Перетворення електричної енергії на тягових підстанціях постійного струму в умовах швидкісного руху

2.2 Енергетична взаємодія системи перетворювального обладнання тягової підстанції постійного струму із системою зовнішнього елктропостачання

Залізничний транспорт є однією з найважливіших галузей народного господарства України, конкретними перевагами якого є: енергоефективність, низький рівень викидів в атмосферу, безпека, ефективне використання простору, що дозволяє здійснювати перевезення з меншими витратами та більшою надійністю. Перспективним напрямком розвитку якого є впровадження високошвидкісного руху, що потребує аналізу та побудови структурно-логістичних зв'язків, значних інвестицій у будівництво та модернізацію існуючої інфраструктури, елементів систем залізничного транспорту зокрема системи електропостачання. Ефективність роботи тягового електропостачання також визначається станом інфраструктури передачі енергії електроприймачам (електрорухомий склад та не тягові споживачі). Сьогодні тягове електропостачання опинилось в умовах морального та фізичного старіння енергетичного комплексу: контактної мережі та тягових підстанцій.

Вирішення цих питань потребує проведення оновлення обкладення силових та низькоенергетичних систем, технічного розвитку, пошуку оптимальних рішень з підвищення енергоефективності та електромагнітної сумісності., що вмотивовано тенденцією до збільшення кількості чутливих до кондуктивних та польових звад пристрої релейного захисту, телемеханіки та автоматичного управління режимами роботи [24] побудованих на електронній та мікропроцесорній базі. Кондуктивними завадами називають перешкоди, що розповсюджуються у провідному середовищі, зокрема, по електричній мережі., відповідно до польових, випромінювальних або індуктивних завад відносяться ті, які передаються шляхом випромінювання електромагнітного поля, через непровідне середовище [25, 26].

Успішне вирішення науково-технічних проблем при впровадженні і експлуатації електрифікованих ліній постійного струму, в тому числі і підвищеної напруги, неможливе без вирішення проблеми електромагнітної сумісності від якої напряму залежать ефективність передачі та перетворення електричної енергії. Під електромагнітною сумісністю розуміють здатність електротехнічних пристроїв або їх елементів нормально функціонувати в даному електромагнітному середовищі, не вносячи неприпустимих електромагнітних завад і не отримуючи таких з її сторони. Якщо електромагнітна сумісність не забезпечена, тобто окремі елементи електротехнічних приладів не володіють заданою завадостійкістю до внутрішніх (між елементами) і зовнішніх (по відношенню до пристрою) завад, то тим самим створюються умови для: функціональних порушень з великими або меншими наслідками, пошкоджень засобів захисту і безпеки людей, погіршення якості електроенергії, погіршення електромагнітної обстановки в навколишньому середовищі, ураження обслуговуючого персоналу.

Взаємодія системи тягового електропостачання постійного струму представляє собою складний імовірнісний процес характеристика якого змінюється у площинні простору та часу, та зумовлює непередбачувані зміни електромагнітної стану суміжних пристроїв (кіл системи автоматики, ліній зв'язку та інше). Основним пристроєм на сучасних тягових підстанціях, застосування якого викликає низку негативних явищ, є тягові перетворювач. Наявність потужних нелінійних навантажень призводить до додаткових втрат електричної енергії та зниження терміну експлуатації електричних апаратів швидкідкісного руху та розвиток транспортних коридорів, впровадження сучасних технологій та обладнання, в тому числі нових типів електрорухомого складу, призводить до збільшення споживання електричної енергії, а, значить, і до збільшення споживання реактивної енергії, збільшення втрат активної енергії та погіршення гармонічного складу струмів і напруг, як на стороні змінного, так і постійного струму. Крім випрямлячів джерелом вищих гармонік струму у мережі являються трансформатори. Змінна магнітних властивостей якого призводить до спотворення кривої струму, що у трифазній системі, за симетричного навантаження симетричні системи прямої, зворотної та нульової послідовності струму. Тягові двигуни та перетворювачі сучасного рухомого складу також представляють собою нелінійне навантаження, яке здатне генерувати у тягову мережу широкий спектр перешкод. У більшості випадків гармонійний склад напруги на виході із тягової підстанції та на струмоприймачах електровозів відрізняється між собою, що є наслідком неоднорідності елементів тягової мережі. У результаті сумісної взаємодії системи електропостачання та електрорухомого складу є імовірнісним виникнення резонансних явищ на окремих частотах, які негативно впливають на роботу пристроїв електропостачання та здатні вивести їх із ладу.

Звідси виділяють наступні типи проблем електромагнітної сумісності напівпровідникових пристроїв: якість електричної енергії у живлячій мережі та зворотній вплив перетворювача на мережу; завадостійкість (резистентність) керівної частини вентильних перетворювачів до кондуктивних та польових перешкод; емісія напівпровідникових перетворювачів електромагнітних перешкод у навколишнє середовище.

Перше питання включає у собі визначення та нормування показників, якості електричної енергії із метою контролю, оцінки рівня електромагнітних завад та розрахунку збитків від неякісного електропостачання, формулювання методів обліку негативного зворотного впливу струмів навантаження на якість напруги у живлячій мережі та виявлення споживачів, що чинять недопустимий вплив на якість напруги живлячої напруги. Друга складова - проблема завадостійкості електротехнічних систем (електронних, радіоелектронних) від кондуктивних та польових завад. Рівень електромагнітних завад може досягти граничного значення, яке перевищуючи рівень завадостійкості конкретного пристрою викличе порушення його функціонування. Державними стандартам на електромагнітну завадостійкість, окремо на кожен із видів перешкод, приведенні критерії якісності функціонування технічного засобу на період дії перешкоди та час після припинення її впливу, які визначаються за стандартизованою методикою. За емісії завад напівпровідниковим перетворювачем кондуктивні характеризуються рівнями струми чи напруги, а польові рівнем електромагнітного поля. Термінологія, сертифікація випробувань нормативи приведенні у відповідних стандартах на електромагнітну сумісність.

