автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Принцип регулируемого самоподмагничивания, теория и методы исследования ферромагнитно-полупроводниковых устройств как системных элементов многоцелевого назначения

П Г С Л fl САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Г I D V И ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 6 AHB 1995

На правах рукописи

БАКОВ Юрий Васильевич

УДК 621.314.2:621.318.435

ПРИНЦИП РЕГУЛИРУЕМОГО САМОПОДМАГНИЧИВАНИЯ, ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ КАК СИСТЕМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.14.02. Электрические станции (электрическая часть], сети, электроэнергетические системы и управление ими

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете.

Научный консультант—

«Заслуженный деятель науки и техники», член-корреспондент РЭА, д. т. н., профессор Неклепаев Б. Н.

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, д. т. н., профессор Александров Г. Н.,

«Заслуженный деятель науки и техники», член-корреспондент РЭА, д. т. н., профессор Шевченко В. В.,

«Лауреат премии АН Украины», д. т. н., профессор Вагин Г. Я.

Ведущее предприятие —

Сибирский научно-исследовательский институт электроэнергетики (СибНИИЭ), г. Новосибирск.

Защита состоится в специализированном совете Д 063.38.01 Санкт-Петербургского„государственного технического университета « . » Ср9орО.ПЯ- • • • 1^95 года в 10 часов, ауд. 325 главного корпуса.

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул^ Политехническая, 29, Ученый совет.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

КАНТАН В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЮТН

Актуальность темы. Отечественная энергетика л настоял?« время находится на переходном этапе формирования регулируемого энергетического рынка, вызванного складывающимися в России новыми экономическими условиями. Более трети всех потребляемых в России энергоресурсов расходуется нерационально. Поэтому важнейшим направлением новой энергетической политики должно стать энергосбережение.

Все звенья технологической цепочки непосредственно от источника электрической энергии до- электроприемников должны способствовать экономичному и надежному обеспечению потребителей качественной электрической энергией.

Нормы на показатели качества электроэнергии (ПКЗ) приведены в ГОСТ 13109-87. Надежность электроустановок зависит от схемы прилегающей распределительной сети энергосистемы, схемы распределительных устройств (РУ) подстанций, надежности работы электрооборудования, ПКЭ, степени резервирования и т.д.

нелинейная, несимметричная, быстроизменяющаяся и другие специфические нагрузки могут вызвать технологический ущерб вследствие снижения количества и качества выпускаемой продукции и электромагнитный ущерб из-га повышения расхода электроэнергии, возникновения дополнительных потерь активной мощности, сокращения срока службы электрооборудования и снижения надежности электроустановок.

Современный путь решения задачи повышения качества элект-. роэнергии, ее экономии и повышения надежности электроустановок состоит в управлении показателями качества электроэнергии и надежности с помощью технических средств.

Необходимо комплексное рассмотрение задачи, которое вызвано сложностью и многообразием зависимостей показателей и характеристик, отражающих качество электроснабжения.

Известные устройства коррекции ПКЭ и надежности электроустановок построены на самых различных принципах, существенно отличаются схемными и конструктивными решениями, в неполной мере отвечают требованиям быстродействия, кратности (глубине) регулирования, содержания высших гармоник, низких потерь активной мощности'.

Разработка научно-обоснованного решения поставленной общей задачи, ее практическая реализация составляет предмет настоящей работы, которая выполнялась в соответствии с координационным планом в области промышленной энергетики, планами основных научных направлений Ивановского государственного энергетического университета, научной программой отраслевой научно-исследовательской лаборатории Минлес.бумпрома СССР и конкретными заданиями Минэнерго СССР по реконструкции системы электроснабжения собственных нужд электростанций.

Цель работы. Разработка основных признаков и свойств принципа регулируемого самоподмагничивания магнитной системы ферромагнмтно-полупроводниковых устройств (ФМПУ) как системных элементов многоцелевого назначения, теории и методов анализа и исследования электрических цепей с ШПУ для решения задачи повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок.

