автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Непосредственные преобразователи частоты с улучшенными энергетическими показателями

PCS CD

'I n • " ГЛРЬТОКПЖЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(, L s'lr.u

На правах рукописи Петрик Евгений Борисовиче

НЕПОСРЩСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ С УЛУЧШЕННЬШ ЭНЕРГЕШЧЕСЮШ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1992

Работа выполнена на гафедре прог.шшленной электроники Харьковского политехнического института.

йаучншг рукоиодпгата.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Жемеров Г.Г.

- доктор технических нау!с, профессор Быков Ю,М,

- кандидат технических наук, доцент Савченко С. П.

Ведущее предприятие - Украинский государственный

проектный и лроектно-конструк-торсюй институт "Тяжпроыэлектропроект", г. Харьков

Защита состоится "'/8 " ЫЩрГПЦ 1993 г. в /4' часов на заседании специализированного совета К 068.39.06 в Харьковском политехническом институте /310002, г. Харьков, ГСП, ул. Фрунзе, 21/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института. '

Автореферат разослан " " 1993 г.

/

Ученый секретарь А

специализированного совета ищ^и? Гончаров Ю.П.

ОЩ\Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность нпоблеьтн. Нсиосредствешше преобразователи частоты с естественной кошутавдой /ЙПЧБ/ используются в частотнорс-гулирусмых: электроприводах различного назначения, электротсхноло-гических установках, системах питания автономных сетей. Пропш-ленное применение НПЧЕ стало возможным благодаря развитии производства могсных одпооперащгонннх тиристоров /ОТ/ п созданию общей теории непосредственных преобразователей частоты, изложенной в трудах Этгангера Е.Л., Завалшнпа Д.А., Маевского O.A., Д.шд;:а1 Л., Пелли Б., Жеглерова Г .Г., Бернштейга И.Я., Ежова Ю.М., Фира-го Б.И. и других ученых. Наряду с высоким к.п.д., обусловленным .однократным преобразованием электроэнергии, долговечностью и надежностью, относительной простотой силовой части и системы управления НПЧЕ обладают рядом недостатков. Одним нз наиболее существенных является значительное потребление реактивной тлощностн из питающей сети, вследствие чего теоретически максимальное значение коэффициента полноета не превышает 0,8436.

Супествуташ-те метод» сиигсенш потребляемой реактивной мощнос-тп не дают большого эффекта. Повышение коэпЛидиента мощности НПЧЕ при использовании каскадных схсм,. регулируемое поочередно или методом разведения зекторов, возмогло в ограниченном выходной частотой режиме работн преобразователей. Включение компенсирующих устройств постоянном мощности оказывается эффективным лишь при' неизменных параметрах питающей сети, нагрузки и глубины регулирования НПЧЕ. Отдельным направление!.! повышения энергетических показателей служит применение схем искусственной коммутации на полностью управляема ключах /1ШЧИ/.

Появление запираемых тиристоров /ЗТ/, способных коммутировать токи 1-2,5 кА при напряжениях 1-4,5 кВ, и разработка соответству-щих. схемных решений позволят создать мощные компенсированные него средствонние преобразователи частоты /ЙПЧК/. Преобразователи этого класса имеют минимальное потребление реактивной мощности из сети за счет применения вентильных групп /ВТ/ на ЗТ и ОТ, коммутируемых с опережающими и отстающими углами управления. Проведеи-ние ранее исследования посвящены преобразователям малой мощности и пе охватывают всех возможных: вариантов устройств, например, Ш1ЧК с лвуэейаэннш выходами. Актуальность развития теории и создания практических схем непосредственных преобразователей частоты с высокими энергетическими характеристиками отмечена решениями

У1П конйеренции по электроприводам переменного тока с полупроводниковыми преобразователями /19В9 г./. Повышение тарифов на электроэнергию обостряет проблему компенсации реактивной мощности вентильных преобразователей.

Це,те работн заключается в решении комплекса теоретических и иняенерннх задач, связанных с исследованием характерно тик и разработкой практических схем непосредственных преобразователей час-топ! с улучшенными энергетическими показателями.

Методика выполнения исследовании. Поставленные в диссертационной работе задачи решенн методами гармонического анализа и теории рядов, обпей теории электрических цепей, применением эквивалентных схем, математического и физического моделирования.

Научная новизна рассматриваемых в работе вопросов состоит в . том, что впервые глк при допущении бесконечпр большого тлела пульсаций, так и при коночном числе пульсации ВТ с учетом параметров ости, нагрузки и схемотехнических особенностей преобразователей исследованы первичные токи и энергетические соотношения НШК с напряжением управления синусоидальной формы и любым числом -выходных (раз, работающих в стационарных рестшх. Новыми являются методика определения периода повторяемости и специализированная математическая модель КПЧК, учитывающие периодичность работы ВТ . на ЗТ и ОТ, что позволяет применять их при анализе характеристик непосредственных преобразователей частоты других типов.'