Створена джерелами завад сукупність електромагнітних явищ є наслідком дії пристроїв, що вступають у взаємодію, та залежить від їх параметрів, особливостей електротехнічних пристроїв, заходів направлених на забезпечення електромагнітної сумісності, а також від зовнішніх, метрологічних, виробничих, механічних, факторів. Оцінка електромагнітної обстановки здійснюється показниками визначених у державних стандартах на спеціальні системи електропостачання, вимоги до якості електричної енергії мережах загального призначення та окремих стандартах на електротехнічні засоби [27-30]. Планування електромагнітної сумісності потребує дослідження існуючих шляхів взаємовпливу елементів енергетичного комплексу та зовнішніх електротехнічних суміжних до них систем. Аналіз отриманих у результаті досліджень чутливості пристроїв, передаточних функцій, що формую механізм взаємного впливу, значень напруги, струму, напруженості, частотного спектру, магнітного поля та інших характеристик завад, дозволяють визначити принципи захисту від перешкод, допустимі рівні завад та забезпечити завадостійкість до них та як наслідок забезпечити енергоефективність перетворення електричної енергії за всіх можливих умов експлуатації обладнання.

Впровадження швидкісного та високошвидкісного залізничного сполучення, що супроводжується збільшенням навантаження на живлячу мережу, застосування техніки чутливої до погіршення електромагнітного стану середовища, зростання вартості електричної енергії привертає увагу до проблеми електромагнітної сумісності. Таким чином залишається актуальним питанням зниження витрат електричної енергії шляхом покрашення технік-економічних показників системи тягового електропостачання, зокрема випрямних агрегатів тягової підстанції. Суттєве зниження експлуатаційних витрат у системі тягового електропостачання можливе шляхом збільшення числа пульсацій випрямленої напруги, також втрати електроенергії у живлячій мережі можуть бути знижені у зв'язку із зменшення впливу нелінійного навантаження, також із збільшенням пульсації випрямленої напруги дозволяє спрошувати конструкцію згладжуючи фільтрів, покращуючи їх масо-габаритні показники та зменшується вплив на сумежні лінії. У зв'язку із вказаними проблемами представляє широкий інтерес дослідження впливу негативних факторів, що виникають при перетворенні електричної енергії, їх оцінка та пошук шляхів зменшення їхнього впливу.

Живлення тягової мережі постійного струму на Україні здійснюється від 211 підстанцій приєднаних до ліній електропостачання напругою від 6-220 кВ. Якість електричної енергії, яка транспортується мережею загального призначення, залежить від потужності та параметрів електроприймачів, рівномірності завантаженості фаз, режиму роботи нейтралі., рівня напруги живлячої лінії. Потужне однофазне навантаження, повздовжня та поперечна неоднорідність електричних характеристик лінії призводить до виникнення несиметрії живлячої напруги у трифазній системі. З досвіду експлуатації системи тягового електропостачання відомо, що несиметрична напруга є характерним проявом погіршення якості електричної енергії на вводах тягових підстанцій постійного струму у зв'язку із підключенням останніх до мережі загального користування. Суттєве погіршення несиметрії живлячої напруги спостерігається у місцях приєднання до системи зовнішнього електропостачання станцій стикування, де основною причиною виникнення асиметрії є тягове навантаження змінного струму. З цих причин вкрай необхідним є аналіз впливу ступеню несиметрії напруги живлячої мережі на процес випрямлення на тягових підстанціях постійного струму.

Основним елементом, який визначає електромагнітну сумісність тягової мережі постійного струму із системою зовнішнього електропостачання, є тяговий агрегат, який представляє собою перетворювальний трансформатор та мостовий трифазний випрямляч. На діючих тягових підстанціях застосовують шестипульсні та дванадцятипульсні, із з'єднаними послідовно мостами, схеми випрямлення (рис.2.5).

- напруга холостого ходу на виході із випрямляча

Рисунок 2.5 - Принципова схема шестипульсного (а) та дванадцятипульсного (б) випрямляча

Впровадження останніх вмотивовано зменшенням амплітуди пульсацій та реактивної потужності споживаної випрямлячем [31] та вимогами [19]. Конструкція дванадцятипульсного випрямляча із паралельним з'єднанням мостів, як відомо, передбачає застосування зрівняльного реактору, що являється небажаним оскільки викликає додаткові втрати. Крім того, забезпечення номінальної напруги на шинах підстанції потребує відповідного збільшення у двічі номінальної напруги секцій випрямляча та обмоток трансформатора, що призводить до збільшує витрати на ізоляцію та вартість тягового агрегату.

Трансформатор дванадцятипульсної схеми повинен мати розщеплену вторинну обмотку поділену на електрино ізольовані частини, розміщенні на одному стрижні магнітної системи трансформатора. Вентильні обмотки з'єднанні за схемами зірка та трикутник для формування змішення однойменних векторів лінійних напруг на 30 електричних градусів. Миттєве значення випрямленої напруги на виході із дванадцятипульсного випрямляча представляє собою суму миттєвих значень випрямленої напруги кожної із мотових секцій (рис.2.6). Відповідно середнє значення випрямленої напруги за режиму холостого ходу для шестипульсної та дванадцятипульсної схем знаходяться за формули [32]

,(2.2)

.(2.3)

де, - середнє значення випрямленої напруги 6-пульсної та 12-пульсноїсхеми випрямлення, В;

, - амплітудні значення напруг у фазах вентильних обмоток трансформатора з'єднаних відповідно за схемами зірка та трикутник, В.