Для достижения указанной цели необходимо: - выполнить анализ основных свойств и признаков принципа регулируемого самоподмагничивания магнитной системы ферромаг-'нитиых устройств;

- предложить схемные и конструктивные решения ФМПУ, обеспечивающих повышение ПКЭ, компенсацию реактивной мощности, ограничение и коммутацию токов короткого замыкания (КЗ) и компенсацию емкостных токов замы-сания на землю;

- разработать математические модели полупроводниковых вентилей и рассмотреть особенности математического моделирования электрических цепей с ФМПУ;

- разработать и исследовать <М1У повышения ПКЭ;

' - разработать и исследовать МТУ повышения надежности электроустановок;

- разработать и обосновать алгоритм системы автоматизированного проектирования ФМПУ;

- разработать общую теорию мощности трехфазных нелинейных несимметричных и неуравновешенных электрических цепей;

- выполнить теоретическое обоснование н представить технические решения многофункциональных >ШПУ повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок;

- рассмотреть пути решения задачи повышения качества

электрической энергии и надежности электроустановок на основе использования предложенных 5МПУ.

Научную новизну представляют:

1) основные свойства и признаки принципа регулируемого самоподмагничивания магнитной системы ферромагнитных устройств, положенные в основу разработок многочисленных ЗМПУ различного функционального назначения;

2) математические модели неуправляемых, управляемый и полностью управляемых полупроводниковых вентилей;

3) универсальный алгоритм и программа расчета на ЭВМ электромагнитных переходных и • установившихся процессов в электрических цепях с ФМПУ;

4) математическая модель электромагнитных процессов в цепи с групповым соединением полупроводниковых вентилей;

5) алгоритм и программа расчета на ЭВМ периодического режима электрических цепей с 5МПУ;

6) алгоритм САПР 4МПУ;

7) новые технические решения устройств ограничения, регулирования и форсировки напряжения, статических тиристорных источников реактивной мощности (ИРМ), фильтров высших гармоник, устройств симметрирования и уравновешивания напряжений и токов нагрузки, устройств компенсации емкостных токов замыкания на землю и ограничения токов КЗ, коммутационных аппаратов, схем РУ повышенного напряжения, а также результаты вычислительных экспериментов, математического моделирования и экспериментальных исследований;

8) обшая теория мощности трехфазных нелинейных несимметричных и неуравновешенных электрических цепей;

9) обоснование определяющего влияния мощности КЗ на выводах электроприемников и компенсирующей реактивной мощности ИРМ на показатели качества электрической энергии и надежности электроустановок;

10) технические решения многофункциональных 4МПУ повышения ПКЭ и надежности электроустановок.

Автор згэдвцаот :

- основные признаки и свойства принципа регулируемого самоподмагничивания магнитной системы, положенные в основу работы многочисленных ФМПУ;

- математическое моделирование электромагнитных процессов в электрической цепи с ФМПУ;

- результаты исследований, разработок и внедрения в опытно-промышленную эксплуатацию $МПУ различного функционального назначения;

- пути решения проблемы повышения ПКЭ и надежности электроустановок.

Практическая ценность и внедрение результатов работы".

Практическая ценность работы определяется тем, что ее основные результаты были использованы или используются в настоящее время при разработке ФМПУ различного функционального назначения для повышения ПКЭ и надежности электроустановок и подготовке специалистов соответствующих специальностей.

1. Результаты работы внедрены на Ивановской ТЭЦ-3 в системе собственных нужд электростанции. Экономический эффект составил 61,6 тыс.руб/год.

2. Результаты работы внедрены на Щекинской ГРЭС в системе собственных нужд 0,4 кВ. Экономический эффект составил 16,6 тыс.руб/год.

3. Результаты работы внедрены в вычислительном центре и АТС ПО "Ивановомебель". ■ Экономический эффект составил 11,4 тыс.руб/год.

4. Разработан, изготовлен и установлен на п/ст "Тракторная" ПЭО "Владимирэнерго" опытно-прсмышлешшй образец регулируемой приставки с БАРНТК-2 к ДГР типа ЗРОМ-350/6. Экономический эффект, подтвержденный заказчиком, составляет 40,4 тыс.руб/ год.

5.Для ЦБК пд заказу МСУ ВО "Союзоргбумпром" разработан ТУУ с принудительной коммутацией управляемых вентилей на напряжение 6 кВ. Экономический аффект, подтвержденный заказчиком; составляет 118 тыс.руб/год.

6. По заказу промышленных предприятий, организаций и учреждений разослано 55 комплектов технической документации на изготовление "ФТОСН-2".

7. Усовершенствованные схемы РУ со сборными шинами напря-

* - расчеты выполнены в ценах, действующих до 1986 года.

