Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности применения мощных полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов (СПП) в электроэнергетике 15
1.1. Современные мощные СПП и их максимально достигнутые параметры 15
1.2. Современное состояние российских разработок в области мощных СПП и преобразователей на их основе 17
1.3. Особенности конструкции и функционирования мощных полностью управляемых СПП 22
1.4. Сравнительный анализ технических характеристик полностью управляемых СПП 31
1.5. Анализ мирового опыта применения полностью управляемых СПП в мощных преобразователях 40
1.6. Особенности полностью управляемых СПП как элементов комплектации мощных преобразователей 44
1.7. Постановка задач и исследований 47
Глава 2. Разработка инженерного метода определения допустимых ре жимов работы полностью управляемых СПП в мощных преобразова телях 50
2.1. Обобщенная методика расчета мощности потерь в СПП 50
2.2. Оценка влияния диодов обратного тока на динамические характеристики полностью управляемых СПП в преобразователях напряжения 58
2.3. Оценка потерь в СПП преобразователей напряжения, управляемых по алгоритму широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 62
2.4. Критерии выбора снабберных цепей для полностью управляемых СПП мощных преобразователей 70
2.4.1. Сравнение снабберных цепей наиболее распространенных конфигу раций для полностью управляемых СПП мощных преобразователей 70
2.4.2. Разработка математической модели для расчета снабберной RC-цепи мощных полностью управляемых СПП 72
2.4.2.1. Общие аналитические выражения 72
2.4.2.2. Аналитические выражения для случая индуктивной нагрузки 15
2.4.2.3. Результаты математического моделирования и основные выводы... 79
2.4.3. Оценка влияния параметров снабберной RC-цепи на динамические потери полностью управляемого СПП 81
2.5. Оценка необходимых запасов по току и напряжению полиостью управляемых СПП для обеспечения надежной работы мощных преобразователей 84
2.6. Требования к объему исходных данных для создания мощных преобразователей и последовательность выбора полностью управляемых СПП 92
Глава 3. Исследование особенностей обеспечения теплового режима мощных преобразовательных установок для открытых подстанций 95
3.1. Способы охлаждения мощных преобразователей, их эксплуатационные достоинства и недостатки 95
3.2. Описание принципа охлаждения преобразовательной установки контейнерного типа 99
3.3. Методика расчета температурного режима преобразовательных установок контейнерного типа 101
3.4. Управляемая установка ВУПГ 14/1000 разработки ОАО «НИИПТ» для плавки гололеда и ее тепловые характеристики 104
Глава 4. Разработка алгоритмов формирования выходного напряжения, целесообразных с точки зрения снижения потерь в СПП для преобразователей по схеме автономного инвертора напряжения (АНН)... 113
4.1. Сравнение гармонического состава выходного напряжения при различных алгоритмах управления АИН 113
4.2. Разработка математической модели АИН совместно со схемой его питания 125
4.3. Оценка тепловыделения в силовых элементах АИН, выполненного по двухуровневой и трехуровневой схемам 130
4.3.1. Результаты моделирования 130
4.3.2. Выбор силовых полупроводниковых приборов для АИН 135
4.3.3. Результаты расчета мощности потерь в СПП АИН 136
Заключение 139
Список литературы
- Современные мощные СПП и их максимально достигнутые параметры
- Оценка влияния диодов обратного тока на динамические характеристики полностью управляемых СПП в преобразователях напряжения
- Способы охлаждения мощных преобразователей, их эксплуатационные достоинства и недостатки
- Сравнение гармонического состава выходного напряжения при различных алгоритмах управления АИН
Введение к работе
Актуальность работы.
