автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Преобразовательные системы с одноступенчатой емкостной коммутацией

РГ6 од

1 О МЛГ1 -ЯШ д е м и я н й у к украины институт электродинамики

На правах рукописи

бош валерии степанович

преобразовательна системы -с одноступенчатой емко сгнои коммутацией

Специальность 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи электроэнергии

автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических нацк

Киев - 1993

Работа выполнена на каредре "Теоретические основа электротехники" Киевского политехнического инститцта

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Е.А.Карпов

Доктор технических наук, профессор В.Оарский

Доктор технических надк Н.Н.Врченко

Ведущая организация - Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт силовой полупроводниковой техники "Преобразователь" (г, Запорожье).

Зашита состоится "25й 1993г. в^_час. на

заседании специализированного совета Д 016,30.03 при Институте электродинамики АН Украины (252680, Киев-57, пр. Победи, 56, тел. 446-91-15) •

С диссертацией мо*но ознакомиться в библиотеке Института электродинамики ЯН Украины,

Автореферат разослан _1993г.

Учеиый секретарь специализированного совета, доктор технических надк

В.С.Федий,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технико-экономический потенциал государства в значительной мере определяется уровнем его энерговооруженности, структурой электропотребления, надеаностъв, качеством к экономичностью энергоснабяения.

Диссертационная работа относится к области энергетики. Она посвящена проблеые эиергосберенения', один из путей решения которой заключается в разработке и исследовании устройств силовой преобразовательной техники для тех отраслей, где используются мощные потребители электрической энергии на постоянном токе.

Работа выполнена в соответствии с разделами 1.9,2,2.1.3,1-("Разработка и оптимизация мощных полупроводниковых преобразователей с конденсаторами в главных цепях")'и 1.9.2,2,1.3.2- ("Разработка и оптимизация мощных регулируемых и нерегулируемых полупроводниковых компенсационных выпрямителей для цветной металлургии, химической и электродной промышленности") Координационного плана научно-технических работ по комплексной проблеме "Научные основа электроэнергетики" (на 1985-90 г.г.) АН Нкраины.

Проблема экономичного энергоснабиения потребителей постоянным током имеет несколько 'аспектов:

1, Количественный. В промнвленно развитых странах мира после дополнительного преобразования потребляется 50-602 электроэнергии, а доля потребления на постоянном токе -примерно треть от общей выработки. На Украине около 702 электрической энергии потребляется в непреобразованном виде, что приводит к многомиллиардным убыткам,

2, Энергетический - основными составляющими которого являются коэффициент полезного действия и коэффициент мощности.

3. Экологический - как проблема электромагнитной совместимости преобразовательной установки с сеть» йлектро-снабменкя,

4. Экономический - одной из составлявших которого является проблема энергосбережения.

Разработка сформулированной проблемы ведется в течение нескольких десятилетий и наибольший творческий вклад в теоретическое исследование и практическое применение внесли такие уче-

нне, как Г.И.Бабат, Б.А.Барский, В.И.Борисенш), Б.П.Борисов, 0.Г.Булатов, Ъ.й.Веников, И.В.Волков, Ю.Ф.Выдолоб, Т.А.Глазенко, С.Р.Глинтерник, З.Н.Гречко, К.С.Деыирчян, Л.Й.Добрусин, В.Т.До"-бня, А.В.Донской, В.И.Драбович, И.В.Вевеленко, Г.Г.Веыеров, В.Я.Майков, А.И.Зайцев, В.Н.Завирко, И.Л.Каганов, Е.Й.Карпов, Р.П.Карташов, Й.Р.Кобэев, М.-П.Костенко, Е.Й.Кадря. И.й.Курило, Ф.И.Ковалев, В.Г.Кузнецов. В.Д.Кулик, й.К.Кулиш.' В.Й.Лабунцов, К.А.Липковский, Г.Г.Нагазннник, О.А.Маевский, Й.Н.Милях, В.Н.Ии-еин, С.И.Недзельский, Л.Р.Нейман, Г.Г.Пивняк, А.В.Поссе, В.Г.Палванов, Е.Н.Размадэе, В.С.Руденко, ft.fi.Сакович, В.И,Сень-ко, Н.Х.Ситник, Я.В.Солодуко, Ю.Г.Толстое, В.Е.Тоикаль, В.С.Фе-дий,М,З.Ханудханов, Ю.И.Хоклов, Э.И.Чехет, И.М.Чикенко, Й.К.Вид-ловский, В.П.Иипилло, Б.Н.Элялоиников, И.И.Эпвтейн, Е.Л.Зттингвр и др.

Нглублящийся энергетический кризис значительно обострил проблему энергосбережения и сейчас предусматривается ее решение на государственном уровне.

В соответствии с постановлением Кв12 от 4.05.1992г. Государственного Комитета Нкраинн, по вопросам науки и технологий разрабатывается Государственная программа "Развитие современной силовой электроники как средства энерго- и ресурсосбереяения, повышения технического уровня продукции машиностроения" ("Силовая электроника"). Целью программы, как указывают ее координаторы (Институт электродинамики .АН Украины, Институт проблем энер-госберевения ЙН Экраинн и НИИ "Преобразователь"), является создание научно-обоснованных предпосылок построения нового поколения высокоэффективных устройств и систем преобразовательной техники, проведение безотлагательных мер по повыиенив удельного веса преобразования электроэнергии за счет насыщения отраслей Украины современной силовой электроникой, снижение на этой основе энергоемкости национального дохода, экономия природных ресурсов, сырья, материалов.

Все предлояенные автором и исследованные в работе компенсационные преобразовательные системы построены на принципе одноступенчатой емкостной коммутации.

Нельзя сказать, что интерес к проблеме компенсационных преобразователей всегда был стабильно высоким, а у сторонников компенсации реактивной мощности непосредственно в преобразователе не было оппонентов, исповедующих идею компенсации с внешней

стороны за счет каких-либо дополнительных устройств, наиболее эффективными из которых в настоящее время считаются тиристорнне компенсаторы реактивной мощности СТКРМ). Эти, и другие направления, сейчас интенсивно развиваются и дополняют друг друга.

Исследования в, области преобразователей с одноступенчатой емкостной коммутацией получили вирокуш известность, благодаря работай, выполнвнннм в Киевском, политехническом институте И.И.Чияекко. В 19Б2 году коллектив авторов под его руководством был отпечен Ленинской премией в области науки и техники за разработку,. исследование и лромниленное внедрение вестипульсннх компенсационных внпрянителей нулевого типа. Работа, виполненная применительно к ртутно-вштряыительник установкам, продемонстрировала их высокув наденность и эффективность использования в народной хозяйстве.

Разработка и исследование компенсационных преобразователей ведется такие и в Челябинской технической университете под руководством Ю.И.Хохлова. Иы разработана серия выпрямителей с емкостной коммутацией на пятой-седьмой и на одиннэдцатой-тринадца-той гармониках. Выпрямители технологичны, идеология, заловенная в их схемотехническое ревение, позволяет достаточно просто перевести обычный преобразователь в компенсированный реким с коэффициентом мощности близким к единице. Возможность генерирования реактивной мощности в сеть такими преобразователями, ограничена.

По отновенив к указанному критерия компенсационные преобразователи, разработанные в Киевском политехническом институте и компенсационные преобразовательные системы, предлоаенные и исследованные в диссертационной работе, представляются более оптимальными, т.к. позволяют генерировать реактивную мощность в сеть и обладают возмонностьп регулирования ее величина.

Цель диссертационной работы - развитие обобщенной теории компенсационных преобразовательных систем с одноступенчатой емкостной коммутацией, как научной основы для создания и исследования нового поколения многофункциональных устройств с улучшенными технико-экономическими и энергетическими хараг'еристикаии, базирующейся на единых методических позициях и перспективной для анализа процессов при слоеном алгоритме коммутации.

Для достияения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- совервенствование существцвцей теории компенсационных

преобразователей за счет нових подходов, слответствуюция более згестким требованиям к устройствам современной силовой электрони-к 1; и разработка новых теоретических положений;

- разработка обобщенной кзтодики численно-аналитического анализа электромагнитных процессов, оптимальной для преобразовательных систем нулевого и каскадного типа при различной пульс-ности преобразования;

- выбор оптимального диапазона реаианкх и параметрических характеристик исслерд/еаах компенсационных преобразовательных систем;

- выработка стратегии блочно-модульной реализации преобразовательных систем с одноступенчатой емкостной коммутацией, ори--ентирозанной на достижение требуемых выходных характеристик эа счет оптимизации по покальним критериям или по совокупности сочетающихся критериев;

- исследование способов регулирований выходных характеристик преобразовательных систем, или их паранетрической стабилизации;

- реализация математических и физических моделей, а такие моделирование расчетных режимов,

■ Методы исследования обусловлены спектром проблем, решаемых в диссертационной работе и представляют собой сочетание аналитических, графо-аналитических, численно-аналитических и численных методов или иначе, являвтся совокупностью математических методов и приемов, р'таицих задачу анализа с элементами рениыного и параметрического синтеза при использовании процедуры оптимизации.

