Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы регулирования переменного напряжения и ограничения токов в аварийных режимах работы электрических сетей 13
1.1 Общие сведения о регулировании переменного напряжения электрических сетей 18
1.2 Современные методы регулирования переменного напряжения электрических сетей 19
1.3 Методы преобразования переменного напряжения электрических сетей 23
1.4 Современные технические решения регуляторов напряжения трансформаторов 28
1.5 Новый подход к проблеме ограничения коммутационных токовых перегрузок и токов аварийных режимов работы 30
1.6 Трансформаторно-тиристорный регулятор напряжения с расщепленными обмотками и ключами однонаправленного тока 36
1.7 Выводы 38
Глава 2. Математические модели трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения с ключами одпонаправленного тока 40
2.1 Общие замечания 40
2.2 Математическая модель ТТРН ОТ с постоянным углом управления 42
2.3 Математическая модель ТТРН ОТ с регулируемым углом управления ... 44
2.3.1 Математическая модель трехфазного силового трансформатора с расщепленной первичной обмоткой 46
2.3.2 Математическая модель ключевых элементов 52
2.4 Программный комплекс для исследования на ЭВМ электромагнитных процессов ТТРН ОТ 54
2.5 Выводы 62
Глава 3. Электромагнитные процессы в трансформаторно-тиристорном регуляторе напряжения с ключами однонаправленного тока в режимахработы с постоянным углом управления 63
3.1 Несимметричные режимы работы ТТРН ОТ 63
3.1.1 Оценка несимметрии трехфазной системы напряжений 64
3.1.2 Несимметричные режимы работы, обусловленные несимметрией питающих напряжений 66
3.1.3 Неполнофазные режимы работы со стороны питающего напряжения 66
3.1.4 Режимы работы при несимметричной нагрузке 70
3.2 Режимы короткого замыкания питающей сети и нагрузки ТТРН ОТ 72
3.2.1 Режимы короткого замыкания на стороне высокого напряжения 73
3.2.2 Режимы короткого замыкания на стороне низкого напряжения 79
3.3 Выводы 83
Глава 4. Электромагнитные процессы в трансформаторно-тиристорном регуляторе напряжения с ключами однонаправлепного тока в режимахработы с регулируемым углом управления 84
4.1 Общие замечания 84
4.2 Коммутационные процессы в ТТРН ОТ с импульсно-фазовым управлением 86
4.2.1 Режим повышения напряжения 87
4.2.2 Режим понижения напряжения 4.3 Коммутационные процессы в ТТРН ОТ с дискретным управлением 100
4.4 Анализ гармонического состава выходного напряжения и сетевого тока ТТРН ОТ с импульсно-фазовым управлением 102
4.41 Режим повышения напряжения 104
4.4.2 Режим понижения напряжения 109
4.5 Выводы 113
Глава 5. Проектирование системы управления и анализ работы физической модели трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения с ключами однонаправленного тока 115
5.1. Проектирование системы управления ТТРН ОТ 116
5.1.1 Определение основных требований 116
5.1.2 Проектирование схемы системы управления на основе современных устройств аналоговой и цифровой техники 122
5.2 Реализация физической модели ТТРП ОТ 128
5.2.1 Модель силовой части 128
5.2.2 Модель системы управления 129
5.2.3 Качественная оценка выходных характеристик математической и физической моделей 131
5.3 Выводы 137
Заключение 138
Список литературы
- Современные технические решения регуляторов напряжения трансформаторов
- Математическая модель ТТРН ОТ с регулируемым углом управления
- Оценка несимметрии трехфазной системы напряжений
- Коммутационные процессы в ТТРН ОТ с импульсно-фазовым управлением
Введение к работе
Актуальность исследования. Проблема регулирования переменного напряжения на зажимах мощных электроприемников связана с использованием механических устройств регулирования под нагрузкой (РПН). Установка таких устройств, например, для каждого в отдельности трансформатора цеховых трансформаторных подстанций (ЦТП) привела бы к весьма существенному увеличению капитальных затрат на электрооборудование ЦТП. Эффективность механических устройств РПН ограничена, так как на их ресурс работы оказывает сильное влияние механический износ контактов. Для преодоления этого недостатка разработаны и исследованы бесконтактные трансформаторно-тиристорные устройства РПН различного схемотехнического исполнения. Основные работы в данном направлении велись под руководством А.В. Кобзева, К.А. Липковского, Б.Н. Сергеенкова, Б.Ю. Алтунина, И.М. Туманова, Г. Гута, Р. Бейкера. Все трансформаторно-тиристорные регуляторы напряжения под нагрузкой могут быть разделены на устройства, содержащие:
силовой или преобразовательный трансформатор с отводами, коммутируемыми тиристорными ключами переменного тока;
вспомогательный вольтодобавочный трансформатор с первичной обмоткой, коммутируемой тиристорными ключами переменного тока.
