WPŁYW PROCESÓW KOMUTACYJNYCH NA PRACĘ TRANSFORMATORA PROSTOWNIKOWEGO O NIETYPOWYM UKŁADZIE POŁĄCZEŃ

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 86/ 47 Anrzej Sora, Barbara Klesz Poltechna Śląsa, Glwce WPŁYW PROCESÓW KOMUTACYJNYCH NA PRACĘ TRANSFORMATORA PROSTOWNIKOWEGO O NIETYPOWYM UKŁADZIE POŁĄCZEŃ COMMUTATION PROCESSES IN NON-STANDARD RECTIFIER TRANSFORMER Abstract: To obtan rectfe voltage neee for.c. tracton networs, fferent types of energy transformaton crcts may be se. Ths paper eals wth 6- an 4-plse transformer-rectfe set operaton ner fferent spply contons. Commtaton sses have been nvestgate for Y transformer spple wth snsoal an storte voltage. It has been shown that spply voltage THD factor affectng rectfe voltage qalty s not sffcent to examne voltage transformaton extensvely; phase angles of the harmoncs have been researche as well an ther mpact on commtaton processes presente. For 4-plse system t has been shown that transformer wnngs connecton scheme gvng the esre phase shfts between seconary se voltages s not sffcent to acheve 4 plses n rectfe voltage. De to commtaton, ths system proces 6 plse otpt voltage only. In orer to moernse tracton sbstaton, smple swtchover from 3-phase to - phase transformer wth presente wnngs connecton s not, therefore, possble.. Wstęp Pojazy tracyjne w Polsce zaslane są z sec tracyjnej prą stałego. Do zysana tego napęca stosje sę zespoły prostownowe nstalowane na postacjach tracyjnych, słaające sę z transformatorów o róŝnych łaach połączeń ( m 3) łaów prostownowych złoŝonych z mostów oowych nesterowanych. Dzę welofazowośc tych transformatorów moŝna zysać łay prostowncze o powęszonej lczbe plsów napęca wyprostowanego przypaającej na jeen ores napęca zaslającego. Ułaem najprostszym, wcąŝ jeszcze znajjącym zastosowane, jest ła prostownowy 6-plsowy, oparty o trójfazowy transformator z łaem połączeń Y (rys.). Węszą lczbę faz moŝna zysać przez zastosowane róŝnych warantów połączeń, warnem jena la otrzymana napęca 4- plsowego jest otrzymane napęć wtórnych transformatora przesnętych męzy fazam olejnym o 5, 5, 5, 75, t. Lczba plsów w napęc wyprostowanym zaleŝy o zastosowanego ła przeształtnowego. Na wartość zarówno chwlową, ja śreną napęca wyprostowanego ma wpływ wele nnych czynnów poza bową lczbą o mosta prostownowego, m.n. symetra bowy transformatora, symetra napęć zaslających ła oraz ch oształcene o snsoy, praca w lnowym zarese charaterysty magnesowana transformatora ja równeŝ charater jaość procesów omtacyjnych w łaze transformator-prostown. W nnejszym artyle soncentrjemy sę na poazan, ja omtacja prąów ozałje na jaość napęca wyprostowanego seć zaslającą na przyłaze transformatora 4- plsowego o netypowym łaze połączeń zwojeń. A B C trns z p z A B C fa A B C a b c fb fc a Rys.. Transformator prostownowy 3-fazowy, 6-plsowy ła Y. Procesy omtacyjne w prostownach nesterowanych Komtację w łaze prostownowym efnje sę jao całość procesów przejmowana prą płynącego przez any zawór przez zawór b c L E L R