, - миттєве та середнє значення випрямленої напруги 12-пульсної схеми випрямлення; , - миттєве значення напруг на виході із мостових секцій випрямляча.

Рисунок 2.6 - Часові діаграми випрямленої напруги

Умови роботи вентильного плеча характеризуються середнім та максимальним струмом у відкритому стані та максимальною зворотною напругою. Вони знаходяться у залежності від значень випрямленого струму та лінійної напруги вторинних (вентильних) обмоток трансформаторів та визначаються за наступними виразами

,(2.4)

,(2.5)

,(2.6)

де, - середній та максимальний струм вентильного плеча, А;

- випрямлений струм, А;

- максимальна зворотня напруга вентильного плеча, В;

, - лінійна напруга вентильних обмоток зібраних відповідно у зірку та трикутник, В.

За струмом вентилі шестипульсних та дванадцятипульсних перетворювачів знаходяться у рівних умовах, проте за однокового значення випрямленої напруги на виході із перетворювача, зворотня напруга на вентилях випрямлячів із послідовно з'єднаними мостами у двічі менше по відношенню до відповідного показника на елементах шестипульсних схем.

Форма кривої струму мережі від якої живиться перетворювальний агрегат залежить від низки факторів до яких можна віднести параметри навантаження та перетворювального агрегату, кількість пульсацій випрямленої напруги, схема з'єднання обмоток перетворювального трансформатора, тип схеми випрямлення (нульова, мостова). У залежності від значення параметрів навантаження знаходитися рівень потужності, яка передається до споживача, та, власне, форма кривої струму. Наприклад, за умови безкінечного значення індуктивності навантаження представляє собою ідеальну фетр-пробку й випрямлений струм та струм у мережі не містить пульсацій (гармонік). Обмотки перетворювального трансформатора шестипульсної схеми випрямлення з'єднанні за схемою «зірка-трикутник» (див.рис.2.5), що обумовлено поліпшенням кривої напруги у мережі, зменшенням вартості ізоляцію первинної обмотки та додаткових втрат у металевих конструкціях від гармонік магнітного потоку кратних до трьох. У такій схемі лінійний вторинний струм (між вентильною обмотую та плечем моста) має форму близьку до прямокутної (див.рис.2.7, в). Проте у обмотках високої та низької напруги струму навантаження набувають ступінчастої форми (див.рис.2.7, г).

Струми в обмотках трансформатора підключених до мостових секцій випрямляча за період зміни живлячої наруги два рази змінюють свій напрям, що визначає приналежність мостових схем трифазного випрямлення до двухполуперіодних та сприяє зменшенню масо-габаритних показників перетворювальних трансформаторів у зв'язку із відсутністю постійної складової струму обмоток.

- миттєва лінійна напруга вторинної обмотки; - миттєвий струм вентильного плеча; - середній струм вентильного плеча; - випрямлений струм; - миттєвий лінійний стум вторинного кола трансформатора; - миттєвий струм вентильної обмотки; - миттєвий струм первинної обмотки.

Рисунок 2.7 - Часові діаграми напруги та струму мостового випрямляча у випадку з'єднання обмоток трансформатору за схемою У/Д-1

Постійна складова у кожному із стрижнів магнітної системи трансформатора викликає некомпенсований однонаправлений потік примусового підмагнічування. Він зміщає положення робочої точки на кривій намагнічування чим зменшує допустимий діапазон зміни індукції магнітопроводу. Із метою збереження магнітного потоку на необхідному рівні при заданій напрузі потребує збільшується поперечний переріз осердя, а, отже, й маса трансформатора. Крім цього порушення магнітної рівноваги, сприяє виникненню вищих гармонік у напрузі живлячої мережі.

Діючі зазначення струму у вентильних обмотках трансформатора з'єднаних відповідно за схемами зірка та трикутник

,(2.7)

,(2.8)

де, - діючі значення струму у вентильних обмотках трансформатора зібраних відповідно у зірку та трикутник, А.

Струми у фазах мережевої обмотки перетворювального трансформатора можна визначити розв'язавши системи рівнянь складених за аналогами законів Кірхгофа для магнітних колах. Нижче приведена система рівнянь для перетворювального трансформатора із розчепленню вторинною обмоткою (див. рис. 2.5,б) [31]

(2.9)

де,, - струми первинних обмоток, А;

,, - струми вентильних обмоток схеми «зірка», А;

,, - струми вентильних обмоток схеми «трикутник», А;

,, - кількість первинних обмоток та вентильних обмоток відповідно за схеми «зірка», «трикутник».

Із рівнянь (2.9) отримаємо миттєве значення струму фази А

,(2.10)

де - коефіцієнт трансформації трансформатора схеми з'єднання «зірка».

Система рівнянь для магнітної системи трифазного двообмоткового трансформатора та її корені аналогічна до (2.9) і (2.10), але без складових, що представляють магніторушійні сили та струми однієї із частин вторинної обмотки.

Вираз (2.10) свідчить, що струм первинної обмотки перетворювального трансформатора являє собою алгебричну суму струмів вентильних обмоток поділених на відповідний коефіцієнт трансформації. Отримана результуюча крива струму за формою наближається до синусоїдальної (рис.2.8), що з позиції гармонійного аналізу означає зменшення кількості генерованих гармонік у мережу джерела напруги по відношенню до шестипульсного перетворювача.

- миттєва фазна напруга вентильної обмотки з'єднаної за схемою «зірка»; - миттєва фазна напруга вентильної обмотки з'єднаної за схемою «трикутник»; - миттєві струму вентильних обмоток з'єднаних за схемами «зірка» та «трикутник»; - миттєва напруга та струм первинної обмотки.