Анализ электромагнитных процессов выполнен на базе теории дифференциальных уравнений с использованием аналитических и численных методов. Формирование лолнчх систем уравнений осуществлено на основе электротехнических законов, а алгоритм коммутации- использован как механизм формирования неизменной структуры для определенного реяикного интервала.

Коммутационные соотновения, алгоритм коммутации и алгоритм решения систем нелинейных уравнений использован для определения углов регулирования и коммутации при диодной реализации преобразовательных систем, а при тиристорной - метод секущих-хорд. Анализ коммутационных соотношений выполнен с использованием стандартных програнм высокого уровня.

При определении параметрических и ревианих характернее

- ? -

преобразовательной система, исследования электромагнитной совместимости последней с питающей сетью и при расчете баланса активной и реактивной мощности применен полннй аналитичг-кий и графо-аналитический гармонический анализ на базе преобразования Фурье.

Научная новизна:

- развита обобщенная (дли нулевых и'каскадных систем различной пульсности преобразования) теория реаима независимой коммутации, анализ электромагнитных процессов на основе которой поззолил выявить ряд неизвестных ранее свойств компенсационных преобразовательных систем;

- впервые исследована многоэтапная одноступенчатая коммутация и создана теория речсииа налокения коммутаций через конденсаторы, которая совместно с обобщенной теорией реаима независимой коммутации является теоретической базой для исследования компенсационных преобразовательных систем, исходя из единых методических позиций, перспективная для анализа процессов а реки-мах со с-пошшн алгоритмом коммутации;

- впервые для исследования электромагнитных процессов в компенсационных преобразовательных системах предложено ввести коммутационные соотноиения, выполнен нк анализ, установлены свойства, показаны целесообразность и особенности практического применения;

- развит принцип блочно-иодульной реализации компенсационных преобразовательных систем (КИС), полозенннй в основу разработки серии оригинальных схемотехнических рененкй;

- получены соотношения, являющиеся основой новой теории процессов преобразовательной системы, построенной на предложенном способе перезаряда кошутирующих конденсаторов при помощи тиристорного коммутатора, что позволяет снизить потерн энергии в системе, улучвить ее массогабаритные характеристики, получить требуемое значение опереиавцего угла регулирования;

- установлен ранее неизвестный принцип параметрической стабилизации выходного напрякения тиристзрной компенсационной преобразовательной системы, на базе которого разработаны теоретические основа процессов и доказана целесообразность практической реализации в устройствах с динамическим характером нагрузки;

- доказана ранее неизвестная возмояность дополнительного поваиения эффективности использования конденсаторной батареи

компенсируяцегс модуля за счет оптимизации реяима его работы.

Практическая ценность. Использование новых научных полове-ний, обоснованных в диссертационной работе, позволило: получить ряд оригинальных схемотехнических речений, заниженных авторскими свидетельствами , предназначенных для реализации в виде косных преобразовательных систем, питавдих энергоемкие потребители на постоянном токе; разработать оригинальный узел коммутации (заци-щен а.с.) компенсирувщего модуля в виде тиристорного коммутатора: показать пути практической реализации компенсационных преобразовательных систем с параметрической стабилизацией выходного напргвения, основанных на способе, признанном изобретением.

Разработана методика анализа и синтеза предлоненных компенсационных преобразовательных систеи и создано ее программное обеспечение, позволяющее выполнять расчет ревимных и параметрических характеристик по различный показателям качества электро-снабмения.

Автор выносит на защиту:

1. Обобщенную теорию процессов в реаиме независимой коммутации тока вентилями компенсационной преобразовательной системы.

2. Теории коммутационных процессов в компенсационной преобразовательной системе совместно с теорией многоэтапной одноступенчатой емкостной коммутации,

3. Теорию процессов компенсационной преобразовательной системы в ревиче налоаения коммутаций через конденсаторы.

4. Развитие принципа построения компенсационной преобразовательной системы, как объекта блочно-иодульной реализации и оригинальные схемотехнические ревения, ориентированные на применение в качестве источников питания энергоемких потребителей на постоянном токе, • '

5. Способ перевода обычного преобразовательного модуля в компенсационный реыш яри помочи тиристорного ' коммутатора и основы теории преобразовательных систем, разработанных на базе указанного способа.

6. Способ параметрической стабилизации выпрямленного нап-ряяения в тиристорной компенсационной преобразовательной системе и возмсшиые варианты его реализации.

?. Элементы теории энергетического баланса в компенсационной преобразовательной системе.

Реализация резцльтатов работы. Теоретические полоиения и

практические результаты диссертационной работы использованы в ряде проектных заданий и технических реаениях, направленных на повышение энергетических характеристик установок, совераенство-вание качества электрпснабяения и его надекности, разрабо.анкых лрк участии автора в 1'9?0-1990 г.г. по хозяйственным договораи с Днепровским алюниниевым заводом, Запоровским титако-магниевым комбинатом, заводом "Йркутсккабель", п/я Н-5539 г.Калининград, Горловсккм ПО "Стирол", Запорокскиц ПО "Преобразователь",Сумга-итским алюминиевым заводом, Волгодонским ПО "йтсммаи".

Эффективность применения результатов диссертационной рзбо-ты подтверздается актами внедрения, представленных Сумгзитским алвминиевнм заводом и Волгодонским ПО "Атомма!»", Подтвервденный суммарный годовой экономический эффект составляет примерно .325 тыс. руб. в ценах 1930 г., из которых на доли автора приходится

Имеется акт о внедрении результатов исследований в учебный процесс.

Апробация работа, Основные теоретические полоаения, результаты и выводы диссертационной работы были долояены и обсуя-денн на научно-технических конференциях я совещаниях: по компенсационным агрегатам и качеству электроэнергии на предприятиях цветной металлургии [Танкент С1983, 1985, 1988), Иосква с 1904 ), Запорояье ,(1990)3; по проблемам силовой энергетики [Ленинград (1984), Тольятти (1384), Запорожье (1965), Киев-Чернигов (198?)]; по проблемам электромагнитной совместимости вентильных преобразователей с сетью [Москва (1988)1, на семинаре " Электрические цепи с вентильными элементами " Научного Совета АН Ньраи-ны по комплексной проблеме "Научные основи электроэнергетики" [Киев (1986,1993)], а тайне на ряде отраслевых совещаний Мин-цветмета и йинэлектротехпрома.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 33 статьях и докладах, б научно-технических отчетах, 2 учебных пособиях. Приоритет основных технических речений завицен 6 авторскими свидетельствами на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 103 наименований, содеряит 292 страницы основного текста, 83 страниц рисунков и 42 страницы таблиц, а также 14 страниц, составляющих прилзяе-ния к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТК.

Во введении определена научно-техническая проблема, ранению которой посвяцена работа, и обоснована ее актуальность, сформулирована цель работы, основные поломения, выдвигаемые на защиту, дана информация о структуре работы, апробации, публикациях и практическом применении полученных результатов'.

В первой глазе дана информация о допущениях, применяемых в диссертационной работе, введена система базовых величин, определена терминология и используемые в тексте сокращения, указана еоэыонкые способы перевода обычного преобразовательного модуля (01Ш, в качестве которого рассматривается схема акад. В.Ф.Мит-кевича, в компенсационный рении, отличавшиеся типом применяемого коммутатора: пассивного, пилуактивного или активного.

Пассивным предлоиено считать коммутатор, выполнявций функции распределения тока по фазам конденсаторной батареи без изменения величина ее емкости. Пассивный коммутатор не оказывает прямого регулирующего воздействия на ровим преобразования. Он ио«ет быть реализован в виде трехфазного уравнительного реактора.

Полуактивиый коммутатор определен как устройство, которое кроме функций распределения тока по фазам конденсаторной батареи с целью ее перезаряда, имеет возможность влиять на режим работа преобразователя за счет изменения емкости батареи конденсаторов и (или) дополнительного регулирования процесса перезаряда. Очевидно, что здесь имеются различные варианты технической реализации. В качестве примера компенсационного преобразовательного модуля (КПК) с полуактивным коммутатором рассматривается схема, в которой роль коммутатора выполняет трехфазная тиристорная группа.

