автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Пофазно-управляемые преобразователи для стабилизации параметров качества электроэнергии в трехфазных системах

ВВЕДЕНИЕ.5.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.I6.

1.1. Вентильные преобразователи для быстродействующей стабилизации параметров качества jg электрической энергии.

1.2. Тиристорные устройства для снижения отклонений напряжения в трехфазных электрических сетях

1.3. Статические преобразователи трехфазного тока в однофазный для симметрирования однофазных изменяющихся нагрузок.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.34.

ГЛАВА 2. ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ПОФАЗНОЙ КОРРЕКЦИИ ТОКОВ В ТРЕХФАЗНЫХ ЧЕТЫРЕХ-ПРОВОДНЫХ СИСТЕМАХ.

2.1. Уравновешивание трехфазной четырехпро-водной системы с помощью пофазной коррекции токов

2.2. Выбор управляющих параметров тиристорных преобразователей для пофазной коррекции токов

2.3. Принципы построения тиристорных преобразователей для пофазной коррекции токов

2.3.1. Тиристорный переключатель нагрузок с управлением по напряжению нулевой последовательности .'

2.3.2. Автоматическая дискретная система минимизации тока нулевой последовательности ^

Актуальность темы. В принятых на ХХУ1 съезде КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 гг. и на период до 1990 года" в области электроэнергетики предусмотрено продолжить работы по повышению надежности и качества электроснабжения народного хозяйства, всемерно проводить в жизнь энергосберегающую политику. На решение этой важной проблемы направлены также мероприятия, предусмотренные отдельными заданиями Энергетической программы.

Эффективное и экономичное использование энергетического и технологического оборудования в трехфазных системах в значительной мере определяется качеством электроэнергии (КЭ), параметры которого нормируются ГОСТ 13109-67. Ухудшение КЭ приводит к увеличению потерь напряжения и мощности, снижению пропускной способности трансформаторов и линий электропередач, сокращению срока службы преобразователей и потребителей электроэнергии, технологическому ущербу и т.д. По экспертным оценкам ученых и специалистов ВНИИЭ и ЭНИН им. Г.М.Кржижановского минимальный ущерб только от пониженного КЭ в целом по стране составляет более двух миллиардов рублей в год, в том числе дополнительные потери электроэнергии оцениваются 3,5 млрд. кВт. часов.

Постоянный рост электрификации народного хозяйства и, как следствие, увеличение количества и единичной мощности несимметричных, резкопеременных и реактивных нагрузок привелик общему ухудшению КЭ в многофазных системах вследствие возрастания влияния на их работу таких отрицательных факторов, как недопустимые отклонения и колебания напряжения, увеличение потерь активной мощности, несимметрия и неуравновешенность системы напряжений и токов, высшие гармоники и т.д.

Проблема обеспечения качественного и надежного электроснабжения приобретает еще большее значение в связи с тем, что в настоящее время уже нашли и будут находить весьма широкое применение ответственные потребители, требующие особо высокого КЭ. Е ним относятся информационно-вычислительные центры, станки с числовым программным управлением, радиоэлектронные комплексы, автоматизированные системы управления производством, узлы и каналы связи, системы промышленной автоматики и др.

Применение традиционных технических средств стабилизации параметров качества электроэнергии в многофазных системах (источники реактивной мощности, трансформаторы с электромеханическим РПН, линейные регуляторы напряжения, силовые фильтры и др.) не всегда приводит к желаемым результатам. Это обусловлено прежде всего тем, что разработанные и частично уже освоенные промышленностью устройства повышения КЭ не удовлетворяют современным требованиям, в основном, по быстродействию, точности регулирования и стабилизации параметров КЭ, а также по массогабаритным показателям. Необходимо создание и практическое применение таких статических преобразователей электрической энергии, которые бы обеспечивали комплексное повышение КЭ в трехфазных системах и обладали высокими КПД и надежностью, необходимыми массогабаритными показателями, широким диапазоном регулирования параметров электрической энергии и т.д.

