Курсовая работа (т): Модернизация электропоездов переменного тока с целью снижения затрат электроэнергии

При плавном регулировании с вентильным переходом сохраняется переключение выводов обмоток трансформатора контактами переключателя, а тиристоры служат для плавного регулирования между ступенями и обеспечивают бесстыковую коммутацию.

Наиболее перспективным на данный момент времени является бесконтактное регулирование напряжения с помощью тиристоров.

Достоинством схемы является отсутствие контактов и группового переключателя. Благодаря тиристорному регулированию удастся сократить число ступеней, оказывается возможным упростить конструкцию трансформатора, освобождает от необходимости использования громоздких переходных реакторов. Выбор способа и силовой схемы выпрямительной установки также зависит от технико-эксплуатационных параметров и реализации коэффициента мощности.

В последнее время в нашей стране и за рубежом на электрических железных дорогах однофазно-переменного тока промышленной частоты широкое распространение получил электроподвижной состав, оборудованный выпрямительными установками с тиристорным регулированием. Поэтому особую важность приобретают вопросы наиболее рациональной компоновки выпрямителей с точки зрения выбора числа зон, схемных решений, алгоритма управления.

В сравнении с неуправляемым диодным выпрямителем управляемый тиристорный выпрямитель с фазовым регулированием выходного напряжения вызывает более сильное искажение формы кривой первичного тока и повышенное содержание в нем высших гармоник. При этом существенно возрастает мешающее влияние на устройства СЦБ и линии связи.

Установлено, что можно снизить амплитудные значения высших гармоник в первичном токе, обусловленные коммутацией в управляемом выпрямителе. Этого можно добиться двумя способами:

•        уменьшением величины изменения коммутируемого тока в зоне фазового регулирования путем выбора как можно более высокого числа зон;

•        увеличением угла покрытия путем введения в контур коммутации дополнительно индуктивности, замедляющей изменение тока.

Иными словами, переход от однозонного регулирования к многозонному фазовому регулированию позволяет уменьшить влияние на линии связи и сблизить характеристики тиристорного электроподвижного состава с зонно-фазовым регулированием с характеристиками диодно-выпрямительного электроподвижного состава со ступенчатым регулированием напряжения.

Многозонный тиристорный преобразователь можно получить двумя способами, различными по компоновке элементов схемы, но одинаковыми с точки зрения воздействия на контактную сеть: последовательное соединение несимметричных полу управляемых мостовых выпрямителей на стороне выпрямленного тока (рис. 2.1) и на стороне переменного тока (рис. 2.2).

Согласно схеме на рис. 2.1 трансформатор имеет несколько изолированных обмоток, питающих соответственно несколько несимметричных мостовых выпрямителей, которые включены последовательно. Начинается оно с постепенного повышения напряжения моста первой зоны, причем ток нагрузки протекает через диодные ветви остальных мостов. После полного открытия моста первой зоны начинается фазовое регулирование моста второй зоны, напряжение которого накладывается на напряжение моста первой зоны и так далее до последней зоны.

Согласно схеме на рис. 2.2 вторичная обмотка трансформатора промежуточными отпайками разделена на несколько неизолированных секций. Мост каждой зоны образуется диодной и тиристорной ветвями выпрямителя.

В последнее время с повышением класса напряжения полупроводниковых приборов, используемых в тяговых преобразователях электроподвижного состава, наметилась тенденция применения по схеме (рис. 2.2). К тому же в схеме с изолированными мостовыми выпрямителями возникает взаимоиндукция между соответствующими им обмотками трансформатора. Это ведет к ухудшению энергетических показателей использования.

Большое внимание уделяется проблеме повышения коэффициента мощности. Существует много способов его повышения, которые имеют свои преимущества и недостатки.

При проведении испытаний секции электропоездов серии 420, австрийских электровозов 1044 - 01, с числом зон регулирования 4 и 8 соответственно, было установлено, что повышение числа зон дает незначительный прирост среднеэксплуатационного коэффициента мощности.

Поэтому можно признать мировой тенденцией снижение числа зон регулирования до 2, что в том числе имеет ряд преимуществ:

)        Уменьшение количества выводов тягового трансформатора, а следовательно и его стоимость;

)        Уменьшение количества используемых полупроводниковых приборов;

)        Снижение трудоемкости в обслуживании электрической аппаратуры.

Существует еще несколько способов повышения коэффициента мощности, и для сравнения с зонно-фазовым регулированием мы рассмотрим некоторые из них.

Одним из способов является применение импульсно-фазового регулирования, то есть за период работы выпрямительной установки есть несколько импульсов выходного напряжения, что позволяет приблизить форму тока, потребляемого преобразователем, к синусоиде. Таким образом, достигается улучшение гармонического состава тока и, следовательно, снижение мощности искажения.

