автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Электромагнитные процессы в трехфазных трансформаторно-полупроводниковых стабилизаторах напряжения с емкостными сглаживающими фильтрами

Г •• •"> Л "

I , и V..

На правах рукописи

КОРОБКОВ Сергей Алексеевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРЕХФАЗНЫХ

ТРАНСФОРМАТОРНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТАБИЛИЗАТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ С ЕМКОСТНЫМИ СГЛАЖИВАЮЩИМИ ФИЛЬТРАМИ

Специальность 05.09.01 -Электромеханика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1996

Работа выполнена на кафедре "Электромеханика" Московского энергетического института (технического университета).

кхн., доцент Сергеенков Б.Н.

д.тл., профессор Пищиков В.И, к.тл. Мариночкин В.П.

Головное особое конструкторское бюро "Прожектор" г. Москва

Защита диссертации состоится " 1996г. в /& часов

на заседании диссертационного Совета Московского энергетического института (технического университета) по адресу: Москва, ул Красноказарменная , корп. /У, в аудитории /V¿>7'/'

Отзывы в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан 1996г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Ученый секретарь диссертационного Совета к.тл., доцент

/ Морозов ВА/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение современных технологий во все отрасли народного хозяйства и наличие сетей с дефицитом мощиости наряду с повышением требований к качеству напряжения питания для многих электрических и радиотехнических устройств, систем автоматики, приводят к необходимости широкого использования стабилизаторов сетевого напряжения мощностью 6,3-100 кВА.

Расширение круга потребителей, предъявляющих новые повышенные требования к качеству электропитания, наряду с отстающей модернизацией силовых сетей обусловливает непрерывное совершенствование схем и конструкции устройств регулирования и стабилизации напряжения.

Данная работа посвящена теоретическому исследованию электромагнитных процессов в трехфазных трансформаторно-полупроводниковых ре1уляторах-стабилизаторах напряжения (ТПСН) с однократным регулировочным коммутационным циклом в пределах полупериода первичного напряжения. Исполнительным органом ТПСН является автотрансформатор с двумя разнополярными первичными обмотками, переключаемыми транзисторно-ёмкостными коммутаторами

Структура такого регулятора, определившаяся в процессе разработки трансформаторно-полупроводниковых регуляторов напряжения, предназначенных для замены серийно выпускаемых регуляторов -стабилизаторов напряжения СТНП, до настоящего времени не имела достаточно полного аналитического описания, позволяющего достаточно точно исследовать и рассчитывать характеристики процесса регулирования.

Целью дигсертрттутпнной работы является разработка и исследование однофазных и трехфазных стабилизаторов напряжения с регулированием за счет изменения в пределах полупериода первичного напряжения момента переключения транзисторно-емкостными коммутаторами разно-полярных первичных обмоток и сглаживания ступенчатой реакции вторичного напряжения емкостными фильтрами.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

- анализ существующих схемных решений траисформаторно-полулроводниковых устройств для регулирования напряжения;

- выявление особенностей электромагнитных процессов, обусловленные характером динамики изменения угла фазового регулирования коэффициента трансформации;

- разработка математической модели регулятора для исследования квазну становившихся и переходных электромапштных процессов в авто-

трансформаторном регуляторе ТПСН и получение точного аналитического описания динамических процессов;

- теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов, позволяющие получить основные соотношения для параметров и характеристик регулятора;

- разработка алгоритма рациональной организации процесса регулирования, обеспечивающего надежную и устойчивую работу элементов стабилизатора и его схемная реализация;

- выполнены всесторонние экспериментальные исследования разработанной системы регулирования и стабилизации напряжения на однофазном модуле мощностью 6,3 кВА и трехфазном стабилизаторе напряжения мощностью 100 кВА с напряжением 380/220 В.

Методы исследований. В качестве основного метода анализа процессов в кошурах регулировочных ответвлений силового трансформатора был использован метод реальной кривой, обеспечивающий удобное припасовывание решений соответствующих дифференциальных уравнений для интервалов постоянства структуры регулятора Для рационализации численного анализа переходных процессов системы уравнений для электрических контуров и магншных цепей записаны в матричной форме, и математическая модель построена с использованием метода переменной структуры системы дифференциальных уравнений. Достоверность научных положений подтверждена экспериментальными исследованиями действующих стабилизаторов.