Целесообразным и эффективным цутем в этом направлении является разработка и внедрение тиристорных устройств повышения КЭ, построенных на основе полупроводниковых преобразователей электрической энергии при использовании естественной и искусственной коммутации.

Преимуществом таких устройств является возможность их выполнения пофазно-управляемыми, что позволяет реализовать многофункциональные преобразователи для стабилизации параметров качества электрической энергии, которые осуществляют одновременно коррекцию нескольких показателей КЭ. Однако трудности практической реализации таких пофазно-управляемых преобразователей заключаются в недостаточной изученности вопросов, связанных с разработкой принципов построения их силовых схем и систем управления, а также спецификой применения.

Целью настоящей работы является разработка принципов построения силовых схем и систем управления пофазно-управляемых преобразователей, предназначенных для стабилизации параметров качества электроэнергии в трехфазных трех- и четырех-проводных системах с изменяющимися нагрузками, а также разработка новых схем и опытных образцов пофазно-управляемых преобразователей с заданными функциональными свойствами и выработка на этой основе практических рекомендаций по усовершенствованию их структур и законов управления.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач наряду с классическими методами анализа многофазных электрических цепей в симметричных и фазных координатах (симметричных составляющих, векторных и топографических диаграмм, Кирхгофа и др.) используются методы цульсирующих мощностей, элементы булевой алгебры, математическое моделирование на ЭВМ электромагнитных процессов. С целью подтверждения теоретических выводов проводились экспериментальные исследования преобразователей, разработанных на основе достигнутых результатов.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

- предложены математические модели для расчета параметров тиристорных преобразователей, предназначенных для пофазной коррекции токов трехфазной четырехпроводной системы при различных способах задания корректирующей нагрузки;

- на основе предложенных способов управления осуществлен выбор управляющих параметров и разработаны принципы построения и схемы тиристорных преобразователей для пофазной коррекции токов;

- предложены и разработаны схемные решения трехфазных тиристорных преобразователей с естественной и искусственной коммутацией для пофазного регулирования напряжения в неуравновешенных четырехпроводных системах при введении одного и более электромагнитных элементов;

- предложены и разработаны принципы построения силовых схем и систем управления многофункциональных трансформаторно-тиристор-ных преобразователей переменного напряжения с естественной и искусственной коммутацией, выполненных на основе трехфазных вольтодобавочных структур с минимальным сопротивлением нулевой последовательности;

- установлено, что критерии и алгоритмы управления пофазно-управляемыми преобразователями трехфазного тока в однофазный при уравновешивании трехфазных трех- и четырехпроводных систем с изменяющимися несимметричными нагрузками дуальны, а принципы построения их систем управления идентичны;

- показано, что при пофазном управлении конденсаторно-ключевыми преобразователями трехфазного тока в однофазный и реализации предложенных критериев и алгоритмов управления принципиально не требуется измерения аргументов векторов управляющих параметров - цульсирующей мощности и тока в нулевом проводе соответственно;

- разработан и теоретически обоснован графоаналитический метод расчета токов на входе трехфазно-многофазных преобразователей с произвольным соединением двухполюсников, электромагнитных и ключевых элементов.

Новизна выполненных автором конкретных разработок подтверждается двенадцатью авторскими свидетельствами и положительными решениями ВНИИГПЭ по заявкам на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели для расчета параметров тиристорных переключателей корректирующей нагрузки при ее различных способах задания и детерминированном характере изменения;

2. Способы управления и принципы построения тиристорных преобразователей для пофазной коррекции токов в трехфазной четы-рехпроводной системе;

3. Схемы трансформаторно-тиристорных преобразователей для пофазного регулирования уровня напряжения в четырехпроводных неуравновешенных системах;

4. Принципы построения силовых и управляющих цепей многофункциональных преобразователей, предназначенных для симметричного регулирования и улучшения гармонического состава фазных напряжений, а также дня подключения однофазных изменяющихся нагрузок к трехфазной трехпроводной системе;

