автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы и средства преобразования числа фаз для улучшения электромагнитной совместимости в электрических системах

На правах рукописи

О

г

^ Ворфоломеев Герман Николаевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ФАЗ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

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

05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск - 1998

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, профессор

В.З. МАНУСОВ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

A.Т. БУРКОВ

B.В. ЖУЛОВЯН Г.И. САМОРОДОВ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

АО НИИ Электроэнергетики (ВНИИЭ), г.Москва

Защита состоится 30 апреля_ 1998 г. в 10-00 часов

на заседании диссертационного совета Д 063.34.05 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, Новосибирск, пр. К.Маркса, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан

20 марта 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук., доцент

В.И. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В последние десятилетия в связи с

широким внедрением в промышленность специфических несимметричных и нелинейных электроприемников и разнообразия режимов их работы увеличилось внимание ученых и инженеров промышленно развитых стран к проблемам качества электрической энергии. Поэтому Международная электротехническая комиссия (МЭК) специально организовала технический комитет "Электромагнитная совместимость электрооборудования, включая электрические сети (ТК-77)" а Международная конференция по большим электрическим системам (СИГРЭ) создала рабочую группу "Искажающие нагрузки".

Среди всех проблем по качеству электрической энергии особое место занимает проблема электромагнитной совместимости, связанная с несимметрией и несинусоидальностью токов и напряжений в электрических системах. Рост числа и мощности энергоемких потребителей энергии несимметричного исполнения (тяговые нагрузки железных дорог, электрифицированных на переменном токе; индукционные установки, электросварочные агрегаты, магнитодинамические установки и др.) приводит к возникновению длительных несимметричных режимов. Это отрицательно сказывается на работе всех звеньев электрической системы: приемников электроэнергии, трансформаторов, линий электропередачи, генераторов. Снижается пропускная способность элементов сети, происходит дополнительный нагрев электрических машин, увеличиваются потери активной мощности и энергии, снижается надежность работы электрооборудования и всей системы электроснабжения.

Поэтому вопросы создания методов и средств симметрирования как трёхфазных электрических сетей, так и несимметричных потребителей электрической энергии являются весьма актуальными и приобретают большое народнохозяйственное значение. Отдельные исторические и технические аспекты этой проблемы отражены в работах ученых Аввакумова В.Г.,Бамдаса A.M., Борисова Б.П., Вагина Г.Я.»Веселовского О.Н..Гитгарца Д.А., Жежеленко И.В., Железко Ю.С..Идельчика В.И..Кудрина Б.И..Кузнецова В.Г., Лип-ского A.M..Манусова В.3..Шалимова М.Г..Шевченко В.В., Шидлов-ского А.К., Шнейберга Я.А. и других.

Теоретические основы и практические методы по снижению несинусоидальности напряжений и токов, наряду с другими показа-

телями качества электрической энергии представлены в трудах Буркова А.Т., Рлинтерника С.Р., Грабовецкого Г.В., Зиновьева Г.С., Ильинского Н.Ф., Мамошина P.P., Тимофеева Д.В., Трофимова Г.Г. и других.

Обе эти задачи в диссертационной работе решаются путем создания трансформаторных преобразователей числа фаз, преобразующих симметричную трёхфазную систему напряжений в иные многофазные системы. Это позволяет улучшить показатели качества электрической энергии и параметры электромагнитной совместимости устройств в электрических системах.

Вопросы, связанные с транспортом электрической энергии по четырёхфазным линиям электропередачи, по несимметричным лимит, в том числе по линиям с использованием земли в качестве обратного провода, отражены в работах ученых Александрова Г.Н., Воронова P.A., Глазунова A.A., Мельникова H.A., Орешкинского П.С., Самородова Г.И., Целебровского Ю.В., Щербакова В.К.

Проблема транспорта электрической энергии переменного тока делает актуальной задачу разработки теоретических основ и технических средств преобразования числа фаз с лучшими технико-экономическими показателями для линий электропередачи.

Цель работы состоят в развитии теоретических основ преобразования числа фаз и разработке технических средств, обеспечивающих улучшение показателей электромагнитной совместимости установок в электрических системах.

Реализация сформулированной выше цели требует решения ряда методических, научно-исследовательских и конкретных технических задач, основными из которых являются:

- обоснование принципов и разработка теоретических основ преобразования числа фаз в многофазных системах переменного тока на базе трансформаторной техники и реактивных элементов ;

- разработка методических основ и технических средств для преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в однофазное или двухфазное напряжения с симметрированием токов питающей электрической сети;

- развитие теории схемы Скотта и построение на сё основе трансформаторных устройств для взаимного преобразования сим-

метричной трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему напряжений со стабилизацией фазового сдвига мезду выходными напряжениями;

- теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов при преобразовании числа фаз, рассмотрение режимов совместной работы несимметричных электропотребителей, трансформаторных преобразователей и пктамдих трёхфазных электрических сетей;

- оценка возможностей и исследование применимости трансформаторных преобразователей числа фаз для четкрёхфазных электропередач и двухфазной электропередачи с землей в качестве обратного провода;

- технико-экономическое сравнение трансформаторного и трансформаторно-тиристорного преобразования числа фаз.

Методы исследований Для решения поставленных задач применялись метода анализа и синтеза схем, методы аналитических исследований (метод векторных диаграмм, гармонический анализ, метода симметричных составляющих и зеркальных отображений), методы математического моделирования на ЭВМ, физическое моделирование .

Работа основана на фундаментальных законах и положениях теоретических основ электротехники, электрических машин и теории передачи электроэнергии.

Достоверность основных научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена сопоставительными расчетами режимов совместной работы потребителей энергии, преобразователей числа фаз и питающих электрических сетей, а тате экспериментальной проверкой результатов на физических моделях устройств преобразования.

Научная новизна работы заключается в сл едущем:

1. Сформулированы принципы и теория преобразования числа фаз на основе метода преобразования координат и обобщенного вектора для трансформаторного способа преобразования.

2. Разработаны методические основы и теория преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в однофазное или двухфазное напряжения на базе трансформаторно-тиристорной техники с симметрированием токов питающей трёхфазной сети независимо от величины и характера нагрузки.

3. Предложены и теоретически обоснованы новые схемы трансформаторных преобразователей числа фаз со стабилизацией 90-градусного сдвига между выходными напряжениями, обеспечивающие лучшую электромагнитную совместимость электропотребителей с питающими электрическими сетями.

4. -Найдены закономерности изменения параметров фазосдви-гающих элементов в зависимости от параметров трёхфазной нагрузки и тока однофазной сети при преобразовании однофазного напряжения в трёхфазную систему напряжений.

5. Разработаны схемные решения устройств и теоретические основы преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в четырёх- и многофазную системы напряжений на двух однофазных трансформаторах.

6. Исследована возможность передачи энергии переменного тока по двум полюсам линии постоянного тока с двухфазной системой напряжений и землей в качестве обратного провода для сооруженного участка передачи постоянного тока (ППТ) Экибастуз--Центр.

Практическая ценность

1. Разработан общий алгоритм построения систем преобразования числа фаз на трансформаторах, что позволяет осуществить проектирование любых преобразователей и оценить условия их электромагнитной совместимости в электрических системах.

2. Предложенные трансформаторные преобразователи числа фаз со стабилизацией 90-градусного сдвига между выходными напряжениями при значительном разбалансе нагрузок по фазам обеспечивают на практике меньшую несимметрию токов и напряжений электрических сетей.

3. Предложен способ преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений частотой 50 Гц в однофазное напряжение частотой 75 Гц с симметричной загрузкой питающей трёхфазной сети независимо от величины и характера нагрузки. Разработано схемное решение трансформаторно-тиристорного устройства для питания устройств сигнализации и блокировки, а таете тяговых нагрузок на участках железных дорог, электрифицированных на однофазном переменном токе. Это схемное решение принято к внедрению при разработке опытного образца преобразователя числа фаз в Дорожной электротехнической лаборатории

Западно-Сибирской железной дороги.

4. Разработана система автоматического управления параметрами реактивных элементов для создания симметричной трёхфазной системы напряжений на нагрузке при питании от однофазной сети.

