ЭФФЕКТИВНОСТЬ МНОГОПУЛЬСОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Железнодорожный транспорт является энергоемким потребителем электрической энергии, в связи с чем в качестве основного направления деятельности ОАО «РЖД» на ближайшую перспективу положена стратегия энергоэффективности и энергосбережения [6].

В качестве основных направлений повышения энергоэффективности системы тягового электроснабжения постоянного тока можно отметить [4]:

• применение многопульсовых схем выпрямления и инвертирования (m = 12 и более);
• модернизация трансформаторов типа ТМРУ (ТМПУ) и вентильных конструкций, предназначенных для шестипульсовых нулевых схем, для использования их в составе двенадцатипульсовых выпрямителей;
• расширение шкалы номинальных мощностей преобразователей;
• модернизация преобразователей путем замены отработавших свой ресурс штыревых вентилей на лавинные вентили таблеточного типа с естественной системой охлаждения и охладителями на основе тепловых труб;
• применение преобразовательных агрегатов с автоматическим регулированием напряжения на тяговых подстанциях и в контактной сети на новых силовых управляемых полупроводниковых вентилях;
• применение трансформаторов типа ТРДТНП с двенадцатипульсовой схемой выпрямления последовательного типа, предназначенных для работы без понизительных трансформаторов (одноступенчатая трансформация 110/3 кВ);
• применение «сухих» трансформаторов типа ТРСЗП с двенадцатипульсовой схемой выпрямления последовательного типа, устанавливаемых на открытом воздухе;
• упрощение схем и оптимизация параметров сглаживающих устройств.

Улучшение показателей энергетической эффективности многопульсовых выпрямителей тяговых подстанций электрических железных дорог постоянного тока связано в первую очередь с увеличением количества пульсаций в кривой выпрямленного напряжения. С первых дней электрификации железных дорог нашей страны на постоянном токе на тяговых подстанциях применялись шестипульсовые выпрямители

Таким выпрямителям присущ ряд серьезных недостатков:

• относительно низкий коэффициент мощности;
• искаженная форма кривой потребляемого тока и, как следствие, ухудшение качества электроэнергии в питающей энергосистеме;
• значительное электромагнитное влияние тяговых токов на смежные линии связи.

Замена шестипульсовых выпрямителей двенадцатипульсовыми позволила увеличить коэффициент мощности тяговой подстанции до 0,97 - 0,98 и повысить уровень напряжения в тяговой сети без специальных устройств для его регулирования [3, с.69-70]. Кроме того, удалось улучшить форму кривой выпрямленного напряжения и снизить влияние тяговых сетей и трехфазных линий продольного электроснабжения и автоблокировки на линии связи, а также уменьшить удельный расход электротехнических материалов, затрачиваемых на изготовление выпрямителя [2].

Дальнейшее повышение технико-экономических показателей возможно при использовании двадцатичетырехпульсовых выпрямителей, один из которых в настоящее время эксплуатируется на тяговой подстанции Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД) [1, с.34-42].  При создании двадцатичетырехпульсового выпрямителя рассматривались три схемы, представляющие собой совокупность шестипульсовых мостовых секций, собранных параллельно, последовательно-параллельно или последовательно. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика выпрямителей.

Таблица 1.

Экономическая эффективность использования многопульсовых выпрямителей

Следует обратить внимание на изобретение Коптяева Е.Н., изобретение которого обеспечивается наличие двадцати четырех пульсаций на выходе и их симметрия, что достигается за счет дополнительного фазового сдвига между двумя трансформаторами, при использовании в одном из них первичной обмотки звездой, в другом треугольником [5]. Автор полезной модели отметил основной достигаемый результат -  уменьшение требуемого числа витков обмоток трансформаторов и соответствующее уменьшение массы и габаритов. Кроме того, в результате конструктивных особенностей улучшена электромагнитная совместимость полупроводникового выпрямителя за счет коммутации отводов обмоток с существенно меньшим числом витков. Патентообладатель выделил следующие недостатки прототипов своего изобретения:

