Содержание к диссертации
Введение
1. Развитие схемотехники преобразователей в ходе их исторического совершенствования 13
1.1. Развитие схемотехники как отражение совершенствования электронных приборов, составляющих основу выпрямительной части устройств преобразования 13
1.2. Топологические особенности систем вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов 16
1.3. Топологии схем преобразователей числа и сдвига фаз 23
1.4. Топологии вентильных схем преобразователей 28
1.5. Состояние проблемы структурного синтеза вентильных преобразователей переменного тока в постоянный 29
1.6. Развитие общих принципов создания полупроводниковых преобразователей и основ синтеза схем выпрямителей с естественной коммутацией 32
1.6.1. Способ синтеза вентильных схем преобразователей 32
1.6.2. Известные способы формирования кривой выпрямленного напряжения и генерации схем преобразователей числа и сдвига фаз 36
1.7.Основные результаты и краткие выводы 47
2. Совершенствование теории схемотехнического анализа и структурного синтеза выпрямителей 50
2.1. Общие положения 50
2.2. Метод анализа и синтеза схем выпрямления, основанный на топологии вращающихся векторных диаграмм 52
2.3. Закономерности, лежащие в основе методов синтеза схем выпрямления с естественной коммутацией 71
2.4. Метод синтеза схем выпрямителей с последовательно-параллельной работой систем переменных напряжений (метод временных диаграмм) 74
2.5. Совершенствование метода генерации схем преобразования числа и сдвига фаз 82
2.5.1. Геометрический подход к построению систем вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов 82
2.5.2. Геометрический способ построения преобразователей числа и сдвига фаз 89
2.6. Основные результаты и краткие выводы 115
3. Методики для расчета мощности потерь в вентилях и технико-экономического сравнения выпрямителей 117
3.1. Развитие методик расчета числа полупроводниковых приборов в вентильных плечах выпрямителей и мощности потерь в вентилях выпрямительных агрегатов тяговых подстанций 117
3.1.1. Расчет числа диодов, соединенных в вентильном плече последовательно 117
3.1.2 Мощность потерь в вентилях мостовых и кольцевых схем 125
3.2. Технико-экономическое сравнение преобразователей по мощности потерь в вентилях мостовых и кольцевых схем 133
3.3. Основные результаты и краткие выводы 139
4. Разработка методики оценки влияния конструктивной несимметрии 140
4.1. Разработка методики оценки конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов 140
4.1.1. Установочные положения 140
4 4.1.2. Анализ конструктивной несимметрии в многопульсных преобразователях тяговых подстанций электрического транспорта и разработка рекомендаций для ее учета 141
4.2. Геометрические методы исследования процессов коммутации и влияния конструктивной несимметрии 149
4.3. Применение векторных диаграмм с полярными графиками 153
4.4.Основные результаты и краткие выводы 163
5. Проверка основных положений теории анализа исинтеза схемных решений на моделях 164
5.1. Основные результаты схемотехнического анализа устройств преобразования с помощью метода вращающихся векторных диаграмм 164
5.2. Математические модели электромагнитных процессов в трехфазных двенадцатипульсных выпрямителях последовательного типа 167
5.3. Коэффициенты полезного действия мостовых и кольцевых выпрямителей, полученные по математической модели 173
5.4. Результаты испытаний выпрямителей на физических моделях— 177
5.5. Предложение по применению кольцевых вентильных схем на тяговых подстанциях электрического транспорта 185
5.6. Основные результаты и краткие выводы 186
Заключение 188
Список литературы 190
Приложение 1 199
Приложение 2 210
- Топологические особенности систем вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов
- Метод анализа и синтеза схем выпрямления, основанный на топологии вращающихся векторных диаграмм
- Расчет числа диодов, соединенных в вентильном плече последовательно
- Анализ конструктивной несимметрии в многопульсных преобразователях тяговых подстанций электрического транспорта и разработка рекомендаций для ее учета
Введение к работе
Известно, что доминирующая доля электроэнергии (более 80 %) вырабатывается на основе использования невозобновляемых сырьевых ресурсов, запасы которых в настоящее время истощаются [1]. В связи с этим экономия электрической энергии приобретает особую актуальность.
Общеизвестно, что значительная часть электроэнергии переменного тока, получаемой при выработке, преобразуется в энергию постоянного электрического тока. Объемы электрической энергии, перерабатываемой в электротехнических комплексах транспорта, превышают объемы переработки во многих других производственных отраслях, причем существенная часть электроэнергии доходит до потребителя на постоянном токе.
