автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Режимы работы схем многопульсных выпрямителей при несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети для тяговых подстанций

На правах рукописи

ВИЛЬБЕРГЕР МИХАИЛ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СХЕМ МНОГОПУЛЬСНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПРИ НЕСИММЕТРИИ И НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ ДЛЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2009

003470840

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ВОРФОЛОМЕЕВ Герман Николаевич Научный консультант: доктор технических наук, профессор

ЩУРОВ Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЛУКУТИН Борис Владимирович

кандидат технических наук, доцент АНОСОВ Владимир Николаевич

Ведущая организация: Новосибирская государственная

академия водного транспорта (НГАВТ), г. Новосибирск

Защита состоится «18» июня 2009 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу:

630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «/^ » мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.173.04 кандидат технических наук, доцент

Бородин Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время остается актуальным вопрос снижения затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей системы тягового электроснабжения, в частности, выпрямителей тяговых подстанций. Это вызвано, прежде всего, возросшими требованиями, предъявляемыми к качеству электрической энергии, проблемами электромагнитной совместимости, удорожанием электрической энергии.

Существенное снижение потерь электроэнергии возможно при переоборудовании имеющихся выпрямительных агрегатов по схемам, обеспечивающим более высокую пульсностъ выпрямленного напряжения. При этом потери могут быть снижены не только в самих выпрямительных агрегатах, но и в питающих сетях за счет снижения искажающего влияния нелинейной нагрузки, которой является выпрямитель. С увеличением пульсносга выпрямленного напряжения в сетях постоянного тока снижаются мас-согабаршные и стоимостные показатели сглаживающих фильтров тяговой сети.

Исследования многопульсных выпрямителей и оценка их экономичности, при допущениях симметричности и синусоидальности питающих трехфазных напряжений, не являются достаточными и не позволяют оценить их влияние в полной мере на устройства сигнализации, централизации, блокировки и связи и устройства электроподвижного состава. Поэтому огромный интерес должны вызывать разработки и исследования многопульсных выпрямителей, сочетающих в себе экономичность преобразования, простоту и надежность схемных посгроений.при работе в условиях несимметричных и несинусоидальных напряжений питающей сети.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование электромагнитных процессов в неуправляемых выпрямителях с ортогональной системой напряжений с учетом влияния несинусоидапьно-сти и несимметрии трехфазных напряжений сети для оценки качества преобразуемой ими энергии и помехоустойчивости при работе в реальных условиях.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ существующих методов учета несимметрии и несинусоидаль-носга напряжений питающей трехфазной сети при исследовании многопульсных выпрямителей, с целью оценки их адекватности и применимости к исследованию преобразователей переменного напряжения в постоянное с ортогональной системой напряжений.

2. Проведено комплексное исследование, позволяющее развить теоретические основы преобразования трехфазных систем напряжения в двухфазную ортогональную систему для многопульсного выпрямления с получением обобщенных выражений, связывающих токи, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока

3. Разработаны новые схемные решения многопульсных выпрямительных агрегатов с более высокими технико-экономическими показателями и улучшенной электромагнитной совместимостью для питания нагрузок постоянного тока.

4. Созданы математические модели для оценки качества преобразуемой энергии преобразователей с ортогональной системой напряжений в постоянное, с учетом несим-мегрии и несинусоидальносги напряжений питающей сети.

5. На основе теоретических и экспериментальных данных, полученных в работе,

разработаны рекомендации по применению многопульсных выпрямителей для тяговых подстанций электрического транспорта.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положен математический аппарат, включающий теорию комплексной переменной для расчета электрических цепей в синусоидальном режиме. Анализ электромагнитных процессов выпрямителей при несимметричной питающей сети проведен с использованием метода симметричных составляющих. Составление математических моделей, описывающих процессы формирования выпрямленного напряжения, выполнено при помощи векторных диаграмм. Установление связи мезвду токами на входе и выходе фазопреобразующих устройств получено с использованием интегральных методов. Гармонический анализ напряжений и токов многопульсных выпрямителей осуществлен путем разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты выполнены с помощью математического моделирования в среде «Maple», «Mathcad» и «MathLab». Для подтверждения достоверности результатов теоретических исследований проведены экспериментальные испытания соответствующих макетных образцов.

Основные положения, выносимые на защиту:

• комплекс общих выражений, устанавливающих связи напряжений, токов и мощностей на входе и выходе многопульсных выпрямителей с ортогональной системой напряжений;

• методики учета несимметрга и несинусоидальности напряжений питающей сети при расчете качества преобразуемой ими энергии для выбора рациональных схемных решений многопульсных выпрямителей.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе классических законов и уравнений электротехники, теории электрических цепей получили развитие теоретические основы расчета выпрямителей с ортогональной системой напряжений, формируемых из напряжений трехфазной сети, и разработаны новые схемные решения выпрямительных устройств.

• Разработаны обобщенные схемы выпрямления ортогональной системы напряжений (с применением трансформаторов Скотта и на базе трехфазного трансформатора)

• Получены обобщенные выражения, описывающие электромагнитные процессы в многопульсных выпрямителях с ортогональной системой напряжений на базе трансформаторов Скотта и трехфазного трансформатора.

• Получены математические модели, описывающие работу многопульсных выпрямителей напряжений ортогональных систем на базе трансформаторов Скотта и трехфазного трансформатора с учетом несиммелрии и несинусоидальности напряжений питающей сети, способствующих решению вопросов выбора рационального числа пульсаций выпрямленного напряжения.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

• Разработана методика оценки качества преобразования электроэнергии при несинусоидальных и несимметричных питающих напряжениях,

• Разработана методика выбора рациональной фазности преобразования в зависимости от степени искажений напряжений питающей сети.

• Предложены схемные решения многокаскадных выпрямителей трехфазного то-

ка для питания тяговых нагрузок.

Реализация результатов работы. Теоретические положения, методики расчета и проектирования и экспериментальные установки, полученные в диссертационной работе, нашли применение в учебном процессе НГТУ по направлению 140600 «Электротехника, электромеханика и алектротехнолопш».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» 2004,2006; IX международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» 2006; VII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения - АГТЭП - 2004»; форуме с международным участием Высокие технологии-2004; научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» 2004; второй и третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и элекгротехнояогии» - ЭЭЭ-2005, ЭЭЭ-2007; Ш Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» 2005.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 14 печатных работах, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 - патента РФ, 10 - в сборниках трудов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и трех приложений. Общий объем 211 страниц машинописного текста, в том числе 160 страниц основного текста, 90 рисунков, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, определено направление данных исследований, отмечено современное состояние проблемы. Сформулированы задачи работы и определены пути их решения.

В первой главе проведен подробный обзор схемных решений выпрямительных устройств на основе систем ортогональных напряжений.

Большой вклад в развитие теории преобразования переменного напряжения в постоянное на базе схем выпрямления ортогональной системы напряжений сделан А.М. Репиным. В настоящее время достаточно много работ посвящено вопросам исследования выпрямителей на базе ортогональной системы напряжений, в том числе и для целей элекфической тяга.

В главе показано, что увеличение числа пульсаций выпрямленного напряжения приводит не только к повышению технико-экономических показателей, но и к улучшению качества электроэнергии. Однако, выпрямительные устройства являются потребителями, значительно искажающими сетевые токи, я подвержены влиянию несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети. Несимметрия и несинусоидальность питающих напряжений оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы в устройствах преобразования, ухудшает их основные характеристики и снижает качество преобразуемой ими энергии.

Исследованиям электромагнитных процессов и режимам работы выпрямителей

при несимметричных питающих напряжениях посвящены труды таких ученых, как МД Трейвас, O.K. Маглаперидзе, Я.Ф. Анисимов, С.Д. Соколов, Г.Б. Черников, AM. Пинцов, М.П. Бадер, АХ. Шидповский, A.C. Низов, МГ. Шалимов, В.П. Маценко и другие.

Влияние несинусоидальности и несимметрии сетевых напряжений на качественные характеристики выпрямителей нашло отражение в работах Б.М. Шляпошникова, A.B. Поссе, ВЦ Маценко, А.Г. Пономарева, A.A. Маслённикова и других.

