CC BY
13
УДК 621.314.58 ББК 31.264.5
В.М. ФИЛИППОВ, СО. ПОДГОРНАЯ
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Ключевые слова: выпрямительно-инверторный преобразователь, конструктивная несимметрия, циркуляционные токи, реактор.
На сегодняшний день повышение энергетической эффективности оборудования и снижение уровня электропотребления во всех отраслях экономики, в том числе и на железнодорожном транспорте, является приоритетной задачей. В статье рассмотрен вопрос повышения энергетической эффективности выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) тяговой подстанции Яя Западно-Сибирской железной дороги. Ввиду конструктивной несимметрии вследствие наличия гальванической связи между обмотками выпрямителя и инвертора ВИП не позволяют обеспечить бесперебойную работу выпрямителя и инвертора одновременно по причине протекания через тири-сторные и диодные мосты значительных циркуляционных токов. Для снижения значений протекающих циркуляционных токов предлагается установить токоограничи-вающий реактор между мостами инвертора. В статье приведены результаты расчета циркуляционных токов в виде кривых изменения их максимальных значений без то-коограничивающего реактора и с учетом установки реакторов с различной индуктивностью при различных углах опережения ВИП.
В настоящее время все более актуальной проблемой являются повышение энергетической эффективности и снижение уровня электропотребления во всех отраслях экономики. В соответствии с энергетической стратегией ОАО «РЖД» одной из приоритетных задач являются существенное повышение уровня рекуперируемой энергии и эффективности ее использования, оборудование тяговых подстанций инверторами1.
На тяговых подстанциях постоянного тока наиболее широкое распространение получили преобразователи, выполненные по двенадцатипульсо-вым схемам, что позволяет увеличить коэффициент мощности, уменьшить наклон внешней характеристики выпрямителя и ослабить электромагнитное влияние на линии связи [1].
В соответствии с утвержденной программой «Трансэнерго» - филиала ОАО «РЖД» «Обновление устройств электроснабжения, участвующих в передаче электроэнергии»2 в 2016 г. по проекту ОАО «Томгипротранс» на тяговой подстанции Яя Западно-Сибирской железной дороги произведен монтаж выпрямительно-инверторного преобразователя производства ООО «НИИ-ЭФА-ЭНЕРГО» с выпрямителем В-МПП-3,15к-3,3к-УХЛ4 и инвертором И-ПМП-1,6к-3,8к-50-УХЛ4.
1 Энергетическая стратегия холдинга «РЖД» до 2020 года и на перспективу до 2030 года: распоряжение ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2537р / ОАО «РЖД». М., 2016.
2 Проект «Техническое перевооружение тяговой подстанции Яя. Монтаж выпрямительно-инверторного преобразователя Западно-Сибирской железной дороги» / ОАО «Томгипрот-ранс». Томск, 2017.
Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) подключен к преобразовательному сухому трансформатору ТРСЗП-12500/10ЖУХЛ1 с дополнительными секциями вентильной обмотки.
При совместной работе указанных ВИП и трансформатора наблюдается наличие гальванической связи между обмотками выпрямителя и инвертора, и при использовании дополнительных секций вентильных обмоток возникает конструктивная (угловая) несимметрия (рис. 1).
Кроме того, угловая несимметрия и отсутствие токоограничивающего реактора между мостами инвертора не позволяют обеспечить бесперебойную работу выпрямительно-инверторного преобразователя как в режиме инвертора, так и в режиме выпрямителя вследствие протекания через тиристоры и диоды мостов циркуляционных токов [2], достигающих 1 кА.
Работа инвертора установленного ВИП на межподстанционной зоне характеризуется небольшим объемом электроэнергии, возвращаемой во внешнюю сеть. Таким образом, главной задачей эксплуатации ВИП на тяговой подстанции Яя является обеспечение устойчивого режима рекуперативного торможения электроподвижного состава [5].
Инвертор ВИП тяговой подстанции Яя возвращает в энергосистему лишь небольшой процент от потребленной электроподвижным составом энергии вследствие пологого профиля железнодорожного пути. Именно поэтому большие потери энергии в инверторе обусловлены значительными циркуляционными токами, которые протекают по трем контурам, схематично изображенным на рис. 2.