Рисунок 2.8 - Часові діаграми струму та напруги дванадцятипульсної схеми випрямлення

Порядок гармонік відносно основної частоти живлячої мережі визначається виразом [33]

,(2.11)

де - порядок гармоніки струму;

- пульсність випрямляча;

.

За семеричної напруги живлення мостового випрямляча у якого , струм у живлячій мережі має гармоніки порядком . У спектрі гармонік струму генерованих дванадцятипульсним випрямлячем до мережі відсутні гармоніки порядок яких рівний 5, 7, 17, 19 і так далі. У результаті зменшується зворотній вплив перетворювального обладнання на живлячу лінію, що проявляється у нелінійному спаді напруги на імпедансі системи електропостачання та спотворенні кривої змінної напруги на електроприймачах. Несиметрія напруги живлення негативно впливає на процес перетворення електричної енергії, що візуально можна оцінити деформацією кривих напруги та струму у колах постійного та змінного струму випрямляча.

Виходячи із цього у роботі із метою оцінки рівня несиметрії живлячої напруги було використано коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності

,(2.12)

де - коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності, %;

- діюче значення напруги зворотної послідовності основної частоти живлячої мережі, В;

- діюче значення напруги прямої послідовності основної частоти живлячої мережі, В.

У стандартах на напівпровідникові перетворювачі та спеціальні системи електропостачання [27-29] визначається низка показників, якими проводиться оцінка якості випрямленої напруги.

Коефіцієнт поленої хвилястості випрямленої напруги під час холостого ходу

,(2.13)

де - коефіцієнт поленої хвилястості випрямленої напруги;

- діюче значення n-ї гармоніки випрямленої напруги, В;

- середнє значення випрямленої напруги , В.

Коефіцієнт пульсації напруги

,(2.14)

де - коефіцієнт пульсації напруги;

- амплітудне значення змінної складової напруги, В;

- номінальне значення випрямленої напруги, В.

Проте жоден із них не характеризує конкретно вплив рівня несиметрії вхідної напруги на випрямлену. Для виявлення цього впливу було запропоновано використати явище зміни частотного спектру випрямленої напруги при виникненні несиметрії вхідної напруги випрямляча. При симетричній живлячій напрузі на виході випрямляча присутні постійна складова та гармоніки випрямленої напруги, порядок яких кратний кількості пульсацій схеми випрямлення. Такі гармоніки прийнято називати канонічними. Несиметрична напруга спричиняє появу неканонічних (аномальних) гармонік для схеми випрямлення, що додатково спотворюють криву випрямленої напруги, збільшуючи або зменшуючи окремі напівхвилі. Так, наприклад, для 6-пульсної схеми випрямлення канонічними будуть гармонійні складові з порядком частот, який кратний до 6, тобто 6, 12, 18, 24, … . В загальному випадку формула ряду для канонічних гармонік цієї схеми визначається як , де … . Неканонічними гармоніками для 6-пульсної схеми будуть парні гармоніки з таким порядком - 2, 4, 8, 10, 14, 16, 20, 22, 26, 28, ... . Формула ряду для таких частот в загальному випадку має вигляд , де … .

Канонічні гармоніки вихідної напруги дванадцятипульсної отримують порядок частот кратний до 12, тобто 12, 24, 36, 48, … , а неканонічними вважаються всі інші парні гармоніки.

Відповідно запропоновано визначити коефіцієнт співвідношення вищих гармонік, як відношення діючого значення напруги неканонічних гармонік до напруги канонічних [26]. Нижче представленні формули для визначення даного коефіцієнту для шестипульсної (2.15) та дванадцятипульсної схеми випрямлення

(2.15)

(2.16)

де - коефіцієнт співвідношення вищих гармонік;

, - діючі значення неканонічних та канонічних гармонік напруги шестипульсної схеми випрямлення, В;

- діючі значення неканонічних та канонічних гармонік напруги дванадцятипульсної схеми випрямлення, В.

3. Експериментальне дослідження перетворення електричної енергії на тягових підстанціях за несиметричної живлячої напруги

3.1 Фізичне та комп'ютерне моделювання випрямлення електричної енергії у несиметричних режимах

Дослідження процесу випрямлення напруги за умови роботи у не симетричних режимах потребує контрольованого відтворення ступеню несиметрії живлячої перетворювальний агрегат напруги, що представляє собою складну, небажану та збиткову задачу. Виходячи із цього доцільним є проведення експерименту на подібному за властивостями об'єкті із тотожним математичним описом основних процесів вивчення яких представляє мету дослідження. Відповідним аналогами перетворювального агрегату тягової підстанціє використаним у представленій роботі є фізична та комп'ютерна модель випрямляча та перетворювального трансформатора.

Результати моделювання розповсюджуються на реалій об'єкт через критерії подібності, що виражаються у вигляді поправкових коефіцієнтів залежних від параметрів, які характеризують досліджуване явище. Принцип подібності дозволяє брати до уваги відображення фізичного явища, тим самим ставить завдання знаходження безрозмірних масштабних коефіцієнтів за якими можливо привести результати моделювання до реальних значень. У приведеній дослідницький роботі моделювання направлено на виявлення показників якості та енергообміну електричної енергії, що вже є безрозмірними величинами та не потребують приведення, що спрощує побудову моделі виключаючи необхідність у точній відповідності параметрів моделі до параметрів реального об'єкту.