Научная новизна и практическая ценность работы.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие результаты:

-впервые дано научное обоснование и выполнен синтез схемы трехфазного автотрансформаторного регулятора-стабилизатора напряжения с двумя р азнополяр иыми первичными обмотками;

-выявлены особенности электромагнитных процессов в автотрансформаторе с фазовым регулированием коэффициента трансформации за счёт переключения двух разнополярных первичных обмоток;

-проведено исследование электромагнитных процессов в новых специфичных режимах, характерных для трехфазных трансформаторно-полупроводниковых ре1уляторов напряжения при подключении к нейтрали питающей сети только соответствующего вывода измерительной системы;

-выполненная аналитическая формализация электромагшгшых переходных характеристик плавнорегулируемого автотрансформатора с двумя разнополярными первичными обмотками, коммутируемыми транзисторно-емкостными ключами, впервые органически объединена с математическим описанием многокошурной системы автоматического регули-

рования, соответствующей трехфазной структуре сетевого стабилизатора напряжения с пофазными емкостными сглаживающими фильтрами;

-разработаны рекомендации по рациональному выбору параметров силовых электромагнитных элементов данной системы фазового регулирования коэффициента трансформации;

-выполненное впервые исследование динамических характеристик разработанных эксплуатационных схем трансформаторно-полупроводниковых стабилизаторов напряжения позволило получить рекомендации по выбору параметров схем управления стабилизаторами с целью получения максимального быстродействия при заданной точности регулирования.

Практическая ценность результатов исследований состоит в теоретическом обосновании и реализации более современных систем плавного бесконтактного ре1улирования-стабилизации напряжения трансформаторов, используемых в качестве универсальных трехфазных стабилизаторов напряжения.

На зялрггу вносятся следующие положения:

1. Построение общей струкхурной схемы трансформаторно-полулроводникового стабилизатора напряжения с плавным фазовым ре-1улированием коэффициента трансформации, реализуемом при изменении в пределах полупериода первичного напряжения момента переключения транзисторно-емкостными коммутаторами разнополярных первичных обмоток основного силового автотрансформатора

2.Математическая модель переходного процесса с учетом специфичной нелинейности как динамических звеньев системы стабилизации, так и электромагнитных параметров контуров регулирования.

3. Методика расчета электромагнитных переходных и динамических процессов для исследуемого стабилизатора

4. Рекомендации по выбору расчетных и конструктивных параметров силового автотрансформатора и схемы управления.

ТШР рр?у-т^татов работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований использованы при проектировании опытно-промышленных образцов ТПСН-100.

Публикзттитт, По результатам разработок и исследований опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 102 наименований. Она содержит 125 страниц машинописного текста, 61 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основные задачи диссертации и в виде краткой аннотации изложены новизна и актуальность работы.

Первая глава работы посвящена аналитическому обзору основных направлений развития бесконтактных трансформаторно-полупроводниковых систем регулирования-стабилизации напряжения и выявлению современных тенденций их развития, а также анализу методов исследования переходных электромагнитных процессов.

Тенденция развития современных устройств регулирования напряжения отражает усложнение комплекса электромагнитных и динамических процессов, обусловленное возрастающими требованиями к качеству регулирования напряжения. Это, в свою очередь, актуализирует задачу создания корректных методов для комплексного исследования всей совокупности электродинамических процессов в системе. Особенно значимость такого рода исследований возрастает с использованием современных МП элементов схем управления, поскольку в этом случае для наиболее полного использования возможностей по расширению функций регулятора требуется более детальное представление обо всех процессах в кошурах системы для обеспечения корректной реакции программы на поведение системы и выбора оптимального решения: Разработка новых устройств регулирования напряжения влечет за собой дальнейшее развитие используемых методов для анализа электромагнитных процессов.

На основе взаимного сопоставления методов описания и исследования электромагнитных процессов, указаны достоинства и недостатки различных методов и области наиболее целесообразного их применения. Проведенный аналитический обзор позволил выделить наиболее рациональные элементы методов исследования электромагнитных процессов в ТПСН.

Из рассмотренных методов, а также их модификаций, наиболее распространенным является метод припасовывания, а для дискретных регуляторов метод - разностных уравнений, основанный на допущениях метода припасовывания. Трудоемкость расчета при реализации этого метода в настоящее время существенно снижается в связи с ростом быстродействия и мощности ЭВМ. Универсальность, корректность применения для всех возможных режимов работы ре1улятора, возможность получения достаточно высокой точности является преимуществом этого метода. Тем не менее, в общем случае эффективность того или иного метода обусловливается видом структурной схемы регулятора и представления результатов расчета, а также выбранной моделью полупроводниковых ключей.

