Содержание к диссертации
Введение
1. Многопульсные интегрированные системы. принципы построения и основные расчетные соотношения при симметрии питающих напряжений .17
1.1. Аспекты развития преобразователей и особенности формирования многофазной системы ЭДС 17
1.2. Общие вопросы теории преобразования числа фаз 23
1.2.1. Фазопреобразующее устройство Ч.Ф. Скотта 23
1.2.2. Трансформаторный преобразователь трехфазной системы напряжений в двухфазную систему на основе схемы Скотта 26
1.2.3. Взаимное преобразование трехфазной системы напряжений в двухфазную систему на основе двух одинаковых однофазных трансформаторах по схемы Скотта 29
1.2.4. Взаимное преобразование трехфазной системы напряжений в двухфазную систему на основе двух одинаковых однофазных трансформаторах 31
1.3. Принципы построения интегрированных систем многопульсных выпрямителей на базе ортогональных напряжений 33
1.4. Взаимная связь выходных и конструктивных параметров вторичных цепей на примере интегрированных систем выпрямителей с восьмикратной частотой пульсации 43
1.5. Вывод обобщенных соотношений для анализа электромагнитных процессов с учетом характера активно-индуктивной нагрузки 57
1.6. Вывод соотношений для выходного тока в переходных и
установившихся режимах на основе разностных уравнений 64
Выводы 71
2. Исследование несимметричных режимов работы фазосдвинутых источников переменных эдс в многопульсных выпрямителях 74
2.1. Состояние вопроса 74
2.2. О допускаемой погрешности при определении коэффициента пульсаций через интегральные характеристики напряжений и токов 78
2.3. Влияние несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС в многопульсном выпрямителе с кратностью пульсации w = 8 84
2.4. Методика оценки качества выходного напряжения многопульсного выпрямителя при нарушениях ортогональности преобразователя 95
2.5. Влияние несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС в многопульсном выпрямителе с кратностью пульсации т = 12.. 98
2.6. Влияние несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС в многопульсном выпрямителе с кратностью
пульсации я* = 16 108
Выводы 119
3. Анализ несимметррш фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток. анализ спектра выпрямленного напряжения 121
3.1. Состояние вопроса 121
3.2. Методика расчета и анализ несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток преобразователя 123
3.3. Анализ несимметрии, обусловленной одновременным влиянием двух факторов 130
3.4. Анализ спектра выходного напряжения при несимметрии напряжений 136
3.4.1. Анализ гармоник выпрямленного напряжения при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС 140
3.4.2. Анализ гармоник выпрямленного напряжения при несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток ТПЧФ 150
Выводы 158
4. Исследование коммутационных процессов при многопульсном выпрямлении 160
4.1. Состояние вопроса 160
4.2. Математическое описание коммутационных процессов в многопульсных выпрямителях при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС 162
4.3. Аналитическое решение для процесса коммутации при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС 170
4.4. Влияние питающих трансформаторных ортогональных источников выпрямителя на процесс коммутации 182
Выводы 188
5. Схемотехническое моделирование и экспериментальные исследования многопульсных выпрямителей при несимметрии ортогональных напряжений 189
5.1. Состояние вопроса .189
5.2. Результаты схемотехнического моделирования при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС 193
5.3. Результаты экспериментальной проверки влияния несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС 205
5.4. Результаты схемотехнического моделирования коммутационных
процессов выпрямителя при несимметрии ортогональных
фазосдвинутых источников переменных ЭДС 217
Выводы 223
Заключение 224
Список использованной литературы 226
Приложение 242
- Аспекты развития преобразователей и особенности формирования многофазной системы ЭДС
- О допускаемой погрешности при определении коэффициента пульсаций через интегральные характеристики напряжений и токов
- Методика расчета и анализ несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток преобразователя
- Математическое описание коммутационных процессов в многопульсных выпрямителях при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС
Введение к работе
Стремительное развитие электротехнических комплексов и систем на базе устройств полупроводниковой преобразовательной техники, увеличение их мощностей обуславливают особую актуальность выбора оптимальных силовых схем, определяющих не только затраты материалов, но и существенную долю потерь электроэнергии и ее качество.
Выбор структуры построения полупроводниковых вентильных преобразователей определяет возможности выпрямительного агрегата по технико-экономическим показателям, обуславливающим главную роль не только в выборе области применения выпрямительных агрегатов и выявлении целесообразности их промышленного использования, но и в технологичности его изготовления..