Таким образом, развитие и совершенствование преобразовательной техники одно из приоритетных направлений по достижению экономного использования электроэнергии. Выступая в качестве промежуточного звена в цепи «питающая сеть - преобразователь - потребитель», преобразовательная техника, оснащенная современным высокоэкономичным оборудованием, должна обеспечивать, в первую очередь, решение проблем электромагнитной совместимости и снижения затрат на электропотребление во всех звеньях системы электроснабжения. Необходимо отметить, что важность энергосбережения подтверждена и закреплена законодательно в Федеральной целевой программе "Энергоэффективная экономика на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года", утвержденной Правительством России в декабре 2001 года (№796), что относит решение проблемы энергосбережения к приоритетному направлению исследований.
Многочисленные исследования и опыт эксплуатации показали, что одним из способов повышения экономичности при преобразовании переменного тока в постоянный ток является повышение пульсности выпрямленного напряжения. Тяговые подстанции электрического транспорта в большинстве своем оборудованы шестипульсными выпрямительными агрегатами (ВА). Часть ВА железнодорожного транспорта в 70-80 годы была переведена на
72-пульсные схемы выпрямления, что дало значительный скачок в экономии электроэнергии при её преобразовании и потреблении. Существенную роль в повышении экономичности сыграло увеличение коэффициента мощности преобразователей с 0,88...0,91 до 0,97...0,98 при переходе, соответственно, от шести- к /2-пульсному выпрямлению. Однако, при объективно фиксированном (на данный момент) уровне напряжения постоянного тока, тяга постоянного тока может быть выигрышна по сравнению с тягой переменного тока лишь при уменьшении капиталовложений в устройство и оборудование тяговых подстанций. Это возможно при повышении пульсности выходного напряжения выпрямителей тяговых подстанций со значений 6, 12 до значения 24 и выше. Увеличение жесткости внешней характеристики ВА, связанное с повышением пульсности, позволит увеличить расстояние между соседними подстанциями, а значит уменьшить количество подстанций на участках железных дорог.
На электрическом транспорте, в том числе железнодорожном, метрополитене, городском и промышленном, осуществляются крупномасштабные пассажирские и грузовые перевозки, что обуславливает естественный износ оборудования, причем у большей части энергопреобразующего оборудования превышены установленные эксплуатационные сроки.
Рядом решений, принятых на федеральном уровне, предусматривается плановый вывод из эксплуатации изнашиваемого энергопреобразующего оборудования и замена его на новое оборудование или модернизация устаревшего оборудования. Учитывая актуальность вопроса о снижении затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей технических средств электрического транспорта, систем тягового электроснабжения, в частности, преобразователей тяговых подстанций, для новых или модернизируемых ВА применяются современные материалы и компоненты. Однако, новые схемные решения, как правило, не используются. Вместе с тем исследования показывают возможность создания выпрямителей с улучшенными технико-экономическими показателями. Поэтому дальней-
7 шее развитие методов построения многопульсных преобразователей — одно
из перспективных направлений по снижению затрат на электропотребление в
преобразовательном процессе.
Повышение энергетических показателей выпрямительных устройств невозможно без активизации исследований по целому ряду направлений.
Одним из этих направлений можно признать поиск решений по снижению энергетических потерь в трансформаторных преобразователях числа фаз (ТПЧФ). Совершенствованию схемных решений фазопреобразующих устройств на трансформаторах предшествовали фундаментальные исследования электромагнитных процессов в многофазных электрических сетях. Такие исследования успешно проводились учеными Шидловским А.К., Адаменко А.И., Мостовяком И.В., Кисленко В.И., Музыченко А.Д., Жуковым Л.А., Ворфоломеевым Г.Н., Пинцовым A.M., Тамазовым А.И. Построению и развитию схем ТПЧФ уделено много внимания в трудах Бамдаса A.M., Лисуно-ва В.Н., Лося Ю.А., Лейтеса Л.В., Миляха А.Н., Салихова С.С., Шапиро СВ., Шницера Л.М., Цейтлина Л.А. и других авторов.
Вторым, не менее важным направлением исследований, позволяющим снизить потери электроэнергии при преобразовании одного её вида в другой, являются фундаментальные исследования и разработка новых преобразовательных элементов. Силовая электроника сделала огромный скачок в своем развитии после разработки и начавшегося внедрения полупроводниковых преобразовательных элементов. Значительный вклад в развитие полупроводниковой электроники сделан учеными отечественной школы Иоффе А.Ф., Курчатовым И.В. и представителями зарубежной науки У. Шокли, У. Брайтоном, Дж. Бардоном, Л. Эсаки. Стабильность параметров и хорошие эксплуатационные показатели полупроводниковых приборов позволили внедрить преобразовательную технику на полупроводниках в различные области применения.
