Содержание к диссертации
Список условных обозначений
ВВЕДЕНИЕ РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
§1.1 Влияние полупроводниковых преобразователей на питающую сеть
§1.2 Качество напряжения в СЭЭС с мощными преобразователями с учетом регулирования напряжения на шинах СГ
§1.3 Высшие гармоники в фазном и линейном напряжениях на входе преобразователей при симметричном и несимметричном управлении
§ 1.4 Высшие гармоники при несимметрии питающих напряжений
§1.5 Высшие гармоники обусловленные высокочастотными колебаниями
§1.6 Высшие гармоники напряжения при модуляции питающих напряжений
§1.7 Особенности резонансных явлений в автономных электроэнергетических системах с полупроводниковыми преобразователями
§1.8 Виброаккустические характеристики электрооборудования
§ 1.9 Ущерб от высших гармоник, генерируемых полупроводниковыми преобразователями
Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ВЫПОЛНЕННЫХ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ
§2.1 Конструктивное исполнение ТВМП
§2.2 Конструирование обмоток ТВМП для инверторного режима
§2.3 Работа ТВМП в выпрямительном режиме
2.3.1 Формирование магнитного поля ТВМП
2.3.2 Реакция магнитного поля круговой обмотки
2.3.3 Размагничивающее действие поперечного поля КО
2.3.4 Реакция КО при смещении плоскости коммутирующих ключей относительно условной геометрической нейтрали ТВМП
§2.4 Расчет габаритной мощности тороидального трансформатора с вращающимся магнитным полем
§2.5 Геометрические параметры тороидального трансформатора с вращающимся магнитным полем
2.5.1 Уравнение геометрического фактора, содержащее температуру перегрева катушки ТТ
2.5.2 Уравнение геометрического фактора, не содержащее температуру перегрева катушки ТТ
§2.6 Сравнительный анализ массогабаритных характеристик трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями
2.6.1 Зависимости напряжения, токов, мощности и массы трансформатора с пульсирующим магнитным полем от его размеров
2.6.2 Зависимости напряжения, токов, мощности и массы трансформаторов с вращающимся магнитным полем от его размеров
2.6.3 Мощности, потери и масса геометрически подобных ТВМП
§2.7 Основные свойства управляемых реакторов и трансформаторов
§2.8 Регулировочные свойства тороидальных реакторов и трансформаторов с поперечным подмагничиванием
Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 3 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АВТОНОМНОМ ИНВЕРТОРЕ С ВЫХОДНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
§3.1 Работа автономного инвертора с трансформатором вращающегося магнитного поля в установившемся режиме
§3.2 Анализ качества выходного напряжения инвертора с трансформатором с вращающимся магнитным полем, когда напряжение формируется ступенчатыми сигналами, квантованными по времени
§3.3 Анализ качества выходного напряжения инвертора с трансформатором с вращающимся магнитным полем, когда напряжение формируется ступенчатыми сигналами, квантованными по уровню
§3.4 Теория коммутации силовых ключей коммутатора отводов круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем
§3.5 Электромагнитные процессы в инверторе с выходным трансформатором вращающегося магнитного поля
Выводы по разделу РАЗДЕЛ 4 УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С СОГЛАСУЮЩИМ ТРАНСФОРМАТОРОМ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
§4.1 Особенности работы управляемого выпрямителя с трансформатором с вращающимся магнитным полем
§4.2 Основные расчетные соотношения управляемого выпрямителя с трансформатором вращающегося магнитного поля
§4.3 Качество выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя с трансформатором вращающегося магнитного поля
§4.4 Электромагнитные процессы в УВ с ТВМП
§4.5 Сравнительное исследование виброаккустических характеристик трансформаторов с пульсирующими и вращающимися магнитными полями
Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 5 ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КОММУТАТОРОМИ АИ И УВ ПОСТРОЕННЫХ НА БАЗЕ ТВМП
§5.1 Система управления транзисторным коммутатором автономного инвертора построенного на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем
§5.2 Система управления транзисторным коммутатором выпрямителя построенного на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем
§5.3 Функциональная и принципиальная схемы системы управления транзисторным коммутатором АИ и УВ
5.3.1 Устройство и работа блоков СУ ТК
5.3.2 Электронная приставка к СУ ТК
§5.4 Микропроцессорные системы управления ПП с ТВМП
5.4.1 Микропроцессорная СУ коммутатором инвертора на базе ТВМП
5.4.2 Микропроцессорная система управления коммутатором выпрямителя на базе ТВМП
Выводы по разделу
РАЗДЕЛ 6 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПП С ТВМП В МС7
§6.1 Модель инвертора с трансформатором вращающегося магнитного поля в MICRO-CAP 7
§6.2 Особенности работы схемотехнических моделей инверторов на базе ТВМП
§6.3 Результаты экспериментальных исследований схемотехнических моделей инверторов на базе ТВМП в MICRO-CAP 7
§6.4 Схемотехническое моделирование выпрямителей на базе ТВМП в MICRO- CAP 7
§6.5 Система управления ТК в составе выпрямителя построенного на базе ТВМП 134
6 Взаимодействие элементов модели в статике и динамике 291
7 Особенности схемотехнического моделирования управляемого выпрямителя 294
8 Результаты экспериментальных исследований качества выходного напряжения выпрямителей на базе ТВМП в схемотехнических моделях
9 Исследование аварийных режимов работы инверторов с ТВМП 306
10 Исследование аварийных режимов работы выпрямителей с ТВМП 312
11 Исследование режимов работы полупроводниковых преобразователей ТВМП в MatLab-Simulink
Выводы по разделу 322
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 324
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 328
ПРИЛОЖЕНИЯ 339
Приложение 1 Акты о внедрении 339
Приложение 2 Текстовое описание в формате МС-7 макромодели инвертора на базе ТВМП при 8 парах СКЛ
Приложение 3 Текстовое описание в формате МС-7 макромодели выпрямителя на базе ТВМП при 8 парах СКЛ
Введение к работе
В автономных электроустановках, в силу особо тяжелых условий работы электрооборудования (ЭО) и повышенных требований к его надежности, внедрение полупроводниковых преобразователей (ПП), по сравнению с промышленностью, железнодорожным транспортом и линиями электропередач, началось со значительной задержкой [3-5,17,29,32,33,35, 49,50,57-61,64-70,74,81,85,92-96,100-110,121,122,125,130,133,140,142-144,146, 147,152,154, 159,166,168,170-172,208-211,214-216].
Основные вопросы, которые решались в 60-е годы, были связаны с обеспечением требуемого качества выпрямленного напряжения и защиты вентилей ПП во всем диапазоне регулирования выходного напряжения [3-8, 15,20-23,28,32,36-38,45,85,86,98,101,130,139,142,152,214-216,221,223,224, 235]. Качество электроэнергии (КЭ), ее нормирование и контроль в этот период определялись ГОСТ 13109-67 и Морским Регистром СССР.
В 70-х годах XX века начинается широкое внедрение на судах и плавсооружениях тиристорных преобразователей (ТП) рода тока, напряжения и частоты с мощностями, достигавшими 25% и более от мощности источников электроэнергии автономных электроустановок [3-8,17,21,22,28,32,33,46,69,70,74,81,85,94-96,100-105,139,141-143,148,152,154, 208-211,214-216,219-226]. Большинство выпрямителей и инверторов в этот период выполняются по трехфазным мостовым схемам, которые в наименьшей мере подвержены влиянию асимметрии питающих напряжений и управления [3-8,15,20,28,68,76-81,85,97,98,101,116,120-122,130,133,137-139,141-150,154-159,195-197,200-204,207, 210,213-216].