Потребление электроэнергии в промышленно развитых странах с каждым годом неуклонно растет, что требует создания более совершенных технологий в области ее передачи и распределения. В последнее время повышенное внимание уделяется проблемам пропускной способности межсистемных и системообразующих линий электропередачи (ЛЭП), распределения потоков мощности по параллельным ЛЭП различного класса напряжения, управляемости энергосистем. С одной стороны это обусловлено децентрализацией управления ряда энергообъединений, требующей повышения гибкости их работы, с другой - появлением нового класса регулирующих устройств, в основном базирующихся на применении силовой электроники, в том числе - на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах (СПП). Эти приборы позволили создавать быстродействующие, многофункциональные преобразователи электроэнергии с эффективным управлением. С учетом новых возможностей, начиная с 80-х годов, стала разрабатываться концепция гибких (управляемых) систем электропередач переменного тока — Flexible AC Transmission System (FACTS). Сущность этой концепции состоит в том, что большие успехи, достигнутые в области силовой электроники, позволяют внедрять разрабатываемые на ее основе устройства в сети переменного тока с целью повышения их управляемости, стабилизации напряжений, демпфирования низкочастотных колебаний, повышения статической и динамической устойчивости, оптимизации по-токораспределения, а в итоге — повышения пропускной способности сети и снижения потерь. Во всех случаях выбор типа и параметров СПП играет решающую роль в создании преобразовательных установок (ПУ), определяет их эффективность, функциональные возможности и стоимость. Этот выбор базируется на комплексном анализе основных воздействий на СПП в ПУ: величины тока и напряжения, частоты коммутации, длительности и формы импульса тока, условий охлаждения и др. При этом оценка теплового режима является одним из основных критериев выбора, и, соответственно, поиск простых и эффективных способов охлаждения СПП в ПУ актуален, особенно для ПУ, которые вынуждены работать в специфических условиях, например, на открытых площадках подстанций.
В настоящее время известен ряд алгоритмов управления вентилями преобразователей - широтно-импульсное регулирование (ШИР), широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и их модификации. Главная цель применения алгоритмов - улучшение гармонического состава выходного напряжения преобразователя. Чем выше частота ШИМ, тем лучше гармонический состав, однако увеличение частоты переключения СПП влечет за собой рост мощности потерь, поэтому поиск способов управления СПП, оптимизирующих как потери, так и вид выходного напряжения, важен для конструирования ПУ в целом.
Цель работы и основные направления исследований.
Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по выбору полностью управляемых СПП для мощных преобразователей на основе анализа технических характеристик СПП, допустимых тепловых режимов работы СПП и допустимых нагрузок по току и напряжению, а также определение возможных путей обеспечения высокой работоспособности СПП и преобразователей на их основе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать современное состояние отечественных и зарубежных разработок в области мощных полностью управляемых СПП и преобразователей на их основе и выполнить сравнительный анализ технических характеристик СПП;
разработать общую методику расчета мощности потерь в СПП мощных преобразователей;
оценить потери в СПП мостового преобразователя напряжения, управляемого по алгоритму ШИМ;
определить критерии выбора снабберных цепей для полностью управляемых СПП мощных преобразователей и разработать математическую модель для расчета снаб-берной RC-цепи полностью управляемого СПП. Оценить влияние параметров снаб-берной RC-цепи на динамические потери полностью управляемых СПП;
оценить требуемые запасы по току и напряжению полностью управляемых СПП для обеспечения надежной работы мощных преобразователей;
сформулировать требования к объему исходных данных для создания мощных ПУ и основные критерии выбора полностью управляемых СПП для этих ПУ. Разработать алгоритм выбора СПП;
исследовать особенности обеспечения теплового режима мощных ПУ контейнерного типа;
разработать алгоритмы формирования выходного напряжения, целесообразные с точки зрения снижения потерь в СПП для преобразователей по схеме автономного инвертора напряжения (АИН);
оценить и сравнить тепловыделения в СПП АИІI, выполненного по двухуровневой и трехуровневой схемам при алгоритмах управления, обеспечивающих близкий гармонический состав выходного напряжения АИН обоих типов.
Методы исследований. При проведении сравнительного анализа характеристик СПП, оценочных расчетов и разработки алгоритма выбора СПП применялись аналитические методы и методы интегрального исчисления.
При разработке математической модели расчета снабберной RC-цепи использовался классический метод расчета линейных электрических цепей и программный пакет MatLab 7.0.
Для расчета температурного режима ПУ контейнерного типа использовался метод последовательных приближений и уравнения теории теплообмена.