Среди многочисленных типов вентильных преобразователей, по мнению зарубежных и ряда отечественных специалистов, наиболее выгодны многофазные вентильные преобразователи, обеспечивающие повышенную кратность частоты пульсации выходного напряжения. Именно данный путь признан наиболее оптимальным для целей улучшения качества преобразования энергии, и эта проблема является одной из центральных в энерго - и капиталосберегающей стратегии действующей в нашей стране Энергетической Программы.
Данная задача входит в общий комплекс актуальных направлений по разработке источников питания и, наряду с ключевыми задачами экономии энергии (повышения КПД), снижения массы, объема, стоимости, улучшения эксплуатационной надежности, эффективности и качества, является особенно важной для вентильных преобразователей.
Современные достижения в области трансформаторостроения и преобразовательной техники позволяют создавать интегрированные многопульсные выпрямительные агрегаты, которые удовлетворяли бы возросшим в настоящее время электромагнитной совместимости между различными потребителями электрической энергии и питающей сетью.
Работа выпрямителей в условиях симметрии питающих напряжений была предметом обширных исследований, на основании которых достаточно точно определяются гармонические составляющие выпрямленного напряжения и сетевого тока, внешняя характеристика и коэффициент мощности. Результаты исследований электромагнитных процессов в выпрямителях при симметричных питающих напряжениях Г.Н. Блавдзевича, В.П. Вологдина,С.Р. Глинтерника, И.Л. Каганова, М.П. Костенко, К.А. Круга, Л.Р. Неймана, А.В. Поссе, Ш.М. Размадзе, Г.А. Ривкина, Б.М. Шляпошникова и других авторов [1 - 13] способствовали развитию теоретических основ анализа, разработке и практическому внедрению многопульсных выпрямительных агрегатов, ставших впоследствии классическими.
Большой вклад в исследование электромагнитных процессов в многопульсных выпрямителях внес коллектив ученых Омского института инженеров железнодорожного транспорта: М.Г. Шалимов, Б.С. Барковский, А.В. Виноградова, В.П. Маценко, Г.С. Магай и др. [13 - 18]
Методам расчета энергетических показателей вентильных преобразователей посвящены работы, выполненные в Новосибирском государственном техническом университете Г.В. Грабовецким, С.А. Харитоновым, Г.С. Зиновьевым и другими учеными [19 — 21].
Исследованию электромагнитных процессов и некоторых характеристик выпрямителей с различными схемами соединений при несимметричных режимах посвящены работы, В.П. Маценко, A.M. Пинцова, М.Г. Шалимова, Т.В. Ковалевой, А.С. Низова и других [15, 18, 23 — 26].
Большинство из этих работ посвящено гармоническому анализу кривой выпрямленного напряжения при различной степени несимметрии питающих напряжений. Существует методика анализа гармоник кривой выпрямленного напряжения при несимметричных напряжениях, позволяющая рассчитать ЭДС гармоник и их начальные фазы для многопульсного выпрямителя [15 — 18,23,25, 26].
В настоящее время достаточно большое количество работ посвящено анализу электромагнитных процессов в многопульсных выпрямителях, построенных по традиционным эквивалентным многофазным схемам выпрямления.
В работах, проведенных исследователями Р.А. Ахмеровым, А.Г. Аслан-Заде, А.Л. Белозеровым, Ю.А. Гайнцевым, Г.И. Дубовым, Ю.С. Игольниковым, А.К. Кантаровским, Ю.В. Потаповым, A.M. Репиным [27 -32] и др. получило развитие новое направление принципов построения схем выпрямления, обладающих улучшенными технико-экономическими показателями. Среди схемных решений вентильных преобразователей определенный интерес представляют технические решения полупроводниковых выпрямителей, обеспечивающих повышенную кратность частоты пульсации выходного напряжения посредством интегрированных трансформаторных преобразователей числа фаз (ТГТЧФ).
Анализ существующих в настоящее время схемных решений полупроводниковых выпрямителей (многопульсных выпрямителей), обеспечивающих повышенную кратность частоты пульсации выходного напряжения посредством интегрированных ТПЧФ, позволяет заключить, что наибольшее распространение получили ТПЧФ, основу которых составляет магнитная система трансформаторов Скотта. В конструктивном отношении такие преобразователи представлены двумя идентичными однофазными многообмоточными трансформаторами, которые позволяют обеспечивать любую кратность пульсации выпрямленного напряжения.