Мощные ПП искажали формы кривых токов и напряжений, загружали сеть дополнительной реактивной мощностью и мощностью искажения [3-8,17,21-25,27-29,33,35,37,42,44,49,57-60,64,65,68,69,70,73,74,76-79,84,92,100-110,114-116,121,122,125,138-140,148,166,168,170-173,189,190-192,208-211,227-229, 231-234,235]. Высшие гармоники в составе кривых токов и напряжений приводили к дополнительному нагреву статорных и роторных обмоток генераторов, потребителей переменного тока и кабельных трасс [5,8,42,60,64,68,69,73,74,100,103-105,114-116,121,134,142-144,146,152,207, 211,214-216], стали вызывать сбои в работе устройств автоматики, вычислительной техники и систем управления самих ПП [3,8,15,20,23,29, 32,36-38,40,45,59,68,74,79,80,86,97,98,100-104,107,115,117,120,134,138-140, 144,152,168,214,230,236].
Исследования, выполненные в середине 80-х годов XX века, показали, что при увеличении коэффициента гармоник по напряжению (Кга) до 10% происходит резкий рост виброаккустических характеристик (ВАХ) трансформаторно-реакторного оборудования на частотах пульсаций 6со,12со,18ш, что соответствует 5-й и 7-й, 11-й и 13-й, 17-й и 19-й гармоникам [2,5,26,123,124,217], кроме того повышается виброактивность асинхронных двигателей (АД) на шестикратной частоте питающей сети (6fi) в 3-5 раз [26]. Было установлено, что при длительном воздействии шума и вибрации на персонал [2,5,26,123,124,137], производительность труда падает примерно на 60%. В работах Вилесова Д.В., Фоминича Э.Н. и др. [27,145] показано, что в закрытых помещениях существенно возрастает влияние электромагнитных полей на персонал дежурно-вахтенных служб.
В конце 90-х годов ГОСТ на КЭ был вновь пересмотрен и приведен в соответствие с международными стандартами МЭК. Постановлением Госкомитета РФ по стандартизации, метрологии и сертификации от 28 августа 1998 г. № 338 ГОСТ 13109-97 введен в действие в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 01.01.1999. При этом Морской Регистр Судоходства РФ утвердил Кга на уровне не более 10%.
В настоящее время благодаря работам Глинтерника СР., Глебова И.А., Глазенко Т.А., Демирчяна К.С., Исаева И.М., Инькова Ю.М. Каганова И.Л., Ковалева Ф.И., Крайчика Ю.С., Крогериса А.Ф., Поссе А.В., Размадзе Ш.М., Лутидзе Ш.И., Тимофеева Д.В., Толстова Ю.Г., Чалого Г.В., Чиженко И.М., Шехтмана М.Г., Шипилло В.П., Эттингера Е. Л., Анисимова Я.Ф., Мыцыка Г.С. в основном сформирована теория работы ПП в симметричных и несимметричных режимах. Жежеленко И.В., Розанов Ю.К., Козярук А.Е., Рябенький В.М., Яценко Г.С, Агунов А.В. предложили практически важные решения по компенсации высших гармоник. Значительный вклад в развитие теории энергетических процессов в ПП внесли Маевский О.А., Зиновьев Г.С, Агунов М.В. [7,8,21,61,84], а в развитие динамики ПП - Булгаков А.А., Поздеев А.Д., Донской Н.В., Исхаков А.С [21,46,66,69,74,83,126,142,209, 210]. Джюджи Л., Пелли Б., Шрейнер Р.Т., Дмитриев Б. Ф., Скачков Ю.В. внесли существенный вклад в развитие теории построения многоячейковых преобразователей [7,8,21,61,84].
Розанов Ю.К., Агунов А.В. и др. [1,47,130,131,132,212] отмечают, что создание и освоение промышленностью новых силовых приборов позволит расширить функции силовых электронных устройств, используемых для регулирования КЭ, создавать ПП, работающие в 4-х квадрантах комплексной плоскости, что позволит управлять потоками энергии в любом направлении по любому закону. На новой элементной базе создаются мощные активные фильтры, работающие в режиме как бы генераторов антигармоник, а также корректоры, которые встраиваются непосредственно в ПП.
Исследования, выполненные автором, показали, что для повышения КЭ в автономных ЭК и С, с мощными ПП требуется совершенствование силовых схем самих ПП. Первые работы в этом направлении были выполнены Свиридовым Г.М., Шукаловым В.Ф., Гайтовым Б.Х., Сингаевским Н.А. и др. [9,14,62,83,88,111-114,237,238].