Активный коммутатор, выполняя функции распределения тока и перезаряда конденсаторной батареи, принимает участие в преобразовании электрического тока. Поэтому он является вентильно-трансформаторным модулем. Примером схемы компенсационного преобразовательного нодуля с активным коммутатором монет слувить каскадный преобразовательный блок (КБ) - условно-вестифаэный каскадный компенсационный преобразователь.

Предлояенная классификация коммутаторов, как одного Из звеньев компенсирующего модуля (КМ), органично вписывается в обобщенную теория КПС с одноступенчатой , емкостной коммутацией, поскольку охватывает все многообразие их возмовных вариантов.

- Ii -

В настоящее время бо'льидв известность имеет преобразовательные системы с пассивны« коммутатором. Разработки автора в области преэбразовательннх систем с полуактивным коммутатором относятся к сравнительно новым, заниженным (в соавторстве> авторским свидетель с тао'а И 1175338, Предлояены два варианта устройства; с одной трехфазной группой тиристоров и с двума, первый из которых подробно исследован в настоящей главе.

Показано, что в компенсационном преобразовательном модуле с полуактивним колиутатором ток ic в период коммутации зависит от величины сдвига иенду коммутациями в силовых вентилях и в тиристорах. Если тиристорное регулирование осуществляется s виро-•ких пределах С от 0 дп 360 эл. град.), следует рассматривать иесть диапазонов эадераки.

Первому диапазону задеряки соответствует такой резни работы, при котором момент подачи управляпщего импульса на тиристор II совпадает с интервалом коммутации тока силоэна вентилем U1 одноименной фазн, т.е. величина задержки коммутации à V В этой реккыо практичвски мгновенная коммутация тока тиристором (ее длительность -выбирается. исходя из допустимого значения dl/dt) совпадает с коимутацией в силовоа вентиле. Закономерность изменения тока фазн конденсаторной батареи представляется в виде доцх выраяений, что соответствует двум подинтервалам в интервале коммутации.

При работе компенсационной преобразовательной системы на втором диапазоне задеряки, коммутации в силовых вентилях и в ти-ристорном коммутатора не совпадает, уравнение для контура коммутации, его реиение и конечный результат соответствуют первому подинтервалу первого, диапазона эадераки.

Исследованиями доказана идентичность процессов на всех нечетных диапазонах эадераки меяду собой, и на всех четных. Получены выражения мгновенного значения токов и направони*4 элементов КПС, закономерность изменения тока вентиля в интервале коммутации и коммутационные соотноивния (функции FUI и FU2), используемые при вычислении углов регулирования и коммутации;

- для нечетных диапазонов задеряки

fü1 - г» * * в>+са$йиу+ w^^t1

FU2 « AK - ? - & + {kßiE + (£M2L.n + Sin(r-c<J*SinoC

+ ¡у 1 -

? + iyi - co s^i-iij

- для четных диапазонов задержки

ГШ в -i , Rf+

pip nv since. Ki-y* . Siri(r-o<)i-Szno<

■"'■'jfiK £ + Щ *

Получены выранения и чиелчнные значения коэффициентов, входящих ь приведенные соотношения.

Поскольку в КПЙ с полуактивним коммутатором иояно осуцест-' влять регулирование процесса перезаряда кошутирцвиих конденсаторов, он обладает дополнительным положительным свойство», заа-личаечимся в достижении наперед заданного значения опережавшего угла регулирования при изменении тока нагрузки в вироких преде-' лах. Изменение тока нагрузки мохет сопровокдаться и изменением напрянения нитвкщей сети, если технологический процесс требует применения автотрансформаторного регулирования,

Аналогичные исследования, базирующиеся на тех ае подходах, связанных с точным ревенкем систем уравнений, списывании* электромагнитные процессы е компенсационных преобразовательных системах, выполнены для КПМ с пассивным коммутатором.

Несмотря "а то, что в этом преобразовательном модуле процесс коммутации строго одноступенчатый и физический характер электромагнитных процессов имеет свои особенности, соотношения, . описывавшие основные режимные характеристики, весьма подобны аналогичным соотнояениям, полученным при исследовании КПП с полуактивным коммутатором.

Комплекс выполненных в главе исследований расвирил представления о возможных способах повышения энергетических характеристик преобразовательных устройств, заложил основы теории процессов в компенсационной преобразовательной системе с полуактив-нии коммутатором, показал возможность синтеза режимных характеристик при различной реализации коммутатора компенсирующего модуля, подтвердил гибкость компенсационных ,преобразовательных систем в отношении получения требуемых энергетических характе-.рис тик.

- 13 -

Во второй главе исследованы электромагнитное процессы в компенсационных преобразовательных блоках, в качестве которых рассматриваются каскадный блек (КБ) и параллельный блок (Пб) с пассивная коммутаторов - компенсационные преобразовательна системы, имеющие вестипульсный реаим преобразования.

Показано влияние сдвига питающих ЗДС, на характер электромагнитных процессов в каскадном блоке, за счет изменения условий перезаряда конденсаторной батареи.

Если дозировка обмоток питанцего трансформатора и схема подключения era в сеть выполнены таким образом, что одновременно встцназт в работу вентили одной фазы т.е. (Л и U4, U3 и U5, US и U2, то ток нагрузки будет проходить через оби тки трансформаторов и вентили, минуя конденсаторы. 9 этом случае конденсаторы перезаряжаться не будут и вентильный блок не будет иметь компенсационный реним работы.

При либой несогласованной работе вентилей, т.е. когда имеется промежуток .времени, в течение которого указанные ваге пары вентилей одновременно не работают, через конденсаторы преходит Ток нагрузки (или . его' часть). Алгоритм включения пен тилей, обусловленный сдвигом по фазе ЗДС вентильных обмоточ. свидетельствует об изменении направления тока в конденсаторах и перезаряде последних. На конденсаторах создается переменное напряжение, которое прикладывается к вентилям, осуществляя в них опере-вавцип коммутации тока. Аналогичный процесс имеет место в компенсационном преобразовательном модуле с полуактивным коммутатором, если рассматривать его с точки зрения возмояностей регулирования величины и формы тока конденсаторной батареи при ее перезаряде.

Вместе с тем процесс в каскадном блоке имеет и существенные отличия:

- при коммутации тока вентилями катодной части блока учитывается ЗДС вторичной обмотки питающего трансформатора;

- контур коммутации в анодной и катодной части блока имеет одинаковые параметры.

Последнее обстоятельство на следует, однако, воспринимать как равенство углов коммутации в вентилях анодной и катодной части компенсационного блока. При симметрии параметров возыоянн несимметричные рабочие реяимы,

При сдвиге питающих ЗДС на половину периода форма коммути-

- и -

рупщего напряжения наиболее близка к синусоиде и является симметричной по отношения к обеим группам вентилей. Именно этот регги и работ« каскадного блока проанализирован в главе,

Исследованиями коммутационных процессов в каскадном и параллельном блоках подчеркнуто, что при одинаковом алгоритме коммутации и одинаковой пульсности преобразования условия перезаряди конденсаторов компенсирующего модуля отличаются. Различной будет форма и частота коммутирующего напряжения: в каскадном блоке оно имеет частоту сети, а в параллельном - в дза раза больае.

Коммутационные соотношения, которые предлояено использо-Еатъ при вычислении углов регулирования и коммутации в случае диодной реализации блоков и модулей отличавтся лишь коэффициентом, характеризующим схемную реализации; подобное отличие имеется и б коммутационном соотношения, используемо« для расчета режимов блоков и модулей при их тиристорной реализации в случае, применения регулирования со стороны системы уиравлеиия.

Установлено, что зависимость свободно устанавливавшегося опереаавцего угла регулирования от тока нагрузки близка к линейной и при увеличении собственной частоты контура коммутации при одном и том не токе нагрузки оперенакнций угол регулирования больше; угол коммутации мало зависит от собственной частота контура коммутации и возрастает по мере увеличения тока нагрузки, если рассматривать ремимы работы при диодной реализации; в различных режимах работы при тиристорной реализации и регулировании со стороны системы управления, все характеристики Г(Х^) имеют полис.

Исследованиями электромагнитных процессов подтвервдена целесообразность точного равеьиа относительно тока коммутации, поскольку погревность квадратичной коммутации имеет тенденции к росту по мере повыиения собственной частоты контура коммутации, а возмоаность синтеза ревимннх характеристик позволила предполо-иить эффективность реализации компенсационной преобразовательной система в виде блочно-модульиого объекта.

В третьей главе представлены схемотехнические разработки компенсационных преобразовательных систем различного назначения, оптимизированных по параметрическому и реиимному критерию, предусматривающему минимум капитальных затрат на реализацию в сочетании с минимумом эксплуатационных издержек.