Создание новых схемных решений выпрямительных агрегатов, полностью объединивших элементы ТПЧФ по схеме Скотта и элементы схем выпрямления, обуславливают необходимость новых исследований применительно к разрабатываемым схемам выпрямления для получения необходимых расчетных соотношений и основных параметров, характеризующих работу самих выпрямителей.
Такие устройства уже сложно представить в виде структурных схем, куда входят отдельно преобразователь числа фаз и выпрямитель. Поэтому анализ электромагнитных процессов следует проводить для всего выпрямительного агрегата в комплексе. При исследовании работы такой интегрированной системы необходимо учитывать взаимное влияние элементов схем ТПЧФ и элементов схем выпрямления.
В ряде существующих в настоящее время работ, посвященных анализу электромагнитных процессов таких многопульсных выпрямителей, содержится ряд допущений, ограничивающих адекватное отражение физических процессов выпрямителя. Одним из таких допущений является симметрия напряжений питающей сети.
Специфической особенностью современных электрических сетей является то, что зачастую приемники электрической энергии имеют нелинейный и несимметричный характер, что обуславливает несимметрию и несинусоидальность напряжений в отдельных точках сети. В частности, во многих электрических системах, от которых получают питание тяговые подстанции постоянного тока, напряжения являются в большей или меньшей степени несимметричными [15, 16, 18].
Однако влияние несимметрии напряжений на выходные параметры и качество выходного напряжения интегрированных многопульсных выпрямителей на базе ортогональных напряжений до сих пор не рассмотрено.
Специфика нагрузочных режимов и условий электромагнитной совместимости в системе тяговых подстанций постоянного тока обусловили необходимость исследования этого вопроса. Цель работы:
Целью диссертационной работы является исследование несимметрии напряжений в многопульсных выпрямителях, созданных на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта.
Для реализации данной цели поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ схемных решений многопульсных выпрямителей и установить взаимную связь выходных и конструктивных параметров вторичных цепей, показать способы их расчета с учетом характера нагрузки.
2. Разработать методику анализу несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС из условий и требований, предъявляемых к качеству выпрямленного напряжения.
3. Установить влияние несимметрии фазных напряжений системы разновитковых обмоток, и выработать рекомендации по ее ограничению.
4. Выполнить гармонический анализ спектров выходного напряжениявыпрямителя для различного рода несимметрии напряжений.
5. Создать математическое описание процесса коммутации, учитывающее влияние несимметрии, и получить его аналитическое решение через определяющие процесс величины.
6. Разработать программное обеспечение для визуализации методов анализа и внедрения в инженерную практику и учебный процесс.
7. Проверить экспериментально и с помощью схемотехнического моделирования адекватность и достоверность полученных теоретических результатов.
Методы исследований выбирались исходя из постановок решаемых задач. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов теории электрических цепей. Поиск количественных соотношений между исследуемыми параметрами осуществлялся с помощью аналитических методов математического анализа. При создании универсального программного комплекса для анализа электромагнитных процессов в многопульсных выпрямителях использованы методы математического моделирования, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений, метод интеграла Фурье, графо-аналитический метод, методы схемотехнического и физического моделирования. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялся специализированный пакет программ MathCad 2001.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями
1. Установлена связь между выходными и конструктивными параметрами вторичных цепей выпрямителей при несимметрии ортогональных систем напряжений с различными решениями и способами преобразования двухфазной системы напряжений в ш-фазную систему.
2. Предложена методика учета влияния несимметрии источников питающих напряжений, исходя из требований, предъявляемых к качеству выпрямленного напряжения и его кратности пульсаций.
3. Установлено влияние несимметрии, образованной вторичной системой разновитковых обмоток.
4. Выполнен гармонический анализ спектров выпрямленного напряжения для различного рода несимметрии источников напряжений.