Метод фізичного [35] моделювання полягає в вивченні об'єкта чи явища у лабораторних умовах через дослідження його моделі, фізика процесів у якій, при дії збуджуючого впливу, якісно або повністю повторюють процеси у реальному об'єкті. Фізична модель дає змогу провести досліди із метою вивчення фізичної сутності явища і отримання практичних уявлень про характер здійснення процесу. У наслідок вдається уникнути повного математичного опису оригіналу, що є перевагою фізичного моделювання у порівнянні із математичним. Крім того під час фізичного моделювання виникає більша кількість впливаючих на модель факторів, що не має місце за інших типів моделювання. За результатами емпіричного експерименту перевіряються данні отриманні теоретичним шляхом.

Із метою проведення експерименту була побудована фізична модель перетворювального агрегату тягової підстанції, яка включає у собі трифазний трансформатор із додатково намотаною третьою обмоткою та дві мостові секції власноруч зібраний на одній платі у лабораторії. У якості навантаження було використано двигун постійного струму. Рівень несиметрії живлячої напруги встановлювався за допомогою однофазних лабораторних автотрансформаторів підключених однойменними клемами до нейтральної точки первинної обмотки трансформатора. Принципова схема фізичної моделі та її реалізація у лабораторних умовах представлена на відповідно на рисунках 3.1 та 3.2.

Рисунок 3.1 - Принципова схема фізичної моделі перетворювального агрегату (шестипульсного випрямлення)



1 - трифазний трансформатор 2,5 кВА; 2 - дванадцятипульсний випрямляч; 3 - двигун постійного струму; 4 - лабораторні автотрансформатори; 5 - узгоджувальний перетворювач; 6 - налагоджувальна плата комплекту Atmega128RFA1-ЕК1 із радіоінтерфейсом.

Рисунок 3.2 - Фізична модель перетворювального агрегату

Для одночасного вимірювання електричних величин у колах постійного та змінного струму фізичної моделі застосовано АЦП плати комплекту Atmega128RFA1-ЕК1 із розпаяною мікросхемою Atmega128RFA1 (рис.3.3).

Рисунок 3.3 - налагоджувальна плата комплекту Atmega128RFA1-ЕК1 із радіоінтерфейсом ZibBee

Плата працює у автономному режимі від джерела напругою 3 В. Аналогово-цифровий перетворювач розбиває аналоговий вимірювальний сигнал на 128 дискретних значень, що передаються через радіоінтерфейс ZibBee до приймача встановленого через USB-порт у ЕОМ для реєстрації та обробки отриманих у результаті моделювання даних. З метою узгодження параметрів вимірювальних кіл з АЦП розроблено 8-канальний пристрій узгодження, з 3-ма входами змінної напруги до 220 В, 3-ма входами змінного струму до 5 А, 1-м входом постійної напруги до 100 В та 1-м входом постійного струму до 20 А (рис.3.4).



1 - канали постійного струму та постійної напруги; 2 - канал змінної напруги; 3 - канал змінної напруги.

Рисунок 3.4 - Узгоджувальний пристрій

З'єднанні за схемою «зірка» обмотки автотрансформаторів були підключенні через лабораторний щит до загальної мережі напругою 380 В. Переміщення роликового контакту з'єднаного із початком обмотки високої напруги перетворювального трансформатора забезпечувало пофазне регулювання напруги під час експерименту. Згідно паспортних даних за умови з'єднання заводських обмоток трансформатора за схемою «зірка-трикутник», можливе зниження первинної лінійної напруги у 7,6 разів. Додаткові обмотки у випадку дванадцятипульсного випрямлення з'єднувались у спільній точці, таким чином при діючому значенні первинної напруги 380 В лінійні напруги вентильних обмотках становили по 50 В.

Базове значення первинної напруги у ході експерименту було встановлено на рівні 80 В у фазі трансформатора. Збільшення ступеню несиметрії, який оцінювався коефіцієнтом несиметрії напруги по зворотній послідовності, забезпечувалась зміною напруги однієї фази у межах від 50 В до 100 В. Встановлений діапазон зміни напруги враховував коливання фазної напруги, що зустрічаються при експлуатації тягової підстанції.

Процес фізичного моделювання супроводжується низкою недолік до яким можна віднести непередбачуваність дії сторонніх факторів (електромагнітних завад живлячої мережі), навантажувальна обмеженість та дефектність обладнання, виникнення похибок вимірювання та інше. Врахування цих обставин значно ускладнює дослідження, збільшує витрати часу на побудову та налагодження фізичної моделі, а звідси затримує отримання необхідного результату. Комп'ютерне моделювання дозволяє усунути ці негативні чинники та створити ідеалізовану середовище для вивчення конкретного явища без застосування аналітичного дослідження.

Комп'ютерне моделювання процесу перетворення електричної енергії під впливом несиметричної напруги живлення шестипульсного та дванадцятипульсного перетворювального агрегату було виконано у програмному середовищі «MATLAB/Simulink» [36-38]. Комп'ютерна модель, створена на базі функціональних елементів вказаного програмного середовища, включає у собі: вимірювально-розрахункові підсистеми для кіл постійної та змінного струму, трифазне джерело напруги із змінним внутрішнім опором, перетворювальний трансформатор, випрямний міст, навантаження кола постійного струм, яке, у зв'язку із відсутністю потреби у аналізу впливу досліджуваного явища на характеристики електричних машин, було представлено блоком «Series RLC Branch», що дозволило спростити процес та зменшити тривалість часу моделювання. На рисунку (рис.3.5) представлене зображення комп'ютерної моделі перетворювального агрегату дванадцятипульсного випрямлення або тягової підстанціє із одноступеневою трансформацією напруги, про перспективність впровадження яких повідомляється у другому розділі даної роботи. У таблиці 3.1 приведенні параметри основних функціональних блоків комп'ютерної моделі.

