Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5.
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕ
ЛЕЙ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Ї?.
Вентильные преобразователи для быстродействующей стабилизации параметров качества jg электрической энергии
Тиристорные устройства для снижения отклонений напряжения в трехфазных электрических сетях . .
Статические преобразователи трехфазного тока в однофазный для симметрирования однофазных изменяющихся нагрузок
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 34.
ГЛАВА 2. ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПОФАЗНОЙ КОРРЕКЦИИ ТОКОВ В ТРЕХФАЗНЫХ ЧЕТЫРЕХ-
ПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ ^.
2.1. Уравновешивание трехфазной четырехпро-
водной системы с помощью пофазной
коррекции токов
2.2. Выбор управлящих параметров тиристорних
преобразователей для пофазной коррекции
46
токов
2.3. Принципы построения тиристорних преоб
разователей для пофазной коррекции токов
Тиристорний переключатель нагрузок с управлением по напряжению нулевой последовательности
Автоматическая дискретная система минимизации тока нулевой последовательности....
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ ..
ГЛАВА 3. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЁНТИЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЕСТЕСТВЕННОЙ И ИС
КУССТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ ДЛЯ СТАБИЛИ
ЗАЦИИ УРОВНЯ И СИММЕТРИИ ФАЗНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ .74
3.1« Режимы работы и параметры трансформаторно-
тиристорных преобразователей для пофазного
регулирования напряжения 7
Схемы многофункциональных устройств на основе трансформаторно-тиристорных преобразователей переменного напряжения
Особенности принципов построения систем управления многофункциональными преобразователями переменного напряжения
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .1.27
ГЛАВА 4. ПОФАЗНО-УПРАВДЯЕМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ТРЕХФАЗНОГО ТОКА В ОДНОФАЗНЫЙ .1.29
4.1. Кщтерии и алгоритмы управления конденса-
торно-ключевыми преобразователями трех
фазного тока в однофазный
Уравновешивание трехфазной трехпровод-ной системы с помощью регулируемых преобразователей трехфазного тока в однофазный
Уравновешивание трехфазной четырехпровод-ной системы с помощью регулируемых преобразователей трехфазного тока в однофазный
Пофазно-управляемый преобразователь для компенсации реактивной мощности в неурав-повешенных четырехпроводных системах
Конденсаторно-ключевые преобразователи
для симметрирования и компенсации __
реактивной мощности
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДО
ГЛАВА 5. МНОГШУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ:
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГ
НИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В
ТРЕШЗНЫХ СИСТЕМАХ J72
5.1. Расчет токов на входе трехфазно-много-
фазных преобразователей с электромаг-
нитными и ключевыми элементами
5.2. Вентильное корректирующее устройство
для подключения к электрической сети тот
однофазных изменяющихся нагрузок
5.3. Управляемый трансформаторно-ключевой
преобразователь с минимальным сопро-
тивлением нулевой последовательности
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ШВОДЫ 205
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 206
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 210
ПРИЛОЖЕНИЯ 22Q
П.І. Примеры расчета токов на входе преобразова
телей электрической энергии с электромаг
нитными элементами 9
П.2. Алгоритмы программ расчета на ЭВМ парамет
ров и режимов работы предложенных преобразо
вателей 238
П.З. Практическая реализация разработанных
преобразователей 24
П.З.І. Преобразователь для пофазной коррекции
токов с тиристорним переключением группы
однофазных нагрузок
П.3.2. Преобразователь для пофазно-управляемой
компенсации реактивной мощности и токов
нулевой последовательности
П.3.3. Измеритель сдвига фаз основной гармоники
напряжений и токов симметричных составляющих,
»..
П.3.4. Управляемый симметрирующий реактор с минимальным сопротивлением нулевой последовательности..259
П.3.5. Трансформаторно-тиристорный преобразо
ватель для симметричного регулирования
фазных напряжений 62
П.З.б. Автоматическое симметрокомпенсирующее
устройство для систем электроснабжения
с электротехнологическими нагрузками 67
П.4. Документы о внедрении в производство и
экономической эффективности разработок .271
Введение к работе
Актуальность темы. В принятых на ХХУІ съезде КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года" в области электроэнергетики предусмотрено продолжить работы по повышению надежности и качества электроснабжения народного хозяйства, всемерно проводить в жизнь энергосберегающую политику. На решение этой важной проблемы направлены также мероприятия, предусмотренные отдельными заданиями Энергетической программы.
