Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Улучшение электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с сетью и нагрузкой, их анализ и синтез
1.1 Способы улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с сетью и нагрузкой
1.2 Принципы работы ТПЧФ и области его применения 14
1.3 Методы анализа и параметрического синтеза энергетических установок 22
Выводы по главе 1 28
Глава 2 Преобразовательные устройства на базе трансформаторных преобразователей числа фаз
2.1 Схемы трансформаторных преобразователей числа фаз кратных трем 31
2.2 Принцип формирования МДС трехфазно-девятифазного ТПЧФ 40
2.3 Принцип формирования МДС трехфазно-двенадцатифазного ТПЧФ
Выводы по главе 2 57
Глава 3 Анализ и синтез многофазных преобразовательных устройств на базе ТПЧФ с помощью имитационного моделирования
3.1 Исследование электромагнитных процессов системы трехфазно- девятифазного ТПЧФ – выпрямитель с помощью имитационного моделирования
3.2 Исследование электромагнитных процессов системы трехфазно- двенадцатифазного ТПЧФ – выпрямитель с помощью имитационного моделирования
3.3 Влияние параметров ТПЧФ на характеристики преобразовательных установок
Выводы по главе 3 81
Глава 4 Методика расчета и проектирования многофазных трансформаторов с числом выходных фаз кратных трем
4.1 Экспериментальные исследования трансформаторных преобразователей числа фаз 87
4.2 Уточненная методика расчета основных параметров ТПЧФ. Определение установленной мощности ТПЧФ
4.3 Конструктивные особенности многофазных ТПЧФ 93
Выводы по главе 4 105
Заключение 106
Список литературы
- Принципы работы ТПЧФ и области его применения
- Принцип формирования МДС трехфазно-девятифазного ТПЧФ
- Исследование электромагнитных процессов системы трехфазно- двенадцатифазного ТПЧФ – выпрямитель с помощью имитационного моделирования
- Уточненная методика расчета основных параметров ТПЧФ. Определение установленной мощности ТПЧФ
Принципы работы ТПЧФ и области его применения
Простейшим способом снижения уровня высших гармоник является последовательное включение линейных дросселей [24]. Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительную величину сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению.
Линейные дроссели позволяют уменьшить коэффициент гармоник в несколько раз в зависимости от соотношения мощности трансформатора, мощности нагрузки и параметров дросселя.
Снижение гармонических составляющих токов и напряжений, возможно, обеспечить с помощью LC-фильтров, настроенных на основной ряд гармоник, присутствующих в токах выпрямителя. LC-фильтр содержит продольные индуктивности и поперечные цепи, состоящие из последовательно включенных индуктивности и емкости, которые образуют последовательный контур, настроенный на определенную гармонику (рисунок 1.1).
Пульсация напряжения на нагрузке задается условиями работы потребителя, а пульсация напряжения на входе выпрямителя определяется в зависимости от схемы выпрямления и определения ее параметров. Значение пульсации напряжения на выходе определяется коэффициентом пульсации. Недостатки LC-фильтров: 1) сравнительно большие размеры и вес; 2) дроссель фильтра является источником помех, создаваемых магнитным полем рассеяния; 3) фильтр не устраняет медленных изменений питающих напряжений.
Качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей напряжения. Основным требованием к фильтру является заданная величина коэффициента фильтрации, либо его для гармоники наиболее нужной частоты, либо для отдельных гармоник, содержащихся в выпрямленном напряжении.
Одним из способов ограничения негативного влияния вентильного преобразователя в сеть является увеличения числа эквивалентных фаз преобразователя [25 29]. Этого можно достичь при: обеспечении эквивалентного многофазного режима группы преобразователей, каждый из которых имеет схему с меньшим числом фаз; использовании преобразователей со специальным выполнением обмоток, позволяющих выполнить нужный многофазный режим преобразования. В качестве такого источника целесообразно использовать преобразователи числа фаз трехфазной системы напряжений в многофазную систему с помощью фазопреобразующих трансформаторов . С увеличением числа фаз на выходе ТПЧФ и повышением пульсности схемы возрастает качество выпрямленного напряжения и улучшается форма токов питающей трехфазной сети.