Анализ работ, посвященных исследованию электромагнитных процессов в системах регулирования напряжения, выделил два подхода к решению поставленных задач.

•Первый основан на решении задачи определения токов и напряжений в электрических контурах при одновременном решении уравнения замыкания, определяющего моменты переключения ключей.

•Другой подход к исследованию процессов поведения замкнутой системы основан на представлении регулятора и других звеньев системы передаточными функциями, что эквивалентно подходу, применяемому при решении задач теории автоматического управления.

При практической реализации поставленных задач в рассматриваемых работах либо принимаются допущения о линейности передаточных функций, либо передаточные функции системы корректируются на каждом интервале постоянства структуры. Причем данная корректировка параметров звеньев определяется в результате решения для разомкнутой системы на основе уравнений электромагнитных контуров силовой части.

В то же время рассмотрение динамической модели с учетом нели-нейностей и изменяющихся параметров звеньев, характеризующих элементы силовой части, приводит к существенному усложнению уравнений модели, и неизбежные последующие допущения и упрощения могут свести на нет попытку повышения адекватности модели.

Таким образом краткий обзор математических моделей, применяемых для исследования процессов в наиболее перспективных структурах регуляторов напряжения, показал, что задача получения адекватной математической модели, описывающей электромагнитные процессы в силовой части устройств регулирования напряжения, имеет весомую значимость, и одним из путей повышения эффективности исследований в этом направлении является получение математической модели, сочетающей в себе описания процессов как для электромагнитных контуров, так и для контуров системы управления, составленные на основе теории автоматического регулирования.

Кроме того метод должен естественным образом учитывать непрерывно-дискретный характер преобразования электрической энергии, что предполагает совмещение свойств дискретных и непрерывных методов решения или построения на этой основе новых

Основываясь на том, что собственные переходные процессы в полупроводниковых элементах завершаются значительно быстрее, чем процессы в остальных элементах силовой схемы, в этих работах транзисторы, тиристоры, диодоы в режимах вюпочен-выключен, представляются идеальными ключами.

Достаточно корректной и в то же время не вносящей существенных усложнений являются модели полупроводниковых ключей, пред-

а>чс кг БУК2

—*—

БУ К1 - блок управления коммутатором К1.

БУ К2 - блок управления коммутатором К2.

БОН - блок безынерционного ограничения напряжения.

Б И - блок измерения. М - модулятор.

БС - блок сравнения. БТЗ - . блок токовой защиты.

БФК К1 - блок фазового контроля допустимых значений угла управления К1.

ФЧС К2 - фазочувствительная схема ключа К2.

БЗПН- блок защиты от перенапряжений. Рис.1

Рис. 2

ставляемых в ввде последовательного соединения активного элемента и источника ЭДС или нелинейного резисшвного элемента.

Применение метода кошурных токов для уравнений магнитных и электрических контуров позволяет при решении подобных задач сократить число уравнений по сравнению с их количеством по первому и второму законам Кирхгофа.

В тех случаях, когда требуется высокая степень детальности изучения электромагнитных процессов, обусловленных непосредственно процессами переключения таких приборов, используются модели вентилей, основанные на отражении электрофизических процессов в приборе. Применение таких моделей характерно при исследовании высокочастотной электромагнитной совместимости, импульсной помехозащищенности и других характеристик.

Во второй главе приведен общий анализ структуры силовой части трехфазного автотрансформатора с фазорегулируемой коммутацией первичных разнополярных обмоток обеспечиваемой специальной системой управления. Определены условия возникновения принципиально неустойчивых режимов работы и неблагоприятных электромагнитных состояний, установлены параметры элементов схемы управления, которые устраняют развитие неустойчивых состояний в системе риулирования. (рис.1) Приводится обоснование выбора расчетных режимов работы регулятора

Силовая часть ретулятора включает в себя силовой автотрансформатор, на мапштопроводе которого расположены обмотки "УУц, и \У22, полупроводниково-емкостные полностью управляемые коммутаторы переменного тока К1, К2 и емкости С1 и С2 для фильтрации и ограничения напряжения на выходе регулятора (рис.2). Конструкция первичных обмоток предусматривает предельную минимизацию индуктивностей рассеяния за счет одновременной намотки обмоток \У11 и \¥12 двумя параллельными проводами.

Плавное фазовое регулирование напряжения в данном автотранс-форматорно-полупроводниковом регуляторе достигается за счет однократного изменения в пределах полупериода первичного напряжения момента взаимного встречного переключения транзисторно-емкостными коммутаторами разнополярных первичных обмоток Шц и №¡2 и сглаживания ступенчатой реакции вторичного напряжения емкостными фильтрами.