- 15 -

В качестве составлявших параметрического критерия, учитывались:

- соотзетствие схемы преобразования уровни токов и напряжений потребителя;

- экономичное использование трансформаторного оборудования (оптимальное соотноиение между установленной коцностьх, и мощность® преобразования);

- эффективное использование вентильных модулей;

- апроиениз конструкции компенсирувцего модуля. Составлявшие реального критерия, вклкчапт:

- соответствие схемы преобразовательной системн и ее нагрузочной характеристики требованиям технологического цикла;

- удовлетворение требованиям энергоснабвавпих организаций по коэффициентам мощности и несинусондальиости;

- оптимизации режима работы конденсаторной батареи я отношении формы тока и коммутирувщего напряяения;

- снижение уровня потерь энергии в основной и вспомогательном оборудовании. .

Казалось бы, вирокий диапазон значений выпрямленных иапря-аеиий (от десятков вольт до сотен киловольт) и выпрямленных токов (от единиц до нескольких десятков килоаыпер) предоставляет немалые возможности а части схемотехнических реиений, ориентированных на реализации в качестве источников питания постоянным током энергоемких потребителей. Однако их больоаа модность и высокая стоимость, а также ощутимый уровень воздействия на питв-цув сеть, указанные аоэнонности ограничивашт необходимостью учета нескольких цсганозиваихся положений.

Первое половение определяет конфигураций системы, которая во всех случаях будет содеряать:

- трансформаторные блоки и модули;

- вентильные блоки и модули;

- компенсирующие модули;

- вспомогательное оборудование:

а) уравнительные реакторы;

б) регулирующие устройства;

в) измерительную аппаратуру,

Второе - тип преобразовательной системы. В настоящее время имеется проверенное практикой положение, согласно которому, при

выпрямленная напряжениях до 450 В более перспективным считается применение нулэвах схем преобразования. При более високих выпрямленных напряжениях рекомендуется применять трехфазную мостовую схему. Зто положение имеет тенденцию к поЕУпению уровня выпрямленного нгпрямния для преобразовательных систем нулевого типа при соеериенстбовакии параметров полупроводниковых приборов.

Тпетье - пульсностъ преобразования. Режим двадцатичетырех-пульсного преобразования считается оптимальным для мощных преобразовательных установок как в мировой, так и в отечественной практике. Объясняется зто том, что затраты на повышение пульсности преобразования с 12 до 24 покрываются и даит овдтимый экономический эффект за счет нескольких факторов:

- снижения потерь энергии и повышения КПД установки;

- сниа&ниа коэффициента пульсаций в выпрямленном напряжении;

- улучиения электромагнитной совместимости преобразовав ' тельноЛ системы с сетью;

- упрощения конструкции и более эффективного использования компенсируицего модуля.

Более высокая пцльсность преобразования достигается при больних затратах и не дает столь эффективной отдачи. По этой причине основные схемотехнические разработки автора в области компенсационных преобразовательных систеы посвяцены ренину двад-цатичетырехпульсиого преобразования. Девять схем компенсационных преобразовательных систем, являющихся личной разработкой, защищены авторскими свидетельствами. Одна компенсационная преобразовательная система разработана в соавторстве и такке защищена авторским свидетельством, На рис.1 приведен один из вариантов, двадцатичетырехлульсной компенсационной преобразовательной системы, представлявшей совокупность четырех вестмпульсиых преобразователей, (что тоже соответствует мировым тенденциям в развитии аналогичных образцов силовой электроники), высокие энергетические характеристики которой достигаются за счет соответствующего алгоритма коммдтации, обеспечиваемого сдвигом трехфазных систем ЭДС вентильных обмоток трансформаторного блока.

В главе введено понятие о базовой компенсационной преобразовательной системе (БКПС), под которой преяло*ено подразумевать систему, имеввдя симметричный реаин работы основных модулей и характеризущувся фиксированной пульсностьв преобразования. Эта

Рис. I. Двадцатичетарехпупьсная каскадная компенсационная преовразоватеяьная система.

преобразовательная система является основой симбиозных преобразовательных систем, которые условно могут быть представлены а виде обичной и компенсационной части, последняя и обеспечивает высокие энергетические характеристики б целой, Симбиозные или не базовые компенсационные преобразовательные систеин (НКПС) инеют более гибкие выходные характеристики, в частности цоано получить заданное значение коэффициента мощности при регулировании выпрямленного напряжения в широких пределах (практически до нуля).

Описаны различные способа повьшения энергетических характеристик компенсационных преобразовательных систем, вклвчанвде: схему трансформаторного блока, упрощение коапенсирувщего модуля и применение суммирующего трансформатора, изменение конфигурации НПС и др. .Показана возмоаность получения дополнительных положительных .эффектов за счет совместного действия нескольких факторов, Отмечены особенности электромагнитных процессов в различных компенсационных преобраэоьательных системах, показана перспективность их бяочно-ыодульной реализации.

Приемлемый для производителя уровень технологичности подт-верадается конструкторской проработкой двадцатичетырехпульсной КПС, из»©раженной на рис.1, выполненной на ЗПО "Преобразователь",

Четрертяя глава посвящена дальнейшему развитию исследований ревима независимой коммутации тока вентилями, на. основании которого создана обобщенная теория процессов компенсационной преобразовательной системы, работающей в указанном рениме. Обобщение касается нулевых и каскадных КПС, а теория справедлива для диодных и тиристорных систем в режимах с любой пульсностью преобразования.

Получено универсальное выражение тока коммутации в-пульс-ной диодной компенсационной преобразовательной системы, работающей в режиме независимой коммутации тока вентилями:

Аналогичное универсальное уравнение тока коммутации в ти-ристорной компенсационной преобразовательной системе имеет вид*,

ъ £ ^ (ей* -7) "

, 1 (А , , / со$о(я \sinauf I

Несмотря иа отлична форин номяутируящего напряземия в пре-образовагвлы.ш системах нулевого и каскадного типа, начальное значение кокчутирувцего напряжения, одна из важнейиях его характеристик, с которой связана величина опереяаюцего угла регулирования, монет быть вычислена из соотношения

/

и X D ) = X» и ¡Ж - M + -Lfi diT) еГ V " ЛД ^ ^ '

где S„~ схемной коэффициент, котормй равен: $к=4.5~ а компенсационном преобразовательном нодуле с пассивным коммутатором; = 9 - в иестипульсной КПС на базе параллельн"*о блока; 5«=i3 - а дэенадцатипульскоЛ КПС ка базе параллельного блока; S«= 3 - о каскадном блоке;

SR= О-в двенадцатипульсной КПС на базе каскадного блока; S/c=1*2 - в двадцатячетырехпульсной КПС на база каскадного блока. Во всех выравениях под подразумевается собственная частота контура коммутации компенсационной преобразооатэльной системы.

Доказана универсальность коммутационных соотношений, используемых при расчетах диодных компенсационных преобразователь-, них систем:

f i FUI s cos(f-cx)- cosoC'CosnM]"-^j-elno£-sinwwj^- O.SXijÇw^-1 K1+ cos v^p-,

FU2= sinoi- ( î- cow^f- w^cosf) + cosci'Ca^sin^--VSinw„f) + «Д-l HZ &/$K~ fi/2 - h

Применение этих соотношений показало, что расчет углов регулирования и коммутации диодных КПС с высокой пульсностьи преобразования (12 и 2.4), имеет особенность, заключавшуюся в получении неоднозначного ренеиия. Зто потребовало дополнительного исследования свойств функций FUI и FU2, являющихся слояной зависимостью от нескольких взаимосвязанных факторов. При помощи метода численного анализа установлено, что закономерность изменения, представляемая коммутационным соотноаением (функцией FUI), определяется собственной частотой контура koi :утации и не зависит от типа преобразовательной системы и пульсности преобразования. Для коммутационного соотнопения FUP преобладающим является такие указанный фактор, но зависимость от него выражена не столь Определенно.

- 20 -

Этот завод справедлив и для коммутационного спотновенш»

риз»- -L + + -£2^-) cos«

применяемого 'пр.; расчетах тирнстсрных компенсационных преобразовательных систем.

Для всех исслеруеыых КПС определен оптимальный диапазон значений собственной частота контура нсимутации, которая зависит от величины реактивности цепи переменного тока и емкости фаза батарои конденсаторов компйнсирувцего модуля. Для этого диапазона получгны вараяення мгновенных значений тока и напрявения всех элементе? преобразовательных систеи и выпрямленного напрявения.

Формула среднего значекия выпрямленного .напряжения, сс-ыестно с аыранениями, позволявшими определять углы регулирования и коммутации, образувт систему уравнений, являющихся математическим онисаниек нагрузочной характеристики.

