Диплом_(образец)

16

сгл(n)

минимума; во избежание активных потерь катушки выполнять медным проводом с минимальным активным сопротивлением, а конденсаторы – с наименьшими диэлектрическими потерями.

В реальных условиях эксплуатации активное сопротивление резонансных и емкостных контуров имеет конечную величину и обычно принимается равным 0,5

Ом. Активное сопротивление реактора зависит от величины его индуктивности и носит нелинейный характер в спектре частот [2]:

R_р(n) = 0,23 + 0,73f_(n)10^-3.

(1.5)

Различают результирующий коэффициент сглаживания фильтра k_{сгл.рез} и

коэффициент сглаживания гармоники n-го порядка k_{сгл (n)}.

Результирующий коэффициент сглаживания фильтра рассчитывается по

формуле 1.6:

k



^U1пс

,

(1.6)

сгл.рез

^U2пс

где U_1пс , U_2пс – соответственно псофометрическое напряжение на входе и выходе фильтра, В.

36

2

^U1пс ^U1( n)^pn

;

(1.7)

n2

36

 U

1(n )

p

n

U2пс  



n 2



k



сгл(n )

_2

^ , (1.8)





где U_{1(n )} – действующее значение напряжения гармоники n-го порядка на входе фильтра, В;

p_n – коэффициент акустического воздействия гармоники n-го порядка [2, 3];

k – коэффициент сглаживания гармоники n-го порядка;

^kсгл( n) ^

^U1( n)

,

(1.9)

^U2( n)

где U_{2(n )} – действующее значение напряжения гармоники n-го порядка на выходе фильтра, В;

17

Рассмотрим схемы сглаживающих фильтров, эксплуатируемых на тяговых подстанциях постоянного тока в настоящее время.

1.1.3 Однозвенные сглаживающие фильтры Основным преимуществом применения многопульсовых преобразователей

является повышение качества выпрямленного напряжения. Однако при любой схеме выпрямления в реальных условиях, особенно при наличии несимметричных режимов их работы, требуется дальнейшее снижение пульсации выпрямленного напряжения, что достигается установкой на тяговых подстанциях сглаживающих фильтров. Внедрение двенадцатипульсовых выпрямителей и замена воздушных линий связи на кабельные и волоконно-оптические позволило применить более простые однозвенные апериодический и резонансно-апериодический сглаживающие фильтры и апериодический сглаживающий фильтр с запирающим контуром 600 Гц. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с двухзвенными, основным из которых являются более простая конструкция, а,

следовательно, меньшие капитальные и эксплуатационные затраты.

1.1.3.1 Однозвенный апериодический СФ Однозвенный апериодический СФ представляет собой пассивный

четырехполюсник, в последовательной части которого находится реактор, а в параллельной части ёмкость.

При выборе параметров однозвенного апериодического фильтра необходимо проверять, чтобы частота резонанса напряжения не совпадала или не была близка к частоте гармоник выпрямленного напряжения (100, 200, 30 Гц). В

настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока используется

18

однозвенный апериодический СФ со следующими параметрами элементов: L_p=3;

4,5; 5; 7 мГн, С = 250 – 1000 мкФ.

Схема однозвенного апериодического СФ и его частотная характеристика приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная схема однозвенного апериодического СФ

Используя выражение 1.10 и 1.11 можно рассчитать полное сопротивление

последовательной и параллельной части СФ:

Zпос(n)= R_p(n) +jω_n L_p ;

(1.10)

Zпар(n)= R_c(n) +

1

.

(1.11)

jω_n C

Таким образом, подставляя выражение 1.10, 1.11 в формулу 1.2, получаем формулу 1.12, по которой определяется, коэффициент сглаживания однозвенного апериодического СФ для любой n-й гармоники, циклическая частота которой

ω_n=2πfn:

^kсгл(n)

=

jω_nC(R

р(n) ^+Rc(n) ^)+ωn

²CL_р

+1

,

(1.12)

1+jω_n CR_p(n)

где L_p, –индуктивность реактора на частоте n-й гармоники, мГн;

R_p(n) - активное сопротивление реактора на частоте n-й гармоники, Ом;

С – емкость параллельной части фильтра, мкФ;

R_c(n) – активное сопротивление параллельной части фильтра на частоте n-й

гармоники, Ом.

19

Активное сопротивление R_c(n) параллельной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов. Для апериодических СФ принимаем R_c(n) независящим от частоты и равным 0,1 – 0,2 Ом. Активное сопротивление R_р(n) последовательной части принимаем также независящим от частоты и равным. 0,035 Ом.

На рисунке 5 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для однозвенного апериодического СФ.

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для однозвенного апериодического СФ

Возможность применения СФ при различных линиях связи определяется величиной псофометрического напряжения на его выходе.