Однако, такая система имеет ряд недостатков. Необходимо применять быстродействующие тиристоры с узлами принудительной коммутации, что в значительной степени удорожает конструкцию и ухудшает массогабаритные показатели. К тому же такой способ регулирования более эффективен при большом периоде питающего напряжения, например, при частоте  Гц и малой мощности питающих подстанций, когда требуется иметь минимальный угол сдвига между напряжением и током.

При малом периоде питающего напряжения возможно появление таких моментов, когда близлежащие к середине импульсы сливаются и появляется необходимость перейти на регулирование с меньшим числом импульсов, что при синусоидальной модуляции приводит к росту более удаленных от середины импульсов и, следовательно, резкому ухудшению коэффициента мощности и гармонического состава потребляемого тока.

Другим способом импульсного регулирования является формирование единичного импульса от максимума кривой приложенного напряжения, что позволяет получить уже на первой зоне регулирования достаточно высокие значения коэффициента мощности.

При этом наилучшие энергетические показатели работы выпрямительной установки получаются на второй зоне регулирования, когда форма потребляемого тока близка к синусоиде.

Поэтому целесообразно, чтобы номинальный режим работы электроподвижного состава приходился бы на вторую зону регулирования.

Из приведенного выше сравнения тяговых статических преобразователей можно отметить преимущества преобразователя с зонно-фазовым регулированием напряжения и числом зон регулирования равным двум. Основные преимущества данного преобразователя заключаются в следующем:

)        Малое количество выводов обмотки трансформаторов;

)        Малое число полупроводниковых элементов;

)        Эксплуатационная надежность и ремонтопригодность;

)        Достаточно высокий коэффициент мощности;

)        Снижение массы преобразователя и его габаритов;

)        Снижение себестоимости установки;

)        Снижение эксплуатационных расходов.

.       
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

3.1    Электромагнитные процессы на первой зоне регулирования

При учете индуктивности питающей сеть, в которую входят индуктивность подстанций контактной сети, характеристики коэффициента мощности  еще больше снижаются. Некоторое влияние оказывают пульсации тока. Однако учитывая, что ток двигателей должен быть сглажен, для чего используется сглаживающий реактор большой мощности, то максимальные пульсации тока не превышают 20%, что мало влияет на входные характеристики выпрямителей.

При этом значительно уменьшаются высшие гармоники тока (выше девятой), поэтому форма тока приближается к синусоиде.

Рассмотрим влияние индуктивности питающей сети. Обозначим суммарное индуктивное сопротивление сети переменного тока, отнесенное к вторичной обмотке трансформатора - . действующее значение ЭДС на всей вторичной обмотке .

Тогда напряжение одной вторичной обмотки

где  - число вторичных обмоток трансформатора.

Для двух зон регулирования . В то же время индуктивное сопротивление одной обмотки трансформатора

Так как индуктивное сопротивление пропорционально квадрату числа витков вторичной обмотки трансформатора.

Расчеты проведем при допущениях, что:

)        Намагничивающий ток обмотки трансформатора отсутствует;

)        Вентили - идеальные ключи, ток нагрузки идеально сглажен и равен .

Временные диаграммы токов и напряжений для первой зоны регулирования приведены на рис. 3.1.

Анализируя эти диаграммы можно сказать, что имеется два коммутационных интервала: интервал отсутствия тока в питающей сети и интервал совместной работы сети и нагрузки, причем в последнем интервале ток постоянен и равен , так как считаем его идеально сглаженным.

При коммутации токов вентилей, образуется контур короткого замыкания, электромагнитные процессы в котором описываются следующим выражением [5]:

следовательно,

Интегрируя, получим ток короткого замыкания:

где  - постоянная интегрирования, которую определим при начальных условиях: ; .

Решая относительно  получим:

При , , то есть:

Рассмотрим второй коммутационный интервал. Изменение тока описывают уравнением:

Интегрируя, получим выражение для тока короткого замыкания вентилей:

Постоянную интегрирования  определим из условия, что при , . Решая относительно , получим:

При , , получаем

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Относительная величина выпрямленного напряжения:

Из выражений определим величину каждого коммутационного интервала  и :

следовательно,

Действующее значение тока:

где

Синусная составляющая тока:

Коэффициент мощности [5]:

Ток короткого замыкания выпрямителя:

Относительная величина тока нагрузки [5]:

Тогда в относительных единицах можно определить длительность коммутационных интервалов; длительность первого коммутационного интервала:

Длительность второго коммутационного интервала:

Величина  определяет минимальный угол регулирования, а также необходимо выполнение условия .

Таким образом, зная , можно определить ток вторичной обмотки трансформатора :