Третьим, соединяющим в себе все достижения в области преобразования числа фаз и в области совершенствования преобразовательных элементов,
8 является направление системотехнического (структурного) синтеза и схемотехнического анализа преобразовательных устройств, в том числе и выпрямителей. Разработке и исследованиям многопульсных В А уделено много внимания в работах таких известных авторов, как Круг К.А., Каганов И.Л., Вологдин В.П., Шляпошников Б.М., Глинтерник СР., Завалишин Д.А., Бутаев Ф.И., Эттингер Е.Л., Зажирко В.Н., Поссе А.В., Мамошин P.P., Пупынин В.Н., Костенко М.П. Создателями ранних схемных решений ВА и их первыми исследователями были Каллир Л., Поллак Ш., Корренс, Штейнмец Ч., Грэц Л., Латур, Бэрсто, Делон, Кюблер, Ларионов А.Н., Вологдин В.П. Новые схемотехнические решения, иногда удачные, а чаще представляющие полезный для успеха дальнейших исследований поисковый шаг, отражены в изобретениях Аслан-заде А.Г., Игольникова Ю.С, Дубовова Г.И., Ахмерова Р.А., Белозерова А.Л., Гайнцева Ю.А., Кантаровского А.К., Поссе А.В., Токмаковой И.А. Прогрессивные схемотехнические решения отражены в работах Потапова Ю.В., Петлякова А.И. и Глуха Е.М. А, в некоторых творческих работах Аслан-заде А.Г. просматриваются элементы методов генерации схемных решений преобразователей числа и сдвига фаз для многопульсных выпрямителей. Фундаментальное развитие теоретических основ анализа многопульсных схем выпрямления заложено в трудах Булгакова А.А., Урманова Р.Н., Фишлера Я.Л., Маевского О.А., Пестряевой Л.М., Буденного В.Ф., Размадзе Ш.М. Значительно способствовали практическому внедрению многопульсных выпрямителей исследования, проведенные коллективом ученых Омского государственного университета путей сообщения: Шалимовым М.Г., Барковским Б.С, Маценко В.П., Виноградовым Ю.К., Ма-гаем Г.С, Комяковой Т.В. и другими.
Анализ существующих схем многопульсных ВА показывает, что схемное решение выпрямителя предопределяет величину коэффициента использования вторичных обмоток трансформаторов по мощности, т.е. массогаба-ритные и стоимостные показатели преобразователей. Большое внимание к совершенствованию методик расчета установленных мощностей и энергети-
ческих показателей вентильных преобразователей уделено в работах ученых
Новосибирского государственного технического университета Грабовецкого Г.В., Харитонова С.А., Зиновьева Г.С., Ворфоломеева Г.Н., Щурова Н.И., Сопова В.И., Мятежа СВ.
Однако, структурному синтезу схем преобразования переменного напряжения в постоянное с естественной коммутацией (переключением цепей тока) в современной технической литературе уделено недостаточно внимания.
В связи с вышеуказанной проблемой можно сказать, что определенный интерес должны вызывать разработки и исследования новых многопульсных преобразователей, сочетающих в себе экономичность преобразования, простоту и надежность схемных построений.
В диссертации рассматриваются только преобразователи с естественной коммутацией, предназначенные для передачи электроэнергии из трехфазных сетей переменного тока в сети постоянного тока без внешнего управляющего воздействия, т.е. неуправляемые выпрямители. Анализируются преобразовательные процессы в неуправляемых выпрямителях, разработанных как коллективно, при участии автора, так и лично автором.
Под естественной коммутацией в данном исследовании понимается то, что она обеспечивает переключение потоков электроэнергии в заданном направлении вследствие процесса естественного изменения междуфазных напряжений вентильных обмоток. Изменения последних обеспечивают поочередное переключение коммутирующих вентилей и смену токообразующих ЭДС с периодичностью, определяющей пульсность преобразователя.
Схемотехнический анализ известных схемных решений преобразователей и структурный синтез новых решений основан на идеализации преобразователя, подразумевающей отсутствие накопления электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии.
В качестве неуправляемых вентилей при рассмотрении выпрямительных устройств, с целью обобщения, выбраны полупроводниковые диоды. Из-за
10 относительно небольшой частоты синусоидальных колебаний токов и напряжений в питающей сети к диодам (вентилям) не предъявляется жестких требований.