Эффективное и экономичное использование энергетического и технологического оборудования в трехфазных системах в значительной мере определяется качеством электроэнергии (КЭ), параметры которого нормируются ГОСТ 13109-67. Ухудшение КЭ приводит к увеличению потерь напряжения и мощности, снижению пропускной способности трансформаторов и линий электропередач, сокращению срока службы преобразователей и потребителей электроэнергии, технологическому ущербу и т.д. По экспертным оценкам ученых и специалистов ВНИИЭ и ЭНИН им. Г.М.Кржижановского минимальный ущерб только от пониженного КЭ в целом по стране составляет более двух миллиардов рублей в год, в том числе дополнительные потери электроэнергии оцениваются 3,5 млрд. кВт. часов.
Постоянный рост электрификации народного хозяйства и, как следствие, увеличение количества и единичной мощности несимметричных, резкопеременных и реактивных нагрузок привелик общему ухудшению КЭ в многофазных системах вследствие возрастания влияния на их работу таких отрицательных факторов, как недопустимые отклонения и колебания напряжения, увеличение потерь активной мощности, несимметрия и неуравновешенность системы напряжений и токов, высшие гармоники и т.д.
Проблема обеспечения качественного и надежного электроснабжения приобретает еще большее значение в связи с тем, что в настоящее время уже нашли и будут находить весьма широкое применение ответственные потребители, требующие особо высокого КЭ. Е ним относятся информационно-вычислительные центры, станки с числовым программным управлением, радиоэлектронные комплексы, автоматизированные системы управления производством, узлы и каналы связи, системы промышленной автоматики и др.
Применение традиционных технических средств стабилизации параметров качества электроэнергии в многофазных системах (источники реактивной мощности, трансформаторы с электромеханическим НІН, линейные регуляторы напряжения, силовые фильтры и др.) не всегда приводит к желаемым результатам. Это обусловлено прежде всего тем, что разработанные и частично уже освоенные промышленностью устройства повышения КЭ не удовлетворяют современным требованиям, в основном, по быстродействию, точности регулирования и стабилизации параметров КЭ, а также по массогабаритным показателям. Необходимо создание и практическое применение таких статических преобразователей электрической энергии, которые бы обеспечивали комплексное повышение КЭ в трехфазных системах и обладали высокими КПД и надежностью, необходимыми массогабаритными показателями, широким диапазоном регулирования параметров электрической энергии и т.д.
Целесообразным и эффективным путем в этом направлении является разработка и внедрение тиристорних устройств повышения КЭ, построенных на основе полупроводниковых преобразователей электрической энергии при использовании естественной и искусственной коммутации.
Преимуществом таких устройств является возможность их выполнения пофазно-управляемыми, что позволяет реализовать многофункциональные преобразователи для стабилизации параметров качества
-8-электрической энергии, которые осуществляют одновременно коррекцию нескольких показателей КЭ. Однако трудности практической реализации таких пофазно-управляемых преобразователей заключаются в недостаточной изученности вопросов, связанных с разработкой принципов построения их силовых схем и систем управления, а также спецификой применения.
Целью настоящей работы является разработка принципов построения силовых схем и систем управления пофазно-управляемых преобразователей, предназначенных для стабилизации параметров качества электроэнергии в трехфазных трех- и четырех-проводных системах с изменяющимися нагрузками, а также разработка новых схем и опытных образцов пофазно-управляемых преобразователей с заданными функциональными свойствами и выработка на этой основе практических рекомендаций по усовершенствованию их структур и законов управления.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач наряду с классическими методами анализа многофазных электрических цепей в симметричных и фазных координатах (симметричных составляющих, векторных и топографических диаграмм, Кирхгофа и др.) используются методы пульсирующих мощностей, элементы булевой алгебры, математическое моделирование на ЭВМ электромагнитных процессов. С целью подтверждения теоретических выводов проводились экспериментальные исследования преобразователей, разработанных на основе достигнутых результатов.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
предложены математические модели для расчета параметров тиристорных преобразователей, предназначенных для пофазной коррекции токов трехфазной четырехпроводной системы при различных способах задания корректирующей нагрузки;
на основе предложенных способов управления осуществлен выбор
-9-управляющих параметров и разработаны принципы построения и схемы тиристорних преобразователей для пофазной коррекции токов;
предложены и разработаны схемные решения трехфазных тиристорних преобразователей с естественной и искусственной коммутацией для пофазного регулирования напряжения в неуравновешенных четырехпроводных системах при введении одного и более электромагнитных элементов;
предложены и разработаны принципы построения силовых схем и систем управления многофункциональных трансформаторно-тиристор-ных преобразователей переменного напряжения с естественной и искусственной коммутацией, выполненных на основе трехфазных вольтодобавочных структур с минимальным сопротивлением нулевой последовательности;
установлено, что критерии и алгоритмы управления пофазно-управляемыми преобразователями трехфазного тока в однофазный при уравновешивании трехфазных трех- и четырехпроводных систем
с изменяющимися несимметричными нагрузками дуальны, а принципы построения их систем управления идентичны;
показано, что при пофазном управлении конденсаторно-ключевыми преобразователями трехфазного тока в однофазный и реализации предложенных критериев и алгоритмов управления принципиально не требуется измерения аргументов векторов управляющих параметров - пульсирующей мощности и тока в нулевом проводе соответственно;
разработан и теоретически обоснован графоаналитический метод расчета токов на входе трехфазно-многофазных преобразователей с произвольным соединением двухполюсников, электромагнитных и ключевых элементов.