Для тиристорной 5КПС укачанная система уравнений имеет вид:

ц, , о ( A. CoSQSx+casЯ +

. , oj.sino'i/ у

" 1 Tcoi^Tf- + tyWjj? -

В диодной БКПС система будет состоять иэ трех уравнений:

0 = + Щ^Г+ й« v*

sinoi= хяА^ _ ri sing»г + sjn«(eos6b,r-t) + + '

U - п f 5 COSoL+COSiT-«) , у .*)»., Л*" ff. ¿fA .

Два первых уравнения использувтся для вычисления углов ре

газирования и коммутеции, которые затем, вместо с другими характеристиками коипенсационной преобразовательной системы, подставляются в третье, откуда и вычисляется среднее значение выпрямленного напряжения.

Получены выравення для определения постоянных, испольэуе-ник .в расчетах, приведены значения коэффициента типа схемы А , который равен 1 и 0.5 в преобразовательных системах каскадного типа и нулевого соответственно, и значения коэффициента схеин

Ревена задача по определению критических значений углов регулирования и коммутации для диапазона нагрузок, при которых угол коммутации еще не достиг своего предельного значения.

В соответствии с половенияии энергетической теории компенсационных преобразователей, разработанной акад. И.Ц.Чизенко, впервые получены оптимизационные уравнения режима независимой коммутации, используя которые, монно определить основные характеристики КПС, соответствующие условиям генерирования наибольвей реактивной мощности в сеть.

Выявлены энергетические возможности базовых компенсационных преобразовательных систем нулевого и каскадного типов. Впервые доказано, что эффективная работа с генерированием реактивной мощности для БКПС нулевого типа возмоана лишь в режиме независимой коммутации, а базовые компенсационные преобразовательные системы .каскадного типа способны генерировать реактивную мощность не только в указанном реяиие, но и при налояении коммутаций через конденсаторы.

Пятая глава погвящена созданию теории процессов компенсационной преобразовательной системы, работающей в режиме налове-ния коммутаций через конденсаторы. Они имевт место при достижении углом коммутации значения ¿£/3#Н и исследованы, в соответствии с выводами предыдущей главы, применительно к 12-и и 24-х пульсным преобразовательным системам каскадного типа.

В этом ревиме процесс коммутации идет р три этапа, что ил-явстрируется рис.2, причем наловение коммутаций .имеет место только на первом и третьем этапах, а на втором - коммутация остается независимой.

Система уравнений для начального (1) этапа коммутации в первом контуре и заключительного (3) - во втором, имеет вид:

На втором этапе коммутаций имеет ыесто только в первой контуре и описывается одним уравнением такого ие вида, как и независимая коммутация, исследованная в предыдущей главе: г

о

Второй этап коммутации заканчивается при ЧУ = Я7Н#3.-Затем

идет третий этап коммутации, длительность которого А^ =/'-й7Н*3.

Он характеризуется наложением коммутаций через конденсаторы и

отличается от первого этапа кокиутацпи тек, что завериаюций этап

коммутации о первом контуре совпадает с начяльш м - в третьем._

Система уравнений для третьего этапа коимутации имеет вид:

Г

^^^^Г1^ ¿ЙгЛ^й^ 0) ] Е^з 1 пег?" - с);

. о 4?"

о

Во всех уравнениях за начало отсчета выбран момент начала коммутации с У5 на 01 (рис»1).

Совместное реиение, использующее совокупность математических методов, дает закон изменения тока коммутации в виде трех уравнений следующего вида:

• _ . (Ц^-Пеоб^-а) -0,5-аисоз(1" -а+ЯУЗН) +

, (1-2б£+ 0.75<&%

+ -у ;

I - С^-1 )со8«У-<х + .!Г/ЗН) -О.5й£со$(ч7"-<*) *** (1-2<+ 0.75 .

Алров^+ .

Коммутационное напряжение такие представляется в виде со-

* . It /•

из 4 Со Cß 'Cst

hHHHh ihHhHh

О 0.2 OA OS 00 10 1.2 la, 0 02 ¿4 0.6 0.8 Í0 12 I

f.-0°ДЯ 30°

9 V - .......

1 — □— 50°— —=п—

в — 6KítC-24 1 У«?9, 1

Рио. 3. Нагрузочные характеристики

яокулностн трех уравнений, а нанряае/ше коммутирующих. конденсаторов, которое в двенадцатипульсний преобразовательной системе имеет двухкратную частоту, а в двадцатичетырехпульсной - чети-рехкратнув, как и в ровные независимой коммутации, на полоаиье периода своей частоты состоит из шести участков.

Получены коммутационные соотношения (функции FUI и FU2), которые используются п^и расчетак рекиыов работы диодных компенсационных преобразовательных систем, и функция FIJ3 - для ти-ристорлых. Выражения получились достаточно громоздкими л ограниченный объем автореферата не позволяет их привести.

Для исследуемых преобразовательных систем определен оптимальный диапазон значений собственной частоты контура коммутации и связанных с ней частот íóTsV и u'f=yï .5- ие{, соответсвуюцих более высокому порядку контура коммутации при наложении коммутаций, для которого характеристическое уравнение является биквадратным. Для этого диапазона получены выражения мгновенных значен кий тока к »(йпряиения всех элементов преобразовательных систем и выпрямленного напряжения.

Получено среднее значение выпрямленного иапрявениа, используемое ири-расчете нагрузочной характеристики:

V1 kC0SUTZ (Г'и) + h4 W-3/;/2N+9/,/BíT )+

+3( F.0BC 0.5-i. 5F05 )[ cos( Я73Н-« )-cos(f- ы >+созЦ*-с*+ ЛУЗН ).--eos* 1/FOl+XfJfij i -cosüüfV"^N> in^/*- JT/Ш)?}/«£" -

jgfcjg. ([ 0.5C H-l Ы. 5F05]tsino¿-t( 3-N )sln( ¿T/3K- q¿) 1 + ~ « l . FOi

+<3«-H)(H-l)sin(*y3H-*)/2F> + + <4û0.5(H+t)-3F05]sin<*-[(N-2 MH-3)i .3F053sîn(#/3K-<x)}/KF0i--u&(H-2)3in( ЯУЗН-<* )/4FШд^10.5(4-NX^'fl^ 0.5(N-2)/¿>'ft^ +0 ; 2K H-3 К П-1УЩ К,/ i п^/ЗИ-К^оз^/ЗН ) J/# -

( 8-N ) w/fi2/H+( N-i N-2 )-o¿ K„sinq//3N-K1:|pos<i¡/73N )]/N.

Подобно режиму независимой коммутации, при помоци численного анализа, получены оптимизационные уравнения режима наложения коммутаций через конденсаторы, позволяющие определить основные рехимные характеристики компенсационной преобразовательной системы, соответствующие условиям генерирования наибольшей реактивной мощности в сеть.

Научные результаты настоящей главы, совместно с обобщенной

теорией релима независимой коммутации, являются теоретической базой для исследования компенсационных преобразовательных систем, исходя из единых методических позиций. Они перспективны для анализа ревима повторной работы вентилей и процессов з режимах со слоиным алгоритмом комиутации.

. Исследованиями доказано, что особенности электромагнитных процессов в базовой компенсационной преобразовательной системе определяются, в основном, не se типом, а собственной-частотой контура коммутации.

• В шестой главе,. посвященной гармоническому анализу базовой компенсационной преобразовательной системы, дальнейшее развитие получили исследования: коммутационных процессов, динамики изме-иония мгновенных значений токов и напряяений отдельных элементов ЕКПС, условий эксплуатации блоков и модулей, электромагнитной совместимости преобразовательной системы с сетью.

Анализ аналитического выражения, представляющего ток коммутации, показывает, что ев гармонический состав содержит постоянную составляющую, первую гармонику с начальной фазой, равной свободно устанавливающемуся опереаавщену углу регулирования в диодной КПС или углу управления, задаваемому системой управления тиристорной КПС, и только одну высшую гармонику, номер которой равен собственной частоте контура комиутации, если частота контура - целое число. Если se u5í. число не целое, гармонический состав кривой содеряит весь спектр гармоник, амплитуды которых убывают по мере повышения их частоты.

Из этого следует, что ток коммутации - часть синусоиды, частота которой равна собственной частоте контура коммутации,

В диодной компенсационной преобразовательной системе кривая i^flO") при it = 0 проходит через нулевое значение и начинает возрастать. В тиристорной КПС, точка, в которой функция, представлявшая ток коммутации, изменяет знак своего приращения, сдвинуте вперед и при iT=0 кривая У»е возрастает.