5. Критерии и алгоритмы управления конденсаторно-ключевыми преобразователями трехфазного тока в однофазный при уравновешивании трехфазных систем с несимметричными изменяющимися нагрузками;

6. Принципы построения систем управления пофазно-управляемых преобразователей трехфазного тока в однофазный;

7. Метод расчета токов на входе трехфазно-многофазных преобразователей электрической энергии с электромагнитными и ключевыми элементами;

8. Практические рекомендации по повышению эффективности и технико-экономических показателей трансформаторно-ключевых преобразователей параметрического уравновешивания системы напряжений;

9. Практические разработки новых пофазно-управляемых преобразователей для стабилизации параметров КЭ в трехфазных системах с изменяющимися нагрузками.

Практическая ценность работы. Полученные автором в работе выводы, соотношения и предложенные принципы построения пофазно-управляемых преобразователей электрической энергии позволяют оптимальным образом выполнить целенаправленный выбор и расчет их параметров. На основе проведенных исследований разработаны эффективные устройства многофункционального назначения, внедрение которых способствует обеспечению электромагнитной совместимости потребителей с питающей сетью в условиях изменения параметров сети и нагрузки. Кроме того, полученные результаты целесообразно использовать для повышения технико-экономических показателей существующих технических средств стабилизации параметров качества электроэнергии.

Реализация результатов работыв промышленности. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке и внедрении комплекса эффективных преобразователей электрической энергии, предназначенных для нормализации показателей КЭ:

1. Преобразователь для пофазной коррекции токов с тиристор-ным переключением группы однофазных нагрузок в распределительных сетях (опытная партия устройств в количестве 5 шт. внедрена в ПЭО "Крымэнерго").

2. Преобразователь для пофазно-управляемой компенсации реактивной мощности в электрических сетях 0,4 кВ (внедрен в ПЭО "Крымэнерго").

3. Трансформаторно-тиристорный преобразователь с минимальным сопротивлением нулевой последовательности для трехфазных четырех-проводных сетей (опытная партия устройств в количестве 15 штук внедрена в ПЭО "Винницаэнерго", "Крымэнерго" и "Харьковэнерго").

4. Регулируемое устройство для снижения несимметрии напряжений и компенсации реактивной мощности в сети, содержащей несимметричные изменяющиеся электротехнологические нагрузки (внедрено на

Коломенском заводе тяжелого станкостроения).

5. Управляемое фильтросимметрирующее устройство для электропитания ЭВМ и РЭА (внедрено на информационно-вычислительном центре Крымского областного статистического управления ЦСУ УССР).

6. Управляемое симметрокомпенсирующее устройство для трехфазных четырехдроводных систем (опытная партия устройств в количестве 9 штук внедрена в ПЭО "Киевэнерго" и ПЭО "Львовэнерго").

Общий подтвержденный экономический эффект от внедрения перечисленных разработок составил 181,62 тыс. руб в год.

Апробация работы. Основные результаты проведенных автором исследований были доложены и обсуждены на тринадцати всесоюзных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе:

- Всесоюзной научно-технической конференции "Современные задачи преобразовательной техники", г.Киев, 1975;

- Республиканском научно-техническом семинаре "Методы и средства повышения качества электрической энергии", г.Киев, 1976г.;

- Республиканском научно-техническом совещании "Методы и устройства для снижения потерь электроэнергии в электрических сетях", г.Киев, 1977 г.;

- Четвертом Всесоюзном научно-техническом совещании по качеству электрической энергии, г.Винница, 1978 г.;

- Второй и третьей Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы преобразовательной техники", г.Киев, 1979 г. и 1983 г.;

- Республиканской научно-технической конференции "Современные проблемы энергетики", г.Киев, 1980 г.;

- Шестой всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем, г.Ташкент, 1982 г.;

- Втором межведомственном научно-техническом совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей",-г.Таллин, 1982 г.