Реализация результатов работы

1. Предложенные способы взаимного преобразования трёхфазной системы напряжений в четырёхфазную систему используются

в отделе транспорта электроэнергии Сибирского НИИ энергетики при разработке перспективных четырёхфазных электропередач.

2. Преобразователи симметричной трёхфазной системы напряжений в многофазные системы приняты к внедрению на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги и Новосибирского метрополитена для использования в многопульсовых выпрямителях.

3. Разработаны преобразователи однофазного тока в трёхфазный мощностью 3 кВт, выпущены мелкой серией и используются при выполнении электромонтажных работ трестом "Сибэлектро-монтак" на предприятиях Западно-Сибирского региона, Якутии

и Хакассии.

4. Предлагаемые способы преобразования трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему на базе трансформаторов приняты к внедрению и включены в рабочий проект перевода участка линии ППТ Экибастуз-Центр протяженностью 600 км для передачи по этому участку электрической энергии переменного тока.

5. Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе Новосибирского, Челябинского, Монгольского государственных технических университетов и Азербайджанской государственной нефтяной Академии.

Апробация работы Полученные результаты исследований докладывались и обсувдались: на научно-технических конференциях но проблемам силовой электротехник] (Новосибирск, 1967г.,1968г, 1972г,1994-Эбгг; Омск,1969т); в СКВ Запорожского трансформаторного завода (Запорожье,I986г); на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (Новосибирск, 1993г); на научной конференции с международным участием "Проб-

лемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994т); на Российской научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск,1994т); на второй и третьей международных конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1994г, 1996г); на научно-технической конференции "Энергетика, экология, надежность" (Томск, 1994г); на международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана" (Павлодар, 1994г); на третьей международной конференции "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий" (Мариуполь, 1994г); на научных семинарах кафедр НГТУ (Новосибирск, 1993~98гг) и Петербургского государственного университета путей сообщения (С-Петербург, 1997г).

Публикации По теме диссертации автором опубликовано

более 40 печатных работ, выпущено 7 отчетов по научно-исследовательской работе, получено авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения; содержит 250 страниц машинописного текста с приложениями; иллюстрирована 48 рисунками; содержит 23 таблицы; список литературы на 16 страницах, включающих 145 наименований. В приложениях содержатся вспомогательные и дополнительные материалы, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Общие принципы и теория преобразования числа фаз

Преобразование числа фаз связано с понятиями: "фаза", а такие "симметричные (несимметричные) и уравновешенные (неуравновешенные) многофазные системы". В свою очередь, под словом "фаза" нужно различать два понятия, имеющие следующие значения.

Первое понятие, как известно, относится к угловому значению аргумента синусоидальной кривой напряжения (ЭДС, тока), отсчитываемому от ближайшей предшествующей точки перехода этой кривой через нуль от о?рицательных к положительным её значениям. Второе понятие фазы относится к названию части цепи в многофазной системе.

Под многофазной системой понимают совокупность электрических цепей-фаз, в которых действуют синусоидальные напряжения одной частоты, сдвинутые относительно друг друга на некоторый угол. Многофазная система /77 - фазного переменного тока будет симметричной в том случае, когда суша фазных (линейных) напряжений и соответственно суша токов фаз в любой момент времени равны нулю:

т

£ их№°о;

т

£ 4-

К=1

(I)

где

к= 1,2,3 ... т

- текущий номер напряжения пли тока фазы.

Выполнение условия (I) означает отсутствие тока в нейтральном проводе четнрёхпроводной трехфазной цепи или отсутствие тока в земле для /71 - фазной линии электропередачи с за земленной нейтралью.

Уравновешенность системы щ - фазного переменного тока свидетельствует о том, что суммарная мощность всех фаз в любой момент времени является величиной неизменной:

т

(2 )

РЦ)= Е рк И) = со^г .

К=1

Соблюдение условия (2) обязательно, поскольку в противном случае постоянный механический момент на валу электрической машины переменного тока не будет уравновешиваться электромагнитным моментом в каждый произвольный момент времени. В общем случае для несимметричной многофазной системы и неодинаковой нагрузки фаз суммарная мгновенная мощность - величина переменная, то-есть такая система является неуравновешенной.

Уравновешенными системами могут быть не только симметричные многофазные системы. В работе исследуется преобразование числа фаз с двухфазными системами равных напряжений (токов) и их фазовым сдвигом УС /2. Эти системы являются несиглмет-

ричнныи, поэтому ваяно убедиться в их уравновешенности. Суммарная мгновенная мощность такой несимметричной двухфазной системы равна:

р1 +р2 =2VIcosЧ>=P=cmst. (з)

Из выражения (3) следует, что среднее значение активной мощности Р за период величина постоянная, то-есть такая двухфазная система уравновешенная. ■

Взаимное преобразование многофазных симметричных уравновешенных систем, включая несимметричную, но уравновешенную двухфазную систему, целесообразно выполнять на трансформаторной технике, так как трансформаторы не изменяют условия уравио вешенности.

Задачи преобразования числа фаз определяются главным образом видом электропотребителей. В наибольшей степени в различных системах преобразования числа фаз нуждаются: линии электропередачи высокого напряжения; выпрямители и тяркстор-ные преобразователи частоты; тяговые нагрузки железных дорог, электрифицированных на переменном токе; некоторые типы электротехнологических установок; асинхронные двигатели; устройства сигнализации и блокировки на железнодорожном транспорте.

Далее в работе основное внимание уделено трансформаторным способам преобразования числа фаз.

При разработке математической модели преобразования числа фаз на трансформаторах использован метод преобразования координат, когда производится замена одних переменных другим:; переменными, обычно связанными с ними линейными зависимостями. Такой взаимный переход от одних переменных к другим переменным с использованием обобщенного вектора позволил найти общие выражения, устанавливающие связь входных и выходных параметров трансформаторных устройств преобразования числа фаз.

Выражение мгновенных значений фазных токов через обобщенный вектор тока X в трёхфазно-двухфазшх системах (рис.1) позволяет для схемы Скотта (рис.2) написать расчетные уравнения (4), связыванию токи трёхфазной и двухфазной систем при равенстве фазных напряжений. Эти уравнения совпадают с формулами (5), полученными из электромагнитной теории схемы

Рис.1. Определение мгновенных значений фазных токов через обобщенный вектор тока: а- в трёхфазной системе; б- в двухфазной системе

и,= и2= и

^ т/Г. з.

г —Зк &

т/Г 3

1-М

ь-в-Ы'

Г--¿-тЛ

У (4)

(5)

Рис.2. Схема Скотта и расчетные соотношения: (4 ) - по методу преобразования координат; (5 ) - из электромагнитной теории

Скотта.

В общем виде выражение для модуля обобщенного вектора тока примет вид:

.-,

I-VI-с;,

(6 )

где К= 1,2,3 ... /7 - текущий номер тока.

Теория преобразования числа фаз для трансформаторной техники может быть сформулирована в виде трёх систем уравнений и связующего выражения для обобщенного вектора тока 171 - фазной ж П - фазной систем переменного тока.

Первая система уравнений представляет собой совокупность отдельных уравнений магнитодвижущих сил для каждого из стержней трансформатора:

где

1.4 К= 1,2,3 •

(7 )

- число витков

£ , - номер стержня трансформатора; /,> - ток I -ой обмотки;

Ъ -ой обмотки; 1К0«ЦГ соответственно ток холостого хода и число витков первичной обмотки К- го стержня.

Вторая система уравнений основана на балансе мгновенных значений токов в симметричной многофазной системе:

I ф).0

П

£ Ш=о

К'1

I

где /77 и /? — соответствующее число фаз при преобразовании одной многофазной системы в другую.

Третья система уравнений связана с симметричностью и уравновешенностью многофазной системы:

т т

К=1

т

к=>1

У

К*1

( 9)

И, наконец, необходимо дополнить вышеуказанные системы уравнений полученным в работе выражением (6) для модуля обобщенного вектора тока. В данном случае коэффициент т //? есть отношение числа фаз входной и выходной систем преобразования при их симметричности и уравновешенности и равенстве в системах фазных напряжений. Как показано в работе, отношение /77 / /7 равно обратному соотношении действующих значений токов в преобразуемых системах:

т = 1п .