Методом допущения бесконечно большого числа пульсаций проведен анализ различных способов повшеш коэффициента мощности НПЧЕ, в том числе и при включении компенсаторов с регулируемая уровнем реактивной мощности, генерируемой в сеть. Разработан комбинированный способ компенсации трехфазно-одпофазного НШЕ с помощью компенсатора на ЗТ и предложены методы измерешш реактивной составляющей первичных токов системы "Ш1ЧЕ - компенсатор". Предложены новые схемы преобразователей на ЗТ, НПЧК, компенсаторов реактивной мощности на ЗТ ж с коммутируемыми тиристорами батареями конденсаторов, цифровые системы управления которых' построены на основе разработанного умножителя частоты сети.

Новизна и полезность принятых технических решений подтверждены семью авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту?

I. Расчетные соотношения и кривые, полученные в результате анализа первичных токов, составляющих полной мощности и энергети-

ческих коэффициентов 1ШЧК с бесконечрго большим числом пульсаций НГ и любой фазностыо нагрузки, работающих в стационарных регатах при напряжении управления синусоидальной формы.

2. Специализированная математическая модель НГТЧК, у^пттываю-щая изменения углов коммутации ЗТ и ОТ в функции напряжения управления, параметров устройств внвода энергии, сети, нагрузи! и типа работающих ВТ.

3. Установленнне закономерности изменения интегральных значений первичных токов, составляющих полной мощности и энергетических коэффициентов НПЧК с конечным числом пульсаций НГ, напряжением управления стшусоицальной формы и любой фазностыо нагрузи.

4. Предложенные новие силовые схемы и устройства управления НПЧК, компенсированных ШТЧЕ, компенсаторов реактивной мощности на ЗТ и с батареями конденсаторов, каммутпруешпи тиристорами.

5. Комбинированный способ компенсации трехфазно-однофазного НПТЕ и методы измерения реактивной составляющей первичных токов системы "Н1НБ - компенсатор"

Практическая ценность работа состоит в развитии методов расчета характеристик непосредственных преобразователей частоты, определения теоретически возможных и достигаемых на практике показателей НПЧК, создании работоспособных схем преобразователей на ЗТ и компенсаторов разных тапоп, разработке новых алгоритмов и систем управления. ■

Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ по комплексной проблеме "Научные основы электроэнергетики" АЯ УССР /задание 1.9.G.2.3.2.4/, тематическим планом НПО "ХЭШ", по хоздоговорам Jí 106 с институтом ЦНИИШАШ, J6 815 с Белорусски.! металлургическим заводом /ЙЛЗ/, № 803 с Коммунарским металлургически,! комбинатом /К1ЯК/, ffift 470 , 475 п 492 с институтом ИФВЭ.

Результаты проведенной работы использованы и внедрены в производство НПО "ХЭ'.ТЗ" при выпуске НПЧЕ для завода "Электросталь" /1992 г./ и НО /1991 г./, компенсатора реактивной мощности главных приводов блюминга КМК /1991-1992 гг./, прецизионных иоточяи-ков для питания электромагнитов УНК-I Д990-1992 гг./.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуддатгас£ на:

- научно-технических конференциях сотрудников ВНИИэлектро-аппарат, г. Харьков, 1985-1987 гг.;

- научно-технических семинарах ОНТТТ энергетики и электро-

технической ппопшшенности, г. Харьков, 1985-1990 гг.;'

- научпо-техничссют ссгтннарах АН УССР "Вопросы разработки и применения .тлристорпых преобразователей и импульсных устройств большой мощности", г. Харьков, 1280-1391 гг.

Публикация. По результатам исследований, выполненных в диссертации, опубликовано 9 печатных работ, в топ числе семь авторских свидетельств СССР на изобретения.

Объем-работы. Диссертационная работа состоит из'введения, пяти глав, заг-'ычешш, списка использованных источников из 104 наименовании, ирылолениИ и содерглг 13? страниц основного машинописного текста, 70 рисунков и 31 таблицу. .

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели исследования и основное положения, выносимые на защиту.

' В первой главе рассмотрены структуры, принципы действия НПЧК и выбран метод анализа протекавших электромагнитных процессов.

Специйичесгая особенность НПЧК состоит в необходимости учета периодичности работы ЧР на ЗТ и ОТ на кадцом этапе исследования электромагнитных процессов, имеющих циклический характер.

Рассматриваемый класс преобразователей содержит две большие группы: каскадное компенсированные /каскадные КЕМ/.и квазиком-пенсированные /ЙГО/ иепосредствешше преобразователи частоты, различающиеся алгоритмом включения ВТ на ЗТ. и ОТ, фазностыо на стороне сети, числом /77^ выходных фаз, числом т пульсаций НГ и т.д. В силовой части НПЧК для снижения возникающих при опережающей коммутации ЗТ перенапряжений следует применять устройства вывода энергии /УВЭ/, запасаемой в индуктивноетях рассеяния питающего трансформатора или токоограничиващих реакторов4. Схемы каскадного КН1Н и КИИ с однофазными выходами приведены на рис.1,2. Система имцульсно-фазового управления /ЗЙФУ/ должна обеспечивать „не только надёжное включение ЗТ и ОТ, но и гарантированное выключение ЗТ в требуемые моменты времени. Основной закон регулщюва- . ния НПЧК состоит в изменении во времени углов управления ЗТ и ОТ в равной мере по величине, но с противоположными знаками.