Это обстоятельство объясняет два момента: : - почему в тиристорной системе, при прочих равных условиях угол коммутации меиьве, чем в диодной; - почему отличается форма коммутационного выброса в БК1ТС, при диодной и тиристорной реализации последней. Расчет величины угла коммутации в исследуемых базовых компенсационных преобразовательных системах показывает: при малой соб-

ственной частоте контура коммутации, когда и оперенаюций угол регулирования измеряется единицами эл, градусов, отличие мевду величиной угла коммутации в мостовом рцпрякителе и в БКПС не превышает нескольких процентов; при повышении собственной часто гы контура коммутации, угол коммутации уменьоается, и ыогет почти в два раза отличаться от угла коммутации мостового выпрямителя, '

Доказано, что в реяимах работы диодной КПС при малых значениях собственной частоты контура коммутации, форма тока коммутации близка к квадратичной аппроксимации. При болыаих значениях собственной частоты контура коммутации и в рекиыах работы ти~ ристорной БКПС, когда имеется задервка коммутации за счет системы управления, форма тока коммутации становится более линейной. Из этого следует, что в любой компенсационной преобразовательной системе при любой реянме ее работы граничными аппроксимирующими Функциями для тока коммутации ыоено считать квадратичную и линейную, Рассчитана закономерность изменения амплитуд и начальных Фаз наиболее существенных гармоник тока вентиля, . в зависимости от величины угла коммутации. Приведены данные, позволяющие судить о величине-погрешности, которая ковет быть допущена, если применяется аппроксимация тока коммутации какого-либо вида.

Результаты численного анализа показывают связь мекду гармоническим составом тока вентиля и тока сетевой обмотки трансформаторного блока а таняе иллюстрируют динамику изменения воздействия преобразовательной системы на питающую сеть при изменении тока нагрузки и при введении регулирования со стороны системы управления в тиристорных КПС,.

При исследовании коммутационного напрямения показана аналогия с трехфазным мостовым выпрямителем, где оно является частью синусоиды с относительным значением амплитуды 0.5 и длительностью р . .

В базовой компенсационной преобразовательной системе Функция значительно слоянее: при отсутствии наловения коммутаций напряменип коммутации соответствует вырамение:

а при налояении коммутаций через конденсаторы - совокупность трех соотновений:

К^созг^)];

Исследований формы кривой коммутационного напряаения различных диодных БКПС позволило сделать следующий визод: в базовой компенсационной преобразовательной системе кривую «юано

аппроксимировать синусоидой, характеризующейся:

- частотой, равной собственной частоте контура коммутации;

- начальной фазой, равной нули; ■ - амплитудой ^

7г с05о<- 31п(г^;-оо _ ¿¿¿хд,

итх? 2<й£- 1 ) 4

Коммутационное напряаение представляет собой начальнуи часть этой кривой в интервале от 0 до ^-у.

Расчеты показывают, что при амплитуда кривой

на периоде частоты сети изменяется мало. При меньших частотах контура коммутации, указанному выше условии удовлетворяет первый пояупериод кривой и^ .

Характеризуя форму коммутационного напряаения тиристорных БКПС при наличии задернки момента включения зентиля в' работу за счет системы управления, отметим, что она зависит от двух факторов: собственной частоты контура коммутации и величины задернки относительно естественной емкостной ьомиутации. Достаточно необоснованным является предполовение, что в управляемых реяимах тиристорных БКПС коммутационный выброс по форме близок к прямоугольному.

Подчеркнуто, что приведенные характеристики формы коммутационного напрянения не зависят от типа преобразовательной системы.

В седьмой главе исследована роль вентилей в энергетических процессах в различных преобразовательных системах. Примененная методика базируется на гармоническом анализе. Разловенне в ряд Фурье выполнено с использованием аналитических выраяенил и гра-

фо-акалитическим способом. Все исследование разделено на две части.

Сначала рассмотрен режим мгновенной коммутации и исследовано влияние управления на энергетические процессы в вентилях различных базовых компенсационных преобразовательных систем, что обосновано стремлением.исключить из анализа факторы, обусловленные влиянием коммутационных процессов.

При анализе кривая обратного напряжения вентиля и его тэка представлялись в виде сунны двух составляющих: трансформаторной и конденсаторной. Разложение в ряд Фурье применительно к компенсационному каскадному блоку показало, что первая гармоника конденсаторной добавки к обратному напряжении вентиля имеет начальную фазу, равную 120 эл. град., такую ае, как и первая гармоника конденсаторной составлявшей в токе вентиля.

Конденсаторная добавка к току вентиля в своем спектральном составе не содержит нечетно-третьих гармоник, ' в то время как в. конденсаторной добавке к обратному напряжении вентиля отсутствуют четные гармоники, ' кроме кратных шести. Таким образом при вычислении мощности следует .учитывать 'канонические гармоники иестифазного режима и'гармоники кратные вести. Гармоники тока и напряжения последних находятся в протквофазе,■ т.е. их активная мощность отрицательная. Для остальных гармоник наблюдается чередование между, совпадением по фазе гармоник тока и напряжения (для к-5, 11, 17, 23.,..) и противофазой для к=7, 13, 19, 25 ...

Изложенное позволяет высказать предположение, что активная мощность конденсаторной добавки к кривым тока и обратного напряжения вентилей каскадного блока свидетельствует об "активном воздействии" коммутирующего звена на электромагнитный процесс в вентиле и во всей компенсационной преобразовательной системе в целом.

Под "активным воздействием" подразумевается влияние на электромагнитный процесс компенсационной преобразовательной системы, аналогичное тому, которое оказывает система управления на процесс в обычном выпрямителе. Зто формальная аналогия, поскольку. за счет системы управления можно ливь задержать момент коммутации, а за с«ет коммутирупцего напряжения (конденсаторной добавки) - сдвинуть вперед.

Расчет для параллельного блока показал, что конденсаторная добавка к кривой обратного напряжения содержит все четные гармо-

ники, а из нечетных - только кратные трем. В то яе время конденсаторная добавка к току вентиля содержит все гарноники, кроме нечетно-третьих.' Поэтому конденсаторная добавка к вентили имеет мощность всех четных гармоник. Причем четные гармоники тока и напряжения, кратнке шести, находятся в противогазе, а все остальные - совпадают по фазе.

Этот результат совпадает с полученным при анализе каскадного блока: конденсаторная добавка к току и обратному напряженна вентиля характеризуется только активной мощностьп.

Столь яе подробно исследовано влияние на электромагнитные процессы в вентиле задернки коммутации со стороны системы управления, если преобразовательная система - тиристорная.

Гармонический состав кривых, характеризующий различные, ре-нимы работы вентилей параллельного блока- и динамику процесса, сравнение его с процессами в трехфазном мостовом выпрямителе и в каскадном блоке, позволили сформулировать такой вывод.

Понятие о неуправляемом компенсационном выпрямителе,- применяемое ранее в научных исследованиях, является не совсем строгим, поскольку компенсационная преобразовательная система не мо-яет быть неуправляемой: при диодной реализации она управляется коммутирующим напряжением конденсаторов и является моноуправляе-мой, при тиристорной (в случае задержки коммутации за счет системы управления) - биуправляемой, В этом смысле более точным будет понятие о диодной или тиристорной реализации, применяемое в диссертационной работе.

' Этот вывод подтвержден исследованиями энергетических процессов в вентилях других базовых компенсационных преобразовательных систем.

Нчитывая идентичность энергетических процессов в вентилях всех исследуемых БКПС, анализ процессов с учетом длительности коммутации выполнен применительно к обычному нулевому выпрямители, компенсационному параллельному блоку и двенадцатипульсной. преобразовательной системе каскадного типа.

Как в управляемом нулевом выпрямителе, так и в неуправляемом, баланс по активной мощности в вентиле при учете длительности коммутации, соблюдается, а по реактивной - нет, Энергетический процесс в вентиле характеризуется реактивной мощностью, положительной на первой гармонике, и отрицательной - на высших, которые представляют собой канонические гармоники иестипульсного

рееима.

Нкчзанная реактивная иоцность является мощностью коьшута-ции и сдвига, Это подтверждается данными расчетов, где представлен гармонический анализ коммутационного напряаення обычного ни левого выпрямителя и расчет мощности отдельных гармоник для тех не условий, при которых анализируется энергетический процесс в вентиле. Сравнение показывает, что мощность высвих гармоник вентиля - зто ыоцность коммутации.

Модность первой гармоники вентиля сосюит из мощности коммутации, как н на высвих гармониках, а такие из мощности сдвига, как за счет коммутации, так и за счет воздействия системы управления.