В общем случае в пределах полупериода могут иметь место следующие интервалы работы: соответствующие характерным состояниям структуры регулятора:

1) аус-0+8 - интервал р - повышения напряжения, когда включен коммутатор высшей ступени регулирования;

u1(t) = kfl-Ul„sm(Dt , где Kf¡ = —^-, (кюКв ;

"и

2) 001-0+у - интервал у - перераспределения напряжений на емкостях С1 и С2 при выключенных коммутаторах обоих ступеней регулирования;

1

»%(')= 4(ГЬ[V+-тг /-К), ecuuy;

Q

3) сох=у+а - интервал а - понижения напряжения при включенном коммутаторе низшей ступени регулирования;

W

= ka-Uln sin a>t , где К= щ > 7<«*<*;

4) йзх-а+п - интервал Р' - повторного включения коммутатора высшей ступени во второй половине полупериода, имеющий место при определенных фазовых сочетаниях тока и напряжения коммутатора,

Установлено, что процесс фазового регулирования коэффициента трансформации характеризуется сложным характером токовых нагрузок и возникновением специфичных перенапряжений в зависимости от текущего значения угла регулирования 0, при котором происходит выключение базовых токов силовых транзисторов коммутатора К1. Сложный характер токовых нагрузок коммутатора высшей ступени регулирования обусловливает определяющее влияние динамики изменения угла регулирования на характер протекания переходных процессов. Одна из основных принципиальных особенностей, выявленных в процессе расчетно-экспериментальных исследований, состоит в том, что крайне незначительный в установившихся режимах намагничивающий ток в .переходных процессах, сопровождающих быстрое изменение от полупериода к полупериоду угла отключения коммутатора высшей ступени, может многократно превосходить остальные токи, образующие общий ток нагрузки коммутатора К1. В связи с этим особое значение приобретает правильный учет текущего значения индукции в магаигоггроводе основного силового автотрансформатора. Чрезвычайно существенным при этом является предшествующий режим работы, после которого происходит быстрое смещение угла регулирования в сторону увеличения. Выявлена возможность существования таких сочетаний режимов работы, когда с начала нового полупериода питающего напряжения перемагничивание махниго-провода основного автотрансформатора не изменяет, как обычно, направления, а происходит с увеличением предшествующего намагничивания, и коммутатор К1 подвергается угрозе выхода из насыщенного состояния в усилительный режим из-за резкого увеличения проходящего по нему на-

магничивающего тока автотрансформатора Наиболее неблагоприятным в этом отношении является такое сочетание, когда резкое нарастание угла 0 происходит в данном полупериоде переменного напряжения после относительно большого интервала включенного состояния коммутатора нижней ступени регулирования в предшествующем полупериоде переменного напряжения.

Выявлена специфичная зависимость характера изменения намагничивающего тока от величины тока нагрузки. Установлено, что при нагрузке увеличение угла, особенно в зоне О- 45 град., создает несоизмеримо меньшее приращение "вольт-секундной площади" напряжения, приложенного к обмоткам автотрансформатора, по сравнению с холостым ходом, и кроме того, среднее значение за полупериод этого напряжения в значительной зоне изменения угла минимизируется за счет изменения полярности в части интервала у и в интервале а по сравнению с интервалом р. Поэтому в режиме холостого хода при нарастании угла б возможно резкое одностороннее замапшчивание магаитопровода автотрансформатора, особенно если предшествующим являлся режим работы с преимущественным включением коммутатора низшей ступени рехулирования К2.

На основе представленного функционального анализа определены условия устранения наиболее неблагоприятных электромагнитных неустойчивых состояний структуры ре1уляггора

Выявлены основные параметры функциональных блоков схемы управления, позволяющие получать заданный характер электромагнитных динамических процессов.

Третья глава посвящена исследованию различных структур систем стабилизации. С использованием математической модели исследованы и научно обоснованы эксплуатационные варианты построения систем рехулирования напряжения на основе автотрансформатора данного типа.