2 48 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 86/ olejnej gałęz przeształtna. Jeśl proces obejmje wa zawory, to mówmy o omtacj prostej, jeśl węcej, to o złoŝonej. Proces wygaszana prą w jenej gałęz prostowna narastana w rgej ne moŝe przebegać soowo (w czase t=), ze wzglę na wymóg cągłośc prą. W trace proces omtacj obserwje sę ozaływane wóch napęć: perwotnego jest to napęce fazowe opowenego zwojena transformatora (napęce zaslana) napęca samoncj obwo anoowego (wynające z stnena ncyjnośc obwo omtacyjnego), tóre powoje oczywśce zmnejszene całowtego napęca w anej gałęz mosta. Dla złoŝonych łaów transformacyjnych poza obnŝenem śrenej wartośc napęca wyprostowanego, moŝe równeŝ przy specyfcznych warnach zaslana wystąpć nepoŝąane z pnt wzena oborcy oształcene napęca wyprostowanego. 3. Komtacja prosta - pojęca Rys. przestawa obwó zastępczy la omtacj prostej prostowna oowego. Oborn jest zamoelowany przy pomocy elementów R -L -E załaa sę, Ŝe ncyjność L jest na tyle Ŝa, Ŝe wartość prą chwlowego oborna jest równa wartośc śrenej tego prą. L to ncyjność zastępcza obwo anoowego. Załaa sę, Ŝe oy są ealne. L D L D E Rys.. Zastępczy schemat obwo omtacyjnego Po przeprowazen analzy tego obwo [3] spae napęca wyjścowego spowoowany nezerowym czasem omtacj wynos = L () t zaś ogólnając powyŝsze zaleŝnośc na ła weloplsowy o lczbe plsów q, śren spae napęca wyprostowanego spowoowany omtacją wynese po przeształcenach: L R q µ U = L π ϑ = t t t () q µ q q L ϑ ωl X α π = t π = α π gze prą omtjącej gałęz mosta, α jest wartoścą chwlową prą w gałęz ończącej przewozene p. rys.3. (/)(+ ) α ω µ Rys. 3. Napęca prąy w obwoze omtacyjnym t Spae (strata) napęca wyprostowanego U zaleŝy węc wprost o lczby plsów q, o reatancj obwo omtacyjnego o prą wyprostowanego (wartość chwlowa w chwl rozpoczęca omtacj). Załaając, Ŝe = I q π ωl I U = Um sn (3) π q π U m sn q a ąt omtacj µ (p. rys.3) jest równy ωl I µ = arccos (4). π U m sn q Wartość ncyjnośc obwo omtacyjnego L bęze zaleŝna o ncyjnośc L p L s obwo perwotnego wtórnego, o ła połączeń transformatora. Wartość śreną prą wyprostowanego zysje sę przez zsmowane wartośc śrench prąów w przezale omtacj poza ną. 4. Komtacja w łaze mostowym sześcoplsowym W zaleŝnośc m.n. o wartośc prą obcą- Ŝena, moŝe w tym łaze (rys.4) wystąpć omtacja prosta lb złoŝona. Przebeg napęć, przełączana poszczególnych zaworów przebeg prą pojeynczego za- ωt ωt

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 86/ 49 wor lstrje la omtacj prostej rys.5. D + D3 D6 - D5 L s L p D4 D Rys. 4. Uła mostowy sześcoplsowy Doe No. π/3 a λ 3 b Rys.5.Przebeg napęć fazowych, napęca wyprostowanego (czerwona lna) przełączana poszczególnych zaworów prą pojeynczej oy Kąt omtacj µ π / 3 (na rys.5 poazano przypae π/3), ąt przewozena zawor λ = π. Załaając stałość wartośc śrenej prą oborna (L = ), zachoz U = ( + cos