Под числом пульсаций (кратностью частоты пульсаций выпрямленного напряжения; пульсностью выпрямителя) понимается отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока выпрямителя к частоте напряжения на стороне переменного тока.
Все выкладки, рассуждения и расчеты прикладного характера для рассматриваемых преобразователей проводятся с учетом целевой ориентации на преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока для нужд электрического железнодорожного (ж.-д.) транспорта. Вместе с тем, область применения выпрямительных устройств, исследуемых в диссертации, может быть значительно расширена при использовании вентильных преобразователей в качестве источников постоянного тока с неизменным или регулируемым выходным напряжением для таких потребителей как: электрическая тяга на постоянном токе в различных транспортных комплексах; электролизные и гальванические производства с номинальными токами до 100 кА; зарядно-разрядные устройства различных накопителей энергии; источники питания радиостанций и передающих устройств; электростатические пылеуловители и другие фильтрующие устройства. Такие выпрямители могут применяться также в преобразовательных установках для систем передачи энергии постоянным током.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов схемотехнического анализа и структурного синтеза неуправляемых многофазных вентильных преобразователей переменного тока в постоянный; разработка и схемотехнический анализ преобразователей с улучшенными технико-экономическими показателями.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи. 1. Анализ существующих схемных решений многофазных вентильных преобразователей переменного тока в постоянный и известных методов структурного
синтеза.
Выявление и обобщение закономерностей, связывающих фазовременную структуру результирующих напряжений преобразовательных трансформаторов с топологией вентильных схем (ВС) преобразователей.
Определение основных правил построения схем преобразования, разработка методик схемотехнического анализа и структурного синтеза, а также новых схемных решений многофазных преобразователей.
Получение расчетных выражений, устанавливающих взаимосвязь токов и напряжениями в цепях синтезированных преобразователей с выходными параметрами.
Оценка эффективности применения кольцевых схем выпрямления (на примере тяговых подстанций железнодорожного транспорта).
Проведение модельных и экспериментальных исследований разработанных преобразовательных устройств, подтверждающих достоверность теоретических положений.
Методы исследования. Для решения сформулированных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических исследований положены методы теории электрических и магнитных цепей, методы структурного синтеза и схемотехнического анализа, геометрический метод представления синтезируемых моделей и метод топологических графов, методы комбинаторики; методы алгебры, методы, основанные на использовании векторных и временных диаграмм, метод гармонического анализа. Расчеты и математические модели выполнены с помощью математического моделирования в средах. «MathCAD» и «Math lab».
Достоверность исследований обеспечивалась синтезом и анализом схем по нескольким методам, сходимостью результатов математического моделирования и экспериментов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VI,VII международных конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП- 2004, 2006 (Новосибирск), (The 7th,8n
12 International scientific-technical conference "Actual Problems of electronic
instrument engineering proceedings" APEIE-2004, 2006); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические комплексы и системы» (3-5 сентября, Томск — 2003); V международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», МКЭЭЭ - 2003 (22-27 сентября 2003 г., Крым, Алушта); Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск - 2004); The 1st Russia-Korea international forum on research and in- -novation activities (May 25 -26, 2004 — Novosibirsk); II научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (Новосибирск — 2005); научно-технических семинарах кафедры «Электротехнические комплексы» НГТУ (2004 -2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в числе которых: 4 научных статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ; 2 опубликованных доклада на научных конференциях; 3 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 95 наименований и приложений. Общий объем диссертации 198 страница основного текста, содержащего 80 рисунков и 19 таблиц.
Топологические особенности систем вторичных обмоток преобразовательных трансформаторов
Исторически сложилось так, что практически до второй половины XX века схемотехника выпрямителей развивалась, опираясь в основном на эвристические способы синтеза схем. Причем первые схемы выпрямления обязаны своим появлением зарождению радиоэлектроники. Впервые наблюдавшееся Эдисоном в 1883 г. явление термоэлектронной эмиссии было предпосылкой бурного внедрения в преобразовательную технику электронных выпрямителей переменного тока, постепенно вытеснивших механические преобразователи. Изобретение ртутного выпрямителя в 1902 году (Р.С. Hewitt) послужило мощным стимулом внедрения неуправляемых выпрямителей для питания установок постоянного тока [2]. В 1903 г. американец Купер Юитт разработал конструкцию ртутного выпрямителя в железном сосуде, но не сумел довести ее до промышленного применения [3]. Первый же металлический выпрямитель промышленного типа мощностью 20 кВт на 110 — 165 В был разработан в 1911 г. Шеффером (Германия) [3], и наиболее высокий спрос такой выпрямитель получил на электрической тяге. В 1904 г. английский ученый Д.А. Флеминг, опираясь на открытие Эдисона, разработал кон-струкцию двухэлектродной лампы-диода и предложил применять свойство односторонней проводимости диода для детектирования высокочастотных сигналов в радиоприемнике [4]. Схемотехника детектора фактически соответствует схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 1.1,а).
