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

На рис. 4.2 приведены значения коэффициента мощности четырехзонного выпрямителя, а на рис. 4.3 представлен гармонический состав потребляемого тока.

Действующие значения синусных и косинусных высших гармонических составляющих тока на m-й зоне:

Для определения качества потребляемой энергии необходимо в процессе регулирования определить активную, реактивную и полную мощность на входе выпрямительной установки.

Полную мощность определяют как произведение действующего значения тока и напряжения на входе выпрямителя:

В относительных единицах:

Активную мощность определяют из выражения:

Реактивную мощность определяют из выражения:

Мощность искажения, которую определяют наличием высших гармонических составляющих кривой потребляемого тока может быть определена следующим образом:

В относительных единицах мощность искажения будет представлена в следующем виде:

На рис. 4.4 представлены графики мощностей. На входе выпрямителя изображены сплошными линиями.

Из хода кривых следует, что при отсутствии коммутации реактивные мощности на каждой зоне регулирования одинаковы. Активная мощность линейно зависит от величины выпрямленного напряжения. Мощность искажения возрастает с ростом зоны регулирования в зависимости от роста напряжения.

Коэффициент формы, являющийся отношением действующего значения выпрямленного напряжения к его среднему значению:

Следует отметить, что все соотношения справедливы для случая отсутствия коммутационного интервала, коммутационных потерь.

При рассмотрении коммутационного интервала, применительно к электромагнитным процессам в диодно-тиристорном выпрямителе, необходимо отметить, что характеристики коэффициента мощности и сдвига снизятся на  во всем диапазоне регулирования.

Гармонический состав тока, потребляемого выпрямителем, практически не изменится.

На рис. 4.5 приведены зависимости мощностей на входе двухзонного выпрямителя от напряжения на его выходе.

Из рисунка видно, что с увеличением коммутационного интервала растет полная мощность, а, следовательно, и полный ток, потребляемый выпрямителем. То есть увеличивается потребление реактивной мощности, снижается коэффициент мощности, снижается выпрямленное напряжение за счет индуктивных потерь. Таким образом, наблюдается обратное воздействие на питающую сеть при работе электроподвижного состава.

Коммутация и пульсация выпрямленного тока зависят от величины индуктивных сопротивлений первичной цепи и цепи выпрямленного тока.

В общем случае, полную мощность определяют соотношением [5]:

где  - соответственно активная, реактивная мощность и мощность искажения.

Реактивная мощность обусловлена сдвигом фазы первичного тока относительно напряжения.

Мощность искажения характеризует степень различия в формах кривых тока и напряжения.

При фазовом регулировании напряжения усугубляются недостатки диодно-тиристорного выпрямителя электровозов и электропоездов, связанные с особенностями процесса коммутации тока в вентилях и проявляющихся в повышенном потреблении реактивной мощности и увеличенным содержанием высших гармоник в первичном токе.

Поэтому разрабатываемым преобразователям электроподвижного состава предъявляются три обязательных требования:

)        Наименьший угол сдвига основной гармоники первичного тока относительно напряжения для снижения потребляемой реактивной мощности;

)        Низкое содержание в первичном токе высших гармоник малых порядков во избежание мешающего влияния на рельсовые цепи устройств сигнализации;

)        Низкое содержание в первичном токе высших гармоник во избежание мешающего влияния на линии связи.

Для соблюдения этих требований предлагается следующее решение: использовать емкостную компенсацию реактивной мощности.

4.1    Определение параметров фильтро-компенсирующего устройства

Одним из способов повышения мощности является применение фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ). Применение ФКУ приводит к устранению реактивной мощности и улучшению гармонического состава потребляемого тока.

Анализируя кривые тока, потребляемого выпрямителем, а, следовательно, и кривые мощностей на входе выпрямителя, можно прийти к выводу, что целесообразно применение ФКУ на подвижном составе. Так как реактивная мощность на входе выпрямителя существенно изменяется при переходе от одной зоны регулирования к другой.

Можно установить ФКУ непосредственно на тяговой подстанции, однако такое ФКУ редко будет работать в номинальном режиме.

Для двухзонного выпрямителя упрощенная схема силовых электрических цепей приведена на рис. 4.6.

Так как выпрямитель является нагрузкой индуктивной (с учетом угла регулирования индуктивности в цепи нагрузки), то фильтро-компенсирующее устройство должно носить емкостной характер.