Новизна выполненных автором конкретных разработок подтверждается двенадцатью авторскими свидетельствами и положительными решениями ВНИИГПЭ по заявкам на изобретения.
-10-Основные положения, выносимые на защиту:
Математические модели для расчета параметров тиристорних переключателей корректирующей нагрузки при ее различных способах задания и детерминированном характере изменения;
Способы управления и принципы построения тиристорних преобразователей для пофазной коррекции токов в трехфазной четы-рехпроводной системе;
Схемы трансформаторно-тиристорных преобразователей для пофазного регулирования уровня напряжения в четырехпроводных неуравновешенных системах;
Принципы построения силовых и управляющих цепей многофункциональных преобразователей, предназначенных для симметричного регулирования и улучшения гармонического состава фазных напряжений, а также дня подключения однофазных изменяющихся нагрузок
к трехфазной трехпроводной системе;
Критерии и алгоритмы управления конденсаторно-ключевыми преобразователями трехфазного тока в однофазный при уравновешивании трехфазных систем с несимметричными изменяющимися нагрузками;
Принципы построения систем управления пофазно-управляемых преобразователей трехфазного тока в однофазный;
Метод расчета токов на входе трехфазно-многофазных преобразователей электрической энергии с электромагнитными и ключевыми элементами;
Практические рекомендации по повышению эффективности и технико-экономических показателей трансформаторно-ключевых преобразователей параметрического уравновешивания системы напряжений;
Практические разработки новых пофазно-управляемых преобразователей для стабилизации параметров КЭ в трехфазных системах с изменяющимися нагрузками.
-II-
Практическая ценность работы. Полученные автором в работе выводы, соотношения и предложенные принципы построения пофазно-управляемых преобразователей электрической энергии позволяют оптимальным образом выполнить целенаправленный выбор и расчет их параметров. На основе проведенных исследований разработаны эффективные устройства многофункционального назначения, внедрение которых способствует обеспечению электромагнитной совместимости потребителей с питающей сетью в условиях изменения параметров сети и нагрузки. Кроме того, полученные результаты целесообразно использовать для повышения технико-экономических показателей существующих технических средств стабилизации параметров качества электроэнергии.
Реализация результатов работыв промышленности. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке и внедрении комплекса эффективных преобразователей электрической энергии, предназначенных для нормализации показателей КЭ:
Преобразователь для пофазной коррекции токов с тиристорним переключением группы однофазных нагрузок в распределительных сетях (опытная партия устройств в количестве 5 шт. внедрена в ПЭО "Крымэнерго").
Преобразователь для пофазно-управляемой компенсации реактивной мощности в электрических сетях 0,4 кВ (внедрен в ПЭО "Крымэнерго").
Трансформаторно-тиристорный преобразователь с минимальным сопротивлением нулевой последовательности для трехфазных четырех-проводных сетей (опытная партия устройств в количестве 15 штук внедрена в ПЭО "Винницаэнерго", "Крымэнерго" и "Харьковэнерго").
Регулируемое устройство для снижения несимметрии напряжений и компенсации реактивной мощности в сети, содержащей несимметричные изменяющиеся электротехнологические нагрузки (внедрено на
-12-Коломенском заводе тяжелого станкостроения).
Управляемое фильтросимметрирующее устройство для электропитания ЭВМ и РЭА (внедрено на информационно-вычислительном центре Крымского областного статистического управления ЦСУ УССР).
Управляемое симметрокомпенсирующее устройство для трехфазных четырехпроводных систем (опытная партия устройств в количестве 9 штук внедрена в ПЭО "Киевэнерго" и ПЭО "Львовэнерго").
Общий подтвержденный экономический эффект от внедрения перечисленных разработок составил 181,62 тыс. руб в год.
Апробация работы. Основные результаты проведенных автором исследований были доложены и обсуждены на тринадцати всесоюзных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе:
Всесоюзной научно-технической конференции "Современные задачи преобразовательной техники", г.Киев, 1975;
Республиканском научно-техническом семинаре "Методы и средства повышения качества электрической энергии", г.Киев, 1976г.;
Республиканском научно-техническом совещании "Методы и устройства для снижения потерь электроэнергии в электрических сетях", г.Киев, 1977 г.;
Четвертом Всесоюзном научно-техническом совещании по качеству электрической энергии, г.Винница, 1978 г.;
Второй и третьей Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы преобразовательной техники", г.Киев, 1979 г. и 1983 г.;
Республиканской научно-технической конференции "Современные проблемы энергетики", г.Киев, 1980 г.;
Шестой всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем, г.Ташкент, 1982 г.;
Втором межведомственном научно-техническом совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей",-г.Таллин, 1982 г.