Важнейшим из аспектов проблемы электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей является генерирование преобразователями высших гармоник тока и напряжения [30 33]. Основу схем преобразователей составляют полупроводниковые приборы, работа которых основана на переключении (коммутации) групп вентилей. Процесс коммутации вызывает потребление из сети несинусоидального тока, тем самым происходит искажение формы кривой напряжения сети. Поэтому во многих литературных источниках большое внимание было уделено вопросам улучшения схемных решений выпрямительных устройств.
Снижение гармонических искажений возможно так же при помощи проектно-конструкционных решений (выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, снижение полного сопротивления распределительной сети) и при использовании специальных устройств (магнитные синтезаторы, активные фильтры гармоник) [33, 34].
Преобразовательная техника приобрела особую значимость в связи с внедрением потребителей электрической энергии постоянного тока и потребителей электрической энергии многофазного переменного тока, работа которых может сопровождаться возникновением значительной несимметрии и несинусоидальности питающих токов, ухудшающих качество электрической энергии [36, 37]. К потребителям многофазного переменного тока относятся различные электротехнологические установки, такие как установки индукционного типа и специальные многофазные электрические машины [38, 39].
Одним из средств достижения электромагнитной совместимости между потребителями многофазного переменного тока и источниками питания являются фазопреобразующие устройства выполненные на трансформаторах [40, 41].
Один из первых ТПЧФ был создан в 1894 г. Чарльзом Фелтоном Скоттом. Данный трансформаторный преобразователь из двух фаз в три, в последние годы используемый как преобразователь из трех фаз в две, позволяет с видоизменениями вторичной системы преобразователя получать многофазные системы напряжения практически с любым числом фаз. На рисунке 1.2 представлена схема и векторные диаграммы трехфазно - двухфазного трансформатора Скотта.
Принцип формирования МДС трехфазно-девятифазного ТПЧФ
Вентильный преобразователь содержит как линейные, так и нелинейные элементы и тем самым представляет собой сложную систему. При теоретических исследованиях зачастую пренебрегают факторами, оказывающих влияние на протекание электромагнитных процессов. С целью получения аналитических выражений реальные элементы заменяют идеальными, и расчет ведется без потерь. В большинстве случаев не учитывают внутренние емкости между обмотками и между витками трансформаторов.
В математическом отношении схемы вентильных преобразователей представляют собой электрические цепи с переменной структурой [56].
В преобразователях с переменной структурой часто используют аналитические, численные и численно-аналитические методы расчета процессов [5759].
В аналитических методах силовые цепи преобразователей описываются линейными дифференциальными уравнениями, порядок и значение коэффициентов которых могут изменяться в моменты коммутации. Аналитические методы связаны с выполнением трудоемких матричных преобразований, большим числом вычислений.
Численные методы расчета ориентированы на применение ЭВМ, поэтому и представляют собой формирование уравнений схемы преобразователя и их решение. Для решения уравнений применяют численные методы интегрирования уравнений и методы решения алгебраических уравнений.
Преимуществом аналитических методов является возможность получения результата без расчета предшествующего переходного процесса.
Достоинством численных методов является простота исследования схем, но расчет можно завершить только после вычисления предшествующего переходного процесса.
Совмещение элементов аналитических и численных методов лежит в основе численно-аналитических методов расчета процессов преобразователя .
Аналитические методы при исследовании многофазных преобразователей являются достаточно трудоемкими. Для исследования электромагнитных процессов таких преобразователей обычно применяют численные методы.
Более точное представление о процессах, происходящих в вентильном преобразователе можно получить с помощью компьютерного моделирования.
Математическая модель является математическим описанием реального физического объекта. Математическую модель получают с помощью дифференциальных уравнений, описывающих работу устройства. Для получения полноценной модели, необходимо объединить полученные соотношения в некую законченную структуру. Все эти задачи можно решить с помощью имитационного моделирования, являющегося разновидностью математического моделирования.
В настоящее время на рынке программного обеспечения, предназначенного для имитационного моделирования устройств преобразовательной техники, можно насчитать несколько десятков специализированных пакетов [6063]. Программа Pspice является модификацией программы анализа электронных цепей SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Это мощный схемотехнический инструмент с широкими возможностями в области моделирования и анализа различных схем. Программный комплекс включает все необходимое для решения широкого спектра задач схемотехнического моделирования.