При разработке алгоритмов формирования выходного напряжения АИН использовались методы численного моделирования для решения трансцендентных уравнений. Исследование АИН совместно с системой его питания осуществлялось на математической модели, реализованной в приложении Simulink программного пакета MatLab 7.0.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
разработана обобщенная инженерная методика расчета мощности потерь в полностью управляемых СПП;
разработана математическая модель расчета для снабберной RC-цепи полностью управляемого СПП с учетом паразитных индуктивностей;
разработаны рекомендации по выбору полностью управляемых СПП для мощных преобразователей;
предложен и защищен патентом оригинальный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа;
разработаны алгоритмы формирования выходного напряжения однофазного АИН по принципу селективного исключения гармоник, обеспечивающие независимость формы выходного напряжения от характера нагрузки;
проведена сравнительная оценка тепловыделения в СПП АИН, выполненного по двухуровневой и трехуровневой схемам при алгоритмах управления, обеспечивающих близкий гармонический состав выходного напряжения АИН обоих типов.
Практическая ценность результатов работы:
1. Инженерный подход к определению допустимых режимов работы СПП позволил разработать обобщенную методику расчета мощности потерь полностью управляемых СПП, которая используется при создании ПУ.
-
Получена аналитическая оценка мощности потерь СПП мостового преобразователя напряжения, управляемого по алгоритму ШИМ.
-
Разработанная математическая модель расчета снабберной RC-цепи при индуктивном характере нагрузки преобразователя позволяет при заданных параметрах процесса выключения СПП построить переходный процесс установления напряжения на нем с учетом паразитных индуктивностей и оценить эффективность демпфирования.
-
Разработанные рекомендации и алгоритм выбора полностью управляемых СПП используются при создании мощных преобразователей.
-
Предложенный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа реализован в управляемых выпрямительных установках для плавки гололеда на проводах ЛЭП, которые успешно эксплуатируются в ОАО «Камчатскэнерго».
-
Разработанные алгоритмы формирования выходного напряжения однофазного АИН реализованы при создании генератора для геофизических исследований мощностью 500 кВт.
Положения, выносимые на защиту:
-
Обоснование перспективности использования полностью управляемых СПП в мощных преобразователях.
-
Обобщенная методика расчета мощности потерь в полностью управляемых СПП, предложенная на основе инженерного подхода к определению допустимых режимов их работы.
-
Разработанная математическая модель для расчета снабберной RC-цепи полностью управляемых СПП и результаты моделирования.
-
Разработанные рекомендации по выбору полностью управляемых СПП для мощных преобразователей.
-
Оригинальный принцип охлаждения ПУ контейнерного типа и полученные тепловые характеристики такой установки.
-
Разработанные алгоритмы формирования выходного напряжения однофазного АИН и результаты оценки тепловыделений в СПП при реализации этих алгоритмов для двухуровневой и трехуровневой схем.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Первой научно-технической конференции молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2000 г.);
VI Международном Симпозиуме «Электротехника 2010» (г. Москва, 2001 г.);
Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические проблемы развития электроэнергетики России» (г.Санкт-Петербург, СПбТУ, 2002 г.);
Второй научно-технической конференции молодых специалистов электроэнергетики РАО ЕЭС (г. Москва, 2003 г.);
VII Международном Симпозиуме «Электротехника 2010» (г. Москва, 2003 г.);
Международной конференции IEEE Power Tech'2005 (г. Санкт-Петербург, 2005 г.);
Международной специализированной выставке "Электрические сети России - 2005» (г. Москва, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Получен 1 патент на изобретение «Преобразовательная установка контейнерного типа» RU№2207746 от 27.06.2003.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (84 наименования). Объем работы включает в себя 143 страницы основного текста, 35 таблиц и 54 рисунка, 8 страниц списка литературы, 28 страниц приложений.
Современные мощные СПП и их максимально достигнутые параметры
Области применения мощных СПП 0дн ооперац ионный Запираемый тиристор (GTO), Биполярный транзистор с изо тиристор запираемый тиристор с жесткой лированным затвором (IGBT) (SCR) коммутацией и интегрированным драйвером (IGCT) 1 .Выпрямители, ведомые инвер- 1. Преобразователи для систем 1, Преобразователи для систем торы линий ППТ, ВПТ; регулируемого электропривода регулируемого электроприво 2. Мощные тиристорные компен- асинхронных двигателей; да асинхронных двигателей; саторы реактивной мощности; 2. Компенсаторы реактивной мощ- 2. Преобразователи для «лег 3. Преобразователи частоты с не- ности в составе систем электро- ких» ППТ; посредстве п но й связ ыо снабжения; 3. Компенсаторы реактивной технологических цепей (электро- 3. Импульсные источники питания мощности в составе систем лиз, гальваника, планка) и высо- систем специальной силовой элек- электроснабжения на базе ковольтных регулируемых элек- троники; преобразователей напряжения; троприводов; 4. Мощные системы бесперебойно- 4. Активные фильтры
4. Защитные цепи и бесконтакт- го питания. 5. Импульсные источники пи ные коммутаторы систем элек- тания систем специальной си тропитания. ловой электроники;
5. Бесконтактные коммутаторы б. Мощные системы систем импульсного электропита- бесперебойного питания. ния (импульсная мощность до 1000 МВт) 17 индукционных тиристоров и др.[14,26,46,52,70,76], однако достаточного опыта использования этих приборов в преобразовательных установках пока нет.
