффективность

66

пассивного СФ будет обеспечена за счёт использование повышенной ёмкости в параллельной части.

Применение апериодического фильтра при коэффициенте нессиметрии a_u

равного 0-2 % неэффективного, вследствие использования большого количества конденсаторов. Необходимо использование дополнительно настроенного контура на 100 Гц, т.к. каноническая гармоника на 100 Гц появляется при нессиметрии питающего напряжения, и играет решающее значение при выборе числа конденсаторов (рисунок 32-39). При использовании такого контура затраты на создание СФ, с меньшим числом конденсаторов в параллельной части будет меньшим

1.2.3 Применение активных сглаживающих фильтров Необходимость применения активных сглаживающих фильтров,

обусловлена следующими характеристиками, которые нельзя получить применением пассивных сглаживающих фильтров[2]:

подавление гармоник нечетного ряда (в первую очередь 50 Гц);

возможно меньшее увеличение малогабаритных размеров;

сохранение (или улучшение) положительных характеристик существующих фильтров;

улучшение энергетических характеристик фильтра;

напряжение на выходе СФ, независящее от частоты питающей сети;

тангенса диэлектрических потерь конденсаторов.

Способов решения этой задачи по крайней мере два. Один состоит в добавлении в существующий фильтр тяговой подстанции еще одного резонансного контура, настроенного на частоту 50 Гц, однако этот вариант обладает существенными недостатками. К основным из них можно отнести существенное увеличение малогабаритных размеров сглаживающего устройства за счет резонансной цепочки на низкой частоте (50 Гц) и низкую добротность дополнительного контура, а, следовательно, низкую его эффективность. Кроме того,

из-за колебания частоты в энергосистеме в течение суток в зависимости от

67

нагрузки резко падает эффективность всех резонансных фильтров за счёт смещения их полюсов.

Другой путь состоит в разработке нового решения подавления гармоник на принципиально другой основе - это применение так называемого активного, или компенсационного фильтра.

1.2.3.1 Классификация активных сглаживающих фильтров Все схемные решения активных фильтров можно разделить на 5 основных

групп: параллельно-параллельного типа (сигнал снимается с параллельной реактору ветви и подаётся также на параллельную, но в противофазе);

параллельно-последовательного типа; последовательно-последовательного типа,

последовательно-параллельного и смешанного типа. Классификация активных СФ приведена на рисунке 42.

68

Активные фильтры

Последовательная часть

Параллельная часть

Ёмкость и

Реактор

Трансформатор

Ёмкость

трансформатор

Способ компенсации переменной составляющей

В последовательной части

В параллельной части

Инвертор

Трансформатор

Рисунок 42 - Классификация активных СФ

1.2.3.2 Анализ работоспособности и применимости наиболее распространённых схем сглаживающих фильтров

В настоящее время промышленность выпускает транзисторы, на которых можно создать усилитель мощности в несколько сотен ватт, и при этом напряжение на его выходе может быть не более 100 В (оно определяется допустимым для существующих транзисторов напряжением питания усилителя). Поэтому на данном этапе развития полупроводниковой техники по технико-экономическим соображениям предпочтительнее выполнить составной фильтр, включающий в себя два звена: в первом использовать часть существующего резонансного

69

фильтра тяговой подстанции; во втором — активный фильтр. Такой двухзвенный фильтр получил название активно-пассивного фильтра. Принципиальная схема активно-пассивного фильтра для тяговой подстанции показана на рисунке 43.

Рисунок 43 - Принципиальная схема активно-пассивного фильтра

Пассивное звено в зависимости от качества первичного напряжения и режима работы тяговой подстанции может выбираться с различным количеством параллельных цепочек. Первое звено необходимо для предварительного снижения уровня переменной составляющей выпрямленного напряжения до величины, допустимой по условиям работы усилителя активного звена фильтра.

Активное звено фильтра 11 (рисунок 44) содержит входной контур и усилитель мощности, а также необходимые средства защиты как входных цепей усилителя от мощного сигнала, так и выходных цепей усилителя от мощных волн перенапряжений в системе выпрямленного напряжения 3,3 кВ.

Рисунок 44 – Принципиальная схема устройства для компенсации пульсаций выпрямленного напряжения

70

Входной контур активного звена фильтра состоит из емкости С и изолировочного трансформатора ИТ с коэффициентом трансформации, равным единице. Назначение емкости — разделить переменную и постоянную составляющие выпрямленного напряжения. Параметры емкости С и трансформатора ИТ выбираются таким образом, чтобы резонанс напряжений между конденсатором и первичной обмоткой трансформатора был на возможно более низкой частоте. В этом случае исключается влияние этой цепи на величину и фазу гармоники с частотой 50 Гц.