Программа Micro-CAP (фирма Spectrum Software). Программа имеет удобный графический редактор, позволяющий создавать и редактировать принципиальные схемы аналоговых и цифровых устройств.
В состав пакета Micro-CAP входит также программа расчета параметров моделей аналоговых элементов по результатам экспериментальных исследований. Программа позволяет моделировать как аналоговые, так и смешанные аналого - цифровые устройства.
Программа Multisim (фирма National Instruments). Ранее программа имела название Electronics Workbench. Программа имела очень простой и интуитивно понятный графический интерфейс. Последние версии программы носят название Multisim. Особенностью программы является наличие виртуальных измерительных приборов, имитирующих реальные аналоги. По набору приборов, включенных в исследуемую схему, программа автоматически выберет режим моделирования (расчет частотных или временных характеристик, режим постоянного тока).
Программа Circuit Maker (фирма Protel International) предназначена для моделирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого – цифровых устройств. Она имеет удобный графический интерфейс, позволяющий быстро подготовить электрические схемы аналоговых и цифровых устройств. Результаты моделирования выводятся в графической форме, в виде осциллограмм и графиков частотных характеристик.
Программа PSIM (фирма Powersimtech). Эта программа разработана специально для моделирования устройств энергетической электроники. Программа имеет простой и удобный в использовании графический интерфейс. Математический модуль PSIM использует эффективные алгоритмы анализа нелинейных цепей. Базовый пакет PSIM включает схемный редактор PSIM schematic program, моделирующую программу PSIM simulator и графический постпроцессор Simview.
Наиболее перспективным комплексов программ для исследования электромагнитных процессов ТПЧФ является пакет MatLab с использованием библиотек Simulink и SimPowerSystems. Пакет программ MatLab предназначен для аналитического и численного решения различных математических задач, а также для моделирования сложных электротехнических и электромеханических систем. На основании дифференциальных уравнений при помощи блоков из разделов пакета Matlab возможно создать имитационную модель фазопреобразующего трансформатора.
Для выполнения задач по моделирования сложных электротехнических систем предназначены приложения Simulink и SimPowerSystems [64]. Эти приложения представляют из себя библиотеки блоков, позволяющие собирать в единое цело имитационные модели. Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink ориентированных на моделирование электромеханических и электроэнергетических систем и устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств.
Под имитационной моделью обычно понимают формальное описание логики функционирования исследуемой системы и взаимодействие ее элементов во времени, учитывающее наиболее существенные причинно-следственные связи, присущие системе.
Исследование электромагнитных процессов системы трехфазно- двенадцатифазного ТПЧФ – выпрямитель с помощью имитационного моделирования
На рисунке 2.14 д приведена форма кривой суммарного тока фазы А двадцатичетырехпульсного выпрямителя. В результате, кривая первичного тока фазы А имеет ступенчатую форму, незначительно отличающуюся от синусоидальной. Улучшение формы тока способствует повышению коэффициента мощности, снижению потерь от высших гармонических составляющих в питающей сети и первичной обмотке преобразовательного трансформатора. Таким образом, вследствие более сглаженной формы первичного тока, улучшается коэффициент использования трансформатора при применении двенадцатифазного ТПЧФ.
Двадцатичетырехпульсную схему используют для получения меньших пульсаций выпрямленного напряжения, снижения гармонических составляющих в кривой сетевого тока [80]. Кроме основной гармоники на входе преобразователя присутствуют гармоники с порядковыми номерами
Гистограмма гармоник питающего тока фазы А двадцатичетырехпульсного выпрямителя Как видно из рисунка 2.14, в кривой питающего тока, кроме основной гармоники, содержатся высшие гармоники с порядковыми номерами не ниже 23 и 25.
1. Наиболее эффективным устройством, применяемым для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей с сетью и нагрузкой, является трехстержневой трансформатор с числом фаз вторичных обмоток кратным 3, так как использование каждого выпрямительного моста соответствует применению наиболее эффективной шестифазной системы выпрямления.