жением 35 kB и выше используются в учебном курсе "Проектирование электрической части электростанций", в курсовом и дипломном проектировании электрических станций и подстанций.

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации докладывались и обсуждались на Межвузовском научно-методическом семинаре "Использование ЭВМ в учебном процессе и научных исследованиях" (Иваново, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции, посвященной 100-летию изобретения электросварки H.H. Венардосом (Иваново,1981), Всесоюзной научно-технической конференции "Бенардосовские чтения" (Иваново, 1983), Постоянно действующем научном семинаре "Электрическая часть электростанций" (Москва, 1982 и 1991.), Всесоюзном семинаре "Опыт повышения технического уровня эксплуатации и ремонта энергетического оборудования на предприятиях целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности (Жидачев, 1980), заседании секции энергетики и вторичных знергоресурсов НТС Минлесбумпрома по теме "Автоматизированные приводы бумаго-и картоноделателышх машин. Опыт внедрения полупроводниковой техники" (Москва, 1981), Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития злектротехнологии" (7-е Бенардосовские чтения, Иваново, 1994). Результаты работы демонстрировались на. ВДНХ СССР (Москва, 1990).

Публикация материалов работы. По материалам диссертации опубликовано 16 статей, 12 тезисов докладов Всесоюзных, Республиканских и Международных научно-технических конференций, два учебных пособия, получено 23 авторских свидетельства на изобретения, выпущено 12 отчетов по НИР, руководителем и ответственным исполнителем которых был автор.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 265 наименований и 14 приложении. Объем работы 503 стр., в том числе 179 стр. основного текста, 125 рис. на 98 стр., 4 табл. на 6 стр., 28 стр. списка литературы и 192 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш дана общая характеристика современного состояния систем электроснабжения промышленных предприятий, собственных нужд электростанций и электрических сетей. Определено наиболее перспективное направление повышения ПКЭ и надежности электроустановок, указаны цель и задачи работы.

Надежность оценивается относительной величиной времени, в течение которого система электроснабжения обеспечивает питание электроприемников качественной электрической энергией.

Еыполнен анализ причин возникновения, влияния и современных способов я средств устранения отклонений ПКЭ и надежности в электроустановках.

Показатели качества электроэнергии влияют на характеристики электроприемников, вызывая изменение активных потерь мощности, потребляемой реактивной мощности, срока службы изоляции, частоты вращения электродвигателей и оказывая влияние на качество работы, релейной защиты, автоматики, телемеханики, свя8и, систем импульсно-фазового управления тиристорных. преобразователей, робототехнических систем, станков с числовым программным управлением, информационно-вычислительных центров, автоматизированных систем упр.авления производством.

Основной задачей в области повышения ПКЭ электроустановок является создание и использование ФЫПУ, обеспечивающих управление показателями качества электрической энергии.

Основная задача в области повышения надежности электроустановок заключается в разработке и применении схемных решений и различных ШЗУ, предназначенных для компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях напряжением 6-35 кВ, эффективного ограничения установившегося и ударного токов КЗ и повышения ПКЭ.

Рассматривается один из путей повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок, заключающийся в повсеместном применении предложенных и разработанных Ш1У различного функционального назначения, которые в отличие от известных должны обеспечивать высокое быстродействие и кратность регулирования, пониженную генерацию высших гармоник и низкие потери активной мощности. Комплексный подход являетоя

необходимым условием успешного решения задачи повышения 1са-чества электрической энергии и надежности электроустановок.

Во второй главе рассмотрены основные свойства и признаки принципа регулируемого самоподмагничивания магнитной системы ферромагнитных устройств.

Различают независимое подмагничивание и самоподмагничива-ние. Известное независимое подмагничивание требует специальный регулируемый источник постоянного тока. Известное нерегулируемое продольное самоподмагничивание как вспомогательное явление используется в ферромагнитных устройствах для создания дополнительного подмагничивания или для устранения вибрации магнитной системы.

Суть принципа регулируемого подмагничивания состоит в подмагничивании магнитной системы регулируемым и выпрямленным током электрической сети, к которой подключено ферромагнитное устройство.

