ANDRZEJ SIKORA, BARBARA KLESZ WIELOFAZOWE TRANSFORMATORY PROSTOWNIKOWE PODSTACJI TRAKCYJNYCH MLTI-PHASE RECTIFIER TRANSFORMERS FOR TRACTION SBSTATIONS Streszczenie Abstract Istnieją różne rozwiązania transformatorów prostownikowych podstacji trakcyjnych, np. 6-fazowe (12-pulsowe) czy 12-fazowe (24-pulsowe), gdzie liczba pulsów odnosi się do kształtu napięcia wyprostowanego. Wpływ asymetrycznego napięcia zasilania na pracę takich układów jest tematem niniejszego artykułu. Asymetrię zdefiniowano tutaj jako zawartość procentową składowej symetrycznej przeciwnej w napięciu zasilającym. Skonstruowano modele symulacyjne układów 12- i 24-pulsowych oraz przeprowadzono badania symulacyjne, otrzymując przebiegi prądów i napięć transformatorów, a także napięcia i prądu trakcyjnego (obciążenie rezystancyjne). Przeprowadzono również analizę harmonicznych. Otrzymane wyniki wskazują, że wartość średnia napięcia wyprostowanego nie jest zależna od asymetrii napięcia zasilającego. Wartości i kształt prądów są jednak różne dla różnych faz transformatora, podobnie jak czasy przewodzenia diod w mostkach prostownikowych. Prowadzi to do obniżenia dopuszczalnej wartości prądu uzwojeń transformatora oraz dopuszczalnej mocy obciążenia transformatora. Słowa kluczowe: transformatory, prostowniki, podstacje trakcyjne, jakość napięcia Traction substations rectifier transformers may be designed in different ways. e.g. as 6-phase 12-pulse or 12-phase 24-pulse devices, where number of pulses relates to d.c. output voltage waveforms. The impact of asymmetrical supply voltage, and asymmetry here is defined as percentage of negative phase sequence component has been investigated in the paper. Simulation models of 12- and 24-pulse transformers have been constructed on the basis of standard transformer equivalent scheme. Appropriate simulations have been run, giving waveforms of currents and voltages for the d.c. output loaded with resistive load. The harmonic analysis has been accordingly done. The results show that the average value of rectified voltage is not influenced by asymmetrical supply. However, current values and waveforms differ greatly from phase to phase and conducting times for different diodes in bridge rectifier are also different. This in turn leads to lowering allowable current value in transformer windings and drop in transformer s capacity. Keywords: transformers, rectifiers, traction substations, voltage quality Dr inż. Andrzej Sikora, dr inż. Barbara Kulesz, Instytut Elektrotechniki Przemysłowej i Informatyki, Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska.
16 1. Rodzaje transformatorów prostownikowych W Polsce pojazdy trakcyjne zasilane są z sieci trakcyjnej prądu stałego. W celu otrzymania takiego napięcia stosuje się zespoły prostownikowe instalowane na podstacjach trakcyjnych. Składają się one z transformatorów i układów prostownikowych. Transformatory prostownikowe stosowane w trakcji elektrycznej zasilane są napięciem trójfazowym z sieci energetyki zawodowej. Liczba faz po stronie wtórnej transformatora m 2 3. Dzięki wielofazowości tych transformatorów można uzyskać układy prostownicze o zwiększonej liczbie pulsów napięcia wyprostowanego przypadającej na jeden okres napięcia zasilającego. Aby praca poszczególnych uzwojeń wtórnych transformatora prostownikowego była poprawna, muszą być zachowane (wg normy PN-EN 676-1:21): równość napięć (tolerancja ±,5%), równość przesunięć fazowych pomiędzy poszczególnymi grupami uzwojeń (tolerancja ±1 ), równość impedancji zwarciowej każdej grupy uzwojeń wtórnych liczona względem uzwojenia pierwotnego (tolerancja ±1%). Stawiane są także wymagania dotyczące napięcia sieci [14]: w ciągu każdego tygodnia 95% ze zbioru 1-minutowych średnich wartości skutecznych składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale od do 2% wartości składowej kolejności zgodnej (dla podmiotów przyłączonych bezpośrednio do sieci rozdzielczej o napięciu znamionowym wyższym niż 1 kv, lecz niższym niż 11 kv), odkształcenie napięcia charakteryzowane współczynnikiem THD nie powinno przekroczyć 8%, przy czym współczynnik ten definiowany jest jako = 2 h h 2 THD = 1 1% (1) gdzie: h wartość skuteczna h-tej harmonicznej napięcia, 1 wartość skuteczna harmonicznej podstawowej napięcia, h rząd harmonicznej. V W V W 1 2 V2 W1 V1 W2 1 V1 W1 2 V2 W2 Ryc. 1. Transformator prostownikowy 6-fazowy 12-pulsowy, złożony z dwóch zasilanych transformatorów dwuuzwojeniowych Fig. 1. 6-phase 12-pulse rectifier transformer consisting of two separate two-winding transformers