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований изложены и опубликованы в 35 научных трудах, в том числе в трех научно-технических отчетах по законченным НИР ("Надежность", "Энергия", "Коррекция"), 23 статьях, 7 авторских свидетельствах на изобретения и двух препринтах.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка основной использованной литературы и приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. Критерии и алгоритмы управления конденсаторно-ключевыми преобразователями трехфазного тока в однофазный при уравновешивании трехфазных систем соответственно с изолированной нейтрально и нулевым проводом дуальны, а принципы построения систем управ

-170ления таких преобразователей одинаковы.

2. При быстродействующем уравновешивании трехфазной трех-проводной (четырехпроводной) системы изменение величины задающих токов, формируемых КБ преобразователей трехфазного тока в однофазный, соответствуют изменению мгновенных значений фазных (линейных) напряжений.

3. При пофазном управлении КБ статические преобразователей трехфазного тока в однофазный, предназначенных для уравновешивания трехфазных трех- и четырехпроводных систем путем компенсации в нагрузочном узле пульсирующей мощности и токов нулевой последовательности соответственно, принципиально не требуется измерения аргументов векторов пульсирующей мощности и тока нулевой последовательности.

4. Необходимым и достаточным условием оптимального подключения КБ преобразователя трехфазного тока в однофазный к требуемым линейным напряжениям трехпроводной системы для частичной компенсации в ней пульсирующей мощности является однозначное соответствие положительной (отрицательной) полярности "линейных" напряжений удвоенной частоты моменту перехода основной гармоники мгновенной пульсирующей мощности через нулевое значение в положительном (отрицательном) направлении при обратном порядке следования индексов КБ.

5. Необходимым и достаточным условием оптимального подключения КБ преобразователя трехфазного тока в однофазный к требуемым фазным напряжениям четырехпроводной системы для частичной компенсации в ней нагрузочных токов нулевой последовательности является однозначное соответствие положительной (отрицательной) полярности фазных напряжений моменту перехода в положительном (отрицательном) направлении основной гармоники тока нулевой последовательности при прямом порядке следования индексов КБ.

-1716. Структурная и схемная реализации необходимого и достаточного условий оптимального подключения КБ статических преобразователей трехфазного тока в однофазный при уравновешивании трехфазных трех- и четырехпроводных систем с несимметричными нагрузками идентичны, что подтверждает вывод о дуальности разработанных критериев и алгоритмов управления КБ данных преобразователей, а также полной аналогии принципов построения их систем управления.

ГЛАВА 5

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ

5.1. Расчет токов на входе трехфазно-многофазных преобразователей с электромагнитными и ключевыми элементами

Одним из наиболее важных с точки зрения оптимизации режимов работы электромагнитных устройств преобразовательной техники (трехфазных трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения, управляемых симметрирующих устройств, индуктивно-емкостных преобразователей, вентильных преобразователей числа фаз и др.), расчета элементов силовых схем и оценки влияния на питающую сеть является вопрос определения установившихся значений токов на их входе. Известные способы расчета входных (первичных) токов преобразователей электрической энергии весьма трудоемки и недостаточно формализованы [б,85,102 ] .

Поэтому актуальной является разработка более простого и формализованного графоаналитического метода определения входных токов преобразователей, характеризующихся постоянством структуры силовой схемы [73,97 , а также относительно большими по сравнению с периодом электрического тока сети временными интервалами между моментами смежных коммутаций вентильных элементов. Кроме того, как будет показано в дальнейшем, область применения предлагаемого метода можно расширить и для анализа некоторых преобразователей, частота коммутации 32 вентильных элементов которых выше частоты ¿О электрического тока питающей сети, и содержащих помимо трансформаторных и вентильных только активные элементы, либо при введении допущения, что форма кривых токов и напряжений преобразователей электрической энергии имеет кусочно-синусоидальный или ступенчато-синусоидальный характер. С учетом допущений об идеальности магнитных цепей и вентильных элементов нелинейную электрическую цепь силовой схемы указанных преобразователей на интервале постоянства ее структуры можно представить в виде квазилинейной цепи, а режим работы между смежными коммутациями рассматривать как установившийся и синусоидальный. Несмотря на условность такого представления для преобразователей последнего типа при Л > ^ вполне обосновано применение метода векторных диаграмм амплитудных значений для отдельных интервалов периода повторяемости [40] и принципа наложения,позволяющих получить достоверные результаты.

