TRANSFORMATORY PROSTOWNIKOWE PODSTACJI ..., Egzaminy z Maszyny elektryczne

Pobierz TRANSFORMATORY PROSTOWNIKOWE PODSTACJI ... i więcej Egzaminy w PDF z Maszyny elektryczne tylko na Docsity! Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 82/2009 181 Andrzej Sikora, Barbara Kulesz Politechnika Śląska, Gliwice TRANSFORMATORY PROSTOWNIKOWE PODSTACJI TRAKCYJNEJ – POSZUKIWANIE NAJKORZYSTNIEJSZEGO ROZWIĄZANIA TRAM TRACTION SUBSTATION RECTIFIER TRANSFORMERS – LOOKING FOR THE OPTIMUM DESIGN Abstract: Polish trams are supplied with dc 600 V voltage. Tram network is supplied from traction substation, where transformation of power grid 3-phase, 15- or 20 kV ac voltage takes place. The transformation is achieved with transformer-rectifier sets. Rectified voltage is characterised by voltage ripple, due to transfor- mation method. Number of pulses of ac component in rectifier voltage depends on rectifier-transformer set used and it may vary from 6 to 24. Older Polish substations operate with 6-pulse systems, the others with 12- pulse systems, sometimes 24-pulse systems are used. When substation electrical equipment is modernised, 6- pulse systems are exchanged for more modern systems. Increasing number of pulses in the rectified voltage should result in bettering of dc voltage quality. However, transformer design is usually more complex and, in addition, number of rectifier diodes and amount of wiring goes up. Increased number of transformer windings means an increase in transformer weight, including windings, core, insulation and chassis weight. At the same time, while the design power of the transformer is kept unchanged, the power losses will go up. This paper presents methodology of weight and power losses calculation for several different rectifier transformer types together with calculation results. The authors have tried to show how to select the most advantageous design of rectifier transformer, keeping in view enhancement of dc voltage quality as well as transformer investment costs due to increase in material (copper and iron) consumption. 1. Napięcie sieci trakcyjnej prądu stałego RozwaŜania przeprowadzono dla róŜnych ukła- dów transformatorów prostownikowych, przy czym w kaŜdym przypadku mostki prostowni- kowe łączone były równolegle. Układy te były następujące: – 6-pulsowy, z trójfazowym transformatorem o układzie połączeń Yd, – 12-pulsowy, z sześciofazowym transforma- torem o układzie połączeń Yyd – 18-pulsowy, z dziewięciofazowym transformatorem o układzie połączeń Dd9 – 24-pulsowy, z dwunastofazowym transfor- matorem o nietypowym układzie połączeń Yd6y6. Pierwszy etap analizy obejmował pracę powyŜ- szych układów przy róŜnych wariantach napię- cia zasilania - napięcie sinusoidalne, odkształ- cone i asymetryczne. Maksymalna zawartość harmonicznych w napięciu zasilania dla rozwa- Ŝanego typu sieci nie powinna przekraczać 8%, zaś niesymetria 2% [4]. Obliczenia były prze- prowadzone na drodze symulacji komputero- wej, dla transformatorów o mocy 10 kV·A. Ba- dania prowadzone były dla następujących wa- runków zasilania: – napięcie symetryczne sinusoidalne (a1) – napięcie asymetryczne sinusoidalne (U II % = 2%) (a2) – napięcie symetryczne odkształcone (THDU = 7,8%) (b1) – napięcie asymetryczne odkształcone (U II % = 2% i THDU = 7,8%) (b2). Metodyka obliczeń oraz cząstkowe wyniki ba- dań symulacyjnych