Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. АНАЛИЗ НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ СГЭ СВОЙСТВ ИНВЕРТОРНОГО
МОДУЛЯ 14
I.I. Обзор использования автономних
инверторов в СГЭ . , , 14
1.2» Анализ требования работоспособности
при одной неисправности 21
Требования к инверторному модулю ...... 29
Выводы «36
Глава 2. СИНТЕЗ СШТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЛУ ЛЯ 38
Возможности регулирования выходного напряжения модуля . 38
Характеристики РПН ,45
Обзор структур САР стабилизации
выходного напряжения модуля ......... 56
2.4, Подчиненная САР с внешним
контуром по отклонению . ...... 66
2.5, Подчиненная САР с внешним
контуром по возмущению . 72
2.6, Выводы 89
Глава 3. АНАЛИЗ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ МОДУЛЕЙ И ОБРАЗОВАНИЕ
ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ 91
Анализ уравнительных токов . 91
Обеспечение работы на сеть 95
Параллельная работа модулей
без системы синхронизации .......... 99
3.4. Параллельная работа синхронязированных
модулей ЮЗ
Анализ САР при параллельной работе 105
Структура синхронизации модулей
при параллельной работе III
Задающий генератор 118
Синхронизация ПРУ 129
Образование трехфазной системы 137
3.10. Выводы 143
Глава 4. СИСТЕМА ДИСКРЕШОЙ АВТОМАТИКИ ПРИ
МОДУЛЬНОМ ПОСТРОЕНИИ СГЭ 145
4.1. Назначение системы дискретной
автоматики 145
4.2. Принципы обнаружения аварий
САР и АЙН 149
4.3. Принципы обнаружения аварий
системы синхронизации 157
4.4. Автомат управления инвертором
и синхронизацией 162
4.5. Автомат пуска и автомат
управления Plffl 165
4.6. Выводы 171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 173
ПРШШЖЕНИЯ 177
ЛИТЕРАТУРА 185
Введение к работе
В настоящее время все возрастает потребность в высоконадежных источниках электропитания для ряда ответственных потребителей. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", утвержденных на ХХУІ съезде КПСС, подчеркнута необходимость дальнейшей интенсификации экономики, в том числе с помощью повсеместного внедрения управляющих ЭВМ.
Такие ЭВМ, работающие в режиме реального времени при управлении воздушным движением, металлургическими, химическими и другими крупномасштабными технологическими процессами представляют один из примеров ответственных потребителей электроэнергии. Кроме того ответственными потребителями являются исполнительные двигатели химических производств, системы связи с космическими объектами и многие другие потребители, авария или сбой в работе которых ведут к большим потерям. Среди организационных и технических мероприятий, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность этих потребителей, важное место занимает организация электроснабжения.
Рациональное построение системы электроснабжения ответственных потребителей нередко требует использования агрегатов бесперебойного питания и построенных на их основе систем гарантированного электроснабжения (СГЭ). Преимущественно используются СГЭ переменного тока 50 Гц, обеспечивающие питание двигателей, ЭВМ и другой аппаратуры, питание которой постоянным током затруднительно или нетрадиционно. Как правило эти системы делаются в трехфазном исполнении, хотя в ряде случаев могут быть использованы и однофазные.
Основными элементами СГЭ являются первичные источники - аккумуляторные батареи и дизельэлектростанции, преобразователи постоянного тока в переменный - автономные инверторы и переменного в постоянный - выпрямители. Как показывает анализ отчест-венной и зарубежной научно-технической литературы /1,2/, а также данных эксплуатации, высокая эффективность СГЭ может быть достигнута лишь при использовании статических преобразователей.