Бесконтактные устройства РПН по сравнению с механическими обладают большей долговечностью, высокой точностью регулирования и быстродействием. Однако существующие схемные решения регуляторов переменного напряжения на базе полупроводниковых приборов также не лишены недостатков, наиболее значительным из которых является возникновение коммутационных токовых перегрузок.
Требования к повышению долговечности, эффективности работы, быстродействию существующих устройств и разрешению проблем, связанных с коммутационными токовыми перегрузками регуляторов, привели к необходимости разработки новых бесконтактных устройств регулирования напряжения трансформаторов, обеспечивающих безаварийную работу. Создание таких устройств позволит повысить качество электроэнергии при условии обеспечения непрерывного и, по возможности, оптимального режима работы всей системы электропитания.
Значительное внимание уделяется вопросам снижения материалоемкости. При питании электроустановок промышленных предприятий от мощных энергосистем приходится значительно повышать сечение токоведущих частей и габаритные размеры аппаратов защиты по условиям динамической и термической устойчивости в аварийных режимах, что значительно увеличивает капитальные затраты. Одним из способов уменьшения стоимости изготовления и эксплуатации электрических установок является ограничение токов аварийных режимов за счет расширения функциональных возможностей трансформаторно-тиристорных устройств с РПН.
Целью диссертационной работы является разработка нового трансформаторно-тиристорного регулятора напряжения с расщепленной первичной обмоткой силового трансформатора и ключами однонаправленного тока (ТТРН ОТ).
Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:
анализ методов и существующих устройств регулирования напряжения трансформаторов, а также методов и устройств ограничения токов в аварийных режимах работы;
разработка схемотехнических решений построения силовой части ТТРН ОТ;
создание математических и имитационных моделей ТТРН ОТ для исследования регулировочных характеристик, статических и динамических режимов работы, гармонического состава выходного напряжения и сетевого тока;
проектирование системы управления ТТРН ОТ на основе современных программируемых аналоговых интегральных схем (ПАИС).
Методы исследования определяются спецификой рассматриваемого ТТРН ОТ. В соответствии с этим исследования электромагнитных процессов устройства в стационарных и динамических режимах работы выполнялись с применением операторного метода решения дифференциальных уравнений, метода структурного моделирования, основанного на создании моделей отдельных блоков и последующего синтеза всей системы, а также общего метода режимных расчетов. Исследование коммутационных процессов, несимметричных и аварийных режимов работы ТТРН ОТ выполнены с привлечением средств имитационного математического моделирования на ЭВМ в программном пакете Matlab Simulink. Теоретические положения работы подтверждены экспериментом.
Научная новизна.
Предложены способы регулирования напряжения ТТРН ОТ как за счет изменения коэффициента трансформации силового трансформатора путем переключения числа витков первичных обмоток, так и за счет изменения угла управления вентилей, отличающиеся тем, что управление ключами однонаправленного тока осуществляется в различных ветвях расщепленных обмоток высокого напряжения, и позволяющие реализовать принципы дискретного и импульсно-фазового регулирования.
Предложен алгоритм управления вентилями ТТРН ОТ, отличающийся тем, что условия переключения тиристорных ключей определяются контурами коммутационных токов обеих ветвей расщепленных обмоток трансформатора с различными ЭДС в режимах повышения и понижения выходного напряжения, позволяющий снизить токовые перегрузки тиристоров при коммутации.