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований изложены и опубликованы в 35 научных трудах, в том числе в трех научно-технических отчетах по законченным НИР ("Надежность", "Энергия", "Коррекция"), 23 статьях, 7 авторских свидетельствах на изобретения и двух препринтах.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка основной использованной литературы и приложений.
Первая глава содержит критический анализ современного состояния исследований в области создания преобразовательных устройств, предназначенных для стабилизации параметров качества электроэнергии в трехфазных системах с несимметричными, нелинейными и быстроизменяющимися нагрузками. Показаны перспективность и необходимость применения пофазно-управляемых преобразователей для обеспечения электромагнитной совместимости потребителей в многофазных системах, на основании чего сформулирована постановка задачи исследования и предложены конкретные пути ее решения.
Во второй главе рассмотрены вопросы исследования и разработки новых тиристорных преобразователей для пофазной коррекции токов в неуравновешенной четырехпроводной системе. Получены аналитические выражения для расчета оптимальных параметров преобразователей, принципы построения и пути совершенствования их силовых схем и систем управления.
Третья глава посвящена разработке новых трехфазных трансформат орно-вентильных преобразователей для пофазного и симметричного регулирования напряжения в четырехпроводных системах с несимметричными и нелинейными нагрузками. Показано, что наиболее эффективны многофункциональные преобразователи, построенные на основе вольтодобавочных структур с минимальным сопротивлением нулевой последовательности, при введении дополнительных электромагнитных элементов и принудительной коммутации тиристоров.
В четвертой главе рассмотрены пути совершенствования силовых и управляющих цепей конденсаторно-ключевых преобразователей трехфазного тока в однофазный, предназначенных для уравновешивания трехфазных систем с несимметричными изменяющимися нагрузками. Приведены новые критерии и алгоритмы управления данными преобразователями. Показано, что предложенные критерии и алгоритмы управления дуальны при уравновешивании трехфазных трех- и четырехпро-водных систем, а принципы построения систем управления разработанных преобразователей идентичны.
Пятая глава посвящена разработке и анализу многофункциональных трансформаторно-ключевых преобразователей, предназначенных для обеспечения электромагнитной совместимости потребителей в трехфазных системах с несимметричными, нелинейными и быстроизменяго-щимися нагрузками. Теоретически обоснован и разработан метод расчета токов на входе трехфазно-многофазных преобразователей с произвольным соединением двухполюсников, электромагнитных и ключевых элементов. Предложены схемы и даны практические рекомендации по повышению эффективности и надежности вентильного корректирующего устройства и преобразователя для параметрического уравновешивания системы напряжений.
Заключение содержит выводы, отражающие основные результаты, которые получены в диссертационной работе.
В приложении приведены примеры расчета токов на входе различных преобразователей, проведенного с помощью разработанного метода определения входных токов и известных способов расчета, алгоритмы программ расчета на ЭВМ параметров и режимов работы предложенных преобразователей, а также материалы о практической реализации разработанных устройств и документы о внедрении и использовании результатов работы в народном хозяйстве.
Исследования по диссертационной работе выполнялись и выпол-
-15-няются в рамках общесоюзной целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.003 (подпрограмма 0.0ІЛЗЦ), в соответствии с координационными планами НИР Научных Советов АН УССР по комплексным проблемам "Преобразование параметров электромагнитной энергии" (1976*1980 гг.) и "Научные основы электроэнергетики" (1981+ 1985 гг.), а также планами по решению важнейших НИР УССР по Постановлениям: Совета Министров УССР № 530 от 29.11.75 (тема "Энергия"); Президиума АН УССР № 257 от 10.09.1970 г. (тема "Надежность"), № 604 от 25.12.1980 г. (тема "Стабилизация"), Госплана УССР № 4 от 28.01.1981 г. (тема "Устройство"), планами НИР по Постановлению № 43 от 2.03.1981 г. Госкомитета при Сов.Мин.СССР по науке и технике (тема "Коррекция"), заданием РН.0І.07.Ц.0І.09 (тема "Переключатель") важнейшей республиканской целевой комплексной научно-технической программы "ЭНЕРГОКОМПЛЕКС", в выполнении которых автор принимал и принимает непосредственное участие в качестве исполнителя указанных тем.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук Кузнецову В.Г. за консультации и помощь, оказанную при выполнении настоящей работы.