СГЭ могут иметь весьма различную структуру и состав элементов /3/, в первую очередь в зависимости от допустимого перерыва питания потребителей и заданной надежности по отношению к аварийному прекращению питания потребителей. Анализ отечественных разработок и производства статических преобразователей для СГЭ показывает, что отсутствуют преобразователи для построения СГЭ с высокой надежностью питания потребителей при ограниченной надежности самих преобразователей при малом (менее I мс) допустимом перерыве питания потребителей. Исходя из этого целью настоящей работы является исследование и разработка преобразователя для высоконадежных СГЭ переменного тока 50 Гц с минимальным допустимом временем перерыва питания потребителей.
Анализ научно-технической и патентной литературы показывает, что существующий уровень развития преобразовательной техники позволяет достаточно экономично осуществить преобразование энергии постоянного тока или энергии нестабилизированной сети переменного тока в стабильное напряжение переменного тока, необходимое для ответственных потребителей. Однако для работы в ооставе СГЭ, в особенности при использовании параллельной работы преобразователей на сборные шины переменного тока, важнейшее значение приобретают вопросы взаимодействия систем регулирования и дискрет-
ной автоматики преобразователей /4,5/. Решению этих вопросов посвящено значительное количество исследований и разработок как в нашей стране, так и зфубежом, но уровень отечественных исследований по СГЭ с малым или нулевым временем перерыва питания при произвольной аварии в преобразователях недостаточен. Практические же разработки, учитывающие кроме того ряд технических ограничений, в том числе, требования сериинопригоднооти и доведенные до промышленного производства, в отечественной практике отсутствуют. В то же время некоторые зарубежные фирмы уже выпускают статические преобразователи для аналогичных СГЭ и лучшие образцы этой техники допускают параллельную работу автономных инверторов на общую нагрузку и обеспечивают отсутствие перерыва питания потребителей при аварии питающей сети или аварии одного из инверторов /6/.
Причинами, обусловливающими это положение, несмотря на потребность в таких СГЭ, являются:
—недостаточная полнота теоретических и экспериментальных исследований вопросов параллельной работы автономных инверторов и их совместного регулирования;
—ограниченность возможностей проектирования преобразователей на основе вероятностных критериев надежности и неразработанность способов проектирования на основе детерминированных критериев надежности;
недостаточная разработка вопросов построения структуры информационных связей между преобразователями, объединенными в СГЭ, при надежностных и других ограничениях;
неразработанность способов быстрого выявления неисправностей в системе параллельно работающих автономных инверторов;
— отсутствие схемных решений ряда важных узлов, используемых
в составе быстродействующей системы аварийных переключений в СГЭ.
По анализу состояния вопроса, рассмотрев проблемы в трудах других авторов, можно заключить, что основное внимание при исследовании и разработке преобразователя для СГЭ должно быть обращено на вопросы информационного взаимодействия преобразователей, работающих в составе СГЭ, т.е. на вопросы построения системы регулирования и дискретной автоматики. В соответствии с поставленной целью и проведенным анализом, постановка задачи формулируется следующим образом:
—на основании анализа требований, предъявляемых к качеству электроэнергии ответственными потребителями, выработать технические требования к преобразовательному инверторному модулю, на основе которого будет возможна комплектация различных по мощности и числу фаз СГЭ;
—с учетом выработанных технических требований выбрать структуру преобразовательного модуля, разработать оптимальную структуру САР модуля и разработать методику определения параметров
САР;
— исследовать проблемы объединения инверторных модулей на
параллельную работу и разработать технические устройства, обеспечивающие такую работу;
—исследовать возможности организации трехфазной СГЭ из однофазных инверторных модулей и разработать технические устройства, обеспечивающие такие возможности;
—разработать систему лротивоаварийной автоматики, обеспечивающей работу СГЭ в условиях возникновения аварий в преобразователях;
— выработать приемы проектирования структуры СГЭ и инверторного модуля с учетом детерминированных критериев надежности;
—провести апробацию полученных результатов путем проведения экспериментальных исследований разработанных схемных решений на макетных образцах инверторных модулей и СГЭ.
