Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ многопульсных выпрямителей и их влияние на качество выпрямленного напряжения 12
1.1. Основные принципы классического подхода к изучению влияния несимметрии и несинусоидальности питающей сети на работу статических выпрямителей 12
1.2. Многопульсные выпрямители с двумя источниками переменных ЭДС, сдвинутых на 90 электрических градусов 17
1.3. Проблемы электромагнитной совместимости статических выпрямителей и питающей сети переменного тока 40
1.4. Основные результаты и краткие выводы 45
2. Многопульсные выпрямители с ортогональной системой напряжений 46
2.1. Многопульсные выпрямители на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта 46
2.1.1. Принцип преобразования двухфазного напряжения в трехфазное на основе схемы Скотта 46
2.1.2. Анализ электромагнитных процессов в многопульсных выпрямителях на основе схемы Скотта 54
2.2. Многопульсные выпрямители на базе ортогональных систем напряжений с применением трехфазных трансформаторов 67
2.3. Основные результаты и краткие выводы 78
3. Влияние несимметрии и несинусоидальности трехфазной сети на работу многопульсных выпрямителей 79
3.1. Многопульсные выпрямители на основе схемы Скотта
3.1.1. Расчетная схема многопульсных выпрямителей на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта 81
3.1.2. Влияние искажения напряжений трехфазной сети на формирование ортогональной системы напряжений 82
3.1.3. Анализ выпрямленного напряжения при несинусоидальности питающего напряжения 86
3.1.4. Анализ гармонического состава тока, потребляемого из трехфазной питающей сети 91
3.1.5. Анализ влияния несимметрии напряжений трехфазной сети на работу многопульсных выпрямителей 98
3.1.6. Анализ выпрямленного напряжения при несимметрии напряжений питающей трехфазной сети 100
3.1.7. Анализ гармонического состава токов, потребляемых из сети при несимметрии питающего напряжения 103
3.1.8. Анализ совместного влияния несинусоидальности и несимметрии питающих напряжений на работу выпрямителей 106
3.1.9. Анализ гармонического состава токов, потребляемых из сети, при совместном воздействии несинусоидальности и несимметрии питающих напряжений на процесс выпрямления 111
3.2. Многопульсные выпрямители ортогональной системы напряжений на базе трехфазных трансформаторов 115
3.2.1. Анализ выпрямленного напряжения с учетом несимметрии и несинусоидальности питающей сети 115
3.2.2. Анализ гармонического состава тока, потребляемого из сети выпрямителем при несимметрии и несинусоидальности питающего напряжения 120
3.3. Основные результаты и краткие выводы 123
4. Экспериментальные исследования многопульсных выпрямителей с ортогональными системами напряжений 125
4.1. Расчет двенадцатипульсного выпрямителя с ортогональной системой напряжений 125
4.2. Экспериментальная установка двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора 132
4.3. Основные результаты и краткие выводы 143
Заключение 145
Список использованной литературы 147
Приложение 161
- Основные принципы классического подхода к изучению влияния несимметрии и несинусоидальности питающей сети на работу статических выпрямителей
- Многопульсные выпрямители на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта
- Расчетная схема многопульсных выпрямителей на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта
- Расчет двенадцатипульсного выпрямителя с ортогональной системой напряжений
Введение к работе
Потребители электроэнергии [1,2], которая генерируется на переменном токе промышленной частоты, но потребляется на постоянном токе, непрерывно возрастает, превышая в настоящее время третью часть всей вырабатываемой в стране. Преобразование энергии- переменного тока в энергию постоянного тока занимает значительный объем в алюминиевой промышленности - до 90 %; в бортовых системах - до 70 %; в маломощных источниках электропитания — до 70 %. Существенна доля такого преобразования на и электрическом транспорте (свыше 70 % подвижного состава оснащена двигателями постоянного тока) [2, 3]. Объемы перерабатываемой здесь электроэнергии значительно превышают объемы переработки в других производственных отраслях. В начале 2000 г. в мире было 240 тыс. км электрифицированного железнодорожного транспорта, в том числе на постоянном токе 103 тыс. км (43 %) [4]:
Как отдельное направление энергетической политики преобразование одного вида электроэнергии в другой вид электроэнергии в государственных и правительственных программах, составляющих суть и ядро энергетической стратегии, не выделено ни по одному из видов преобразования. Вместе с тем, только лишь при преобразовании переменного тока в постоянный можно достичь значительного экономического эффекта. Этот эффект может быть достигнут и в электролизных установках, и в бортовых источниках питания, и на предприятиях нефтепромыслов, где очень высока потребность в электродвигателях постоянного тока. Основной способ повышения экономичности при преобразовании переменного тока в постоянный ток заключается в повышении пульсности выпрямителей, осуществляемом при помощи простых схемных решений. Широкое распространение тяги постоянного тока, особенно на железнодорожном транспорте, предопределяет конкретные шаги по совершенствованию преобразователей
переменного тока в постоянный. Тяговые подстанции в большинстве своем оборудованы 6-пульсными выпрямительными агрегатами (ВА) [5 - 7]. Однако, в 70-80-х годах прошлого века начались работы по переводу части В А на 12-пульсные схемы выпрямления, что дало в своё время значительный скачок в экономии электроэнергии при её преобразовании и потреблении и снизило затраты на изготовление ВА. Однако, при объективно фиксированном уровне напряжения постоянного тока, электрическая тяга постоянного тока наиболее выигрышна по сравнению с тягой переменного тока при уменьшении капиталовложений в устройство и оборудование тяговых подстанций. Одним из решений по уменьшению капиталовложений является снижение количества подстанций на погонный участок дистанции магистральной железной дороги. Это возможно при повышении пульсности выходного напряжения выпрямителей тяговых подстанций со значений 6, 12 до значений 24, 30, 36. Увеличение жесткости внешней характеристики ВА, связанное с повышением пульсности, позволит увеличить дистанцию между соседними подстанциями, а значит уменьшить количество подстанций на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе.
Однако переход на 24-, 30- или 36-пульсные схемы выпрямления на железнодорожном транспорте связан с необходимостью решения сложных задач технического плана. Так, изготовление многообмоточных трансформаторов, без которых невозможно обеспечить повышение пульсности выпрямленного напряжения, связано со строгим соблюдением требуемых соотношений между числами витков отдельных, фазообразующих обмоток. Для реализации требуемых соотношений, как правило, требуется намотка нецелого числа витков в некоторых обмотках, что сложно выполнимо, особенно в многопульсных выпрямителях последовательного типа, когда расчетные числа витков обмоток "трансформаторов мощных ВА не очень велики. Более того, практически невозможно обеспечить равенство электромагнитных условий для всех вентильных обмоток [8]. Разработка и исследование многопульсных выпрямителей, выполненных по новым
7 схемным решениям, позволяющим обойти часть вышеуказанных
сложностей, являются предметом работы коллектива ученых кафедры
«Электротехнические комплексы» Новосибирского государственного
технического университета.
На электрическом транспорте (железнодорожный, метрополитен, городской и промышленный) осуществляются крупномасштабные пассажирские и грузовые перевозки, что обуславливает естественный износ оборудования электропреобразующего оборудования. Так, в частности, у оборудования тяговых подстанций, превышены установленные эксплуатационные сроки. Срок службы (жизненный цикл) преобразовательного трансформатора составляет 23 года, а жизненный цикл вентильных конструкций тяговой подстанции постоянного тока составляет 14 лет [3]. Особенно критично следует относиться к увеличению сроков эксплуатации трансформаторов. Электротехническая сталь сердечников трансформаторов теряет со временем свои свойства, что приводит к повышенным потерям мощности. Со временем теряют свои свойства и межобмоточная изоляция, и изоляция обмоточных проводов, постоянно находящихся под воздействием больших электромеханических усилий. На Западно-Сибирской железной дороге до 40 % трансформаторов тяговых подстанций постоянного тока, по состоянию на 1.01.2005 года, достигли установленного срока службы, причем часть из них имеет значительное превышение установленных сроков службы. Трудно оценить масштабы потерь электроэнергии, связанные со старением и износом трансформаторного оборудования.
Актуальным остается вопрос снижения затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей технических средств электрического транспорта, системы тягового электроснабжения, в частности, выпрямителей тяговых подстанций [9,10]. Совершенствование технических средств, преобразующих энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в настоящее время приобретает особую актуальность.
Анализ существующих схем многопульсных ВА показывает, что схемное решение выпрямителя предопределяет величину коэффициента использования вторичных обмоток трансформаторов по мощности, то есть массогабаритные и стоимостные показатели выпрямителей [11]. Большое внимание к совершенствованию методик расчета установленных мощностей и энергетических 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., Мятежа СВ.
Существенное снижение потерь электроэнергии при преобразовании переменного тока в постоянный ток можно ожидать при переоборудовании имеющихся ВА (или при установке новых ВА) по схемам, обеспечивающим более высокую пульсность выпрямленного напряжения. При этом потери могут быть снижены не только в самих ВА, но и в питающих сетях и смежных потребителях за счет снижения искажающего влияния нелинейной нагрузки, которой являются В А, на качественные характеристики сетей [12]. С увеличением пульсности выпрямленного напряжения в сетях постоянного тока снижаются требования к массогабаритным и стоимостным показателям сглаживающих фильтров тяговой сети. Кроме того, потери электроэнергии при фильтрации также снижаются. Однако, исследования электромагнитной совместимости многопульсных выпрямителей и оценка их экономичности, даже при допущениях симметричности и синусоидальности питающих трехфазных напряжений выполненных в известных работах не позволяют оценить в полной мере их влияния на устройства СЦБ и связи, устройства электроподвижного состава [13].
В связи с вышеуказанными проблемами можно сказать, что огромный интерес должны вызывать разработки и исследования многопульсных выпрямителей, сочетающих в себе экономичность преобразования, простоту и надежность схемных построений при работе в условиях несимметричных и несинусоидальных напряжений питающей сети.
Исследованиям электромагнитных процессов и характеристик работы
выпрямителей при несимметричных питающих напряжениях посвящены труды многих ученых, например, Трейвас М.Д., Маглаперидзе О.К, Анисимов Я.Ф., Соколов С.Д., Черников Г.Б., Пинцов A.M., Бадер М.П., Шидловский А.К., Низов А.С., Шалимов М.Г., Маценко В.П. и другие.
Влияние несинусоидальности и несимметрии сетевых напряжений на качественные характеристики выпрямителей нашло отражение в работах Шляпошникова Б.М., Поссе, В.П. Маценко, А.Г. Пономарева, А.А. Масленникова и других.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование электромагнитных процессов в неуправляемых выпрямителях с ортогональной системой напряжений с учетом влияния несинусоидальности и несимметрии трехфазных напряжений сети для оценки качества преобразуемой ими энергии и помехоустойчивости при работе в реальных условиях.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:
1. Выполнен анализ существующих методов учета несимметрии и
несинусоидальности напряжений питающей трехфазной сети при
исследовании многопульсных выпрямителей, с целью оценки их
адекватности и применимости к исследованию преобразователей
переменного напряжения в постоянное с ортогональной системой
напряжений.
2. Проведено комплексное исследование, позволяющее развить
теоретические основы преобразования трехфазных систем напряжения в
двухфазную ортогональную систему для многопульсного выпрямления с
получением обобщенных выражений, связывающих токи, напряжения и
мощности в цепях постоянного и переменного тока.
3. Разработаны новые схемные решения многопульсных
выпрямительных агрегатов с более высокими технико-экономическими
10 показателями и улучшенной электромагнитной совместимостью для питания
нагрузок постоянного тока.
Созданы математические модели для оценки качества преобразуемой энергии преобразователей с ортогональной системой напряжений в постоянное, с учетом несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети.
На основе теоретических и экспериментальных данных, полученных в работе, разработаны рекомендации по применению многопульсных выпрямителей для тяговых подстанций электрического транспорта.
Методы исследования. В основу теоретических исследований положен математический аппарат, включающий теорию комплексной переменной для расчета электрических цепей в синусоидальном режиме. Анализ электромагнитных процессов выпрямителей при несимметричной питающей сети проведен с использованием метода симметричных составляющих. Составление математических моделей, описывающих процессы формирования выпрямленного напряжения, выполнено при помощи векторных диаграмм. Установление связи между токами на входе и выходе фазопреобразующих устройств получено с использованием интегральных методов. Гармонический анализ напряжений и токов многопульсных выпрямителей осуществлен путем разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты выполнены с помощью математического моделирования в среде «Maple», «Mathcad» и «MathLab». Для подтверждения достоверности результатов теоретических исследований проведены экспериментальные испытания соответствующих макетных образцов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» 2004, 2006; IX международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» 2006; VII международной конференции. «Актуальные проблемы электронного
приборостроения - АПЭП-2004»; форуме с международным участием Высокие технологии-2004; научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» 2004; второй и третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» - ЭЭЭ-2005, ЭЭЭ-2007; III Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» 2005.
Публикации. Основные содержание диссертации отражено в 14 научных работах, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 - патента РФ, 10 — в сборниках трудов конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и трех приложений. Общий объем 211 страниц машинописного текста, в том числе 160 страниц основного текста, в том числе 90 рисунков, 9 таблиц.
Основные принципы классического подхода к изучению влияния несимметрии и несинусоидальности питающей сети на работу статических выпрямителей
В работе [14] приводится обобщение закономерностей возникновения гармоник в токах и напряжениях статических преобразователей (подразумеваются выпрямители). Отмечается, что в рамках классической теории электромагнитных процессов гармонический анализ токов и напряжений проводится на базе общепринятых допущений: контуры коммутации всех силовых полупроводниковых приборов имеют одинаковые параметры; углы открытия и коммутации силовых полупроводниковых приборов идентичны; на выходе преобразователя получается идеальное сглаживание выпрямленного тока; питающие напряжения переменного тока синусоидальны и образуют симметричную систему. Данные допущения обеспечивают повторяемость процессов преобразования с периодом 2тг/т, где т число фаз преобразователя. В рамках приведенных допущений разработаны и имеются эффективные и достаточно простые методики расчетов канонических гармоник токов и напряжений [15]. Так, например, канонические гармоники в кривых токов питающей сети имеют порядковые номера / = рт±1, , (1.1) где р = 1,2..., а их амплитуды в относительных единицах, приведенных к первой гармонике равны: У у, (1.2) в то время как гармоники в кривых выпрямленного напряжения имеют порядковые номера у-рт. (1.3) Простой анализ формул (1.1) - (1.3) показывает, что применение многопульсных выпрямителей вполне оправдано, поскольку это должно приводить к более совершенному преобразованию электрической энергии, в частности, к снижению общего уровня высших гармоник в токах питающей сети и в кривых выпрямленного напряжения.
Данное утверждение подкреплено опытом эксплуатации мощных многопульсных выпрямителей, которые нашли применение на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе. В работах [16 -18] показаны положительные эффекты от внедрения двенадцатипульсных выпрямителей: - Сокращение материалоемкости (шестипульсный выпрямитель имел массогабаритный показатель в 3,5 кг/кВт, а двенадцатипульсный - не более 2 кг/кВт. - С увеличением числа пульсаций выпрямленного напряжения сократились потери электроэнергии. - Внешние характеристики двенадцатипульсных выпрямителей имеют меньший наклон (А = 0,26) по сравнению с шестипульсными (А = 0,5). Это обеспечило стабильный и более высокий уровень напряжения в контактной сети. Так, если напряжение холостого хода шестипульсных и двенадцатипульсных выпрямителей одинаковое, то при номинальной нагрузке двенадцатипульных выпрямителей напряжение в контактной сети на 150 - 200 В выше, чем при шестипульном выпрямлении. - Улучшение качества напряжения на выходе преобразователя позволило существенно упростить сглаживающие фильтры и снизить потери в них. - Условия работы трансформаторов с переходом на двенадцатипульное выпрямление существенно изменились: улучшилась форма кривой потребляемого тока, уменьшилось действующее значение сетевого тока при данном тяговом, а последний для производства тяговой работы может быть снижен из-за более высокого напряжения в контактной сети. В результате это позволило получить экономию электрической энергии порядка 5 млн кВт-ч в год. Эффект от внедрения 94-х двенадцатипульсных выпрямителей оценивается экономией электроэнергии в 80 - 90 млн кВт-ч в год [16].
В то же самое время, большинство авторов признает, что работа статических преобразователей сопровождается появлением неканонических гармоник токов и напряжений. При этом, в зависимости от условий эксплуатации устройств, общий уровень неканонических гармоник может достигать 20 — 30 % и более от среднеквадратичного значения канонических гармоник [15], что не позволяет ими пренебрегать.
Возникновение неканонических гармоник токов и напряжений имеет множество причин. Большинство из них обусловлено тем, что в реальности статические преобразователи работают в условиях, существенно не соответствующих приведенным ранее допущениям. В частности, наличие несимметрии и несинусоидальности питающих напряжений, неизбежное на практике, приводит к появлению неканонических гармоник для любого статического преобразователя.
Расчетные соотношения, связывающие уровень неканонических гармоник с влияющими факторами, оказываются достаточно сложными и зависящими от множества дополнительных факторов. Поэтому известные методы анализа режимов работы статических преобразователей, предложенные рядом исследователей, носят частный характер, учитывающий определенный фиксированный набор влияющих факторов [19].
Большинство исследователей, например, в ходе проводимого ими анализа режимов работы выпрямительных устройств разделяют процессы мешающего воздействия со стороны питающей сети на выпрямитель от процессов мешающего воздействия со стороны выпрямителя на питающую сеть и в дальнейшем рассматривают эти процессы по отдельности. Кроме того, мешающее воздействие со стороны питающей сети на выпрямитель моделируется ими через несимметрию и несинусоидальность питающих напряжений трехфазной сети переменного тока, причем сама несимметрия и несинусоидальность также задаются и рассматриваются раздельно [20, 21].
Такой подход объясняется тем, что в основе преобразования электрической энергии лежит использование свойств силовых полупроводниковых приборов с резко нелинейной ВАХ. Анализ электромагнитных процессов в устройствах, содержащих множество таких силовых полупроводниковых приборов в многофазных контурах вторичных обмоток силовых трансформаторов, требует решение систем интегро-дифференциальных уравнений высоких порядков с нелинейными коэффициентами, что не всегда оказывается возможным даже с применением численных методов, не говоря уже об аналитических методиках в соответствии с основами высшей математики [22]. При этом, для наиболее простых схем выпрямления, таких как однофазные схемы и некоторые трехфазные схемы, приводятся частные решения, представляющие собой приближенные трансцендентные выражения. В остальных случаях исследование процессов оказывалось возможным только благодаря использованию численных методов расчета.
Многопульсные выпрямители на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта
Теория преобразования электроэнергии по схеме Скотта достаточно хорошо изложена в [57 - 60], но некоторые аспекты познавательного плана требуют более полной иллюстрации работы этой схемы. Работу такого трансформаторного преобразователя числа фаз (ТПЧФ) (рис. 2.1) удобно показать с помощью векторных диаграмм напряжений первичных и вторичных его цепей (рис. 2.2). Проведем небольшое топологическое исследование векторов напряжений, действующих между точками А, В, С. Векторная диаграмма вторичных цепей с учетом коэффициента трансформации, способа соединения вторичных обмоток и их соотношения, а также с учетом ортогональности напряжений U} и Ш2, приложенных к первичным обмоткам трансформаторов, имеет такие же фазовые углы, как и векторная диаграмма: первичных; цепей; и представлена на;рис. 2.3 jot. Начало вектора UCD смещено в середину вектора U Ав, так как- вторичная обмотка, второго трансформатора соединена своим концом: с серединой вторичной, обмотки первого- трансформатора. Вектор U АВ можно представить в виде двух составляющих векторов UAD и UDB (рис. 2.3, б) или относительно точкиD -UDB иUAD (рис. 2.3 , в). В соответствии с правилами векторных построений - UDB UBD( и тогда векторную диаграмму можно представить в несколько ином виде (рис. 2;3І г).
Точки А, В; С представляют потенциалы комплексной плоскости, характеризуемые своимивекторами, начинающимися1 в точке D; Построенная: в комплексной плоскости векторная диаграмма может быть теперь рассмотрена без привязки к точке D: Для этого достаточно определить разность потенциалов между точками и получить комплексные напряжениями характеризующие их векторы. Так на рис. 2.3, г показан вектор
Таким образом, получена векторная диаграмма, аналогичная диаграмме линейных напряжений симметричной трехфазной системы напряжений (рис. 2.3, ж). Соединение этой системы с трехфазной нагрузкой позволяет выделить на нагрузке фазные напряжения. Если в схеме Скотта поменяем местами вход и выход, то получим трансформаторный преобразователь трехфазной системы напряжений в двухфазную систему [61, 62]. Геометрическое истолкование такого преобразования дал в 1899 г. Г. Ветмау. На рис. 2.4 и рис. 2.5 воспроизведены фигуры из журнала «Электричество» [63], поясняющие суть геометрического истолкования работы схемы Скотта, данного Г. Ветмау в американском журнале «The На рис. 2.4, а и рис. 2.5, а показаны три тока, сдвинутые на 2и1Ъ относительно друг друга. Допустим, что это трехфазная сеть, питающая «схему Скотта». Т-образное построение входных обмоток трансформаторов (рис. 2.1), обеспечивает переворот вектора тока В (рис. 2.4, б и рис. 2.5, б) и в V3 раза увеличивает вектор тока С (вектор С на рис. 2.4, в и рис. 2.5, в) [57]. Действие тока, характеризуемого вектором С в первичных обмотках, приводит к трансформированию в нагрузку напряжения U2 (рис. 2.4, г), а действие тока, характеризуемого равнодействующей векторов А и —В, показанных на рис. 2.4, г и рис. 2.5, в пунктирными линиями, приводит к трансформированию в нагрузку напряжения U}, отстающего по фазе от напряжения U2 на 90 эл. град., и равного с ним по величине. Таким образом, получена двухфазная система ортогональных напряжений. Исходя из (2.2) можно сделать вывод, что при равномерной загрузке двухфазной системы токи питающей трехфазной сети симметричны. После определения токов ІА В ЇС МОЖНО более основательно анализировать воздействие комплекса «трансформаторный преобразователь числа фаз — двухфазная нагрузка» на питающую трехфазную сеть: определять полную, активную и реактивную мощности, как двухфазной нагрузки, так и питающей трехфазной сети; коэффициент мощности, коэффициент асимметрии по току и т.п. Коэффициент асимметрии по току определяется [64 - 66]: K1% = !JL-100%, (2.3) h где Ij - модуль тока прямой последовательности фаз; 1П— модуль тока обратной последовательности фаз. Комплексы токов находим по выражению: Выражения для определения полной мощности на входе и выходе фазопреобразующего устройства имеют вид: Если в выражениях (2.6) - (2.7) перед реактивной мощностью получится знак «+», то это говорит об активно-индуктивном характере нагрузки, а если знак «—», то характер нагрузки активно-емкостной.
Области применения: трансформаторный преобразователь числа фаз по схеме Скотта может быть применен для питания тяговой нагрузки участков железных дорог на переменном токе, двухфазных асинхронных двигателей, мощных двухфазных потребителей энергии, например установки индукционного нагрева с двумя индукторами, индукционные канальные электропечи с двумя или четырьмя индукционными единицами, печи электрошлакового переплава с двумя или четырьмя электродами и др. Такой преобразователь числа фаз не только будет нести нагрузку, но и при условии равномерного ее распределения по двум фазам обеспечит симметричную загрузку фаз питающей трехфазной сети [59].
Исследования трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта на физической модели показали, что жесткого ортогоналного сдвига между выходными напряжениями U1 и U2 нет, отклонение фазового сдвига i/ от 90 доходит до ±8 и оно тем больше, чем больше разница в токах нагрузки [61]. Такие отклонения фазового сдвига от 90 можно объяснить тем, что каждый трансформатор работает на свою нагрузку и падение напряжения на первичных полуобмотках трансформатора ТІ больше, чем на обмотках трансформатора Т2 даже при одинаковых токах нагрузки. Крайние значения фазового сдвига приводят к дополнительному росту несимметрии токов трехфазной сети до 4 % [61]. Рассмотрен ТПЧФ на основе схемы Скотта, который позволяет преобразовывать трехфазную систему напряжений в двухфазную ортогональную; приведены основные расчетные соотношения, связывающие токи, напряжения и мощности первичных и вторичных цепей. Показано, что трансформаторы Скотта потребляют симметричные " 54 трехфазные токи из сети при равномерной загрузке фаз на выходе преобразователя. Приведен анализ работы схемы Скотта, как по векторным, так и по временным диаграммам, который наглядно показал принцип преобразования, как двух фаз в три, так и обратное преобразование.