1 - джерело трифазної напруги; 2 - вимірювально-розрахункова підсистема живлячої мережі; 3 - перетворювальний трансформатор(блок «Three-Phase Transformer »); 4 - вимірювально-розрахункова підсистема кола змінного струму випрямляча; 5 - мостові секції дванадцятипульсного випрямляча (блок «Universal Bridge»), 6 - вимірювально-розрахункова підсистема кола постійного струму випрямляча; 7 - навантаження у колі постійного струму (блок «Series RLC Branch»).

Рисунок 3.5 - Комп'ютерна модель перетворювального агрегату дванадцятипульсного випрямлення

Таблиця 3.1 - Параметри функціональних блоків

Назва блоку	Параметри
	Потужність, кВА	Напруга. В	Активний опір, Ом	Індуктивність, мГн
1	2	3	4	5
Three-Phase Transformer	2,5	ВН	380	ВН	0,94	ВН	0,22
		НН 1	50	НН 1	0,052	НН 1	0,2
		НН 2	50	НН 2	0,052	НН 2	0,48
				магнітопровід	2710	магнітопровід	1150
Universal Bridge (у відкритому стані)	-	0	0,01	0
Series RLC Branch	-	-	20	1



Із цією метою у підсистемах (див. рис.3.4) розробленні підсистеми другого рівня, що представленні на рисунках 3.6-3.8 Підсистема (рис.3.6) реалізує формулу для визначення коефіцієнта несиметрії напруги по зворотній послідовності (2.12). Головний елемент підсистеми блоки «3-Phase Sequence Analyzer», на входи яких подається сигнал від «Three-Phase V-I Measurement». Блок дозволяє виділити пряму та зворотною послідовність основної частоти трифазної напруги. Блок «Divide» виконує ділення вихідних сигналів із «3-Phase Sequence Analyzer», а «Slider Gain» збільшує отримане відношення у сто разів, що відповідає розрахунку необхідного показника якості.

1 - блок «3-Phase Sequence Anal»; 2 - блок «Divide»; 3 - блок «Slider Gain»;

4 - блок «Terminator»; 5 - вхідний та вихідний порт підсистеми.

Рисунок 3.6 - Підсистема для визначення коефіцієнту несиметрії напруг по зворотній послідовності

1 - блок «Fourier»; 2 - блок «Slider Gain»; 3 - блок «Math Function»; 4 - блок «Add»; 6 - вхідний порт підсистеми; 7 - вихідний порт підсистеми.

Рисунок 3.7 - Фрагмент підсистеми для визначення коефіцієнту співвідношення вищих гармонік у колі постійного струму

При визначенні коефіцієнта співвідношення вищих гармонік з частотного спектру випрямленої напруги були використані неканонічні гармоніки від 100 до 2000 Гц та канонічні від 300 до 2100 Гц. Для реалізує формулу (2.15 та 2.16) у комп'ютерній моделі була створена підсистема фрагмент якої зображено на рисунку 3.7. Приведена частина підсистеми виконує виділення квадрату діючого значення гармонічних складових із сигналу, що поступає на від до блока «Fourier», та виводить на вихід їх суму корінь від якої дорівнює діючому значенню канонічних або неканонічних гармонік в залежності від порядку гармоніки відокремленій блоком «Fourier».

1 - блок «Divide»; 2 - блок «Gain»; 3 - блок «Integrator»; 4 - блок «Math Function»; 5 - вхідні порти підсистеми; 6 - вихідний порт підсистеми.

Рисунок 3.8 - Підсистема для визначення енергетичних показників

Функціональні блоки визначення потужності із бібліотеки «Measurement» налаштовані на конкретне значення частоти, крім того вони видають точний результат за умови збалансованої трифазної напруги, яка не буде виконуватись під час проведення експериментального моделювання. У цих причин створені підсистеми для розрахунку енергетичних показників за інтегральним підходом. Підсистема (див.рис.3.8) визначає умовну, активну потужність та коефіцієнт потужності у фазі лінії. Перша (зверху) її ланка виводить середнє значення добутку миттєвих значень струму та напруги за час моделювання, що відповідає визначенню активної потужності. Дві наступні ланки визначають середньокадратчне значення напруги та струму, а їх спільний добуток дорівнює значенню повної потужності. Таким чином підхід реалізований у цій підсистем забезпечує визначення вказаних показників у колі постійного та змінного струму.

З метою вимірювання фазної потужності, яка передається лініє із вентильної обмотки з'єднаної за схемою «трикутник» до випрямляча була зібрана штучна нейтральна точка (рис.3.9). Отримана схема є еквівалентною зіркою до вторинної обмотки трансформатора і дозволяє зняття напруги із умовної фази при збільшенні рівня несиметрії живлячої мережі.

1 - блок «Series RLC Branch»; 2 - блок «Voltage Measurement»; 3 - з'єднувальний порт; 4 - вихідний порт.

Рисунок 3.9 - Штучна нейтральна точка

Високе значення активного опору (5 МОм) блоків «Voltage Measurement» обмежує стум витоку мінімізуючи цим втрату напруги у вентильних обмотках трансформатора та дозволяє нехтувати відхиленням напруги викликаним нейтральною точкою.