Опережая развитие элементной базы выпрямителей (под выпрямителем ранее подразумевался прибор с односторонней проводимостью), исследователи еще в XIX веке искали схемные решения статических преобразователей как альтернативу широко применявшимся в промышленности механическим выпрямителям.
Фактически, все базовые схемы выпрямителей, применяемые в настоящее время, были открыты еще в XIX веке. Часть из них показана на рис. 1.1 практически в том же исполнении, в котором они приведены в [3]. Топология построения выпрямителей, ранее определявшаяся как «схема включения выпрямителя», была тесно связана как с техническими возможностями выпрямительных элементов, так и с числом сетевых фаз и с полупериодичностью выпрямления. Например, под однофазной схемой включения подразумевался однополупериодный выпрямитель, а слово «однофазная» обозначало и число сетевых фаз и число пульсаций за период. Мостовой двухполупериодный выпрямитель однофазного тока (рис.1.1,е) часто называют схемой Грэца, одного из популяризаторов этой схемы.
Выпрямитель, имеющий отвод от средней точки в обмотке трансформатора, раньше называли двухфазной схемой (рис. 1.1,б). Как расширение этого выпрямителя по числу фаз, соединенных в общую нулевую точку, появились многофазные выпрямители: трехфазные (рис. 1.1,в) и шестифазные (1.1,г). Так, схема шестифазного выпрямления с дросселем Кюблера, приведенная на рис. 1.2,0-, в современной терминологии - шестифазный выпрямитель трехфазного тока с соединением вторичных обмоток трансформатора звезда - обратная звезда с уравнительным реактором (УР); в технической литературе: нулевая шестипульсовая схема. Схема выпрямителя трехфазного тока (схема Миткевича) с однонаправленной работой вторичных обмоток, имеющих нулевой вывод, и трехпульсным выпрямленным напряжением (в технической литературе: нулевая трехпульсовая схема), стала базовой схемой для получения шестифазной каскадной выпрямительной схемы, показанной на рис. 1.1 ,д (схема Вологдина) и составной частью выпрямителя трехфазного тока по мостовой схеме [5], показанной на рис. 1.2,6 (в технической литературе: мостовая шестипульсовая схема или схема Ларионова).
Эту схему (рис. 1.2,6) в настоящее время часто называют вентильной схемой Ларионова [6], изобретшего данную конструкцию самостоятельно, но позднее Каллира. А в книге В.П. Вологдина «Выпрямители» (1936 г.) [3] такая структура названа каскадной схемой шестифазного (шестипульсного) выпрямления по Грэцу (рис.1.1,з). Необходимо отметить, что именно наш соотечественник В.П. Вологдин внес большой вклад в развитие схемотехники выпрямителей, предложив в 1921 г. шестифазную каскадную выпрямительную схему (рис. 1.1 ,д), отвечавшую параметрам применяемых тогда ртутных выпрямителей с жидким катодом.
Агрегатно-модульный подход, просматриваемый в создании практически всех рассмотренных базовых схемных решений выпрямителей (каждая более сложная схема, с новыми свойствами, состоит из менее сложных) - это исторически первый метод синтеза, значение которого нельзя недооценивать, и развитие которого продолжается до сих пор [5,7]. Синтез преобразовательных схем, как направление научных исследований, получил значительное ускорение только после прогресса в развитии элементной базы выпрямителей, когда повсеместно вакуумные, ртутные, ионные приборы стали заменяться более совершенными, полупроводниковыми. Однако, до сих пор, при переработке больших объемов электроэнергии используются выпрямители по схемным решениям позапрошлого и прошлого века.