Цель настоящей работы - повышение показателей КЭ в автономных ЭК и С за счет построения силовых схем ПП на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) с обмотками, выполненными по схеме «Y/круговая обмотка (КО)» и «KO/Y», что требует:
1. Разработки теории электромагнитных процессов для управляемых выпрямителей (УВ) и автономных инверторов (АИ), построенных на базе ТВМП с различным числом пар силовых ключей (СКЛ) транзисторных коммутаторов (ТК), переключающих отводы КО ТВМП, и методики оценки качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП при различном числе пар СКЛ ТК.
2. Разработки теории и технологии исполнения ТВМП для У В и АИ, а также методов расчета габаритных мощностей ТВМП, построенных по схеме «звезда/круговая обмотка».
3. Разработки алгоритмов, способов управления и структурных схем систем управления СКЛ ТК УВ и АИ, построенных на базе ТВМП, когда ТК содержит различное число пар СКЛ.
4. Разработки схемотехнических и математических моделей УВ и АИ, построенных на базе ТВМП с различным числом пар СКЛ ТК для исследование эффективности их работы в установившихся и аварийных режимах работы с целью ускорения создания нового класса УВ и АИ, построенных на базе ТВМП.
Методы исследований. Исследования проводились с применением современного математического аппарата, соответствующего решаемым задачам: методов теории электрических и магнитных цепей, методов теории гармонического анализа, операционного и матричного исчисления.
Теоретические результаты подтверждаются математическим и схемотехническим моделированием в среде MatLab-Simulink и Micro-Cap 7 на ПЭВМ. Достоверность теоретических положений подтверждена результатами исследований лабораторных макетов и промышленных образцов ГШ с ТВМП, разработанных и изготовленных на основе научных работ автора и положений данной диссертационной работы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработаны теоретические положения, совокупность которых может рассматриваться как крупное научное достижение в развитии теории ГШ, построенных на базе ТВМП в судовых ЭК и С, в частности:
- представлены новые теоретические результаты по исследованию электромагнитных процессов в ПП, построенных на базе ТВМП, позволяющие получить аналитические выражения выходных токов и напряжений, включая высшие гармоники, при произвольном числе пар СКЛ ТК, переключающих отводы КО ТВМП;
- разработаны математические и схемотехнические модели ПП с ТВМП, адекватно отображающие реальные электромагнитные процессы в АИ и УВ, построенных на базе ТВМП, которые позволяют исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы ПП с ТВМП, при различных характерах нагрузки, различном числе пар СКЛ ТК и получать спектральные характеристики их выходных токов и напряжений. Новизна моделей подтверждена их регистрацией во ВНТИЦ РФ;
- теоретически обоснованы и разработаны новые способы управления СКЛ ТК отводов круговых обмоток ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ и позволяющие обеспечить ЭМС ГШ с питающей сетью.
Практическая значимость работы состоит в том, что сформулированы принципы построения и разработаны новые ПП на базе ТВМП, у которых в выпрямительном режиме (при 8 парах СКЛ ТК) коэффициент гармоник напряжения (Кщ) и тока (Кгі) не превышает 1%, а коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (Кри) не превышает 3,3% во всем диапазоне регулирования, а в инверторном режиме коэффициент гармоник Кги и Krj (при 8 парах СКЛ ТК) не превышает 19,8% и 4,5% соответственно, что позволяет обеспечить у АИ с ТВМП, по сравнению с классическими АИ, более высокое КЭ и снизить уровень ВАХ судового ЭО на 10-20 Db.
Разработаны новые схемотехнические и математические модели ГШ с ТВМП на различное число пар СКЛ ТК, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выбора оптимальных параметров, обеспечивающих заданные показатели КЭ и ВАХ.
Разработаны методики анализа показателей КЭ ПП на базе ТВМП, позволяющие определять Кгі, Кщ, Kpu, регулировочные характеристики выпрямителей при произвольном числе пар «N» СКЛ ТК.