• трехфазный регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное [патент РФ на изобретение №2331960] обладает дополнительным вольтодобавочным трансформатором и сглаживающим реактором, что увеличивает массу и габариты установки; кроме этого регулирование выходного напряжения за счет соответствующего управляемого реактора ведет к снижению КПД преобразователя;
• статический выпрямитель [патент РФ на полезную модель №144830 обладает низким для ряда областей качество выходного напряжения из-за наличия двенадцати пульсаций выпрямленного напряжения при питании от трехфазной силовой сети переменного тока.

Для повышения качества выходного напряжения, и уменьшения гармонического состава токов потребляемых из питающей сети, применяют двадцатичетырехпульсные выпрямители, содержащие четыре трансформатора с комбинацией включения обмоток звезда-треугольник-зигзаг, дающей 12-фазную систему переменного напряжения, выпрямляемую четырьмя трехфазными мостами. Подобное решение приведено на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема классического двадцатичетырехпульсного выпрямителя с параллельным включением мостов

Автор предлагает, что полезная модель достаточно проста и экономия числа витков позволяет уменьшить габариты и стоимость решения, а качество выходного напряжения соответствует классическим двенадцатипульсным схемам. Принципиальная схема предлагаемого варианта выпрямителя представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема двадцатичетырехпульсного выпрямителя с «боковыми» пульсациями

Е.Н. Коптяев реализовал попытку создания двадцатичетырехпульсного выпрямления с уменьшенным расходом числа витков и соответствующим улучшенными габаритными показателями. Автор соединил четыре вторичных обмотки по схеме звезда и расположил их на двух трансформаторах по две вторичные обмотки на каждом. Вторичные обмотки объединились в пары и произошло сокращение числа обмоток трансформатора по схеме треугольник с двух до одной, и отказ от использования двух обмоток по схеме зигзаг.

На практике производство двадцатичетырехпульсового выпрямителя осуществляют двумя путями:

• в первом случае изготавливают новые тяговые трансформаторы (затратный способ);
• второй способ зарактеризуется меньшими затратами и заключается в модернизации ранее установленных трансформаторов для шестипульсовых нулевых выпрямителей параллельного типа (ТМРУ, УТМРУ и ТМПУ с габаритной мощностью 6300 и 16000 кВА) и любых ныне эксплуатируемых вентильных конструкций. В любом случае, можно говорить о необходимости развития процессов модернизации многопульсовых выпрямителей тяговых подстанций, рассмотренные модели являются эффективными и необходимы дополнительные практические исследования эффективности инноваций и изобретений в этой области.

Список литературы:

1. Двадцатичетырехпульсовый выпрямительный агрегат для тяговых подстанций постоянного тока/ Б. С. Барковский, Г. С. Магай и др. // Омский институт инженеров железнодорожного транспорта. - Омск, 1990. - 37 - 42
2. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций. / Б. С. Барковский, Г. С. Магай // Омский государственный университет путей сообщения. М.: Транспорт, 1990. - 127 с.
3. Модернизация тяговых трансформаторов для использования в двенадцатипульсовых схемах выпрямления / Г. С. Магай, Е. Ю. Салита и др. // Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России: Тезисы докладов международного симпозиума / ПГУПС. - СПб, 2001. - С. 69 - 70
4. Повышение эффективности систем тягового электроснабжения переменного и постоянного тока и сокращение потерь электрической энергии в них: Научная монография / Т. Черемисин, В. А. Кващук и др. / Омский государственный университет путей сообщения. - Омск, 2015. - 145 с.
5. Полупроводниковый выпрямитель. Патент № RU 2 673 250 C1. 2018 год [Электронный ресурс] Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2673250C1_20181123 (Дата обращения 25.11.2019)
6. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 г. и перспективу до 2030 г. Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 14 декабря 2016 г. № 2537р. / ОАО «РЖД». - М., 2016. - 76 с.