Содержание к диссертации
Введение
Глава I. АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СХЕМ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПО ОЧЕРВДИМ УПРАВЛЕНИЕМ 9
1.1 Анализ двухгрупповых схем вентильных преобразователей 9
1.2 Анализ многогрушювых несимметричных схем вентильных преобразователей 22
1.3 Выводы по первой главе 37
Глава II. АНАЛИЗ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СХЕМАХ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПООЧЕРЕДНОМ УПРАВЛЕНИЕМ 38
2.1 Анализ перенапряжений в схеме двухдвигательно-го вентильного электропривода при поочередном управлении вентильными группами 40
2.2 Анализ напряжений на вентилях преобразователя, работающего на противо-ЭДС 48
2.3 Анализ перенапряжений на вентилях в многогругаю-вых вентильных преобразователях 59
2.4 Выводы по второй главе 81
Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ КОММУТЩИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ЙНВЕРТОРНОГО РЕЖИМА ВЕНТИЛЬНЫХ ГРУПП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПООЧЕРЕДНОМ УПРАВЛЕНИЕМ 83
3.1 Исследование особенностей коммутационных процессов в трехгрупповом девятивентильном преобразователе при поочередном управлении 83
3.2 Повышение устойчивости инверторного режима вентильных групп преобразователей с поочередным управлением 101
3.3 Выводы по третьей главе 121
Глава ІV. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПООЧЕРЕДНОМ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОГРУППОВЫМ НЕСИММЕТРИЧНЫМ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 122
4.1 Разработка системы поочередного управления многогрупповым несимметричным вентильным преобразователем 122
4.2 Пульсации выпрямленного тока преобразователей с поочередным управлением 146
4.3 Выводы по четвертой главе 158
Глава V. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПООЧЕРЕДНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ 160
5.1 Схема и параметры преобразовательной установки с поочередным управлением электродинамического стенда 160
5.2 Цифровое моделирование 171
5.3 Выводы по пятой главе 180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183
ЛИТЕРАТУРА 186
ПРИЛОЖЕНИЕ 192
- Анализ двухгрупповых схем вентильных преобразователей
- Анализ перенапряжений в схеме двухдвигательно-го вентильного электропривода при поочередном управлении вентильными группами
- Исследование особенностей коммутационных процессов в трехгрупповом девятивентильном преобразователе при поочередном управлении
- Разработка системы поочередного управления многогрупповым несимметричным вентильным преобразователем
- Схема и параметры преобразовательной установки с поочередным управлением электродинамического стенда
Введение к работе
Развитие современного автоматизированного электропривода характеризуется широким; применением вентильных преобразователей (ВП). Наибольшее) распространенна ВП получили в регулируемом электроприводе постоянного тока, который в ближайшие годы сохранит свое ведущее положение в промышленности. Широкое внедрение глубокорегулируемых вентильных электроприводов (ВЭП) привело к ухудшению качества электроэнергии в питающих сетях (искажение формы кривой питающего напряжения, колебания напряжения из-за набросов реактивной мощности). Поэтому при разработке мощных ВЭП выбор силовой схемы преобразователя, в основном, определяется требованиями привода к питающей сети. Такие параметры как ток, напряжение, допустимая нагрузка для мощных электроприводов не могут однозначно определить схему ВП. Необходимо учитывать величину среднего потребления и толчков реактивной мощности, так как согласно ГОСТ 13109-67, недопустимыми являются колебания напряжения питающей сети, вызываемые толчками реактивной мощности потребителей, которые не превышают 5%,
В решениях УШ к IX Всесоюзных научно-исследовательских конференций по автоматизированному электроприводу (Ташкент, октябрь 1979 г. и Алма-Ата, сентябрь 1983 г.) и Второго научно-технического совещания "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" (Таллин, октябрь 1982 г.) было указано на необходимость уделить больше внимания улучшению энергетической совместимости ВП с питающей энергосистемой, разработке и внедрению преобразователей с повышенными энергетическими показателями (к.п.д., коэффициент мощности), а также совершенствованию систем:управления ВП с целью оптималь- ного использования возможностей преобразователей.