Первый контур протекания: вентильные обмотки преобразовательного трансформатора - диоды левого моста выпрямителя - левый токоограничи-вающий реактор - тиристоры левого моста инвертора. Второй контур протекания: вентильные обмотки преобразовательного трансформатора - тиристоры правого моста инвертора - правый токоограничивающий реактор - диоды правого моста выпрямителя. Третий контур: тиристоры левого моста инвертора - тиристоры правого моста инвертора - вентильные обмотки трансформатора - диоды правого моста выпрямителя - диоды левого моста выпрямителя - вентильные обмотки преобразовательного трансформатора.
Из проекта технического перевооружения тяговой подстанции Яя следует, что величина электрических потерь в большей степени зависит от техни-
Рис. 1. Конструктивная (угловая) несимметрия ВИП
ческих параметров токоограничивающих реакторов, частично выполняющих функцию ограничения циркуляционных токов между анодными и катодными группами выпрямителя и инвертора [4].
Для снижения значений протекающих циркуляционных токов предлагается дополнительно установить еще один токоограничивающий реактор между мостами инвертора (рис. 3). Реактор позволит не только ограничить циркулярный ток, но и уменьшить величину высших гармонических составляющих выпрямленного напряжения на тяговой подстанции [3].
Установка реактора позволит повысить энергетическую эффективность ВИП и снизить потери электроэнергии, возникающие от протекания циркуляционных токов.
Рис. 2. Контуры протекания циркуляционных токов
Рис. 3. Предлагаемая схема установки реактора
Расчет значений циркуляционных токов производился по формулам, приведенным в работе И.П. Неугодникова [1]. Кривые изменения максимального значения циркуляционного тока, протекающего в обозначенных контурах, без то-коограничивающего реактора с учетом установки реактора типа РТОС 3-32501,42 УХЛ1 индуктивностью 4,7 мГн и произвольного реактора индуктивностью 10 мГн при различных углах опережения в ВИП, приведены на рис. 4 и 5.
960 А 720 600 480
Ц
360
240 120
Угол опережения [3: 1 - 16° 2-20° 3-24° 4-28° 5-32° 111 ОмГн 4.7 мГн ЮмГн
/
> / 'Ч4 ч5
—
и
: .4 . ' й-^ч ч.
20 40
60
80 эл. град. 120
Рис. 4. Кривые изменения значения циркуляционных токов первого и второго контуров ВИП
960 А 720 600 480
I
360 240 120 о
Угол опережения р: I - 16° 2-20° 3-24° / — Ьр = 0мГн \ — Ьр = 4,7 мГн -«.. \—Ьп = 10 мГн
а. \ \5
4-28е 5-32е Щу
■/ \ \
¡¡¡а у-чЩ \
•у--?. / \
т ,7» / Ч V \
'ч/г- .....,3"= '•К'
20 40 60 80 эл. град. 120
Рис. 5. Кривые изменения значения циркуляционного тока третьего контура ВИП
Результаты расчета показывают, что величина циркуляционного тока зависит не только от контура его протекания, но и от угла опережения открытия тиристоров. Максимальные значения циркуляционных токов по расчетным данным при угле опережения 32° для первого и второго контуров составили около 580 А, для третьего контура - почти 960 А. По данным экспериментальных исследований, выполненных в рамках гранта Западно-Сибирской дороги - филиала ОАО «РЖД» с помощью специализированного программного комплекса АИИС КУЭ «Энергия Альфа», результаты измерений составили для первого и второго контуров 580 А (рис. 5), для третьего контура -900 А. Погрешность вычислений составила 6,6%.
Ток, д
Ток, А
CN п о и п о
Рис. 7. Результаты измерений циркуляционных токов третьего контура ВИП
Установка реактора позволит снизить циркуляционные токи более чем в 2,5 раза, в пределе - до 160 А при установке реактора с индуктивностью 10 мГн.
Таким образом, в схеме преобразователя для ограничения циркуляционных токов требуется установка между анодными и катодными группами выпрямителя и инвертора дополнительного реактора, который позволит повысить энергетические показатели и надежность работы ВИП, снизить потери электроэнергии.
Литература
1. Барковский Б.С., Володин В.В., Грачев В.А. Результаты экспериментального исследования двенадцатипульсовых выпрямителей // Повышение качества электрической энергии на тяговых подстанциях: сб. научных трудов. Омск, 1983. С. 97-100.
2. Неугодников И.П. Токи циркуляции в двенадцатифазных схемах // Вестник ВНИИЖТа. 1987. № 8. С. 21-25.
3. Соколов С.Д., Бей Ю.М., Гуральник Я.Д., Чаусов О.Г. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций. М.: Транспорт, 1979. 264 с.