С целью определения основных закономерностей протекания электромагнитных процессов НПЧК, не зависящих от числа пульсаций ВТ, параметров штардей сети и УВЭ, использован метод допущения бесконечно большого числа пульсаций в кривой выходного напряжения

I

/П) оо/ в сочетании с общепринятой идеализацией напряжении питающей сети, трансформатора, вентилей и коммутационных процессов. Фазовая характернотага. СИФУ принята арккосинусоидалытой, напряжения управления и токи нагрузки галеют синусоидаяьиута форму, нулевые БГ работают раздольно с равной нули бестоковой паупоп. Основными этапами исследования идеализированных ШИК являются: вычисление мгновенных значёнтй первичинх токов и периода повторяй,гости; определение за период повторяемости интегральных значетп! первичинх токов, составтаоппгх полнол мощности и энергетических коэффициентов анализируемых преобразователей.

Поочередное включение ВТ разного типа в кагдой выходной пазе КНПЧ упгтыгсхется тлгоеденшст.га в таблице коэйпшшенташ вида

, где 5/с - номер голупериода выгодного тога Л" -й фазы; - текущая координата времени; р-Тг/% -

отношение частотп сети к еиходнон т1астоте прсобразо?ателя. Значения О - -I и а - +1 соответствуют работо ЕГ на "Т и ОТ. Мгновенные значения входпгос токов трехуазно-^-Лазного КППЧ равны

4 Ъ- , /I/

где ^ - глубина регулирования, равная отношений амплитуд напряхе-ния управления и опорного напряжения СУШ; ^ - угол сдвига тока нагрузки относительно выходного напряжения; б/ - угол сдвига максимума напряжения пазы А сети относительно нуля напряжения на выходе преобразователя; /7/ =0, I и 2 - при определений токов соответственно (Таз А, В и С". В /Г/ за базисную величину принято отношение амплитуды тока нагрузки к величине коэфйшшента трансформации питающего трансформатора.

В кастой из П)^ выходных йаз каскадного КНПЧ осуществляется, одновременная работа ЕГ на ЯТ и ОТ, поэтому мгновенные значения первичных токов на основании А/ и данных таблицы равны

- уНР+{)№г тЧ ;

В работе предложена методика вычисления периода повторяемости ШИК. Поско.тгьтсу мгновенные значения входных токов Д/ неодина-

Ч**

кобы при включении ВТ разного типа, то периодом Тр повторяемоета электромагнитных процессов Ш1ЧК следует считать наименьший интервал времени, содержаний целое число а, периодов напряжения питающей сети и целое число 2 периодов ту повторяемости работы НГ

где период - это наименьший интервал времени, обеспечивающий яри совмещении с последующим таким интервалом совпадение абсолютна мгновенных зиачешхй токов нагрузки, создаваемых однотипными ВТ независимо от номера выходной фазы преобразователя. Показано, что значения периодов Тп и зависят от схемы НПЧК и могут быть вычислены по.специальному'алгоритму при заданном параметре р .

Во второй главе получены выражения и кривые для расчета интегральных значений токов, составляющих полной мощности и энергетических коэффициентов НПЧК, определяемых за период повторяемости через входные токи и напряжения по оо'щепршштым соотношетшм. В качестве грехсТшно- /77^ -фазного КНПЧ выбраны преобразователи по вариантам I, 4 и 3 таблицы, обеспечивающие при Я) ~*-оот пониженную амплитуду колебаний реактивной мощности на входе. Анализ КНПЧ выполнен в виде аналитического исследования при ^ = I в сочетании с численными расчетами на ЭВМ при ^ I.

■Установлено, что средние значения нагрузочной состав-

ляющей первичных токов могут достигать 10-33/£ от базисного тока в КШН и каскадной КНПЧ с однофазными выходами при р = 2, а такие в КНПЧ с любой ¿разностью нагрузки при значениях , где .

£ = I; 2; 3... . При этом действующие значения входных токов преобразователей неодинаковы. С увеличением параметра р величина уменьшается и при р> 3/7}^ равна нулю, вследствие чего подмагничи-вание питающего трансформатора можно не учитывать. Несимметричный ' режим работы ЮПИ возможен при значениях р=Ю^(2б'/у2 , когда период /3/ повторяемости определяется нечетным числом периодов напряжения сети и двумя периодами повторяемости работы ВТ. Показано, что пофазная асимметрия токов и составляющих полной мощности сникается с рос том , не превышая единиц процентов от соответствующих базисных величин в случае При этих условиях появляющаяся на нходах КНПЧ мощность несимметрии практически равна нулю. В общем случае, коэффициент несимметрии токов НПЧК можно полагать равным единице. ,

В ходе аЕкишза для вычисления действующих значений основной гармоники входных'токов и суммашых значений/Э^^актив-

кой мощности !ПТЧК получены слсдуюппе выражения:

^--(КсхУТ/б)-^ 9\С05У2\ ; /4/

^Ь^р/Ч (ка11).тгЦсо^г\ , /5/

где Ксх= I и 2 - для расчетов показателен соответственно КППЧ и каскадных ШН.

Фундаментальным свойством ШЧК с бесконечно большим числом пульсаций НГ является полная гаппенеащш реактивно]'! мощности на

стороне сети

Ц*у - <?. .> ц*. - ч

~ _I " Ч , /б/

*>6>с )

что при всех сочетаниях параметров У , р , у? I Юг. п обеспечивает равщш едшшце коэффициент сдвига первичных токов.