Поставлена задача проведения исследований по определению помехоустойчивости при работе многопульсных выпрямителей с'ортогональной системой напряжений в сетях с искажающими воздействиями. В качестве критерия исследований выбрано влияние фазности преобразователя на показатели качества выпрямления.

Во второй главе рассмотрена теория преобразования трехфазного напряжения в ортогональные системы напряжений с последующим их выпрямлением. Продолжено развитие методик расчета многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений с получением обобщенных схем и выражений, определяющих токи, напряжения, мощности цепей постоянного и переменного тока.

При исследовании электромагнитных процессов в многопульсных выпрямителях с mq - пульсациями, на входы вентильных блоков которых подключены вторичные обмотки трансформаторов с ортогональной системой напряжений, был получен необходимый пакет расчетных соотношений для определения токов, напряжений, мощностей всех элементов преобразователя (рис. 1), в соответствии с разработанной обобщенной схемой выпрямителей (первичные обмотки трансформаторов, соединенные по схеме Скотта на рис. 1 не показаны).

При рассмотрении обобщенной схемы приняты следующие обозначения чисел витков вторичных обмоток: для трансформатора Т1 - tVj ^, для транс-

форматора Т2 - где к = 1,2...ту^ , причем, для трансформатора Т1 индекс

к увеличивается при нумерации от верхней вторичной обмотки к нижней, а для Т2 - от нижней обмотки к верхней. Однофазные вентильные мосты пронумерованы в соответствии с нумерацией присоединенных к ним вторичных обмоток.

В соответствии с векторной диаграммой напряжений вторичных обмоток трансформаторов (рис. 1,6), определена длительность работы каждой обмотки и выведена формула для расчета действующих значений токов, протекающих через них с использованием интегрального метода расчета:

где /? - длительность пульсации; - среднее значение выпрямленного тока.

Анализ работы выпрямительной части преобразователя показал, что вентили однофазных мостов загружены током, составляющим половину тока обмотки, подключенной к соответствующему мосту.

В связи с этим, действующие и средние значения токов диодов *-го вентильного моста определяются по формулам:

(1)

!УО,к =

2-я

V.

'Уйср,к '

Р-{2к-1)

■1а

(2)

Т1

1

УДф ф уо< к

w2Л

%х

к

УР^-ф ф УР;^; УР^-'ф ф УР;

1

Щ,

Т2

2„и„

Рис. 1. Многопульскый выпрямитель напряжений ортогональных систем: а - обобщенная принципиальная схема выпрямителя б - векторная диаграмма

Определены максимальные обратные напряжения, прикладываемые к диодам. В том случае, когда напряжение обмотки, подключенной к одному из мостов, меньше половины напряжения параллельной обмотки, максимальное обратное напряжение равно половине амплитуды напряжения параллельной об-

мотки, в противном случае оно равно амплитуде напряжения собственной обмотки (рис. 2).

в- ✓ /2 А

.¡С ии

VD52\ 2 ^УРб |

и,.,

"1.1

- диод в забытом состоянии; -ЭД- - диод в проводящем состоянии

Рис. 2. Эквивалентные схемы замещения одной из ступеней выпрямления тд -пульсного выпрямителя для определения имрт1>1, к

Математическую модель определения максимальной величины обратного напряжения для вентилей однофазных вентильных мостов можно записать следующим образом:

и2к'

(3)

и.

обртахк

и

2,к1 „ У 2,к'

— если I/] ¡, —--

2 2

В результате исследования электромагнитных процессов и принципов формирования выпрямленного напряжения на выходе преобразователя (рис. 1,а), получены обобщенные соотношения для определения среднего значения напряжения и размаха пульсаций выпрямленного напряжения:

тд/

"¿тех =и1,1 ■ •

к=1

(

( кЛ 74

ис!тт = ^ям* 1«« — I =131,1'~ * I.^ I

^ ~ ^¿тах ^<3т'т ~ ^с1 тах '

¡-соя

ж

тд

= 7 / «С 0& = «я—;

ГО я- от?

(

к

п

д% = • 100% = —

/ - с<и

от?

• Г''

• ип\ —

X100%,

\Щ)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

где и^ тах, - максимальное и минимальное мгновенные значения вы-

прямленного напряжения, А% - размах пульсаций.

Определена установленная мощность вторичных обмоток:

mq

mq-^2 ■ sin — | • sin{ft)x Z W¿ \mq) k=I

Для нахождения зависимостей, связывающих токи первичных и вторичных цепей трансформаторного преобразователя числа фаз выпрямительного агрегата, составлены уравнения магнитодвижущих сил:

тЧ/

mq

ъ м*

к=\

1/ц t/21

где — = — т U„ U

Ъ,

1

/Ы1

т% ) ¿I

2- ¿4 - *=> 1

КТ' С V3

. (Ю)

'л

Формула для определения действующего значения первичного тока имеет следующий вид:

2-я

1

Ы

2 Л2

dt + t 4- ' ~ i'=l

<t=l l'k

■dt

K.

-ДП)

С учетом уравнений (4) и (7), выражение для нахождения полной мощности первичных обмоток:

5j=2-

mqÁ

¡■sin — • £ И

mq-\l2-sin —• £ Wr.

mq k=l K

2-я

■a

(12)

Используя полученные выше соотношения, разработаны программы для расчетов параметров выпрямителей с различным числом пульсаций выпрямленного напряжения в среде МаШСАБ.

В главе продолжено развитие методик расчета многопульсных выпрямителей с ортогональными системами напряжений, формируемых из трехфазной системы напряжений, как с применением трансформаторов Скотта, так и на основе трехфазного трансформатора.

Установлено, что полная мощность вторичных обмоток с увеличением числа пульсаций выпрямленного напряжения увеличивается, но не превышает значения 1,188 для выпрямителей на основе трехфазного трансформатора и 1,103 для выпрямителей с применением трансформаторов Скотта.

На основе общих выражений разработаны алгоритмы проектирования схем выпрямителей с ортогональной системой напряжений и предложены новые схемные решения многопульсных выпрямителей.

В третьей главе рассмотрена работа выпрямителей с ортогональной системой напряжений в условиях несинусовдальности и несимметрии трехфазных питающих напряжений. В соответствии с поставленной задачей, представлены математические модели определения выпрямленною напряжения и тока потребляемого из сета, позволяющие вести расчет многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений и определять величину параметров, характеризующих качество выпрямленного напряжения с учетом несинусоидальности питающего напряжения.

Качество трехфазных напряжений в системах электроснабжения общего назначения регламентирует ГОСТ 13109-97, где даны коэффициенты п-ой гармонической составляющей напряжения в процентах, которые являются нормально допустимыми для соответствующих точек общего присоединения в сетях с номинальным напряжением 10 кВ. Предельные значения коэффициента гармоник допустимо определять по формуле:

Ки(п) ~ КД " Ки(п)норм>

(13)

где Кд - коэффициент изменения процентного состава высших гармоник, имеющий предел изменения от 0 до 1,5, причем при значении Кд =1,5 определенные коэффициенты гармонических составляющих будут иметь предельно допустимые значения, а при Кд= 1 - нормально допустимые.

Математическая модель для определения мгновенного значения выпрямленного напряжения, с учетом несинусоидальности подводимых к выпрямителю напряжений и их несимметрии, представлена в следующем виде:

Ъкд ,иА0) ~ЪКД -ивщ-зт^-а)

1=1

ив(к) ~

Гз

¡=1

(14)

\и1 • ТУ(к, тд)\ если |ы/ ^(к,тд)\ >

если\иI ■ }У(к,тц)\ <=

где иА(1), иА(1) - коэффициенты гармонических составляющих трехфазных питающих напряжений.

На основе математической модели (14), реализованной в среде МаЙ1Сас1, получены графики выпрямленного напряжения при несимметрии 2 % (рис. 3) с различными искажениями форм питающих напряжений.