2. Минимальная установленная мощность определяется минимальной арифметической суммой витков вторичных обмоток, и их соответственно можно определить с помощью суммы матриц, одна из которых содержит числа витков дискретно изменяющихся по синусоидальному закону, а числа витков в строках второй матрицы, выбираются таким образом, чтобы число витков одной из фаз вторичной обмотки было равно 0.
3. Разработана математическая модель, позволяющая определить мгновенные значения токов первичной обмотки по заданной величине выпрямленного тока и геометрического соотношения чисел витков фазопреобразующего трансформатора.
4. С помощью созданной математической модели и методики расчета фазопреобразующих трансформаторов для многопульсных схем выявлено, что потребляемый ток имеет ступенчатую форму, близкую к синусоидальной, причем номер высшей гармоники =2ml±1, где l целое число. Первые высшие гармоники для девятифазной системы вторичных напряжений будут 17 и 19, для двенадцатифазного 23 и 25. Эти гармоники приблизительно равны 0,175о.е. и 0,19 о.е. по отношению к основной гармонике. Глава 3 Анализ и синтез многофазных преобразовательных устройств на базе ТПЧФ с помощью имитационного моделирования
В данной главе синтезировано математическое обеспечение трансформаторного преобразователя числа фаз на уровне математической модели и алгоритма преобразования энергии трехфазного напряжения сети в средневыпрямленное многофазное напряжение на нагрузке. Наряду с идеальной коммутацией моделирование ведется с учетом параметров реального трансформатора и вентилей.
С помощью библиотеки Simulink и SimPowerSystems к блоку, составленному по математическим уравнениям, были подключены последовательно мостовые выпрямители, нагруженные на активно-индуктивную нагрузку. Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение, соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. На выходе вентильного блока получают напряжение с высоким уровнем пульсаций.
Программа SimPowerSystems содержит набор блоков для построения виртуальных моделей электрических цепей и устройств силовой электроники. Достоинством SimPowerSystems является то, что при моделировании сложных систем силовой электроники можно использовать функциональные, виртуальные и структурные модели. Сигнал из блока Simulink в блок SimPowerSystems передается через управляемые источники тока или напряжения, а в обратную сторону- через измерители тока или напряжения [81].
Математическая модель ТПЧФ, интегрированная в многопульсный выпрямитель, позволяет измерить величину ряда высших гармоник выходного напряжения для определения величины пульсаций; снять осциллограммы напряжения на нагрузке; снять осциллограммы напряжения и тока одного из диодов моста и т.д. 3.1 Исследование электромагнитных процессов системы трехфазно-девятифазного ТПЧФ выпрямитель с помощью имитационного моделирования
Рассмотрим математическую модель [82] преобразования трехфазной в девятифазную системы напряжений. Принципиальная электрическая схема преобразователя (выпрямителя) изображена на рисунке 3.1. На схеме изображены: трехфазно-девятифазный (39) ТПЧФ с одной первичной обмоткой, соединенной в звезду и тремя вторичными обмотками, имеющих соединение звезда и зигзаг; три моста из диодов VD1-VD6, VD7-VD12,VD13-VD18; нагрузка, состоящая из двух сопротивлений – Ld и Rd.
Уточненная методика расчета основных параметров ТПЧФ. Определение установленной мощности ТПЧФ
Разработанный принцип построения схем фазопреобразующих трансформаторов позволяет получить m - фазную систему вторичных напряжений. Однако результирующие сопротивления вторичных фаз оказывается различными по величине из за разности в значениях суммарных чисел витков обмоток, образующие отдельные фазы, либо из-за существования конструктивной несимметрии обмоток. Конструктивная несимметрия возникает в случаях, связанных со сложным подбором соотношений витков обмоток, соответствующих целым числам.
Конструкция обмоток ТПЧФ должна обеспечить заданное число фаз схемы многопульсного выпрямителя, надежную работу при нагрузочных и аварийных режимах, а также должна иметь высокую механическую прочность, при этом необходимо обеспечить высокую электрическую прочность главной и продольной изоляции обмоток в соответствии со значениями испытательных напряжений. Испытательное напряжение промышленной частоты определяется в соответствии с ГОСТ 1516.1 [109] или в соответствии с таблицами 4.1 - 4.2 [110].