Характеристики наиболее мощных полностью управляемых СПП прижимной конструкции приведены в табл. 1.2. Видно, что по статическим параметрам все приборы сопоставимы и с этой точки зрения каждый может использоваться в высоковольтных вентилях для энергетики. Для удобства чтения текста диссертации в Приложении 1 приведены обозначения основных параметров СПП. Максимальные параметры полностью управляемых СПП, достигнутые различными фирмами-производителями сведены в табл.1.3. Следует отметить, что основными производителями мощных СПП являются зарубежные фирмы.
В последние десятилетия в России наблюдается отставание в применении силовой электроники. Оно проявилось как в промышленном производстве высокотехнологического оборудования на основе силовой электроники, так и в научных разработках в области применения силовой электроники в преобразовательной технике. В относительно немногих случаях внедрения мощных преобразовательных устройств современного уровня в энергетике (напр., привода собственных нужд на ряде ТЭС «Мосэнерго») использовались импортные поставки [37,38]. Основным тормозящим фактором развития элементной базы отечественной силовой электроники является отсутствие российских чипов для ЮВТ. Модульные IGBT в ОАО «Электровыпрямитель» изготавливаются на основе чипов зарубежного производства.
В табл. 1.4 приведен перечень основных отечественных предприятий -разработчиков элементов силовой электроники. Представлена информация, полученная в рамках работ по [40], из публикаций и материалов с сайтов предприятий в сети Интернет.
На территории Российской Федерации разработкой именно силовых полупроводниковых приборов в диапазоне мощностей, интересующих электроэнергетическую промышленность, традиционно занимаются две научные организации - Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ, г. Санкт-Петербург) и Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина (ГУП ВЭИ, г.Москва). Кроме того, в области электронной и микроэлектронной техники работает довольно много организаций, принадлежавших ранее Мин-электронпрому и Минатому СССР (ОАО «Микрон» и ОАО «Ангстрем» в Зеленограде Моск.обл.; ОАО «Завод «Искра», г. Ульяновск; АО «Группа Кремний», г.Брянск; ФГУП «Научно-исследовательский институт приборов (НИ-ИП), г. Лыткарино Моск.обл., ФГУП НПП «Пульсар», г.Москва и ряд других).
В последние 5-7 лет наметилась общая положительная тенденция в деятельности основных предприятий по производству СПП и мощной преобразовательной техники (в том числе и высоковольтной) на их основе. Многие предприятия начали активно инвестировать средства (как собственные, так и заемные) в переоснащение производства. В результате сейчас в Российской Федерации имеется немало предприятий электротехнического профиля, способных производить сложные мощные полупроводниковые преобразователи. Это - ОАО «Электровыпрямитель», ЗАО «Электротекс», ЗАО «Росэлектропром Холдинг», ООО «НИИ-ЭФА-Энерго», ОАО «Электросила», ОАО «Новая Эра», ОАО «Трансформатор».
Взаимозаменяемость IGCT производства ОАО «Электровыпрямитель» и производства «ABB Semiconductors» позволяет уже сегодня в России приступить к разработке высоковольтных преобразователей на базе этих приборов.
Крупные электроэнергетические объекты в перспективном исполнении основываются, как отмечалось выше, на ВТВ и ВЗВ, изготовление которых требует, кроме технологического, соответствующего кадрового потенциала. С этой точки зрения лишь немногие из прошедших переоснащение производства предприятия в той или иной степени готовы к производству преобразователей на базе ВЗВ: ОАО «Электровыпрямитель», ОАО «Электросила», ОАО «Новая Эра», ЗАО «Росэлектропром Холдинг».
