Введение к работе
Актуальность проблемы В последние десятилетия в связи с
широким внедрением в промышленность специфических несимметричных и нелинейных электроприемников и разнообразия режимов их работы увеличилось внимание ученых и инженеров промышленно развитых стран к проблемам качества электрической энергии. Поэтому Международная электротехническая комиссия (МЭК) специально организовала технический комитет "Электромагнитная совместимость электрооборудования, включая электрические сети (ТК-77)" а Международная конференция по большим электрическим системам (СИГРЭ) создала рабочую группу "Искажающие нагрузки".
Среди всех проблем по качеству электрической энергии особое место занимает проблема электромагнитной совместимости, связанная с несимметрией и несинусоидальностью токов и напряжений в электрических системах. Рост числа и мощности энергоемких потребителей энергии несимметричного исполнения (тяговые нагрузки железных дорог, электрифицированных на переменном токе; индукционные установки, электросварочные агрегаты, магнитодинамические установки и др.) приводит к возникновению длительных несимметричных режимов. Это отрицательно сказывается на работе всех звеньев электрической системы: приемников электроэнергии, трансформаторов, линий электропередачи, генераторов. Снижается пропускная способность элементов сети, происходит дополнительный нагрев электрических машин, увеличиваются потери активной мощности и энергии, снижается надежность работы электрооборудования и всей системы электроснабжения.
Поэтому вопросы создания методов и средств симметрирования как трёхфазных электрических сетей, так и несимметричных потребителей электрической энергии являются весьма актуальными и приобретают большое народнохозяйственное значение. Отдельные исторические и технические аспекты этой проблемы отражены в работах ученых Аввакумова В.Г.,Бамдаса A.M., Борисова Б.П., Вагина Г.Я..Веселовского О.Н..Гитгарца Д.А., Жежеленко И.В., Железко Ю.С..Идельчика В.И..Кудрина Б.И..Кузнецова В.Г., Лип-ского A.M..Манусова В.3..Шалимова М.Г..Шевченко В.В., Шидлов-ского А.К., Шнейберга Я.А. и других.
Теоретические основы и практические методы по снижению несинусоидальности напряжений и токов, наряду с другими показа-
телями качества электрической энергии представлены в трудах Буркова А.Т., Ґлинтєрника СР., Грабовецкого Г.В., Зиновьева Г.С, Ильинского Н.Ф., Мамошина P.P., Тимофеева Д.В., Трофимова Г.Г. и других.
Обе эти задачи в диссертационной работе решаются путем создания трансформаторных преобразователей числа фаз, преобразующих симметричную трёхфазную систему напряжений в иные многофазные системы. Это позволяет улучшить показатели качества электрической энергии и параметры электромагнитной совместимости устройств в электрических системах.
Вопросы, связанные с транспортом электрической энергии по четырёхфазным линиям электропередачи, по несимметричным линиям, в том числе по линиям с использованием земли в качестве обратного провода, отражены в работах ученых Александрова Г.Н., Воронова Р.А., Глазунова А.А., Мельникова Н.А., Орешкинского П.С, Самородова Г.И., Целебровского Ю.В., Щербакова В.К.
Проблема транспорта электрической энергии переменного тока делает актуальной задачу разработки теоретических основ и технических средств преобразования числа фаз с лучшими технико-экономическими показателями для линий электропередачи.
Цель работы состоит в развитии теоретических основ преобразования числа фаз и разработке технических средств, обеспечивающих улучшение показателей электромагнитной совместимости установок в электрических системах.
Реализация сформулированной выше цели требует решения ряда методических, научно-исследовательских и конкретных технических задач, основными из которых являются:
обоснование принципов и разработка теоретических основ преобразования числа фаз в многофазных системах переменного тока на базе трансформаторной техники и реактивных элементов ;
разработка методических основ и технических средств для преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в однофазное или двухфазное напряжения с симметрированием токов питающей электрической сети;
развитие теории схемы Скотта и построение на её основе трансформаторных устройств для взаимного преобразования сим-
метричкой трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему напряжений со стабилизацией фазового сдвига иеаду выходными напряжениями;
теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов при преобразовании числа фаз, рассмотрение режимов совместной работы несимметричных электропотребителей, трансформаторных преобразователей и питакщих трёхфазных электрических сетей;
оценка возможностей и исследование применимости трансформаторных преобразователей числа фаз для четкрёхфазных электропередач и двухфазной электропередачи с землей в качестве обратного провода;
технико-экономическое сравнение трансформаторного и трансформаторно-тиристорного преобразования числа фаз.
Методы исследований Для решения поставленных задач применялись методы анализа и синтеза схем, методы аналитических исследований (метод векторных диаграмм, гармонический анализ, метода симметричных составляющих и зеркальных отображений), методы математического моделирования на ЭВМ, физическое моделирование .
Работа основана на фундаментальных законах и положениях теоретических основ электротехники, электрических машин и теории передачи электроэнергии.
