Проектирование преобразователя для тяговой подстанции постоянного тока

     Для сравнения условий работы вентилей в различных схемах принято выражать U_Vmax через U_d0. Эти соотношения приведены в справочных данных   [1].

      , что соответствует справочным  данным. 

      2.2 Расчет токов в цепях схемы 

     Условия работы вентильного плеча определяются максимальным I_Vmax и средним I_Vср значениями тока, поэтому для проектирования преобразователя необходимо рассчитать их через известный ток выпрямителя I_dном. Соотношения между ними определяются схемой преобразователя [1].

     Заданием  предусмотрена работа схем при абсолютно  сглаженном токе преобразователя (I_d = const, так как X_d = ¥). В этом случае мгновенный и максимальный значения тока вентильного плеча равны, для сложных схем последовательного типа I_Vmax = I_dном.      

     Среднее значение тока в этих цепях

      ,     (2.5)

где l = 2p/3 – продолжительность проводящего состояния вентильного плеча.

       .

     Ток, определенный по уравнению (2.5), позволяет выбрать тип и рассчитать число параллельно соединенных вентилей в плече.

     Действующее значение тока вентильной обмотки трансформатора I₂ определяется из соотношений, приведенных в [1].

     Для сложной двенадцатипульсовой схемы выпрямления последовательного типа токи I₂ определяются для каждой из секций: для секции «звезды» используется значение соотношения I₂/I_d, указанное в числителе, для секции «треугольника» – в знаменателе. Т.к. для данной схемы , то найдем значения токов и :

      ,

     

     Действующее значение тока сетевой обмотки трансформатора I₁ определяется из соотношений, приведенных в [1]. Для данной схемы , откуда:

      . 

      2.3 Расчет мощностей трансформатора 

     Особенностями преобразовательного трансформатора по сравнению с обычным силовым являются:

     1) различное в большинстве случаев  число фаз сетевой m₁ и вентильной m₂ обмоток, т. е. ;

     2) нестандартное значение напряжения  на вентильной обмотке;

     3) неравенство мощностей сетевой  S₁ и вентильной S₂ обмоток.

     Вследствие  последнего положения трансформатор  характеризуется так называемой типовой мощностью S_тип, которая в общем случае определяется по выражению:

,    (2.6) 

где S_УР – мощность уравнительного реактора для схем параллельного типа. Для схемы последовательного типа S_УР = 0.

     Мощность  сетевой обмотки  

           (2.7)

      .

     Мощность  вторичной (вентильной) обмотки  

                (2.8) 

      .

      .

     В теории выпрямления тока принято  выражать S₁, S₂ и S_тип через так называемую условную мощность

     .     (2.9)

      .

     Сравним рассчитанные по уравнениям (2.7) – (2.9) мощности S₁, S₂ и S_тип с основными расчетными соотношениями, приведенными в [1].

      , , .

     Таким образом, рассчитанные мощности удовлетворяют  основным расчетным соотношениям, приведенным в [1]. 
 

      2.4 Расчет продолжительности коммутации тока 

     Процесс преобразования электрической энергии  представляет собой регулярное чередование внекоммутационных и коммутационных интервалов в пределах каждого периода сетевого напряжения, поэтому необходимо определить продолжительность коммутации тока (значение угла коммутации g). С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения, абсолютно сглаженный ток на стороне постоянного напряжения, отсутствие взаимного влияния секций в сложных схемах, расчет при нагрузках, не превышающих номинальной и др.) можно определить угол коммутации g и оценить его влияние на работу преобразователя.

     В теории преобразователей определена зависимость  между углом коммутации, током нагрузки и параметрами данной схемы.

     Обобщенное  для всех схем и режимов выражение, определяющее g, имеет вид:

     ,   (2.10)

где     g – искомый угол коммутации;

          a – угол регулирования (в неуправляемом режиме a = 0);

         x_в – индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к напряжению вентильных обмоток, 

;     (2.11)

       .

     I_Vmax = f(I_d) – ток, который коммутируют вентильные плечи данной схемы.

     Из  выражения (2.10), учитывая, что a = 0, имеем:

      ;   (2.12)

       .

       , тогда .

     Из  выражения (2.10), учитывая, что a ≠ 0, имеем:

      ;   (2.13)

       . 