Полная мощность грехфазпо-глногофазлых каскадных КНПЧ представлена только активной составшогдсй /5/ мощности. Преобразователи с другими сшивши схемами генерируют в сеть токи высших и низших гармоник, причем величина мощности искажения, за исключением КНПЧ чс/7?2= 3, уменьшается с ростом параметра У .

Коэффшшент мощности НПЧК зависит только от коэффициента искажения первичных токов и мокет бить определен по формулам: для каскадных КНПЧ

!% - ч -

t , /Г>2>1 ; /?/

для трехстазно-однофазного КИМ

(т) - • /8/

Зависимости коэ^хТящиептов ~ Кщ =/(V> Уг) "Р11-

ведены на рис.3,4. Из /7/,/8/ и рис,3,4 видно, что коэг/фщиент мощности имеет постоянное значение, равное единице, в каскадных КНПЧ сГПг>1, достигает единицы в КНПЧ с тшогофазной нагрузкой, но не мо;:сет бить больше 0,7071 в КНПЧ я 0,8165 в каскадном ШШЧ ■ с однофазными выходами. КНПЧ с [fig = I не обеспечивает повышения коэффициента мощности fro сравнению с НПЧЕ. Величина коэффициента мощности других преобразователей рассматриваемого класса на 15-90% выше, чал у НПЧЕ.

Проведенный анализ показал, что применение БГ на ЗТ и ОТ является высотоэ^йсктивным способом повышения коэффициента мощности и приводит к изменению условий появления подмагничивания

питающего трансформатора, несимметричных реяимов работы НПЧК при соответствующих сиговых схемах или устраняет указанные негативные о&фектп, вояшпсающие в ГПИЕ при значениях р*2Пи Характеристики каскадных ГОШ при конечных значениях параметра р совпадает с показателями "идеального" ШЧЕ при во и служат критерием опешат возможностей других способов повышения коэМчици-ента пошости непосредственных преобразователей частоты. К практическому применению рекомендованы каскадные 1(11114, ШИН с трех-' фазпш досолом и трехгшяо-двухйазяый КИГР1, одна выходная (¡вза которого содсиг.сит только ЗТ, а другая таза - голы» ОТ.

Третья глава посвящена исследованию с помощью математической модели первичных "токов и энергетических соотношении Ш1ЧК с конечным чпелоп пульсации ВТ, работающих в стационарных регшмах.

Вначале проведен анализ работы управляемых выпрямителей на ЗТ с УВЭ, впполненныя! в виде диодного поста, демпфирующего конденсатора и зависимого инвертора. Для построения силовой части мощных ШГПС с шестипульсныия ВТ предложены мостовая схема на ЗТ с УВЭ, содержащим пятпбазнш диодный мост /рис.1/, и вновь разработанная схема с двумя УВЭ /рис.2/,' отличительной чертой которых слунит наличие дополнительного контура для протекания тока нагрузки в течение коммутационных интервалов ЗТ.

Целью исследования НГНК с конечным "числом пульсаций НГ являются уточнение установленных при допущении ГП ->~оа закономерностей протекания электромагнитных процессов и расчетных соотношений, определение достигаемых на практике показателей устройств. Анализ проведен при общепринятых для мощных ШЧЕ допущениях. Кроме того, напряжение на демпфирующем конденсаторе.УВЭ принято постоянным-в течение двухступенчатой коммутации ЗТ, ЗТ выключаются мгновенно.

Связанная с опережающей коммутацией ЗТ специфика электромагнитных процессов учтена при выборе расчетных схем и разработке математической модели НПЧК. Условием эквивалентности реальных и „расчетных схем служат равенства по величине и совпадение. во времени углов управления и коммутации вентилей, мгновенных значений первичных: токов и выходных напряжений. В расчетных схемах ЕГ На ЗТ и УВЭ замещены общей вентильной группой, образованной параллельно включенными нулевыми ЕС на ЗТ и диодной ВТ с источником постоянной э.д.с-., равной по величине напряжению на демпфирующем конденсаторе УВЭ реальной схемы. Пульспость ВТ равна ГП ~ 6.

Методику исследования характеристик НПЧК содержат следующие

этапы: определение периода повторяемости; расчет абстшсс включения и соотвэтствуючггос игл углов коммутации j -х вентилей к -х фаз преобразователей; расчет itthobchhik значений первичных токов; вычисление за период повторяемости интегральных значений токов, составляющих полной мощности и энергстсгческпх коп'йпциен-тов.

Впервые на основе анализа работа СЯФУ и комг.тутагсюпшк процессов в группах па ПТ и ОТ разработана специализированная математическая модель HF4K, в готовой признак о^^тппа работатарпс ВТ является перененнш параметром. -Например, обобщенное выражение для расчета углов комгг/тащш J -х вентилей, вступа'лчих в работу в К -х фазах трех<%з1го- ff)¿ -Ушного ШИН, «пест вид

где Hy¿> I - коэййипяспт перепапряпетгия, равный отношении величины напряжения на дшпТлщуищсм конденсаторе к амплитуде линейного -напряжения вентильных обмоток питающего трансформатора; Jg^- амплитуда тока нагрузки в долях номинального выходного тока; Ukотносительное значение напряжения короткого замигсаиия цепи питания с учетом индуктивности сети и питающего трансформатора; & - параметр перехода от реальных к эквивалентным схемам; So - угол сдвига опорной.синусоиды СИФУ с номером J = 0 относительно нуля напряжения управления,

В любой момент времени мгновенные значения первичных токов КНПЧ ваши . mi , » ,,

ч* м 7 "ir J . - /io/

где значения составляющих ¿^ вычисляются на коммутационных п внекоммуташонних интервалах времени, по соответствующим формулам.