П Хт (10)

Формулы (6) и (10) являются важными контрольными выражениями, определяющими правильность построения любой система преобразования числа фаз на трансформаторах.

На основании вышеизложенного разработаны общий алгоритм и программы для расчета и проектирования любых систем преобразования числа фаз на трансформаторах, рассмотренные теоретические положения изложены во второй главе работы. Другие принципы положены в основу преобразования числа фаз на реактивных элементах.

Преобразование числа фаз на реактивных элементах

Как, известно, преобразование числа фаз между уравновешенными и неуравновешенными электрическими системами требует применения таких элементов, которые способны запасать энергию электрического и магнитного полей и отдавать её в те моменты времени, когда поступление (или потребление) энергии на стороне неуравновешенной системы отсутствует. Такими элементами являются конденсаторы, катушки индуктивности, обмотай трансформаторов и автотрансформаторов.

В третьей главе получили дальнейшее развитие теоретические и практические вопросы преобразования числа фаз в трёх-фазно-однофазных системах и, в частности, вопросы преобразования однофазного тока в трёхфазный (рис.3). В результате исследований получены закономерности изменения параметров фазосдвигающих элементов С и [,% (без учета активного сопротивления катушки индуктивности) в зависимости от параметров трёхфазной нагрузки:

С* Р(У? + ^Ч>)/зи20) ,

где V - напряжение однофазной сети;

Ри У - активная мощность и угол сдвига фаз между напряжениям: и током трёхфазной нагрузки.

Зависимости основных параметров преобразования в однофазно-трёхфазной системе от мощности асинхронного двигателя приведены на рис.4. Теоретически и экспериментально доказано,

а

Рис.3. Преобразование однофазного напряжения в трёхфазное: а- принципиальная схема; б- векторная диаграмма

Рис.4. Зависимости параметров преобразования от мощности трёхфазного асинхронного двигателя

что плеч:: преобразовательного устройства должны включать:

при СОБ < 0,5 - конденсатор + конденсатор; при СОЯ У = 0,5 - конденсатор в одном плече; при СОЭУ 0,5 - конденсатор+ катуика индуктивности.

Далее выполнена оценка электромагнитной совместимости комплексной электрической цепи, включающей в себя трёхфазную нагрузку и реактивные фазосдвигащие элементы, с питающей однофазной сетью. В результате этого получено:

¿7 'А = ¿7 ^ иУРиЬ,- 1Г210С/Р; (1Я

^•рЦТЩ/и,

где ^ - угол сдвига фаз иедду напряжением и током однофазной сети.

Установлены закономерности изменения параметров фазосдвига-ющих элементов от тока однофазной сети, которые в общем виде представлены формулами:

С= А1 + ВХ1Х ; ¿^ г ^

1

где коэффициенты Вр А2, В2 для ка7Д0Й нагрузки определяются индивидуально. Установлено, что изменение емкости С от тока X^ носит линейный характер, а изменение индуктивности / - нелинейный характер, что позволило для обеспечения симметрии напряжений на асинхронном двигателе разработать систему автоматического управления параметрами фазосдвигающих элементов.

Однофазно-трёхфазная система с фазосдвигаюпщми элементами, как показали исследования, оказывает благоприятное воздействие на сеть, существенно улучшая коэффициент мощности.

Выполнены исследования но преобразованию трёх фаз в одну на основе схемы Штейнметца при питании однофазной нагрузки от 3-х фазной сети. Получены уравнения для расчета режимов

работы однофазной электропередачи, когда на отправной подстанции выполняется преобразование трёхфазной системы напряжений в однофазное напряжение. Расчеты показали, что выполнение преобразования трёх фаз в одну по схеме Штейнметца на отправной подстанции, участка лиши ППТ Экибастуз-Центр протяженностью 600 км при его работе в режиме передачи энергии однофазного переменного тока позволит передавать мощность 350 МВт при КПД, равном 86 %.

Преобразование трёхфазного напряжения в однофазное с симметричной загрузкой ¿Ьаз питающей сети

Автором предложен способ преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений частотой 50 Гц в однофазное напряжение частотой 75 Гц с симметричной загрузкой фаз питающей трёхфазной сети независимо от величины тока и характера однофазной нагрузки. Вопросы, связанные с этим преобразованием, изложены в четвёртой главе.

Принцип преобразования числа фаз может быть пояснен с помощью волновых .диаграмм (рис.5). Из трёх синусоидальных напряжений и2а, ; ¿/2С частотой 50 Гц, сдвинутых на 120°

относительно друг друга, с помощью тирис-торных блоков формируются несинусоидальные напряжения Ц£ , , ¿1^ частотой 25 Гц с явно выраженной третьей гармоникой. Для получения кривой выходного напряжения несинусоидальные кривые суммируются по выражению Ц = Ц ~Ц + Ц.* • При разложении криН X 4 о

вой напряжения ин в ряд Фурье получено:

ин= 1Гт [ 1,52851п\йЛ * 0,099$ЩФя)+

(14)

+ 0,035 .

В связи с тем, что доля третьей и пятой"гармонических составляющих мала по сравнению с первой гармоникой, для расчетных целей можно пользоваться формулой:

Рис.5. Волновые диаграммы напряжений

Реализация предложенного автором способа преобразования трёхфазной системы напряжений в однофазное напряженке осуществляется с помощью трансформаторно-тлристорной техники по схеме (рис.6). Силовая часть преобразовательного устройства включает в себя трансформатор и три полупроводниковых блока, выполненных по однофазной мостовой схеме с встречно-параллельным включением тиристоров.

Выполнен анализ электромагнитных процессов в преобразователе числа фаз. Все три фазы вторичных обмоток трансформатора через тиристорные блоки включены последовательно, это приводит к тому, что мгновенные значения тока в фзазах равны току нагрузки, а их знаки зависят от того, какие плечи тпристорных мостов находятся в работе. При активной нагрузке и коэффициенте трансформации трансформатора, равном единице, токи вторичной и первичной цепей преобразователя числа фаз определяются:

Если предусмотреть в трансформаторе вторую систему обмоток, связанную электрически с другими тиристорными мостами, и начало формирования несинусоидальных напряжений, таких же как и Ц£/ и2,и^ (рис.5), системой управления сдви-на угол Ж , то после суммирования несинусоидальных кривых на выходе получим второе напряжение, смещенное по отношению к Цц на 90°. Равномерная нагрузка фаз приводит к приближению кривой тока в фазах трёхфазной сети к синусоидальной форме с относительно небольшим содержанием высших

(16)

Н

Рис.6. Принципиальная схема силовой части преобразователя симметричной трёхфазной системы напряжений в однофазное напряжение

гармонических составляющих (табл.1).

Таблица I

Гармоники тока ¿¿а

Гармоника I 3. 5 7 9 II 13

Амплитуда 0,899 0,143 0,063 0,032 0,014 0,003 0,003

Фаза,град. 0 180 180 180 -180 180 0

Разработанные преобразователи трёхфазного напряжения в однофазное и двухфазное с одновременным преобразованием частоты 50 Ш в частоту 75 Гц необходимы для систем электроснабжения тяговых потребителей, устройств сигнализации и блокировки на железных дорогах, участки которых электрифицированы на однофазном переменном токе.

Выполнены также исследования преобразования однофазного напряжения в симметричную трёхфазную систему напряжений на основе трансформаторно-тиристорной техники с явно выраженным звеном постоянного тока. При соединении звездой вторичных обмоток трансформаторов инверторных блоков в выходных напряжениях отсутствуют гармоники, кратные трём. В связи с этим установлено, что линейное и фазное напряжения находятся в соотношении Уд = 1,633 У<р , что необходимо учитывать при анализе и расчете режимов работы устройств преобразования числа фаз. Результаты подтверждаются соответствующими осциллограммами. Такие устройства необходимы для питания трёхфазных асинхронных двигателей путевого электроинструмента на железнодорожном транспорте.