Для обеспечения баланса реактивной мощности применяются синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи^ кроме того, могут быть использованы специальные схемы ВП двух основных классов:
Ш с искусственной или емкостной коммутацией, работающие с опережающими углами управления;
Щ с естественной коммутацией (ЕК) и усложненными способами управления.
Преобразователи первого класса являются более сложными, чем обычные преобразователи, так как содержат дополнительные сильноточные элементы, необходимые для коммутации.
Предпочтительным является использование ВП с ЕК, т.е. преобразователей второго класса, так как они достаточно просты, обеспечивают глубокое регулирование выходного напряжения и обладают меньшей стоимостью. К таким преобразователям относятся: схемы с переключением фазных вентилей, схемы с дополнительными фазними и нулевыми вентилями и некоторые другие. Более совершенными из них являются многогрупповые ВП с несимметричным и поочередным управлением. Исследования показали, что несимметричное управление по сравнению с вышеперечисленными схемами значительно улучшает в процессе регулирования напряжения коэффициент мощности. Несмотря на это, несимметричное управление не получило широкого распространения в промышленности, так как практическая реализация этого способа приводит к усложнению системы управления преобразователем и, как следствие, снижению надежности ВП в целом.
Наиболее простым и достаточно эффективным средством улучшения энергетических показателей является применение в ВП с ЕК поочередного управления последовательно включенными вентильны- - б - ми группами (ВГ).
В последние годы большие работы по разработке и исследованию ВП с поочередным управлением ведутся в целом, ряде научно-исследовательских, проектно-конструкторекнх и учебных институтах: НИИ ХЭМЗ, НИИ "Преобразователь", ГПИ ТПЭП, УШИ ТПЭП, ЛенПЭО ВНИИПЭМ, ЛЭТЙ, Киевском и Харьковском политехнических институтах и др. Значительный вклад в исследование таких преобразователей внесли Е.Л.Эттингер, Б.М.іуткин, О.А.Маевский, П.М.Бородавченко, Г.Г.Жемеров, Я.Ю.Солодухо и многие другие.
Однако, несмотря на сравнительно большое число работ, посвященных ВП с поочередным управлением ВГ, многие проблемы остались нерешенными.
В настоящее время имеются разработки по двухгрупповым ВП с поочередным управлением для питания мощных однодвигательных и двухдвигательных (так называемая "восьмеричная" схема) электроприводов, но их эксплуатация оказалась затруднена. Это связано с особенностями поочередного управления. Так, в определенных режимах работы (в момент отсутствия тока нагрузки) имеется возможность появления перенапряжений на вентилях, которые превышают допустимые значения и влекут за собой выход их из строя. Существует также опасность, что к изоляции двигателей в "восьме-рочной" схеме будет приложено повышенное напряжение.
Как известно, в ВП с поочередным управлением ВГ значительным оказывается взаимное влияние коммутационных процессов, которое ухудшает статические и энергетические характеристики, а также снижает инверторную прочность преобразователей, что в свою очередь препятствует их применению.
Использование многогрупповых ВП с идентичными ВГ не дает достаточного выигрыша в снижении потребления реактивной мощности. Эффективность поочередного управления может быть существенно по- вышена при использовании ВГ с неодинаковыми напряжениями за счет применения более сложного способа поочередного управления. Однако реализация такого способа сдерживается из-за отсутствия соответствующего устройства.