Разработаны математические модели и программный комплекс в пакете Matlab Simulink для расчета стационарных, динамических и аварийных режимов работы ТТРН ОТ, позволяющие учесть электромагнитные связи обмоток трансформатора и нелинейность кривой намагничивания. Впервые
исследованы режимы переключения на повышение и понижение напряжения при различном характере нагрузки.
Практическая ценность.
Разработано новое устройство регулирования напряжения под нагрузкой, содержащее силовой трансформатор с расщепленными первичными обмотками и ключи однонаправленного тока, позволяющее, наряду с регулированием напряжения, ограничивать коммутационные токовые перегрузки и токи аварийных режимов работы, уменьшить расход электротехнических материалов, повысить точность регулирования и увеличить ресурс электрических переключений ключевых элементов регулятора за счет использования силовых полупроводниковых приборов.
Создан макет физической модели ТТРН ОТ с целью сравнения результатов математического и физического моделирования. Результаты проведенных экспериментальных исследований гармонического состава выходного напряжения и коммутационных процессов совпали с результатами теоретических расчетов и математического моделирования.
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Промышленная электроника» НГТУ им. Р.Е.Алексеева при чтении лекций, проведении лабораторных и научно-исследовательских работ по курсам: «Основы преобразовательной техники», «Преобразователи электрической энергии», «Трансформаторно-тиристорные регуляторы переменного тока».
Реализация результатов работы.
Результаты проведенных исследований и программный комплекс в пакете Matlab Simulink для исследования на ЭВМ работы ТТРН ОТ в стационарных, динамических и аварийных режимах нашли применение в практике проектирования трансформаторных подстанций предприятием ЗАО "НПО "Промэнерго" (г. Нижний Новгород) и приняты для использования при модернизации питающей подстанции на ФГУП «НИИ химии и технологии полимеров имени академика В.А. Каргина с опытным заводом» (г. Дзержинск). Разработанный макет физической модели ТТРН ОТ реализован в качестве базы для лабораторных работ студентов кафедры «Промышленная электроника» НГТУ им. Р.Е.Алексеева по курсу «Трансформаторно-тиристорные регуляторы переменного тока».
На защиту выносятся следующие основные положения.
Устройство ТТРН ОТ для ограничения коммутационных токовых перегрузок и токов аварийных режимов работы.
Математические модели для исследования электромагнитных процессов в ТТРН ОТ в стационарных, динамических и аварийных режимах работы.
Программный комплекс в пакете Matlab Simulink для расчета основных характеристик и моделирования работы ТТРН ОТ.
Способы регулирования напряжения ТТРН ОТ.
Система управления ТТРН ОТ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на: V Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", Нижний Новгород, 2006; "Актуальные проблемы электроэнергетики", Нижний Новгород, 2006; XIII Международной научно-технической конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2007; Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Татинец, 2007; Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки", Нижний Новгород, 2007; Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки), Татинец, 2008.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 18 печатных работ (3 из которых в издании, рекомендованном ВАК РФ). Получен патент на полезную модель № 88863 РФ, МІЖ Н 02 J 3/00. Устройство регулирования напряжения под нагрузкой, Опубл. 20.11.2009, Бюл. № 32.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков и 9 таблиц.
Современные технические решения регуляторов напряжения трансформаторов
Производство электроэнергии возможно только в том случае, если предварительно обеспечено соединение генераторов энергии с ее приемниками в единую электрическую схему. Нарушение указанной схемы ведет к нарушению процесса производства электрической энергии [16].
Как показывает опыт [6, 38], наиболее опасными и самыми вероятными среди возможных аварий являются короткие замыкания. Коротким замыканием (КЗ) принято [7] называть нарушение нормальной работы электрической установки (сети), вызванное замыканием фаз между собой и/или на землю.
Последствиями КЗ являются [35, 72] резкое увеличение тока в короткозамкнутой цепи и снижение напряжения в отдельных точках системы. Увеличение тока приводит к значительным механическим воздействиям на токоведущие части и изоляторы, вызывает их повышенный нагрев, что может привести к дальнейшему развитию аварии.