Рис. 3. Выпрямленное напряжение преобразователей с различным числом пульсаций при несимметрии питающего напряжения 2 % и соответствующих искажениях

Из полученных результатов видно, что с увеличением числа пульсаций выпрямленного напряжения качество выпрямленного напряжения изменяется незначительно. Для оценки качества формы выпрямленного напряжения определим размах пульсаций в соответствии с формулой:

Ц а тах - У ¿п

д%=-

1

2-я

2ж

■100%.

(со( )с1м

Размах пульсаций выпрямленного напряжения для выпрямителей с различным числом пульсаций, при нормально и предельно допустимых значениях искажения трехфазного напряжения и при несимметрии 2 %, представлены на рис. 4.

12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 Рис. 4 Размах пульсаций многопульсных выпрямителей при различном искажении формы питающих напряжений и коэффициенте несимметрии 2 %

Как видно из графиков рис. 4, наименьшим размахом пульсаций выпрямленного напряжения обладает двенадцатипульсный выпрямитель, даже при нормально допустимом искажении питающих напряжений и при 2 % их несимметрии. Это говорит о том, что наиболее предпочтительным преобразователем переменного напряжения в постоянное, подключенным к системе электроснабжения общего назначения с номинальным напряжением 10 кВ, является выпрямитель с двенадцатикратным числом пульсаций напряжения на выходе.

Вывод математической модели для исследования токов, потребляемых из сети преобразователем, подключенным к источнику с несинусоидальными и несимметричными трехфазными напряжениями, основан на тех же принципах, что и при выводе математической модели для выпрямленного напряжения. В результате получены формулы для расчета:

'и^1)~Ливц) • м - а)

. ы_ы_

VI

; и2 = ]Г,иС(1Г*т(а)-1 + а);

Чк(0=

Шк-КТест \и,0)-}Ук\>и2(1)-1Г1 -\¥к-Кт если \и,(1 )-\Ук\>

тд

+1-к

тд

+1-к

Л и,(1)-Жк >0

Л«,(0-ггк<0 (15)

О \и,0)-Жк|<

и 2 (О-К

тд

тд/

ч = Е'я

<ы

Таблица 1

Коэфс шциент гармоник тока, потребляемого из сети, %

тд Ки = 2 % Ки = 4 % Ка = 2 % К\х~А %

1,0 кя= 1,5

12 15,70 16,16 20,09 19,95

16 11,06 11,31 11,93 13,02

20 8,83 9,06 10,63 10,55

24 8,81 8,94 10,30 10,39

Как видно из табл. 1, несимметрия питающих преобразователь напряжений влияет на искажение формы питающего тока в меньшей степени по сравнению с несинусоидальностью питающих напряжений. При росте числа пульсаций выпрямленного напряжения, электромагнитная совместимость выпрямителя улучшается, вследствие снижения коэффициента гармоник потребляемого тока.

Таким образом, предложена методика учета несинусоидальности и несимметрии напряжений питающей трехфазной сети, при работе многопульсных выпрямителей с ортогональной системой напряжений.

Проведены исследования выпрямителей при работе в условиях несинусоидальности и несимметрии напряжений питающей сети на основе математиче-

ской модели, описывающей работу преобразователей ортогональных систем напряжений с различными числами пульсаций напряжения на выходе.

Выполнен анализ и установлены такие показатели качества, как размах пульсаций выпрямленного напряжения и коэффициент гармоник тока, потребляемого из сети многопульсными выпрямителями, построенными по новым схемным решениям. Учтено влияние на процесс выпрямления искажающих факторов сети (несинусоидальность и несимметрия).

Установлено, что при идеальном выполнении трансформаторной и вентильной группы, из-за влияния несинусоидальности и несимметрии питающих напряжений, получить ощутимую выгоду повышения фазности преобразователя переменного трехфазного напряжения в постоянное не представляется возможным уже при пульсности выпрямленного напряжения свыше 12.

В четвертой главе проведена проверка основных положений теории выпрямителей с ортогональной системой напряжений на экспериментальной установке. В соответствии с теоретическими положениями, составлены математические модели, на основе которых созданы программы на ЭВМ и решены следующие задачи: спроектирована схема двенадцатипульсного выпрямителя; создана экспериментальная установка мощностью 1500 В А.

Для постановки физических экспериментов, в соответствии с результатами проектирования схем выпрямителей, была разработана, изготовлена и испытана модель двенадцатипульсного выпрямителя,.собранного на трехфазном многообмоточном трансформаторе, монтажная схема которого представлена на рис. 5. Эксперименты включали измерения и регистрацию величин и форм кривых токов и напряжений на входе и выходе преобразователя.

1122W IU2W 3. 2.22W

Г £

W 4' 0,577W 0.577W 6'

025 77W7' ШЗ^^Ш

9 0,577W % 12

W

12'

Рис. 5. Монтажная схема трехфазного многообмоточного трансформатора: 1-3 и 1-3'- клеммы первичных сетевых обмоток;

4-12 и 4 -12'- клеммы вторичных обмоток

На рис. 6 представлены фотографии экспериментальной установки двена-дцатипульного выпрямителя с ортогональной системой напряжений. На момент проведения экспериментальных исследований, действующие значения напряжений питающей сети имели следующие величины:

UAB = 219,5В; UCA = 220,0В; UBC = 220,0В.

На цифровом осциллографе получены формы напряжений питающей сети, проведен их гармонический анализ, в результате чего получен спектр гармоник, коэффициенты которых сведены в табл. 2.

Рис. 6. Экспериментальная установка 12-пульсного выпрямителя

Одновременно с измерениями напряжений питающей сети, было проведено измерение выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя в режиме холостого хода. Форма выпрямленного напряжения представлена на рис. 7.

Таблица 2

Номер гармоники 1 3 4 5 7 8 9 11

100 0,4 0,1 2,1 0,6 0,2 0,2 0,5

Номер гармоники 13 14 15 16 18 19 22 -

ким,% 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 -

зоо

250 200 150 100 50 О ■50 -100

-2.00 ms 1 ш.г/Юл'

Рис. 7 Осциллограмма выпрямленного напряжения двенадцатипульсного выпрямителя При подстановке измеренных величин гармонических составляющих питающего напряжения в математическую модель и задании несимметрии трехфазной системы напряжений, рассчитанной по замерам, получили форму выпрямленного напряжения выпрямителя по математической модели (рис. 8).

Input А

V

вь прямле апряже иное ние>

pn^iWiDi» г.

/ »

/ V / \

/ V ч/ f

ч пер ем жная с >ставл? юцая

выпря* ЛЛ0ННО1 о Hanpf жения

Рис. 8 Выпрямленное напряжение двенадцатипульсного выпрямителя, полученное теоретически

По экспериментальной кривой (рис. 11) максимальное значение выпрямленного напряжения составляет 7,0 В, минимальное - - 4,8 В, а средневыпрям-ленное напряжение - 199,7 В. В соответствии с полученными данными, размах пульсаций определяется:

ЫУожспев = .100% = 5,5%.

экспер. урр у

При расчете по математической модели размах пульсаций выпрямленного напряжения составил 5,33 %. Формы напряжений на выходе преобразователя, полученные теоретически и экспериментальным путем имеют хорошую сходимость в пределах 5 %. Это говорит о том, что результаты, полученные при работе с такой математической моделью, позволяют давать адекватную оценку качества выпрямления.

Для замера питающих токов трехфазной сети был использован шунт сопротивлением в 1 Ом. Форма питающего тока представлена на рис. 9, а гармонический состав приведен в табл. 3.

Рис. 9. Форма питающего тока 12-пульсного выпрямителя

Таблица 3

Гармонический состав питающего тока

Номер гармоники 1 2 3 5 6 7 9 10

Процентный состав, % 100 0,2 0,2 2,4 0,2 1,5 0,2 0,2

Номер гармоники 11 13 14 15 17 19 23 25

Процентный состав, % 6,5 3,5 0,2 0,2 0,3 0,2 1,0 0,3

По соответствующим значениям гармонических составляющих напряжений питающей сети и их несимметрии, определенных в ходе эксперимента, был произведен расчет (по математической модели, предложенной в главе 3). В результате получена форма тока, питающего преобразователь (рис. 10). Выполнен гармонический анализ кривой тока, полученной теоретически (табл. 4).