Поэтому решение этих научных и технических проблем остается актуальным.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование многогрупповых ВП с поочередным управлением ВГ. Для достижения этой цели решены следующие задачи: проведен анализ возможных перенапряжений на вентилях, обусловленных разбросом их параметров и принципом поочередного управления, и напряжений, прикладываемых к изоляции двигателей двухдвигательного ВЭП при поочередном управлении ВГ; исследовано взаимное влияние коммутационных процессов в девятивентильном трехгрупповом ВП; разработан способ поочередного управления последовательными ВГ, который позволяет повысить устойчивость инверторного режима групп и коэффициент мощности ВП, и предложено устройство для его реализации; разработана и исследована система поочередного управления многогрупповым ВП с неодинаковыми напряжениями ВГ, в том числе устройство для поочередного управления ВП, на которое получено решение от 23.8.84 г. Госкомизобретений СССР о выдаче авторского свидетельства; исследованы пульсации выпрямленного тока в многогрупповых ВП с поочередным управлением; проведены экспериментальные исследования перенапряжений на вентилях, обусловленных разбросом параметров, и моделирование системы поочередного управления двухгрупповым несимметричным ВП, которые позволили подтвердить теоретические положения диссертационной работы.
Основные положения, выносимые на защиту: анализ перенапряжений в многогрупповых ВП в статических и динамических режимах; исследование взаимного влияния коммутационных процессов в трехгрупповомі девятивентильном преобразователе; разработка мероприятий по повышению устойчивости инвер-торного режима ВГ в многогрупповых ВП с поочередным управлением; разработка и исследование системы поочередного управления многогрупповыми ВП с неодинаковыми напряжениями ВГ.
Работа выполнена на кафедре Электрофикации и автоматизации промышленности ЛЭТЙ им. В.И.Ульянова (Ленина) в соответствии с целевой программой Минвуза СССР "Оптимум", направленной на улучшение характеристик статических преобразователей.
Анализ двухгрупповых схем вентильных преобразователей
Таким образом, по мере увеличения числа ВГ величина дополнительного выигрыша реактивной мощности уменьшается. Кроме того, увеличение числа последовательно включенных ВГ вызывает усложнение силовой схемы и системы управления вентилями, увеличение мощности вентильного оборудования (т.е. увеличение стоимости и массогабаритных показателей), ухудшение КЦЦ и динамических свойств ВП. Поэтому на практике нашли применение только двух-групповые ВП, состоящие из двух последовательно включенных трехфазных мостовых схем (рис.1.2).
При поочередном управлении двухгрупповым ВП одна из групп работает либо в предельном выпрямительном, либо в предельном ин-верторном режиме, а изменение выпрямленного напряжения осуществляется за счет изменения угла регулирования второй группы. Таким образом, общая реактивная мощность, потребляемая из сети ВП, определяется в основном одной из ВГ. На рис.1.3 представлена зависимость относительной величины реактивной мощности р т. от относительной величины выпрямленного напряжения Ud/Eciojspyx.-группового ВП при изменении углов регулирования ВГ оСі и 0С2 от минимального до максимального их значения. При построении этой зависимости, исходя из значений 0,07, Кг = 2 и времени восстановления тиристора tg = 250 мкс, были приняты следующие величины: минимальные углы регулирования ВГ оСі/чин -= оСз/чик = 5, предельные углы ограничения инвертора імин = = S ZMUH- 30, углы коммутации = tf2 - 26. Кривая I на рисунке соответствует потреблению реактивной мощности при совместном синфазном управлении двумя ВГ, а кривая 2 - потреблению реактивной мощности при поочередном управлении двумя одинаковыми ВГ. Площадь, заключенная между кривыми I и 2, соответствует экономии реактивной мощности при использовании поочередного управления двумя последовательными ВГ.