5. Создано математическое описание процесса коммутации, учитывающее влияние несимметрии ортогональных напряжений, и получено аналитическое решение, связывающее определяющие величины через число пульсаций выпрямленного напряжения.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработанная методика по учету влияния несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС; результаты исследования несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток;
- результаты гармонического анализа спектров выходного напряжения при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС и несимметрии фазных напряжений системы разновитковых обмоток;
- математическое описание процесса коммутации, учитывающее влияния несимметрии ортогональных напряжений, и его аналитическое решение, связывающее определяющие величины через число пульсаций выпрямленного напряжения.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что на основе комплекса проведенных исследований выработаны рекомендации по практическому использованию и конструированию систем выпрямителей. В разработке программного обеспечения, реализующего предложенные методы и возможности использования его в инженерной практике и учебном процессе. В разработке на уровне изобретения новых схем многопульсных выпрямителей на основе ТПЧФ по схеме Скотта, способствующих решению вопросов энергосбережения.
Разработанная методика анализа несимметрии ортогональных систем напряжений может быть использована при разработке технических условий на стадии проектирования интегрированных систем выпрямителей и при сравнении схем между собой по степени их конструктивного совершенства.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли свое применение при выполнении совместных работ кафедры с рядом предприятий г. Новосибирска.
Результаты теоретических исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров, бакалавров, магистрантов на кафедре ЭТК Новосибирского государственного технического университета. Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых математических и схемотехнических моделей, а также степенью совпадения теоретических и практических результатов, полученных экспериментально на реальной физической модели источника постоянного напряжения с 8-кратной частотой пульсации в лабораторных условиях с использованием специально разработанных моделей и методик.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-ом Корейско — Российском симпозиуме, «Наука и технология» (Новосибирск, 2005); на IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2005); на IV Международной научно-практической конференции ICATS 2005 «Автомобиль и техносфера» (г. Казань, 2005); на второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» MAU-2005 (г. Уфа, 2005); на второй научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г. Новосибирск, 2005); на второй Международной научной конференции «Аналитическая теория автоматического управления и ее приложения» (г. Саратов, 2005).
Публикации. Основные результаты теоретических и
экспериментальных исследований отражены в 23 печатных работах, в том числе 2 патента на полезную модель, 12 статей в научных сборниках и официальных изданиях, 9 научных докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 147 наименований и приложений. Основной объем диссертации составляет 241 страницу текста, включая 105 рисунков и 8 таблиц.
Содержание работы.
Во введении отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.
Аспекты развития преобразователей и особенности формирования многофазной системы ЭДС
На раннем этапе развития электротехники постоянный ток был единственным видом тока, применявшимся при генерировании, распределении и потреблении электрической энергии. Небольшая мощность и ограниченный радиус действия электрических станций вполне допускали применение постоянного тока. Однако с развитием электротехники постоянный ток уже оказался не в состоянии удовлетворить новым задачам в отношении генерирования возросших мощностей и дальности передачи электрической энергии, что обусловливалось конструктивными трудностями в создании мощных генераторов постоянного тока повышенного напряжения, а также невозможностью трансформирования напряжения.
Уже в 90-х годах девятнадцатого столетия с постоянным током стал конкурировать переменный ток, одним из важнейших преимуществ которого была простота преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения посредством трансформатора с разомкнутой системой, созданного в 1876 г. замечательным русским ученым П.Н. Яблочковым [33]. Однако решающую победу одержал переменный ток, когда наш соотечественник М.О. Доливо-Добровольский разработал основы теории многофазных и, в частности, трехфазных систем переменных токов и создал первые трехфазные асинхронный двигатель и трансформатор современной формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. В 1891 г. Доливо-Добровольский построил первую трехфазную электропередачу длиной 175 км с линейным напряжением 15 кВ [33,34].
Трехфазные цепи имели огромное преимущество по сравнению с цепями постоянного тока благодаря тому, что они позволили комплексно решить стоявшую проблему: не только экономично передавать электроэнергию на большие расстояния, но и создавать конструкции электрических машин, аппаратов и приборов.
С тех пор переменный ток стал преобладать в области передачи и потребления электрической энергии, обеспечив расцвет электротехники. Постоянный ток был сохранен лишь там, где он был необходим по условиям технологического процесса (гальванопластика, электролиз, аккумуляторные батареи) или обеспечивал существенные преимущества по сравнению с переменным током, например для двигателей, требующих широкого и плавного регулирования скорости вращения. Постоянному току долгое время отводилась довольно скромная роль, так как необходимость в нем была относительно невелика. Однако после первой мировой войны положение существенным образом изменилось, так как в ходе технического прогресса получили исключительное развитие области применения электрической энергии, где требовался именно постоянный ток.
