Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и элементы теории автоматического регулирования напряжения в тяговом электроснабжении. Учебное пособие
.pdf
2
гт
В
Схема питания электрической энергией электроподвижного состава (электровозов и электропоездов) представлена на рис. 1.1.
S
~
U
1
ггтт
Е
z
c
2гт
Е
U
2
z
к, гт
z
к, гт
пт
пт
Е
z
2пт
к, пт
z
к, пт
Е
2пт
U
d
В
r
кc
+
r
-
тр
Рис. 1.1. Схема электропитания электроподвижного состава:
S — энергосистема; zс — сопротивление питающей сети;
гт, z
— головной трансформатор и его сопротивление;
пт, z
к, гт
— преобразовательный трансформатор и его сопротивление;
к, пт
В — выпрямительный блок;
rкс, rтр — сопротивление контактной сети и тягового рельса
При мощной энергосистеме, т. е. при постоянном напряжении
питающей сети U1, возможны два способа изменения напряжения
в контактной сети:
— статический (повышение напряжения, связанное с уменьшением сопротивления цепи питания);
— динамический (регулирование напряжения в контактной сети
с использованием изменения основной ЭДС в цепи питания или
с введением дополнительной ЭДС в цепь питания).
Возможны следующие варианты изменения сопротивления элементов цепи питания электроподвижного состава без учета сопротивлений энергосистемы и высоковольтной питающей сети.
1. Применение трансформаторов большей мощности (снижение
сопротивления трансформатора z
).
к
11
2. Включение на параллельную работу двух-трех преобразовательных трансформаторов (агрегатов) — снижение суммарного сопротивления преобразовательных агрегатов.
3. Перевод преобразовательных агрегатов с 6-пульсовой схемы выпрямления на 12-пульсовые — снижение потери напряжения с 300
В до 200 В, т. е. повышение напряжения на выходных шинах подстанции на 100 В.
4. Строительство промежуточных двух- или одноагрегатных тяговых подстанций — уменьшение расстояния межподстанционных зон
ведет к уменьшению потерь напряжения в контактной сети.
5. Подвеска параллельно к проводам контактной сети дополнительных усиливающих проводов — снижение сопротивления контактной сети rкс.
6. Сооружение пунктов секционирования и пунктов параллельного соединения проводов контактной сети — снижение сопротивления контактной сети rкс.
7. Применение в системе тягового электроснабжения переменного тока устройств компенсации реактивной мощности (конденсаторных батарей), направленных на снижение реактивного (индуктивного) сопротивления контактной сети.
Рассмотрим известные и применяемые на практике устройства
динамического изменения напряжения в контактной сети.
1. Применение на тяговых подстанциях накопителей электрической энергии (механических с мотор-генераторами или аккумуляторных батарей) — накопление электрической энергии при работе электровозов в режиме рекуперации и повышение напряжения
в контактной сети при работе электровозов в режиме тяги.
2. Применение пунктов повышенного напряжения, устанавливаемых между тяговыми подстанциями с питанием от одной из тяговых
подстанций по дополнительной ЛЭП повышенным напряжением 6 кВ
постоянного тока, с последующим преобразованием в напряжение 3 кВ
и подачей этого напряжения в контактную сеть.
3. Применение вольтодобавочных агрегатов, подключаемых последовательно к преобразовательным агрегатам на тяговых подстанциях постоянного тока или к силовым трансформаторам на тяговых
подстанциях переменного тока.
12
4. Применение вольтодобавочных агрегатов, включаемых в рассечку контактной сети в межподстанционной зоне, с питанием по
ЛЭП переменного тока от одной или от двух соседних тяговых подстанций.
5. Применение различных устройств для изменения ЭДС и, соответственно, выходного напряжения трансформатора. Материалы
этого варианта рассматриваются в последующих разделах.
13
1 1
2
0 r
SS
HS
Во всех устройствах регулирования напряжения трансформаторов (силового на тяговых подстанциях переменного тока или понизительного и преобразовательного на тяговых подстанциях постоянного тока) используется способ изменения ЭДС первичной или
вторичной обмоток:
4,44E fw= Φ
4,44E fw= Φ
2
;
, (2.1)
где f — частота напряжения питающей сети;
w − число витков обмоток,
Iw Iw
12
R
= = −
м
µ ⋅ µ ⋅µ ⋅
a
Ф магнитный поток,
где S — площадь сечения магнитопровода [м
12
= = −
RR
мм
магнитное сопротивление цепи
(2.2)
Гн
2
];
ℓ — средняя длина магнитного материала магнитопровода [м];
— абсолютная магнитная проницаемость;
μ
а
μ0 — постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума,
7
равная в системе СИ
— магнитная проницаемость ферромагнитного материала маг-
μ
r
µ = π⋅ Гн/м;
0
4 10
−
нитопровода [Гн/м], зависимая от напряженности магнитного поля
Iw S
Iw
откуда
H =
,
Ф
µ
а
= = µµ
0.r
14
1
,
В общем случае ЭДС обмотки может быть представлена формулой:
аа
µµ
M22
= ⋅ω
4,44 4,44 4,44 .
E fw fw f
= Φ= =
Iw S Iw S
2
(2.3)
Из формулы (2.3) следует, что при постоянных значениях частоты
и напряжения питающей сети изменение ЭДС обмотки трансформатора может быть осуществлено изменениями средней длины магнитных силовых линий ℓ магнитного потока, площади сечения магнитопровода S, магнитной проницаемости μ
или числа витков w.
а
При неизменных величинах ℓ и S магнитопровода изменение магнитной проницаемости μ может быть осуществлено, например, введением в магнитопровод регулируемого воздушного зазора.
Известен пример изменения величины магнитного потока в магнитопроводе изменением плотности жидкого ферромагнитного материала, закачиваемого в ограниченный объем оболочки условного
магнитопровода.
В дальнейшем при регулировании напряжения трансформаторов используется изменение числа витков обмоток трансформатора.
ся непрерывно во времени и подчиняется синусоидальному закону
ся плавным (непрерывным) или ступенчатым (дискретным) изменением напряжения.
напряжения трансформатора РПН используется способ изменения
ЭДС обмоток трансформатора, рассмотренный в разделе 2.1.
эффициент мощности. Однако на электрифицированных железных
дорогах и в электрометаллургии, где требуется большое число переключений, а также для установок, где технология требует плавного
регулирования напряжения, необходимо создание трансформаторов
с плавным бесконтактным РПН.
Как известно, напряжение на выходе трансформатора изменяет-
. Регулирование напряжения и2 может производить-
sinuU t
В обоих вариантах плавного или ступенчатого регулирования
Трансформаторы со ступенчатым РПН имеют высокие КПД и ко-
15
Плавное РПН трансформатора может осуществляться следующи-
к,
2
ми устройствами: скользящими по поверхности обмотки контактами; перемещением подвижной вторичной обмотки; перемещением
дополнительной короткозамкнутой обмотки; трансформаторами с
подмагничиваемыми шунтами или с подмагничиваемыми магнитопроводами; управляемыми реактивными сопротивлениями, включаемыми последовательно с первичной или вторичной обмоткой; управляемыми реактивными сопротивлениями, включаемыми в два отвода
первичной или вторичной обмотки; специальными трансформаторно-тиристорными регуляторами — стабилизаторами напряжения.
Плавное контактное изменение числа витков и, соответственно, напряжения вторичной обмотки производится посредством
подвижного роликового контакта, вращающегося по поверхности неизолированной «голой» шины обмотки трансформатора. Такое регулирование применяется в установках небольшой мощности
и в лабораторных автотрансформаторах.
Трансформаторы, в которых регулирование напряжения осуществляется перемещением подвижной вторичной или дополнительной короткозамкнутой обмотки, имеют сложную конструкцию,
большую механическую инерцию, пониженную надежность и в преобразовательных трансформаторах не применяется. Также в преобразовательных трансформаторах не применяются подмагничивание
шунтов или магнитопровода трансформатора и включение управляемого реактивного сопротивления последовательно в цепь первичной или вторичной обмотки.
В преобразовательных трансформаторах применяется схема
с включением управляемых реакторов в два отвода первичной обмотки.
На практике для изменения ЭДС обмоток и, соответственно, регулирования выходного напряжения трансформатора широко ис-
w
1
пользуется изменение коэффициента трансформации
=
т
т. е.
w
изменение числа витков первичной или вторичной обмоток. В зависимости от технической реализации изменения числа витков, все
устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) можно
подразделить на устройства, обеспечивающие регулирование:
— плавное контактное («роликовое»);
— плавное бесконтактное (реакторное);
— ступенчатое контактное (механические контакторы, в том числе вакуумные);
— ступенчатое бесконтактное (тиристорное);
16
— комбинированное плавно-ступенчатое РПН;
— комбинированное плавное бесконтактное РПН;
— пофазное РПН, ступенчатые контактное и бесконтактное (тиристорное).
На электрифицированных участках железных дорог постоянного
тока используется бесконтактное регулирование выпрямленного напряжения, ос нованное на плавном изменении коэффициента трансформации по схеме на рис. 2.1.
а б
I
y1
w
y
I
2
HP1
УР1
w
I
p
p
1
I
1
X
I
p
2
УР2
U
1
I
y2
I
ц
w
w
w
α
p
y
w
β
w
2
УР2
U
2
A
Рис. 2.1. Принципиальные схемы бесконтактного РПН с управляемыми
(а) и неуправляемым (б) реакторами
Управляемый преобразовательный трансформатор (рис. 2.1, а)
в этом случае состоит из собственно трансформатора и реактора
(управляемый реактор УРI — управляемый реактор УР2). В процессе автоматического регулирования производят подмагничивание одного и размагничивание другого реактора. В результате изменяются
17
индуктивные сопротивления реакторов и соответственно распределе-
~
~
Iw
уу
Iw
рр
нн
~~
ww
UU
++
~~
22
I IR
ние токов Iр1, Iр2 в первичной обмотке трансформатора (см. рис. 2.1).
Процесс изменения индуктивного сопротивления реактора рассмотрим на примере принципиальной схемы, представленной на рис. 2.2.
I
Z
H
U
w
p
Рис. 2.2. Принципиальная схема включения регулируемого индуктивного
сопротивления в электрической цепи переменного тока
w
y
I
у
+(–)
U
у
–(+)
Регулирование индуктивного сопротивления рабочей обмотки wp
основано на изменении магнитной проницаемости магнитопровода
при совместном действии на сердечник магнитопровода переменного и постоянного магнитных полей.
р
Напряженность переменного поля
чим током I~ в рабочей обмотке w
магнитного поля
H⋅=
у
создается током управления I
H⋅=
, а напряженность постоянного
p
~
~
создается рабо-
в допол-
у
нительной обмотке — обмотке управления wy.
Ток в рабочей цепи переменного тока
I
= ≈
~
ZZ Zx
регулируется изменением индуктивного сопротивления рабочей обмотки
x
w
p
где ω − угловая частота 2π f;
L — индуктивность рабочей обмотки
Iw S
Ф
ww
⋅
L
= = ⋅= =
µ
а
~
= ωL,
18
(2.4)
w Sw
µ
а
. (2.5)
м
Из формулы (2.5) следует, что при неизменных значениях w, ℓ и S
S
индуктивность L и, соответственно, индуктивное сопротивление обмотки x
зависят от магнитной проницаемости μ .
w
p
На рис. 2.3 представлены графики изменения магнитной проницаемости μа и магнитной индукции
Iw
В
Ф
= =
µ
а
~
(2.6)
,
в зависимости от изменения суммарной напряженности магнитного поля
⋅
I w Iw
p yy
= += +
HH H
Σ
~
~
y
.
В зависимости от напряженности магнитного поля магнитопровод может находиться в зонах ненасыщенного (1 зона) и насыщенного (2 зона) состояниях. В этих зонах магнитная проницаемость μ,
соответственно индукция L и сопротивление x
менением напряженности магнитного поля, т. е. током управления
регулируются из-
,
w
p
Iу обмотки управления.
При максимальном токе управления индуктивное сопротивление
реактора равно минимальной величине, а при нулевом токе управления — максимальной величине.
µ
В,
µ
макс
В
µ
а
µ
нач
зона 2
зона 1
Н
∑
Рис. 2.3. Графики изменения магнитной индукции и магнитной
проницаемости в зависимости от напряженности магнитного поля
19
Если УРI (см. рис. 2.1, а) полностью намагничен, а УР2 размагни-
ww
βα
kk k
ρβ α
/;k ww
/;k ww
12
αα
00
21
.UU
()
тр22
чен, то нап ряжение питающей сети приложено к виткам
+ об-
мотки трансформатора и вторичное напряжение минимально. При
размагни чивании УРI и одновременном намагничивании УР2 вторичное нап ряжение увеличивается и достигает наибольшего значения, когда УРI полностью размагничен, а УР2 намагничен, так как
в этом слу чае напряжение питающей сети прикладывается к наименьшему числу витков первичной обмотки wβ.
Особенностью такого трансформатора является плавное изменение коэффициента трансформации по закону
где
=
ββ
2
=
αα
= +ρ
ρ − параметр, зависящий от режимов
2
, (2.7)
подмагничивания УР,
z
p
ρ= ≈
2
++ ++
zz z xx x
p1 p2 p p
x
2
р
(2.8)
.
Вторичное напряжение холостого хода трансформатора изменяется в соответствии с отношением
1
=
(2.9)
k
ρ
Другой особенностью работы трансформатора является нали чие
в цепи регулировочной обмотки трансформатора циркули рующего
тока, определяемого из уравнения
kU
I
=
ц
α
kz z z
++
ρα
p1 p102
, (2.10)
имеющего индуктивный характер, увеличивающий ток холостого
хода (намагничивающий ток) трансформатора I
и снижающий ко-
тр
эффициент мощности преобразователя.
Третьей особенностью трансформатора является то, что он имеет переменное внутреннее сопротивление, приведенное к числу витков вторичной обмотки
1
= + −ρ +
k
(1 ) ,z z zz
β
2
ρ
20
(2.11)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]