Анализ перенапряжений в схеме двухдвигательно-го вентильного электропривода при поочередном управлении вентильными группами
Более опасным является режим внутреннего замыкания на землю в преобразователях, т.е. случай резкого уменьшения сопротивления на землю одного из выводов вентильных обмоток преобразовательных трансформаторов. При работе ВП эта заземленная точка попеременно на 1/3 периода напряжения сети подключается к каждому из выводных полюсов преобразователя и на этих интервалах максимально возможное напряжение, прикладываемое к изоляции двигателей, соответствует рассмотренным выше случаям. Но в промежутках между этими интервалами длительностью 1/6 часть периода потенциалы каждого из выходных полюсов преобразователя относительно земли становятся равными мгновенным значениям линейных напряжений вентильных обмоток егл и к изоляции двигателей прикладывается напряжение, равное (еы! + еыг)+ егл. При этом максимальными в выпрямительном режиме будут напряжения Ui0- U30 при внутреннем замыкании на землю в ВП, а минимальными в ин-верторном режиме - напряжения U.MO=-U-&O при внутреннем замыкании на землю в ВГ2.
Исследование особенностей коммутационных процессов в трехгрупповом девятивентильном преобразователе при поочередном управлении
Одной из основных особенностей ВП с поочередным управлением последовательно включенными ВГ при работе от одной системы питания соизмеримой мощности является взаимное влияние групп друг на друга. Это влияние обусловлено наличием общего индуктивного сопротивления питающей системы и передается посредством провалов в анодном напряжении вентильных групп, вызванных коммутацией вентилей в других группах.
При коммутации тока в одной из ВГ происходит падение напряжения на индуктивном сопротивлении системы, что в свою очередь, влияет на напряжение остальных групп. Кроме того, интервалы коммутации вентилей разных ВГ смещаются относительно друг друга и при некотором значении выпрямленного напряжения частично или полностью совпадают во времени. При совпадении интервалов коммутации в ВГ скорости коммутации токов изменяются по сравнению с неодновременной коммутацией. Степень и характер взаимного влияния ВГ неодинаковы на разных участках диапазона регулирования, в результате чего нагрузочные, регулировочные и энергетические характеристики искажаются, а также взаимное влияние ВГ друг на друга приводит к ограничению максимального угла регулирования группы, работающей в инверторном режиме.
В ряде работ [8, 38-46] был проведен достаточно подробный анализ взаимного влияния коммутационных процессов в двухгруппо-вых Ш при поочередном управлении ВГ с одинаковыми и неодинаковыми напряжениями. В данном же параграфе проводится анализ особенностей коммутационных процессов в трехгрупповом девятивен-тильном преобразователе при использовании специальных способов поочередного управления ВГ, когда процессы взаимного влияния групп друг на друга являются более сложными. Причем в отличие от известных работ анализ проводится при условии, что угол коммутации У изменяется в функции угла регулирования оС .
В рассматриваемой схеме преобразователя, состоящего из двух девятивентильных мостов (см. рис. I.I5), для питания используются четыре трехфазные вентильные обмотки, напряжения и приведенные к сети полные сопротивления которых одинаковы, а фаза напряжения одной пары обмоток смещена на полпериода по отношению к фазе напряжения втрой пары обмоток. Поэтому для реализации схемы могут использоваться либо два трехобмоточных трансформатора, либо один пятиобмоточный. Исходя из соответствующей номенклатуры изделий электротехнической промышленности, включающей трехоб-моточные преобразовательные трансформаторы, более легко реализовать первый из этих вариантов.
Разработка системы поочередного управления многогрупповым несимметричным вентильным преобразователем
Как уже говорилось в первой главе, с целью повышения эффективности поочередного управления целесообразно использовать многогрупповые несимметричные ВП с усложненными способами поочередного управления Е29, ЗОЛ. Однако реализация таких способов управления затруднена из-за отсутствия соответствующего устройства.