Постоянный ток в очень больших количествах потребовался для быстро развивающегося электрифицированного транспорта -коммунального, промышленного и электрифицированных железных дорог. Возникли новые, имеющие исключительно важное хозяйственное значение производства, построенные на применении электролитического процесса (производство алюминия, магния, цинка, электролитической меди и др.). Эти производства потребовали применения постоянного тока в невиданных масштабах.
Помимо электрифицированного транспорта и электролитической промышленности, постоянный ток потребовался для металлургической и металлообрабатывающей промышленности в связи с широкой электрификацией станков и механизмов и усовершенствованием электроприводов, где во многих случаях для осуществления регулирования мог быть применен только постоянный ток.
Несмотря на сильно возросшее значение постоянного тока в области потребления электроэнергии, генерирование и передача энергии по-прежнему оставались на переменном токе. При таком положении исключительное значение получили значение установки для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения,
История развития электрических вентилей, представляющих собой нелинейные элементы электрической цепи, предназначенных для выпрямления переменного тока и обладающих односторонней проводимостью, начинается с фундаментального открытия Томаса Альва Эдисона - явления термоэлектронной эмиссии и обусловленного им электронного тока через вакуум [35 - 37]. Это открытие было подробно изучено в 1887 г. профессором Московского университета А.Г. Столетовым [35], что привело уже в конце девятнадцатого столетия к появлению фотоэлементов - электронных приборов, нашедших широкое применение в технике связи.
В 1904 г. Флеминг, используя «эффекта Эдисона», изобрел диод — двухэлектродную лампу (вакуумный диод) и применил ее в качестве детектора в радиотелеграфных приемниках [36]. Позже в 1915 году американский физик Ирвинг Ленгмюр, обнаружив свойство вакуумного диода пропускать ток только в одном направлении, сконструировал первую двухэлектродную вакуумную лампу с накаливаемым катодом — кенотрон и применил ее в качестве выпрямительной лампы в источниках питания [35, 36].
О допускаемой погрешности при определении коэффициента пульсаций через интегральные характеристики напряжений и токов
Предлагаемая методика проведения анализа количественной оценки влияния ортогональной несимметрии трансформаторных фазосдвинутых источников переменных ЭДС предполагает следующие этапы: для периода питающего напряжения определяют последовательность образования контуров в преобразователе с учетом сдвига коммутации во времени; и устанавливают главные соотношения фазной системы, по которым рассчитываются интегральные характеристики выпрямленного напряжения (п. 2.4) [135].
Для этой цели требуется рассчитать действующее (среднеквадратичное) и среднее значения выпрямленного напряжения при различных значениях проявления несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС (п.2.4) [135].
В данном случае полагается, что работа многопульсного выпрямителя состоит из рабочих режимов, характеризуемых состоянием проводимости вентилей, и режимов коммутаций, имеющих более кратковременный характер. Причем, рабочие режимы являются общими для любых схем и отражают особенности, характерные принципам ее построения. Режимы коммутации определяются параметрами самой схемы (сопротивлениями источников переменных ЭДС) и в проводимых исследованиях не рассматриваются, т.е. носят мгновенный характер, что никаким образом не влияет на результаты исследований.
Следует полагать, что несимметрия фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток ТПЧФ с числом витков, отличным от расчетного, как и в случае несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС, будет проявляться в нарушении идентичности повторения процессов на интервалах проводимости вентилей за счет разницы амплитуд фазных напряжений и начальной фазы.
Следовательно, методика математического описания процесса с привлечением главных соотношений фазной системы за период питающего напряжения остается прежней [135].
Для этого период питающего напряжения разбивается на интервалы, количество которых определено кратностью пульсации выпрямителя, а границы их существования определяются началом коммутации вентилей анодной и катодной групп. Внутри интервалов определяются последовательности образования контуров, в которых вторичные разновитковые обмотки представлены источниками ЭДС соответствующей полярности; а их амплитуды - через установленные соотношения целых чисел витков.
Далее на интервалах проводимости вентилей предусматривается построение векторных диаграмм, формирующих фазные напряжения на входе вентильных групп, и устанавливаются главные соотношения фазной системы выпрямителя (амплитудных значений напряжения и фазных углов). 125 Построение диаграмм осуществляется при полной симметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС (ct = 0, Р = 90).
Также из условия равенства мгновенных значений напряжений коммутирующих фаз уточняются интервалы проводимости вентилей и коммутирующих функций (мгновенных напряжений фаз).