161 Zwiększanie liczby faz m 2 uzwojenia wtórnego można uzyskać na kilka sposobów. Najprostszym z nich jest układ trójkąt gwiazda, w którym liczba faz m 2 = 6 jest niesymetryczna, to znaczy, że kąty przesunięć fazowych wynoszą kolejno 3º, 9º, 3º itd. Wykorzystuje się tu naturalne przesunięcie napięć fazowych przy połączeniu uzwojeń w trójkąt i gwiazdę. Po wyprostowaniu otrzymuje się napięcie stałe 12-pulsowe. Większą liczbę faz można uzyskać przez łączenie dwóch transformatorów z rozdzielonymi uzwojeniami pierwotnymi, jak na ryc. 2. zwojenia wtórne tworzą układ trójkąt gwiazda. Łącząc ze sobą takie dwa transformatory, otrzymuje się układ 12-fazowy niesymetryczny, to znaczy, że przesunięcia fazowe między kolejnymi fazami wynoszą 15, 15, 15, 75 itd. Po wyprostowaniu uzyskuje się napięcie stałe 24-pulsowe. V W V W W V V 3 4 W W3 V3 W4 V4 3 V3 W3 4 V4 W4 1 2 W2 W1 1 V1 W1 1 V1 W1 V1 2 V2 W2 2 V2 W2 Ryc. 2. Transformator prostownikowy 12-fazowy 24-pulsowy Fig. 2. 12-phase 24-pulse rectifier transformer V2 Istnieją także inne warianty otrzymania układu m 2 = 12, np. można dzielić uzwojenia wtórne transformatora. Z transformatorami współpracują diodowe, niesterowane prostowniki o liczbie pulsów od 6 do 24. W artykule przeanalizowano wpływ asymetrii napięcia zasilania na zawartość harmonicznych w napięciu wyprostowanym 12- i 24-pulsowym.
162 2. Model transformatora prostownikowego Do przeprowadzenia symulacji komputerowych zastosowano klasyczny schemat zastępczy transformatora, przy czym, ze względu na wygodę obliczeń, parametry strony pierwotnej przeliczono na stronę wtórną. Wartości poszczególnych elementów schematu zastępczego zostały zaczerpnięte z przeprowadzonych badań modelowego transformatora o mocy 3,3 kv A [6]. Wynosiły one: R 1 =,25 Ω, L s1 =,3 mh, R Fe =,5 kω, L m =,5 H, L s2 =,3 mh, R 2 =,25 Ω. 3. Założenia modelu symulacyjnego Symulacje komputerowe wykonano, stosując program PSpice. Model zespołu prostownikowego utworzony w tym programie składa się ze źródeł napięcia symulujących i połączonych, tak jak uzwojenia po stronie wtórnej transformatora. Kolejnym elementem układu symulacyjnego jest schemat zastępczy transformatora przyłączony do każdej zasilanej fazy, przy czym napięcia fazowe 1 kolejnych faz są przesunięte w fazie jak dla układu gwiazda trójkąt 6-fazowego 12-pulsowego ryc. 1 lub jak na ryc. 2 (układ 12-fazowy 24-pulsowy). Rdzeń transformatora jest symetryczny, a jego charakterystyka magnesowania jest liniowa. Źródło zasilania 1 jest bezimpedancyjne. Transformator zasila układ prostownikowy, który po stronie napięcia stałego obciążony jest odbiornikiem czysto rezystancyjnym, modelującym sieć trakcyjną. 4. Badania symulacyjne układów transformatorów Badania symulacyjne układu transformatora 6-fazowego 12-pulsowego przeprowadzano przy szeregowym połączeniu dwóch mostków prostownikowych. kład zespołu prostownikowego 24-pulsowego jest połączeniem szeregowym czterech zespołów prostownikowych 6-pulsowych. kład został obciążony takim samym prądem jak układ 12-pulsowy. Wpływ niesymetrycznego zasilania zespołu prostownikowego przebadano, opierając się na rozkładzie źródeł zasilania na szeregowo połączone źródła napięcia składowych: zgodnej, przeciwnej i zerowej, zgodnie z metodą składowych symetrycznych. Zawartość składowej kolejności przeciwnej i zerowej w niesymetrycznym napięciu zasilania została zamodelowana jak na ryc. 3 i 4. kłady były obciążone odbiornikami rezystancyjnymi o wartościach R = 4 Ω (dla układu 12-pulsowego) i R = 9 Ω (dla układu 24-pulsowego).
