Введение к работе
Актуальность работы. Тенденции развития автономных электроэнергетических систем (ЭЭС), в частности судовых и корабельных, характеризуются увеличением разнообразия и сложности электрооборудования, широким внедрением силовой электроники и вычислительной техники, автоматизацией управления ЭЭС и ростом разветвленпости распределительной сети. В результате увеличивается как количество и мощность электрооборудования -источников импульсных перенапряжений и сверхтоков, так и потенциальных рецепторов - оборудования, функционирование которого критично к импульсным воздействиям.
Перспективы развития судовых и корабельных электроэнергетических систем характеризуются также ростом энерговооруженности за счет специального оборудования большой единичной мощности, что предполагает применение высоковольтной ЭЭС и решение возникающих в связи с этим проблем электромагнитной совместимости, в том числе и проблемы перенапряжений. Несоответствие между темпами внедрения современных достижений электротехники и электроники и темпами исследований последствий от этого, делает актуальным вопросы совместного функциоїшрования множества различных потребителей электроэнергии в ЭЭС.
Важность исследования переходных процессов (1111) определяется их потенциальной опасностью для системы, где они происходят. Быстрое перераспределение и преобразование энергии при коммутациях в ЭЭС приводит к возникновению перенапряжений и сверхтоков, способных нарушить нормальное функционирование элементов системы. Особенностью ПП в автономных ЭЭС является их комплексное - информационное и энергетическое -воздействие. Информационное воздействие выражается в импульсных помехах (ИП), а энергетическое - в негативном воздействии на изоляцию и пробое силовых полупроводниковых приборов.
Сложность ЭЭС, объединяющей большое количество разнообразных элементов с распределенными и сосредоточенными параметрами, предопределяет необходимость применения упрощающих моделей и методов декомпозиции и анализа сложных систем с целью определения значимых для формирования ПП параметров ЭЭС. Неэффективность известных решений и способов подавления импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) требует исследования и учета фильтрующих свойств сети. Структурная неоднородность ЭЭС с большим количеством разнообразных элементов делает оптимальным подавление ИКП в источнике их возникновения, что требует ис-
следования формирования ІШ, неразрывно связанного с процессом коммутации, критического анализа особенностей коммутационных аппаратов и поиска нестандартных решений.
Важной областью при исследовании механизмов возникновения, формирования и распространения ИКП и ИП, а также их оценки и нормирования, являются вопросы измерений, особенно в условиях функционирующей ЭЭС. В связи с этим весьма актуальным является исследование методов измерений параметров случайных импульсных процессов, их излучения в пространство, а также вероятностных характеристик.
Кардинальное решение проблемы коммутационных перенапряжений и сверхтоков возможно при принципиальном изменении способа коммутации. Отсутствие теории оптимальной коммутации приводит к тому, что существующие решения основаны на эмпирическом опыте. Таким образом, актуальность разработки целостного подхода, основанного на анализе комплекса параметров коммутатора и цепи весьма велика. Значимость решения проблемы оптимальной коммутации определяется широкой областью применения ключевых элементов: от высоковольтных коммутационных аппаратов до силовых полупроводниковых преобразователей и цифровых микросхем.
Цель работы. Целью работы является создание целостной теории ПП при коммутации с ненулевой длительностью, направленной на решение проблемы перенапряжений и импульсных помех при коммутациях в ЭЭС. Достижение данной цели требует:
разработки технических средств и методов измерения и контроля импульсных ПП с целью получения достоверных экспериментальных данных;
анализа причин и закономерностей формирования ПП с целью разработки целостного подхода к проблеме ИКП;
разработки теории оптимальной коммутации с целью минимизация амплитуды ИКП и определение закономерностей взаимосвязей между амплитудой ПП, параметрами цепи и коммутатора;
разработки и метода синтеза оптимального коммутатора в зависимости от параметров коммутируемых цепей.