Часто в энергосистемах возникновение КЗ способно привести к крупным системным авариям, несущим огромные убытки экономике, а почти неизбежные перерывы в электроснабжении - к недоотпуску продукции, браку, поломке технологического оборудования и даже серьезным экологическим последствиям.
Уменьшение величины тока в режиме КЗ позволит уменьшить его негативные последствия, а в итоге получить значительный экономический эффект, уменьшить вероятность выхода системы из строя и тем самым повысить надежность электроснабжения.
В системах трехфазного переменного тока возможны следующие виды КЗ [72, 89]: между тремя фазами (трехфазные КЗ), Р=0,01...0,07; между двумя фазами (двухфазные КЗ), Р=0,02...0,13; между двумя фазами и на землю (двухфазное на землю), Р=0,6...0,9; однофазное замыкание на землю, Р=0,05.. .0,2, где Р - вероятность возникновения.
Как показано выше, наибольшее число КЗ связано с замыканием на землю, в то время как трехфазное КЗ является очень редким. Однако [89] трехфазное КЗ чаще всего является решающим для окончательного суждения относительно возможности работы в условиях короткого замыкания, поскольку оно является наиболее опасным с точки зрения величины аварийных токов.
В процессе развития аварии первоначальный вид КЗ переходит в другой вид КЗ [89]. Так, например, в кабельных сетях (с трехжильными кабелями) несимметричные КЗ часто переходят в трехфазные КЗ, так как образовавшаяся при повреждении в кабеле электрическая дуга быстро разрушает изоляцию между его жилами. Переходные процессы, происходящие при КЗ, подробно рассмотрены в литературе [35, 72, 89].
При коротком замыкании по токоведущим частям проходят токи переходного режима, вызывая сложные усилия в шинных конструкциях и аппаратах электрических установок. В литературе [37, 62] даны рекомендации по проверке шинных конструкций на электродинамическую стойкость при КЗ.
Электродинамические усилия в токоведущих частях выключателей, разъединителей и других аппаратов сложны и трудно поддаются расчету [37], поэтому заводы-изготовители указывают предельный сквозной ток КЗ /тах, который не должен быть меньше, найденного в расчете ударного тока при трехфазном КЗ гу(3). Проверка аппаратов по электродинамической стойкости производится по условию max f. (1)
Токи КЗ вызывают нагрев токоведущих частей, значительно превышающий нормальный, что может привести к выжиганию изоляции, разрушению контактов и даже к расплавлению металла.
Наибольшие допустимые температуры нагрева при КЗ определяются ПУЭ [69]. При выборе токоведущих частей необходимо найти конечную температуру нагрева токами КЗ. На практике часто пользуются приближенными расчетами [7], когда периодическая составляющая тока принимается незатухающей. Тогда импульс квадратичного тока КЗ, пропорциональный количеству тепла, выделенного в проводнике током КЗ за время tKз, - интеграл Джоуля, определяется так: =42,0 Хз+Та)5 (2) где tKз - время прохождения тока КЗ, состоящее из времени действия защиты и времени отключения выключателя. Та - постоянная затухания апериодической составляющей, зависящая от соотношения между индуктивным и активным сопротивлением цепи КЗ [62], может определяться приближенно по таблицам, в зависимости от места расположения и точки КЗ [72].
При известной (нормативной) температуре проводника в рабочем режиме и допустимой температуре нагрева при КЗ можно определить минимальное сечение проводника, термически стойкого при данном токе КЗ: Ч Щ. (3) где С - некоторая величина, зависящая от допустимой температуры нагрева и материалов проводника, ее значение приводится в литературе [37, 62, 72, 76].
Проверка аппаратов на термическую стойкость производится по току термической стойкости 1т, заданному заводом-изготовителем.
Существующие методы противодействия аварийным токам КЗ сводятся, в основном, к двум направлениям: - снижение величины силы тока КЗ; - отключение участков цепи, подверженных воздействию КЗ. Рассмотрим оба основных направления с целью, в итоге, показать основные преимущества и недостатки существующих способов ограничения величины токов аварийных режимов работы.