Принцип реализуется в ферромагнитных устройствах путем соединения управляемых полупроводниковых вентилей с обмотками управления, расположенными на разных стержнях магнитной системы, имеющих немагнитные зазоры, и подключением основных обмоток и обмоток управления к электрической сети. Характеризуется наличием электрического и магнитного выпрямления. Электрическое выпрямление обеспечивается протеканием выпрямленного тока электрической сети по обмоткам управления, а магнитное выпрямление - созданием замкнутых магнитных путей протекания постоянной составляющей магнитного потока при условии получения магнитной симметрии на каждом полупериоде переменного тока.

На рис.1 - рис.б в качестве примера приведены схемы основных и наиболее простых ЗМПУ.. В зависимости от конструкции магнитной системы с обмотками в <ШПУ различают продольное, поперечное, смешанное продольно-поперечное и круговое регулируемое самоподмагничивание.

С продольным регулируемым самоподмагничивавием могут быть выполнены ЖТУ-1 - МТУ-б (рис.1 - рис.б). Поперечное регулируемое самоподмагничивание может быть использовано в >ТМПУ-2 (рис.2), «МТУ-4 - ЗМ1У-6 (рис.4 - рис.6). Круговое регулируемое самоподмагничивание магнитной системы может быть примочено в ФМПУ-6 (рис.0). Наибольшее распространение получили по!са

- Iû-

й.Ш-1 Wi U^VSx

Wz ¿2 v¿2

f

1-nr

■ЫПУ-4

W,

Рис. I

w3 Сч

"VAJСГ^

JU/

Г

^иг

Рис.4

Й.ШУ-5

Рис.2 ЙЛУ-3

.Рис.5

РИС.3

Ф:лпу-6

конструкции <ШПУ с продольным регулируемым самоподмагничивани-ем. Магнитные системы с поперечным и круговым регулируемым са-моподмагничиванием более сложны и менее технологичны. В зависимости от схемы электрических соединений и конструкции магнитной системы 2ШУ создается эффект однополупериодного (ркс.1 - рис.4), двухполупёриодного (рис.5) или шестифазного (шес;ти-пульсного) (рис.6)'выпрямления тока электрической сети. Предложены конструкции ФМПУ с двенадцатипульсным выпрямлением тока электрической сети.

Связь между обмотками управления и основной обмоткой осуществляется электрическим (рис.2-, рис.4, рис.5) или электромагнитным путем (рис.6).

В зависимости от вида .электрического и магнитного выпрямления и фазности исполнения в М1У применяются двух-, трех- и четырехстержневые конструкции магнитной системы однофазного исполнения, а также четырехстержневые конструкции трехфазного исполнения.

Характерной особенностью Ш1У является наличие параллельных цепей, имеющих отличающиеся электромагнитные % характеристики, определяемые в общем случае напряжением на выводах цепи:

<11 с!В

1т + Ь— + И-Ост—,

^Щ) ЩрЬ)

Рис.6

с1Ь

с!Ь

где 1 - ток цепи; г - активное сопротивление цепи с учетом активного сопротивления полупроводникового вентиля; Ь - индуктивность рассеяния обмотки; Ост - сечение стержня магнитной системы; В - магнитная индукция.

Параллельное соединение полупроводниковых вентилей через индуктивности обмоток и различие электромагнитных характеристик параллельных цепей с полупроводниковыми вентилями способс-

твуют увеличению угла коммутации вентилей и росту величины тока циркуляции ло обмоткам, который усиливает эффект самоподмагничивания магнитной системы, но способствует повышению уровня потерь активной мощности в обмотках ФМПУ.

ß зависимости от характера Toica полупроводниковых вентилей ь ФМПУ различают пять основных режимов работы. В первом (перьом предельном) режиме, соответствующем режиму наибольшего самоподмагничивания, в зависимости от схемы включения в электрическую сеть напряжение на выводах (так) ФМПУ имеют соответственно минимальное (.максимальное) значение, а угол коммутации вентилей и токи циркуляции - наибольшие значения. Второй режим ФМПУ сопровождается пониженными значениями угла коммутации вентилей и токов циркуляции. В третьем режиме, возникающем при определенном угле управления тиристоров и зависящем от конструктивных параметров и схемы электрических соединений ФМПУ, угол коммутации вентилей становится равным нулю и выходные параметры ФМПУ (ток и напряжение) становятся синусоидальными. В четвертом режиме ток тиристоров приобретает прерывистый характер. Пятый (второй предельный) режим характеризуется полным 'отсутствием самоподмагничивания. ФМПУ работает как ферромагнитный реактор с немагнитными• зазорами, имеющий линейную вольт-амперную характеристику.