3.2 Зіставлення результаті фізичного та комп'ютерного моделювання

У результаті проведених експериментальних досліджень

Комп'ютерне 6п рабочий

Режим холостого ходу	Режим навантаження
Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік	Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік
Симетрична напруга
0	0	0	0
Зниження напруги однієї фази
0,005545	0,001739	0,0943	0,0147
0,299071	0,052852	0,219853	0,050253
0,758502	0,13344	0,677174	0,139469
1,533693	0,269387	1,450635	0,290461
1,847155	0,32457	1,765462	0,35205
2,320958	0,407901	2,249502	0,446847
3,120526	0,55016	3,04948	0,603444
3,443881	0,608035	3,373202	0,668119
3,769304	0,666669	3,704811	0,733963
3,932805	0,696242	3,867984	0,766702
4,757985	0,846984	4,698651	0,93272
5,091756	0,908684	5,031888	1,001635
5,717858	1,01055	5,761558	1,142653
Підвищення напруги однієї фази
0,005545	0,001739	0,0943	0,0147
0,756714	0,132846	0,840063	0,158553
1,202381	0,21162	1,284942	0,246542
1,49724	0,263865	1,581212	0,305051
1,79037	0,316286	1,8742	0,3633
2,081811	0,368489	2,165831	0,421409
2,371497	0,420649	2,452556	0,479286
2,659469	0,472777	2,742367	0,537297
2,945763	0,524965	3,026548	0,595424
3,653933	0,655625	3,725414	0,739795
4,351977	0,786975	4,416545	0,885005
4,765817	0,86589	4,819015	0,971435
5,039793	0,91896	5,090418	1,029748
5,717858	1,052355	5,761558	1,177753

12 п

Режим холостого ходу	Режим навантаження
Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік	Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік
Симетрична напруга
0	0	0	0
Зниження напруги однієї фази
0,75873	0,32085	0,195029	1,572138
1,53388	0,86086	0,65678	2,033662
1,84727	1,08344	1,415688	3,330667
2,32101	1,42795	1,727088	3,945984
3,12041	2,03142	2,205725	4,90931
3,44371	2,28793	3,004377	6,690841
3,76901	2,55559	3,333761	7,443835
3,93242	2,69187	3,656052	8,249136
4,75738	3,41232	3,826779	8,64213
5,09101	3,72052	4,653907	10,81128
5,71897	4,15150	4,999897	11,70231
Підвищення напруги однієї фази
0,000703	0,02189	0,121832	1,515296
0,756529	0,517221	0,861818	2,227692
1,202197	0,826209	1,313697	2,971012
1,497164	1,033121	1,612868	3,511275
1,790355	1,241624	1,903222	4,115402
2,081858	1,450754	2,199501	4,700987
2,371593	1,661574	2,485119	5,330544
2,659613	1,876326	2,765846	5,952576
2,945814	2,093989	3,046749	6,658224
3,654244	2,659251	3,758169	8,524696
4,352515	3,24745	4,451679	10,6269
4,766658	3,619557	4,884729	11,70538
5,040643	3,873609	5,157346	12,52635
5,718967	4,534941	5,832087	15,08973

6П

Холостой ход и нагрузка

Сравнение при нагрузке 6п физ и комп моделлей

Режим холостого ходу	Режим навантаження
Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік	Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік
0,02	0,225	0,00040877	0,112009
0,524254	0,125	0,75228437	0,132211
1,3054	0,36547	1,19798105	0,310869
2,0245	0,42467	1,78607773	0,353376
2,62152281	0,568464	2,07750521	0,367489
3,30239119	0,695444	2,3672296	0,419648
3,80471809	0,619696	2,94148996	0,523804
4,58356499	0,95	3,64991953	0,654284
5,10347387	1,152136	4,76210339	0,864395
5,90347387	1,22939	5,03615201	1,21731



12П



Режим холостого ходу	Режим навантаження
Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік	Коефіцієнт несиметрії по зворотній послідовності	Коефіцієнт співвідношення вищих гармонік
0,304001	0,522805	0,018853	0,21241
0,762703	0,807823	0,769522	1,007811
0,834811	0,405051	1,213713	1,802558
1,2758	0,921	1,508212	2,062784
1,537773	1,436934	1,508212	2,136278
1,538511	1,6854	2,091538	2,833499
1,851217	2,0011	2,382253	3,250084
2,324921	2,52454	2,670633	3,619392
2,325604	2,2124	2,956217	5,035204
3,124342	2,78454	3,670301	5,654441
3,448391	3,489317	3,735142	7,17585
3,772919	2,751459	3,772204	6,913673
3,773674	2,889218	4,06664	7,398742
3,936337	3,843668	4,366809	10,50418
4,761262	3,606552	5,056914	10,4083
5,094794	3,911693	5,107863	13,05625
5,095495	5,380422	5,511	18,68119

Размещено на http://www.allbest.ru

Список бібліографічних джерел

Кірпа Г. Інтеграція залізничного транспорту України в Європейську транспортну систему: монографія / Г. Кірпа. - Дніпропетровськ: ДНУЗТ, 2004. - 248 с.

Орієнтири розвитку швидкісних магістралей в Україні О. М. Чупир // Вісн. економіки транспорту і промисловості. - Харків: УДАЗТ. - 2013. - Вип. 42. - С. 190-194.

Создание сети высокоскоростных дорог в Китае // Железные дороги мира. - 2011. - № 4. - С. 9-15.

Сотников, А. Е. Железные дороги мира из XIX в XX век / А. Е Сотников - М.: Транспорт, 1993. - 200 с

Кисёлев И. П. Высокоскоросные железные дороги. / И. П. Кисёлев, Е. А. Сотников, В. С. Суходоев. - СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2001. - 60 с.

Развитие железнодорожного транспорта и скоростное движение поездов в советский период (1918--1990) Ковалёв И. П. // Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. - СПб: ГИИПП «Искусство России». - 2001. - Т. 1. - С. 44-48.

Техника в ее историческом развитии (70-е годы XIX - начало XX в.) / Шухардин С. В., Шухардин С. В., Ламан Н. К., Федоров А. С.- отв. ред. Шухардин С. В., Ламан Н. К., Федоров А. С. - М.: Наука, 1982. - 511 с.