1У*

-2

2я

Рис. 10 Ток, потребляемый из сети двенадцатипульсным выпрямителем

Таблица 4

Номер гармоники 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Процентный состав, % 100 0,2 15,9 0,3 5,3 0,2 1,2 0,4 4,3 0,3 8,8 0,1

Номер гармоники 13 14 15 16 17 18 19 20 21 23 24 25

Процентный состав, % 7,5 0,2 3,6 0,3 2,8 0,3 1,1 0,4 1,4 3,8 0,2 3,6

Как видно из рис. 9 и рис. 10, формы кривых токов, потребляемых из сети, полученные путем измерения и рассчитанной с применением математических моделей, качественно повторяют друг друга. Однако, в токе, полученном теоретически (табл. 4), присутствуют гармонические составляющие, не присущие току, измеренному на физической модели (табл. 3). Это обусловлено тем, что в математической модели не учитывалась время коммутации вентилей, индуктивность цепей переменного тока, характеристики трансформатора.

Таким образом, доказано, что определение форм выпрямленного напряже-

ния по предложенной математической модели позволяет делать выводы о его качестве с достаточно близким (в пределах 5 %) совпадением с экспериментальными данными.

Показано, что допущения, сделанные при выводе математической модели по определению характеристик тока, потребляемого из сети преобразователем, не позволяют делать однозначную оценку той или иной схемы выпрямления, при различной пульсности.

Заключение. Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Получили развитие теоретические основы анализа многопульсных выпрямителей с ортогональными системами напряжений, формируемыми из трехфазной системы напряжений с применением трансформаторов Скотта и на основе трехфазного трансформатора.

2. Разработаны электрические схемы многопульсных выпрямителей, имеющие обобщенный характер и дающие возможность синтезировать преобразователи с различным числом пульсаций выпрямленного напряжения. Получены обобщенные выражения для определения токов, напряжений и мощностей преобразователей, являющиеся функцией одной переменной - числа пульсаций.

3. На основе полученных общих выражений разработаны алгоритмы проектирования схем выпрямителей ортогональных систем напряжений и предложены новые схемные решения многопульсных выпрямителей.

4. Разработана методика учета несинусоидальности и несимметрии питающей трехфазной сети при расчете многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений. Проведены исследования выпрямителей при работе в условиях несинусоидальности и несимметрии напряжений питающей сети на основе разработанной математической модели, описывающей работу преобразователей ортогональных систем напряжений с различными числами пульсаций выпрямленного напряжения. Исследования показали лучшую электромагнитную совместимость и помехоустойчивость многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений, выполненных на основе трехфазного трансформатора, у которых, при одинаковых условиях питания, на 3 - 5 % ниже размах пульсаций выпрямленного напряжения, чем у выпрямителей на основе схемы Скотта. Наиболее предпочтительной схемой выпрямления, при условии лучшего качества выпрямленного напряжения, была принята схема двенадца-типульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора.

5. Выполнен расчет конструктивных параметров двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора и получены соотношения, связывающие токи, напряжения и мощности цепей постоянного и переменного тока, что позволило создать физическую модель мощностью 1500 ВА.

6. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены формы, действующие и средние значения напряжений трехфазной сети, с выявлением их гармонического состава, выпрямленного напряжения и тока, потребляемого выпрямителем из сети.

7. Доказано, что форма кривой выпрямленного напряжения, полученная по предложенной математической модели, фактически совпадает (в пределах 5 %) с формой экспериментальной кривой, что позволяет делать достаточно достоверные выводы о качестве выпрямленного напряжения на основании расчетов по математической модели.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Вильбергер М.Е. Новые выпрямители на базе ортогональных систем напряжений [Текст] / М. Е. Вильбергер, Т. А. Рукосуева ; науч. рук. Г. Н. Ворфоломеев // Наука. Технологии. Инновации. В 7 ч. Ч. 3 : материалы всерос. науч. конф. молодых ученых, 07-10 декабря 2006 г., Новосибирск. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - С. 155-156.

2. Вильбергер М.Е. Многопульсные выпрямители с применением ортогональных систем напряжений [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, М. Е. Вильбергер, Т. А. Рукосуева, Б.

B. Малозёмов, Г. Я. Иванов // Проблемы функционирования информационных сетей: материалы 9 междунар. конф., Новосибирск, 31 июля-3 авг. 2006 г. - Новосибирск: Изд-во РИД «Прайс-курьер», 2006. - С. 83-86.

3. Вильбергер М.Е. Схема Скотта и фазовременные иллюстрации её работы (К 110-легию со дня создания схемы) [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, Н. И. Щуров, С. А. Евдокимов, Б. В. Малозёмов, М. Е. Вильбергер, Т. А. Рукосуева // Электроэнергия и будущее цивилизации : сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., Россия, Томск, 2004. - Томск, 2004.-С. 293-296.

4. Вильбергер М.Е. Взаимное преобразование двухфазных и трехфазных электрических систем на основе схемы Скотта с использованием в многопульсных выпрямителях [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, Н. И. Щуров, С. А. Евдокимов, Б. В. Малозёмов, М. Е. Вильбергер, Т. А. Рукосуева // 7 International conference on actual problems of electronic instrument engineering proceedings. APEIE-2008 = Материалы 7 междунар. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения». АПЭП-2004, Новосибирск, 2004. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - Т. 6. - С. 85-88.

5. Вильбергер М.Е. Экономичный двенадцатипульсный выпрямительный агрегат на ортогональных системах напряжений [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, Т. А. Рукосуева, С. А. Евдокимов, Н. И. Щуров, М. Е. Вильбергер // Высокие технологии-2004 : сб.тр. на-уч.-техн. форума с междунар. участием: В 4 ч. Ч. 4. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. -

C. 131-137.

6. Вильбергер М.Е. Применение схемы Скотта в многопульсных выпрямителях с ортогональными напряжениями [Текст] / М. Е. Вильбергер, С. А. Евдокимов, Л. А. Нейман, Т. А. Рукосуева; науч. рук. Г. Н. Ворфоломеев // Наука и молодежь 21 века: материалы науч.-техн. конф., г. Новосибирск, 29 окг. 2004 г. - Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2005.-С. 97-99.

7. Вильбергер М.Е. Новые выпрямители на базе ортогональных систем напряжений [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов, Т. А. Рукосуева, М. Е. Вильбергер // Электротехника, электромеханика и элекгротехнологаи: ЭЭЭ-2005 : материалы второй науч.-техн. конф. с мевдунар. участием, Новосибирск, Россия, 25-26 окт. 2005 г. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2005. - С. 133-136.

8. Вильбергер М.Е. Установленные мощности трансформаторов выпрямителей серии «С» [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов, Т. А. Рукосуева, М. Е. Вильбергер, Е. А. Спиридонов // Электротехника, электромеханика и электротехнологии: ЭЭЭ-2005 : материалы второй науч.-техн. конф. с междунар. участием, Новосибирск, Россия, 25-26 окг. 2005 г. - Новосибирск: Изд-во НГГУ, 2005. - С. 141-144.

9. Вильбергер М.Е. Обобщенный выпрямитель на базе ортогональных систем напряжений [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов, Т. А. Рукосуева, М. Е. Вильбергер // Транспортные системы Сибири: материалы 3 Всерос. науч.-техн. конф., Красноярск, 24-25 нояб. 2005 г. / под ред. В. Н. Катаргина. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005.-С. 49-51.

10. Вильбергер М.Е. Зависимость параметров выпрямителей от их пульсности при несинусоидальности питающего напряжения [Текст] / Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов, С. В. Мятеж, М. Е. Вильбергер // Электротехника, электромеханика и электро технологии: ЭЭЭ-2007 : материалы 3 науч.-техн. конф. с междунар. участием, Новосибирск, Россия, 25-26 окг. 2007 г. -Новосибирск: Изд-во НГГУ, 2007. -С. 121-127.