Рассмотрим трехфазную цепь произвольной структуры с двухполюс никами, трансформаторными и ключевыми элементами (рис. 5.1). На рисунке замкнутая область представляет собой комбинацию произвольным образом соединенных авто- и трансформаторных элементов. Зада* 0 • ча заключается в определении входных токов , и цепи, зная лишь некоторые параметры отдельных ветвей между двумя различными фазами в ^ вторичной цепи и алгоритм работы вентильных элементов. Выделим в рассматриваемой цепи ветви с двухполюсниками 2-лр ( =0,1,2,./° ; уЗ =0,1,2,.^- ), искомыми токами X'¿р и напряжениями^ГЛри рассмотрении такой цепи можно ограничиться случаем воздействия одного двухполюсника , применив для любого их числа принцип суперпозиции.

Пусть вторичная обмотка рассматриваемой цепи образует /^-фазную систему с произвольным расположением ее ветвей (секций) по стержням первичных фаз ( =3, /77^3). Такая цепь с электромагнитными связями представляет общий случай соединения любого числа секций вторичных обмоток с различными коэффициентами трансформации. Считаем, что между двумя любыми фазами об и вторичной обмотки при помощи ключа К[ подключен лишь один двухполюсник 2-1 , напряжение на котором образует угол ^с с вектором фазного напряжения фазы А первичной обмотки, включенной

Рис. 5.1 без нулевого провода.

Составим уравнения равновесия магнитодвижущих сил по замкнутым контурам магнитопровода ^5,97 Тогда в момент времени, когда все секции вторичной обмотки обесточены, кроме принадлежащих фазам и общих секций для этих фаз, получим: / « г

4/^ ~ ^ = ~ 2 щ) 4- * 4/

5.1) где: К^у' , Ь/^-, \tfcj и И/; - числа витков отдельных секций вторичной и первичной обмоток соответственно. Суммы витков коричных обмоток (выражения в скобках) определяют число витков эквивалентных обмоток на соответствующих стержнях магнитопровода,т.е. совокупность всех секций вторичной Мц -фазной обмотки, расположенных на каждом из указанных стержней (число секций может быть различным, что определено индексами пределов суммирования). Решив систему уравнений (5.1) относительно составляющих первичных токов, которые являются справедливыми для трехстержневых трансформаторов с произвольной схемой включения вторичной обмотки и групп соединения о^шофазных трансформаторов:

1л; - ¿¿/{¿Щ - ¿2 И/*,- 2 И4

-¿^-¿хм^/зт.

5.2)

-/ О ^ * с/:

С учетом принятых допущений напряжения на отдельных трансформаторных обмотках пропорциональны числам витков, и выражения (5.2) можно представить следующим образом: ^ ~ зг£№ ~~ £~ Г^) '> ■Ь'МСЯ-^И-^ ! (5.3)

Вследствие того, что напряжение

Ш двухполюсника представляет в общем случае разность фазных напряжений Щ и Щ , образованных произвольными фазами и / , причем и=

• * •

•= <5Г , где Ш и - представляют собой геометрическую сумоду напряжений, наводимых в отдельных секциях вторичной обмотки, расположенных на соответствующих стержнях магнитопровода - ¿Си * ¿5* ; =¿6^ ; (5.4) то напряжение двухполюсника можно представить в виде где:

Выделим вещественную часть напряжения , определяемого выражением (5.5), таким образом, что

Ле/гое^^гя-^Я-^К ; (5.6)

Подставив выражения (5.6) в систему уравнений (5.3), находим где: 3/ , <р/ и - соответственно мощность, фазный угол и начальная фаза напряжения двухполюсника.