Математическая модель ТТРН ОТ с регулируемым углом управления
В первой главе диссертационной работы (п. 1.6) был рассмотрен бесконтактный тиристорный регулятор переменного напряжения с ключами однонаправленного тока. Данное устройство обеспечивает ограничение токов в аварийных режимах работы, а также дискретное и импульсно-фазовое регулирование напряжения на нагрузке. При этом токовые перегрузки при коммутации тиристоров не превышают 2,5 кратного значения номинального тока. Для анализа и проектирования устройства необходимо учитывать все возможные режимы его работы, а также разработать основы для создания алгоритмов управления ТТРН ОТ.
В данном разделе разработаны математические модели бесконтактного ТТРН ОТ в режимах с постоянным и регулируемым углом управления.
Разработка надежных бесконтактных устройств питания мощных потребителей электрической энергии и их последующее внедрение невозможны без изучения электромагнитных и коммутационных процессов в переходных режимах работы, когда происходит перевод ТТРН ОТ из одного стационарного режима работы в другой. Учет характера таких динамических процессов необходим для определения оптимального алгоритма работы регулятора. Это, в свою очередь, обеспечит минимальную перегрузку элементов силовой цепи устройства, а также позволит осуществлять надежную коммутацию тиристоров.
На основании схемы на рис. 8 приведем описание режимов работы с постоянным углом управления вентилями.
Устройство представляет собой силовой трансформатор с расщенленными обмотками, которые через линию питающей сети соединяются с группой диодов. При этом не происходит переключения регулировочных обмоток. Режимы работы с регулируемым углом управления вентилями возникают во время переключения тиристоров для регулирования величины выходного напряжения. В данных режимах проходят переходные процессы, связанные с протеканием коммутационных токов. Анализ данных режимов необходим для установления величины коммутационных токов, зависимости их от угла управления и характера нагрузки. Данное исследование позволит разработать рекомендации по защите схемы от токовых перегрузок и определить оптимальные углы управления.
К аварийным режимам работы относятся режимы КЗ и различные неполнофазные режимы, такие как обрывы фаз питающего напряжения, провалы питающего напряжения, несимметричная нагрузка и другие режимы, в которых наблюдается несимметрия токов или напряжений.
Для исследования подобных режимов необходимо использовать модель ТТРН ОТ с регулируемым углом управления, так как данная модель позволяет учесть нелинейность кривой намагничивания, которая оказывает значительное влияние на расчет в некоторых аварийных режимах работы. 2.2. Математическая модель ТТРН ОТ с постоянным углом управления
Вывод аналитических зависимостей токов различных ветвей от времени позволяет получить данные, необходимые для расчета и выбора силовых элементов схемы, установить зависимости характера протекающих процессов от параметров элементов устройства [45, 46, 47, 53, 63, 84].
Для получения упрощенных аналитических выражений, позволяющих оптимально выполнить анализ и расчет ТТРН ОТ в режимах работы с постоянным углом управления, примем следующие допущения: 1. Диоды и тиристоры в открытом состоянии соответствуют замкнутой цепи, в закрытом - разрыву цепи. 2. Магнитная цепь силового трансформатора является линейной системой. 3. Расчет схем во всех режимах работы ТТРН ОТ выполним в относительных единицах, в соответствии с теорией линейных электрических цепей [8, 9]. Схема замещения ТТРН ОТ в режимах работы с постоянным углом управления представлена на рис. 9, Zk Zsi Z_2 ZtL_Схема замещения ТТРН ОТ в режимах работы с постоянным углом управления ГДЄ. Єд — Єд В , _g — 6g Є , Є — ? Є . , Ka,b,c - ключ, логика работы которого, соответствует логике работы полупроводникового диода; Zk - сосредоточенное комплексное сопротивление кабельной линии; Zsj - комплексное сопротивление рассеяния первичной обмотки трансформатора; Zs\ - комплексное сопротивление рассеяния вторичной обмотки трансформатора приведенное к первичной; Z0 - комплексное сопротивление ветви холостого хода трансформатора; ZH - комплексное сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке трансформатора.