163 V1 R4 V2 R34 L1 L2 R35.5u VAMPL = 265.139 VAMPL = 52.215 R25 L7 D2 D3 D4 V3 R5 V4 R36 L4 L3 R37.5u VAMPL = 265.139 VAMPL = 52.215 R26 L8 D5 D6 D7 V5 R6 V6 R38 L5 L6 R39.5u VAMPL = 265.139 VAMPL = 52.215 R27 L9 V1 R1 V13 R4 L1 L13 R43.5u VAMPL = 265.139 VAMPL = 52.215 R28 L16 D8 D1 D9 V11 R11 V14 R41 L11 L14 R44.5u VAMPL = 265.139 VAMPL = 52.215 R29 L17 D11 D12 D13 V12 R12 V15 R42 L12 L15 R45.5u VAMPL = 265.139 VAMPL = 52.215 R3 L18 R24 2 V16 V19 R49 L22 L25 R52 VAMPL = 3.14375 R46 L19 D16 D14 D15 V17 V2 R5 L23 L26 R53 VAMPL = 3.14375 R47 L2 D17 D18 D19 V18 V21 R51 L24 L27 R54 VAMPL = 3.14375 R48 L21 V22 V25 R55 L31 L34 R58 VAMPL = 3.14375 R31 L28 D25 D24 D23 V23 V26 R56 L32 L35 R59 VAMPL = 3.14375 R32 L29 D2 D21 D22 V24 V27 R57 L33 L36 R6 VAMPL = 3.14375 R33 L3 Ryc. 3. Schemat symulacyjny układu zespołu prostownikowego 12-fazowego 24-pulsowego Fig. 3. Simulation scheme for 12-phase 24-pulse transformer-rectifier set
164 skaldowa zgodna skaldowa przeciwna (skaldowa zerowa) D7 D8 D9 V1 V7 R1 L1 L2 R2 VAMPL = 2 VAMPL = 15 R7.5k L7.5H V2 V8 R3 L3 L4 R4 VAMPL = 2 VAMPL = 15 R8.5k L8.5H V3 V9 R5 L5 L6 R6 VAMPL = 2 VAMPL = 15 R9.5k L9.5H D1 D11 D12 Grupa fazowa 2 R1 4 D13 D14 D15 V4 V1 R2 R11 L1 L11 R12 VAMPL = 346.4 VAMPL = 25.98 R17.5k L16.5H V5 V11 R21 R13 L12 L13 R14 VAMPL = 346.4 VAMPL = 25.98 R18.5k L17.5H V6 V12 R22 R15 L15 L14 R16 VAMPL = 346.4 VAMPL = 25.98 R19.5k L18.5H D16 D17 D18 Grupa fazowa 1 Ryc. 4. Schemat symulacyjny do badania wpływu asymetrii zasilania zespołu prostownikowego 12-pulsowego Fig. 4. Simulation scheme used to investigate supply asymmetry impact on 12-pulse rectifier operation 5. Przykładowe wyniki badań symulacyjnych dla asymetrycznego napięcia zasilania Przebiegi napięć i prądów dla składowej kolejności przeciwnej wynoszącej 1% składowej zgodnej napięcia zasilania podano na ryc. 5 i 6. a) b) Ryc. 5. Przebieg średniego napięcia wyprostowanego d i napięć fazowych dla: a) układu 12-pulsowego, b) układu 24-pulsowego Fig. 5. Courses of rectified voltage and phase voltages for: a) 12-pulse system, b) 24-pulse system
a) b) 165 Ryc. 6. Przebiegi prądów na diodach D1, D2, D3 dla: a) układu 12-pulsowego, b) układu 24-pulsowego Fig. 6. Current courses for D1, D2 and D3 diodes in: a) 12-pulse system, b) 24-pulse system Dokonano charakterystyki pulsacji napięcia wyprostowanego, przy czym jako pulsację napięcia wyprostowanego d definiuje się stosunek różnicy napięć maksymalnego i minimalnego do wartości średniej Wyniki zestawiono w tablicy 1. Δ d (max) d d (min) δ = 1% = 1% (2) d d Zestawienie wyników symulacji d Tablica 1 Zawartość składowej kolejności przeciwnej % 1% 2,5% 5% 7,5% δ d [%] dla układu 12-pulsowego 4,21 5,9 8,63 13,34 17,99 δ d [%] dla układu 24-pulsowego 1,56 3,28 5,78 1,18 14,43 Analiza harmoniczna napięcia wyprostowanego pozwoliła określić zawartość wyższych harmonicznych, które przestawiono na ryc. 7. a) b) 48 h [V] 44 8 h [V] 75 7 4 36 65 6 32 55 5 28 24 45 4 2 35 3 16 12 25 2 8 15 1 4 5 6 12 18 24 3 36 42 48 54 6 66 72 78 84 9 96 12 h 6 12 18 24 3 36 42 48 54 h Ryc. 7. Wyższe harmoniczne napięcia w napięciu wyprostowanym przy 1-procentowej zawartości składowej przeciwnej w napięciu zasilania dla: a) układu 12-pulsowego, b) układu 24-pulsowego Fig. 7. Harmonics spectrum of rectified voltage, 1 percent negative-sequence component in supply voltage: a) 12-pulse system, b) 24-pulse system