11. Вильбергер М.Е. Теоретические основы многопульспых выпрямителей с ортогональными системами напряжений [Текст] / М. Е. Вильбергер, С. А. Евдокимов, Г. Н. Ворфоломеев, В. И. Сопов, Н. И. Щуров II Электричество. - 2007. -№6. -С. 18-23.

12. Пат. 42716 Российская Федерация, МПК Н 02 М 7/08. Источник постоянного напряжения с 60-кратной частотой пульсации [Текст] / Евдокимов С. А., Ворфоломеев Г. Н., Щуров Н. И., Вильбергер М. Е., Рукосуева Т. А.; патентообладатель Новосиб. гос. техн. ун-т,- № 2004124146/22; заявл. 09.08.04; опубл. 10.12.04, Бюл. № 34.-3 с.

13. Пат. 42360 Российская Федерация, МПК Н 02 М 7/08. Источник постоянного напряжения с 48-кратной частотой пульсации [Текст] / Ворфоломеев Г. Н., Евдокимов С. А., Щуров Н. И., Вильбергер М. Е., Рукосуева Т. А., Молоземов Б. В.; патентообладатель Новосиб. гос. техн. ун-т. -№2004118520/22 ; заявл. 18.06.04; опубл. 27.11.04, Бюл. №33.-3 с.

14. Вильбергер М.Е. Математическая мадель многопульсовых выпрямителей для тяговых подстанций электрического транспорта [Текст] / М. Е. Вильбергер, Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов // Транспорт. Наука. Техника. Управление. -2008. - № 6. - С. 40-43.

В работе 8,9,11 соискателю принадлежит разработка обобщенных схем выпрямителей, 10,14 - математические модели учета несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети при работе многопульсных выпрямителей с ортогональной системой напряжений. Во всех остальных работах соискателю принадлежит постановка задачи, техническое решение и выводы.

Подписано в печать УД 05. ¿^формат 84x60x1/16 бумага офсетная. Тираж 100 экз. Печ, л. 1,25 Заказ № 813

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

5

1. АНАЛИЗ МНОГОПУЛЬСНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА

КАЧЕСТВО ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. Основные принципы классического подхода к изучению влияния несимметрии и несинусоидальности питающей сети на работу статических выпрямителей

1.2. Многопульсные выпрямители с двумя источниками переменных ЭДС, сдвинутых на 90 электрических градусов

1.3. Проблемы электромагнитной совместимости статических выпрямителей и питающей сети переменного тока

1.4. Основные результаты и краткие выводы

2. МНОГОПУЛЬСНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С ОРТОГОНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ НАПРЯЖЕНИЙ

2.1. Многопульсные выпрямители на основе трансформаторного ) преобразователя числа фаз по схеме Скотта

2.1.1. Принцип преобразования двухфазного напряжения в трехфазное на основе схемы Скотта

2.1.2. Анализ электромагнитных процессов в многопульсных выпрямителях на основе схемы Скотта

2.2. Многопульсные выпрямители на базе ортогональных систем напряжений с применением трехфазных трансформаторов

2.3. Основные результаты и краткие выводы

3. ВЛИЯНИЕ НЕСИММЕТРИИ И НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ НА РАБОТУ МНОГОПУЛЬСНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

3.1. Многопульсные выпрямители на основе схемы Скотта

3.1.1. Расчетная схема многопульсных выпрямителей на основе трансформаторного преобразователя числа фаз по схеме Скотта

3.1.2. Влияние искажения напряжений трехфазной сети на формирование ортогональной системы напряжений

3.1.3. Анализ выпрямленного напряжения при несинусоидальности питающего напряжения

3.1.4. Анализ гармонического состава тока, потребляемого из трехфазной питающей сети

3.1.5. Анализ влияния несимметрии напряжений трехфазной сети на работу многопульсных выпрямителей

3.1.6. Анализ выпрямленного напряжения при несимметрии напряжений питающей трехфазной сети

3.1.7. Анализ гармонического состава токов, потребляемых из сети при несимметрии питающего напряжения

3.1.8. Анализ совместного влияния несинусоидальности и несимметрии питающих напряжений на работу выпрямителей

3.1.9. Анализ гармонического состава токов, потребляемых из сети, при совместном воздействии несинусоидальности и несимметрии питающих напряжений на процесс выпрямления

3.2. Многопульсные выпрямители ортогональной системы напряжений на базе трехфазных трансформаторов

3.2.1. Анализ выпрямленного напряжения с учетом несимметрии и несинусоидальности питающей сети

3.2.2. Анализ гармонического состава тока, потребляемого из сети выпрямителем при несимметрии и несинусоидальности питающего напряжения

3.3. Основные результаты и краткие выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОПУЛЬСНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ОРТОГОНАЛЬНЫМИ СИСТЕМАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

4.1. Расчет двенадцатипульсного выпрямителя с ортогональной системой напряжений

4.2. Экспериментальная установка двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора

4.3. Основные результаты и краткие выводы

Потребители электроэнергии [1,2], которая генерируется на переменном токе промышленной частоты, но потребляется на постоянном токе, непрерывно возрастает, превышая в настоящее время третью часть всей вырабатываемой в стране. Преобразование энергии- переменного тока в энергию постоянного тока занимает значительный объем в алюминиевой промышленности - до 90 %; в бортовых системах — до 70 %; в маломощных источниках электропитания — до 70 %. Существенна доля такого преобразования на и электрическом транспорте (свыше 70 % подвижного состава оснащена двигателями постоянного тока) [2, 3]. Объемы перерабатываемой здесь электроэнергии значительно превышают объемы переработки в других производственных отраслях. В начале 2000 г. в мире было 240 тыс. км электрифицированного железнодорожного транспорта, в том числе на постоянном токе 103 тыс. км (43 %) [4]:

Как отдельное направление энергетической политики преобразование одного вида электроэнергии в другой вид электроэнергии в государственных и правительственных программах, составляющих суть и ядро энергетической стратегии, не выделено ни по одному из видов преобразования. Вместе с тем, только лишь при преобразовании переменного тока в постоянный можно достичь значительного экономического эффекта. Этот эффект может быть достигнут и в электролизных установках, и в бортовых источниках питания, и на предприятиях нефтепромыслов, где очень высока потребность в электродвигателях постоянного тока. Основной способ повышения экономичности при преобразовании переменного тока в постоянный ток заключается в повышении пульсности выпрямителей, осуществляемом при помощи простых схемных решений. Широкое распространение тяги постоянного тока, особенно на железнодорожном транспорте, предопределяет конкретные шаги по совершенствованию преобразователей переменного тока в постоянный. Тяговые подстанции в большинстве своем оборудованы 6-пульсными выпрямительными агрегатами (ВА) [5 - 7]. Однако, в 70-80-х годах прошлого века начались работы по переводу части В А на 12-пульсные схемы выпрямления, что дало в своё время значительный скачок в экономии электроэнергии при её преобразовании и потреблении и снизило затраты на изготовление ВА. Однако, при объективно фиксированном уровне напряжения постоянного тока, электрическая тяга постоянного тока наиболее выигрышна по сравнению с тягой переменного тока при уменьшении капиталовложений в устройство и оборудование тяговых подстанций. Одним из решений по уменьшению капиталовложений является снижение количества подстанций на погонный участок дистанции магистральной железной дороги. Это возможно при повышении пульсности выходного напряжения выпрямителей тяговых подстанций со значений 6, 12 до значений 24, 30, 36. Увеличение жесткости внешней характеристики ВА, связанное с повышением пульсности, позволит увеличить дистанцию между соседними подстанциями, а значит уменьшить количество подстанций на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе.

