Содержание к диссертации
Введение 4
1. Схемные варианты звена постоянного тока АБП. Методологический подход к их сопоставительному анализу... 12
1.1. Структурные схемы АБП , 12
1.2. Взаимосвязь характеристик питающего и преобразовательного оборудования в АБП 14
1.3. Выводы 18
2. Анализ характеристик источников питания АБП 19
2.1. Анализ характеристик источников переменного тока... 19
2.2. Анализ характеристик и режимов эксплуатации аккумуляторов • 25
2.3. Выгоды 53
3. Анализ вариантов звена постоянного тока АБП 56
3.1. Вывод энергетических соотношений для звена постоянного тока с буферным включением аккумуляторной батареи 56
3.2. Вывод энергетических соотношений для звена постоянного тока с отсеченной аккумуляторной батареей 60
3.3. Сопоставительный анализ вариантов звена постоянного тока АБП. 62
3.4. Звено постоянного тока с отсеченной аккумуляторной батареей и управляемым выпрямителем 66
3.5. Выводы ., 68
4. Исследование трехфазного мостового выпрямителя с фазоступенчатым регулированием выходного напряжения 70
4.1. Описание схемы 70
4.2. Угол 75
4.3. Регулировочные характеристики
.4.4. Токи в элементах схемы 92
4.5. Спектр сетевого тока 97
4.6. Энергетические коэффициенты... 106
4.7. Гармоники выходного напряжения. III
4.8. Управление тиристорами выпрямителя... 117
4.9. Экспериментальное исследование выпрямителя 120
4.10 Выводы 133
5. Методика предварительной оценки требуемых установленных мощностей питающего и преобразовательного оборудования и энергетических показателей звена постоянного тока АБП 135
Заключение 143
Литература , 145
Приложение, Акты о практическом использовании результатов диссертационной работы
Введение к работе
Практически во всех отраслях народного хозяйства имеются электроприемники переменного тока, предъявляющие повышенные требования к надежности электроснабжения. Такие приемники принято называть ответственными потребителями. К ним относятся потребители, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб народному хозяйству (повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функций особо важных звеньев хозяйственного механизма и т. д.) [ I ] .
Под нарушениями электроснабжения понимаются не только эпизодически возникающие перебои в централизованной подаче электроэнергии к потребителям, но и отклонения качества электроэнергии от установленных норм.
Для питания ответственных потребителей переменного тока используются системы гарантированного электроснабжения (СГЭ). СГЭ включает в себя основной и резервный (резервные) источники и агрегат бесперебойного питания (АБП), осуществляющий преобразование и передачу энергии от источников к ответственным потребителям. Один из резервных источников, как правило, представляет собой аккумулятор. СГЭ различаются между собой схемным исполнением и способами аккумулирования и преобразования энергии. По совокупности свойств лучшими, в настоящее время, являются СГЭ,выполненные на базе статических преобразователей [2-5J.
Намеченное ХХУ и ХКУІ съездами КПСС форсированное развитие атомной энергетики, значительное увеличение мощностей и числа производств с непрерывными технологическими процессами (особенно в химической и металлургических отраслях), широкое использование средств автоматики и вычислительной техники в управлении производственными процессами предопределяет дальнейшее увеличение числа ответственных потребителей [6,7]. Удовлетворение растущих потребностей в АЕП является актуальной задачей, решение которой имеет важное народно-хозяйственное значение.
В настоящее время, в рамках постановления Государственного Комитета по науке я технике при Совете Министров СССР (№ 400 от 15.10.70 г.), Министерством электротехнической промышленности реализуется целевая комплексная программа (0Ц.023), опреде--лявдая направление разработок и освоение производства статических АЕП. Выполнена первая часть программы. Разработана серия статических преобразователей и АБП на их основе для нужд энергетики. Освоено их серийное производство Гв-IIj . Большая заслуга в успешном решении этой задачи принадлежит И.Л.Каганову, Ю.Г.Толстову, Ф.И.Ковалеву, В.А.Лабунцову, В.А.Чванову, Г.Г.Адамия, Г.П.Мостковой, О.Г.Булатову, Л.Я.Раскину, Ю.К.Розанову, Е.И.Беркович и многим другим, подготовившим теоретическую и методологическую базу для выполнения этих работ [12-40 ] .
