ZALEŻNOŚĆ JAKOŚCI ENERGII SIECI TRAKCYJNEJ OD ZASTOSOWANYCH UKŁADÓW TRANSFORMATORÓW PROSTOWNIKOWYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr / Andrzej ikora, Barbara Kulesz Politechnika Śląska, Gliwice ZALEŻNOŚĆ JAKOŚCI ENEG IECI TAKCYJNEJ OD ZATOOWANYCH KŁADÓW TANFOMATOÓW POTOWNIKOWYCH DEPENDENCE OF TACTION VOLTAGE QALITY ON TANFOME-ECTIFIE YTEM Abstract: Tram lines in Poland are supplied from the power grid via transformer-rectifier sets, with primary three-phase transformer windings wye- or delta-connected, and secondary side windings connected in accordance with desired number of phases.. The number of pulses in rectified dc voltage depends on transformer used. upply voltage may be either purely sinusoidal and symmetrical, or it may be distorted, or asymmetrical, or both. The paper presents several different transformer types, which are used or may be used in energy transformation and shows the results of investigating dc traction voltage quality and power grid current quality depending on transformer-rectifier set used and quality of supply voltage. The transformer types analysed are 9- phase, x-phase, -phase and, for comparison purposes, -phase. The resulting dc waveforms are shown together with results of calculations covering THD vector value for different supply conditions. esults of laboratory tests are presented as well. Interesting effect of -pulse system changing into -pulse system is marked.. Wstęp W trakcyjnych sieciach tramwajowych w Polsce stosuje się napięcie prądu stałego o wartości średniej V i pewnej zawartości składowej zmiennej wynikającej ze sposobu przetwarzania energii. Napięcie stałe otrzymuje się poprzez transformację napięcia sieci elektroenergetycznej (zwykle 5 lub kv, 5Hz) na napięcie ok.55 V i następnie jego wyprostowanie przez mostkowe układy prostownicze. tosuje się najczęściej układy, w których napięcie wyprostowane jest - lub -pulsowe, rzadziej - pulsowe. Możliwe do zastosowania są układy o większej liczbie pulsów (napięcia wyprostowanego) np. - lub -pulsowe. Zwiększenie liczby pulsów powinno teoretycznie skutkować poprawą jakości napięcia sieci prądu stałego, określaną poprzez zawartość wyższych harmonicznych. Powstaje pytanie, w jakim stopniu zwiększenie liczby pulsów wpływa na kształt napięcia wyprostowanego i czy jest to efekt stały czy też zależny od czynników takich jak np. jakość napięcia sieci elektroenergetycznej.. Jakość napięcia sieci trakcyjnej prądu stałego Jakość napięcia sieci trakcyjnej można oszacować np. na podstawie zawartości wyższych harmonicznych. Zgodnie z ozporządzeniem Ministra Gospodarki [] jakość energii elektrycznej dostarcza- nej poprzez -fazową sieć elektroenergetyczną o napięciu nie wyższym od kv i wyższym od kv powinna się charakteryzować: - składową symetryczną przeciwną napięcia mniejszą lub równą - współczynnikiem THD mniejszym od - harmoniczną o największej amplitudzie mniejszą od - zmiennością napięcia w przedziale ± napięcia znamionowego. Wszystkie badania, zarówno symulacyjne, jak laboratoryjne, prowadzone były dla następujących warunków zasilania: napięcie symetryczne sinusoidalne (a) napięcie asymetryczne sinusoidalne ( = ) (a) napięcie symetryczne odkształcone (THD = 7,) (b) napięcie asymetryczne odkształcone ( = i THD = 7,) (b). Porównywano ze sobą pracę układów - i - pulsowych, zaś układem bazowym był układ -pulsowy o układzie połączeń transformatora Yyd.. kłady połączeń transformatorów.. kład -pulsowy Zastosowano transformator prostownikowy o układzie połączeń Dd 9, gdzie napięcia uzwojeń