По результатам решения сформулированной задачи выполнена диссертационная работа, состоящая из введения, четырех глав, заключения и трех приложений.
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой задачи, сформулирована постановка задачи и дан краткий обзор работы.
В первой главе дан обзор работ, посвященных использованию статических преобразователей в системах электроснабжения переменного тока 50 Гц и дана сравнительная оценка способов снижения перерыва питания потребителей в условиях возникновения аварий. Поскольку разработка инверторного модуля и структуры СГЭ должна проводиться-с учетом необходимости получения заданной надежности, проанализированы возможности использования различных критериев надежности. Проведена конкретизация детерминированных критериев надежности для целей синтеза СГЭ. На основе анализа требований к качеству электроэнергии, предъявляемых ответственными потребителями, выработаны требования к электрическим характеристикам инверторного модуля. Сформулированные электрические и надежностные ограничения были использованы в дальнейшей работе по исследованиярл и разработке необходимого инверторного модуля.
Вторая глава посвящена исследованию статических и динамических характеристик однофазного инверторного модуля при одиночной работе и разработке САР, обеспечивающей характеристики, необходимые для использования модуля в составе СГЭ. Поскольку в
рассматриваемой силовой структуре модуля используется амплитудное регулирование автономного инвертора напряжения с помощью предвключенного силового регулятора постоянного напряжения, были разработаны модели этого регулятора - аналитическая и аналоговая. Исследования этих моделей, а также натурные исследования на макетах, показали целесообразность охвата регулятора постоянного напряжения местной обратной связью. Далее рассмотрены варианты системы регулирования выходного напряжения модуля в целом с машинной оптимизацией параметров. По результати исследований рекомендуется комбинированная САР с коррекцией по выходному току модуля с учетом фазового запаздывания этого тока относительно напряжения.
Анализу вопросов взаимодействия модулей при объединении их на параллельную работу и при объединении их в трехфазную систему посвящена третья глава. На основе исследований аналоговой модели двух модулей, а также аналитической линейной модели по первой гармонике, получены требования на степень одинаковости напряжений модулей по амплитуде и фазе при параллельной работе. Проанализирована пригодность ряда структур САР амплитуды и фазы выходного напряжения модуля для стабилизации напряжения на сборных шинах СГЭ при параллельной работе модулей. Обоснован способ выравнивания загрузок модулей с помощью системы выравнивания выходных напряжений РПН. На основании сделанного вывода о целесообразности разделения САР амплитуды напряжения и САР фазы, вырождающейся при этом в независимую систему синхронизации, определены необходимые параметры структуры САР напряжения. Были проанализированы различные возможные структуры системы синхронизации с учетом детерминированных критериев надежности, а также
с учетом рада других свойств,на основании чего принят импульсный принцип синхронизации задающих генераторов и структура системы синхронизации в виде линейки с обходами. Исследование процессов, протекающих в задающем генераторе при его импульсной синхронизации, позволило разработать методику расчета генератора и цепей синхронизации. Для образования трехфазной системы из однофазных модулей предложено осуществлять синхронизацию коммутаторов инверторов разных фаз с постоянным фазовым сдвигом на 120. Возникающая при этом несимметрия игрехфазной системы выходных напряжений при несимметричной нагрузке не превосходит 7,4 %, что удовлетворяет требованиям большинства ответственных потребителей.