В зависимости от требований, предъявляемых к схеме подключения однофазных нагрузок на выходе стабилизатора, в результате структурного синтеза выделены два типичных эксплуатационных варианта трехфазной структуры регулятора :

а) Наилучший вариант по качеству одновременной стабилизации линейных и фазных напряжений соответствует схеме, в которой наряду со входным автотрансформатором-нейграллером используется аналогичный автотрансформатор на выходе, который обеспечивает жесткую электромагнитную стабилизацию выходной нейтрали и одновременную высокоточную стабилизацию линейных и фазных напряжений Однако, в такой структуре исключается возможность объединения нейтрального вывода стабилизатора с общей заземленной нейтралью исходной трехфазной сети, т.к. это приводит к возникновению больших уравнительных токов, вы-

зываемых наличием определенного разностного напряжения между выходной нейтралью стабилизатора и нейтралью сети до их соединения и малыми сопротивлениями контуров, образующихся после объединения соответствующих шин.

б) Наилучший эксплуатационный вариант получается при соединении с общей заземленной потребительской нейтралью только нейтрали выходных маломощных измерительных трансформаторов стабилизатора, когда токи нулевой последовательности, создаваемые несимметрией потребительских нагрузок, не нагружают стабилизатор, через который циркулируют только токи симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей. Смещение нейтрали системы потребительских фазных выходных напряжений традиционно определяется как

Д Ц) = • , где 1а и Zn - ток нулевого провода и сопротивление нулевой последовательности исходной трехфазной сети.

А1 А1 автотрансформаторный регулятор А2

В1 нейтраллер В1 -< В2 -

а

а * ,4

"О" внутр.

Хм

измэритвльныв трансформаторы

Рис. 3

При этом, несмотря на отключение от сети собственной внутренней нейтрали стабилизатора, полностью обеспечивается с заданной точностью стабилизация потребительских фазных напряжений, т.к. измерительные органы фазных схем стабилизации реагируют именно на отклонения потребительских фазных напряжений от заданного значения, получая соответствующие величины напряжений через измерительные трансформаторы.

Показано, что при нормально регламентируемых значениях тока нулевого провода и сопротивления нулевой последовательности ухудшение точности стабилизации линейных напряжений практически исключено .

Наиболее существенной предпосылкой эффективного использования данной схемы является, как показано, значительное улучшение формы кривой фазных напряжений в регуляторах данного типа по сравнению с последовательными регуляторами, когда без выходного автотрансформатор а-нейтраялера получается практически синусоидальная форма кривой выходных фазных напряжений и, таким образом, создает возможность непосредственной стабилизации напряжения для питания фазных

нагрузок, подключаемых к общей заземленной нейтрали трехфазной сети и линейным выходным выводам стабилизатора.

В трехфазных стабилизаторах напряжения объединение трех отдельных однофазных регуляторов в единую многоконтурную систему регулирования создает условия дополнительного взаимного влияния отдельных фаз как в силовой части схемы регулирования, так и на уровне цепей управления, воспринимающих дополнительные возмущения от смежных фаз.

Практически полное устранение взаимного влияния кошуров регулирования соединенных в звезду отдельных фаз при неизбежном разновременном срабатывании их силовых полупроводниковых коммутаторов в процессе фазового регулирования трех коэффициентов трансформации достигается путем введения специального входного автотрансфор-матора-нейтраллера, обеспечивающего жесткую электромапштную стабилизацию подсоединяемой только к нейтрали этого автотрансформатора общей точки силовых кошуров рехулирования отдельных фаз. Со стороны сети используется только трехпроводное силовое питание, что одновременно с достижением жесткой динамической стабилизации созданной внутренней нейтрали принципиально улучшает гармонический состав тока па входе стабилизатора за счет практически полного исключения гармонических, кратных трем, и кроме того, сеть в значительной степени разгружается от кратковременных импульсных возмущений при переключениях силовых полупроводниковых коммутаторов.

Применительно к схеме, в которой три однофазных блока стабилизации имеют перекрестные связи с передаточными функциями, соответствующими величине сопротивления нулевой последовательности, разработана расчетная схема многокошурной системы автоматического регулирования и выведены выражения соответствующих передаточных функций.

Для представления рассматриваемой многокошурной системы регулирования в более компактной и обозримой форме, использован аппарат матричных структурных схем для эквиваленгирования многосвязной системы относительно сепаратного канала фазы А, что позволило использовать структурный анализ для односвязных систем.

При анализе устойчивости данной системы рехулирования исследуется воздействие типового возмущения в виде нормированного скачка одного из трех входных линейных напряжений, когда для компенсации этого возмущения требуется неравноценное действие фазных регуляторов, координация работы которых отражается введенными перекрестными связями и характеризуется следующей передаточной функцией:

IV (л) = ~Тър ]<?еЪхр + Ъ?е2гр + + кАетр -4Ърк\ +&р+2к-1

Анализ переходных характеристик системы стабилизации на основе полученной передаточной функции позволил выявить соотношение между основными параметра схемы, обеспечивающее необходимый запас устойчивости, задаваемый статической точностью стабилизации.