Трансформаторные преобразователи числа фаз

Для питания двухфазных электропотребителей требуются устройства, способные преобразовывать трёхфазную систему напряжений сети в двухфазную систему и обеспечивающие симметричную загрузку фаз питающей трёхфазной сети. Этим исследованиям посвящена пятая глава. В работе за основу преобразования числа фаз принята схема Скотта, предложенная им в 1894г, когда в электроэнергетике возникла потребность в электромагнитных устройствах для связи двухфазных и трёхфазных систем электропередач переменного тока.

Исследование схемы Скотта (рис.7), выполненные автором, позволили установить связь параметров нагрузки, трансформаторного преобразователя числа фаз и питающих сетей, в частности, при преобразования двух фаз в три:

12=У?1с/2К

п при обратном преобразовании - трёх фаз в две:

¿А = (1Г1,/Гз)-/<

+ $ ¡Щ'К

(17)

(18)

Ира этом необходимо выполнить соотношения:

Исследования схемы Скотта на физической модели показали, что нет жёсткого 90-градусного сдвига между напряжениями ^ и Щ , причём отклонение фазового сдвига У от 90° доходит до * 8° и оно тем больше, чем больше разница' в токах нагрузки. Так, например, при отношении токов / = 0,1 угол 1]Г = 83,2° и при 1{ / 12 = И Угол

"У =97,7°. Такие отклонения фазового сдвига от 90° можно объяснить тем, что каждый трансформатор работает на свою нагрузку и падения напряжения на полуобмотках трансформатора Т1 больше, чем на обмотке трансформатора Т2 даже при одинаковых токах нагрузки. Крайние значения фазового сдвига приводят к росту несимметрии токов трехфазной сети до А%.

Автором предлозкена модифицированная схема Скотта (рис.8) с более аестким 90-градусным сдвигом (отклонение не более - 2°)

ЕИ>

7

% /4

у4 \90°.

•1 л Щ**

7 Г Ф 44

Рис.7. Преобразование двухфазной системы напряжений в трёхфазную систему: а- принципиальная схема; б- векторные диаграммы

Т1

р-- *А 44 \

ч, п*

•

4

п

I

£

а

Рис. 8. Взаимное преобразование трёхфазной системы напряжений в двухфазную со стабилизацией фазового сдвига: а- схема Скотта-М; б- векторные диаграммы

между выходными напряжениями. Каждое из напряжений Щ и 1/2 формируется как геометрическая сумма напряжений на обмотках и Щ , причем для формирования обмотки вклю-

чены встречно, а для - согласно. При таком соединении

обмоток мощности нагрузок распределяются равномерно между трансформаторами Т1 и Т2 , что приводит к достаточно жесткому 90-градусному сдвигу между выходными напряжениями. На основании теоретических исследований для модифицированной схемы Скотта получены расчетные соотношения, связывающие токи и напряжения при преобразовании трёхфазной системы в двухфазную:

¿с'&'&А-*-*

к при обратном преобразовании:

1г(*А-1в-^1с>С/к (20)

12=(1А-1в+тсус/к У

где Л = 0,298; В = 2,74; С = 0,354. При этом не учитывались токи холостого хода трансформаторов и активные сопротивления их обмоток. Значения коэффициентов А, В, С обусловлены 90-градусннм сдвигом между выходными напряжениями, соотношениями чисел витков обмоток трансформаторов и способом их включения (согласное или встречное). Они не зависят от мощности трансформаторов и мощности двухфазной нагрузки.

Экспериментами на физической модели модифицированной схемы Скотта показано, что стабильность угла сдвига фаз между выходными напряжениями обеспечивается при более широком разбалансе нагрузок по фазам. Так, если в схеме Скотта стабилизация угла яаблвдается только при I Х2 ~ 0,9-1,2, то в модифицированной схеме стабилизация 90-градусного сдвига

обеспечивается при большем разбалансе токов нагрузки -Ту = 0,4- 4,0.

Показано, что оптимальная электромагнитная совместимость двухфазной нагрузки, трансформаторного преобразователя числа фаз и питающей трёхфазной сети обеспечивается при двухфазной системе токов Х^ и , когда токи равны по величине и

сдвинуты на один и тот же угол относительно своих напряжений к , при этом коэффициент асимметрии по току равен

нулю.

Далее в работе обосновывается преобразование трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему с различными углаый сдвига фаз между выходными напряжениями на основе специального трёхфазно-двухфазного трансформатора (рис.9). Отличие этого трансформатора от обычного трёхфазного трансформатора состоит в том, что на выходе его сформированы две потенциально независимые электрические цепи, работающие со сдвигом на угол У относительно друг друга. Достигается это вполне определенным числом витков обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода. Число витков на среднем стержне за-

висит от числа витков обмоток на крайних стержнях магнитопровода и угла сдвига фаз ^ между выходными напряжениями К£ Е 1Г2 . Если Ы = ¥/2,

(21) .

Теоретические исследования сястеш "трёхфазная сеть-трёх-фазно-двухфазный трансформатор- двухфазная нагрузка" позволили получить общие выражения, устанавливающие связь параметров трёхфазной и двухфазной систем в зависимости от#угла сдвига фаз ~УГ= 2 оС медцу выходными напряжениями и ^ . Доказано, что оптимальное преобразование числа фаз достигается при угле У? = 90° и тогда основными расчетный: соотношениями будут:

¿А* Иг^-^8^]^*/^

¿М'&'ЫМ+Х/Ф (22)

1с-и£ (вч) - 4 (гв+фА-К/У?.

г Кг

Рис.9. Преобразование трёхфазной системы напряжений в двухфазную: а- принципиальная схема трёхфазно-- двухфазного трансформатора; б- векторные диаграммы трёхфазной и двухфазной систем

При выполнении расчетов система уравнений (22) дополняется формулами для мощностей преобразуемых трёхфазной и двухфазной систем.

Разработанные алгоритм и программа для ЗВМ позволили выполнить расчеты режимов совместной работы двухфазной нагрузки, трёхфазно-двухфазного трансформатора и питающей трёхфазной сети. Экспериментальная проверка теоретических выводов осуществлялась на макетах трансформаторных преобразователей числа фаз мощностью 0,6 и 1,0 кВА. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными до 4 % объясняется неучетом токов холостого хода трёхфазно-двухфазного трансформатора, потерь мощности в нём и погрешностью измерительных приборов.

Исследования показали, что специальный трёхфазно-двухфаз-ный трансформатор позволяет вести преобразование симметричной трёхфазной системы напряжений как в уравновешенную двухфазную систему напряжений на нагрузке, так и в двухфазную систему с различными углами сдвига фаз (0°<5ir<i 180°) между выходным! напряжениями трансформаторного преобразователя числа фаз. Оптимальным является угол У - 90° ( cL - 45°), причем число вторичных витков на среднем стержне магнитопровода должно составлять 0,366 от числа вторичных витков на крайних стержнях магнитопровода трансформатора. При равномерной загрузке фаз вторичной цепи трёхфазно-двухфазного трансформатора токи первичной трёхфазной сети симметричны.

Таким образом, трёхфазно-двухфазный трансформатор не только несёт электрическую нагрузку, но и выполняет роль электромагнитного симметрирующего устройства, улучшая взаимную электромагнитную совместимость двухфазных электропотребителей и питающих трёхфазных электрических сетей.

Выполнено технико-экономическое обоснование применения трансформаторных преобразователей числа фаз с использованием метода критерия затрат, приведенных к году. Доказано, что вариант преобразования числа фаз на основе трёхфазно-двухфазного трансформатора экономически целесообразен по сравнению со схемой "типовой трансформатор-тиристоршй блок", так как затраты на этот вариант на 24-38 % мекьгае во всём диапазоне мощностей преобразовательных устройств (63-2500 кВЛ).

Преобразование трёхфазной системы напряжений в многофазные системы

В настоящее время в Сибирском НИИ энергетики под руководством д.т.н., профессора Г.И.Самородова ведутся работы по созданию и внедрению четырёхфазных линий электропередачи. Сделано экономическое обоснование целесообразности перехода от традиционных трёхфазных электропередач к четырёхфазкым электропередачам для транспорта электроэнергии на дальние расстояния.