µ ) (5) U gze U jest napęcem wyprostowanym w stane jałowym. W czase omtacj wa zwojena transformatora są zwarte przez omtjące oy, prą omtacj la ła moŝna węc wyrazć jao U 3 Im = I = (6) X zaś charaterystyę prąowo-napęcową przeształtna jao U X I = (7) U U 6 gze U jest wartoścą steczną napęca zaslana. Dla ąta omtacj mnejszego o π/3 zachozą zwąz 4 c 5 L s 6 ϑ ϑ ϑ I U,5 I m U,75 (8) ąt przewozena π λ = + µ. 3 (9) 5. Baana symlacyjne Pracę ła transformator trójfazowy o łaze połączeń Y prostown nesterowany mostowy sześcooowy zamoelowano ompterowo la transformatora o mocy VA []. Przy oształcen napęca zaslana pownny pojawć sę chwlowe zwęszena zmnejszena (w stosn o przebegów snsoalnych) napęć anoowych, co pownno zmenć czasy omtacj. Cyl baań symlacyjnych obejmował następjące warn zaslana: zaslane symetryczne napęcem snsoalnym (warn onesena) zaslane asymetryczne napęcem snsoalnym zaslane symetryczne napęcem oształconym, z zawartoścą harmoncznej, przy czym THD napęca zaslana wynósł 7,8%. RozwaŜono stan jałowy pracy transformatora obcąŝene znamonowe. Wyn la obcąŝena znamonowego zaslana napęcem snsoalnym symetrycznym poazano na rys.6 7. Komtacja o opowaa omtacj prostej, µ = π/9 < π/3, zaś λ = π. Jenocześne przewozą we oy, zaś w przezale omtacj przewoz jena, zaś we omtją., /U,8,6,4, C: 6 C: C: 3 5 F- oe conctng C - oe commtatng tme [s],,5,3,35,4 Rys. 6. Napęce wyprostowane w łaze Y przebeg Asymetra zaslana ne wywera Ŝanego wpływ na przebeg napęca wyprostowanego prąów zaslana.

4 5 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 86/,,8 /I a) /U RMS,6,4, ,,5,3,35 tme [s],4 -, Rys. 7. Przebeg prąów poszczególnych o w prostown. Kąt przewozena pojeynczej oy π, ąt omtacj π/9 Kolejną serę symlacj pracy ła przeprowazono la napęć zaslających oształconych, ale z postawową harmonczną symetryczną. Wprowazono harmonczne 5 7 ta, aby całowty współczynn THD ne przeroczył 8% (wynos on 7,8%), ale wzglęnono róŝne przesnęca ob tych harmoncznych wzglęem harmoncznej postawowej. Współczynn THD efnowany jest 4 jao THD = Uν U. RozwaŜono ν = cztery przypa: a) ąt przesnęca harmoncznej 5. wzglęem ϕ 5 =, ąt przesnęca harmoncznej 7 wzglęem ϕ 7 =, b) ϕ 5 =, ϕ 7 =8, c) ϕ 5 =8, ϕ 7 =, ) ϕ 5 =8, ϕ 7 =8. Wyn w postac netórych przebegów napęć zaslających poazano na rys.8. Komtacja w aŝym przypa jest omtacją prostą. Kąty omtacj wahają sę o,78π o,8π. Całowty ąt przewozena aŝej oy stale wynos π. Kąty omtacj zaleŝą, ja oczewano, główne o ształt napęca zaslana, przy czym najłŝszy ąt występje przy ształce zblŝonym o schoowego (ϕ 5 =ϕ 7 =8 ) (w strefe omtacj o szybość zmany napęca jest najmnejsza), zaś najrótszy przy napęcach najbarzej przypomnających snsoę (ϕ 5 =ϕ 7 = ). Przy pątej sómej harmoncznej przesnętych w stosn o perwszej (ϕ 5 =, ϕ 7 =8 - ształt napęca przypomnający trójąt lb ϕ 5 = 8, ϕ 7 = - ształt napęca przypomnający trapez) ąty omtacj wynoszą π/9 występje stosnowo Ŝe tętnene prą wyprostowanego. b),,5,3,35, /U RMS tme [s],,5,3,35,4 tme [s] Rys. 8. Wybrane przebeg napęć zaslających transformator, THD=7.8% ( 5% =6%, 7% =5%); a) ϕ 5 =, ϕ 7 =8, b) ϕ 5 =8, ϕ 7 =,,8,6,4, /I sne storte "8-8" storte "-8" storte "8-" storte "-",,5,3 tme [s] -, Rys. 9. Prą pojeynczej oy przy róŝnych łaach napęć zaslających (jasnonebesa lna przebeg snsoalne),4,,8,6,4, /U sn "8-8" "8-" "-8" "-" tme [s],,5,3 Rys.. Napęce wyprostowane przy róŝnych łaach napęć zaslających (jasnonebesa lna przebeg snsoalne)

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 86/ 5 Współczynn THD napęca wyprostowanego wartośc wzglęne poszczególnych znaczących harmoncznych w onesen o harmoncznej postawowej zgrpowano w tabel. Najbarzej orzystny przypae z pnt wzena jaośc napęca wyprostowanego zachoz, gy 5. harmonczna jest w opozycj o postawowej (napęce schoowe lb trapezowe ). W pratyce przemysłowej spotyalśmy sę z napęcem zawerającym 5., 7. harmonczną, THD ne węszym nŝ,5%, ształt napęca przypomnał snsoę z neco spłaszczonym rejonam estremów. A B C A A B C a b b c c a ag bg cg a b b c c a b c a b c fa fb fc B C a z p z g z z Tabela. Współczynn THD w napęc wyprostowanym Zaslane Harmonczne napęca wyprostowanego w % wartośc śrenej ν = 6 ν = ν = 8 THD napęca wyprostowane-go w % Snsoalne 5,,5,5 5,74 THD=7,8%, przesnęce fazowe harmoncznej ϕ 5 ϕ 7 5,8,8 6, ,8,3 4,59 8,,4,,4 8 4,4,, 4,8 Wszyste powyŝej rozwaŝane łay mają poobny wpływ na seć zaslającą, współczynn THD prą poberanego z sec waha sę o o. % w przypa o napęc schoowym o o. 4,5% la napęca zblŝonego o trójątnego. 6. Komtacja w łaze 4-plsowym Uła 4-plsowy moŝe być zrealzowany np. poprzez równoległe połączene wóch transformatorów 6-fazowych [], o opoweno przesnętych ątach fazowych napęć zaslających (ła (Y Z y)). MoŜlwe jest teŝ zastosowane specjalnej onstrcj transformatora Y 6 y 6 [] (rys.), tóry współpracje z łaem prostownczym złoŝonym z 4 o. Transformator ta moŝe pracować z mostam prostownowym łączonym szere-gowo lb równolegle. Porównane napęca wyprostowanego la łaów 4- plsowych ła równoległego prostowna poazano na rys. 3. a3 c4 fa3 a3 c4 b3 a4 b3 fb3 a4 a3 b3 c3 c3 b4 fc3 a4 b4 c fa4 fb4 Rys.. Schemat transformatora 4-plsowego U a a a3 a U a3 a4 U c4 U b4 U c3 fc4 c3 U b3 b4 b U a4 b b3 c4 c3 c c U c Rys.. Uła napęć fazowych wtórnych la transformatora z rys. W stanarowym łaze ((Y Z y)) obserwjemy, ja moŝna było oczewać, 4 plsy napęca wyprostowanego na jeen ores napęca zaslającego. Dla transformatora Y 6 y 6 lczba postawowych plsów wynos jena 6, a ne 4! Opoweź na pytane, laczego ta sę zeje, ają przebeg prąów o prostowna sonfrontowane z napęcam fazowym poszczególnych napęcam fazowym zwojeń strony wtórnej (p. rys. ). Czasy omtacj poszczególnych o pratyczne ne legają zmane przy oształcen napęca zaslana lb jeŝel, to barzo neznaczne. Same czasy przewozena o b4 z 3 z 4 U b

6 5 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr 86/ są jena barzo róte czasy pracy poszczególnych zaworów słaają sę pratyczne tylo ze stref omtacj. Ze wzglę jena na to oształcene, załączene o obywa sę przy nnych wartoścach napęć anoowych. W rezltace zmane legają wartośc chwlowe prąów o tym samym omtacyjne spa napęć. Kształt napęca wyprostowanego ne lega jena znaczącej zmane, alej obserwje sę efet 6-plsowośc, pogłębony (wzrost THD napęca wyprostowanego o,7% o 9,49%), zaś prą poberany z sec, równeŝ neco barzej sę oształca (wzrost THD z 7,6% na 9,49%) U U (Yzy) Y6y6.85 czas [s] Rys. 3. Porównane ształt napęca wyprostowanego la łaów 4-plsowych,8,7,6,5,4,3,, /I tme [s],,,4,6,8 Rys. 4. Prąy poszczególnych o mosta la ła zaslanego napęcem snsoalnym 7. Wnos Transformator Y 6 y 6 powstał m.n. latego, by obnŝyć oszty procj transformatora (obnŝene masy zwojeń rzena) w porównan o nnych znanych rozwązań transformatorów prostownowych []. Drgm stotnym wzglęem była moŝlwość poprawy jaośc napęca wyprostowanego prą zaslana w sense zmnejszena opowench współczynnów THD. Obserwowane wpływ ształt napęca zaslana na pracę zespoł transformatorprostown przeprowazono la najprostszego ła Y poazało, Ŝe sam współczynn THD napęca zaslana, efnowany na postawe zaleŝnośc wąŝącej amplty poszczególnych harmoncznych, jest newystarczający. Przy entycznym współczynn entycznych wartoścach stecznych harmoncznej, ale róŝnych ątach fazowych tych napęć, zysje sę róŝne ształty napęć zaslana. Ma to wpływ na czasy omtacj o w poszczególnych gałęzach mosta prostownowego oraz co barzej stotne, wpływ na wartośc chwlowe omtowanych prąów, co z ole przełaa sę na ształt tym samym spetrm harmoncznych napęca wyjścowego. Rozrzt współczynna THD w napęc wyjścowym la czterech poazanych przypaów wynos o 4,59 o,4%, przy najwęszej (szóstej) harmoncznej zmenającej sę w grancach o 3,8 o,%. Transformator Y 6 y 6 ze wzglę na specyfę swojej bowy cyl omtacj oznacza sę równeŝ pracą 6-plsową, nemnej jena przy znaczne nŝszym współczynn THD napęca wyprostowanego nŝ lasyczny ła Y. W stosn o ła Y wyazano jena mnejszą wraŝlwość na oształcena napęca zaslana. Aby jena zysać projetowaną pracę 4-plsową, naleŝy zmenć ła połączeń prostowna prawopoobne oać ła ławów wygłazających. 8. References []. Sora A., Klesz B.: Mlt-phase rectfer transformers an ther mpact on tracton lnes voltage qalty. ICEM 8 Proceengs, Vlamora, Portgal. []. Sora A., Klesz B.: Effectveness of fferent esgns of - an 4-plse rectfer transformers. ICEM 8 Proceengs, Vlamora, Portgal. [3]. Tna H., Wnars B.: Postawy energoeletron (Bascs of Power electroncs n Polsh). WNT Warszawa 98r. [4]. Sora A., Klesz B.: ZaleŜność jaośc energ sec tracyjnej o zastosowanych łaów transformatorów prostownowych. Materały onferencj Problemy Esploatacj Maszyn Napęów Eletrycznych" BOBRME Komel, maj 8. [5]. Uła prostownowy 4-plsowy. Patent RP, MKP HM7/. Bletyn Urzę Patentowego, 3.6., nr /. Twórca: Sobota Jansz, własność: ALSTOM T&D Spóła z o.o., Zała Transformatorów w Mołowe.