Оценка влияния диодов обратного тока на динамические характеристики полностью управляемых СПП в преобразователях напряжения
Как известно [21], АИН должен содержать параллельно силовым ключам обратные диоды для исключения прерывистого тока в активно-индуктивной нагрузке при коммутации. Основные требования к обратным диодам - быстрая коммутация и мягкое восстановление. Также важным требованием к обратным диодам является их динамическая устойчивость, то есть способность выдерживать высокие скорости коммутации di/dt и высокие напряжения в одно и то же время [47].
Для диодов основная доля мощности коммутационных потерь связана с процессом выключения. В интервале восстановления обратного сопротивления диода при наличии на нем обратного напряжения через него может протекать довольно большой обратный ток, что приводит к выделению в структуре диода на этом этапе значительной мощности [10].
В предположении, что на интервале обратного восстановления к диоду прикладывается постоянное напряжение питания U, энергия потерь определяется как Err= \i(t)Udl=QrrU о Тогда мощность потерь Prr-E Q f, где f- частота коммутации СПП. Эта формула является универсальной в том смысле, что значение Р не зависит от формы обратного тока и напряжения.
Применение этой формулы требует точного определения заряда восстановления как интеграла от обратного тока. В случае эффективного демпфирования СПП внешними цепями формула может служить только для верхней оценки предельного значения мощности потерь.
Более точное значение энергии потерь приводится в графиках Еп-(1С) информационных материалов при конкретных условиях измерения. С использованием этой зависимости энергию потерь на обратное восстановление диода для рабочих условий с инженерной точностью можно определить как: Е „=Е„иуис , где U с - значение напряжения для рабочих условий, В; Е„- каталожное значение, Дж.
У обратных диодов IGBT на процесс обратного восстановления также оказывает влияние величина сопротивления в цепи затвора IGBT Rc0n- В информационных материалах на JGBT дополнительно приводятся графики Errt Gon) при заданных значениях Uc и 1с- Тогда предыдущее выражение для обратного диода IGBT дополняется: Е =Е — En Go"} tt " Uc E Rcon) где R ооп- сопротивление, установленное в рабочей схеме, Ом; Ro0n - значение, при котором в каталоге приведено ЕГГ(ІС), Ом.
Взаимное влияние процессов включения IGBT и обратного восстановления диода рассмотрим для фазы АИН при индуктивной нагрузке. На рис.2.7 показаны импульсы управления IGBT и ток через IGBT и диод. При выключении VT1 ток нагрузки протекает через обратный диод VD2. Как только VT1 включается снова, диод начинает выключаться с режимом обратного восстановления. При этом через VT1 проходит обратный ток диода VD2. Скорость di/dt при включении VT1 регулируется резистором в цепи затвора.
По окончании времени задержки включения VT1 Цоп) ток через VT1 начинает нарастать практически линейно и ток нагрузки, протекающий через обратный диод VD2 постепенно переходит в VT1. Напряжение на VTI на этом этапе падает из-за паразитной индуктивности Li до величины L] 0,8Ic/tr. Далее наблюдается всплеск тока VT1, обусловленный током обратного восстановления диода VD2. Напряжение на VT1 начинает спадать до величины прямого падения, когда ток обратного восстановления диода VD2 достигает своего максимума. Также на рис.2.7 схематично показаны ток, напряжение и потери мощности при включении IGBT и выключении диода. По сравнению с потерями в IGBT потери в диоде несколько меньше.
На рис.2.8 в качестве примера приведены относительные зависимости Err/Eon от коммутируемого тока, построенные для нескольких типов IGBT со встроенными диодами обратного тока по данным информационных материалов на них. Для максимального уменьшения потерь в IGBT и диоде необходимо минимизировать импульсный обратный ток восстановления диода и «хвостовой» ток диода. В технических данных на IGBT , как правило, в приведенной энергии потерь EQN Уже учтен выброс обратного тока восстановления диода.
Для улучшения гармонического состава выходных тока и напряжения современные преобразователи работают в режиме ШИМ. Как правило, для оценки тепловых режимов используют средние значения мощности рассеивания и температуры перехода. Определение потерь мощности в СПП с ШИМ имеет свои особенности, поскольку потери мощности при коммутации и в открытом состоянии СПП меняются в пределах каждого периода частоты ШИМ и требуют подробного расчета, В практике применяются различные аналитические способы расчета - аппроксимация характеристик СПП полиномиальными уравнениями, упрощенная линейная апроксимация [33,47,72]. Описанные способы используют различные допущения, которые в каждом отдельно взятом источнике информации раскрываются не полностью.