Для базовых коипенсацнонных преобразовательных систем показано, что прн учете длительности коммутационного процесса, в мощности вентиля появляется составлявцие, представляющие собой мощность коммутации и мощность сдвига реактивного характера. Причем, незав'исиио от пульсног.ти преобразования, в вентилях мощность на высвих гармониках, являющихся каноническими гпрмоникаки вестипцльсного рвяима, в точности совпадает с мощностью коммутации на этих не-гармониках, Для остальных висвих гармоник, так называеиая реактивная иоднссть является мощностью сдвига, а на первой гармонике имеется и реактивная мощность коммутации, и мощность сдвига,

Отыечено танке, что энергетические процессы в вентиле каскадного блока отличаются ,от процессов в вентиле других КПС,

В восьмой глава получены технические характеристики блоков, образувщих компенсационную .преобразовательную систему,' показана дикамика их изменения в зависимости от ре«има работы, составлен баланс мощности БКПС.

Для вентильного блока дана такие оценка сформировавшемуся в технической литературе мнению относительно более тямелнх условий его работы в компенсационных выпрямителях. Отмечено, что .учет только одного этого фактора, в отрыве от совокупности всех других условий работы преобразовательных систем компенсационного типа, приводит к искаженному восприятии последних, что является одной из причин, сдермивающих внедрение в промыиленность данного вида техники. Вентильный блок КПС - элемент многофункциональный, и одна из его функций заключается в отделении компенсирующего модуля от сети.

- 31 -

Если перезаряд батареи вошутирувяия конденсаторов осу-.цестэляется токами на частоте сети, как это иаеет иесто в каскадном блоке, разделять компенсирующее устройство и сеть нет необходимости. В такой случав вентильный блок ииеет облегченный реаин работы в скисле величина обратного напряиения, что и про-иллястрировано-расчетаии и крнвнии.

Во всех остальных БКПС коммутирующее напряяение двух- или четырехкратное по отноиениа к частоте напряаепия питающей сети. Естёственно, что в таком случае конденсаторы не могут быть включена в сеть иапосредственно, а только через какое-либо согллсуя-цее звено, которым, "по совместительству", и лпляется, вентильный блох. При этой его напряжение может возрастать з два и более раз, но только в тон случае, когда БКПС генерирует э сеть реактизнув модность, и такув преобразовательна систему иозно представить как совокупность двцк установок: внпряиителя и. компенсатора. Последний использует все основное оборудование выпрямителя и нонет быть диодным, а не обязательно ткристорным.

В расчете трансформаторного блока обращено внимание, что суннарная активная мощность его сетевых обмоток равна суммарной .активной мощности вентильных обмоток, которая, в саоп очередь, равна активной мощности нагрузки. Равенство полных нощностей не наблндается из-за мощности искаяения и мощности коммутационных выбросов в вентильных обмотках. Расчет выполнен для нескольких реаимов, в одном иэ которых получено такое отноаение полной мощности обмоток к мощности нагрузки: для вентильной обмотки Sjj/Pd = 1.50834, а для сетевой - Sf/Р«/=1.01951, Эти значения практически совпадают с часто приводимыми в технической литературе значениями 1,48 и 1.045 соответственно для вентильной и сетевой обмоток, вычисленных применительно к реяииу мгновенной коммутации.

Считаен необходимым подчеркнуть, что соотновение меаду мощность® обиоток трансформаторного блока и мощность«) нагрузки в БКПС зависит от режиыа работы последней. Определяющей в этом вопросе является величина реактивной мощности.

В случав компенсированного ренима, когда сдвиг по фазе меаду током и напряжением на входе преобразовательной системы 5лизок к нуля, мощность трансформаторного блока будет минималь-юй по отношению к мощности преобразования, поскольку сетевая )баотка разгружается от реактивных токоэ.

- '32 -

Подобный рваим в обычных преобразователях невозмояен, поскольку коммутационный процесс всегда приводит ' к увеличении мощности как сетевой, так и вентильной обмотки за счет реактивной составляющей.

В главе выполнен расчет и построение нагрузочных характеристик всех исследуемых в настоящей работе базовых компенсационных преобразовательных систем (некоторые из них для иллюстрации приведены на рис.3).

Начальный участок всех характеристик соответствует диодной' реализации компенсационной преобразовательной системы, или ти-ристорной, если за счет системы управления задераки опереяаищей емкостной коммутации нет. В этом случае характеристика является падающей,- а крутизна ее наклона зависит от собственной частоты контура коммутации. . .-■ .

При задержке коммутации в тиристорной БКПС, ее нагрузочная характеристика становится более яесткой, - и в некоторых режимах, почти прямолинейной. Переход от начального участка к близкого к прямолинейному происходит плзвко.и вид нагрузочной характеристики при этом зависит от величины задеряки момента коммутации за счет системы управления.

Как отмечено ранее, во всех базовых компенсационных преобразовательных системах ыоико осуществить реяим параметрической стабилизации выпрямленного напряяения, заключающийся во взаимосвязанном выборе собственной частоты контура коммутации и угла управления силовых тиристоров,

При этом выпрямленное напрявение будет наиболее высоким, что свидетельствует о компенсации реактивной мощности во всем диапазоне-нагрузок, .

Исследования энергетических процессов в базовых компенсационных преобразовательных системах показали, что наиболее высокая эффективность использования конденсаторной батареи может бцть достигнута в том случае, когда компенсирующий модуль является звеном преобразовательной системы и максимально приближен к вентильному блоку.

Вопрос этот достаточно слояный и многогранный, поскольку эффективность использования конденсаторов в КМ компенсационной преобразовательной системы определяется рядом схемотехнических и режимных факторов.

К числу наиболее изученных относится вопрос о снияении

установленной мощности конденсаторной батареи за счет повнвения частот« тока, осуществляющего ее перезаряд,

Исследование режимных факторов позволяет сформулировать положение, согласно которому в КПС, вентильный блок которой получает реактивнув энергию'на более высоких частотах, чем отдает, создаются условия для дополнительного генерирования реактивной мощности.

Именно по этой причине энергетический процесс в каскадной блоке, где коммутирующее напряжение имеет частоту сети, подобен процессу в обычных выпрямителях с конденсаторами в цепи переменного тока. Возможность дополнительного генерирования.реактивной мощности не следует приписывать какому-либо одному элементу, например вентильному блоку или конденсаторной батарее. Это -свойство преобразовательной системы. Эффект уиноаениз мощности достигается за счет совместной работы всех ее элементов, режим которых взаимосвязан.

Весь поток реактивной энергии проходит через вентильный блок только в том случае, когда частота коммутирующего напряжения отличается от частоты сети. В таких реинмах вентильный блок является элементом, разделяющим компенсирующий модуль и сеть. Имеется еще аспект, вносящийся к эффективности использования конденсаторов компенсирующего модуля, который трудно оценить количественно. Он заключается в возможности формирования различных нагрузочных характеристик при реализации преобразовательной системы как совокупности компенсационных и обычных блоков и модулей, т.е. при блочно-ьодульной реализации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

При выполнении диссертационной работы достигнуты следующие основные результаты:

1. Дальнейшее развитие получили исследования компенсационных преобразователей, составиввие обобщенную теории процессов компенсационной преобразовательной системы, работающей в режиме независимой коммутации тока вентилями, справедливую для КПС нулевого и каскадного типов при любой пульсности преобразования :*. симбиозных преобразовательных систем при исследовании процессов в их базовых частях.. На основе указанной теории изучены режимные и параметрические характеристики преобразовательных систем и до-

каэано, что для исследования глубоких режимов преобразовательных систем необходимо создание новой теории, основанной на принципе многоэтапной одноступенчатой коммутации.

2. Лолучеш оптимизационные соотношения по локальному критерию, предусматривающему генерирование в сеть максимальной реактивной мощности, подтвердившие целесообразность применения компенсационных преобразовательных систем каскадного типа в ренинах работы при налокекии коммутаций через конденсаторы.

На основе этих соотношений выполнена оптимизация ревима работы преобразовательной подстанции Сумгаитского алюминиевого завода, позволившая существенно улучиить ее энергетические показатели.

3. Исследована многоэтапная одноступенчатая коммутация и создана теория ренина наложения коммутации через конденсатор« применительно к 12-и и 24-х пульснкы компенсационный преобразовательным системам каскадного типа, на базе которой получены ха-> рактеристики их элементов, исследованы реяиыные и нагрузочные характеристики, определена энергетические ьоэмокности и получе-ни оптимизационные соотношение по условии генерирования максимальной реактивной мощности в сеть.

4. Получены соотношения, являющиеся основой теории процессов преобразовательной системы, построенной на предлояеннок способе перезаряда коммутирующих конденсаторов при поаощи тиристор-ного (полуактивного) коммутатора. Посредством результатов анализа комнутирущего напрянения показано, что в преобразовательной системе с полуактивным коммутатором момно получить наперед заданное значение опереяаичего угла регулирования при изменении нагрузки в аироких пределах, даме если этот процесс будет сопро-вокдаться изменением напрямения вентильных обмоток питавшего трансформатора, что нередко имеет место в соответствии с требованиями технологического цикла.