ФМПУ обладают свойством саморегулирования, способствующим стабилизации напряжения (тока) нагрузки при постоянном угле управления тиристоров.

Для продольного включения ФМПУ в электрическую сеть необходимо получение обратной зависимости между постоянной составляющей магнитной индукции В(со и ее основной гармоникой Вп>. В предельных режимах одна из этих составляющих магнитной индукции близка к нулю. Для поперечного включения ФМПУ ß электрическую сеть необходимо постоянное присутствие основной гармоники магнитной индукции Вц-j в магнитной системе при изменении постоянной составляющей В(0) от нуля до максимального значения.

В работе приведены расчетные кривые изменения параметров нагрузки активно-индуктивного характера и параметры ФМПУ для наиболее характерных установившихся режимов'работы электрической сети с ОМПУ-1 - ФМПУ-5.

В электрическую сеть М1У генерируют высшие гармоники, которые появляются в токе и. напряжении нагрузки. Выполнен гармонический анализ до 13 гармоники включительно тока и напряжения нагрузки, токов в обмотках, магнитных индукций в стержня)! магнитной системы и напряжения на выводах ФЯ1У-1 - ©Ж1У-5, а также определены коэффициенты несинусоидальности тога и напряжения нагрузки в электрической сети с этими устройствами.

Токи тиристоров 11(1г) ©ЛПУ, кроме постоянной составляющей, содержат первую и всю гамму высших гармоник. Токи и напряжения нагрузки (1НГ. . инг), токи основной обмотки Щ и магнитная индукция Вз среднего стержня магнитной системы с основной обмоткой Из содержат первую и нечетные высшие гармонические составляющие. Магнитные индукции ВгШг) в крайних стержнях магнитной системы с обмотками управления У г и состоят из постоянной составляющей и, в основном, из первой и второй гармоник.

Переход от однополупериодного к двухполупериодному или шестипульскому (двенадцатипульсному) выпрямлению уменьшает коэффициент несинусоидальности напряжения и тока нагрузки.

Снижение высших гармоник, генерируемых <МТУ в электрическую сеть, осуществляется в два этапа. На первом этапе осуществляется минимизация высших гармоник изменением конструктивных параметров ФМПУ (числа витков в обмотках, геометрических размеров магнитной системы, величины немагнитных зазоров и их размещения в стержнях) с учетом предъявляемых технико-экономических требований (например, стоимости, необходимого коэффициента регулирования, потерь активной мощности и других).

На втором этапе используются технические средства и решения: повышение пульсности (фазности) выпрямления то!са при создании эффекта регулируемого самоподмапшчивания, применение треугольного соединения обмоток для компенсации высших гармоник, кратных трем, использование вращающегося магнитного поля, обеспечение сдвига двух источников 5-ой и 7-ой гармоник соответственно на угол * 30 гр.зл. для их взаимной компенсации, образование фильтров высших гармоник с использованием ФМПУ и другие.

В третьей главе излагаются особенности математического моделирования электрических цепей с СЕМПУ.

Общий подход к математическому моделированию неуправляемых полупроводниковых вентилей состоит в представлении их прямой и обратной вольт-амперных характеристик с высокой степенью точности нелинейной зависимостью (рис.7), предложенной автором, uB - iij-Rb + uo;

R - ai-exp [-аг-агс tg(a3-iB)3 ,

где uB> iB - напряжение и ток вентили; RB - активное сопротивление вентиля; uo - пороговое напряжение вентиля; ai - аз -коэффициенты аппроксимации, которые вычисляются по методу трех выбранных точек.

Математическая модель тиристора описывается выражением Ub - Ib-RB + uo;

RB - ai-e'xp i-ao-arc tg аг-Пв - S(t)]}.

Угол управления тиристора моделируется периодической импульсной и прямоугольной функцией управления S(L) (рис.8), которая смешает рабочую точку с прямой вольт-амперной характеристики на снимется ричную точку обратной вольт-амперной характеристики.