Актуальнейшими задачами следующего этапа являются дальнейшее совершенствование динаглических характеристик, повышение надежности, снижение себестоимости электроэнергии получаемой от АБП.
Предпосылки, определившие тему данной диссертационной работы, заключались в следующем.
В настоящее время в АЕП нашли практическое применение несколько схемных вариантов звена постоянного тока [5 J . Различаются они между собой схемой включения аккумуляторной батареи (схемы с буферным включением батареи и с отключаемой батареей через быстродействующий выключатель), по виду выпрямителя, используемого для питания главной цепи (схемы с использованием управляемого и неуправляемого выпрямителей). Области экономической целесообразности этих вариантов не определены. Это обусловило необходимость их сопоставительного анализа и разработки математического аппарата, позволяющего на ранних стадиях проектирования выбрать целесообразный вариант звена постоянного тока.
Функционально в состав звена постоянного тока АБП входит и аккумуляторная батарея, причем от АБП осуществляется и ее заряд. В настоящее время нет единого мнения относительно типов аккумуляторов для преимущественного использования в АЕП. Не разработаны какие-либо критерии выбора аккумуляторов для АЕП и рекомендации по режимам их эксплуатации в составе АЕП. Это обусловило необходимость анализа характеристик отечественных аккумуляторов различных электрохимических систем с учетом особенностей их использования в АЕП. Одновременно, в результате такого анализа, появляется возможность сформулировать требования по обеспечению нормальных условий эксплуатации аккумуляторов в составе АЕП.
Для оценки предельных условий работы оборудования звена постоянного тока потребовались также обобщенные данные по качеству электроэнергии источников переменного тока (общепромышленных сетей и резервных электроагрегатов).
И последнее. В настоящее время в АЕП применяется традиционная трехфазная мостовая схема выпрямления, что сопряжено со значительным потреблением реактивной мощности при регулировании. В то же время известен целый ряд технических решений, позволяющих значительно повысить энергетические показатели управляемого выпрямителя Г4І-54І. Безусловно, все они в той или иной степени усложняют выпрямитель. Однако некоторые из них заслуживают внимания. Дело в том, что требуемая степень регулирования выходного напряжения выпрямителя в AHI редко превышает величину 0,5. Это позволяет параллельно тиристорному блоку выпрямителя подключить дополнительный диодный блок, рассчитанный на минимум выходного напряжения, а питание этого блока осуществлять от отпаек общего для обоих блоков трансформатора (частный случай фазоступенчатого регулирования). Такое усовершенствование позволит не только значительно уменьшить потребляемую при регулировании реактивную мощность, но и снизить пульсации выходного напряжения.
Обзор литературных источников по выпрямителям с фазоступен-чатым регулированием показал, что трехфазный мостовой симметричный вариант этого выпрямителя с регулированием на стороне постоянного тока не исследовался.
В работах Гі2, 48, 51-54] рассмотрены: однофазные варианты выпрямителей, трехфазный с нулевым выводом, трехфазный мостовой несшлметричный, трехфазный мостовой с регулированием на стороне переменного тока. Однако в указанных работах нет данных о при-емственности математических выражений, описывающих эти выпрямители, к рассматриваемому варианту. Имеющаяся инфорлация не дает полного представления о свойствах выпрямителя и недостаточна для проведения инженерных расчетов. Это обусловило необходимость исследования данного варианта выпрямителя для оценки целесообразности его использования в АШ.
При выполнении диссертационной работы были приняты следующие ограничения:
- рассматривались трехфазные АШ оредней и большой мощности (от десятков до сотен кВА), где превалирующим является тирис-торное регулирование и применение полностью управляемых полупроводниковых элементов (типа транзистора) по состоянию отечественной элементной базы на сегодняшний день не представляется возможным;
-рассматривались АБП с использованием трехфазного параллельного инвертора тока с тиристорно-реакторным компенсатором реактивной мощности. Целесообразность использования такого инвертора в АБП показана в JJE5J;
- полагалось, что аккумуляторная батарея и звено постоянного тока в целом используются только для нужд АЕП и не являются источниками питания других возможных потребителей постоянного тока.