Последние выражения, связывающие составляющие входных токов с параметрами I -го двухполюсника, подключенного произвольным образом между двумя фазами вторичной цепи, можно представить в виде: п у'^-^Ут -^ ( (5.8)

5ят и где: оператор поворота.

Из анализа систем уравнений (5.7) и (5.8) следует, что геометрическими местами точек, образованными векторами составляющих первичных токов, являются три окружности с радиусом 2^¿/зс/7 .

Центры этих окружностей лежат на осях, образованных векторами

• » # фазных напряжений , и ¿¿Г первичной цепи и смещены на

• • • величину радиуса от точки пересечения , ££ и 2/с . Кроме того,-указанные окружности повернуты на одинаковый фазный угол двухполюсника Х£ш . Очевидно, что для различных значений углов и (р/ сумма составляющих первичных токов всегда равна нулю, что свидетельствует о направлении составляющих входных токов по

• . • одной прямой, проведенной из точки пересечения , ££ и Ш под углом к оси действительных чисел в положительном направлении и повернутой на угол ^ в отрицательном направлении.

Отсюда следует достаточно простой графо-аналитический способ определения составляющих первичных токов в цепях рассматриваемого класса с учетом знания лишь некоторых параметров отдельного ¿-го двухполюсника и схемы соединения вторичной обмотки. Для этого

• • • надо провести из точки пересечения векторов , ^ и вспомогательную окружность радиусом /З^ и прямую под углом ^ 9 к оси действительных чисел; из точек пересечения векторов Щ , • »

1/& » и окружности провести прежним радиусом три окружности, повернуть их и прямую на угол. Хорды этих окружностей, получившиеся при пересечении последних с прямой, и дают истинные модули и аргументы составляющих первичных токов [96,97 ] .

-178В случае подключения к трехфазной сети преобразователя электрической энергии, составленного из /2 двухполюсников,трансформаторных и ключевых элементов, на основании принципа наложения и теоремы об активном двухполюснике входные токи преобразователя определяются суммированием отдельных составляющих первичного тока, каждая из которых обусловлена воздействием лишь одного двухполюсника: /, ,. I

1 с=1

Эти выражения, представленные в аналитическом виде, позволяют достаточно просто определить установившиеся значения токов на входе преобразователей рассматриваемого класса, частота коммутации вентильных элементов которых существенно ниже частоты электрического тока сети ( ^ ¿О ), и применимы в течение времени между смежными коммутациями, когда эквивалентная схема цепи соответствует интервалу неизменности ее структуры. В этом случае требуется знание лишь нескольких параметров каждого из ^ двухполюсников, которые можно вычислить или измерить (полную мощность, начальную фазу напряжения и фазный угол).

Синусоидально изменяющиеся величины, для которых существует прямая и однозначная зависимость между мгновенными значениями и их выражением в комплексной форме, могут быть отображены на векторной диаграмме амплитудных значений для различных промежутков времени, в том числе меньшей длительности, чем период электрического тока сети £ 40,74,139,140]" . В этом случае векторные диаграммы амплитудных значений для определенных интервалов времени становятся звеном, связывающим анализ физических процессов, протекающих в преобразователе при заданных режимах работы с комплексным методом их расчета. Поэтому любая кусочно-синусоидальная или ступенчато-синусоидальная кривая тока или напряжения электрической цепи вполне может изображена комплексными функциями времени, что в общем случае позволяет исследовать не только установившиеся, но и переходные процессы в преобразователях с достаточно большой наглядностью и простотой £19,20,35,140 ] . Введение векторных диаграмм амплитудных значений для отдельных интервалов работы некоторых преобразовательных устройств позволяет упростить расчеты их параметров между двумя смежными коммутациями вентилей (на интервалах постоянства структуры цепи) при >и) и делает возможным обобщить результаты, полученные выше,для определения входных токов путем соответствующего перехода от действующих к максимальным значениям токов или напряжений. Тогда выражения (5.9) для любого из известных интервалов неизменности структуры (режимов работы между смежными коммутациями) силовой схемы преобразователя примут следующий вид к

-1 (=1 к п

1\т £ ^ ЗТЛ/)

5.Ю)

1/7} где: к - число режимов для интервалов постоянства состояния вентилей.