Однако переход на 24-, 30- или 36-пульсные схемы выпрямления на железнодорожном транспорте связан с необходимостью решения сложных задач технического плана. Так, изготовление многообмоточных трансформаторов, без которых невозможно обеспечить повышение пульсности выпрямленного напряжения, связано со строгим соблюдением требуемых соотношений между числами витков отдельных, фазообразующих обмоток. Для реализации требуемых соотношений, как правило, требуется намотка нецелого числа витков в некоторых обмотках, что сложно выполнимо, особенно в многопульсных выпрямителях последовательного типа, когда расчетные числа витков обмоток трансформаторов мощных ВА не очень велики. Более того, практически невозможно обеспечить равенство электромагнитных условий для всех вентильных обмоток [8]. Разработка и I исследование многопульсных выпрямителей, выполненных по новым схемным решениям, позволяющим обойти часть вышеуказанных сложностей, являются предметом работы коллектива ученых кафедры «Электротехнические комплексы» Новосибирского государственного технического университета.

На электрическом транспорте (железнодорожный, метрополитен, городской и промышленный) осуществляются крупномасштабные пассажирские и грузовые перевозки, что обуславливает естественный износ оборудования электропреобразующего оборудования. Так, в частности, у оборудования тяговых подстанций, превышены установленные эксплуатационные сроки. Срок службы (жизненный цикл) преобразовательного трансформатора составляет 23 года, а жизненный цикл вентильных конструкций тяговой подстанции постоянного тока составляет 14 лет [3]. Особенно критично следует относиться к увеличению сроков эксплуатации трансформаторов. Электротехническая сталь сердечников трансформаторов теряет со временем свои свойства, что приводит к повышенным потерям мощности. Со временем теряют свои свойства и межобмоточная изоляция, и изоляция обмоточных проводов, постоянно находящихся под воздействием больших электромеханических усилий. На Западно-Сибирской железной дороге до 40 % трансформаторов тяговых подстанций постоянного тока, по состоянию на 1.01.2005 года, достигли установленного срока службы, причем часть из них имеет значительное превышение установленных сроков службы. Трудно оценить масштабы потерь электроэнергии, связанные со старением и износом трансформаторного оборудования.

Актуальным остается вопрос снижения затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей технических средств электрического транспорта, системы тягового электроснабжения, в частности, выпрямителей тяговых подстанций [9,10]. Совершенствование технических средств, преобразующих энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в настоящее время приобретает особую актуальность.

Анализ существующих схем многопульсных ВА показывает, что схемное решение выпрямителя предопределяет величину коэффициента использования вторичных обмоток трансформаторов по мощности, то есть массогабаритные и стоимостные показатели выпрямителей [11]. Большое внимание к совершенствованию методик расчета установленных мощностей и энергетических показателей вентильных преобразователей уделено в работах ученых Новосибирского государственного технического университета Грабовецкого Г.В., Харитонова С.А., Зиновьева Г.С., Ворфоломеева Г.Н., Щурова Н.И., Мятежа C.B.

Существенное снижение потерь электроэнергии при преобразовании переменного тока в постоянный ток можно ожидать при переоборудовании имеющихся ВА (или при установке новых ВА) по схемам, обеспечивающим более высокую пульсность выпрямленного напряжения. При этом потери могут быть снижены не только в самих ВА, но и в питающих сетях и смежных потребителях за счет снижения искажающего влияния нелинейной нагрузки, которой являются В А, на качественные характеристики сетей [12]. С увеличением пульсности выпрямленного напряжения в сетях постоянного тока снижаются требования к массогабаритным и стоимостным показателям сглаживающих фильтров тяговой сети. Кроме того, потери электроэнергии при фильтрации также снижаются. Однако, исследования электромагнитной совместимости многопульсных выпрямителей и оценка их экономичности, даже при допущениях симметричности и синусоидальности питающих трехфазных напряжений выполненных в известных работах не позволяют оценить в полной мере их влияния на устройства СЦБ и связи, устройства электроподвижного состава [13].

В связи с вышеуказанными проблемами можно сказать, что огромный интерес должны вызывать разработки и исследования многопульсных выпрямителей, сочетающих в себе экономичность преобразования, простоту и надежность схемных построений при работе в условиях несимметричных и несинусоидальных напряжений питающей сети.

Исследованиям электромагнитных процессов и характеристик работы выпрямителей при несимметричных питающих напряжениях посвящены труды многих ученых, например, Трейвас М.Д., Маглаперидзе О.К, Анисимов Я.Ф., Соколов С.Д., Черников Г.Б., Пинцов A.M., Бадер М.П., Шидловский А.К., Низов A.C., Шалимов М.Г., Маценко В.П. и другие.

Влияние несинусоидальности и несимметрии сетевых напряжений на качественные характеристики выпрямителей нашло отражение в работах Шляпошникова Б.М., Поссе, В.П. Маценко, А.Г. Пономарева, A.A. Масленникова и других.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование электромагнитных процессов в неуправляемых выпрямителях с ортогональной системой напряжений с учетом влияния несинусоидальности и несимметрии трехфазных напряжений сети для оценки качества преобразуемой ими энергии и помехоустойчивости при работе в реальных условиях.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ существующих методов учета несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей трехфазной сети при исследовании многопульсных выпрямителей, с целью оценки их адекватности и применимости к исследованию преобразователей переменного напряжения в постоянное с ортогональной системой напряжений.

2. Проведено комплексное исследование, позволяющее развить теоретические основы преобразования трехфазных систем напряжения в двухфазную ортогональную систему для многопульсного выпрямления с получением обобщенных выражений, связывающих токи, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.

3. Разработаны новые схемные решения многопульсных выпрямительных агрегатов с более высокими технико-экономическими показателями и улучшенной электромагнитной совместимостью для питания нагрузок постоянного тока.

4. Созданы математические модели для оценки качества преобразуемой энергии преобразователей с ортогональной системой напряжений в постоянное, с учетом несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети.

5. На основе теоретических и экспериментальных данных, полученных в работе, разработаны рекомендации по применению многопульсных выпрямителей для тяговых подстанций электрического транспорта.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положен математический аппарат, включающий теорию комплексной переменной для расчета электрических цепей в синусоидальном режиме. Анализ электромагнитных процессов выпрямителей при несимметричной питающей сети проведен с использованием метода симметричных составляющих. Составление математических моделей, описывающих процессы формирования выпрямленного напряжения, выполнено при помощи векторных диаграмм. Установление связи между токами на входе и выходе фазопреобразующих устройств получено с использованием интегральных методов. Гармонический анализ напряжений и токов многопульсных выпрямителей осуществлен путем разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты выполнены с помощью математического моделирования в среде «Maple», «Mathcad» и «MathLab». Для подтверждения достоверности результатов теоретических исследований проведены экспериментальные испытания соответствующих макетных образцов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» 2004, 2006; IX международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» 2006; VII международной конференции. «Актуальные проблемы электронного приборостроения - АПЭП-2004»; форуме с международным участием Высокие технологии-2004; научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» 2004; второй и третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» - ЭЭЭ-2005, ЭЭЭ-2007; III Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» 2005.

Публикации. Основные содержание диссертации отражено в 14 научных работах, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 - патента РФ, 10 — в сборниках трудов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и трех приложений. Общий объем 211 страниц машинописного текста, в том числе 160 страниц основного текста, в том числе 90 рисунков, 9 таблиц.

4.3. Основные результаты и краткие выводы

1. Получен комплекс расчетных соотношений для двенадцатипульсного выпрямителя ортогональных напряжений на основе трехфазного трансформатора с использованием обобщенных формул, полученных во второй главе, и с применением интегрального метода. Совпадение результатов расчетов по обеим методикам доказывают справедливость предложенной методики расчета.

2. На основании полученных соотношений, связывающих токи, напряжения и мощности цепей постоянного и переменного тока создана физическая модель двенадцатипульсного выпрямителя.

3. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых были произведены замеры напряжений трехфазной сети, с выявлением их гармонического состава, выпрямленного напряжения и тока потребляемого выпрямителем из сети.

4. Проведен расчет выпрямленного напряжения и тока потребляемого выпрямителем из сети на математической модели с учетом несимметрии и несинусоидальности питающей сети, имевших место во время проведения экспериментальных исследований.

5. Выполненный анализ форм выпрямленного напряжения и размаха пульсаций показал, что результаты полученные теоретически и на физической модели двенадцатипульсного выпрямителя отличаются на 1 %.

