Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время все большее значение приобретают задачи, связанные^ с улучшением качества продукции и ресурсосбережением. В области электроэнергетики и электрификации это -улучшение качества электрической энергии и ее экономия. Одной из основных проблем энергосбережения язляется поддержание оптимальных уровней напряжений в узлах электрических сетей и' возможность его регулирования в широких пределах. Решение этой проблемы позволяет существенно повысить качество электроэнергии, от которого зависит нормальное функционирование, срок службы и производительность целого ряда потребителей. Создавшееся положение усугубляется тем, что более половины всей вырабатываемой электроэнергии потребляется при пониженном качестве, не отвечающем стандартным нормам,
В настоящее время большинство мощных силовых трансформаторов и трансформатороз специального назначения выпускаются с механическими переключающими устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Выпускаемые промышленностью устройства РПН имеют ограниченные скорость, частоту и число переключений в силу электроизноса контактов при переключениях под нагрузкой. Наличие сложной кинематики механизма быстродействия в механических переключающих устройствах предъявляет жесткие требования к качеству выполнения . всех деталей контактора и обуславливает сложность предпусковой наладки и поверочных испытаний.
Особенно остро данный вопрос стоит для трансформаторов специального назначения (например для электропечных). Для данного класса трансформатороз число переключений устройств- РПН нередко достигает нескольких сотен в смену и необходим поиск новых, более совершенных способов коммутации.
Разработкой и исследованием данной проблемы занимаются научные коллективы Всероссийского электротехнического института (г. Москва), Московского энергетического института (г. Москва), АО "Уралэлектротяжмаш" (г. Екатеринбург), АО "Московский электрозавод" (г. Москва), НИИГИПРОХИМ (г. ^анкт-Летербург). Аналогичные работы ведутся и рядом фирм ближнего и дальнего зарубежья.
Особую труппу образуют тиристорно-контактные установки (ТКУ) с «пользе;.,:- 'эм вспомогательных трансформаторов, которые- свободны от зышеуказаннь недостатков. Такие установки разработаны в Нижегородском осударственж. техническом университете. Разработанные, установки юзволяют осущ-.-ствлять регулирование напряжения под нагрузкой а сетях с полированной нейтралью, имеют высокий ресурс переіслючений в связи с
отсутствием электроизноса контактов, обеспечивают беспребоиность
электроснабжения при техническом обслуживании и ремонте
полупроводниковой части. При .работе ТКУ отсутствует генерация высших
гармонических тока и напряжения в сеть. ,
Оценка экономической эффективности разработанных устройств показала, что экономически наиболее целесообразно применять ТКУ для регулирования силовых и специальных трансформаторов мощностью свыше 10 МВА в сетях с изолированной нейтралью. При меньших мощностях трансформаторов экономически целесообразно применение бесконтактных устройств РПН.
ІДель работы: Разработка и исследование трехфазных тиристорно-контактных установок для широкодйапазонного регулирования напряжения под нагрузкой в сетях с изолированной нейтралью силовых и специальны) трансформаторов мощностью 10 МВА и выше. ТКУ должны быть надежны удобны в эксплуатации, не иметь электроизноса контактов, обеспечивать беспребоиность электроснабжения при техническом обслуживании и ^ремонт? полупроводниковой части. Для достижения поставленной цели автор решае-следующие задачи: ,
анализ существующих структурных и схемных решений устройств длі регулирования напряжения и разработка новых ТКУ со вспомогательньїмі трансформаторами в структуре регулирующего органа для сетей < изолированной нейтралью;
разработка математической модели ТКУ для сетей с изолированно! нейтралью для исследования электромагнитных процессов в стационарных і нестационарных режимах работы;
теоретическое и экспериментальное исследование ТКУ в стационарных і нестационарных режимах работы; , '
разработка оптимальных алгоритмов переключения и определение зої естественной коммутации тиристорных ключей, обеспечивающих надежнун работу исполнительного органа ТКУ;
разработка инженерной методики расчета элементов исполнительней органа ТКУ для сетей с изолированной нейтралью;
разработка, экспериментальное исследование и внедрение действующег экспериментального образца ТКУ для сетей с изолированной нейтралью.
Методы исследования. Исследование электромагнитных процессов ТКУ стационарных, нестационарных и аварийных режимах работы выполнено н основе метода режимных расчетов нелинейных электромеханических устройстЕ С этой целью в ПЭВМ были реализованы:
- математическая модель ТКУ для сетей с изолированной нейтралью
матричной форме записи;
метод переменной структуры системы дифференциальных уравьений, позволивший сократить порядок матриц в различных режимах работы ТКУ;
метод Рунге-Кутта в модификации Мерсона с автоматическим выбором шага интегрирования для численного решения систем дифференциальных уравнений:
Достоверность научных положений пбдтєерждается результатами экспериментальных исследований на действующем экспериментальном образце устройства.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
- разработана математическая модель ТКУ для сетей с изолированной
нейтралью с учетом внешних цепей и сигналов системы управления для
исследования электромагнитных процессов в стационарных и нестационарных
режимах работы ; '
- разработаны оптимальные алгоритмы переключений ТКУ в различные
режимы работы на основе исследования стационарных и коммутационных
процессов при работе на активную, активно-индуктивную, активно-емкостную нагрузку;
* - для Есех динамических режимов работы установлены зависимости временных зон естественной коммутации тиристорных ключей от характера нагрузки.
Практическая ценность работы: ^
- выполнен ряд задач по теме комплексной научно-технической программы
Госкомитета РФ по делам науки и высшей школы ЭНКП2000;
- разработаны схемные решения ТКУ—силовых и специальных
трансформаторов мощностью от 10 МВА для сетей с изолированной нейтралью,
позволяющие исключить- элёктрсизнос контактов, снизить в -Л раза токовую
нагрузку на контакты, пбвъгсйтьгтЬчноеть регулирования напряжения;
- исключена перегрузка' силовых элементов ТКУ в стационарных и
нестационарных режимах работы в результате реализации оптимальных
алгоритмов перевода установки в различные режимы работы, основанных на
естественной коммутации тиристорных ключей;
разработана методика инженерного расчета элементов силозых цепей ТКУ для сетей с изолированной нейтралью;
разработана микропроцессорная система управления, позволяющая реализовать оптимальные алгоритмы работы устройства.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке экспериментального действующего образца ТКУ для сетей с изолированной нейтралью, испытанного и знедргнного на ОАО
"Борский стекольный завод", разработан комплеісг технической документации опытно-промышленного образца ТКУ для РПН трансформатора ЭТМН-1600/10. . Апробация работы. Основные теоретиче~-ле положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы энергетики" (г. Нижний Новгород; 1S94, .1S95 г.), Всесоюзной научно-те::нической конференции "Силовая полупроводниковая техника и её применение в народном хозяйстве" (г. Миасс, 1989 г,), Международной научно-технической конференции "Методы и средства повышения надежности приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1993 г), 51 научной сессии РНТО РЭС им. А.С. Попова, посвященной дню Радио (г. Москва, 1996 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Объем м структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет: 103 стр. оснозного текста, 102 рисунка, 6 таблиц, 13 страниц списка исполозованной литературы из 121 наименования, 28 стр. приложений.