166 6. Omówienie wyników symulacji Składowa przeciwna napięcia zasilania generuje w napięciu wyprostowanym d dodatkową pulsację o podwójnej częstotliwości sieci zasilającej. Amplituda tej pulsacji zależy od zawartości składowej przeciwnej w napięciu zasilania. Dodatkowa pulsacja wpływa na obniżenie efektywności prostowania napięcia przemiennego, na co wskazuje analiza harmoniczna pulsacji napięcia wyprostowanego w funkcji zawartości składowej kolejności przeciwnej w napięciu zasilania (ryc. 8). 18 δ d [%] 16 dla prostownika 12-pulsowego 14 12 1 8 dla prostownika 24-pulsowego 6 4 2 Zawartość składowej kolejności przeciwnej [%] Ryc. 8. Charakterystyki pulsacji napięcia wyprostowanego w funkcji zawartości składowej kolejności przeciwnej w napięciu zasilania Fig. 8. Pulsations of rectified voltage vs. negative-sequence component supply voltage input Składowa kolejności przeciwnej nie wpływa znacząco na wartość średniego napięcia wyprostowanego d tabl. 2. Tablica 2 Średnia wartość napięcia wyprostowanego w funkcji zawartości składowej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego Zawartość składowej kolejności przeciwnej 1 2 3 4 5 6 7 8 d [V] dla prostownika 12-pulsowego d [V] dla prostownika 24-pulsowego % 622,1 1251,6 1% 622,3 125,9 2,5% 622,4 125,3 5% 622,7 1251,3 7,5% 623,3 1251,5
167 Kolejnym negatywnym skutkiem istniejącej asymetrii jest obniżenie dopuszczalnej mocy obwodu stałoprądowego. Przy symetrycznym zasilaniu prądy we wszystkich fazach układu zasilającego urządzenie prostownikowe są jednakowe i mają jednakowy czas trwania (przepływu). W układzie niesymetrycznie zasilanym prądy te różnią się między sobą kształtem oraz czasem trwania. Ilustruje to ryc. 9 dla dużej, 7,5-procentowej asymetrii napięcia zasilającego. a) b) Ryc. 9. Przebiegi prądów na diodach D1, D2, D3 dla: a) układu 12-pulsowego, b) układu 24-pulsowego, przy składowej kolejności przeciwnej wynoszącej 7,5% składowej zgodnej napięcia zasilania Fig. 9. Current courses for D1, D2 and D3 diodes in: a) 12-pulse system, b) 24-pulse system, with supply voltage negative-sequence component equal to 7,5% of positive-sequence component Składowa kolejności przeciwnej nie wpływa znacząco na wartość średniego napięcia wyprostowanego d. Widma amplitudowe dla asymetrii jednoprocentowej wskazują, że amplituda drugiej harmonicznej jest proporcjonalna do współczynnika asymetrii zasilania i wartość tej harmonicznej jest dominująca. Wzrost zawartości składowej kolejności przeciwnej powoduje wzrost amplitud innych harmonicznych napięcia wyprostowanego. Na podstawie wyników zamieszczonych w tabl. 2 wykreślono charakterystykę z ryc. 1. 16 14 12 1 δ [%] 8 6 4 2 prostownik 12-pulsowy prostownik 24-pulsowy 1 2 3 4 5 6 7 8 Zawartość składowej kolejności przeciwnej [%] Ryc. 1. Charakterystyka zawartości wyższych harmonicznych w zależności od zawartości składowej przeciwnej w napięciu zasilania Fig. 1. Higher harmonics content vs. negative-sequence component of supply voltage