Метод анализа и синтеза схем выпрямления, основанный на топологии вращающихся векторных диаграмм
Как отмечено в [37] синтез схемных решений лежит на стыке двух этапов проектирования: системотехнического, определяющего структуру преобразователя и схемотехнического, когда выполняется приближенный расчет выбранных или синтезированных схем и более детальный анализ и проработка проекта. Ориентируясь на задачи указанных этапов, в рамках исследований, проводимых автором в составе творческого коллектива кафедры ЭТК НГТУ, были получены методы синтеза новых схем вентильных преобразователей, позволяющие также проводить схемотехнический анализ сложных схемных построений без применения длительных и трудоемких процедур.
Изучение процессов в преобразователях переменного тока в постоянный ток, особенно в выпрямителях с естественной коммутацией [9 - 25, 32, 37 -52], привело к предположению, что любые связанные или несколько несвязанных систем переменных (двуполярных) напряжений преобразуемы в однополярную систему результирующих напряжений с помощью закономерно сформированной структуры однонаправленных электрических цепей коммутации (вентильной схемы). Основанием для данного утверждения являются исследования, позволившие выявить закономерную, информативную связь топологических (визуальных) структур систем переменных напряжений ВО с построением ВС.
Обычно в литературе естественность коммутации рассматривается в аксиомном плане. Например, в [53]: «Коммутация, необходимая для обеспечения требуемого потока энергии в желаемом направлении, возникает в преобразователе с естественной коммутацией вследствие изменения междуфазного напряжения». Заданное направление потока энергии поддерживается в выпрямителе с помощью особого для каждого из выпрямителей построения вентильной конструкции и способа ее связи с нагрузкой и источником переменного тока. В [32] обращено особое внимание на то, что режимы работы ВС тесно связаны с работой ТПЧФ. Современные многопульсные преобразователи строятся по эквивалентным многофазным схемам выпрямления на основе базовых, известных схем. Так, шестипульсный мостовой выпрямитель служит базовым для построения более сложных многопульсных преобразователей. Обычно новые схемные решения находятся интуитивно, на изобретательском уровне. Вместе с тем, закономерное перемещение векторов результирующих напряжений ТПЧФ можно связать с формированием ВС путем фиксации структуры синтезируемых цепей в моменты формирования пульсаций выпрямленного напряжения (при любых векторных диаграммах напряжений ВО и при любой пульсности выпрямителя). В соответствии с этим утверждением любую, сколь угодно сложную систему напряжений, можно представить дискретными, но естественно перемещающимися (при набеге фаз) на комплексной плоскости векторными системами. При этом необходимо учитывать, что конфигурация систем, изменяющаяся с периодичностью, зависящей от периодичности выпрямления, должна соответствовать закону равенства радиус-векторов результирующих напряжений (или разностей потенциалов между дискретно перемещаемыми и, по возможности, максимально отдаленными друг от друга точками потенциальной комплексной плоскости). В фиксированных положениях векторных систем, независимо от способа формирования результирующих напряжений и от числа систем напряжений ВО, участвующих в преобразовательном процессе, оказалось возможным выявить все однонаправленные вентильные связи между рабочими точками питающих систем и нагрузкой постоянного тока, а также связи систем между собой, если в преобразовательном процессе участвует более одной системы. Полученные таким путём связи определяют топологию ВС преобразователя. Установлено, что для синтеза, основанного на естественно-закономерном определении электрических связей, можно использовать как векторные, так и временные диаграммы переменных напряжений ВО. Для анализа и синтеза схем выпрямителей разработан топологический метод [51,54] в котором каждое результирующее выпрямляемое напряжение ВО рассматривается как максимально возможная разность потенциалов на топографической потенциальной плоскости, содержащей развернутые во времени (вращающиеся) векторные диаграммы систем напряжений ВО. Материалом для синтеза ВС служат результаты анализа вращающихся векторных диаграмм напряжений ВО, представленных ребрами графов (лучами). Схемотехнический анализ и структурный синтез схем основаны на использовании геометрической конфигурации цепей в виде топологических графов [55], включающей в себя элементы ВС, представленные в виде эквивалентных узлов, содержащих узлы с набором инциденций из вентилей. Порядок проведения топологического анализа векторных диаграмм рассмотрим на примере трехфазных систем напряжений ВО. При анализе примем, что модули векторов фазных и линейных напряжений отражают их амплитудные значения. Амплитуда линейного напряжения симметричной трёхфазной системы напряжений принята базовой и равна относительной единице (1,0 о.е.). Векторы результирующих напряжений ВО ТПЧФ многопульсных выпрямителей формируются путем сложения векторов трёхфазных систем напряжений, подключенных к трёхфазным вентильным мостам. Для многомостовой схемы угол сдвига между одноимёнными векторами смежных трехфазных систем определен, как Зт-т = 2ж/р , где/? кратность частоты пульсации выпрямленного напряжения.