В диссертационной работе для четырёхфазных электропередач выполнены исследования трансформаторных преобразователей числа фаз для взаимного преобразования трёхфазной и четырёхфаз— ной систем напряжений. В основу такого преобразования положены вышеизложенные принципы построения модифицированной схемы Скотта и дано теоретическое обоснование преобразования числа фаз. Трансформаторный преобразователь числа фаз для этих целей выполняется на базе двух однофазных трансформаторов TI и Т2 (ркс.10). Каждый трансформатор имеет шесть обмоток; две из mix первичные с числом витков W подключаются соответствующим образом к трёхфазной сети, причем напряжение 1Гс = ~1Гд - Ifg (рис.11). Вторичные обмотки Wjt W^

предназначены для получения четырёх фаз на выходе трансформаторного преобразователя. При выполнении условия:

на выходе устройства формируется^ симметричная четырёхфазная система напряжений 1Г ¿Г^ ^

Окончательно получены уравнения, устанавливающие связь параметров трёхфазной и четырёхфазной электрических систем:

(23)

где KxV/Vj^VxV^V^VfV*,.

30

А

В

4

в

С ХС

а—^

IV

О

/У

ж

%

тг

IV

V/

Ы

/г

к I»

х

'V Ьч' 'V

I,

3

№

4

V

ш

£

И//

£

Рис.10. Принципиальная схема трансформаторного преобразователя числа фаз

Рис.II. Векторные диаграммы трёхфазной и четырёх-фазной электрических систем

Эта система уравнений дополняется формулами для мощностей

V ц^ * £4 * ir3x3 * fyZf'PtptjQq,<гя

Соотношения (24) и (25) являются основными при расчете режимов работы электрических систем при преобразовании числа фаз. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментов на макетах трансформаторных устройств преобразования мощностью 0,8 и 1,2 кВА.

В работе технически решена проблема перехода с четырёх-фазной системы напряжений на трёхфазную систему в случае однофазного повреждения в четырёхфазной линии электропередачи. Разработана схема с 16 выключателями, с помощью которых производится коммутация вторичных обмоток трансформаторов с передачей в линию до 75 % мощности нормального режима.

Далее разработаны основы преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в многофазные системы напряжений с числом фаз 8,12 и 24. Три трансформаторных устройства по схеме рис.10 , подключенные к питающей трёхфазной сети при чередовании фаз в последовательности ABC, ВСА, САВ , суммарно на выходе дают симметричную 12-фазную систему напряжений с углом сдвига 30° между соседними напряжениями.

Если для каждого трансформатора (рис.10) предусмотреть дополнительно четыре обмотки (две из них с числом витков 1,12 , две - с 0,3 W¿ ) и составить соединение этих обмоток по аналогии с показанным соединением на схеме, то на выходе трансформаторного устройства будет сформировано 8 равных напряжений со сдвигом 45° между соседними напряжениями. Подключение трёх таких трёхфазно-восьмифазных трансформаторных устройств к симметричной трёхфазной сети при чередовании фаз ABC, ВСА, САВ дает на выходе симметричную 24--фазную систему напряжений со сдвигом 15° между соседними напряжениями.

Многофазные системы напряжений необходимы для преобразователей тяговых подстанций городского электрического тран-

спорта, метрополитенов, для тяговых подстанщ:й участков хе-лезных дорог, электрифицированных на постоянном токе, а также для выпрямительных подстанций высоковольтных электропередач постоянного тока.

Трансформаторные преобразователи числа фаз для

линии электропередачи с двухфазной системой напряжений

В связи с распадом Советского Союза реализация крупнейшего в мире проекта ТШ Экибастуз-Центр прекратилась л в настоящее время актуальной является проблема, как без привлечения дополнительного дорогостоящего оборудования и значительных материальных средств использовать построенный участок линии ШТ для передачи по нему электрической энергии переменного тока.

Названная проблема в работе решена следующим образом. Для линии электропередачи с двумя полюсами и контурами рабочего заземления применена двухфазная система напряжений, причем взаимное преобразование трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему производится с помощью преобразовательных однофазных трансформаторов на основе схемы Скотта. Из 24-х однофазных трансформаторов, установленных на Зкибастузской преобразовательной подстанции, для целей преобразования числа фаз подходят только 12 трансформаторов с напряжениями

/ 310 кВ и коэффициентом трансформация 1,074. Для реализации в рабочем проекте следует использовать 8 трансформаторов, из них четыре на отправной и четыре на приёмной подстанции.

На отправной подстанции в Экибастузе симметричная трёхфазная система напряжений преобразуется в двухфазную систему со сдвиг ом 900 мезду напряжениями, причем при Т/д = 500 кВ напряжения в двухфазной системе 465 кВ. На

приёмной подстанции трансформаторный преобразователь числа фаз используется для преобразования двухфазной системы напряжений в симметричную трёхфазную систему напряжений. Перевод линии постоянного тока на передачу электрической энергии переменного тока с двухфазной системой напряжений требует использования земли в качестве обратного провода.

Исследования двухфазной линии электропередачи с использованием земли в качестве обратного провода показали, что эта линия по сравнению с двухфазной линией без земли обладает вполне определенными отличиями (табл.2), в частности, снижаются приблизительно з 1,5 раза такие параметры как скорость распространения электромагнитной волны IX , длина волны , натуральная мощность Рнат. при увеличении волнового сопротивления линии в 1,3 раза. В табл.2 приведены такие параметры однофазной ЛЭП без земли (используются два полюса ППТ).

Таблица 2

Параметры ЛЭП

"\11арамет-ЛЭП\РЫ V, км/с Я, км Рнат. Жг

Двухфазная без земли 300000 6000 358 ИЗО

Двухфазная с зейлеи 2.10000 4200 472 860

Однофазная без земли 198000 3960 515 400

Выполненные расчеты двухфазной линии электропередачи с использованием земли в качестве обратного провода показали, что эта линия может работать с достаточно приемлемыми технико-экономическими показателями. Так при напряжениях в начале линии - 465 кВ, в конце линии - 450 кВ передаваемая мощность составляет около 700 МВт при 101Д равном 0,86. Показано также, что экологическая безопасность людей и животных под линией двухфазного тока полностью обеспечивается, так как максимальная напряжённость электрического поля не превышает 9,2 кВ/м и напряжённость магнитного поля - 13,8 А/а, что ниже нормы. Исследования по преобразованию числа фаз для электропередач переменного тока представлены в шестой и седьмой главах работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получили дальнейшее теоретическое развитие и практическое решение проблемы цреобразования числа фаз в электрических системах, обеспечивающие создание эффективных и технически реализуемых устройств, способствующих улучшению свойств электромагнитной совместимости потребителей энергии с питающими трёхфазными электрическими сетями.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие основные результаты:

1. Сформулированы принципы и развита теория преобразования числа фаз на трансформаторной технике с использованием метода преобразования координат и обобщенного вектора, а также с учетом свойств симметричности и уравновешенности многофазных систем переменного тока.

2. Разработан общий алгоритм м методика построения систем преобразования числа фаз на трансформаторах, что позволяет осуществить проектирование любых преобразователей числа фаз

и оценить условия их электромагнитной совместимости в электрических системах.

3. Разработаны трансформаторные преобразователи числа фаз на основе схемы Скотта с лучшими технико-экономическими показателями. Обеспечена стабилизация 90-градусного сдвига между выходными напряжениями при меньшей несимметрии токов в трёхфазных электрических сетях. Так, экспериментами на физических моделях показано, что при максимальном разбалансе нагрузок

по фазам ( 11 = I и 1а = 0 или = 0 и 12 = I ) наибольшее отклонение фазового утла от 90° в модифицированных преобразователях числа фаз составляет ± 2° , в то время как в схеме Скотта это отклонение доходит до ¿8°. Выполнены исследования преобразования числа фаз на двух однофазных трансформаторах. Схема обладает достаточно жестким 90-градусным сдвигом мевду напряжениями при двухфазной системе и может быть хорошей основой при построении трансформаторных устройств преобразования трёхфазной системы напряжений в многофазные системы.

4. Впервые высказана и теоретически обоснована идея преобразования трёхфазной системы напряжений частотой 50 Гц в однофазное напряжение частотой 75 Гц с симметричной загруз-

кой фаз питающей трёхфазной сети. Исходя из электромагнитных процессов установлены необходимые соотношения входных и выходных электрических величин. Предложено схемное решение трансформаторно-тиристорного устройства, позволяющего обеспечивать симметричную загрузку фаз трёхфазной сети независимо от величины и характера однофазной нагрузки. Такие преобразователи числа фаз и частоты целесообразно применять при электроснабжении устройств сигнализаций и блокировки пли тяговой нагрузки на участках железных дорог, электрифицированных на однофазном переменном токе.