Каскадный КНПЧ с/Я^-Фашшм выходом могло представить в виде двух КНПЧ, работающих одновременно при равном нули фазовом сдвиге медду токами выхода их фаз с одинаковыми номерами, и применить для расчетов принцип суперпозиции. Порядок вюточения ВТ одного КНПЧ определяется коэффициентами С!м , а второго КНПЧ - коз фи шлиента-ми S*-™*), значения которых приведены в таблице. Мгновенные значения первичных токов каскадных КНПЧ описываются выражением

М . (^)г (тг) ] . . №)r (гщ) 7

fKMete ^ J*tf4f J /II/

Интегральные значения первичных токов и энергетических характеристик ШИК вычисляются по мгновенным значениям входных токов и напряжений. Разработанная математическая модель НПЧК учитывает изменения углов коммутации ЗТ и ОТ, вычисляемых в функции напряжения управления синусоидальной формы, параметров УВЭ, сети, нагрузки и периода повторяемости работы 'ВТ разного типа; и монет быть использована при анализе непосредственных преобразователей с другими силовыми схемами и напряжением управления несинусоддальной 'формы,

Выполненные на ЭВМ расчеты охватывают симметричные и несимметричные режимы работы НПЧК в диапазоне изменения глубины регулирования = 0,1-1,0 и угла % = 0-71/2 при сочетании параметров У*}.- 1.0;= 1,3, Определено^ что отличные от нуля

средние значения нагрузочной составляющей первичных токов и пофаз-ная асимметрия действующих значений токов КШН и каскадного КНПЧ с однофазными выходами, КНПЧ с /!7г -фазным выходом, а также несимметричные режимы работы КНПЧ возможны при тех же условиях, что и для случая ГП -*-оо. , -

К особенностям НПЧК с П)фсо относятся незначительное потребление реактивной мощности из сети и повышенная величина мощности искажения, вызывающие увеличение полной мощности преобразователей и снижение энергетических коэффициентов. Различия в условиях протекания и длительности коммутаций ЗТ и ОТ /см. выражение /9// ведут к появлению фазового сдвига между кривыми напряжения сети и основной гармоники первичных токов, вследствие чего суммарная ре-, активная мощность НПЧК во всех режимах работы отлична от нуля -

Я™* О ■ , /12/

Величина ф^-'не превышает в ЩИ и каскадных КНПЧ соответственно 4-6$ и-9-13% от базисной мощности, равной произведению напряжения холостого хода неуправляемого выпрямителя и базисного тока. При этом коэффициент сдвига имеет высокие значения: 0,987-0,996; 0,996-0,998 и 0,998-0,999 в КНПЧ; 0,992-0,996; 0,996-0,999 и »0,998-0,999 в каскадном КНПЧ соответственно при 17)1= 2 и 3. По-• вышение мощности искажения по сравнению со случаем П) -*-«*>объясняется увеличением доли гармоник с неосновными частотами в первичных токах преобразователей, что обусловлено применением ВТ с конечным числом пульсаций и принятым в анализе допущением постоянного напряжения на демпфирукщем конденсаторе УВЭ, приводящим к заниженным на 5-157» расчетным значениям углов коммутации ЗТ. Реальные НПЧК

потребляют из питающей сети преимущественно активную мощность /5/.

Показано, что коэффициент мощности НПЧК практически зависит только от коэффициента искажения входных токов. При заданных условиях расчета величина коэффициента достигает соответственно 0,657; 0,953 и 0,951 в КНПЧ; 0,799; 0,981 и 0,985 в каскадном КНПЧ с одно'-, двух- и трехфазным выходами. Приведенные, на рис.5-8 кривые коэффициента мощности трехсТазно-трехфазного,--Ш1Ч и каскадного КНПЧ с П>1 = I; 2; 3 показывают снижение его величины при значениях У^ 0,5-0,6 вследствие увеличения относительного значения мощности искажения. Установлено, что .при значениях 0,3^4^,9 величину коэффициента мощное ти КНПЧ с Л7г = I и 2 молно вычислить по бюрмуле /3/ и кривым рис.3 с погрешностью, не превышающей 2-5%. За исключением трехфазно-однофазного КНПЧ, преобразователи класса НПЧК имеют на 18-60$ более высокий коэффициент ммщюстн, чем НПЧЕ с шестипульсннми НГ и напряжением управления синусоидальной формы.

Проведено исследование влияния параметров Ц/с.у и /Сус на величину коэффициента мощности КНПЧ с /7)^= I. Для повышения коэффициента мощности НПЧК, работающих с малым значением параметра V , предложены выбор питающего трансформатора с увеличенным относительным значением напряжения короисого замыкания и применение УВЭ, обеспечивающих минимальный уровень перенапряжений в схеме. Также возможны использование ЕГ с повшеннш числом пульсаций, переход от схем с однофазным выходом к схемам о многофазным выходом и включение специальных устройств компенсации мощности искажения. Для снижения среднего значения нагрузочной составляющей и пофазной асимметрии входных токов НПЧК рекомендованы способы и устройства, применяющиеся с этими целями в НПЧЕ.