В четвертой выполнено исследование электромагнитных процессов, обусловленных управляемой перестройкой структуры ре1улятора, периодичность которой соответствует частоте сетевого напряжения, с целью выбора оптимального алгоритма работы устройства, который обеспечивает устойчивую работу регулятора и минимальные токовые перегрузки силовых коммутаторов в переходных режимах работы.

Для составления математической модели использован метод, основанный на допущениях метода припасовывания. Силовые цепи регулятора описываются дифференциальными уравнениями, порядок и значение коэффициентов которых могут изменяться в моменты перестройки структу-

Для сокращения числа уравнений по сравнению с их количеством по первому и второму законам Кирхгофа использован метод контурных токов, а с целью упрощения их анализа на ЭВМ уравнения представлены в матричной форме и модифицируются в соответствии с перестройкой структуры регулятора посредством введения структурной матрицы

И:

1 0! 0 0 1110 0 1 0 II 1 0 0 0 1 1 -1 0 0

-1 1:1 0 | 0 | 0 1 0 0 -1 1 1 0 0 --- 0 ,1 0 0

1 0 —т— 1 ¡0 ----1—Г--- 1 ! 1 | 0 - ■ 0 ... 0 0 0 1 0 1 1 0 --- 0 0 0

0 0 ; 0 0 ; 0 ; —1 1 <1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 10 10 1 1 -1 1 0 1

-I 11110 0 0 1 ; о 0

0 ТГоТГ 1 0 о; о 0

0 ТГ(ГГ(Т 0 ¡0 0 ; 0 г 0

С целью упрощения анализа электромагнитных процессов, пренебрегая второстепенными электромагаитными связями, принимаются следующие допущения:

1. Магнитное ноле обмоток трансформатора традиционно разделяется на рабочее поле и поле рассеяния.

2. Потоки рассеяния рассматриваются как линейные функции токов и не зависят от насыщения магнитной цепи, при этом индуктивности рассеяния обмоток принимаются неизменными .

О

а |«м

е

3. Магнитные сопротивления схемы замещения ветвей магнитной цепи определяются по г основной кривой намагничивания предельного шстерезис-

ного

цикла.

Рис.4

В = 2тИ

4. При исследовании переходных процессов не учитываются емкостные токи в элементах автотрансформатора

5. Основываясь на том, что собственные переходные процессы в полупроводниковых элементах коммутаторов завершаются многократно быстрее, чем в остальных элементах силовой схемы:

a) в непроводящем состоянии коммутаторы представляются идеальными ключами;

b) в проводящем состоянии транзисторные коммутаторы представляются нелинейными резистивными элементами, сопротивление которых соответствует среднестатистической зависимости коэффициента усиления транзисторов по току от режимов нагрузки

Моменты переключения полупроводниковых ключей регулятора, вычисляются системой управления, как результат совместного учета сигналов блока стабилизации и сигналов фазоизмеригельных схем коммутаторов.

При использовании данной математической модели для исследования процессов, обусловленных последовательностью и длительностью интервалов определенного состояния полупроводниковых коммутаторов, возникает необходимость формирования условий переходов между характерными интервалами работы, адекватных алгоритму, реализуемому :хемой управления. На основе проведенного анализа функционирования

системы в различных режимах работы получены логические выражения, описывающие условия изменения структуры силовой схемы регулятора На каждом интервале постоянства структуры система дифференциальных уравнений дополняется совокупностью логических выражений, анализируемых на каждом шаге интегрирования, при истинности которых осуществляется переход к соответствующему характерному интервалу работы.

Ввиду существенного влияния текущего значения угла отключения коммутатора К1 - 9 на характер протекания переходных электромагнитных процессов, особую важность приобретает задание корректного приращения этого угла в каждом полупериоде питающего напряжения. Поскольку в процессе фазового регулирования при последовательных изменениях утла 8, соответствующих полной зоне регулирования, коэффициент усиления регулирующего органа значительно изменяется, а следовательно и приращения вольт-секундной площади на обмотках автотрансформатора за один полупериодный цикл регулирования. Это существенно влияет на характер электромагнитных процессов, и для обеспечения корректности модели оказалось необходимым учитывать изменение Ку-ДО/Ди2 в соответствии с текущим значением угла регулирования.