5. Показана целесообразность создания устройств с многофазной системой напряжений на основе трансформаторных преобразователей трёхфазной системы напряжений в четырёхфазную систему. Применение таких трансформаторных преобразователей числа фаз для многофазных выпрямителей тяговых подстанций городского электрического транспорта, метрополитенов, железнодорожного транспорта позволит повысить качество выпрямленного напряжения и переменного тока трёхфазных электрических сетей.

6. Исследованы электромагнитные процессы в системе "питающая однофазная сеть - трёхфазная нагрузка" с фазосдвигащими элементам!. Получены расчетные выражения для определения параметров реактивных элементов в зависимости от нагрузки и тока однофазной сети; доказано, что плечи преобразовательного устройства должны включать:

при СОЭ^Р •< 0,5 - конденсатор + конденсатор;

при СОв^Р = 0,5 - конденсатор в одном плече;

при СОЗУ > 0,5 - конденсатор + катушка индуктивности .

Однофазно-трёхфазная система с фазосдвигающими элементами оказывает благоприятное воздействие на сеть, существенно улучшая коэффициент мощности. Разработана система автоматического управления параметрами реактивных элементов для обеспечения симметричной работы трёхфазного асинхронного двигателя при питании от однофазной сети.

7. Разработаны методы и устройства преобразования симметричной трёхфазной системы напряжений в симметричную четырёхфазную систему на двух однофазных трансформаторах, позво-

ляющие взаимно преобразовывать три фазы в четыре для 4-х фазных линий электропередачи. На основании рассмотренных электромагнитных процессов в фазопреобразующих трансформаторах получены соотношения, связывающие токи и напряжения трёхфазной и четырёхфазной электрических систем.

8. Технически решена проблема перехода с четырёхфазной системы напряжений на трёхфазную систему в случае однофазного повреждения в четырёхфазной лиши электропередачи с передачей в линию до 1Ь% мощности нормального режима. При этом переход осуществляется с помощью вторичных обмоток без применения в фазопреобразующих трансформаторах дополнительных аварийных обмоток. Предложенные способы взаимного преобразования трёхфазной системы напряжений в четырёхфазную используются в отделе транспорта электроэнергии Сибирского НИИ энергетики при разработке перспективных чотырёхфазных электропередач.

9. Предложены способы взаимного преобразования трёхфазной системы напряжений в двухфазную систему на основе трансформаторной техники при использовании биполярных линий постоянного тока в режиме передачи переменного тока. Это необходимо для передачи по ним электрической энергии переменного тока с 2-х фазной системой напряжений и фазовым сдвигом 90° между ними, что требует использования земли в качестве обратного провода. Такое техническое решение принято к внедрению в рабочий проект перевода участка линии электропередачи протяженностью 600 км ППТ Экибастуз-Центр. Исследования и расчеты показали, что по линии можно передавать мощность около 700 ¡«Вт с приемлемыми технико-экономическими показателяг®. Дана оценка экологической безопасности этой линии. Максимальная напряжённость электрического поля под линией не превышает 9,2 кВ/м, напряжённость магнитного поля - 13,8 А/м , что ниже нормы.

10. Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе ряда вузов России и зарубежных стран. Отдельные практические рекомендации и разработки внедрены и внедряются в ряде отраслей промышленности.

Основные публикации по теме диссертации-:

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

2. Ворфоломеев Г.Я. Симметрирование токов трёхфазной сетл при питании двухфазных потребителей электроэнергии // Изв.вузов и энергообъединений СНГ. Энергетика.- 1994.- & 11-12.- С.51-55.

3. Ворфоломеев Г.Н. Передача энергии переменного тока по линии постоянного тока //Изв.вузов и энергообъединений СНГ. Энергетика.- 1995. № 3-4.- С.38-43.

4. Ворфоломеев Г.П. Теоретические основы преобразования однофазного тока в трёхфазный для питания асинхронного двигателя //Электротехника.- 1994, № 5-6.- С.28-29.

5. Ворфоломеев Г.Н. Преобразование трёхфазного тока в однофазный для питания мощных однофазных потребителей энергии //Пром.энергетика - 1994, В 10-11.- С.34-36.

6. Ворфоломеев Г.Н. Преобразование числа фаз на основе двух однофазных трансформаторов (к столетию создания схемы Скотта) //Пром.энергетика - 1995, 15 2.- С.29-33.

7. Ворфоломеев Г.Н. Питание трёхфазного асинхронного двигателя от однофазной сети //Журнал "Монтаж и наладка электрооборудования"- М.: 1970, вып.3(65).- С.11-13.

8. Ворфоломеев Г.Н. Взаимное преобразование трёхфазного тока в двухфазный с помощью специального трёхстержневого трансформатора //Сборник трудов Ш мевдунар.научн.конференции "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий".-Мариуполь: ПГТУ, 1994.- С.138-140.

9. Ворфоломеез Г.Н. Зглучшение электромагнитной совместимости двухфазных потребителей энергии с электрическими сетями. //Ненвуз.сб.научных трудов "Техника и электрофизика высотах напряжений.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1993.- С.95-108.

10. Ворфоломеев Г.Н. Симметрирование токов трёхфазной сети при питании однофазных потребителей энергии //Межвуз.сб.научн. трудов "Управление режимами электроэнергетических систем.-Новосибирск: изд-во НГТУ, 1994.- С.147-154.

11. Ворфоломеев Г.Н. Трансформаторный преобразователь трёхфазного тока в двухфазный //Тезисы докладов на научной конференции с междунар.участием "Проблемы электротехники" , секция "Электромеханика".- Новосибирск: изд-во .НГТУ, 1993.-С.74-78.

12. Ворфоломеев Г.Н. Определение параметров статического электромагнитного преобразователя числа фаз //Сб.научн.трудов' "Элементы автоматизированного электропривода". Новосибирск: НЖТ, 1968.- С.15-17.

13. Ворфоломеев Г.Н., Герман Р.П., Малышев С.Н. О возможности применения трёхфазно-двухфазных трансформаторов для питания индукционных канальных электропечей двухфазного исполнения. //Межвуз.сб.научн.трудов }Ь 160 "Энергосберегающие электротермические процессы и оборудование".- М.: Изд-во МЭИ, 1988,- С.18-21.

14. Ворфоломеев Г.Н., Герман Р.П., Малышев С.Н. Определение токов в трансформаторном преобразователе числа фаз по схеме Скотта //Межвуз.сб.научн.трудов "Электротермические процессы

и оборудование".- Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1989.- С.118-121.

15. Ворфоломеев Г.Н., Шальнев В.Г. Преобразование трёхфазного тока в однофазный с одновременным умножением частоты в 1,5 раза //Тезисы докладов на научной конференции с медцу-иар. участием "Проблемы электротехники" секция "Силовая электроника".- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1993.- С.64-66.

16. Ворфоломеев Г.Н. и др. Гармонический анализ выходных напряжений статического преобразователя частоты.- Новосибирск: труды НИИЖТа.- 1968, вып.77.- С.7-11.

17. Ворфоломеев Г.Н., Шальнев В.Г. Симметрирование трёхфазного асинхронного двигателя при питании от однофазной сети //Меавуз.сб.научных трудов "Автоматизированные электромеханические системы" - Новосибирск: изд-во НГТУ, 1994.-С. 73-80.

18. Ворфоломеев Г.Н., Сулаев Г.М., Худин Н.П. Тиристорный преобразователь числа фаз для питания путевого электрифицированного инструмента.- Новосибирск: Труды НМИЕТа, 1969, вып.74.- С.192-194.

19. А.С. J6 276174 (СССР). Утроятель частоты //Ворфоло-меев Г.Н., Бузыканов А.А., Скворцов I0..VI., Сулаев Г.М..-Опубл. в БИ, 1970, й 23.