Основной целью работы считалось разработка математического аппарата и рекомендаций, позволяющих на ранних стадиях проектирования (на этапах технического предложения и эскизного проектирования), выбрать целесообразный вариант исполнения звена постоянного тока АБП. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- оценка реальных отклонений параметров электроэнергии источников питания АЕП. Определение граничных условий работы оборудования АЕП;
- анализ характеристик электрических аккумуляторов с целью выявления наиболее перспективных типов для использования в АЕП и обеспечения нормальных условий их эксплуатации в составе АЕП;
- вывод энергетических соотношений для двух вариантов звена постоянного тока АЕП (с буферным включением аккумуляторной батареи и с отсеченной батареей); сопоставительный анализ этих вариантов;
- разработка методики предварительной оценки требуемых мощностей источников питания, установленных мощностей преобразовательного оборудования и энергетических показателей звена постоянного тока АБП; )
- поиск схемотехнических решений, направленных на повышение энергетических показателей и уменьшение установленных мощностей преобразовательного оборудования AHI;
- исследование трехфазного мостового выпрямителя с фазосту-пенчатым регулированием; оценки целесообразности его использования в АБП.
Цель работы достигнута комплексным использованием аналитических и графических методов исследования, а также метода физического моделирования,
В диссертации получены следующие новые результаты:
- на основании известных выражений, связывающих энергетические характеристики управляемого выпрямителя со степенью регулирования, впервые получены математические зависимости текущего значения полной мощности, потребляемой АБП по входу переменного тока, и ее составляющих от величины входного напряжения, нагрузки АБП и режима заряда аккумуляторной батареи;
- впервые сделана комплексная оценка показателей вариантов звена постоянного тока АШ с буферным включением аккумуляторной батареи и с отсеченной батареей в зависимости от диапазона изменений входного напряжения и режима заряда;
- предложен способ ограничения верхнего уровня выходного напряжения звена постоянного тока АБП с отсеченной батареей без снижения энергетических показателей в номинальном режиме работы. (Защищен авторским свидетельством);
- исследованы свойства трехфазного мостового выпрямителя с фазоступенчатым регулированием, в том числе: условия работы трансформатора, регулировочные характеристики, внешние характеристики, пульсации выходного напряжения, токи в элементах схемы, спектр сетевого тока, энергетические показатели. Практическая ценность работы заключается в следующем:
- на основании анализа литературных источников обобщены и приведены характеристики источников переменного тока и электрических аккумуляторов в объеме, достаточном для практического проектирования; составлен прогноз по типам аккумуляторов для преимущественного использования в АШ; разработаны рекомендации, направленные на обеспечение норлальных условии эксплуатации аккумуляторов в составе ШІ;
- предложена методика оценки требуемой емкости аккумуляторной батери, мощности источников переменного тока, установленных мощностей преобразовательного оборудования звена постоянного тока АЕП и его энергетических показателей;
- предложен способ ограничения изменений выходного напряжения звена постоянного тока с отсеченной аккумуляторной батареей при значительных колебаниях входного напряжения без снижения энергетических показателей АЕП в номинальном режиме;
- выведены математические зависимости, позволяющие вести инженерные расчеты трехфазного мостового выпрямителя с фазо-ступенчатнм регулированием. диссертационная работа и ее результаты докладывались и обсуждались:
- на 7 Всесоюзной конференции: "Современные задачи преобразовательной техники", Киев, 1975 г.;
- на Всесоюзном научно-техническом семинаре: "Организация электроснабжения в условиях возможных перерывов и значительных отклонений напряжения питающей сети", Саранск, 1983 г.;
- на ежегодных научных конференциях "Методологические, теоретические и прикладные проблемы управления социальными, естественными и техническими процессами ( Огаревские чтения), Саранск,1978-80гг.;
- на секции преобразовательной техники ВЭИ им. В.И. Ленина, 1978-вОгг.;
- на научных семинарах кафедры промышленной электроники Мордовского госуниверситета, 1978-83г.г.
Основные результаты работы опубликованы в семи печатных работах и защищены одним авторским свидетельством [55-621 .
Результаты диссертационной работы использованы НИИ з-да "Электровыпрямитель" (г. Саранск) при разработке серии агрегатов бесперебойного питания и заводом "Электропреобразователь" (г. Гай) при разработке зарядно- выпрямительного устройства ТДЕ-І-І50/ІІ0Т.