В четвертой главе рассматриваются вопросы построения системы дискретной автоматики, обеспечивающей нормальное напряжение на сборных шинах СГЭ при возникновении произвольных аварий в преобразовательных модулях. При параллельной работе выявление неисправного модуля для его немедленного селективного отключения представляет определенные трудности, т.к.даже контроль мгновенных значений кривой напряжения на сборных шинах не дает для этого достаточной информации. Обоснована необходимость непрерывного контроля мгновенных значений напряжения инвертора перед последовательной индуктивностью выходного фильтра. Предложен алгоритм выявления аварий системы регулирования напряжения в каждом отдельном модуле по комбинации сигналов о выходных напряжении и токе модуля и выходном напряжении инвертора. Для системы синхронизации, являющейся независимой от САР, предложен самостоятельный алгоритм выявления неисправности в процессе функционирования модуля. Оба алгоритма легко реализиуются с
- II -
помощью встроенных в модуль конечных автоматов, а эти автоматы должны функционировать в свою очередь под управлением конечного автомата более высокого уровня (автомата пуска). Этот автомат непосредственно выдает команды на подключение модуля к сборным шинам быстродействующим контактором или аварийное отключение. Разработаны схемы ряда блоков контроля, необходимых для построения системы дискретной автоматики.
Б заключении излагаются основные итоги работы, научная новизна которых, по мнению автора, заключается в следующем:
предложены принципы построения СГЭ на основе однофазных модулей и разработаны варианты их технической реализации;
разработана СЛР для АИН на основе подчиненного принципа регулирования в сочетаний с. коррекцией по возмущению, обеспечивающая высокие показатели качества выходного напряжения;
исследовано взаимодействие преобразовательных модулей при параллельной работе, разработаны принципы регулирования и реализующие их схемотехнические решения, обеспечивающие динамическую устойчивость и выравнивание мощностей параллельно работающих АИН;
предложены аналитические и численные математические модели преобразовательного модуля на базе АИН с амплитудным регулированием, позволяющие получать достоверные результаты при отсутствия натурных образцов преобразователей;
на основе сравнительного анализа различных структур и принципов синхронизации предложена рациональная система синхронизации .для модульной СГЭ и получены необходимые расчетные соотношения для входящих в нее устройств;
проведен анализ режимов работы инверторного модуля в трехфазной системе и разработаны способы ее стабилизации и симметриро-
вания;
- предложены способы д схемотехнические решения для обнаруже
ния и отключения неисправного янверторного модуля в СГЭ без пе
рерыва питания потребителей.
На основании этого автор выносит на защиту следующие основные положения:
результаты исследования силового регулятора напряжения как элемента системы регулирования и разработанную на их основе структурную схему САР преобразовательного модуля с коррекцией по возмущению, а также методику оптимизации параметров контура коррекции ;
способ выравнивания нагрузок при параллельной работе инверторов с помощью синфазной синхронизации коммутаторов инверторов и выравнивания выходных напряжений инверторов;
результаты анализа структур системы синхронизации, обеспечивающих параллельную и трехфазную работу однофазных модулей;
результаты исследования процессов в синхронизируемом задающем генераторе и инженерную методику его расчета;
алгоритм быстрого селективного обнаружения неисправного преобразовательного модуля при параллельной и трехфазной работе;
принщшыпостроения и схемотехническую реализацию узлов системы противоаварийной дискретной автоматики.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований и разработок реализованы в серии тиристорних преобразователей 10кВт и положены в основу разработок по транзрю торным преобразователям 2кВт. Экономичесшш эффект составляет 40000руб-лей (акт прилагается).
Основные положения и результаты работы были доложены и
- ІЗ -
одобрены:
на Всесоюзном семинаре АН СССР "Кибернетика электротехнических систем" в г.Челябинске в мае 1978 г;
на научно-техническом семинаре по проблемам агрегатов бесперебойного питания в г.Саранске в ноябре 1977 г;
на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам
преобразовательной техники в г.Киеве в сентябре 1979г;
- на 30-ой и 31-ой научно-технической конференциях ЖРЭА в
апреле 1980 г. и мае 1982 г;
- на Всесоюзном семинаре по автоматизированному проектирова
нию в автономной электроэнергетике в г.Челябинске в мае 1981г.
Синхронизируемый задающий генератор экспонировался на ВДЖ СССР в 1976г. и удостоен бронзовой медали.
Основное содержание диссертации отражено в печатных работах /7-15/, технические решения защшцены авторскими свидетельствами /16,17/.