Расчет числа диодов, соединенных в вентильном плече последовательно
Необходимо отметить, что основными препятствиями, ограничивающими внедрение выпрямителей с числом пульсаций выпрямленного напряжения более двенадцати являются проблемы, связанные со сложностью разработки эффективных методик инженерных расчетов трансформаторного оборудования, оптимально учитывающих при размещении ВО в окне магнитопровода влияние сопротивлений рассеяния, обеспечивающих симметрирование индуктивных сопротивлений и минимальные потери в вентильных обмотках [81]; соответственно, возникают технологические сложности при изготовлении трансформаторов с увеличенным числом обмоток [82]. Существенны проблемы, связанные с несимметрией питающих напряжений, когда даже при допустимой несимметрии в 0,2 % [63] эффективность преобразования при повышенной фазности преобразователя существенно снижается [64], а также проблемы, связанные с несинусоидальностью сетевых токов [65,66].
Немаловажным отрицательным фактором, является проблема, связанная с конструктивной несимметрией ВО, усложняющаяся при изготовлении преобразователей, собранных по последовательным схемам. Поэтому, учитывая перспективность повышения числа пульсаций до двадцати четырех, следует признать наиболее оптимальным применение на тяговых подстанциях электрифицированного транспорта двухкаскадных 72-пульсных кольцевых выпрямителей последовательного типа или выпрямителей с большей пульсно-стью (18, 24), но с числом последовательных каскадов преобразования не более двух.
Исходя из параметров систем электроснабжения ж.-д. транспорта на постоянном токе, применение схем последовательного типа, обеспечивающих увеличение числа пульсаций выпрямленного напряжения, ограничено конструктивной несимметрией вентильных обмоток и возрастанием мощности потерь в вентилях многокаскадных ВС 18- и 24- пульсных ВА. Поэтому наиболее рациональным представляется использование двухкаскадных 72-пульсных выпрямителей последовательного типа с кольцевой ВС или выпрямителей с большей пульсно-стью, выполненных по двухкаскадной схеме.
В результате исследований: 1. Разработаны и обоснованы методика определения числа СПП, последовательно включенных в вентильных плечах, и методика определения мощности потерь в СПП вентильных преобразователей, выполненных по мостовым и кольцевым схемам последовательного типа, обобщенные для выпрямителей с различным числом пульсаций выпрямленного напряжения. 2. На основе разработанных методик проведено технико-экономическое сравнение мостовых и кольцевых схем, показавшее возможность снижения мощности потерь в СПП вентильных установок ВА тяговых подстанций ж.-д. транспорта на 25 % при переходе к кольцевым ВС. Переоборудование 72-пульсных мостовых выпрямителей по кольцевым схемам позволит сэкономить примерно 147 тыс. кВт-ч электрической энергии ежегодно только в одном ВА при 60 % его загрузки.
Исследование процессов преобразования в выпрямителях тяговых подстанций электрического транспорта на постоянном токе с кратностью частоты пульсаций выпрямленного напряжения 12 и более показало, что одним из препятствий для внедрения многопульсных выпрямителей является конструктивная несимметрия вентильных обмоток (ВО) трехфазных преобразовательных трансформаторов [66,82,83]. Так, тяговый трансформатор ТРДП -12500/10ЖУ1 с номинальной мощностью 11400 кВ-А, предназначенный для 72-пульсной схемы выпрямления последовательного типа, имеет числа витков в частях вентильных обмоток, соединенных по схемам треугольника и звезды, соответственно 26 и 15, что обеспечивает уровень выпрямленного напряжения 3300 В. При исполнении ВО с указанными целыми числами витков возникает несимметрия между линейными напряжениями симметричных трехфазных систем напряжений, которую можно оценить коэффициентом конструктивной несимметрии вентильных обмоток:
Анализ конструктивной несимметрии в многопульсных преобразователях тяговых подстанций электрического транспорта и разработка рекомендаций для ее учета
Экспериментальная проверка теоретических формул для определения параметров элементов ВС подтвердила их обоснованность. Оценка мощности потерь в плечах выпрямителей осуществлена осциллографическим способом [32] с применением метода графического интегрирования. Эксперимент подтвердил снижение потерь мощности в вентилях кольцевого 72-пульсного выпрямителя на 25% по отношению к потерям в вентилях мостового выпрямителя.