Периодическая функция S(t) представляется в виде спектра га-Рис. 7- рмонических составляющих:

; л

—— реальная ---расчет

aj=2ö5'J-2, Э ICOC 8Ul

а>=11,3 ,Э8

лгоо ¡ос

I i Jfti

1

/

/

Ol ю

40

г з

2-Е ■<» , ч

■m +--L < sin(n-x-m) -cos n-lcu-t - (jt-m ± o:,-M)]> ,

Jt-n n-lv >

SCt)

где Е - амплитуда прямоугольного импульса; ш - относительная длительность прямоугольного импульса; п - номер гармоники; ж -3,14159; ы - угловая частота, аСи - угол смещения импульса. Угол управления «УПр тиристора равен: "упр " й-ш ± Кем, где знак (+) выбирается при расположении начала импульса на плдожтчгльной ьремешюй оси, а ьиак'(-) - при расположении начала импульса па отрицательной временной оси.

Амплитуда импульса Е на каждом шаге расчета ьыбирается

'сети

равной |2-iB|. Угол смещения функции S(t) на временной оси выбирается произвольно, но с. обязательным выполнением условия: начало появления импульса управления 3(t) на временной ося должно заведомо опережать момент появления положительного тока вентиля iB. При iB < 0 принимается, что S(t) - о (рис.8).

Для получения идеального прямоугольного импульса управления при ограниченном числе учитываемых гармоник с помощью логического выражения на ЭВМ производится отстройка от максимально возможного уровня помехи, а амплитуда импульса управления Е - |2-iB|, т.е.

IF S(t) < Котс-Е THEN S(t) - О ELSE S(t) - E ,

где Коте - коэффициент отстройки, зависящий от максимально возможного уровня помехи между соседними импульсами при ограниченном числе учитываемых гармоник и выбранном шаге расчета на ЭВМ. Моделирование изменения угла управления тиристоров под действием устройств автоматического регулирования при переменном шаге расчета на ЭВМ реализуется путем воздействия на величину угла смещения при фиксированной относительной длительности импульса ш.

Описание электромагнитных процессов в ФМПУ выполняется с üt учетом следующих допущений: для представления кривой намагничивания электротехнической стали магнитной системы используется кусочно линейно-нелинейная аппроксимация средней кривой намагничивания предельного гисте-резисного цикла, учитывается явление "уширения" магнитного Рис.8 потока б немагнитных зазорах

$апм

стержня магнитной системы, не принимаются во внимание активные' потери, вызванные поверхностным эффектом в активных проводниках, явлением гистерезиса и вихревыми токами б' электротехнической стали магнитной системы, учитывается индуктивность рассеяния обмоток, нагрузка электроприемников представляется статической характеристикой и принимается во внимание активно-индуктивное сопротивление источника неизменного синусоидального напряжения.

В общем случае электромагнитные процессы в электрическсй сети с 4М1У, включенной на нагрузку, и с учетом принятых допущений описывается системой алгебро-дифференциально-интег-ральных уравнений, составленной для полной схемы замещения. Это оказалось возможным благодаря применению предложенных нелинейных и непрерывно дифференцируемых математических моделей полупроводниковых вентилей. Предварительно составляется направленный граф расчетной схемы замещения электрической сети с 5М1У и выбирается дерево графа.

Выполнив необходимые преобразования, исходная система уравнений преобразуется к системе дифференциальных уравнений, 'которгш к нормальной форме Ноши приводится с использованием метода последовательного исключения производных или численного определений значения производных на каждом шаге расчета на ЭВМ. Преобразование исходной алгебро-дифференциально-интегральной системы уравнений в алгебраическую систему уравнений выполняется по , методу аппроксимирующих функций. Для решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений используются методы Рунге-Кутга четвертого порядка, Гаусса и Ньютона-Радона.

" Б работе предложены нелинейные параметрические и непрерывно дифференцируемые математические модели полупронсдниковЫл вентилей вида ив = Шв). не .. вызывающие появления проблемы "жесткости" при решении дифференциальных уравнений явными численными методами.

Проведено исследование И-, И_-, и И-НС- моделей полупроводникового вентиля (рис.9)', включенных в цепь общего вида (рис.10), с привлечением теории собственных чисел матрицы. На каждом шаге расчета на ЭВМ оценивались собственные числа матрицы преобразованной системы дифференциальных уравнений,

приведенной к нормальному виду, вычислялась погрешность в определении параметров цепи при изменении шага расчета на ЭВМ и параметров моделей полупроводникового вентиля.

При заданной погрешности менее 1 % рекомендуемый шаг расчета на ЭВМ <ЩПУ составляет 2-1СГ5 - 4-Ю"*5 с, а рациональное

значение постоянной времени И.- модели Ть

М0"а - 2-10"

с.