Исходная система дифференциальных уравнений, с учетом принятых допущений, получена из общей системы дифференциальных уравнений многообмоточного с автотрансформаторной структурой обмоток:

~ ^11.11

-и', = и

¿г

<Ипл ¿г

М

+ Ь

1 1.22

22.22

йг

¿Кл

-и.

М,

~ ^11.11

¿г

+ М 12.22

+ М

¿1

~ иггв

= М

22.11

а1

11В ¿1

¿'ив

-V

ПС

-»М с

г = Ми = -^11.11

= М

¿1

д

+ М,

+ L

а

а

22 В

+

22.22 '

йг

*Чгв

¿А

йг

1С

+ М 12.22 Iи

¿1

+ м

12 ¿г

Щгл

им -1Г

*Чгл

а

¿Кгв И

+ I,

2.12

+ Чглггг

+ 1\глт\г

+ и

1ВМ1

22.12

IIВ Т 11

(¡1

+ Ь

1Ы2 '

н Мпгг

I

<11

22с, */■ <М\гс

- + '12ВГ12

+ 'ис'и

- и!гс

= М,

2.11

й1

Мцс

■+ Ь

<Н

22.22

22С

+ М, 2.

Л1

и

+ м

22.12

г с

22 '

22С

+ Ь1

= а л

— I'

- 'О в

'пс + Чгс + Чгс ~ 'ос

¿1

<11

¿1

Аы + * 'пв + Чгв + ^22

на + Чгх

2.12

12С

<11

+ Чгсггг

+ 1\гсг\'г

ив

22.11

Преобразованная система приводится к виду:

и' - Т 4- 7

игг ~ ~ -"о ~ГГ 21

Мц = ¿о

■+ и

23

+ »1111

¿Г

«п - ^ + ^

Ах

ь ^ 'и'гг

- /' г'

12 12

= /('ал); гк2=/(*кг)

— 2&ж

2 го а

сИ2

а

!г_ т 1г. / Ь а

Для инженерного расчета силовой части регулятора, принимая во внимания относительно низкий коэффициент искажений, вносимых в кривую выходного напряжения, обусловленный наличием емкостных фильтров, ток нагрузки принимается синусоидальным.

Выполненные на ЭВМ расчеты на основе разработанной математической модели для различных начальных состояний структуры регулятора, соответствующих немедленному после включения под напряжение ре1улягора переходу к одному характерных структурных интервалов работы, позволили разработать теоретическую основу для реализации алгоритма оптимального перехода от исходного пассивного состояния к активному процессу регулирования с плавным нарастанием коэффициента трансформации от минимального значения до величины, обеспечивающей поддержание номинального значения выходного напряжения Минимально достаточная длительность интервала магнитной нормализации, который оказывается необходимым при специфичных однократных возмущениях, и в результате которого обеспечиваются приемлемые начальные условия для процесса фазового ре1улирования, составляет 20-30 мс.

Математическая модель наряду с исследованием процесса намагничивания позволяет обеспечить одновременный контроль выходных динамических характеристик регулятора при реализации различных алгоритмов управления и режимов работы.

1

Рис.5

Рис.6

1

—5---1-•-1-■-) т*.

009 «ООО »0 00 «ООО 190.0«

;---1-.-,-.-Г

Рис. 7

Рис.8

Наряду с исполнением силового автотрансформатора, обеспечивающим полную локализацию магнитных контуров фаз, на основе разработанной модели проведена оценка величины и характера изменения потока небаланса, обусловленного разновременной коммутацией в фазах регулятора, а также вариантов конструкции, обеспечивающих минимизацию импульсных перенапряжений в обмотках

На основе проведенных исследований разработана методика рационального выбора емкостного фильтра и оценки качества формы кривой выходных фазных напряжений.

Расчеты и измерения показали, что улучшение формы кривой выходных напряжений в регуляторе параллельного типа по сравнению с регулятором последовательного типа получается без увеличения реактивной составляющей первичного тока при сниженных значениях входного напряжения, когда в наибольшей степени проявляется влияние силовых сглаживающих конденсаторов на увеличение сетевого тока. Заданное ограничение для соэср! > 0.95 - 0.96 при номинальной активной нагрузке выполняется при значительном увеличении приведенного значения емкости силовых сглаживающих конденсаторов благодаря повышенной эффективности фильтрующего действия емкостей, что подтверждается приведенными расчетными данными.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований и проверки полученных теоретических результатов. Приводятся также результаты экспериментальной оценки качества процесса регулирования и исследования стабилизационных характеристик, (табл. 1)

Экспериментальная проверка быстродействия проведена при максимальных пределах компенсируемых изменений входного напряжения в режимах холостого хода и номинальной нагрузки. Особое внимание было уделено также переходным процессам, нормализация которых обеспечивается реализацией основанного на результатах расчета алгоритма оптимального перехода от исходного пассивного состояния к активному про-

цессу регулирования с плавным нарастанием коэффициента трансформации от минимального значения до величины, обеспечивающей поддержание номинального значения выходного напряжения.