6. Доказано, что определение формы выпрямленного напряжения по предложенной математической модели позволяет делать выводы о его качестве с достаточно близким (в пределах 5%) совпадением с экспериментальными данными.

7. Установлено, что допущения, сделанные при выводе математической модели по определению тока, потребляемого из сети преобразователем, не дает однозначную оценку той или иной схемы выпрямления, при той или иной пульсности.

Заключение

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Получили развитие теоретические основы анализа многопульсных выпрямителей с ортогональными системами напряжений, формируемыми из трехфазной системы напряжений с применением трансформаторов Скотта и на основе трехфазного трансформатора.

2. Разработаны электрические схемы многопульсных выпрямителей, имеющие обобщенный характер и дающие возможность синтезировать преобразователи с различным числом пульсаций выпрямленного напряжения. Получены обобщенные выражения для определения токов, напряжений и мощностей преобразователей, являющиеся функцией одной переменной - числа пульсаций.

3. На основе полученных общих выражений разработаны алгоритмы проектирования схем выпрямителей ортогональных систем напряжений и предложены новые схемные решения многопульсных выпрямителей.

4. Разработана методика учета несинусоидальности и несимметрии питающей трехфазной сети при расчете многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений. Проведены исследования выпрямителей при работе в условиях несинусоидальности и несимметрии напряжений питающей сети на основе разработанной математической модели, описывающей работу преобразователей ортогональных систем напряжений с различными числами пульсаций выпрямленного напряжения. Исследования показали лучшую электромагнитную совместимость и помехоустойчивость многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений, выполненных на основе трехфазного трансформатора, у которых, при одинаковых условиях питания, на 3 - 5 % ниже размах пульсаций выпрямленного напряжения, чем у выпрямителей на основе схемы Скотта. Наиболее предпочтительной схемой выпрямления, при условии лучшего качества выпрямленного напряжения, была принята схема двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора.

5. Выполнен расчет конструктивных параметров двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора и получены соотношения, связывающие токи, напряжения и мощности цепей постоянного и переменного тока, что позволило создать физическую модель мощностью 1500 ВА.

6. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены формы, действующие и средние значения напряжений трехфазной сети, с выявлением их гармонического состава, выпрямленного напряжения и тока, потребляемого выпрямителем из сети.

7. Доказано, что форма кривой выпрямленного напряжения, полученная по предложенной математической модели, фактически совпадает (в пределах 5 %) с формой экспериментальной кривой, что позволяет делать достаточно достоверные выводы о качестве выпрямленного напряжения на основании расчетов по математической модели.

1. Дейвис, Г. Р. Энергия для планеты Земля Текст. / Г. Р. Дейвис // В мире науки «Scientific American». 1990. - № 11. — С. 7—15.

2. Бадер, М. П. Электромагнитная совместимость Текст. : учеб. для вузов ж.-д. транспорта. В 4 ч. / М. П. Бадер. М. : УМК МПС, 2002. - 638 с.

3. Комякова, Т. В. Многопульсовые выпрямители тяговых подстанцийэлектрического транспорта : дис. . канд. техн. наук / Т. В. Комякова. — Омск : Омск, ин-т инж. ж.-д. трансп., 1999. 281 с.

4. Плакс, А. В. Системы управления электрическим подвижным составом Текст. : учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А. В. Плакс. — М. : Маршрут, 2005. 360 с.

5. Загайнов, Н. А. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса Текст. / Н. А. Загайнов. -М. : Транспорт. 1978. 335 с.

6. Справочник по тяговым подстанциям городского электрического транспорта Текст. / под ред. И. С. Ефремова. -М. : Транспорт, 1978. 320 с.

7. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрических железных дорог Текст. / К. Г. Марквардт. М. : Транспорт, 1965. - 464 с.

8. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций Текст. / С. Д. Соколов, Ю. М. Бей, Я. Д. Гуральник и др.; под общ. ред. С. Д. Соколова. -М. : Транспорт, 1979. 264 с.

9. Тяговые подстанции Текст. : учеб. для вузов ж.-д. трансп. / Ю. М. Бей, Р. Р. Мамошин, В. Н. Пупынин, М. Г. Шалимов. М. : Транспорт, 1986. -319с.

10. Жежеленко, И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий Текст. / И. В. Жежеленко. М., 1984. - 184 с.

11. Крайчик, Ю. С. Классификация гармоник напряжения и тока в цепях с вентильными преобразователями Текст. / Ю. С. Крайчик // Электричество. 1980. - № 7. - С. 9-14.

12. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций Текст. / Б. С. Барковский, Г. С. Магай, В. П. Маценко и др.; под ред. М. Г. Шалимова. М. ¡Транспорт, 1990. - 127 с.

13. Маглаперидзе, О. К. Несимметричные режимы многофазного преобразователя Текст. / О. К. Маглаперидзе, И. В. Якимец, В. С. Френкель // Повышение эффективности устройств преобразовательной техники : материалы науч.-техн. конф. Киев, 1972. - С. 9-14.

14. Шляпошников, Б. М. Работа ионных преобразователей при несинусоидальном напряжении переменного тока Текст. / Б. М. Шляпошников, А. В. Поссе // Электричество. — 1952. — № 3. С. 8-17.

15. Выгодский, М. Я. Справочник по высшей математике Текст. / М. Я. Выгодский. М. : Наука, 1973. - 872 с.

16. Шляпошников, Б. М. Игнитронные выпрямители Текст. / Б. М. Шляпошников. М. : Трансжелдориздат, 1947. — 735 с.

17. Круг, К. А. Основы электротехники Текст. / К. А. Круг. 4-е перераб. изд. - М.; JI. : ОНТИ. Глав. ред. энерг. лит-ры, 1936. - 887 с.

18. Репин, А. М. Базовые схемы вентильных конверторов электроэнергии Текст. / А. М. Репин // Электрика. 2003. - № 1. - С. 36-44.

19. Репин, А. М. Новые базовые технические решения и классификация вентильных преобразователей энергии Текст. / А. М. Репин // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. 1985. - Вып. 6. — С. 65-83.

20. Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений Текст. / И. И. Белопольский, А. М. Репин, А. С. Христианов. — М. : Энергия, 1974. 159 с.

21. Репин, А. М. Экономичные высоковольтные преобразователи электроэнергии Текст. / А. М. Репин // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1987. - № 2. - С. 65-82.

22. А. с. 1086524 СССР, МКИЗ Н 02 М 7/08. Источник постоянного напряжения Текст. / А. М. Репин (СССР). № 3440785/24-07 ; заявл. 21.05.82 ; опубл. 15.04.84, Бюл. № 14. -2 с. : ил.

23. А. с. 1317608 СССР, МКИЗ Н 02 М 7/12. Преобразователь переменного напряжения в постоянное Текст. / А. М. Репин (СССР). № 3746481/24-07 ; заявл. 29.05.84 ; опубл. 15.06.87, Бюл. № 22. -2 с. : ил.

24. А. с. 1356153 СССР, МКИЗ Н 02 М 7/12. Высоковольтный источник электроснабжения Текст. / А. М. Репин (СССР). № 3587103/24-07 ; заявл. 29.04.83 ; опубл. 30.11.87, Бюл. № 44. -2с.: ил.

25. Мятеж, С. В. Трансформаторные преобразователи числа фаз с улучшенными энергетическими показателями Текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / С. В. Мятеж. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. — 17 с.: ил.

26. Комар, В. Г. Работа полупроводниковых выпрямителей в цепях управления Текст. / В. Г. Комар. М.; Л. : Госэнергоиздат, 1952. - 256 с.

27. Каганов, И. Л. Электронные и ионные преобразователи Текст. / И. Л. Каганов. М. : Госэнергоиздат, 1950. - *с.

28. А. с. 731529 СССР. Преобразователь напряжения переменноготока в постоянный / Ю. Д. Морозов. Опубл. 1980 г.

29. А. с. 1157633 СССР, МКИЗ Н 02 М 7/06. Система электропитания Текст. / А. М. Репин (СССР). № 3587102/24-07 ; заявл. 29.04.83 ; опубл. 23.05.85, Бюл. № 19. -2с.: ил.