Методы исследования. Решение поставленных задач достигается за счет применения методов математического моделирования, основанных на системном анализе, теории случайных процессов, дифференциальном исчислении. Численные методы в их приложениях в теории цепей применялись в виде пакетов прикладных программ P-Spice, DesignLab, MLcroCap. Обработка экспериментальных данных проводилась с применением математических и графических программ Mathcad, Origin, TableCurve. Методы активного и пас-
сивного эксперимента являлись основой при получении исходных данных. Оценка адекватности принятых моделей и сходимости полученных результатов выполнялась при проведении натурных измерений и испытаний в реальных ЭЭС и при физическом моделировании на специализированных стендах. Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в совокупности теоретических положений и практических результатов, развивающих перспективное направление в электротехнике и электроэнергетике. Основное содержание этого вклада раскрывается следующими научными положениями, выносимыми на защиту.
-
Закономерности случайных импульсных ПП в ЭЭС с обоснованием локализованное и многокомпонентности импульсных ПП в ЭЭС с разветвленной распределительной сетью.
-
Принцип согласования в анализе максимальных амплитуд импульсных переходных процессов.
-
Основы теории оптимальной коммутации, решающей проблему коммутационных перенапряжений и сверхтоков на основе математической модели коммутации с ненулевой длительностью и комплексного использования активных потерь и длительности коммутации.
-
Закономерности взаимосвязей между затуханием коммутатора Ro/Z0 относительной длительностью коммутации сотк и амплитудой максимума ПП при коммутации с ненулевой длительностью и методики оптимизации формы коммутационной функции и длительности коммутации.
Практические результаты. Практическая ценность работы связана с прикладными аспектами основ теории оптимальной коммутации, а также методами анализа и экспериментального исследования ПП в ЭЭС. Непосредственное применение при проведении НИОКР, проектировании и эксплуатации ЭЭС и электрооборудования автономных объектов имеют следующие результаты работы.
-
Методика декомпозиции и структурного анализа ЭЭС автономных объектов при расчете ИКП.
-
Структура и схемотехника эффективных средств подавления ИП и ИКП на основе компенсационного и активного методов, учитывающих свойства электрической сети и источника возникновения ИКП.
-
Комплекс средств измерений параметров ИКП и ИП в ЭЭС и методики их применения для диапюстики и мониторинга на основе приоритетности пиковых параметров и оптимального приема импульсных излучений.
-
Методика синтеза оптимального коммутатора в зависимости от параметров коммутируемых цепей и заданных уровней ИКП, обеспечивающего
минимизацию дугообразования, эрозии контактов и перенапряжений.
Личный вклад. В диссертации подробно излагаются только те результаты, вклад автора в которые был существенным на всех этапах, включая по становку задачи, непосредственное проведение эксперимента, анализ полученных данных и разработку теоретических положений. Во всех других случаях, используемые материалы приводятся с соответствующими ссылками на их авторство и приоритетные публикации.
Апробация работы. Данная работа выполнена в Марийском государственном техническом университете. Основное ее содержание опубликовано в монографиях "Оптимальная коммутация электрических цепей" "Измерение параметров случайных импульсных процессов в ЭЭС", "Переходные процессы и оптимальная коммутация электрических цепей", в статьях, и докладывалось «а семинарах НТО им. акад. А.Н. Крылова (Санкт-Петербург), симпозиумах ЭМС-96, ЭМС-97, научных чтениях "Белые ночи" (МАНЭБ, Санкт-Петербург), конференциях ДИМЭБ-97 (Санкт-Петербург).
Публикации. Основные материалы по теме диссертации опубликованы в 33 научных работах, том числе в 3 монографиях, 9 статьях, 19 тезисах докладов и 2 авторских свидетельствах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы, 165 наименований, и приложения. Основная часть работы изложена на 287 страницах машинописного текста. Работа содержит 95 рисунков и 12 таблиц.