При коммутации вентилей возможны резкие броски напряжения, поэтому в цепь ФКУ вводят небольшую индуктивную нагрузку, а также встречно-параллельное включение вентилей. Они служат для подключения фильтро-компенсирующего устройства в моменты перехода кривой питающего напряжения через ноль. Это позволяет исключить броски тока в переходных процессах.

Обозначим  - напряжение контактной сети как ЭДС источника питания,  - эквивалентная нагрузка.

Выбор параметров ФКУ осуществим на основе метода основной гармоники, используя кривые мощностей на входе выпрямительной установки.

Активная мощность на выходе выпрямителя определяется по известным значениям напряжения и тока нагрузки выпрямителя:

Учитывая, что выпрямитель является реактивной нагрузкой, обозначим угол сдвига между током и напряжением через .

Активная мощность на входе выпрямителя определяется из равенства:

где  − напряжение в контактной сети

 − действующее значение тока на входе выпрямителя, А.

Реактивная мощность на входе выпрямителя определяется выражением:

Ток конденсатора:

Из этого выражения можно определить эквивалентное сопротивление батареи конденсаторов, а при известной частоте напряжения питающей сети- эквивалентную емкость батареи конденсаторов.

Назначение фильтро-компенсирующего устройства - полностью устранить или снизить до минимума фазовый сдвиг между напряжением и током в контактной сети. Поэтому получаемый угол сдвига на входе ФКУ можно определить из равенства активных мощностей:

где     − угол сдвига между напряжением и током в контактной сети;

 − ток на входе выпрямителя с ФКУ при частоте 50 Гц.

при этом

где    .

Зададимся соотношением:

Индуктивное сопротивление:

Емкостное сопротивление:

Емкостное сопротивление батареи конденсаторов:

Таким образом, задавшись параметром , необходимо решить систему уравнений:

При этом угол  может быть найден из выражения:

Компенсацию реактивной мощности будем производить при токе .

Тогда ток конденсатора:

Эквивалентное сопротивление батареи конденсаторов:

Емкостное сопротивление:

Индуктивное сопротивление:

Емкость батареи конденсаторов:

Индуктивность катушки:

Для второй зоны регулирования параметры ФКУ определены точно также, добавив одно фильтро-компенсирующее устройство.

Такое решение позволяет унифицировать узлы ФКУ, что упрощает работы по монтажу и обслуживанию, а также ведет к сокращению номенклатуры деталей, поставляющихся в запас.

По имеющейся зависимости мощностей на входе двухзонного выпрямителя получим активную и реактивную составляющую полного тока. Сумма активной и реактивной составляющей даст полный ток. ФКУ в первой зоне регулирования дает сначала перекомпенсацию реактивной мощности

•        до момента выпрямленного напряжения ,

•        затем  недокомпенсацию реактивной мощности,

•        а с момента  перекомпенсацию реактивной мощности.

На второй зоне регулирования аналогичная картина компенсации реактивной составляющей тока.

Данные зависимости приведены на рис. 4.8.

По данным зависимостям активной и реактивной составляющей тока, зависимости  и величины компенсирующей тока ФКУ рассчитан и построен , а также новая меньшая величина полного тока выпрямительной установки. Данные расчета приведены в табл. 4.1.

Помимо этого необходимо в целях улучшения формы кривой потребляемого тока правильно выбрать частоту собственных колебаний ФКУ.

Суммарная индуктивность ФКУ для k-ой гармоники определим из формулы:

которая преобразуется, относительно эквивалентного реактивного сопротивления, следующим образом:

В относительных единицах данное выражение может быть представлено в виде:

Анализируя приведенные кривые и учитывая, что наибольший вред приносят 3 и 5 гармоники, необходимо определить область частот, в которой сопротивления ФКУ для этих гармоник были наименьшими. Исходя из графика можно установить, что в районе 180 Гц желаемая частота собственных колебаний находится в этих пределах.

Таким образом устанавливаем, что предложенное ФКУ позволяет не только улучшить коэффициент сдвига, но и существенно улучшить форму потребляемого тока. То есть повысить коэффициент искажения, тем самым снижая мощность искажения.

Таблица 4.1

Расчет  и полного тока выпрямителя с ФКУ