2 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr / wtórnych tworzą dziewięciokąt foremny []. kład ten pokazano na rys.. u T u u T u a u b u c a c p I T p I I T p I p I T p I p I I p p p I p T p I I ri t t r ri r si si s s ys.. kład -pulsowy dwa identyczne sześciofazowe transformatory i wykres wskazowy napięć stron wtórnych r ti t ti s T u u u T u a u b u c 9 r s s t t r ys.. kład połączeń transformatora dziewięciofazowego Dd 9 i wykres wskazowy napięć strony wtórnej.. kłady -pulsowe W rozważaniach uwzględniono dwa układy: standardowy zbudowany z dwóch identycznych transformatorów Y Z yd (w takim transformatorze dwa uzwojenia wtórne są połączone odpowiednio w gwiazdę i trójkąt, zaś uzwojenie pierwotne jest dzielone i łączone w zygzak) i układ Yd y, budowany na jednym rdzeniu, ale w którym po stronie wtórnej fragmenty uzwojeń są wykorzystywane przez dwie sąsiednie fazy []. Te układy pokazano na rys. i. T u pi u pi u TpI u pi u pi u TpI u ri u si u ti u ri u si u ti T u p u p u Tp u p u p u Tp u r u s u t u r u s u t u rg u sg u tg u rd u sd u td u r u s u t r t s r u r u s u t u r u s u t t s r r r r r r t s t t t ys.. Transformator -fazowy z fragmentami uzwojeń wtórnych łączonymi galwanicznie i układ napięć wtórnych [] Prostowniki do tych transformatorów są dołączane szeregowo lub równolegle.. Wyniki badań symulacyjnych tworzono modele matematyczne dla wszystkich układów i przeprowadzono symulacje komputerowe ich pracy dla warunków zdefiniowanych powyżej. Wynikami tych symulacji są m.in. przebiegi napięcia wyprostowanego i prądu pobieranego z sieci elektroenergetycznej. Na rys. i 5 pokazano porównanie przebiegów czasowych napięcia wyprostowanego dla różnych układów transformatorów prostownikowych i różnych warunków zasilania. t t t s s r s s s s

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr / 5 u/ u/,,,,,5,,5,,, YMETYCZNE Dd9 YMETYCZNE Yyd,,,5,,5, YMETYCZNE Ydy YMETYCZNE (Yzyd) YMETYCZNE Yyd ys.. Porównanie kształtu napięcia wyprostowanego dla układu -pulsowego i -pulsowego (a) oraz -pulsowego i dwóch -pulsowych (b) przy zasilaniu symetrycznym sinusoidalnym u/ u/,,, 5 5,, czas [ms] symetryczne asymetryczne, 5 5 czas [ms] symetryczne asymetryczne ys. 5. Wrażliwość różnych układów na zmiany w napięciu zasilania transformator -pulsowy Yyd (a) i -pulsowy (Y Z yd) (b); napięcie symetryczne sinusoidalne i napięcie asymetryczne odkształcone ( = i THD = 7,) Obliczono zawartość harmonicznych w napięciu wyprostowanym (THD ) i prądzie zasilania transformatorów (THD I ) dla różnych układów połączeń. Tabela. Wartości współczynnika THD (w) napięcia stałego w zależności od układu prostującego i parametrów zasilania wyniki symulacji (układy równoległe) Zasilanie (oznaczenia jak w THD w a a bb a a b b a a bb aa bb Yyd Dd9 (YZyd) Ydy Transformator/zasilanie ys. 5. Wpływ napięcia zasilania na jakość napięcia wyprostowanego THDI w aa bb aab b aa bb aab b Yyd Dd9 (YZyd) Ydy Transformator/zasilanie ys.. Wpływ napięcia zasilania na jakość prądu pobieranego z sieci Tabela.Współczynnik odkształcenia THD I prądu zasilania w zależności od układu prostującego i parametrów zasilania wyniki symulacji (układy równoległe) Zasilanie (oznaczenia jak w pkt.) Typ transformatora i liczba pulsów napięcia wyprostowanego pkt.) Yyd Dd 9 (Y Z yd) Yd y a,9,,5,7 a,9,5,,5 b 5, 5,7 5, 5,7 b 5,5,7 5,9 5,79 Typ transformatora i liczba pulsów napięcia wyprostowanego Yyd Dd 9 (Y Z yd) Yd y a,7,,7 7,5 a,,,, b,,,,9 b,9,,,5

4 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr / 5. Wyniki badań laboratoryjnych Weryfikację obliczeń numerycznych przeprowadzono na drodze pomiarowej, obiektami mierzonymi były transformatory o mocy kva. Przykładowe przebiegi napięć wyprostowanych dla układów -pulsowych przy zasilaniu symetrycznym i asymetrycznym pokazano na rys. 7 i. W obu przypadkach napięcie zasilania było odkształcone i współczynnik THD =,5. W warunkach laboratoryjnych nie było niestety możliwości dokładnego odtworzenia warunków takich jak były symulowane (Yzyd) Ydy υ (Yzyd) Ydy f/5 [Hz] ys. 7. Przebiegi czasowe napięcia wyprostowanego (a) i jego rozkład harmonicznych (b), zarejestrowane na transformatorach modelowych -pulsowych w układzie (Y Z yd) i Yd y przy zasilaniu symetrycznym, THD =, (Yzyd) Ydy υ (Yzyd) Ydy f/5 [Hz] ys.. Przebiegi czasowe napięcia wyprostowanego (a) i jego rozkład harmonicznych (b), zarejestrowane na transformatorach modelowych -pulsowych w układzie (Y Z yd) i Yd y przy zasilaniu asymetrycznym, THD =,5 i = Tabela. Współczynnik odkształcenia THD napięcia stałego w zależności od układu prostującego i parametrów zasilania wyniki pomiarów Prostownik o liczbie pulsów Zasilanie Yyd Dd 9 (Y Z yd) Yd y THD =,5,,,,9 =, THD =,5,7,9,7,9 Tabela. Współczynnik odkształcenia THD I prądu pobieranego z sieci elektroenergetycznej w zależności od układu prostującego i parametrów zasilania wyniki pomiarów Prostownik o liczbie pulsów Zasilanie Yyd Dd 9 Y Z yd Yd y THD =,5,9 5,,9, =, THD =,5. Wnioski 7,9 5,, 7,5 W idealnych warunkach zasilania (napięcie sieci elektroenergetycznej trójfazowe i sinusoidalne) w napięciu wyprostowanym obserwuje się oczywistą prawidłowość, że wzrost liczby pulsów owocuje zmaleniem tętnień napięcia i tym samym zawartości wyższych harmonicznych ocenianych poprzez współczynnik THD. óżnice te jednak ulegają znaczącym zmianom, gdy pogarszają się warunki zasilania. O ile różnica zawartości harmonicznych między - a -pulsowym dla napięcia zasilania symetrycznego i sinusoidalnego jest prawie pięciokrotna między układem -pulsowym, a klasycznym -pulsowym, o tyle spada ona do przy napięciu asymetrycznym i odkształ-

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr / 7 conym (tab., rys.5). Najmniejszy wpływ napięcia zasilania obserwuje się w wypadku transformatora Yd y współczynnik THD wzrasta o 5 przy napięciu odkształconym, niezależnie od tego, czy jest ono symetryczne czy nie. Dodatkowym efektem jest również zmalenie liczby pulsów napięcia wyprostowanego, co szczególnie znaczące jest w wypadku klasycznego układu (Y Z yd), gdzie przy dopuszczalnej przez odnośne przepisy asymetrii i odkształceniu napięcia zasilania zamiast pulsów obserwuje się, co przekłada się na wzrost o ponad 5 współczynnika THD przy dopuszczalnym pogorszeniu napięcia zasilania. Oddziaływania na sieć elektroenergetyczną najmniejsze mają układy -pulsowy Dd 9 i - pulsowy Yd y, układ -pulsowy (Y Z yd) przy zasilaniu napięciem odkształconym i niesymetrycznym wykazuje wzrost współczynnika THD w prądzie sieciowym o ponad, zaś klasyczny układ -pulsowy Yyd jest znacznie mniej wrażliwy (Wzrost o ok. 5). Efekt zmiany liczby pulsów przy odkształconym napięciu zasilania potwierdziły badania laboratoryjne układów, powtarzają one też w pewnym przybliżeniu zależności obserwowane przy badaniach symulacyjnych. kłady prostownikowe okazują się niezwykle wrażliwe na jakość napięcia zasilania i stąd też przy projektowaniu nowych lub modernizacji starszych podstacji należy dobrze skalkulować, czy opłaca się instalowanie układów o większej liczbie pulsów niż. 7. Literatura [].ozporządzenie Ministra Gospodarki i Pra-cy z dn. grudnia r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci (Dz.. z 5r., Nr, poz.). [].kład prostownikowy -pulsowy. Patent P, MKP HM7/ 7. Opublikowany w Biuletynie rzędu Patentowego,.7.99r.., nr 5/99. Twórcy i uprawnienie: Kurczewski Wiesław, Kurczewski Adam. [].kład prostownikowy -pulsowy. Patent P, MKP HM7/. Opublikowany w Biuletynie rzędu Patentowego,..r., nr /. Twórca: obota Janusz, własność: ALTOM T&D półka z o.o., Zakład Transformatorów w Mikołowie.