Расчет псофометрического напряжения для апериодического СФ,

производим для двенадцатипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений _U = 2 %, _U = 10 %, диапазоне изменения

20

ёмкости конденсаторов в параллельной части от 150 до 950 мкФ и индуктивностях реактора 3 мГн и 5 мГн. Результаты расчёта псофометрического напряжения приведены на рисунке 6.

40

40

В

В

30

Lp = 3 мГн

30

25

Lp = 4,5 мГн

25

Lp = 5 мГн

20

Lp = 7 мГн

20

U2пс

15

U2пс

15

10

10

5

5

0

0

150

250

350

450

550

650

750

мкФ

950

С

а

10

10

Lp = 3 мГн

Lp = 4,5 мГн

В

Lp = 5 мГн

Lp = 7 мГн

В

6

6

4

4

U2пс

U2пс

2

2

0

0

150

250

350

450

550

650

750

мкФ

950

С

Lp = 3 мГн

Lp =4,5

мГн

Lp = 5 мГн

Lp = 7 мГн

150

250

350

450

550

650

750

мкФ

950

С

б

Lp = 3 мГн

Lp = 4,5 мГн

Lp = 5 мГн

Lp = 7 мГн

150

250

350

450

550

650

750

мкФ

950

С

в г Рисунок 6 - Псофометрическое напряжение на выходе апериодического СФ:

– шестипульсовый (_U = 2 %); б – шестипульсовый (_U = 10 %);

– двенадцатипульсовый (_U = 2 %); г – двенадцатипульсовый (_U = 10 %);

Для исследования эффективности функционирования сглаживающих

фильтров было проведено моделирование шестипульсового и

21

двенадцатипульсового выпрямителей и схем сглаживающих фильтров эксплуатируемых в настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока при помощи пакета прикладных программ Matlab: пакет Simulink, пакет разработки электротехнических и энергетических систем SimPowerSystems.

Полученные графики изменения напряжений на входе и на выходе апериодического СФ от времени при токе нагрузки I_d=1000 A для шести и двенадцатипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии α_u =0 %

соответственно приведены на рисунках 6,7.

Рисунок 6 - Графики изменения напряжений на входе и на выходе апериодического СФ от времени для шестипульсового выпрямителя при

I_d=1000 A и α_u =0 %

22

Рисунок 7 - Графики изменения напряжений на входе и на выходе апериодического СФ от времени для двенадцатипульсового выпрямителя при

I_d=1000 A и α_u =0 %

1.1.3.2 Однозвенный СФ с резонансно-апериодическим контуром

При эксплуатации многопульсовых выпрямителей и однозвенных апериодических СФ при определенных условиях возникают резонансные явления в тяговой сети на частоте 100 Гц. Для исключения этого явления схема однозвенного апериодического СФ может быть дополнена резонансным контуром, настроенным на частоту 100 Гц.

Однозвенный резонансно-апериодический СФ представляет собой пассивный четырехполюсник, в последовательной части которого находится реактор, а в параллельной части ёмкость и резонансный контур, настроенный на частоту 100 Гц.

На вновь строящихся нестыковых тяговых подстанциях с двенадцатипульсовыми выпрямителями и кодовой системой автоблокировки рекомендуется применять однозвенные резонансно-апериодические СФ с параметрами: L_р = 5 мГн, C = 400 мкФ. В условиях эксплуатации допускается

23

снижение емкости С до 250 мкФ. При уменьшении индуктивности реакторов на нестыковых подстанциях до 3 мГн емкость С должна быть не менее 400 мкФ. На стыковых подстанциях рекомендуются следующие параметры фильтра: L_р = 5

мГн и С = 800 мкФ.

Принципиальная схема однозвенного СФ с резонансно-апериодическим контуром представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Принципиальная схема однозвенного СФ с резонансно-

апериодическим контуром

Используя выражение 1.13 и 1.14 можно рассчитать полное сопротивление

последовательной и параллельной части СФ:

Zпос(n)= R_p(n) +jω_n L_p ;

(1.13)



1



1



 ^Rc(n)

+

 jω_n L₁



^{ R}c(n) 

jω_n C₁

jω_nC

Zпар(n)=







.