Оценка несимметрии трехфазной системы напряжений
Разработка и создание новой системы электропитания на базе ТТРН ОТ преследует цели: снижение коммутационных токов и повышение бесперебойности электропитания потребителей. В связи с этим встает вопрос исследования электромагнитных процессов в несимметричных и аварийных режимах работы. Требуется произвести анализ работы устройства в режимах КЗ, а также в несимметричных режимах, связанных с возможным обрывом кабельных линий, либо полным или частичным отключением различных фаз нагрузки [58, 59].
Для решения поставленных задач воспользуемся программным комплексом имитационного моделирования, описанным в главе 2. При исследовании режимов КЗ будем производить расчет установившихся значений аварийных токов, поскольку именно они являются решающим фактором при проверке на термическую устойчивость кабельных линий.
Наиболее распространенными источниками несимметрии напряжений в трехфазных системах электроснабжения являются такие потребители электроэнергии, симметричное многофазное исполнение которых или невозможно, или нецелесообразно по технико-экономическим соображениям. К таким установкам относятся индукционные электрические печи, тяговые нагрузки железных дорог, выполненные на переменном токе, электросварочные агрегаты, специальные однофазные нагрузки, осветительные установки. Несимметричные режимы напряжений в электрических сетях имеют место также в аварийных ситуациях - при обрыве фазы или несимметричных коротких замыканиях. Несимметрия токов нагрузки и питающих напряжений вызывает несимметрию линейных и фазных напряжений на выходных зажимах трансформаторов, что весьма неблагоприятно отражается на работе других потребителей. Так, у двигателей переменного тока при питании их несимметричным напряжением снижается допустимая мощность, у ламп накаливания, при питании их повыщенным напряжением, резко снижается срок службы, а при питании пониженным напряжением, существенно уменьшается их световая отдача.
Для трансформатора несимметричная нагрузка и несимметрия питающего напряжения может вызвать перегрузку отдельных фаз, а также чрезмерное повышение фазных напряжений и насыщение магнитопровода, увеличить добавочные потери и снизить КПД. Поэтому исследование процессов, возникающих в ТТРН ОТ при несимметричной нагрузке и несимметрии питающего напряжения, имеет важное практическое значение, поскольку знание последствий того или иного несимметричного режима позволит дать рекомендации по допустимой несимметрии нагрузки и питающего напряжения, при которых обеспечивается работоспособность как потребителя, так и трансформатора [17].
В качестве объекта исследования взят силовой трансформатор распределительной подстанции, с первичным линейным напряжением 10 кВ, и вторичным напряжением 0,4 кВ, при мощности 1000 кВА.
Как известно [22, 27, 30, 44, 90], любую несимметричную систему напряжений (UA, UB, UC) МОжно представить в виде суммы трех симметричных систем прямой (UAb UBI, Uci), обратной (UA2, UB2, UC2) и нулевой (UA0, UBO, Uco) последовательностей. В трехпроводных сетях несимметрия напряжений обусловлена наличием составляющих обратной последовательности. В четырехпроводных - обратной и нулевой последовательностей. Несимметрию трехфазной системы напряжений оценивают двумя основными показателями качества: коэффициентами несимметрии напряжений по обратной 2и и нулевой ои последовательности. ГОСТ 13109-97 [17] определяет нормально допустимып значения коэффициентов несимметрии оапряжений по обратной и нулевой последовательности в вочках общего присоединения о электрическим йетям величиной 2,0в, а предельно л по/ допустимые 4,0к. Коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности определяются по формулами где U2(l), Uom- действующие значения напряжений обратной и нулевой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений; Ul{l) действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты.
Коммутационные процессы в ТТРН ОТ с импульсно-фазовым управлением
Ранее отмечалось, что новая система электропитания на базе ТТРН ОТ должна обеспечивать регулирование величины выходного напряжения без возникновения коммутационных токовых перегрузок.