Установлено, что полученные для случая 17)расчетные соотношения и .кривые допустимо использовать при проектировании НПЧК. В принятом на практике диапазоне изменения глубины регулирования ' /0,3-10,9/ при равной, выходной мощности преобразователей точность определения средних: значений первичных токов, действующих значений основной гармо}Шки токов, активной и реактивной мощности будет не хуже 1-5/5, а действующих значений первичных токов и величины полной мощности - не хуже.5-10/5 от соответствующих базисных величин.

В четвертой главе при допущении /77.-»-торассмотрены различные способы повышения коэффициента мощности ЕПЧЕ и ряд вопросов, свя-занннх о разработкой системы "НПЧЕ - компенсатор".

Показано, что коэффициент мощности каскадных НПЧЕ, регулиру-

емых симметрично, поочередно или методом разведения векторов выходного напряжения, ним на 7~60% коэффициента мощности каскадных КНГО, Для случая р;>>1 определено, что реактивная мощность на входе трехглаз но- !7>1 -фазного К1НЕ тлеет постоянную и пульсирующую составляющие, вследствие чего эффективная ко:.шенсация НГОЕ возможна при вюгочении компенсаторов с регулируемым уровнем реактивной мощности. Для анализа предлонен идеализированный компенсатор, силовая часть и система управления которого позволяют мгновенно изменять амплитуду синусоидальных входных токов, оперезхаюндох напря-яения сети по фазе на угол $"/2. Мгновенные значения первичных токов системы "НПЧЕ - компенсатор" с точностью до коэффициента 0,5 определяются выражением /2/, чго означает приближение коэффициента мощности компелгированншс НПЧЕ к показателю /7/ каскадных КНШ. Определены области рандонального применения кошенсирумдаос устройств разных типов, работающих совместно с НПЧЕ.

Исследована возг.ю.-'дость измереняя реактивной сосгавяявдей первичных токов спстеии "ШНЗ - компенсатор" применяемым на практике методом мгновенного съема и- разработанным методом двойного мгновешого съема. В последнем случае измерение сигнала, пропорционального основной гармонике тока, осуществляют как минимум дважды за период наттря^е.чкя сети в известные моменты времени / и

/ с послсду^-тш программным вычислением амплитуды реактивной состаЕЛяюпе"! первичного тока согласно выражению

, лз/

где члены вида определены расчетным путем,

а валичины 1цЩ V. 1ц № ~ получены при измерениях. Показано, что время реакции компенсаторов с батареями конденсаторов, коммутируемыми гиристорными ключами, мо.-;ет составлять 10-15 мс /при частоте сети = 50 Гц/ в случае применения указанных методов измерений. Метод двойного мгновенного съема целесообразно использовать в быс-тродействуингих компенсаторах реактивной тугости на г*Т и с реактором, управлявши тиристорами.

Жесткая сгагхронняатгя процессов измерешй, коммутации вентилей преобразователей и компенсаторов разных типов с частотой питающей сети обеспечивается построением хдатоовых систем управления на основе разработанного ушоглтеля 'частоты сети на /7? /рис.9/. Алгоритм работы утлнопителя частоты сети описывается выражением

Toi Ф-Ым n)/fr t SU ( m/fr) , A4/

где ^ - частота тактовых пмпульсов генератора.fi1 ;M-/ - число импульсов, соответствующее длительности 1/iï) части предыдущего периода Тон напряжения сети;41^ и - тштервали времени для коррекции кода tJi-i , осуществляемой счетчиком СЦ1 ; ВН - число импульсов коррекции, Умножитель частоты отсле;:швает колебания частоты сети с задержкой, не превышающей одного периода То , и при значениях /0 = 50 Гц; fr~ 1,25*10® Гц; Ю = 12 имеет теоретически максимальную погрешность синхронизации &уц= 0,16 эл. град. Предложены равно1Штервалыгае цифровые СИФУ преобразователей на ОТ и ЗТ, (формирующие импульсы управления с асимметрией не более 0,5 эл. град., что позволяет применять их в прецизионных тиристорных источниках питания для электрофизических установок.

Разработан« конкретные схемы компенсаторов с коммутируемыми тирис тоpai.ni батареями конденсаторов и цифровыми спстемаш управления, реализу,ацш.га методы мгновенного /рис. 10а/ и двойюго мгновенного /рис.106/ съема. Приведенная на рис.2 мостовая схема с двумя УВЭ использована при разработке кошенсатора реактивной мощности на ЗТ с пониженными в 5-8 раз амплитудами высших гармоник в пер-вичннх токах по сравнению с управляемым выпрямителем на ЗТ. Эффект достигается поддержанием величины утла коммутации ЗТ на уровне

40-55 эл. град,, путем регулирования напряжения на демпфирующем конденсаторе УБЭ, что следует из /9/ при изменении значения коэффициента Кус \ При этом необходимо увеличение установленной мощности демпфирующее конденсаторов и зависимых инверторов.