168 W tablicy 3 zamieszczono czasy przewodzenia diod mostków prostownikowych dla różnych wielkości asymetrii napięcia zasilającego. Czasy przewodzenia diod mostków prostownikowych dla różnych wielkości asymetrii napięcia zasilającego Tablica 3 Zawartość składowej kolejności przeciwnej Czasy przewodzenie diod kład 6-fazowy 12-pulsowy kład 12-fazowy 24-pulsowy t D1 1% 2,5% 5% 7,5% t D2 t D3 t D1 t D2 t D3 t D1 t D2 t D3 t D1 t D2 t D3 7,3 7,2 7,2 7,4 7,2 7,2 7,5 7,1 7,1 7,6 7, 7, 7,3 7,3 7,3 7,4 7,2 7,2 7,6 7,1 7,1 7,7 7,1 7,1 Nierównomierność czasów trwania prądów na poszczególnych diodach oznacza, że część diod w układzie jest niedociążona. 7. Wnioski Oddziaływanie składowej kolejności przeciwnej napięcia zasilania ma negatywny wpływ na warunki pracy urządzeń prostownikowych. Asymetria ta powoduje: wzrost pulsacji napięcia wyprostowanego, obniżenie dopuszczalnej mocy układu stałoprądowego ze względu na ograniczenie składowej skutecznej prądu w uzwojeniach transformatora. Literatura [1] Podoski J., Kacprzak J., Mysł e k J., Zasady trakcji elektrycznej, WKiŁ, Warszawa 198. [2] Mizia W., Transformatory, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996. [3] Król A., Moczko J., PSpice Symulacja i optymalizacja układów elektronicznych, Wydawnictwo Nakom, Poznań 2. [4] R o j e k A., Nowe i najnowsze rozwiązania urządzeń w układzie zasilania trakcji elektrycznej w Polsce, Technika Transportu Szynowego nr 7 8/23, Łódź, 64-69. [5] G l i n k a T., G r z e n i k R., K u l e s z B., M o ł o ń Z., S o b o t k a J., Transformatory prostownikowe podstacji trakcyjnych, Proc. 5th International Conference: Modern Electric Traction in Regional and rban Transport, Gdańsk 21. [6] Badania transformatora prostownikowego 12-fazowego 24-pulsowego, Raport wykonany przez Politechnikę Śląską dla firmy ALSTOM T&D Transformers sp. z o.o., Gliwice 21.
169 [7] B a r a n o w s k i K., W e l o A., Symulacja układów elektronicznych PSpice: Pakiet Design Center, Wydawnictwo MIKOM, Warszawa 1996. [8] PN-EN 676-1:21. Transformatory. Wymagania ogólne. [9] PN-EN 676-1:21/A1:22(). Transformatory, Wymagania ogólne. [Zmiana A1]. [1] PN-EN 676-1:21/A12:22(). Transformatory, Wymagania ogólne. [Zmiana A2]. [11] PN-EN 61378-1:2. Transformatory przekształtnikowe. Transformatory do zastosowań przemysłowych. [12] PN-IEC 146-1-3:1996. Przekształtniki półprzewodnikowe. Wymagania ogólne i przekształtniki o komutacji sieciowej. Transformatory i dławiki. [13] S z k a b a r D., Współpraca transformatora z prostownikiem na podstacjach trakcyjnych, praca dyplomowa magisterska, Politechnika Śląska, Gliwice 24. [14] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 2 grudnia 24 r. w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci (Dz z 25 r. Nr 2, poz. 6).