WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Комякова Ольга Олеговна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОПУЛЬСОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Тяговых подстанций

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

ОМСК 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ЧЕРЕМИСИН Василий Титович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

БУРКОВ Анатолий Трофимович;

доктор технических наук, профессор

КАНДАЕВ Василий Андреевич.

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС, г. Екатеринбург).

Защита диссертации состоится 22 мая 2009 г. в 900 часов на заседании
диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)») по
адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.

Автореферат разослан 21 апреля 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; е-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В соответствии с «Энергетической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» задача снижения затрат на потребляемые энергоресурсы является одной из наиболее актуальных. Существенной их составляющей являются затраты на оплату электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. Одним из направлений повышения эффективности использования этого вида энергии является применение рекуперативного торможения электроподвижного состава. Для обеспечения возврата избыточной энергии рекуперации в сети питающих энергосистем на тяговых подстанциях (ТП) постоянного тока необходима установка инверторов.

В соответствии с действующими техническими указаниями № П-04/07 Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» применение выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИПов) при проектировании и реконструкции ТП постоянного тока допускается только в тех случаях, когда имеется надлежащим образом оформленное согласие энергоснабжающей организации на учет электрической энергии, возвращаемой из тяговой сети, в общих расчетах за электроэнергию, потребляемую ОАО «РЖД». Однако некоторые энергосистемы отказываются принимать к расчету объемы возвращаемой из тяговой сети электрической энергии, аргументируя отказ рядом причин, наиболее весомой из которых является несоответствие ее качества требованиям ГОСТ 13109-97.

В настоящее время наиболее распространенным методом определения показателей качества электрической энергии являются экспериментальные измерения. Однако при сооружении новых и реконструкции существующих ТП использование такого подхода для определения возможного искажения качества возвращаемой электрической энергии, обусловленного применением инверторов, не представляется возможным. Поэтому наиболее эффективными способами являются математические методы моделирования, которые должны обеспечивать высокую степень достоверности получаемых результатов.

Существующие методы анализа электромагнитных процессов в многопульсовых ВИПах не позволяют в полной мере достоверно определять показатели качества электрической энергии, возвращаемой инверторами в систему внешнего электроснабжения.

Цель диссертационной работы оценка качества электрической энергии для обоснования применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем использования усовершенствованных методов анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях с учетом несимметричных и несинусоидальных режимов работы системы внешнего электроснабжения.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1) уточнить метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных результатов исследований гармоник кривой сетевого тока в заданном режиме;

2) усовершенствовать метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы путем применения метода простых итераций;

3) усовершенствовать метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора;

4) разработать программный комплекс для обоснования целесообразности применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем расчета гармоник преобразователя при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы;

5) оценить достоверность теоретических исследований качества электроэнергии, возвращаемой из тяговой сети в систему внешнего электроснабжения, путем экспериментальных измерений на тяговых подстанциях постоянного тока и экономическую эффективность от внедрения полученных результатов.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием законов Кирхгофа, методов симметричных составляющих и простых итераций, разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты производились с применением программного комплекса, разработанного на языке Delphi, а также выполнялись в математической среде Mathcad. В работе использованы основные положения теории вероятностей и математической статистики.

Экспериментальные исследования проведены с применением многоканального измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М».

Научная новизна работы состоит в следующем:

уточнен метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных результатов исследований гармоник кривой сетевого тока в заданном режиме;

усовершенствован метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы путем применения метода простых итераций;

усовершенствован метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора.

Достоверность научных положений и результатов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными на ТП Западно-Сибирской железной дороги. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 10 %.

Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

усовершенствованные методы анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях с учетом несимметричных и несинусоидальных режимов работы системы внешнего электроснабжения позволяют принять научно-обоснованные решения о возможном применении инверторов при проектировании и реконструкции тяговых подстанций постоянного тока;

разработанный программный комплекс позволяет рассчитать гармоники преобразователя при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы для определения соответствия качества электроэнергии, возвращаемой инверторами в систему внешнего электроснабжения, требованиям ГОСТ 13109-97;

разработаны и внедрены на сети железных дорог методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на ТП.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XIII международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2007), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» (Новосибирск, 2007); XIV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2008); научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 12 статей (из них две – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ) и одни тезисы доклада.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 114 наименований и четырех приложений. Работа изложена на 148 страницах основного текста, содержит 53 рисунка, 19 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены схемы главных электрических соединений ВИПов тяговых подстанций постоянного тока магистральных электрических железных дорог, проведены расчет и анализ гармоник сетевого тока шести- и двенадцатипульсового инверторов при симметричном синусоидальном питающем напряжении, исследовано влияние конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора двенадцатипульсового инвертора последовательного типа на сетевой ток.