Расчетная схема многопульсных выпрямителей на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта
Описание электромагнитных процессов и вывод формул, связывающих входные и выходные параметры многопульсных выпрямителей, приведены в работах [95 - 98] и отражены в главе 2. Расчетная схема многопульсного выпрямителя При симметричности напряжений питающей сети и симметричности выполнения преобразователя при несинусоидальности питающего напряжения выполняется условие: Ча=ЧЪ=11с=Ч (3-2) В соответствии с (3.2) при расчете и исследовании токов, потребляемых из сети выпрямителем, достаточно рассмотреть только один из токов. Влияние искажения напряжений трехфазной сети на формирование ортогональной системы напряжений Исходя из построения первичных обмоток трансформаторов Скотта, применяемых в выпрямительных агрегатах, напряжения выходной ортогональной системы определяются в зависимости от напряжений питающей сети по уравнению (2.4), а с учетом несинусоидальности питающих трехфазных напряжений сети можно записать выражения следующего вида: Из (3.3) видно, что формируемое напряжение и} (при условии полной симметрии питающих трехфазных напряжений) не будет содержать гармоники кратные трем, так как эти гармонические составляющие компенсируют друг друга. Гармоники же не кратные трем в напряжении щ будут присутствовать, причем с амплитудами, равными амплитудам тех же гармоник, что и в напряжении, формируемом на втором однофазном трансформаторе и2, что приводит к некоторой несимметрии работы многопульсного выпрямителя ортогональных систем напряжений. В связи с разным процентным составом высших гармоник напряжений, сформированных на выходе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта (и;, и2\ необходимо определить коэффициент искажения Разница коэффициентов искажения получаемых ортогональных напряжений при учете нормально допустимого гармонического состава, регламентируемого ГОСТом, и при учете полной симметрии питающих трехфазных напряжений сети составит -для электрической сети 0,38 кВ: Расчеты коэффициентов искажения ортогональной системы напряжения, в зависимости от гармонического состава в трехфазных питающих напряжениях для различных вариантов подключения выпрямительного агрегата к соответствующим точкам общего присоединения в сетях с номинальными напряжениями 0,38, 6 - 20, 35, ПО -330 кВ, выполнен в среде MathCad и представлен в виде графической зависимости разности коэффициентов искажения напряжений (Кц2 -Кцг) и коэффициента изменения процентного состава высших гармоник (Кд) на рис. 3.2. 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Об 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 13 1.4 IJ Рис. 3.2. Зависимость разности коэффициентов искажения напряжений (Кц - Кц ) от коэффициента изменения процентного состава высших гармоник ( Кд ) а-для электрической сети 0,38 кВ; б-для электрической сети 35 кВ; в-для электрической сети 6-20 кВ; г - для электрической сети 110 - 330 кВ. Из результатов расчетов, представленных на рис. 3.2, видно, что при увеличении процентного состава гармонических составляющих в питающей сети увеличивается разность коэффициентов искажения ортогональных напряжений на выходе преобразователя трансформаторах Скотта. При питании от сети 6 - 20 кВ разница коэффициентов искажения выходных ортогональных напряжений составляет меньший процент по сравнению с электрической сетью 35 кВ. Рис. 3.3. Форма напряжений ортогональной системы напряжений при Кд -1,5 и электрической питающей сети 6 - 20 кВ На рис. 3.3. представлена временная диаграмма напряжений одной из ортогональных систем напряжений при Кд =1,5 в электрической питающей сети 6-20 кВ, из которой видно, что формы напряжений отличны друг от друга, что приведет к асимметрии работы выпрямительного агрегата, схема которого показана на рис. 3.1. 3.1.3. Анализ выпрямленного напряжения при несинусоидальности питающего напряжения
В соответствии со структурой выпрямительной части многопульсного выпрямителя (рис. 3.1), алгоритм выпрямления для к-го выпрямительного моста можно записать в виде алгоритма [ Расчеты по формуле (3.4) с использованием (3.5) дают мгновенные значения выпрямленного напряжения в зависимости от питающих напряжений. В результате расчета с использованием среды MathCad получены серии графиков выпрямленного напряжения выпрямителей с различным числом пульсаций и при различном коэффициенте Кд, некоторые из которых представлены на рис. 3.4. Из кривых на рис. 3.4. видно, что при увеличении процентного состава высших гармоник в напряжениях питающей трехфазной сети ухудшается качество выпрямленного напряжения. При увеличении числа пульсаций на выходе преобразователя качество получаемого напряжения изменяется и, для того, чтобы оценить качественно эти изменения, необходимо определить показатели, характеризующие выпрямленное напряжение, и сделать выводы о целесообразности выполнения многопульсных выпрямителей с тем или иным числом пульсаций. mq — 12 А1 - dmax - mq — 36 Рис. 3.4. Формы выпрямленных напряжений За один из показателей качества выпрямленного напряжения принят коэффициент, определяемый как отношение размаха пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения [76]: А%= V JJdmin ,1д0оЛ (36) 2-х Для оценки и расчета влияния несинусоидальности питающих напряжений на качество выпрямленного напряжения составлена математическая модель в среде MathCAD [ 100, 101] и найдены коэффициенты, определяемые по выражению (3.6), а результаты расчетов были обработаны в математическом пакете Maple и представлены в виде трехмерного графика на рис. 3.5. Рис, 3.5. Зависимость изменения Д% от числа пульсаций выпрямленного напряжения и коэффициента Кд Представленная на рис. 3.5. зависимость показывает, что при пульсности выпрямителя выше 24 существенного улучшения качества выпрямленного напряжения не наблюдается, а при пульсности выше 32 качество напряжения на выходе преобразователя даже ухудшается. Для более полного анализа качества выпрямленного напряжения, проведем гармонический анализ выпрямленного напряжения при различнык заданных несинусоидальностях питающих напряжений сети. Для этого разложим функции выпрямленного напряжения в ряд Фурье [
Расчет двенадцатипульсного выпрямителя с ортогональной системой напряжений
Принципиальная схема двенадцатипульсного выпрямителя [82, 103], построенного по схеме обобщенного выпрямителя (рис. 2.15), показана на рис. 4.1. Данный преобразователь построен на основе трехфазного трансформатора, первичная обмотка которого выполнена по схеме звезда. На вторичной стороне трансформатора формируется три системы ортогональных напряжений, которые подаются на выпрямительные однофазные мосты. Однофазные мосты соединены как последовательно, так и параллельно; это приводит к распределению нагрузки между вентилями, что предполагает повышенную надежность выпрямительного агрегата.