Конструкция главной изоляции обмоток трансформатора Минимально допустимые изоляционные расстояния, межслойную изоляцию выбирают в зависимости от системы охлаждения трансформатора . Механическая прочность обеспечивается применением опор в конструкции обмоток в виде бумажно - бакелитовых цилиндров, а также размещением реек и бандажей [111]. Число реек необходимо выбирать по условиям нагрева, а также с учетом расстояния между столбами прокладок, необходимых для выполнения переходов между катушками. Бандажи накладывают с помощью стеклоленты.
Для первичной обмотки тип намотки непрерывной применяют для трансформаторов с мощностью на стержень 63кВА и больше при напряжении до 110 - 220 кВ . Для трансформаторов при мощности на стержень до 250кВА и при напряжении до 10 кВ применяют чаще цилиндрические обмотки. Для трансформаторов мощностью на стержень до 63 кВА и класса напряжения 0,7кВ применяют винтовые обмотки. Конструкция вторичных обмоток должна быть симметричной, чтобы индуктивности рассеяния ее частей были одинаковыми. Для таких обмоток применяют винтовые непрерывные тип намотки [112].
Первичная и вторичная обмотки располагается на стрежнях концентрически. Вторичные обмотки обычно выполняют наружными для упрощения отводов. Варианты расположения вторичных обмоток относительно первичной показаны на рисунке 4.3.
Схемы расположения двух вторичных обмоток относительно первичной Принципиальные схемы расположения четырех вторичных обмоток относительно первичной показаны на рисунке 4.5. Рисунок 4.5 – Схемы расположения четырех вторичных обмоток относительно первичной Вторичные обмотки 9-ти и 12-ти фазных ТПЧФ имеют количество больше двух. Трансформатор с таким сочетанием обмоток считается многообмоточным [113]. Однако схема замещения такого трансформатора получается достаточно сложной и трудоемкой. Поэтому целесообразно привести многообмоточный трансформатор к трехобмоточному. Приведение возможно, когда часть вторичных обмоток, имеющих одинаковую схему соединения, размещены относительно первичной обмотки, таким образом, что обеспечивается равенство сопротивлений этих частей. В этом случае вторичные обмотки, можно представить в виде одной части. Возможное расположение частей вторичных обмоток относительно друг друга показано на рисунке 4.6.
Вариант расположения вторичных обмоток относительно первичной обмотки Для ТПЧФ 39 вторичные обмотки расположены на трех концентрах, одна из которых расположена на одном концентре, а две другие на двух концентрах и их части работают в схеме преобразования последовательно или параллельно (рисунок 4.7).
В двенадцатифазном ТПЧФ одна половина вторичных обмоток соединена в звезду, а другая в - эквивалентный ей треугольник, тем самым улучшает технико-экономические показатели.
Для проектирования рационального трансформатора необходимо правильно определить воздействия, к которым будет подвергаться в эксплуатации, выбрать электромагнитные нагрузки, размеры и материал отдельных частей [114,115]. 4.3.2.1 Электромагнитный расчет трансформатора
На выбор плотности тока в обмотках влияют способ охлаждения, условия работы трансформатора для преобразовательных установок, материал провода, конструкция и расположение обмоток и класс нагревостойкости изоляции обмоток (А, В, F,H)..
Плотность тока в обмотках рекомендуется выбирать для медного провода Jм=2,0 – 3,2 А/мм2, для алюминиевого провода Jа=1,3 – 2,0 А/мм2.
В обмотках трансформаторов с естественным воздушным охлаждением рекомендуются следующие плотности тока в зависимости от класса нагревостойкости изоляции: для медного провода 1- 2 А/мм2 для класса В, 1,2 – 2,5 А/мм2 для класса F и 1,4 – 2,8 А/мм2 для класса Н; для алюминиевого провода 0,9 – 1,2 А/мм2 для класса В, 1 – 1,4 А/мм2 для класса F и 1,2 – 1,7 А/мм2 для класса Н. с - число дополнительных проводов в осевом направлении, с = 0 для винтовых обмоток без транспозиции или с распределенной транспозицией, а также с принимают равным числу сосредоточенных транспозиций при общем числе параллельных проводов. Меньшем или равном удвоенному числу реек в одноходовых или двухходовых обмотках.