В настоящее время на железнодорожном электрическом транспорте находят широкое применение серийно выпускаемые /2-пульсные ВА, состоящие из трехфазных трансформаторов и вентильных блоков, собранных по мостовым схемам выпрямления. Поэтому переход к схемам выпрямления с кольцевой вентильной схемой возможен путем модернизации оборудования вентильных шкафов выпрямителей. Шестипульсные преобразователи, у которых превышены установленные сроки эксплуатации, но сохранилось приемлемое по электромагнитным параметрам качество магнитопроводов и катушек, могут быть реконструированы в 72-пульсные схемы по отработанной и зарекомендовавшей себя на практике методике переоборудования вентильных обмоток [66], с одновременным переходом к кольцевым схемам построения выпрямителя. Более 2000 выпрямительных агрегатов на ТП ж.-д. транспорта России, оборудованные выпрямительными установкам по трем основным схемам выпрямления, рано или поздно будут переоснащены блоками БСЕ1. При замене выпрямителей, выработавших ресурс, ЦЭ МПС указанием № П - 5/97 [93] рекомендует использовать блоки БСЕ безшкафной конструкции. Учитывая это, были проработаны возможные варианты внедрения кольцевых вентильных схем, приведенные в Приложение 2, которые вместе с другими материалами работы по внедрению были представлены в Управление Зап.-Сиб. ж.-д., рассмотрены и одобрены. Положительное решение «Об испытаниях преобразовательных агрегатов» Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» дает возможность проведения соответствующих испытаний кольцевых вентильных схем после соответствующих оргмероприятий и финансирования.
Традиционное использование шестифазных преобразователей в системе электроснабжения городского электрического транспорта при возрастающих требованиях к электромагнитной совместимости, качеству электрической энергии также может быть подвергнуто ревизии [94]. Поэтому, в перспективе, необходимо искать новые схемные решения преобразователей с повышенной фазностью преобразования. Не исключено использование парка нулевых шестипульсных преобразователей для внедрения 24-фазных преобразователей, например, по схеме, приведенной на рис.2.24. 1. Рассмотрены результаты применения разработанных методов структурного синтеза и схемотехнического анализа. Приведены основные результаты схемотехнического анализа 12-и 24-пульсных выпрямителей по предложенным методам и показаны позитивные свойства данных преобразователей: относительно небольшая типовая мощность трансформаторов; снижение мощности потерь в СПИ 12-пульсного преобразователя; высокое качество преобразования электроэнергии 24-пульсным преобразователем. 3. Апробирован метод применения векторных и полярных диаграмм для исследований электромагнитных процессов в преобразователях, на основе которого была составлена математическая модель в среде MathCAD, позволившая: -определять уровни выпрямленных напряжений при заданных величинах конструктивной несимметрии, напряжения короткого замыкания, коэффициента загрузки; - определять уголы коммутации при перечисленных выше аргументах; -строить внешние характеристики выпрямителей; -определять гармонический состав выпрямленного напряжения и фазовые сдвиги гармоник при любых сочетаниях начальных условий; - определять степень искажения выпрямленного напряжения при несим метрии напряжений, формируемых вентильными обмотками; рассчитывать коэффициенты гармоник, искажения и пульсации выпрямленного напряже ния. 4. С помощью математической модели определены КПД 72-пульсных преобразователей с мостовой и кольцевой ВС. Доказано, что КПД преобразователей с кольцевыми ВС выше не менее, чем на 0,25 % по сравнению с КПД преобразователей с мостовыми ВС. 5. Проведена серия опытов, подтвердивших теоретические результаты исследования и снижение мощности потерь в вентилях кольцевых выпрямителей. 6. Сделано оценочное технико-экономическое обоснование по наименее затратному варианту переоборудования выпрямителей тяговых подстанций электрического транспорта на более экономичные схемы выпрямления. Разработка новых научных подходов к построению схем многопульсных ВА, представленная в диссертации, связана с необходимостью получения более совершенных преобразователей с улучшенными энергетическими и технико-экономическими показателями. Основной задачей, поставленной и решенной в диссертационной работе, являлась разработка методов структурного синтеза и схемотехнического анализа вентильных преобразователей переменного тока в постоянный и снижение потерь электроэнергии при преобразовании посредством применения новых схем выпрямительных устройств, что должно способствовать решению проблемы ресурсо- и энергосбережения. 1. Выполнен анализ существующих схемных решений ПА и известных методов структурного синтеза, определены общие закономерности коммутационных процессов и правила построения ВС, положенные в основу создания методов, структурного синтеза и схемотехнического анализа неуправляемых преобразователей.
