При преобразовании трехфазного переменного тока в постоянный с помощью выпрямителей кривая выпрямленного напряжения является пульсирующей. У шестипульсовых преобразователей, применяемых на тяговых подстанциях, на интервал времени одного период основной частоты переменного тока 50 Гц приходится шесть пульсаций, у двенадцатипульсовых — двенадцать. Периодичность пульсаций при этом составляет 50×6 = 300 Гц или 50×12 = 600 Гц. Выпрямленное напряжение можно разложить на постоянную Ud и переменную Uda составляющие. Переменная составляющая в свою очередь раскладывается на ряд гармонических переменных напряжений. При частоте первой гармоники /, = 300 Гц, частоты последующих гармоник, кратные их номерам, равняются соответственно f2 = 600 Гц, /3 = 900 Гц, /4 = 1200 Гц и т.д., а при /, = 600 Гц — f2= 1200 Гц, /, = 1800 Гц. С возрастанием частоты гармоник снижаются амплитуды их напряжений. Во многих случаях переменное напряжение энергосистемы несинусоидально, что увеличивает пульсации гармоник и приводит к появлению других, кратных частоте 100 Гц (100; 200; 400; 500 Гц и выше).
Наличие гармоник звуковой частоты (100… 900 Гц и выше) в кривой выпрямленного напряжения приводит к протеканию в тяговой сети токов одноименных частот. Вокруг проводов контактной сети возникает переменное магнитное поле, которое наводит в проводах воздушных линий связи ЭДС этих частот, под действием которых создаются переменные токи, оказывающие мешающие воздействия на телефонную аппаратуру.
Сглаживающие устройства, устанавливаемые в РУ-3,3 кВ, призваны не пропускать с тяговой подстанции в контактную сеть токи высших гармоник. Принципиальная схема сглаживающего устройства (СУ) показана на рис. 1, а. Для того, чтобы токи гармоник с выпрямителя UD преобразовательного агрегата не проникали в тяговую сеть, ее нужно зашунтировать, соединив накоротко точки а и б. Через шунт будут проходить не только переменные токи гармоник, но и постоянный ток, возникнет короткое замыкание между фидером контактной сети и рельсовым фидером. Для предупреждения КЗ в шунт включают конденсатор С. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения не может создать ток в шунте, но и для переменного тока конденсатор является определенным сопротивлением, емкостная составляющая которого обратно пропорциональна частоте тока. Активное сопротивление конденсатора R С, определяемое по тангенсу угла диэлектрических потерь tg б значительно меньше емкостного. Для компенсации емкостного сопротивления конденсатора последовательно с ним включается катушка индуктивности L, которая настраивается вместе с конденсатором в резонанс на мешающую частоту.
Рис. 1. Схемы сглаживающих устройств:
а — принципиальная; б — двухзвенного; в — однозвенного
Для снижения токов гармоник в рельсовый фидер включается реактор LR, имеющий большое индуктивное сопротивление XLR и малое активное Rlr. Ток гармоники в точке я разветвляется на ток IZF частотного фильтра ZF и ток 1кс контактной сети. При этом, чем меньше сопротивление LC-контура фильтра ZF, тем больший ток идет по нему и меньше ответвляется в контактную сеть. Величина этих токов зависит от падения напряжения AUk на резонансном контуре, которое можно снижать за счет уменьшения сопротивления LC-контура и увеличения сопротивления реактора. Последнее ведет к снижению тока гармоники ILR, а значит и тока IZF. Сглаживающее действие фильтра ZF, предназначенного для той или иной гармоники, характеризуется коэффициентом сглаживания
где
п — номер гармоники;
Udm — напряжение гармоники п до сглаживающего устройства;
dUtn — напряжение гармоники п после сглаживающего устройства.
Важным преимуществом внедрения на тяговых подстанциях двенадцатипульсовых схем выпрямления является возможность применения более простых и экономичных сглаживающих устройств, например, однозвенных. Схема однозвенного сглаживающего устройства приведена на рис. 1, в. Подключение СУ к шинам РУ-3,3 кВ осуществляется разъединителем QS. Через полюс разъединителя QS к шинам подключается вольтметр Р V, защищаемый предохранителем FU. Рекомендуется применять реактор LR с индуктивностью равной 5 мГн, а конденсатор С — с емкостью 400 мкФ.
При определенных условиях в цепи СУ могут наблюдаться резонансные явления на частотах от 50 до 150 Гц, при которых резко возрастают токи гармоник в СУ и в рельсовых цепях СЦБ, что может стать причиной ложной работы устройств железнодорожной сигнализации. Для демпфирования резонансных явлений рекомендуется параллельно емкости С включать резонансный RС-контур, настроенный на частоту 100 Гц. Наличие такого контура позволяет не только исключить резонансные явления на этой частот, но и повысить коэффициент сглаживания.
Защищается сглаживающее устройство предохранителем FUX, а для контроля за работой СУ устанавливается трансформатор тока ТА. В цепь вторичной обмотки ТА включается амперметр и токовое реле, которое необходимо для подачи сигнала обслуживающему персоналу об увеличении тока в СУ (например, при значительной несимметрии или несинусоидальности питающего напряжения подстанции, обрыве цепи одной фазы обмотки преобразовательного трансформатора и т.д.). Ток срабатывания этой сигнализации составляет от 60 до 80 А.