Wiatrowski С Railroads Across North America: An Illustrated History / С Wiatrowski. - MBI Publishing Company, 2007. - 256 p.

Марквард К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорого: ученик / К. Г. Марквард. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

Корниенко В. В. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы (Аналитический обзор): Монография / В. В. Корниенко, А. В. Котельников, В. Т. Доманский. - К.: Транспорт Украины, 2004. - 196 с.

Корниенко В. В. Высокоскоросной электрический транспорт. Мировой опыт. / В. В. Корниенко, Омельяненко В. И. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. - 159 с.

Дзензерский В. А. Высокоскоросной электрический транспорт с электродинимической левитацией. / В. А. Дзензерский Омельяненко В. И. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2001. - 480 с.

Системы автоматики и телемеханики на железных дорогах мира / Энрико Андрес, Томас Брендт, В. Иванченко и др.; под ред С. Власенка. - М.: Интекст,2009. - 487 с.

Высокоскоростное пассажирское движение (на железных дорогах) / Н. В. Колодяжный, Н. И. Бещев, Б. Э. Пейсахсон и др.; под общ ред. Н. В. Колодяжного. - М.: Транспорт, 1976. - 416 с.

Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. В прошлом, настоящим и будущем Т.1 / под ред. В. И. Ковалёва. - СПб, 2001. -320 с.

Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. В прошлом, настоящим и будущем Т.2 / под ред. В. И. Ковалёва. - СПб, 2001. -406 с.

Правила технічної експлуатації залізниць. Затв. наказ Мін-ва трансп. України 20.12.1996 [Текст] / К.: 1997. - 232 с.

Тяговое электроснабжение высокоскоростных линий // Железные дороги мира. - 20101. - № 6. - С. 26-30.

Общие технические требования к системам тягового электроснабжения постоянного и переменного тока скоростных и высокоскоростных линий Р-610/7 [Электронный ресурс] / Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). - Режим доступа: \www/ URL: http://osjd.org/doco/public/ru/ - 14.03.2015 г. - Загл. с документа.

Рекомендации по проектированию тяговых подстанций и линейных устройств тягового электроснабжения на современной элементной базе P-603 [Электронный ресурс] / Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). - Режим доступа: \www/ URL: http://osjd.org/doco/public/ru/ - 14.03.2015 г. - Загл. с документа.

Рекомендации по интегрированной системе управления электроснабжением железнодорожного транспорта P-612-4 [Электронный ресурс] / Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). - Режим доступа: \www/ URL: http://osjd.org/doco/public/ru/ - 14.03.2015 г. - Загл. с документа.

Рекомендации по геометрическим, динамическим и электромеханическим параметрам контактной сети, токоприемников и токосъемных элементов для скоростного и высокоскоростного электроподвижного состава P-630-1 [Электронный ресурс] / Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). - Режим доступа: \www/ URL: http://osjd.org/doco/public/ru/ - 14.03.2015 г. - Загл. с документа.

Шалимов М. Г. Современное состояние и пути совершенствования систем электроснабжения электрических железных дорог / М. Г. Шалимов, Г. П. Маслов, Г. С. Магай. - Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2002, - 49 с.

Крюков А. В. Ситуационное управление режимами системы тягового электроснабжения: монография / А. В Крюков, В. П. Закарюкин, Н. А. Абрамов. - Иркутск: Иркут. гос. ун-та путей сообщения. - 2010. -123 с.

Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники. Учебное пособие / Г. С. Зиновьев. - 4-е изд., испр. и доп. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 672 с.

Сиченко В. Г. Розвиток наукових основ підвищення електромагнітної сумісності підсистеми електричної тяги постійного стуму залізничного транспорту: автореф. дис ... д-ра техн. наук / В. Г. Сиченко; Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. - Д.,2013. - 42 с.

ГОСТ 19705-89. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. -- введ. 01.01.1990. - М. Изд-во страндартов, 1989. -46 с.

ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. - введ. 01.01.1989 - М. Изд-во страндартов, 1988. - 23 с.

ГОСТ 26567-85. Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Методы испытаний. - введ. 01.01.1987. - М. Изд-во страндартов, 1988. - 58 с.

ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия и совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в сисвемах электроснабжения общего назначения. - взамен ГОСТ 13109-87; введ. 01.01. 1999. - К.: Госстандарт Украины, 1999. - 35 с.

Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстан-ций / Б. С. Барковский, Г. С. Магай, В. П. Маценко и др.; Под ред. М. Г. Шалимова. - М.: Транспорт, 1990. - 127 с.

Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: учебн. для вузов ж.-д. транспорта / А. Т. Бурков. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

Жежеленко И. В. Качество электрической энергии на промышленных предприятиях / И. В. Жежеленко, Ю. Л. Саенко. - М.: Энергоатомиздат, 2005. - 261 с.

Лурье М. С. Применение программы MATLAB при изучении курса электротехники / М. С. Лурье, О. М. Лурье. - Красноярск: СибГТУ, 2006. - 208 с.

Ситник В. Ф. Імітаційне моделювання: навч.-метод. посібник для см ост. вивч. дисц. - К.: КНЕУ, 1999. - 208 с.

Черних И. В. Моделирование электромеханических устройств в MATLAB, SimPawerSystems и Symulink / Черних И. В. - М: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.

Герман-Галкин С. Г. Matlab & Symulink Проектирование мехатронных систем на ПК / С. Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. -368 с.

Лазарев Ю. Ф. Начала программирования в среде MatLAB: учебное пособие / Ю. Ф. Лазарев. - К.:НТУУ «КПИ», 2003. - 424 с.

Размещено на Allbest.ru