Предложен комбинированный способ компенсации трехфазно-одно-фазного НПЧЕ с помощью компенсатора па ЗТ, работающего в'циклическом режиме. В функции измеряемых значений параметров 9 и ¡^ компенсатор на ЗТ принудительно переводят в реллм работы, имитирующий увеличегте числа выходных: фаз преобразователя. За счет компенсации реактивной-мощности и мощности искажения в области значений ^0,65 и^^/З коэффициент мощности -компенсируемого НПЧЕ теоретически может достигать единицы и превосходит на 5—18?» коэффициент мощности трехфазно-однофазного каскадного КШН,-На практике при Utr.y = =. 1,0 и k\ft= 1,3 кривые коэффициента мощности разрабо-

танной системы в соответствующих областях значений У и Уг повторяют кривые коэфхТкшлентов каскадного ЮПИ с ГГ)^-:- I /рис.6/ и kfQ трехгазпо-двухйапшго МНИ /рис.З/, Разработаны аппаратная реали—

зашя способа и методика определения условий перевода компенсатора в тот илп тол ре::ам работы.

Пятая глава содерстт результаты экспериментальной проверки полученных: теоретически характеристик каскадного ШИН с /772 = I и предложенных в работе технических решений. Исследования проводились на работающей в циклическом режиме физической модели'преобразователи, выполненной по нереверсивной мостовой схеме и снабженной цифровой С;йУ.

На рис.11 приведены осциллограммы выходных напряжения Ог и тока ¿2. . напряжения Ц«р и тота ¿1(р одной из входных фаз модели. , Симметричное расположение кривой относительно кривой свидетельствует о способности каскадных КНПЧ компенсировать реактивную мощность за каддый период напряжения сети. Исследование зависит,гостей коэффициентов сдвига и искажения первичных токов от параметров У и ^ показало расхождение неладу расчетными и экспериментально определенными значениями, не превышающее 5%.

Осциллограммы рис.12 иллюстрируют работу реального умнолитеяя частоты сети на П) = 12 ж практически повторяют кривые рисьЭ. Экспериментально полученная величина погрешности синхронизации ушо-лсителя частоты больше на 0,05 эл. град, расчетного значения йуц •

Проведенные исследования подтвердили достоверность теоретических положений, эффективность используемых методов .расчета характеристик преобразователей и работоспособность предложенных силовых схем и устройств управления.

В приложениях содерглтся данные расчетов энергетических показателей идеализированных КНПЧ /варианты 2 и 5 таблицы/, трехйазно-1711 -фазного НПЧЕ с шесгипульсными ВТ и акты внедрения-результатов работы.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы;

1. Рассмотрен класс компенсированных непосредственных преобразователей частоты ЛИ/, состоящий из каскадных компенсированных /каскадных КНПЧ/ и квазикомпенсироЕакнцх /К1ЯТЧ/ преобразователей. .Показано, что связанную с опережающей коммутацией ЗТ специфику ШИК необходимо учитывать при построении силовой части и системы управления, а также на каядом этапе исследования электромагнитных процессов, имеющих циклически!!; характер.

2, При определении основных закономерностей протетания электромагнитных процессов НПЧК целесообразно применять метод допущения

бесконечно большого числа пульсаций в кривой выходного напряжения, получивший дальнейшее развитые в виде разработанной методики вычисления периода повторяемости рассматриваемых преобразователей.

3. Впервые для работающих в стационарных рентах НПЧК с напряжением управления синусоидальной формы и лобым числом выходных фаз при допущении бесконечно большого числа пульсаций цроведен анализ первиадых токов, составляющих полной мощности, энергетических коэффициентов и получены соответствующие расчетные соотношения и кривые. Установлено, что отличные от нуля средние значения нагрузочной составляющей входных токов и пофазная асимметрия действующих значений токов КНПЧ и 1саскадного КНПЧ с/7?г= I возможны при

р = 2, а в случае КНПЧ с Щ -фазным выходом - при значениях р =

Пофазная асимметрия токов и составляющих полной мощности КНПЧ возшпсапг' при значениях О Постоянная состав-ллдаая входных токов, пофазная асгалиетрия токов и составляющее полной мощности быстро убывают с ростом параметра р

4. Применение ВТ на ЗТ и ОТ, коммутируемых с оперезхающиш и отстамрож углам управления, обеспечивает компенсацию реактивной мощности НПЧК и равный единице коэффициент сдвига на входе. Коэффициент мощности НПЧК зависит только от коэффициента искажения первичных токов и, за исключением ШШЧ с /77,2 = превосходит на 16-90'/; коэффициент мощности НПЧЕ при тех яе условиях. Опредадено, что из двух вариантов КНПЧ с /77^ = 2 более высокий коэффициент мощности тлеет преобразователь, содержащий в одной выходной фазе только ЗТ, а в другой фазе. - только ОТ. Каскадные КНПЧ обладают "идеальными1' характеристиками, их коэффициент мощности равен единице при/7?г>1. •

5. Разработана специализированная математическая модель НПЧК о конечным числом пульсаций Ж1,, позволяющая исследовать протекающие электромагнитные процессы с,учетом изменения углов коммутации ЗТ и ОТ, вычисляемых в функции напряжения управления, параметров сети, нагрузки, устройств вывода энергии и периода повторяемости работа ВТ.