i eksperymentalnych były podane w [5]. Skrótowe zestawienie wyników podano w tabeli 1. Tabela 1. Zawartość harmonicznych (współ- czynnik THD) dla napięcia wyprostowanego Transformator – połączenia, liczba pulsów napięcia wypro- stowanego Napięcie zasilania 6 12 18 24 Yd Yyd Dd9 Yd6y6 a1 5,50 1,89 1,84 2,67 a2 5,70 2,39 2,35 3,05 b1 8,55 5,24 5,74 5,71 b2 8,72 5,35 5,87 5,79 2. Analiza strat mocy i masy transforma- torów Koszty inwestycyjne róŜnych transformatorów moŜna oszacować porównując wymiary trans- Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 82/2009 182 formatorów, czyli zasadniczo objętość i masę materiałów czynnych uzwojeń i rdzenia. Roz- waŜono róŜne układy transformatorów zakła- dając, Ŝe w kaŜdym przypadku układ zasilania jest ten sam, zaś moc po stronie prądu stałego jest równieŜ identyczna. Przy takich załoŜe- niach róŜnice między transformatorami wy- nikną z ich mocy obliczeniowej, która z kolei jest pochodną układu przetwarzania napięcia. Przyjęto, Ŝe – moc po stronie prądu stałego P0 = U0I0, – napięcie zasilania UpN jest trójfazowe, symetryczne i nieodkształcone, – pominięto czasy komutacji diod mostków prostownikowych – przyjęto jednakowe wysokości kolumn i ich przekroje dla wszystkich transformatorów, podobnie przyjęto, Ŝe przekroje jarzma i kolumny są identyczne. Znamionowa moc obliczeniowa transformatora: p s p p s s3 2 2 N N N N f N S S U I mU I S + + = = (1) Indeksy „p” odnoszą się do strony pierwotnej, „s” do wtórnej, m – to liczba faz po stronie wtórnej transformatora, „f” to wielkości fa- zowe. Między napięciem wtórnym transformatora a napięciem wyprostowanym zachodzi związek: 0 s 1 π π2 2 2 sin 2 m U U U m = =       (2) Prąd strony pierwotnej transformatora p s 1 I I ϑ = (3) przy czym przekładnia napięciowa ϑ określona jest jako p p s 0 2π 2 2 sin π U mU m U U ϑ = = . (4) Moc obliczeniowa strony wtórnej i pierwotnej 0 s p p p π , 3 π 2 sin 2 N N P S S U I m m = =       . (5) Moc obliczeniową moŜna powiązać z rozmia- rami i masą materiałów czynnych wychodząc ze związków: p s p p s s p p Fe s s Fe p Cu Cup s Cu Cus 3 3 4,44 , 4,44 , N N f f f f S S U I U I U z fS B U z fS B I j S I j S + = + ≈ ≈ = = (6) przy czym: zp; zs– liczba zwojów uzwojeń pierwotnego i wtórnego B – indukcja w rdzeniu, SFe – przekrój kolumny, Scu – przekrój uzwojeń, jcu – gęstość prądu. ZałoŜono, Ŝe indukcja B w rdzeniu jest iden- tyczna dla wszystkich transformatorów i narzu- cona krzywą magnesowania rdzenia, zaś gę- stość prądu jcu wynika z warunków termicznych pracy uzwojeń i równieŜ jest taka sama w przy- padku wszystkich transformatorów. Straty mocy w transformatorze są proporcjo- nalne do masy rdzenia i uzwojeń wg zaleŜno- ści: tr Fe Cu Fe Fe Cu Cu∆ ∆ ∆P P P p m p m= + = + ,(7) przy czym CuFe ∆,∆ PP - straty w Ŝelazie i uzwojeniach Fe Cu,p p - stratności [W/kg], CuFe , mm - masy rdzenia i uzwojeń. Wymiary okna transformatora są narzucone przez przekroje rdzenia i uzwojeń: p Cup s Cus2( )z S z S kbh+ = , (8) gdzie: k – współczynnik zapełnienia okna, zaś b,h – odpowiednio szerokość i wysokość okna. Zmiana masy rdzenia skutkuje powiększeniem rozmiarów okna (p. rys.1):       ++ ±= bbh mm k 4)2(3 ∆b4 1' FeFe (9) jb h kb b b± ∆ k h + 2 b d Rys. 1. Wymiary okna transformatora Całkowita masa uzwojeń zaleŜy od ich prze- kroju, który z kolei jest uwarunkowany mocą obliczeniową zgodnie z zaleŜnością: