Введение к работе
Актуальность про5лемы. В настоящее время благодаря достижениям силовой полупроводниковой электроники появилась возможность создания бесконтактных коммутирующих устройств (БКУ) с быстродействием и коммутационным ресурсом, значительно более высоким, чем у традиционных электромеханических коммутационных аппаратов. Эти свойства, а также стсутствие подвижных частей и дуговых явлений обусловили широкое использование полупроводниковых БКУ в сетях низкого напряжения в качество аппаратов управления и.зашиты. Создание БКУ для работы в сетях высокого напряжения до недавнего ' времени сдержизалось из-за отсутствия соответствующей элементной базы. И только новые силовые полупроводниковые приборы (СПП). с повышенными уровнями допустимых напряжений и токов привели к появлению 5КУ высокого напряжения.
Б настоящее время на основе полупроводниковых БКУ .для сетей 6-35 кВ создаются мощные преобразовательные установки для повышения качества электроэнергии (УПКЭ). Функциями УПКЭ являются регулирование напряжения, обеспечение бесперебойности питания, компенсация реактивной мощности и симметрирование напряжения. Параметры применяемых БКУ существенно влияют на эффективность УПКЭ, а в ряде случаев полностью определяют функциональные возможности и качественные показатели устройств.
В системах электроснабжения БКУ находят свое применение не только в УПКЭ. Благодаря своему быстродействию и коммутационным свойствам БКУ успешно конкурируют с контактной коммутирующей аппаратурой. Высоковольтные БКУ применяются длн управления электроприемниками промышленных предприятий в сетях 6-Ю кВс целью обеспечения экономичного режима потребления электроэнергии и автоматизации производственных процессов.
С другой стороны, выссховольтныа БКУ в сочетании с аппаратурой традиционного электромеханического ислоянения открывают новые возможности в технике электроснабжения. Бестоховсл ксимутац-чя, синхронное управление и высокое быстродействие БКУ позволяют по неаому построить системы АВР и токоограничения.
Выпускаемые промышленностью высоковольтные БКУ обладают рядом недостатков, которые ограничивающих широкое применение. К ним относятся значительное количество СПП, высокий уровень потерь электрической энергии, сложная система управления, громоздкая конструкция смлоеей частя и системы охлаждения. Высоковольтные &КУ. как правило, имеют воздушную или водяную систему охлаждения и, а сочетании с о5оелачНквм надежной электрической изоляции, требуют для нормальной реоть(-кя>а53тически9 услогия закрытого
отапливаемого помещения УЗ. Высокая стоимость и массогабаритные показатели существующих высоковольтных БКУ обуславливают их применение только в тех случаях, когда другая коммутационная аппаратура неспособна удовлетворить требования по быстродействию, коммутационному ресурсу и надёжности работы при большой частоте повторения. Поэтому высоковольтные БКУ, в настоящее время, используются, в основном, при реализации важных и дорогостоящих проектов в области энергетики. Примером может служить применение высоковольтных БКУ в преобразовательных агрегатах линий электропередач постоянного тока (линия Итайпу - Сан-Пауло з Бразилии, вставка постоянного тока Россия - Финляндия), в мощных компенсатссах реактивной мощности для дуговых сталеплавильных печей (Молдавский и Дальневосточный металлургические заводы).
Таким образом, исходя из недостатков существующих высоковольтных БКУ, можно выделить ряд проблем; которые необходимо решить для дальнейшего развития этих устройств.
1. Сокращение количества последовательно соединяемых СПП. Эта
проблема связана с наличием соответствующей элементной базы, а именно, с
наличием (СПП) обладающих высокими предельно допустимыми параметрами.
Необходимо отметить, что при разработке подобных приборов нужно найти
компромисс между их динамическими параметрами и предельно допустимыми.
-
Уменьшение потерь электрической энергии в силовой части БКУ. Один из осноеных источников потерь в высоковольтных БКУ это СПП' и цепи равномерного деления напряжения между ними. На СПП приходится меньшая час.о выделяемого тепла и сокращение их числа отчасти уменьшает потери. Цепи равномерного деления напряжения между последогательно соединёнными ЗПП представляют собой существенный'источник потерь электрической энергии л яапяются главным объектом при решении указанной проблемы.
-
Уменьшение веса и габаритов БКУ. Уменьшении. величины потерь'и зыбор оптимальной системы охлаждения являются основными предпосылками создания компактной конструкции БКУ. При решении данной проблемы необходимо учесть дза взаимопротивоположных фактора. Это требования зле.ктрическсй прочности изоляции и климатического исполнения У1. Создание инструкции БКУ климатического исполнения У1 представляется весьма важным, г ах как это позволит размещать БКУ на открытой площадке и, следователсно. :вести к минимуму капитальные затраты по'внедрению БКУ.
4. Создание простой и надежной системы управления БКУ, а так же
(довг.етворен'/а требований высокой электрической прочности гальванической
зззвязки л помехозащищенности обуславливает использование, при разработке
:истемы управления, оптоволоконых линий связи, электронных срото- и
:вотоприборсв и других технических сседстя
Разработка высоковольтных БКУ с низким уровнем потерь электрической энергии, с простой и надежной системой управления, с удовлетворительными весогабаритными показателями и высокими изоляционными свойствами создаст условия для широкого внедрения этих устройств в промышленность, энергетику и электротранспорт.
Цель работы: Разработка и исследование БКУ для трёхфазных сетей 6-10 кВ.
Для достижения поставленной цели автор решает следующие задачи:
анализ существующих структурных и схемных решений высоковольтных БКУ и разработка новых БКУ на основе силового тиристора Т253-580;
разработка математической модели БКУ для исследования электромагнитных процессов в статическом и динамическом режимах работы;
теоретическое и экспериментальное исследование БКУ в статических и динамических режимах работы;
разработка инженерной методики расчета элементов БКУ;
разработка и внедрение в производство опытно-промышленных образцов высоковольтных БКУ для сетей 6 кВ.
Методы исследования. Исследование коммутационных процессов и аварийных режимов БКУ выполнено на основе метода'расчета нелинейных электромеханических устройств. С этой целью для ПЭВМ были реализованы:
математическая модель БКУ в матричной форме записи;
метод переменной структуры- системы дифференциальных уравнений, существенно сокращающий порядок матриц в различных режимах работы БКУ;
метод Рунге-Кутта в модификации Мерсона численного решения систем дифференциальных уравнений, обеспечивающих эффективность вычислительного процесса за счет автоматического выбора шага интернирования.
Научная новизна.
разработаны принципы построения силовой части БКУ, позволяющие сократить потери энергии, существенно повысить надежность устройства и расширить область его применений;
на основе метода режимных расчетов нелинейных устройств разработана математическая модель для анализа электромагнитных процессов в статических и динамических режимах работы БКУ; -
исследованы электромагнитные процессы в нормальных и аварийных режимах работы БКУ, полученные результаты использованы при разработка и изготовлении партии опытно-промышленных образцов БКУ.
Практическая ценность работы.
- разработаны схемные решения высоковольтных БКУ для коммутации в
трёхфазных сетях 6-10 кВ, позволяющие уменьшить потери электрической энер
гии и минимизировать габариты устройств;
разработана система управления с опто-электронной гальванической іазвязкой, обладающая высокой степенью электрической прочности и не имеющая дополнительных источников питания на высоком потенциале силовой іасти БКУ;
разработана методика инженерного расчета для разработки и конструи-ювания БКУ; ч
по результатам исследований ПО Трансформатор" (г.Тольятти) совме-:тно с Нижегородским техническим университетом проведен комплекс научно-ісследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), завершившийся ісвоением в производстве и выпуском партии опытно-промышленных образцов 1ысоковольтных БКУ для сетей 6 кВ.
Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследова-іий и разработанная методика инженерного расчета использованы при проекти-ювании опытно-промышленных и серийных образцов БКУ на ПО "Трансформа-ор" (г.Тольятти).
Апробация, работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на следую-цих научно-технических конференциях: Научно-технические конференции "Акту-ільньїе проблемы электроэнергетики", г.Нижний Новгород, 1989г., 1993г., 1994г.,' всесоюзная научно-техническая конференция "Силовая полупроводниковая тех-іика и ее применение в народном хозяйстве", г.Миасс, 1989г., Международный шучно-технический семинар'"Моделирование и'контроль качества в задачах )беспечения надёжности радиоэлектронных устройств", г.Шауляй, 1992г.; Меж-;умародная научно-техническая' конференция "Электропривод переменного то-:а", г. Екатеринбург, 1995 г. '
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ и полу-іено 2 авторских свидетельства.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссер-ации составляет: 112 стр. основного текста, 64 рисунка, 8 таблиц, 12 стр. списка «пользованной литературы из 121 наименования, 22 стр. приложений.