Разработаны методики расчета реакторов с ортогональными управляющими магнитными потоками и габаритных мощностей ТВМП, когда входная (выходная ) обмотка ТВМП выполнена в виде трехфазной, а выходная (входная) в виде КО с отводами.
Представленная работа выполнялась в соответствии с госбюджетными НИР в филиале «Севмашвтуз» - Санкт Петербургского государственного морского технического университета по заказам предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения (ГРЦАС) в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» при непосредственном участии автора за период с 1980 по 2005г.
Результаты работы используются предприятиями ГРЦАС: ФГУП «ПО «СЕВМАШ», ФГУП «МП «ЗВЕЗДОЧКА», ФГУП «СПО «АРКТИКА», в учебном процессе филиала «Севмашвтуз» и СПбГМТУ, в дисциплинах «Полупроводниковые преобразователи» и «Основы теории сигналов».
На защиту выносятся:
1) теория направленной коммутации силовых ключей УВ и АИ транзисторных коммутаторов, переключающих отводы КО ТВМП;
2) способы управления и алгоритмы построения систем управления АИ и УВ с ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ ТК;
3) алгоритмы, схемотехнические и математические модели ПП с ТВМП в программной среде Micro-Cap 7 и MatLab-Simulink, позволяющие исследовать симметричные, несимметричные и аварийные режимы работы АИ и УВ с ТВМП, при различных характерах нагрузки и различном числе пар СКЛ у ТК;
4) методики оценки показателей качества выходного напряжения УВ и АИ с ТВМП и аналитические соотношения для расчета высших гармоник напряжения при фиксированном и произвольном числе пар СКЛ ТК и различных законах формирования выходного напряжения;
5) методика расчета габаритных мощностей ТВМП и их геометрических факторов, когда входная (выходная ) обмотка выполнена в виде трехфазной, а выходная (входная) в виде круговой обмотки с отводами;
6) методика расчета параметров реакторов и трансформаторов с вращающимися магнитными полями при наличии и отсутствии ортогонального управляющего магнитного потока.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзных конференциях: Проблемы создания мощных электроэнергетических систем для судов ледового плавания и плавучих буровых установок, Л., 1983; Проблемы преобразовательной техники, Киев, 1987; Повышение эффективности и качества электроснабжения, Мариуполь, 1990; Проблемы преобразовательной техники, Киев, 1990, и 1992. Всероссийских конференциях: ЭМС технических средств, С.Петербург, -1994 (1 докл.); 1996 (2 докл.); 1998 (1 докл.); 2000 (3 докл.); 2004 (7 докл.). Международных конференциях: Морские интеллектуальные технологии: Моринтех-97 (2 докл.), Моринтех-99 (2 докл.), Моринтех-2001 (3 докл.), С.Петербург; Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы, Екатеринбург, 2003; Динамика систем, механизмов и машин, Омск, 2004, а также на - конференциях «Перспективные технологии строительства и утилизации судов на предприятиях ГРЦАС», Северодвинск: 1984 - 2004 гг.
Публикации: Основные научные результаты работы отражены в 51 научной работе, в том числе: в 10 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций; 4 АС на изобретение; 22 запатентованных моделях и программах; 6 монографиях, а также в трудах НТО им.акад. А.Н. Крылова, СПбГМТУ, ж. ЭЛЕКТРО и других известных изданиях.
Личный вклад. Постановка и решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы принадлежат лично автору. Разработка схемотехнических моделей АИ и УВ с ТВМП в программной среде Micro-Cap 7 выполнена совместно с Казакевичем А.И, Семеновым Д.Н. и Музыкой М.М. Исследования установившихся и аварийных режимов АИ и УВ с ТВМП на моделях реализованных в программной среде Micro-Cap 7, выполнены лично автором.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 350 страниц, состоит из введения, шести разделов (глав), заключения, списка литературы из 238 наименований и приложения на 23 страницах. Работа содержит 327 страниц основного текста, в том числе 154 иллюстрации (включая осциллограммы) на 87 страницах и 36 таблиц на 29 страницах.