4. Соколов С.Д., Руденский В.В. Циркуляционный ток в схеме непереключаемого выпрями-тельно-инверторного агрегата // Повышение эффективности полупроводниковых преобразовательных агрегатов: сб. науч. тр. М.: Транспорт, 1976. С. 79-85.
5. Хусаинов Е.К. Опыт эксплуатации выпрямительно-инверторного преобразователя тяговой подстанции на двухпутном участке // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: материалы науч. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2018. С. 349-356.
ФИЛИППОВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта, Омский государственный университет путей сообщения, Россия, Омск (fvm-omgups@mail.ru).
ПОДГОРНАЯ СВЕТЛАНА ОЛЕГОВНА - старший преподаватель кафедры информатики, прикладной математики и механики, Омский государственный университет путей сообщения, Россия, Омск (ps.light@mail.ru).
V. PHILIPPOV, S. PODGORNAIA
ON THE PROBLEM OF INCREASE IN ENERGY EFFICIENCY OF RECTIFIED-INVERTER CONVERTERS
Key words: rectifier-inverter converter, structural asymmetry, circulation currents, reactor.
To date, improving energy efficiency of equipment and reducing power consumption in all sectors of the economy including railroad transport is considered to be a priority. The arti-
cle deals with the issue of increase in energy efficiency of the direct-inverter converter (DIC) for the traction substation Yaya of the West-Siberian Railroad. Due to the constructive asymmetry caused by the presence of galvanic coupling between the rectifier and DIC inverter windings, it appears impracticable to ensure uninterrupted operation of the rectifier and inverter simultaneously because of significant circulating currents flowing through the thyristor and diode bridges. To reduce the values of the flowing circulation currents, installation of a current-limiting reactor between the inverter bridges is proposed. The article presents the results of the calculation of circulating currents in the form of curves of changes in their maximum values without a current-limiting reactor, the installation of reactors with different inductances at different DIC lead advance angles being taken into account.
References
1. Barkovskii B.S., Volodin V.V., Grachev V.A. Rezul'taty eksperimental'nogo issledovaniya dvenadtsatipul'sovykh vypryamitelei [The results of an experimental study of twelve-pulse rectifiers]. In: Povyshenie kachestva elektricheskoi energii na tyagovykh podstantsiyakh: Sbornik nauchnykh trudov [Improving the quality of electrical energy in traction substations: Collected papers]. Omsk, 1983, pp. 97-100.
2. Neugodnikov I.P. Toki tsirkulyatsii v dvenadtsatifaznykh skhemakh [Circulation currents in twelve-phase circuits]. Vestnik VNIIZhTa, 1987, no. 8, pp. 21-25.
3. Sokolov S.D., Bei Yu.M., Gural'nik Ya.D., Chausov O.G. Poluprovodnikovye preobra-zovatel'nye agregaty tyagovykh podstantsii [Semiconductor converter units of traction substations]. Moscow, Transport Publ., 1979, 264 ^
4. Sokolov S.D., Rudenskii V.V. Tsirkulyatsionnyi tok v skheme nepereklyuchayemogo vypryamitel'no-inventornogo agregata [Circulating current in the circuit of a non-switchable rectifier-inverter unit]. Povyshenie effektivnosti poluprovodnikovykh preobrazovatel'nych agregatov: sb. nauch. Tr. [Improving the efficiency of semiconductor converter units: Collected papers]. Moscow, Transport Publ., 1976, pp. 79-85.
5. Khusainov E.K. Opyt ekspluatatsii vypryamitel'no-invertornogo preobrazovatelya tyagovoi podstantsii na dvukhputnom uchastke [Operating experience of a rectifier-inverter converter traction substation on a double track] // Innovatsionnye proekty i tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte: Materialy nauchnoi konferentsii [Proc. of Rus. Conf. «Innovative projects and technologies in education, industry and transport»]. Omsk, 2018, pp. 349-356.
PHILIPPOV VICTOR - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Power Supply of Railway Transport, Omsk State Transport University, Russia, Omsk (fvm-omgups@mail.ru).
PODGORNAIA SVETLANA - Senior Lecturer, Department of Informatics, Applied Mathematics and Mechanics, Omsk State Transport University, Russia, Omsk (ps.light@mail.ru).
Формат цитирования: Филиппов В.М., Подгорная С. О. К вопросу о повышении энергетической эффективности выпрямительно-инверторных преобразователей // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 3. - С. 219-224.