6. Выполненный с помощью математической модели анализ первичных токов и энергетических соотношений НПЧК показал возможность распространения полученных при допущений /7) -».оарезультатов на преобразователи с конечным числом пульсаций ВТ для определения условий появления специфических решзмов работы, расчета интегральных значений первзгчных токов и составляющих, полной мощности с точнос-

тью, достаточной для инженерной практики.

7. ИЖ с конечным телом пульсаций ВТ и напряжением управления синусоидальной Форш потребляют из питающей сети незначительную реактивную мощность, при этом величина коэффициента сдвига составляет 0,99-0,999. Коэффициент мощности достигает значений 0,799 в каскадном ВИН с [Щч I; 0,95 и 0,98.в КШН и каскадных КНПЧ с /п2> I, но снижается до величины 0,45-0,55 в области значений параметра V-^ 0,3-0,5х за счет увеличения относительного значения мощности искажения. Определены методы повышения коэффициента мощности НПЧК, направленные на компенсацию мощности искажения.

8. Предложены ситовые схемы преобразователей на ЗТ, на основе которых выполняются мощные НПЧК и компенсаторы реактивной мощности на ЗТ. Разработаны -компенсаторы реактивной мощности с коммутируемыми тиристорами батареями конденсаторов, снабженные быстродействующими цифровыми системами управления.

9. Показано, что" приближение характеристик НПЧЕ к показателям каскадных КНШ возможно при включении компенсаторов с регулируемым уровнем реактивной мощности в точке подключения преобразователей

к питающей сета. Разработан коибшшЪоваиный способ компенсации НПЧЕ с однофазным выходом с помощью компенсатора на ЗТ, работающего в циклическом режиме," при котором обеспечивается повышение коэффициента мощности на 5-18 & в области значений параметров У.^0,65 и^/3 по сравнению с трехйазно-одноиазным каскадным КНПЧ.

10. Для измерения реактивной составляющей первичны^ токов системы "НПЧЕ -.компенсатор" предложен метод мгновенного съема и разработан метод двойного мгновенного съема, реализация которых осуществляется унифпцироваиныш системами -управления, построенными на основе разработанного умножителя частоты сети.

II., Результаты проведенных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, предложенные технические решения использованы при инженерном проектировании и внедрены на НПО "ХЭМЗ" при вынуске комплектных устройств источников питания 150 В 25 кА и 1,86 кВ 3,6 кА. для электромагнитов ускорительно-накопительного комплекса УНК-I, комплектного устройства типа КУ-ПКРМ-19600 мощностью 19600 кШ.р для компенсации реактивной мощное» ти главного привода блюминга КЖ, трехфазно-двух'оазных НПЧЕ 150 В 1200 А 1,5-3 Гц и 350 В 1200 А 0,2-2,5 Гц дня установок электромагнитного перемешивания расплавленного металла.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Жемеров Г.Г., Коляндр ИЛ., Петрик Е.Б. Каскадный компенсированный преобразователь частоты // Техн. электродинамика. -

- 1988.- № 6,- с.40-44.

2. Жемеров Г.Г., Коляндр И.Л., Петрик Е.Б. Компенсированный непосредственный преобразователь частоты.// Техн. электродинамика.- 1990.- й 5.- с.58-65.

3. A.c. 1247128 СССР. Устройство для синхронизации системы управления -фазного вентильного преобразователя / Е.Б. Петрик, И.Л. Коляндр, Г .Г. Кеперов и др.- БИ ß 39, 1987.

4. A.c. 1365283 СССР. Устройство для синхронизации системы управления вентилями /77 -фазного преобразователя / Е.Б. Петрик, И.Л. Коляндр, И.И. Левитан н др.- БИ-JS I, 1988.

5. A.c. 1394373 СССР. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Г.Г. Жемеров, И.И. Левитан, Е.Б. Петрик и др,-

БИ й-17, 1988.

6. A.c. 1522348 СССР. Устройство для компенсации реактивной мощности / ИЛ. Коляндр, Е.Б. Петрик, Б.Е. Блант и др.- БИ Л 42,

7. A.c. 1576978 СССР, Устройство компенсации реактивной мощности / Е.Б. Петрик, Ii .Л. Коляндр, Г.Г. Жемеров и др.-Ш № 25, 1990..

8. A.c. I72I756 СССР. Устройство для управления ГП -фазным вентильным преобразователем / Е.Б. Петрик, А.Б. Еремеев,

Н.Б. Клойз и др.- БИ Ш II, 1992.

. 9. А.ог. 1753544 СССР. Компенсатор реактивной мощности / Г.Г. Жемеров, Е.Б. Петрик,- БИ № 29, 1992.

1989.

laSnuaa

Рис.2 ' Рис.4

o,i V a,j at Ai в.' цу сц «? t,o

Рис. 6

с ц/ üí us i?,» «i «s 47 0,1 a,i 4,0

Рис.7

m * i э

l£

TT I I LUA

-iUi

~oj ел «,3 ft» «5 гу: а,? в,' <¡>

Рте. Б

fi г

'Я-

f

ET

i) Рис.9

я / 3

И- ^ ib-У

ЯЗ

cj

s

s Oí

1T a „ et 1T s- Ш

H-«