30. Климов, Н. С. Пути создания многофазных трансформаторов и генератор-трансформаторов Текст. / Н. С. Климов // Электричество. 1958.- № 8. С. 50-54.

31. А. с. 1319205 СССР, МКИЗ Н 02 М 7/162. Мостовой источник питания Текст. / А. М. Репин (СССР). № 4062092/24-07 ; заявл. 09.12.85 ; опубл. 23.06.87, Бюл. № 23. - 2 с.: ил.

32. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники : учеб. Текст. / Г. С. Зиновьев. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

33. Вологдин, В. П. Выпрямители Текст. / В. П. Вологдин. М. : ОНТИ, 1936.-448 с.

34. Иванов, В. С. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий Текст. / В. С. Иванов, В. И. Соколов. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 336 с.

35. Васильев, А. С. Источники питания высокочастотных электротермических установок : моногр. Т. 4. Текст. / А. С. Васильев, Г. Конрад, С. В. Дзлиев. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2006. 426 с. — (Сер. моногр. «Современные электротехнологии»).

36. Пинцов, А. М. Расчет гармоник выпрямленного тока и напряжения Текст. / А. М. Пинцов // Электричество. 1956. - № 12. - С. 9-14.

37. Паэранд, Ю. Э. Учет влияния высших гармонических составляющих и фазы входного тока на коэффициент полезного действия полупроводниковых преобразователей Текст. / Ю. Э. Паэранд, П. С. Сафронов // Техническая электродинамика. — 2005. — Тем. вып. С. 16-20.

38. Глинтерник, С. Р. Электромагнитная совместимость мощных вентильных преобразователей и электрических систем Текст. / С. Р. Глинтерник // Электричество. 1991. - № 5. - С. 1-5.

39. Зиновьев, Г. С. Новый подход к оценке электромагнитной совместимости вентильных преобразователей с питающей сетью и нагрузкой Текст. / Г. С. Зиновьев, В. И. Попов // Электричество. 2007. - № 8. - С. 2934.

40. Щуров,Н. И. Методы и средства экономии и повышение эффективности использования энергии в системе городского электрического транспорта Текст. : Автореф. дис. . д-ра техн. наук / Н. И. Щуров. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. 34 с. : 19 ил.

41. Ворфоломеев, Г. Н. Трансформаторный преобразователь числа фаз по схеме Скотта для питания двухфазных потребителей электроэнергии Текст. / Г. Н. Ворфоломеев // Преобразовательная техника. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1993.-С. 133-139.

42. Ворфоломеев, Г. Н. Схема Скотта: история и перспективы совершенствования (к столетию создания) Текст. / Г. Н. Ворфоломеев // Электричество. 1994. -№ 10. - С. 74-77.

43. Ворфоломеев, Г. Н. Преобразование числа фаз в электроэнергетике Текст. : учеб. пособие / Г. Н. Ворфоломеев. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1996.-96 с.

44. Ворфоломеев, Г. Н. Трансформаторный преобразователь трехфазного тока в двухфазный Текст. / Г. Н. Ворфоломеев // Проблемы электротехники. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1993. — С. 74-78.

45. Трансформирование трехфазных токов в двухфазные и обратно Текст. // Электричество. 1899. -№ 23/24. - С. 349-351.

46. Евдокимов, Ф. Е. Теоретические основы электротехники Текст. / Ф. Е. Евдокимов. — М. : Высшая школа, 1971. 543 с.

47. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории линейных цепей Текст. / П. А. Ионкин, А. И. Даревский, Е. С. Кухаркин, В. Г. Миронов, Н. А. Мельников ; под ред. П. А. Ионкина. — М. : Высшая школа, 1976. 544 с.

48. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи Текст.: учеб. для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов / JI. А. Бессонов. -М.: Высшая школа, 1984. 560 с.

49. Материалы 7 междунар. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения». АПЭП-2004, Новосибирск, 2004. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2004. - Т. 6. - С. 85-88.

50. Евдокимов, С. А. Анализ и синтез схемных решений вентильных преобразователей для электрического транспорта Текст. : Автореф. дис. .канд. техн. наук / С. А. Евдокимов. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. - 19 с. : ил.

51. Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники Текст. / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. М.: Высшая школа, 1974. - 430 с.

52. ГОСТ 23875-88. Качество электрической энергии. Термины и определения. Взамен ГОСТ 23875-79 ; введ. 1989-07-01. - 11 с.

53. ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения. — Введ. 1982-07-01. 27 с.

54. Размадзе, Ш. М. Преобразовательные схемы и системы Текст. / Ш. М. Размадзе. — М.: Высшая школа, 1967. 527 с.

55. Дьяконов, В. П. МАТНСАГ) 8/2000 Текст. : спец. справ. СПб. : Питер, 2000. - 592 с.

56. Пат. 41207 Российская Федерация, МПК Н 02 М 7/08. Источник постоянного напряжения с 12-кратной частотой пульсации Текст. /

57. Евдокимов С. А., Ворфоломеев Г. Н., Щуров Н. И. ; патентообладатель Новосиб. гос. техн. ун-т. № 2004111143/22 ; заявл. 13.04.04 ; опубл. 10.10.04, Бюл. №28.-3 с.

58. Пат. 42716 Российская Федерация, МПК Н 02 М 7/08. Источник постоянного напряжения с 60-кратной частотой пульсации Текст. /

59. Евдокимов С. А., Ворфоломеев Г. Н., Щуров Н. И., Вильбергер M. Е., Рукосуева Т. А. ; патентообладатель Новосиб. гос. техн. ун-т. — № 2004124146/22 ; заявл. 09.08.04 ; опубл. 10.12.04, Бюл. № 34. -3 с.

60. Кене, Ю. А. Высшие гармоники в электрических сетях Текст. / Ю. А. Кене, А. В. Жураховский // Электричество. 1995. - № 5. - С. 68-74.

61. Вильбергер, M. Е. Математическая модель многопульсовых выпрямителей для тяговых подстанций электрического транспорта Текст. / M. Е. Вильбергер, Г. Н. Ворфоломеев, С. А. Евдокимов // Транспорт. Наука. Техника. Управление. 2008. - № 6. - С. 40-43.

62. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения Текст. Взамен ГОСТ 13109-87; введ. 1999-01-01.-33 с.

63. Мельников, Н. А. Симметрирование режимов работы электрических систем Текст. / Н. А. Мельников, Д. В. Тимофеев, JI. М. Вайнштейн // Электричество. 1966. - № 2. - С. 20-29.

64. Вагнер, К. Ф. Метод симметричных составляющих и его применение к расчету аварийных токов Текст. : Пер с англ. / К. Ф. Вагнер, Р. Д. Эванс. — M. ; JI. : Энергоиздат, 1933. 181 с.

65. Ворфоломеев, Г. Н. Симметричные составляющие несимметричных многофазных электрических систем Текст. : учеб. пособие / Г. Н. Ворфоломеев, С. В. Мятеж. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1999. - 31 с.

66. Теоретические основы многопульсных выпрямителей с ортогональными системами напряжений Текст. / M. Е. Вильбергер, С. А.

67. Евдокимов, Г. Н. Ворфоломеев, В. И. Сопов, Н. И. Щуров // Электричество. -2007.- №6. -С. 18-23.

68. Плис, А. И. МАТНСАЕ): мат. практикум для экономистов и инженеров Текст. : учеб. пособие / А. И. Плис, Н. А. Сливина. М. : Финансы и статистика, 1999. - 656 с.

69. Берс, Л. Математический анализ Текст. Т. 2 : учеб. пособие для втузов / Л. Берс ; пер. с англ. Л. И. Головиной ; под ред. И. М. Яглома. М. : Высшая школа, 1975. - 544 с.

70. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров Текст. / Андрэ Анго ; пер. с франц. К. С. Шифрина. М. : Наука, 1965. — 780 с.

71. Булгаков, А. А. Новая теория управляемых выпрямителей Текст. / А. А. Булгаков. М. : Наука, 1970. - 320 с.