Одним из основных элементов системы тягового электроснабжения постоянного тока являются преобразователи тяговых подстанций. Внедрение многопульсовых преобразователей позволяет улучшить форму кривых тока и напряжения и качество электроэнергии в питающей системе, повысить технико-экономические показатели системы электроснабжения в целом.

Значительный вклад в исследование электромагнитных процессов в преобразователях тяговых подстанций внесли М. П. Бадер, Б. С. Барковский,
А. Т. Бурков, Ю. К. Виноградов, В. П. Вологдин, Д. В. Ермоленко, С. Н. Засорин, И. Л. Каганов, Г. С. Магай, В. П. Маценко, Ю. П. Неугодников,
А. С. Низов, А. В. Поссе, В. В. Руденский, С. Д. Соколов, М. А. Чернышев,
М. Г. Шалимов, Б. М. Шляпошников и другие ученые. Однако подавляющее большинство работ относится к исследованию электромагнитных процессов в управляемых и неуправляемых выпрямителях и недостаточно исследован гармонический состав кривой сетевого тока инвертора.

При симметричном синусоидальном питающем напряжении в кривой сетевого тока ВИПа присутствуют только канонические гармоники. Наличие конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора двенадцатипульсового инвертора приводит к появлению в кривой сетевого тока гармоник, характерных для шестипульсового инвертора. Углы коммутации вентильных токов преобразователей при работе в инверторном режиме меньше, чем при работе в выпрямительном, что связано с наличием угла опережения открытия вентилей. С повышением нагрузки улучшается форма кривой сетевого тока ВИПа.

Во второй главе выполнен уточненный анализ гармоник кривой сетевого тока мостового шестипульсового инвертора при несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей системы.

Система напряжений, питающая ВИПы, при нормальных режимах является уравновешенной, т. е. токи нулевой последовательности в ней протекать не могут, а фазные напряжения всегда можно расположить так, чтобы они составляли замкнутый треугольник. По известному методу расчета несимметричных напряжений системы, питающей преобразовательную нагрузку, большая сторона треугольника несимметричных напряжений условно принимается равной единице, соответствующая этой стороне фаза является исходной, относительно нее определяются остальные фазы. С изменением угла сдвига между составляющими прямой и обратной последовательностей несимметричной системы напряжений от – 60 до 60° численное значение напряжения одной из фаз всегда остается неизменным, а значения напряжений двух других фаз всегда получаются меньше значения напряжения исходной фазы, что не соответствует реальным режимам работы питающей системы. При этом значения гармоник кривой сетевого тока в большинстве случаев являются заниженными в сравнении с результатами экспериментальных исследований, что является основным недостатком данного метода.

Отличие предложенного метода от известного состоит в том, что с изменением угла сдвига изменяются и значения напряжения всех трех фаз, отличаясь при этом от номинального. Уравнения для нахождения комплексных значений фазных напряжений питающей системы представлены в виде:

(1)–(3)

где – комплексное действующее значение номинального фазного напряжения питающей системы; – коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, записанный в комплексной форме.

Предложенный метод позволяет повысить точность расчета значений питающих напряжений и, соответственно, гармоник сетевого тока на 2 3 % в сравнении с существующим методом, обеспечивая при этом адекватность расчетных и экспериментальных результатов исследований качества электроэнергии.

Исследование гармоник кривой сетевого тока ВИПа проведено при следующих допущениях: пульсации в токе нагрузки отсутствуют; реальные вентили заменяются идеальными; активные сопротивления в схеме замещения не учитываются, а индуктивные сосредоточены в вентильных обмотках; собственные емкости оборудования не учитываются.

Кривые противоЭДС и сетевого тока шестипульсового мостового

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»