Устройство содержит поперечную ветвь из конденсатора 6, включенного параллельно цепи из конденсатора 7 и датчика 8, и продольную ветвь из реакторов 4

и 5. Следящее устройство включает датчик 8, фазовый корректор 9, блок 10

сравнения фаз и инвертирующий усилитель 11. Сигнал, снятый с датчика 8,

усиливается и подается в противофазе к входному сигналу на реактор 5. При этом блок сравнения фаз гармонических составляющих управляет фазовым корректором для минимизации фазовых искажений в цепи «вход датчика — реактор 5». Этим достигается необходимый коэффициент сглаживания.

Устройство работает следующим образом [11]. На входы 1 и 3 подается пульсирующее выпрямленное напряжение. Первое звено фильтра из реактора 4 и

конденсатора 6 сглаживает канонические гармоники с частотами 300 Гц, 600 Гц и т.

д., снижая мощность переменной составляющей, которая прикладывается ко второму активному звену фильтра. Конденсатор 7 служит для отделения переменной составляющей выпрямленного напряжения от постоянной составляющей. В

следящем блоке с датчика 8 снимается сигнал и подается на вход фазового корректора

9, управляемого от блока 10 сравнения фаз, а с его выхода — на вход инвертирующего усилителя 11. Блок 10 сравнения фаз получает сигнал с входа и выхода усилителя 11, сравнивает фазы и вырабатывает сигнал, пропорциональный фазовой ошибке, который управляет фазовым корректором 9.

Сигнал, поступающий с выхода усилителя 11 на реактор 5, находится строго в противофазе с сигналом, поступающим на вход следящего устройства, и,

вычитаясь из него, дает минимальные значения переменной составляющей на

71

выводах 2 и 3, т. е. резко увеличивает его коэффициент сглаживания. Схема некритична к величине реактора 5 и позволяет свести его к одному блоку.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сократить количество реакторов последовательной ветви и тем самым уменьшить потери в них, а также уменьшить или полностью ликвидировать резонансные LC-цепочки.

Мощность усилителя определялась как произведение тока по выходному транзисторному каскаду на напряжение на нем, или, что то же самое, на напряжение на реакторе. В результате расчетов было получено, что необходимая мощность усилителя при отсутствии пассивного фильтра должна находиться в пределах 3,5-4,5

кВА, что при современной элементной базе невыполнимо. Наличие пассивного звена в пассивно-активном фильтре позволяет снизить требуемую мощность активного элемента до 40 ВА.

Следует отметить, что на сегодняшний день существуют большое количество активных сглаживающих фильтров [2], некоторые из них проходят пробную эксплуатацию на железных дорогах России [2]. Принцип работы таких фильтров заключается в отделении переменной составляющей выпрямленного напряжения на входе фильтра и, за счет подачи в противофазе, компенсации пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра.

Для оценки эффективности работы активных фильтров рассмотрим фильтр,

предложенный ОмГУПС. Для анализа работы активного фильтра, проведено его моделирования в программе Mathlab 6.5 и сняты характеристики электромагнитных процессов при шестипульсовой схеме выпрямления.

Структурная схема активного сглаживающего фильтра представлена на рисунке 45.

Принципиальная схема активного СФ представлена на рисунке 46.Имитационная модель активного СФ, предложенного ОмГУПС представлена на рисунке 47.

72

Рисунок 45– Структурная схема активного сглаживающего фильтра

Рисунок 46 – Принципиальная схема активного сглаживающего фильтра

73

Рисунок 47- Имитационная модель активного СФ ОмГУПС:

На рисунке: 3-Phase Source – трёхфазный источник синусоидальной конечной мощности; PT – понижающий трансформатор тяговой подстанции; TT –

преобразовательный(тяговый) трансформатор; VK – выпрямительные мостовые конструкции; Scope – пишущий осциллограф; Source – управляемый источник переменного напряжения; L_p1, L_p2 – реакторы; V – датчик напряжения с гальванической развязкой; V₁ – датчик напряжения с гальванической развязкой на входе СФ; V₂ – датчик напряжения с гальванической развязкой на выходе пассивной части СФ; V₃ – датчик напряжения с гальванической развязкой на выходе активного СФ; RMS – блоки вычисления действующего(среднего)

сторзначения переменной (постоянной величины);С – конденсаторные блоки; mux-мультиплексор; Load – нагрузка; SUM – сумматор