Очевидно, что представление электрических цепей рассматриваемого класса как систем с периодически изменяющейся структурой с принятыми выше допущениями позволяет произвести формирование кривой искомых токов преобразователя электрической энергии за весь период повторяемости или за период электрического тока сети независимо от соотношений частот сО и О- . Это можно осуществить путем перехода к мгновенным значениям составляющих входных токов, определяемых из выражений (5.9) или (5.10) в виде комплексных функций времени, либо от соответствующих им векторных диаграмм амплитудных значений и суммированием во временной области полученных таким образом синусоидальных или ступенчато-синусоидальных отрезков кривой тока для произвольного числа А интервалов неизменности конфигурации силовой схемы преобразователя

Полученные выражения (5.9) + (5.11) являются в достаточной мере формализованными и могут быть использованы при расчете указанных преобразователей электрической энергии.

Следует отметить, что при качественном анализе преобразователей с трансформаторными элементами, если цепь характеризуется несинусоидальными величинами токов и напряжений и можно удовлетвориться приближенными решениями, предлагаемый метод в целом может найти применение и для расчета таких преобразователей. В этом случае целесообразно использовать известные методы гармонических составляющих, эквивалентных схем (метод эквивалентных синусоид или энергетического баланса) и проводить расчет, например, на основной частоте [77,139 Это позволяет применить выражения (5.9), метод векторных и топографических диаграмм для получения результирующих входных токов многофазных трансформаторно-ключевых преобразователей электрической энергии.

Таким образом, предлагаемый метод расчета установившихся значений токов на входе указанных преобразователей носит достаточно общий характер, хорошо согласуется с основными принципами топок С

1>=/

5.11) графической диакоптики и удовлетворяет закону М.А.Чернышева. Полученные результаты являются формализованными, могут быть использованы при анализе установившихся процессов в трансформатор-но-ключевых преобразователях и дают возможность качественно оценить влияние отдельных параметров силовой схемы устройств на характер электромагнитных процессов, протекающих в преобразователе и питающей сети. В частности, с помощью разработанного метода в последующем разделе будут определены токи на входе многофункционального вентильного преобразователя, предназначенного для обеспечения электромагнитной совместимости в трехфазных системах с переменными нагрузками. В Приложении П.1 приведен ряд примеров, иллюстрирующих возможности данного метода.

5.2. Вентильное корректирующее устройство для подключения к электрической сети однофазных изменяющихся нагрузок

В связи с увеличением в общем составе потребителей электроэнергии удельного веса мощных электротехнологических и специальных нагрузок, конструктивно выполняемых однофазными и подключаемых непосредственно или через согласующий трансформатор к многофазной сети, актуальной задачей является разработка и внедрение вентильных корректирующих устройств (ВКУ). Это обусловлено тем, что такие нагрузки являются, как правило, нелинейными и повторно-кратковременными, имеют низкий коэффициент мощности [22,24,59,87,

Преимуществом вентильных корректирующих устройств перед традиционными является их высокое быстродействие, хорошие регулирующие способности и массогабаритные показатели, независимость от изменения частоты сети, параметров и характера нагрузки, возможность многофункционального исполнения. ВКУ могут быть использованы для симметрирования нагрузок указанного класса, компенсации реактивной мощности в сети, а также преобразования числа и порядка следования фаз, регулирования и стабилизации мощности, напряжения и частоты однофазной нагрузки [38,101,130,166 ] .

