автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование режимов работы тиристорных электроприводов при несимметрии напряжений питающей сети и управления

61 • 93 - 5/201Ь - Я

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

БАРРИ Мамаду Маладо

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТИРИСТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПРИ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ ПИТАЮЩЕЙ

СЕТИ И УПРАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент ЛАТЫШКО В.Д

Санкт-Петербург 1995

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................4

1. ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ТИРИСТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ.......................................................................................................10

1.1. Энергетические показатели тиристорных электроприводов и их влияния

питающую сеть..........................................................................................................10

1.2. Несимметричные режимы работы тиристорных преобразователей и

их особенности...........................................................................................................24

1.3. Постановка задачи исследования................................................................................32

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПРИ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ И УПРАВЛЕНИЯ.......................................38

2.1. Классификация несимметричных режимов работы тй^1|4т^.рных преобразователей........................................................................................38

2.2. Выбор параметров, характеризующих степень несимметрии режимов работы

тиристорных преобразователей................................................................................46

2.3. Общие принципы анализа характеристик тиристорных преобразователей в

несимметричных режимах работы...........................................................................83

2.4. Выводы по главе........................................................................................................107

3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ И НЕСИММЕТРИИ УПРАВЛЕНИЯ НА ВЫПРЯМЛЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.................................................................110

3.1. Влияние несимметрии сети и управления на среднее значение выпрямленного

напряжения..............................................................................................................110

3.1.1. Выпрямленное напряжение при несимметрии напряжений сети и симметрии управления..................................................................................114

3.1.2. Выпрямленное напряжение при симметрии напряжений сети и несимметрии управления...............................................................................136

3.1.3. Выпрямленное напряжение при несимметрии напряжений сети и несимметрии управления...............................................................................137

3.2. Влияние несимметрии сети и управления на пульсации выпрямленного

напряжения ..............................................................................................................141

3.2.1. Пульсации выпрямленного напряжения при несимметрии напряжений сети

и симметрии управления..................................................................................147

3.2.2. Пульсации выпрямленного напряжения при симметрии напряжений сети и несимметрии управления.................................................................................160

3.2.3. Пульсации выпрямленного напряжения и при несимметрии напряжений сети и несимметрии управления......................................................................164

3.3. В ыводы по главе.......................................................................................................176

4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НЕСИММЕТРИИ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ И НЕСИММЕТРИИ УПРАВЛЕНИЯ НА ПОТРЕБЛЯЕМЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ИЗ СЕТИ ТОКИ..................................................................179

4.1. Анализ сетевых токов преобразователя в несимметричных режимах....................179

4.2. Влияние несимметрии сети и управления на основные гармоники сетевого тока

преобразователя......................................................................................................187

4.2.1.Симметричные составляющие основных гармоник сетевого тока при несимметрии напряжений сети и симметрии управления.....................................190

4.2.2.Симметричные составляющие основных гармоник сетевого тока при несимметрии управления.......................................................................................198

4.2.3.Комплексное сопротивление и составляющие полной мощности преобразователя для основной гармоники напряжения обратной последовательности.......................................................................................200

4.3. Выводы по главе........................................................................................................204

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................208

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................212

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Благодаря широкому повсеместному распространению различных типов вентильных электроприводов постоянного и переменного тока, содержащих в своём составе управляемые или неуправляемые выпрямители, а также ведомые сетью инверторы, задачи оптимизации параметров и режимов этих преобразователей уже на протяжении многих лет сохраняет свое важное значение. В последние годы большое значение приобрели вопросы, оптимизацией энергетических режимов вентильных электроприводов и повышения их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Решение этих вопросов не в последнюю очередь связано с более полным учётом факторов, определяющих реальные условия работы преобразователей.

Классическая теория выпрямителей и зависимых инверторов предполагает симметрию сети и системы управления вентилями. Именно при этих условиях симметрии принято определять все основные параметры и характеристики преобразователей и осуществлять выбор элементов его схемы, (находить среднее значения и пульсации выпрямленного напряжения и тока, производить выбор сглаживающего реактора, преобразовательного трансформатора, вентилей, рассчитывать зону прерывистого тока, устойчивость инверторного режима, определять статические характеристики и энергетические показатели и др.). Однако, в реальных условиях работы всегда наблюдается некоторая, несимметрия напряжения сети и углов управления вентилями, что сказывается практически на всех показателях и характеристиках преобразователей. Наличие в Госстандарте на качество напряжения сети допустимых нормативов на несимметрию напряжений, а также принятые в научно-технической литературе и в технических материалах по комплектным электроприводам и серийным преобразователям значения несимметрии систем управления вентилями, дают основание считать именно работу в условиях несимметрии сети и управления нормальным ("штатным") режимом преобразователей. А это означает необходимость проведения углубленного анализа таких режимов с целью уточнения математических

соотношений классической теории преобразователей, используемых в инженерной практике при их проектировании, настройке и эксплуатации.