(1.14)

1

^{ 2R}c(n)

+

1

 jω_n L₁

jω_n C

jω_n C₁

Таким образом, подставляя выражение 1.13, 1.14 в формулу 1.2, получаем формулу 1.15, по которой определяется, коэффициент сглаживания СФ с зонансно-апериодическим контуром для любой n-й гармоники, циклическая частота которой ω_n=2πfn:

24

^k сгл(n)

=

1+

^R р(n)

+jω _n L_р

,

(1.15)



1



1





^R c(n) ⁺

 jω _n L₁



^{ R} c(n) 

jω _n C



jω _n C₁





1

^{ 2R} c(n)

+

1

 jω _n L₁

jω _n C

jω _n C₁

где L - индуктивность параллельной части СФ, мГн;

L_p, –индуктивность реактора на частоте n-й гармоники, мГн;

С₁ – емкость в параллельной части СФ, мкФ;

R_с(n) - активное сопротивление параллельной части СФ, Ом;

С - емкость параллельной части СФ, мкФ;

R_p(n)- активное сопротивление последовательной части СФ, Ом.

Активное сопротивление R_р(n) последовательной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов. Для однозвенного СФ с одним резонансным контуром принимаем R_р(n) независящим от частоты и равным 0,035 Ом. R_c(n) принимаем также независящим от частоты и равным 0,1 Ом.

На рисунке 9 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для резонансно-апериодического СФ.

25

Рисунок 9 – Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для резонансно-апериодического СФ

Расчет псофометрического напряжения для резонансно-апериодического СФ, производим для двенадцатипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений _U = 2 %, _U = 10 %, диапазоне изменения ёмкости конденсаторов в параллельной части от 100 до 1000 мкФ и индуктивностях реактора 3 мГн и 5 мГн. Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ от ёмкости в параллельной части для однозвенного резонансно-апериодического СФ представлена на рисунке 10.

26

30

30

Lp = 3 мГн

В

Lp = 4,5 мГн

В

Lp = 5 мГн

20

Lp = 7 мГн

20

15

15

10

10

U2пс

U2пс

5

5

0

0

150

250

350

450

550

650

750

850

950

мкФ

С

а

10

10

Lp = 3 мГн

В

Lp = 4,5 мГн

В

Lp = 5 мГн

6

Lp = 7 мГн

6

4

4

U2пс

U2пс

2

2

0

0

150

250

350

450

550

650

750

мкФ

950

С

в

Lp = 3 мГн

Lp = 4,5 мГн

Lp = 5 мГн

Lp = 7 мГн

150

250

350

450

550

650

750

850

950

мкФ

С

б

Lp = 3 мГн

Lp = 4,5 мГн

Lp = 5 мГн

Lp = 7 мГн

150 250 350 450 550 650 750 ^мкФ 950

С

г

Рисунок 10- Псофометрическое напряжение на выходе резонансно-

апериодического СФ:

– шестипульсовый (_U = 2 %); б – шестипульсовый (_U = 10 %);

– двенадцатипульсовый (_U = 2 %); г – двенадцатипульсовый (_U = 10 %)

Полученные графики изменения напряжений на входе и на выходе резонансно-апериодического СФ от времени при токе нагрузки I_d=1000 A для шести и двенадцатипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии

α_u =0% соответственно приведены на рисунках 11, 12.

27

Рисунок 11 - График изменения напряжений на входе и на выходе резонансно-

апериодического СФ от времени для шестипульсового выпрямителя при

I_d=1000 A и α_u =0 %

Рисунок 12 - График изменения напряжений на входе и на выходе резонансно-

апериодического СФ от времени для двенадцатипульсового выпрямителя при

I_d=1000 A и α_u =0 %

28

1.1.3.3 Однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц Особенностью схемного решения апериодического сглаживающего фильтра

с запирающим контуром 600 Гц является большой коэффициент сглаживания на частоте наиболее опасной двенадцатой гармоники. Предлагаемое схемное решение позволяет, с одной стороны, снизить вероятность ложной сигнализации путевых приемников автоблокировки с тональными рельсовыми цепями,

обеспечивая снижение двенадцатой гармоники ниже требуемого уровня 2,3 В, и

мешающее влияние, а с другой, позволяет существенно снизить емкость в параллельной части по сравнению с апериодическим фильтром.

Однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц представляет собой пассивный четырехполюсник, в последовательной части которого расположен реактор, с параллельно соединённой ёмкостью, этот контур настраивается на частоту 600 Гц, а в параллельной части расположена ёмкость.

На тяговых подстанциях постоянного тока используется однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц со следующими параметрами элементов: L_p=3; 4,5;

5; 7 мГн, С = 250 – 1000 мкФ, С_пр=24(25); 16(15); 10 мкФ. Принципиальная схема однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Принципиальная схема однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц

29

Используя выражение 1.16 и 1.17 можно рассчитать полное сопротивление последовательной и параллельной части СФ:



1



R _p(n) +jω _n L _p



^{ R}c(n)





jω _n C_пр



Zпос(n)=





;

^R p(n) ^+jω n ^L p



1

^{ R}c(n)

^jω n ^Cпр