Достоверность основных научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена сопоставительными расчетами режимов совместной работы потребителей энергии, преобразователей числа фаз и питающих электрических сетей, а также экспериментальной проверкой результатов на физических моделях устройств преобразования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Сформулированы принципы и теория преобразования числа фаз на основе метода преобразования координат и обобщенного вектора для трансформаторного способа преобразования.
-
Разработаны методические основы и теория преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в однофазное или двухфазное напряжения на базе трансформаторно-тиристорной техники с симметрированием токов питающей трёхфазной сети независимо от величины и характера нагрузки.
-
Предложены и теоретически обоснованы новые схемы трансформаторных преобразователей числа фаз со стабилизацией 90--градусного сдвига между выходными напряжениями, обеспечивающие лучшую электромагнитную совместимость электропотребителей с питающими электрическими сетями.
-
Найдены закономерности изменения параметров фазосдви-гающих элементов в зависимости от параметров трёхфазной нагрузки и тока однофазной сети при преобразовании однофазного напряжения в трёхфазную систему напряжений.
-
Разработаны схемные решения устройств и теоретические основы преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в четырёх- и многофазную системы напряжений на двух однофазных трансформаторах.
-
Исследована возможность передачі! энергии переменного тока по двум полюсам линии постоянного тока с двухфазной системой напряжений и землей в качестве обратного провода для сооруженного участка передачи постоянного тока (ЩТ) Экибастуз--Центр.
Практическая ценность
-
Разработан общий алгоритм построения систем преобразования числа фаз на трансформаторах, что позволяет осуществить проектирование любых преобразователей и оценить условия их электромагнитной совместимости в электрических системах.
-
Предложенные трансформаторные преобразователи числа фаз со стабилизацией 90-градусного сдвига между выходными напряжениями при значительном разбалансе нагрузок по фазам обеспечивают на практике меньшую несимметрию токов и напряжений электрических сетей.
-
Предложен способ преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений частотой 50 Гц в однофазное напряжение частотой 75 Гц с симметричной загрузкой питающей трёхфазной сети независимо от величины и характера нагрузки. Разработано схемное решение трансформаторно-тиристорного устройства для питания устройств сигнализации и блокировки, а также тяговых нагрузок на участках железных дорог, электрифицированных на однофазном переменном токе. Это схемное решение принято к внедрению при разработке опытного образца преобразователя числа фаз в Дорожной электротехнической лаборатории
Западно-Сибирской железной дороги.
4. Разработана система автоматического управления параметрами реактивных элементов для создания симметричной трёхфазной системы напряжений на нагрузке при питании от однофазной сети.
Реализация результатов работы
1. Предложенные способы взаимного преобразования трёхфаз
ной системы напряжений в четырёхфазную систему используются
в отделе транспорта электроэнергии Сибирского НИИ энергетики при разработке перспективных четырёхфазных электропередач.
-
Преобразователи симметричной трёхфазной системы напряжений в многофазные системы приняты к внедрению на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги и Новосибирского метрополитена для использования в многопульсовых выпрямителях.
-
Разработаны преобразователи однофазного тока в трёхфазный мощностью 3 кВт, выпущены мелкой серией и используются при выполнении электромонтажных работ трестом "Сибэлектро-монтак" на предприятиях Западно-Сибирского региона, Якутии
и Хакассии.
-
Предлагаемые способы преобразования трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему на базе трансформаторов приняты к внедрению и включены в рабочий проект перевода участка линии ІЇЇІТ Экибастуз-Центр протяженностью 600 їда для передачи по этому участку электрической энергии переменного тока.
-
Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе Новосибирского, Челябинского, Монгольского государственных технических университетов и Азербайджанской государственной нефтяной Академии.
Апробация работы Полученные результаты исследований докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях по проблемам силовой электротехники (Новосибирск, 1967г.,1968г, 1972г,І994-96ГГ; Омск,1969г); в СКВ Запорожского трансформаторного завода (Запорожье,!986г); на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (Новосибирск, 1993г); на научной конференции с международным участием "Проб-
лемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994т); на Российской научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск,1994т); на второй и третьей международных конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1994г, 1996г); на научно-технической конференции "Энергетика, экология, надежность" (Томск, 1994г); на международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана" (Павлодар, 1994г); на третьей международной конференции "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий" (Мариуполь, 1994т); на научных семинарах кафедр НГТУ (Новосибирск, 1993~98гг) и Петербургского государственного университета путей сообщения (С-Петербург, Г997г).
Публикации По теме диссертации автором опубликовано
более 40 печатных работ, выпущено 7 отчетов по научно-исследовательской работе, получено авторское свидетельство на изобретение.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения; содержит 250 страниц машинописного текста с приложениями; иллюстрирована 48 рисунками; содержит 23 таблицы; список литературы на 16 страницах, включающих 145 наименований. В приложениях содеряатся вспомогательные и дополнительные материалы, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы.