5. Выполнен анализ и синтез коммутационных соотномений, ..которые предлокено использовать при исследовании компенсационных преобразовательных систем, показаны их свойства и особенности применения при высокой пульсности преобразования и больиих значениях собственной частоты контура коммутации, а гакве при диодной и тиристорной реализации.

6. Исследование коммутационных процессов и практически реализуемого алгоритма коммутации привели к дополнительному разви-

тии принципа построения компенсационных преобразовательных систем, как объекта блочно-ио;щльной реализации, позволившему осуществить оптимизацию их возможных вариантов по обобщенному критерия, включающему в себя экономичность и технологичность. На основе указанного принципа предложена серия оригинальных схемотехнических решений компенсационных преобразовательных систем, предназначенных для реализации в виде источников питания энергоемких потребителей на постоянном тоКе.

7. Гармонический анализ всех элементов блоков и модулей компенсационной преобразовательной системы углубил физические представления о процессах в ней и использован при исследовании электромагнитной совместимости преобразовательной системы с сетью, что нашло практическое применение при разработке и расчете Фильтров для защити мощных обрабатывающих центров с ЧПУ зарубежного производства на Волгодонском ПО "Атоммаи".

0. Разработана методика анализа энергетических процессов в вентиле и в компенсационной преобразовательной системе в целой, основанная на методе гармонического анализа. Показано, что применяемое в теории компенсационных преобразователей понятие о неуправляемом выпрямителе, является не очень строгим, поскольку даве при диодной реализации,' ИПС не может быть неуправляемой, т.к. напряжение коммутирующих конденсаторов оказывает на ее вентильный блок воздействие, которое по своему физическому смыслу весьма подобно воздействии системы управления на вентильный блок обычного выпрямителя. При тирйсторной реализации и • применении задержки опережающей емкостной коммутации со стороны системы управления, вентильный блок подвергается двойному управлению.

9. Синтез режимных и параметрических характеристик, осуществленный .на б?зе обобщенной теории процессов компенсационной преобразовательной системы при независимой коммутации и при наложении коммутаций через конденсаторы, позволил установить, что в случае тиристорной реализации все характеристики име-.

ют полюс, а значит во всех КПС имеется возможность осуществления такого режима, при котором изменение тока нагрузки, в широких пределах не приведет к изменению угла коммутации. Основываясь на этом положении сформулирован ранее неизвестный принцип параметрической стабилизации выходного напряжения тиристорной компенсационной преобразовательной системы, получены выражения для расчета характеристик, при которых возможна практическая реализация.

- 36 -

10, Разработана математическая и Физическая модель компенсационной преобразовательной системы, методика инаенерного расчета и создано ее программное обеспечение, ориентированное на использование ПЭВМ.

Основное содервание диссертации опубликовано в следущих работах:

1. Компенсационные выпрямители //в кн, Новые полупроводниковые преобразовательные устройства. К.: ЗкрШДОНТИ, 1970,с.4-14/ Соавтор Чияенко И.И,/

2. Исследование четырвхмостового полупроводникового кои-пенсационного выпрямителя // Сб, Устройства преобразовательной техники, вып.4, 19?0, с.170-180/Соавтор Чивенко И,У./

3. Уточненное исследование процессов в полупроводниковых компенсационных выпрямителях„больвой моцности, /Сб. "0 законченных научно-исслед. работах по за. техн. в вузах УССР", Выца школа, 1972,' с.б-7/Соавтор Чивенко H.H./

4. Некоторые особенности работа полупроводникового вентильного блока мощного выпрямлтеля // К.-; Серия электроэнергетики Н Ю, 1973,-с.20-24/ Соавторы Вевченко А,Я.. Вуляк A.A./

5. Полупроводниковый компенсационный выпрямитель. //Сб. "0 законченных научно-исслед. работах по эл. техн. в вузах УССР"/, Выща вкола, 1974, с. 17-18 / Соавторы Чивенко И.'И., Кудря Е.А./

6. Двухмостовой полупроводниковый выпрямитель с улучяенны-ми энергетическими характеристиками, //Сб. "0 законченных науч-но-исслед. работах по эл. техн. в вузах УССР", Выща вкола, 197S, с.12-13/Соавторы Чиненко И.М,, Кудря'Е.А./

7. Исследование реяинов преобразователя для питания вакуумных дуговых печей. /Сб. "0 законченных научно-исслед. работах по эл. техн. в вузах ЧССР", Выща школа, 1976, с.16-17/ Соавторы Чивенко И.Н., Кудря Е,А./

8. Влияние преобразователей электрического тока на сеть ..алектроснабмения промывленного предприятия.- // "Энергетика и

электрификация" N 2, К.:1976, с,32-34 / Соавторы Чивенко И.М., КудряЕ.А./

9. Линейные электрические цепи и методы их анализа, //Учебное пособие, К,: 1979./ Соавтор Чивенко И.П./

10, Передача энергии постоянным током высокого напрявения. //Учебное пособие К.: 1982./ Соавторы Чивенко U.M., Курило И.О.,

эорисенко В.И./

11. Авторское свидетельство 1120356 , Обратимый каскадный компенсационный преобразователь./Опубл. Б.И. К 45, !984./

■ 12. Авторское свидетельство 1129707 , Обратимый компенсационный преобразователь (tro варианты). / Опубл. 5.И. К 46, 1284./

13. Компенсационные преобразователи с улучшенными техНи-ко-экономическиии характеристиками. /Два. докл. к совещания "Преобразовательная техника в энергетике", M.¡ 1984, с.6-7/Созв-торы Чияенко И.И., Рябчий В.П./

14. Каскадный компенсационный преобразователь.//Тез.докл. к Всесовзн. НТК "Применение преобразоват. техн. электроэнергетике, электроприводе и злектротехнологич. уст.", Тольятти, 1S84, с.Í96-Í97/Соавторы Чияенко И.М., Кудря Е.А.. Вуляк fl.fi./

• 15. Авторское свидетельство 1188837, Высоковольтный компенсационный преобразователь. / Опубл. Б.И. N 40,1985,/

• 1В. Энергетическая преобразовательная установка для питания печей электрографитации,// Тез. докл. Всесоязн. НТК "Силооая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве", И; Информэлектро, ,1985', с.56-58/ Соавторы Чияенко H.H., Кулькин Ю.Ф./

17. Авторское свидетельство 1175338, Компенсационный выпрямитель (его варианта). 1965./Соавторы Чияенко H.H., Кудря Е.А., Зуляк A.A./ Опубл. БД. N 31 , 1935./

18.Высоковольтные компенсационные преобразователи с улуч-пенными технико-экономическими характеристиками. //Сб. "Электропередачи и вставки постоянного тока", N 2091-эи, Н.:,1906./ Соавтор Чиаенко И.Н./

19. Оптимизация аппроксимирующей функции тока коммутации. // Тез, докл. Всесовзн. НТК "Проблемы преобразовательной техники" / К.: 1987, с.37-39/

20. Проблемы качества электроснабжения предприятий цветной металлургии. //Тез. Всесовзн. совещ. "Ялучиение электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей i зк средство экономии материальких и энергетических ресурсов",М.: Информэлектро, 1987. с.21-22/ Соавторы Чияенко И.П.. Эуляк A.A./

21. Авторское свидетельство 1314897, Компенсационный пре-обраэо'ва^ел^, 1987. Доав2оры_Чияенко И.М., Кудря Е. А., Кулькин ».Ф./ Опубл." бТи. М 20, 1987./

22. Нетод численного анализа компенсационного преобразовп-

зв

теля,// К.: Серия электроэнергетики N 25, 1988, с.78-84/ Соавтор Еулян fi.fi,/

23. йвторское свидетельство 1670682 , Способ параметрической стабилизации выходного напряжения управляемого компенсационного выпрямителя. //Опубл. Б.И. N 30. 1991,/ Соавтор Бойко Б.Б

Личный вклад автора. Работы 11, 12, 15, 19 написаны авто ром самостоятельно. В работах 2, 4, 14, 16, 17, 20, 21 автора предложена идея и методика исследования, а такне даны основны выводы. В остальных работах коллективно осуществлена постанови задачи и разработка основных теоретических половений при одина коаом личном вкладе автора и соавторов.

Подписано к печати о1,ОЧ'19аЛг' Формат 60x84/16 Бумага офсетная Усп.-пэч.иист,Я>,№ч.-над.лист ^о. Ги рак 10а. Закаэ 391 • Бесплатно

Полиграф, уч-к Института »яектродияамики АН Украины, 252057,'Киев-57, проспект Победи, 56.