Таблица 1

и1ф,в 181.5 200 220 235 247.5

иг, Х.Х 220.2 220.5 221.0 221.4 221.8

в НАТР. 218.2 219.5 220.0 220.5 220.8

кни, Х.Х. 1.0/0.8 1.0/0.8 1.2/1.0 1.4/1.2 1.4/1.2

% НАТР. 1.3/1.0 1.6/1.4 1.7/1.6 1.4/1.2 1.4/1.2

в, Х.Х. 78 62 42 26 2+3

,1рад. НАТР. 155 110 85 58 32

В заключении приводятся основные выводы, сделанные по результатам работы

В списке литературы приведены использованные в процессе работы источники.

Основные результаты работы и выводы

1. В результате проведенных исследований научно обоснованы схемно-технические решения, обеспечивающие необходимый комплекс технико-экономических показателей трансформаторно-полупроводниковых стабилизаторов напряжения с плавным фазовым регулированием коэффициента трансформации, реализуемом при изменении в пределах полупериода первичного напряжения момента взаимного встречного переключения транзисторно-емкостными коммутаторами раз-нополярных первичных обмоток основного силового автотрансформатора

2. Разработана корректная математическая модель переходных процессов в автотрансформаторных регуляторах напряжения с включением коммутаторов в кошуры первичных обмоток. Построение математической модели с использованием метода переменной структуры системы дифференциальных уравнений существенно повышает эффективность анализа переходных процессов на ЭВМ.

3. Проведен анализ переходных процессов в трехфазном и однофазном трансформаторно-полупроводниковых стабилизаторах данного типа, позволяющий получил» достоверные переходные характеристики токов и напряжений в всех основных элементах схемы.

4. Дано обоснование применения эксплуатационной схемы с объединением силовой нейтрали питающей сети с нулевым проводом измерительной системы при независимой нейтрали силовых автотрансформато-

ров.

5. Определены зоны устойчивости работы регулятора Установлено влияние параметров трансформатора и системы регулирования на условия возникновения резонансных и неустойчивых явлений в системе.

6. Разработан вариант алгоритма и программы расчета на ЭВМ переходных и квазиустановившихся процессов с учетом эффектов насыщения магнигопровода и изменения активного сопротивления кошуров регулирования, а также закона управления полупроводниковыми коммутаторами, различных при различных характерах нагрузки.

7. Разработан алгоритм самоликвидации неустойчивых состояний в структуре регулятора, обусловленных переходными электромагнитными процессами в силовом автотрансформаторе, и сведения к минимуму потерь быстродействия системы.

8. Показано, что электромагнитные переходные процессы в динамических режимах определяются направлением и скоростью изменения угла фазового регулирования, предшествующим состоянием структуры, а также величиной и характером нагрузки силового трансформатора

9. На основании анализа расчетных и экспериментальных данных получены схемно-технические решения, обеспечивающие вывод системы из неустойчивых состояний и ликвидацию перегрузок силовых элементов.

10. Разработана расчетная система инженерного проектирования, позволяющая выбирать рациональные соотношения параметров обмоток трансформатора и полупроводниковых коммутаторов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Горюнов МА, Коробков С.А., Сергеенков Б.Н. Переходные процессы в трехфазных трансформаторно-полупроводниковых регуляторах напряжения при переключении регулировочных ответвлений. // Тр. Моск. энерг. ин-та - 1992. - Вып. 656. - С. 71-81.

2. Коробков С.А. Математическая модель плавнорегулируемого трансформатора системы автоматической стабилизации напряже-ния-Москва, 1995. -18 с. - Дел. в Информэлектро 03.07.95, №7-ЭТ95.

3. Коробков С.А. Структурный синтез систем стабилизации напряжения на основе трансформаторно-полупроводникового регулятора -Москва, 1995. - 14 с. - Дел. в Информэлектро 03.07.95, М«8-ЭТ95.

Подписано к печати Л— //Ю 0

Печ. л. 4М Тираж /СД/ ЗаказбЧО

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.