20. Ворфоломеев Г.Н. и др. Преобразование трёхфазной системы напряжений в двухфазную с помощью двух однофазных трансформаторов. //Труды второй междунар.научно-техн.конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АДЭП-94, секция "Преобразовательная техника".- Новосибирск: изд-во НГТУ, 1994.- С.73-75.

21. Ворфолоыеев Г.Н., Шальнев В.Г., Пирогов Д.Н. Преобразование трёхфазного напряжения в однофазное с симметричной загрузкой питающей сети //Труды второй межд.научно-техн.конференции АПЗП-94, секция "Преобразовательная техника".- Новосибирск: изд-во НГТУ, 1994.- С.76-82.

22. Ворфоломеев Г.Н. и др. Преобразование трёхфазного напряжения в четырёхфазное с помощью двух однофазных трансформаторов //Межвуз.сб.научн. трудов "Автоматизированные электромеханические системы" - Новосибирск: изд-во НГТУ, 1995.-

С. 69-74.

23. Ворфоломеев Г.Н., Путилова Н.И., Шальнев В.Г. Технике--экономическое обоснованно применения трансформаторных преобразователей числа фаз //Труды третьей междунар.научно-техн. конференции АПЭП-96, секция "Силовая электроника" - Новосибирск: изд-во НГТУ, 1996.- С.33-96.

24. Vorfolomeev G.N., Manusov V.Z., Shalnev V.G. General principles of the phase number transformation // Third international scientifictechnical conference, Actual problems of electronic instrument engineering APEIE-96, "Power electronics". - Novosibirsk: Poblished by NSTU, 1996. P. 90-92.

25. Manusow W.Z., Worfolomcew G.N., Fadin J.I. Parametry petli faza-przewod pen przy kompensacji mocy biernej silnikow indukcj/jnych. XI miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna. Bezpieezenstwo electriczne, Tom I, Wrozlaw, 1997. P. 166-171.

Подписано в печать 13.03.98г Формат 84 х 60 х 1/16 Бумага оберточная. Тираж 150 экз. Усл.печ.л. 2,5. Уч. Заказ № УД?

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

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Ворфоломеев Герман Николаевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ФАЗ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальности: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование;

05.14.02 — Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор В. 3. Манусов

.,7 /)

11 6 И......цЗй

Щ/ьь

^Новосибирск ■

1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЭДЕНИЕ ............................................. б

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ФАЗ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ............................... 14

1.1. Проблема преобразования электрической энергии . 14

1.2. Преобразование -числа фаз на реактивных элементах и трансформаторах ..............................

1.3. Цель работы и задачи исследования............. 29

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕОРИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ФАЗ .. • 31

2.1. Постановка задачи ............. ..................................31

2.2. Принципы преобразования числа фаз ..........................32

2.3. Применение метода преобразования координат и обобщенного вектора для преобразования числа фаз ............37

2.4. Обобщенный подход к прямому и обратному преобразованию трехфазных и однофазных систем ......................48

2.5. Выводы ...................................... 52

3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧИСЛА ФАЗ НА РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ - • 53

3.1. Постановка задачи ............................. 53

3.2. Исследование преобразования числа фаз на реактивных элементах при питании трехфазных электропотребителей от однофазной сети.................... 54

3.2.1. Электромагнитные процессы в системе "однофазная сеть- трехфазная нагрузка" ................ 54

3.2.2. Система автоматического управления параметрами реактивных элементов ....................... 67

3.3. Преобразование трехфазной системы напряжений

в однофазное напряжение .............................. 72

3.4. Взаимное преобразование трех фаз в одну для однофазной линии электропередачи ...................... 79

3.5. Выводы....................................... 85

4. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧИСЛА ФАЗ И ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА .......... 87

4.1. Постановка задачи ........................... 87

4.2. Преобразование трехфазного напряжения в однофазное с симметричной загрузкой фаз питающей

сети ................................................. 89

4.3. Электромагнитно-тиристорный способ преобразования однофазного напряжения в симметричную трехфазную систему напряжений ........................ 105

4.4. Выводы ..................................... 115

5. ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧИСЛА ФАЗ

НА ОСНОВЕ СХЕМЫ СКОТТА ............................ 116

5.1. Постановка задачи........................... 116

5.2. Трансформаторный преобразователь трехфазной системы напряжений в двухфазную систему на основе

схемы Скотта ........................................ 119

5.3. Стабилизация фазового сдвига между напряжениями с помощью модифицированной схемы Скотта ......... 128

5.4. Электромагнитные процессы в трансформаторном преобразователе числа фаз со стабилизацией фазового сдвига между напряжениями ............................ 135

5.5. Электромагнитная совместимость трехфазно-двухфазного трансформатора и электропотребителей двухфазного исполнения ................................ 138

5.6. Выводы ..................................... 149

б. ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧИСЛА ФАЗ ДЛЯ

ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ С ДВУХФАЗНОЙ СИСТЕМОЙ НАПРЯЖЕНИЯ ........................................ 152

6.1. Постановка задачи ............................ 152

6.2. Общая характеристика электропередачи постоянного тока "Экибастуз-Центр" .................... 154

6.3. Свойства и параметры земли как обратного провода линии электропередачи ......................... 157

6.4. Взаимное преобразование трехфазного напряжения

в двухфазное на преобразовательных трансформаторах .... 162

6.5. Исследование режима работы фазы "провод-земля" двухфазной линии электропередачи .............. 166

6.6. Оценка экологической безопасности двухфазной электропередачи с землей в качестве обратного провода............................................... 171

6.7. Выводы .................................... 175

7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМ В МНОГОФАЗНЫЕ

СИСТЕМЫ .......................................... 177

7.1. Четырехфазные электропередачи .............. 177

7.2. Фазопреобразующее устройство для четырех-фазной линии электропередачи ........................ 181

7.3. Преобразование трехфазной системы в четы-рехфазную систему передачи электроэнергии ........... 185

7.4. Преобразование трехфазной системы напряжений в восьми-, двенадцати- и двадцатичетырехфаз-

ную системы ......................................... 198

7.5. Технико-экономическое обоснование применения трансформаторных преобразователей числа фаз ..... 201

7.6. Выводы ..................................... 206

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

ЛИТЕРАТУРА ......................................... 212

ПРИЛОЖЕНИЯ ......................................... 228

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы В последние десятилетия в связи с широким внедрением в промышленность специфических несимметричных и нелинейных электроприемников и разнообразия режимов их работы увеличилось внимание ученых и инженеров промышленно развитых стран к проблемам качества электрической энергии. Поэтому Международная электротехническая комиссия (МЭК) специально организовала технический комитет "Электромагнитная совместимость электрооборудования, включая электрические сети" (ТК-77), а Международная конференция по большим электрическим системам (СИГРЭ) создала рабочую группу "Искажающие нагрузки".

Среди всех проблем по качеству электрической энергии особое место занимает проблема электромагнитной совместимости, связанная с несимметрией и несинусоидальностью токов и напряжений в электрических системах. Рост числа и мощности энергоемких потребителей энергии несимметричного исполнения: (тяговые нагрузки железных дорог, электрифицированных на переменном токе; индукционные установки, электросварочные агрегаты, магнитодина-мические установки и др.) приводит к возникновению длительных несимметричных режимов. Это отрицательно сказывается на работе всех звеньев электрической системы: приемников электроэнергии, трансформаторов, линий электропередачи, генераторов. Снижается пропускная способность элементов сети, происходит дополнительный нагрев электрических машин, увеличиваются потери активной мощности и энергии, снижается надежность работы электрооборудования и всей системы электроснабжения.

Поэтому вопросы создания методов и технических средств симметрирования как трехфазных электрических сетей, так и несимметричных потребителей электрической энергии, являются весьма актуальными и приобретают большое народнохозяйственное

значение. Отдельные исторические и технические аспекты этой

проблемы отражены в работах ученых Аввакумова В.Г., Бамдаса A.M., Борисова Б.П., Вагина Г.Я.,Веселовского О.Н., Гитгарца Д.А.,

Жежеленко И.В.,Железко Ю.С.,Идельчика В.И.,Кудрина Б.И., Кузнецова В.Г.,Липского A.M.,Манусова В.3.,Шалимова М.Г., Шевченко В.В.,Шидловского А.К.,Шнейберга Я.А. и других.