выдержаны следующие соотношения чисел витков вторичных обмоток, определяемые по формуле (2.33):
Векторная (рис. 4.2) и временная (рис. 4.3) диаграммы поясняют принцип работы схемы. Для дальнейшего исследования работы схемы В А необходимо получить расчетные соотношения, связывающие токи питающей трехфазной сети с токами, протекающими по вторичным обмоткам трансформатора. Такие уравнения можно получить, используя соотношения (4.1) для чисел витков вторичных обмоток и уравнения намагничивающих сил:
Для определения действующих значений токов, протекающих по вторичным обмоткам, необходимо выявить алгоритм работы этих обмоток. Анализируя векторную (рис. 4.2), временную (рис. 4.3) диаграммы и принципиальную схему (рис. 4.1) определен алгоритм работы вторичных обмоток (рис. 4.4) и в соответствии с этим алгоритмом и учитывая принцип работы вентилей построен алгоритм работы диодов (рис. 4.5).
Таким образом, рассмотренная схема 12-пульсного выпрямителя на основе ортогональной системы напряжений показала, что данное схемное решение имеет определенный запас надежности, многоступенчатость выпрямления, гальваническую развязку отдельных и соединенных зигзагом фазных обмоток друг от друга. Из полученных соотношений видно, что значительно снижено обратное напряжение на вентилях по сравнению с двенадцатипульсной мостовой схемой выпрямления последовательного типа (UOSPmax = 0,524-Ud), что позволяет устанавливать более дешевые диоды. Анодный ток в вентилях составил 25 % от тока нагрузки (в мостовой схеме последовательного типа [104] - 33,3 %), что позволит повысить надежность работы выпрямителя. 4.2. Экспериментальная установка двенадцати пульс ного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора Для постановки физических экспериментов и проверки основных положений теории преобразования переменного напряжения в постоянное, в соответствии с результатами проектирования схем выпрямителей было разработано, изготовлено и испытано в Новосибирском государственном техническом университете на кафедре «Электротехнические комплексы» выпрямительное устройство, состоящее из одного трехфазного многообмоточного трансформатора (рис. 4.6) мощностью 1500 В-А. . 4.6. Схема трехфазного многообмоточного трансформатора: 1-3 и 1 -3 - клеммы первичных сетевых обмоток; 4-12 и 4-12 - клеммы вторичных обмоток. Цель испытаний состояла в сопоставлении основных характеристик макетного образца выпрямительного устройства, полученных теоретически и экспериментально. В ходе экспериментов определялись зависимости между токами и напряжениями на входе и выходе исследуемой схемы. Средства измерения и контроля. Для проведения измерений использовались следующие приборы: комбинированный прибор Ц4353 в качестве вольтметра, амперметры Э526, Э527, ваттметр Д566. Для снятия осциллограмм применялся цифровой осциллограф Fluke. Испытание двенадцатипульсного выпрямителя, построенного на основе трехфазного трансформатора, проводилось по схеме рис. 4.6. Исходные данные: 1. Трехфазный трансформатор мощностью S = 1500ВА 2. Выпрямленное напряжение Ud0 = 200В Программа работ: 1. Провести исследования и замерить следующие электрические величины на макете: Напряжение на вторичных обмотках трансформатора. Токи, проходящие через диоды и вторичные обмотки. С помощью осциллографа замерить питающие токи трехфазной сети. Получить форму кривой выпрямленного напряжения и напряжений питающей сети.