 

       3 Выбор трансформатора 

      3.1 Критерии выбора трансформатора 

     Трансформатор преобразователя должен обеспечить реализацию заданной схемы, надежность и экономичность агрегата. При выборе трансформатора необходимо добиться соответствия паспортных данных условиям эксплуатации. При этом выбор производится по следующим критериям:

     1) по соответствию параметрам питающей системы. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора и подведенная питающая сеть должны иметь одинаковое число фаз m₁ и равные номинальные линейные напряжения;

     2) по мощности. Мощность трансформатора  должна обеспечить надежную работу преобразователя во всем диапазоне нагрузок, для этого при выборе необходимо соблюдение условия:   

                                                          S_тип S_т.ном,                                             (3.1) 

где S_тип - типовая (расчетная) мощность трансформатора,;

       S_т.ном - номинальная мощность выбранного типа трансформатора, соответствующая одному из установленных значений шкалы номинальных мощностей трансформаторов, выпускающихся в России;

     3) по схеме вторичных (вентильных) обмоток. Схема вентильных обмоток выбранного трансформатора должна соответствовать заданной. Отсутствие в обозначении сведений о схемах и группах соединения вторичных обмоток требует, чтобы при выборе трансформатора они были указаны дополнительно;

     4) по системе охлаждения. Выбор  системы охлаждения производят  в зависимости от типовой мощности и условий эксплуатации трансформатора (от назначения преобразователя).  

     3.2 Тип выбранного  трансформатора и  его основные параметры

      

     Выбираем  трансформатор для тяговых подстанций электрических железных дорог типа ТРДТНП-16000/110ЖУ1-115/1,3-1,3/10,5.

 

Т Р Д Т Н П – 16000 / 110 ЖУ1-115/1,3-1,3/10,5

     трехфазный трансформатор;

     с расщепленной вентильной обмоткой;

     с принудительной циркуляцией воздуха и        естественной циркуляцией масла;

      трехобмоточный;

      с регулированием напряжения под нагрузкой;

      для полупроводниковых преобразователей;

      номинальная мощность, кВ·А;

      номинальное сетевое напряжение, кВ;

      для железнодорожного транспорта;

      для районов с умеренным климатом,                                установка на открытом воздухе. 
 
 

     Дополнительные  данные:

     схема и группа соединений обмоток – У/ДУ/Д;

     схема преобразователя – двенадцатипульсовая мостовая последовательного типа;

     потери  холостого хода Р_х.х = 35 кВт;

     потери  короткого замыкания Р_к.з = 90 кВт.

 

      4 Расчет вентильной части преобразователя 

      4.1 Выбор вентилей  по типу и классу 

     По  принципу действия силовые полупроводниковые  вентили делятся на неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры, запираемые тиристоры – GTO и GCT, биполярные транзисторы с изолированным затвором – IGBT- транзисторы). В настоящее время преобразователи тяговых подстанций созданы на базе диодов и обычных тиристоров. Каждый вид приборов подразделяется на типы по значениям максимально допустимого среднего прямого тока. Приборы одного типа подразделяются на классы по значениям повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии. По конструктивному выполнению виды приборов делятся на подвиды: простые и лавинные, штыревые и таблеточные.

     В маркировке вентилей приняты следующие  обозначения приборов по видам:

     Д – диод;     Т – тиристор;

     ДЛ  – диод лавинный;   ТЛ – тиристор лавинный.

     Обозначения подвидов выполняются тремя знаками, следующими за буквенным обозначением: первый знак – порядковый номер модификации;   второй – цифра в зависимости от размера шестигранника под ключ для штыревых и диаметра корпуса для таблеточных приборов; третий – цифра в зависимости от конструктивного исполнения корпуса приборов, при этом если корпус прибора выполнен штыревым с гибким выводом, то обозначается цифрой 1, при штыревом с жестким выводом – 2, при таблеточном исполнении – 3, под запрессовку – 4, фланцевый – 5.

     После обозначения вида конструкции прибора указывается цифра, означающая максимально допустимый средний прямой ток. Все перечисленное выше дает тип вентиля. Через дефис после него цифрой указывается класс прибора, соответствующий числу сотен вольт повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии. Класс диода и тиристора может быть любым  (1 – 16 (включительно) и затем 18, 20, 22, 24, 28, 32, 36, 40, 44, 50).

     Выбор вентиля проводится по следующим  критериям:

     1) по назначению преобразователя  и режиму работы. При неуправляемом выпрямителе необходим диод, при управляемом выпрямителе или инверторе –  тиристор.