Теоретические основы и практические методы по снижению несинусоидальности напряжений и токов, наряду с другими показателями качества электрической энергии представлены в трудах Буркова А.Т.»Глинтерника С.Р.,Грабовецкого Г.В.,Зиновьева Г.С., Ильинского Н.Ф.,Мамошина P.P.»Тимофеева Д.В.,Трофимова Г.Г. и других.

Обе эти задачи в диссертационной работе рещаются путем создания трансформаторных преобразователей числа фаз, преобразующих симметричную трехфазную систему напряжений в иные многофазные системы. Это позволяет улучшить показатели качества электрической энергии и параметры электромагнитной совместимости устройств в электрических системах.

Вопросы, связанные с транспортом электрической энергии по четырехфазным линиям электропередачи, по несимметричным линиям, в том числе по линиям с землей в качестве обратного провода, отражены в работах ученых Александрова Г.Н., Воронова P.A., Глазунова A.A.,Мельникова H.A.»Орешкинского П.С., Самородова Г.И. ,Целебровского 10.В.,Щербакова В.К.

Проблема транспорта электрической энергии по линиям электропередачи переменного тока делает актуальной задачу разработки теоретических основ и технических средств преобразования числа фаз с лучшими технико-экономческими показателями для линий электропередачи.

Цель работы состоит в развитии теоретических основ преобразования числа фаз и разработке технических средств, обеспечивающих улучшение показателей электромагнитной совместимости установок в электрических системах.

Реализация сформулированной выше цели требует решения ряда методических, научно-исследовательских и конкретных технических задач, основными из которых являются:

- обоснование принципов и разработка теоретических основ преобразования числа фаз в многофазных системах переменного тока на базе трансформаторной техники и реактивных элементов;

- разработка методических основ и технических средств для преобразования симметричной трехфазной системы напряжений в однофазное или двухфазное напряжения с симметрированием токов питающей электрической сети;

- развитие теории схемы Скотта и построение на её основе трансформаторных устройств для взаимного преобразования симметричной трехфазной системы напряжений в двухфазную систему напряжений со стабильным фазовым сдвигом между выходными напряжениями ;

- теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов при преобразовании числа фаз, рассмотрение режимов совместной работы несимметричных электропотребителей, трансформаторных преобразователей и питающих трехфазных электрических сетей;

- оценка возможностей и исследование применимости трансформаторных преобразователей числа фаз для четырехфазных электропередач и двухфазной электропередачи с землей в качестве обратного провода;

- технико-экономическое сравнение трансформаторного и трансформаторно-тиристорного преобразования числа фаз.

Методы исследований Для решения поставленных задач применялись методы анализа и синтеза схем, методы аналитических исследований (метод векторных диаграмм, гармонический анализ, метода симметричных составляющих и зеркальных отображений), методы математического моделирования на ЭВМ, физическое моделирование .

Работа основана на фундаментальных законах и положениях теоретических основ электротехники, электрических машин и теории передачи электроэнергии.

Достоверность основных научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена сопоставительными расчетами режимов совместной работы потребителей энергии, преобразователей числа фаз и питающих электрических сетей, а также экспериментальной проверкой результатов на физических моделях устройств преобразования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформулированы принципы и теория преобразования числа фаз на основе метода преобразования координат и обобщенного вектора для трансформаторного способа преобразования.

2. Разработаны методические основы и теория преобразования симметричной трехфазной систем напряжений в однофазное или .двухфазное напряжения на базе трансформаторно-тиристорной техники с симметрированием токов питающей трехфазной сети независимо от величины и характера нагрузки.

3. Предложены и теоретически обоснованы новые схемы трансформаторных преобразователей числа фаз со стабилизацией 90-градусного сдвига медду выходными напряжениями, обеспечива-

ющие лучшую электромагнитную совместимость электропотребителей с питающими электрическими сетями.

4. Найдены закономерности изменения параметров фавоздвигающих элементов в зависимости от параметров трехфазной нагрузки а тока однофазной сети при преобразовании однофазного напряжения в трехфазную систему напряжений.

5. Разработаны схемные решения устройств и теоретические основы преобразования симметричной трехфазной системы напряжений в четырех- и многофазную системы напряжений на двух од~ нофа. з ных тран сформат opa х.

6. Исследована возможность передачи энергии переменного тока по двум полюсам линии постоянного тока с двухфазной системой напряжений и землей в качестве обратного провода для сооруженного участка постоянного тока (ППТ) Экибастуз-Центр.

Практическая ценность

1. Разработан общий алгоритм построения систем преобразования числа фаз на трансформаторах, что позволяет осуществить проектирование любых преобразователей и оценить условия их электромагнитной совместимости в электрических системах.

2. Предложенные трансформаторные преобразователи числа фаз со стабилизацией 90-градусного сдвига между выходными напряжениями при значительном разбалансе нагрузок по фазам обеспечивают на практике меньшую несимметрию токов и напряжений электрических сетей.

3. Предложен способ преобразования симметричной трехфазной системы напряжений частотой 50 Тп, в однофазное напряжение частотой 75 Гц с симметричной загрузкой питающей трехфазной сети независимо от величины и характера нагрузки. Разработано схемное решение трансформаторно-тиристорного устройства для питания устройств сигнализации и блокировки, а также тяговых

нагрузок на участках железных дорог, электрифицированных на однофазном переменном токе. Это схемное решение принято к внедрению при разработке опытного образца преобразователя числа фаз в Дорожной электротехнической лаборатории Западно--Сибирской железной дороги.

4. Разработана система автоматического управления параметрами реактивных элементов для создания симметричной трехфазной системы напряжений на нагрузке при питании от однофазной сети.

Реализация результатов работы

1. Предложенные способы взаимного преобразования трехфазной системы напряжений в четырехфазную систему используются в отделе транспорта электроэнергии Сибирского НИИ энергетики при разработке перспективных четырехфазных электропередач.

2. Преобразователи симметричной трехфазной системы напряжений в многофазные системы приняты к внедрению на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги и Новосибирского метрополитена для использования в многопульсовых выпрямителях.

3. Разработаны преобразователи однофазного тока в трехфазный мощностью 3 кВт, выпущены мелкой серией и используются при выполнении электромонтажных работ трестом "Сибэлектро-монтаж" на предприятиях Западно-Сибирского региона, Якутии

и Хакассии, а также в системах водоснабжения агропромышленного комплекса.

4. Предлагаемые способы преобразования трехфазной системы напряжений в двухфазную систему на базе трансформаторов

приняты к внедрению и вкжочены в рабочий проект перевода участка линии Ш1Т Экибастуз-Центр протяженностью 600 км для передачи по этому участку электрической энергии переменного тока.

5. Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе Новосибирского, Челябинского, Монгольского государственных технических университетов и Азербайджанской государственной нефтяной Академии.

Апробация работы Полученные результаты исследований докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях по проблемам силовой электротехники (Новосибирск, 1967г., 1968г, 1972,1994-96гг; Омск, 1969г); в СКВ Запорожского трансформаторного завода (Запорожье, 1986г); на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (Новосибирск, 1993г); на научной конференции с международным участием "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск,1994г); на Российской научно-технической конференции "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 1994); на второй и третьей международных конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск,1994г,1996г); на научно-технической конференции "Энергетика, экология,надежность" (Томск, 1994г); на международной научной конференции "Проблемы энергетики Казахстана "(Павлодар, 1994г); на третьей международной конференции "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий" (Мариуполь, 1994г); на научных семинарах кафедр НГТУ (Новосибирск, 1993-97гг) и Петербургского государственного университета путей сообщения (С-Петербург, 1997г).

Публикации По теме диссертации автором опубликовано более 40 печатных работ, выпущено семь отчетов по научно-исследовательской работе, получено авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения; содержит 250 страниц машинописного текста с приложениями; иллюстрирована 48 рисунками; содержит 23 таблицы; список литературы на 16 страницах, включающих 145 наименований. 3 приложениях содержатся вспомогательные и дополнительные материалы, а также документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧИСЛА ШЗ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1.1. Проблема преобразования электрической энергии

Проблема преобразования числа фаз не может ра