В [48] предложено устройство для поочередного управления ВП, состоящим из п ВГ с неодинаковыми напряжениями. Но это устройство позволяет реализовать обычное поочередное управление ВГ: первой начинают регулировать в полном диапазоне изменения угла с от значения лшн до значения Ымакс ВГ с меньшим значением максимальной выпрямленной ЭДр Е оі , второй - ВГ со значением Ed0i doi, третьей - ВГ с Edo3 Edo2 и т.д. Следовательно, оно обеспечивает в полном диапазоне регулирования выпрямленного напряжения преобразователя строго определенную очередность изменения углов регулирования ВГ и не позволяет при неодинаковых значениях напряжений ВГ обеспечить более высокий коэффициент мощности, поскольку для этого необходимо на разных участках диапазона регулирования менять очередность изменения углов регулирования групп. Для осуществления скачкообразных изменений углов регулирования, как это показано на рис. I.I2 (точка а) и на рис. I.I6 (точки с и а), что приводит к изменению очередности регулирования ВГ согласно избранному способу поочередного управления, в устройство [48] добавлены релейные элементы.
Структурная схема предлагаемого устройства для поочередного управления Ш, состоящим из ті ВГ с неодинаковыми значениями напряжений [49], представлена на рис. 4.1. В каждом из 1г каналов управления в данном устройстве между входом блока им-пульсно-фазового управления (БЩГ) и выходом блока ограничения (БО) максимального и минимального значений входного напряжения включен задатчик интенсивности (ЗИ), который ограничивает скорость изменения напряжения на уровне, равном отношению угловой частоты питающей сети к коэффициенту передачи БШГ.
class5 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПООЧЕРЕДНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ class5
Схема и параметры преобразовательной установки с поочередным управлением электродинамического стенда
Система питания комплексного электродинамического стенда, разработанная совместно с ЛенПЭО ВНИИПЭМ для организации ВНИИТРАНСМАШ, включает в себя три преобразовательных установки, каждая из которых питает рабочую катушку электродинамического преобразователя и состоит из двух последовательно включенных ВП. Первый ВП, выполненный по трехфазной мостовой схеме, питается от вентильной обмотки преобразовательного трансформатора, линейное напряжение которой равно 230 В, т.е. максимальное значение выпрямленной ЭДС ВПІ равно Edoi={t35 230-3iO,5B. Второй ВП, также выполненный по трехфазной мостовой схеме , питается от трехфазной сети напряжением 380/220 В через токоогра-ничиваюшие реакторы и значение Edoz равно Edoz-4,35 380=5i3B, Полное значение максимальной выпрямленной ЭДС преобразовательной установки равно Eolo =Ecloi +Edoz = 3/0,5 + 5/3 - 823,5 В Углы ограничения минимальных и максимальных значений ВП равны
Все три преобразовательные- установки реверсивные, причем для исключения перенапряжений на вентилях ВП с меньшим значением, напряжения, которые могут возникнуть после бестоковой паузы при реверсе тока (см. параграф 2.3), он выполнен с совместным управлением группами вентилей разных направлений тока и имеет регуляторы тока с перекрестными связями. ВП с большим значением на пряжения выполнен с раздельным управлением. .
Учитывая сравнительно большую мощность каждой преобразовательной установки (Л 0,6МВт) и специфические особенности режимов ее работы, характеризующиеся глубоким регулированием выпрямленного напряжения и резко переменной токовой нагрузкой, повышение коэффициента мощности установки имеет важное значение. Поэтому с целью снижения потребления реактивной мощности применяют усложненный способ поочередного управления ВП [29, ЗО], но с некоторым отступлением от него, как это написано в 4.1, чтобы избежать автоколебаний в замкнутой системе регулирования. Следовательно, регулировочная характеристика преобразователя, представленная на рис. 5.2, будет обладать зоной типа "петли гистерезиса" (сплошной линией обозначены характеристики для хода "Вперед", а пунктирной - для хода "Назад"), ТІЄ. в одном направлении скачкообразное изменение углов: ВП будет происходить при значении напряжения управления Шх І/вхг, а после реверса тока - при Vsx-USxz.
Реализация данного способа поочередного управления преобразовательной установкой, состоящей из двух последовательно включенных ВП с неодинаковыми значениями напряжений, может быть осуществлена при помощи устройства для поочередного управления [49], работа которого подробно описана в 4.1.