В результате процедура математического описания в целом сводится к тому, что на периоде питающего напряжения определяются интегральные характеристики выпрямленного напряжения и на основании полученного выражения (2.7) рассчитывается коэффициент пульсаций
В случае несимметрии, система фазных напряжений при вращении будет изменять свою величину. В самом общем случае (при переходах от одного интервала проводимости вентилей к другому) изменяются и амплитуда, и начальная фаза вращения вектора. При этом может оказаться, что одна обмотка, включенная в общую последовательную цепь разновитковых обмоток в одни интервалы времени будет увеличивать амплитуду фазного напряжения, а другая обмотка - уменьшать эту амплитуду в другие интервалы времени.
Не исключается также, что нарушения требуемых соотношений между числами витков, включенных разновитковых обмоток, подчинены вероятностному закону распределения. Однако это уже является предметом отдельных исследований.
Поэтому в соответствии с целью анализа рассмотрим наихудший случай вероятностного распределения, который может характеризоваться максимальной разницей амплитуд фазных напряжений близлежащих интервалов.
В качестве объекта исследований рассмотрим схему выпрямления с кратностью пульсаций w = 8 и соотношением относительных витковое чисел: 1,0; 0,585 и 0,414 [80]. Последовательности образования контуров на интервалах проводимости вентилей, в которых вторичные разновитковые обмотки представлены источниками ЭДС соответствующей полярности, а их амплитуды определены через соотношения относительных чисел витков, приведены в [п. 1.4].
Методика расчета и анализ несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток преобразователя
Выполненные в разделе п.2.3 и п.3.2 исследования рассматривались в независимости друг от друга.
При рассмотрении несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС влиянием несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток ТПЧФ пренебрегалось (п.2.3). Аналогичным образом поступали при исследовании несимметрии фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток ТПЧФ -несимметрия ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС, не принималась во внимание [137].
Анализ проведенных расчетов также дает основание заключить, что наибольшее влияние на показатели качества выпрямленного напряжения оказывает несимметрия ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС. Фактически в реальных устройствах с различной степенью проявления на качестве выпрямленного напряжения сказывается одновременное влияние двух факторов, вызванных как несимметрией ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС, так и несимметрией фазных напряжений вторичной системы разновитковых обмоток ТПЧФ, формирующих напряжения в фазах. Величина отклонения от коэффициента пульсаций, соответствующая идеальному случаю симметрированного преобразователя, будет уже являться функцией двух независимых переменных Ч=/ е и а,
При анализе, как и ранее, будем оперировать только интегральными характеристиками несинусоидального напряжения на выходе выпрямителя, через соотношения, связывающие их с реальными элементами схемы при аналогичных общепринятых допущениях.
Полученные через интегральные характеристики результаты расчета позволяют проанализировать влияние установленных параметров схемы на ее выходные характеристики от действия двух независимых переменных а и U
Зависимость выходного напряжения на периоде питающего напряжения рассчитывается для установленного на практике диапазона допустимых отклонений независимых переменных, на основании которой устанавливается коэффициент пульсаций кп или его отклонение 8# .
Сформулированная задача исследований не отличается большой сложностью от предыдущих рассмотрений для случаев влияния несимметрии, обусловленной каждым фактором в отдельности. Как 132 показывает анализ, работа преобразователя при одновременном влиянии обоих факторов с точки зрения последовательности состояний на интервалах проводимостей вентилей также ничем не отличается. Поэтому с целью сокращения выкладок целесообразно воспользоваться результатами предыдущих исследований.
Следует отметить, что абсолютные значения главных соотношений фазной системы на периоде питающего напряжения и моменты времени коммутации вентилей теперь будут определяться двумя вышеназванными видами несимметрии.
На основании уже разработанного подхода и методики исследований процедура математического описания задачи исследований сводится к определению последовательности образования контуров преобразователя с учетом сдвига коммутации во времени на периоде питающего напряжения (п. 1.4) и главных соотношений фазной системы (п.2.3), на основании которых рассчитываются среднее и действующее значения выпрямленного напряжения. Полагая при этом, что ot = var и U U Ш = var изменяются в установленных пределах.