Рассмотренные в литературе несимметричные режимы работы преобразователей относятся, главным образом, к случаям резкой несимметрии, характерным для кратковременных аварийных ситуации (обрыв фазы сети или одного плеча моста, короткие замыкания двух фаз и т.п.) и представляют интерес в основном для выбора системы защиты преобразователей. Влияние сравнительно небольших по величине несимметрии сети и несимметрии управления на работу вентильных преобразователей в длительных режимах работы в литературе рассмотрены недостаточно глубоко и подробно. Поскольку такие режимы могут существовать длительное время и оказывать неблагоприятное влияние на характеристики преобразователей и их энергетические показатели, они заслуживают более глубокого изучения. В частности, отсутствует система классификации таких режимов и методов оценки обобщённых параметров, характеризующих степень несимметрии режимов. Их анализ при повышенных значениях несимметрии представляет также интерес с позицией установления допустимых для нормального функционирования преобразователей значений несимметрии, которые могут возникнуть в экстремальных условиях (при стихийных бедствиях, при аварийных ситуациях в системах электроснабжения и т.п. ) или в автономных системах электроснабжения.

Электроэнергетика играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении технического прогресса и повышения уровня экономического потенциала каждого государства. В Гвинейской республике проблемы повышения качества электроэнергии, надёжности и экономичности систем электропитания и электропотребителей стоят особенно остро в связи с тем, что, несмотря на наличие в стране единой энергетической системы, объединяющей около 13000 МВт суммарной номинальной мощности генераторов гидроэлектростанций небольшой мощности и тепловых электростанций, работающих на дизельном топливе, промышленные и коммунальные сети

характеризуются повышенной чувствительностью к воздействию неспокойных, нелинейных и несимметричных потребителей. Однако глубокого анализа несимметричных режимов ни в научных, ни в инженерных расчетах не производилось.

Цель диссертационной работы. Целью данной работы является исследование длительных несимметричных режимов работы преобразователей, связанных с несимметрией напряжения сети и несимметрией управления выпрямителей и ведомых сетью инверторов. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:

- разработка методов анализа несимметричных режимов работы преобразователей и методов оценки обобщённых параметров, характеризующих эти несимметричные режимы;

- уточнения статических и энергетических характеристик преобразователей при разных типах несимметрии;

- уточнения требований к качеству напряжения сети и к системам управления;

- получение рекомендаций по построению систем управления преобразователями.

Методы исследования. При выполнении работы использовались известные методы анализа нелинейных (вентильных) цепей, методы гармонического анализа и метод симметричных составляющих в несимметричных многофазных системах.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:

1. Предложена система классификации несимметричных рабочих режимов работы и определения обобщенных параметров, характеризующих эти режимы.

2. Для различных типов рассмотренных несимметричных режимов получены аналитические выражения, определяющие регулировочные характеристики преобразователей, гармонический состав выпрямленного напряжения и тока,

устойчивость инверторного режима преобразователей, их энергетические характеристики, величины эквивалентного сопротивления преобразователей для напряжения обратной последовательности. Выполнены на ЭВМ расчёты этих зависимостей и проведен анализ результатов расчётов. Выявлены новые закономерности изменения гармонического состава выпрямленного напряжения и токов на входе преобразователей в зависимости от типов несимметричных режимов и параметров несимметрии.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке методики расчёта параметров и характеристик преобразователей в несимметричных режимах работы и определении обобщённых параметров, характеризующих эти режимы, определении степени влияния параметров несимметрии на характеристики преобразователя а также в разработке рекомендаций по построению систем управления преобразователями.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на трёх научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГЭТУ, на научно-техническом семинаре «75 лет отечественной школы электропривода» и на Пятой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». Имеются две публикации: в сборнике тезисов докладов научно-технического семинара «75 лет отечественной школы электропривода», 1997 и в сборнике докладов Пятой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов» ЭМС - 1998.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, включающего 68 наименований. Основная часть диссертации изложена на 141 страницах машинописного текста. Работа содержит 46 рисунков и 3 таблицы.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанная методика анализа несимметричных режимов, включающая в себя:

а) классификацию несимметричных рабочих режимов преобразователей и типов симметрии и несимметрии управления при несимметрии сети;

б) систему параметров, характеризующих степень несимметрии режимов преобразователя;

в) получение аналитических выражений характеристик для разных типов несимметричных режимов на основе анализа несимметричного режима одного типа;

г) пересчёт результатов анализа 3-фазного преобразователя на многофазные.

2. Результаты анализа несимметричных рабочих режимов преобразователя, включая полученные соотношения для регулировочных характеристик, ограничений диапазона регулирования, гармонического состава выпрямленного напряжения и сетевого тока, энергетических показателей, токов обратной последовательности и комплексного сопротивления преобразователя для напряжения обратной последовательности.

3. Рекомендации по построению систем управления преобразователями в несимметричных режимах.

В первой главе диссертации рассмотрены особенности энергетических характеристик регулируемых вентильных электроприводов постоянного тока, их влияние на питающую сеть. Показана разновидность несимметричных режимов работы тиристорных преобразователей и их особенности (определение, виды и нормы несимметрии).

Вторая глава посвящена разработке методики анализа режимов работы тиристорных преобразователей при несимметрии напряжений питающей сети и управления.

В третьей главе рассмотрено влияние несимметрии напряжений питающей сети и несимметрии управления на выпрямленное напряжение и ток тири-сторного преобразователя. Проведен анализ регулировочных характеристик и гармонического состава преобразователей при разных типах несимметрии.

Четвертая глава посвящена анализу влияния тиристорных преобразователей на питающую сеть при несимметрии напряжений сети и несимметрии управления. Получены уравнения сетевых токов, их гармонического состава энергетических показателей, токов обратной последовательности и комплексного сопротивления преобразователя для напряжения обратной последовательности.

В заключении приводятся общие выводы по работе.

1. ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И

ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ

1.1. Энергетические показатели тиристорных преобразователей и их влияние на питающую сеть.

Проблеме энергетических показателей тиристорных преобразователей и их влиянию на питающую сеть уже в течение многих лет уделяется большое внимание.

Непосредственное преобразование одного вида электрической энергии в другой и практическая безинерционность вентильных приборов являются основными факторами, благодаря которым статические вентильные преобразователи обладают высоким КПД, высоким быстродействием и целым рядом других преимуществ перед электромагнитными преобразователями. Вместе с тем эти же факторы в сочетании с обычным импульсно-фазовым методом управления тиристорами обуславливают ряд особенностей вентильных преобразователей, снижающих их энергетические показатели и оказывающих неблагоприятное влияние на питающую сеть. К числу этих особенностей в первую очередь следует отнести:

1) наличие в кривой потребляемого из сети тока значительной величины высших гармоник;

2) низкое значение созср при глубоком регулировании выпрямленного напряжения;

3) мгновенные изменения потребляемого из сети тока при изменениях выпрямленного напряжения и тока.

Вентильные преобразователи создают в питающей сети переменные периодические токи, в большей или меньшей степени, отличающиеся от синусоидальных функций времени. Из-за наличия в питающей сети сопротивлений под действием этих токов напряжения питающей сети также становятся несинусоидальными. Разложением Эйлера-Фурье несинусоидальные периодические токи

10

и напряжения могут быть представлены в виде бесконечных сумм синусоидальных (гармонических) функций времени основной частоты и частот, кратных основной частоте. Разложение кривой в гармонический ряд показывает [18], что порядок высших гармоник для m-фазного преобразователя равен К = тп ± 1, где п = 1, 2, 3 и т.д.

Поскольку среднеквадратичное значение тока, потребляемого преобразователем из сети, равно корню квадратному из суммы квадрата эффективных значений всех гармонических гармонических составляющих тока, то, разложив основную гармонику на активную Ia = I\ cos (р и реактивную Iр = I\ sin (р составляющие можно записать [2, 6, 7, 9, 10]:

В соответствии с этим при синусоидальной форме напряжения питающей сети полная (кажущаяся) мощность преобразователя представляет собой геометрическую сумму трёх составляющих:

где Р, 0 - соот