В связи с этим встает вопрос исследования электромагнитных процессов, происходящих при регулировании величины напряжения нагрузки. Необходимо исследовать процессы, связанные с регулированием выходного напряжения, а именно зависимости изменения величин тока и напряжения в различных частях схемы системы питания от углов управления тиристоров регулирующего органа ТТРН ОТ, а также построить регулировочные характеристики устройства, определить оптимальные углы управления, обеспечивающие минимальные токовые перегрузки при коммутации, и произвести гармонический анализ напряжения на нагрузке [51, 55, 56, 61].
ТТРН ОТ (рис. 7) позволяет осуществлять регулирование переменного напряжения, посредством изменения числа витков первичных обмоток силового трансформатора (с помощью подключения или отключения дополнительной секции к обмотке трансформатора). Возможно осуществление регулирования в пределах от Uco до Uco+Upo, здесь Uco - напряжение сетевой обмотки трансформатора, а Upo - напряжение регулировочной обмотки.
В ТТРН ОТ регулирование переменного напряжения может осуществляться с помощью дискретного и импульсно-фазового методов регулирования. Для анализа коммутационных процессов ТТРН ОТ с расщепленным токопроводом воспользуемся программным комплексом имитационного моделирования, описанным в главе 2. Для проведения исследований примем, что напряжение регулировочной обмотки (ступени регулирования) составляет 10 % от номинального напряжения обмотки.
В режимах работы с постоянным углом управления вентилями ТТРН ОТ включены определенные тиристоры, которые задают режимы работы устройства, а переключение диодов происходит естественным образом, при нулевом значении тока. Следовательно, ТТРН ОТ, как для питающей сети, так и для нагрузки, не является генератором высших гармонических составляющих тока и напряжения.
Главным недостатком трехфазных тиристорных регуляторов переменного напряжения является возможность возникновения коммутационных сверхтоков и перенапряжений в режимах работы с регулируемым углом управления. Нахождение режимов с минимальными токовыми перегрузками, в свою очередь, обеспечит надежную и безаварийную работу ТТРН ОТ в динамических режимах.
Известно [87], что тиристор, при снятии с него импульсов управления, находится в проводящем состоянии до момента перехода тока через нулевое значение. Если при этом подать импульсы управления на вновь вступающие в работу тиристоры в произвольный момент времени, то возможны следующие режимы работы регулятора построенного по классической схеме: - в цепи возникает сверхток, который ведет к перегрузке силовой части ТТРН ОТ и возможному выходу его из строя, при условии, что направления тока по выключаемому тиристору и вновь создаваемого тока в замкнутом контуре, образованном источником питания и включаемыми тиристорами, совпадают; в большинстве существующих схем регуляторов величина сверхтока может в 20-100 раз превышать номинальный нагрузочный ток в силу того, что источник питания через открытые вентили в течение короткого промежутка времени (до 0,02 сек) замыкается накоротко; - быстрое (в течение нескольких микросекунд) выключение ранее работающего тиристора, если направления вышеуказанных токов не совпадают; перегрузка элементов силовой части ТТРН ОТ отсутствует. Проведенные исследования [84, 86, 87] показывают, что в большинстве режимов работы с регулируемым углом управления вентилями трехфазных мощных установок наблюдаются опасные сверхтоки. Это происходит вследствие того, что в любой момент времени, когда выполняется одновременное выключение и включение тиристорных ключей двух различных режимов работы, хотя бы в одной из фаз создаются условия для возникновения сверхтока. Возникающие сверхтоки приводят к резким колебаниям напряжения сети, что является источником помех для устройств информационной и вычислительной техники.
Для исключения возникновения сверхтоков в режимах работы с регулируемым углом управления вентилями исследуемого ТТРН ОТ предложены и разработаны принципы однонаправленного протекания токов по обмоткам трансформатора, исключены ключевые элементы двухсторонней проводимости (ТК), а их роль выполняют непосредственно тиристоры. Таким образом, системах электропитания на базе ТТРН ОТ исключается возможность возникновения коммутационных сверхтоков, а, следовательно, и колебаний напряжения сети.