Математическое описание коммутационных процессов в многопульсных выпрямителях при несимметрии ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС
При анализе работы схем выпрямления чаще всего основываются на идеализации трансформаторных преобразователей числа фаз, предполагая симметрию ТПЧФ, а сопротивление и индуктивность рассеяния их обмоток равными нулю. Это дает возможность сравнительно просто устанавливать ряд соотношений между важнейшими величинами, характеризующими работу многопульсных выпрямителей, но приводит одновременно к некоторому искажению действительных процессов, происходящих в самих схемах выпрямления.
На самом деле в реальных цепях трансформаторных источников всегда имеется индуктивность рассеяния, вследствие наличия которой мгновенная коммутация невозможна, и переходный процесс переключения тока с одного вентиля на другой длится определенное время, в течение которого ток одной фазы уменьшается, а ток другой фазы возрастает.
В определенные моменты времени, что определяется начальной фазой напряжений на входе выпрямителя, происходит коммутация тока вентилей и суммирование определенных составляющих ортогональных напряжений, наведенных в частях разновитковых вторичных обмоток ТПЧФ.
Как показал информационный поиск [16, 50, 52, 54, 56, 62, 75, 77], при проектировании таких многопульсных выпрямителей, вследствие дискретности витков, обуславливающей невозможность реализации расчетных соотношений между числами витков вторичной системы напряжений ТПЧФ, обычно возникает проблема обеспечения приемлемого уровня симметрии многофазной системы ЭДС [16, 48, 50, 52, 62, 75, 124]. Допускаемое на практике уменьшение или увеличение витков обмотки ровно на одно целое число обуславливают различие индуктивности рассеяния частей обмоток, участвующих в коммутации.
К тому же трансформаторные источники, формирующие ортогональные напряжения, не обладают жестким сдвигом между выходным напряжением [16, 54, 63 - 71]. Вследствие чего, как ранее отмечалось (п.2.3, п.2.5 и п.2.6), [124, 135], в многопульсном выпрямителе возникает несимметрия трансформаторных ортогональных фазосдвинутых источников переменных ЭДС, которая оказывает влияние на амплитуды фазных напряжений и углы сдвига между выходными напряжениями ТПЧФ.
В случае несимметрии трансформаторного преобразователя числа фаз в кривой ЭДС выпрямителя амплитудные значения вторичных фазных ЭДС могут отличаться от номинальных значений и друг от друга. В пределах одного периода в кривой выпрямителя в общем случае также могут возникать различия и в начальных фазах последовательно коммутирующих источников ЭДС [16, 18, 19, 139,140].
Вследствие этого происходит нарушение периодичности по длительности работы однофазных мостов во внекоммутационном режиме за период питающей сети [139,140].
При исследовании процесса коммутации в многопульсных выпрямителях следует обратить внимание еще на два важных фактора, представляющих теоретический и практический интерес, при решении широкой группы задач.
К первой следует отнести влияние индуктивностей рассеяния, обусловленных числом сочетаний обмоток ортогональных трансформаторных источников преобразователя на длительность коммутации. Тем более что количественных соотношений, учитывающих степень влияния каждой из индуктивностей разновитковых обмоток на процесс коммутации, как показал патентно-информационный поиск, до сих пор не установлено.
Ко второй группе решаемых задач следует отнести влияние кратности пульсаций выпрямленного напряжения на длительность процесса коммутации. Как показал информационный поиск, существующие мнения авторов ряда опубликованных по данному вопросу работ весьма противоречивы [1,3, 4,16,18,19, 48,58, 83, 88 - 90,122, 126, 139 - 144].
Со стороны переменного тока выпрямитель представляет систему, образованную из к независимых однофазных источников (п. 1.4, рис. 1.14), которые в случае полной симметрии имеют одинаковую амплитуду ЭДС и сдвиг по фазе относительно друг друга на 2п/т.
В случае конструктивной несимметрии интегрированного в многопульсный выпрямитель трансформаторного преобразователя числа фаз амплитудные значения вторичных фазных ЭДС могут отличаться от номинальных значений (п.2.3, п.2.5, и п.2.6). Различия также могут возникать и в начальных фазах последовательно коммутирующих источников ЭДС.
Все это приводит к нарушению периодичности по длительности работы однофазных мостов во внекоммутационном режиме за период питающей сети.
Для решения поставленной задачи следует проанализировать коммутационные процессы в схемах, не привязываясь к их конкретной структуре, и получить соотношения, связывающие определяющие величины через число пульсаций выпрямленного напряжения.