В рамках обобщенной методики расчета мощности потерь в работе рассматривается методика расчета мощности потерь для режима ШИМ в соответствии с (2.2), (2.4), которая для разных рабочих частот и нагрузок преобразователя позволяет с достаточной степенью точности оценить ожидаемую среднюю рассеиваемую мощность. Все необходимые для расчета данные на СПП содержатся в технических данных на прибор, поэтому не требуется проведения дополнительных измерений, как в [47], которые в свою очередь требуют дополнительных затрат. Этот факт является большим преимуществом при практическом использовании методики.
Способы охлаждения мощных преобразователей, их эксплуатационные достоинства и недостатки
В зависимости от назначения и условий эксплуатации мощных преобразователей для охлаждения СПП используются различные системы охлаждения: воздушные с естественной или принудительной циркуляцией воздуха, масляные, водяные, испарительные. Классификация систем охлаждения СПП приведена на рис.3.1.
Как правило, для охлаждения СПП используются алюминиевые охладители. В табл.3.1 приведено сравнение коэффициентов теплоотдачи алюминиевого охладителя при различных типах охлаждения [39].
В преобразователях большой мощности обычно применяется функционально-узловая компоновка, при которой основные элементы располагаются в отдельных шкафах, устанавливаемых вплотную друг к другу и соединяемых между собой механически и электрически.
С целью уменьшения габаритов преобразователя и использования для охлаждения отдельных блоков общего хладагента целесообразно выполнять преобразователь конструктивно совмещенным в одном корпусе. Как правило,
Классификация систем охлаждения мощных СПП охлаждающей средой таких конструкций служит трансформаторное масло или вода.
Известны мощные полупроводниковые преобразователи с принудительным масляным охлаждением [27], в которых масло, циркулирующее в замкнутом контуре, охлаждается в маслоохладителе, где в качестве охлаждающей среды могут использоваться вода, воздух или другой теплоноситель.
Известны также преобразователи [30] по своему внешнему виду напоминающие масляные трансформаторы с естественным охлаждением: бак с системой охлаждения из радиаторов или труб, на котором имеются расширитель, изоляторы и др. Такая конструкция преобразователей позволяет применять их как для наружной, так и для внутренней установки.
Недостатками системы охлаждения вышеперечисленных преобразователей являются низкая надежность, неремонтопригодность, высокая пожароопас-ность, большие массогабаритные показатели.
В [59] описывается преобразовательная установка контейнерного типа с системой принудительного водяного охлаждения (рис.3.2). Контейнер разделен на два помещения: в одном - полупроводниковые преобразователи, в другом -вспомогательное оборудование и система управления. Систему водяного охлаждения имеет каждый преобразовательный блок. Основными недостатками этой установки являются невозможность ее использования при отрицательных температурах, что допускает ее эксплуатацию только в отапливаемом помещении или мягких климатических условиях, а также, необходимость дополнительного комплекса оборудования для подготовки воды. Могут быть использованы другие охлаждающие жидкости, которые имеют точку замерзания ниже 0С- этиле игл и кол ивые смеси, полиметилсилоксановые жидкости, органические масла. Эксплуатационные характеристики охлаждающих жидкостей приведены в табл.3.2 [13]. Однако для таких жидкостей требуется не только сложный комплекс специального оборудования для подготовки хладагента, но и ряд профилактических мер по ограничению эрозии и загрязнению стенок канала протекания охлаждающей жидкости. В мировой практике имеется опыт
Удельная электропроводность, 1/(Ом-см) 5-Ю"4 5-Ю-14 1,11015 1,Ы0"15 «КГ6 применения подобных хладагентов. Например, на ППТ Конти-Скан для охлаждения высоковольтных вентилей наружной установки в течение многих лет успешно используется жидкая смесь на основе этиленгликоля и воды. Смеси этой группы наилучшим образом подходят для использования в системе охлаждения установок высокого напряжения, но в чистом виде они подвержены микробиологическому старению. В высоковольтных преобразовательных устройствах для ППТ и ВПТ, где проблема массогабаритных показателей стоит не так остро, как, например, для электротранспорта, проблема старения легко решается за счет введения отдельного блока очистки хладагента.