Принципиальной особенностью такого преобразователя, что и определяет его возможность применения для быстродействующего уравновешивания многофазной системы, является реализация коммутационного способа равномерного распределения однофазной нагрузки по фазам системы [39,96 ] . Несмотря на то, что при этом в произвольный момент времени режим питающей сети несимметричен, ее интегральные характеристики, усредненные за период основной гармоники тока, симметричны (поток энергии во времени неизменен), что обеспечивает нормальную работу электротехнологического или иного оборудования.

Убедиться в отсутствии интегрального значения пульсирующей мощности в трехфазной системе в данном случае можно на основании следующих достаточно простых положений.

При кратной циклической коммутации однофазной нагрузки за период электрического тока на различные линейные напряжения из выражений (4.4) можно получить интегральные значения мгновенной мощности: £ о ТРг

Л" ~

-[¿сазр, -ак^-руЦсО:,

Н О или в общем виде

Р*1/ = . <5.13)

Если в последнее выражение подставить значения нижнего и верхнего пределов интегрирования для различных интервалов коммутации и просуммировать отдельные мгновенные мощности за период повторения для всех фаз сети, из выражения для определения суммарной мгновенной мощности (1/т = з следует, что: ^ „

Ату2

Следовательно, выражение (5.14) является условием квазиуравновешенности трехфазной трехпроводной системы (), т.е. в каждый момент времени последняя принципиально неуравновешена и лишь благодаря усреднению ее дискретных характеристик за счет быстродействующего циклического переключения 21 # в целом достигается симметричный энергетический процесс - в системе отсутствует интегральная пульсирующая мощность [38,83,101^ .

На рис. 5.2 представлена идеализированная электрическая схема силовой части данного преобразователя, выполненного в виде трехфазного вентильного моста на полупроводниковых приборах с двухсторонней проводимостью. Здесь квазисимметричный режим достигается путем циклического подключения однофазной нагрузки на равные промежутки времени с помощью соответствующей пары полностью управляемых вентилей поочередно на различные линейные напряжения.Весь период работы данного преобразователя разбивается при этом на двенадцать режимов ( А" =12) в соответствии с двенадцатью расчетными интервалами постоянства его структуры длительностью А• % каждый для шести "фиксированных" схем, одна из которых приведена in

Рис.5.2 ii

V- VA 7 c\ y Ч us a) hi, Ь, 9,11

M11

Puc.5.3 на рис. 5.2 (для \) =1 и ^ =7). Поскольку быстродействующее переключение нагрузки сопровождается воздействием на входные параметры электроэнергии питающей сети, то целесообразно его качественно оценить. Для этого воспользуемся разработанным методом расчета входных токов преобразователей электрической энергии с электромагнитными и ключевыми элементами и допустим, что нагрузка имеет активный характер, ток холостого хода трансформатора равен нулю, вентили идеальные, а направление вектора совпадает с направлением оси действительных чисел.

Принимая во внимание диаграмму напряжений на вторичной стороне трансформатора (рис. 5.3а), сведем в таблицу 5.1 значения аргумента ^ напряжения нагрузки для различных режимов работы ШУ. Тогда непосредственно из выражений (5.10), табл. 5.1 и с учетом, что Л = ¿3, получим значения составляющих входных

3> токов для первого режима /?=•/ = - ; соь^^ — ; ii а 3

0 /1 к-П 3 ?у<рл7

0 ¿г

31/^0/7} „ ¿г» 3 сов^= Л ; шхп вти^лл и ^олшта ' — / у*- ----у

СОЗ/^х „ ЗГт —л

5/77 С^Ь/^Х ~ /5/£

Ууа/П

Аналогичным образом определяются составляющие входных (первичных) токов и для остальных режимов ]) =3 +12). Полученные для всех режимов работы ВКУ результаты сводим в таблицу 5.2.

На основании таблицы 5.2 построена "совмещенная" векторная диаграмма амплитудных значений составляющих входных токов для