6.2. Фильтры для подавления гармоник выпрямленного напряжения

Для подавления гармоник на выходе выпрямителя устанавливается сглаживающий фильтр, состоящий из сглаживающего реактора РБФАУ и нескольких резонансных контуров, настроенных на частоты гармоник (рис. 6.1).

Р ис. 6.1. Сглаживающий фильтр для шести пульсового выпрямителя

Сглаживающий реактор L_d индуктивностью 4,5 мГн для переменных составляющих выпрямленного напряжения представляет собой индуктивное сопротивление Х_d = 2,82 Ом (для частоты 100 Гц), а для постоянной составляющей - активное сопротивление R_d = 0,008 Ом. На реакторе происходит основное сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения, а дополнительное подавление напряжений гармоник осуществляется резонансными контурами.

В двенадцати пульсовом выпрямителе амплитуда гармоник выпрямленного напряжения меньше, поэтому схему сглаживающего фильтра можно упростить (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Упрощённый сглаживающий фильтр для двенадцати пульсового выпрямителя

Принцип действия сглаживающих фильтров основан на резонансе напряжений в цепи при последовательном соединении L и С. Резонанс напряжений наступает при равенстве реактивных сопротивлений Х_L и Х_С. Значения индуктивности и ёмкости в каждом резонансном контуре выбирается таким, чтобы на требуемой частоте . В этом случае полное реактивное сопротивление станет равно нулю: . Резонансная частота контура составит . При этом полное сопротивление цепи будет наименьшим, и будет определяться в основном активным сопротивлением провода катушки. То есть резонансный контур с последовательным включением катушки и конденсатора будет представлять собой как бы «короткое замыкание» для переменного тока на частоте резонанса. Мощность гармоники, которую необходимо подавить, будет выделяться в виде тепла на катушке контура.

Конденсаторы С7 (рис. 6.1) и С2 (рис.6.2) служат для подавления гармоник с частотами более 600 Гц. Эти конденсаторы вместе со сглаживающим реактором L_d образуют апериодический фильтр низких частот.

Пульсации выпрямленного напряжения могут привести к возникновению перегрузки выпрямительных агрегатов, если возникнет ситуация параллельной работы агрегатов с разным числом пульсов выпрямленного напряжения на одной тяговой подстанции.

6.3. Параллельная работа выпрямительных агрегатов с различным числом пульсов выпрямленного напряжения

В ОАО РЖД проводится работа по усилению системы электроснабжения тяги поездов на постоянном токе. Так, например, на Самарском отделении Куйбышевской железной дороги на тяговых подстанциях «Толкай» и «Дружба» установлены новые выпрямительные агрегаты ТПЕД-3150-3,3 (двенадцатипульсовые) в дополнение к существующим агрегатам ПВЭ-5 (шестипульсовым).

В ыпрямительные агрегаты подключаются к сборным шинам ТП (рис. 6.3). Такая схема позволяет ввести в работу любой агрегат по отдельности или оба вместе. Параллельная работа выпрямительных агрегатов необходима для увеличения тока, отдаваемого тяговой подстанцией в контактную сеть [1].

Рис. 6.3. Упрощённая однолинейная схема ТП с двумя выпрямительными агрегатами

Однако при параллельной работе двух выпрямительных агрегатов следует соблюдать следующие условия:

1. Выходное (среднее) напряжение выпрямительных агрегатов должно быть одинаково. Если выходные напряжения не будут равны, то всю нагрузку возьмёт на себя выпрямитель с более высоким выходным напряжением.

2. Мощность выпрямительных агрегатов не должна сильно отличаться. С ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя снижается из-за коммутации вентильных токов. У агрегата с меньшей мощностью снижение напряжения будет сильнее, в результате его ток уменьшится, а более мощный агрегат будет работать с перегрузкой.

3. Схемы выпрямительных агрегатов должны давать одинаковое число пульсов выпрямленного напряжения. Различное число пульсаций приведёт к появлению уравнительных токов.

Для пояснения процесса появления уравнительных токов рассмотрим временные диаграммы работы шести и двенадцати пульсовых выпрямителей (рис. 6.4).

Из графиков выпрямленного напряжения видно, что при равенстве выходных напряжений U_d мгновенные значения напряжения u_d шести и двенадцати пульсовых выпрямителей отличаются. Чтобы количественно оценить разницу мгновенных напряжений, рассмотрим их увеличенное изображение (рис. 6.5).

В момент времени, когда амплитуда пульсации шести пульсового выпрямителя максимальна, а амплитуда пульсации двенадцати пульсового выпрямителя минимальна, разность мгновенных значений напряжений составляет +u_d1 и уравнительный ток протекает из шести пульсового выпрямителя в двенадцати пульсовый.

В момент времени, когда амплитуда пульсации и шести пульсового и двенадцати пульсового выпрямителей минимальна, разность мгновенных значений напряжений составляет u_d2, и уравнительный ток протекает из двенадцати пульсового выпрямителя в шести пульсовый.

Рис. 6.4. Временные диаграммы работы шести и двенадцати пульсовых выпрямителей

Рис. 6.5. Увеличенное изображение мгновенных значений напряжений

шести и двенадцати пульсовых выпрямителей

Следовательно, уравнительный ток, вызванный разностью мгновенных значений напряжений, будет переменным. Следует заметить, что сборные шины находятся в схеме до сглаживающего реактора, поэтому пульсации выходных напряжений выпрямителей на сборных шинах не будут сглажены.

Величину уравнительного тока можно определить по формуле:

, (6.5)

где u_d - разность мгновенных значений напряжений;

z – общее сопротивление фаз вторичных обмоток трансформаторов выпрямительных агрегатов при параллельной работе.

Для выпрямительных агрегатов амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения определяется по формуле [9]:

, (6.6)

где U_d0 – напряжение холостого хода выпрямителя (U_d0 = 3500 В);

_d – коэффициент полной волнистости (_d6 = 0,042; _d12 = 0,0103).

Для шести пульсового выпрямителя

В;

для двенадцати пульсового выпрямителя

В.

Тогда В,

В.

Д ля определения величины общего сопротивления фаз вторичных обмоток трансформаторов шести и двенадцати пульсового выпрямителей составим эквивалентную схему (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Эквивалентная схема для определения величины общего сопротивления фаз

вторичных обмоток трансформаторов

Индуктивное и активное сопротивления вторичной обмотки трансформатора можно определить по формулам:

; ; (6.7)

где U_2ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

u_кт – напряжение короткого замыкания трансформатора;

S_1Н – номинальная мощность трансформатора;

Р_м – потери в меди обмоток, Р_м = 0,006 S_1Н.

Результаты расчёта индуктивных и активных сопротивлений вторичных обмоток при S_1Н= 12500 кВА и u_кт = 7% приведены в табл. 1.

Таблица 1