Сравнение гармонического состава выходного напряжения при различных алгоритмах управления АИН
Для управления АИН используются различные способы модуляции -ШИР, ШИМ, методы селективного исключения гармоник. Существуют две возможные реализации ШИР [21]:
В первом случае имеются интервалы управления, на которых все ключи заперты. Длительность открытого состояния ключей может варьироваться от О до 180. Вследствие проводимости обратных диодов при запертых ключах на нагрузке возникают дополнительные импульсы напряжения длительностью T=LK/RH- Данный способ не позволяет получить заданную фиксированную форму выходного напряжения в условиях возможного на практике изменения параметров нагрузки. Поэтому все приведенные далее алгоритмы управления выполнены по второму принципу.
В данном разделе рассматриваются формы напряжения, получаемые на выходе АИН с активно-индуктивной нагрузкой, выполненного по двухуровневой и по трехуровневой схемам (рис.4.1) при однократном и трехкратном переключении за период силовых ключей АИН.
Форма выходного напряжения для АИН, выполненного по двухуровневой схеме при однократном переключении силовых ключей за период показана на рис.4.3. Порядок коммутации силовых ключей показан на рис.4.4. Разложение такой формы напряжения в ряд Фурье дает
Кривые, характеризующие относительный гармонический состав выходного напряжения АИН по 7-ю гармонику в соответствии с (4.1) показаны на рис.4.5, а в табл.4.1 приведен гармонический состав напряжения по 15-ю гармонику для некоторых значений ctj. Все результаты по процентному содержанию гармоник здесь и далее по разделу получены путем моделирования сигна 116 лов с заданными углами в приложении Simulink программной среды MatLab 7.0.
Как видно из приведенных данных при, а]=30 эл.град. гармоники, кратные трем равны нулю. Однако 5-я и 7-я при этом достаточно велики, что может потребовать установки на выходе АИН мощных фильтров. Варьирование угла осі при данной форме напряжения не позволяет добиться желаемого снижения гармоник низшего порядка при сохранении приемлемой величины выходного напряжения.
Для улучшения гармонического состава целесообразно перейти к методу селективного исключения гармоник, увеличивая количество коммутаций силовых ключей за период. Форма выходного напряжения для АИН, выполненного по двухуровневой схеме при трехкратном переключении силовых ключей за период показана на рис.4.6. Порядок коммутации силовых ключей - на рис.4.7. Трансцендентное уравнение для определения амплитуды первой гармоники сигнала формы, соответствующей рис.4.6 выглядит следующим образом:
Ввиду наличия нескольких варьируемых переменных определение углов управления для получения оптимально малого содержания гармоник низшего порядка представляет собой не тривиальную задачу. В [41] для исключения 3-ей и 5-ой гармоник рекомендованы углы управления, представленные в первой строке табл.4.2. Однако последующие гармоники (7-я, 9-я) достаточно велики. В [53] приведены результаты исследований формы сигналов, соответствующей рисА7 на исключение 5-ой и 7-ой гармоник в трехфазных схемах, в которых отсутствуют гармоники, кратные трем. В нашем же случае для однофазного АИН напрямую пользоваться этими результатами нерационально из-за наличия гармоник, кратных 3-ей (см. 2-4 строки табл.4.2).
Форма выходного напряжения для АИН, выполненного по трехуровневой схеме при однократном переключении силовых ключей за период, показана на рис.4.8. Порядок коммутации силовых ключей показан на рис.4.9.
Как видно, по сравнению с рис.4.3 присутствует квантование выходного напряжения по уровню. В этом случае можно осуществить приближение выходного напряжения АИН к синусоиде за счет выбора соответствующих про-должительностей ступеней формируемого ступенчатого сигнала по методике, изложенной в [4]. Для наилучшего приближения формы генерируемого ступенчатого напряжения к синусоиде следует обеспечить равенство площадей, ограниченных кривой желаемого синусоидального сигнала и соседними горизонтальными линиями квантования сигнала (SSjnij) и площадей, ограниченных кривой формируемого ступенчатого сигнала и соседними горизонтальными линиями квантования сигнала (S ) (см. рис.4.10).