С К-модель

КС -модель

и

¿(1)

С-модель к_£е

Для Н-КС- модели погрешность не превышает 2 %, если - 1000 - 2000 Ом, СО -4-Ю"8 Ф, а наибольший шаг расчета составляет 8-Ю"5 с.

Наибольшей точностью обладает ШЗ- модель полупроводникового вентиля при шаге расчета 2-Ю"5 - 8-Ю-5 с и оптимальных параметрах модели: Тс - 6,366-10~3 с и Ть --1,5915-Ю"3 с, найденных из условия равенства собственных чисел модели - Аг), максимально возможного значения постоянной времени Тс (Тс -4-Ть) и минимума угловой погрешности в закрытом состоянии вентиля (Тс-Ть - 1/ы2).

Для исследования и расчета на ЭВМ многочисленных и разнообразных по своей конст-Рис.9 рукции, схемным решениям и фу-

нкциональному назначению ФМПУразработая универсальный алгоритм и составлена программа расчета !?1№ТУ на ЭВМ типа СМ-1420 (СМ-4), использующая алгоритмический язык зортрлн

ЯЛ СВ Е-К!-модель

ЛЕЙ.

и Я а. С ¿А 43

■—^Ч--1-11--¡И

Рис.10

Программа предназначена для расчета переходного и установившегося режимов работы любого ФМПУ и требует минимума затрат ручного труда на подготовку задачи к ее решению 'на ЭВМ.

Преобразование системы дифференциальных уравнений к нормальному виду, ее решение и разложение в ряд Фурье найденных параметров выполняются на ЭВМ. Программа снабжена набором математических моделей полупроводниковых вентилей, организованных в виде отдельных подпрограмм.

Режим пробоя полупроводникового вентиля, потеря управления тлристорами, влияние защиты и системы автоматического регулирования ФМПУ моделируются воздействием на параметры импульсной функции 3(1) в функции заданных действующих, мгновенных и производных значений параметров электрической сети и ФМПУ.

Ь работе приводится метод математического моделирования процессов в цепи с групповым соединением полупроводниковых вентилей, учитывающий заданный диапазон разброса прямой и обратной вольт-амперных характеристик вентилей, совместное влияние устройств выравнивания, деления и защиты в переходном к установившемся режимах.

Разработан алгоритм и составлена программа УИНПУ расчета периодического режима работы ®.'ЛУ с использованием метода тригонометрической коллокацшг. Сравнительный анализ рее у штатов гармонического анализа параметров цепи общего вида (рис.10), полученных на ЭВМ по программам.Ш^ТУ и УЩ-ТУ, показал высокое совпадение параметров гармонических составляющих.

В чотаертей глапа выполнен анализ предложенных ФМПУ повышения качества электрической энергии. Рассмотрены ферротирис-торные ограничители-стабилизаторы сетевого напряжения тш& 'ФТОСН-1, ФТОСН-2, ФТОСН-4 и ФТОСН-5, снабженные автоматическим регулятором напряжения, который обеспечивает иапряшше на нагрузке, не превышающее более чем на 5 X номинальное напряжение.

Приведены кривые изменения параметров сети и ФТОСН при их включении в электрическую сеть'при полностью открытых тиристорах. Время наступления установившегося режима не превышает 0,06 с.

Выполнено сравнение ФТОСН по следующим показателям: коэффициенту регулирования напряжения нагрузки Кри, коэффициентам нескнусоидальности напряжения КНСи и тока нагрузки Кнс I. закономерности изменения составляющих магнитной индукции в процессе регулирования, максимальным значениям углов коммутации 1 и проводимости 0 полупроводниковых вентилей. Некоторые результаты сравнения приведены в табл.1.

Таблица -1

1....... 1 | Тип 1 1 Показатели 1

Крц, % 1 1 1 Кнсишах» % 1 1 | Кнс1тах. ^ 1 1 |г(е),гр.эл.|

1 | ФТОСН-1 | ФТОСН-2 | ОТОСН-3 | ФТОСН-4 I ..... 45 40 61,4 61,4 1 1 1 36,0 | [ 9,8 | 1 22,5 | 1 16,2 | | ,. ... .1 19,0 4,8 8,4 9,4 | 140(320) | | 140(320) | | 150(320) | | 108(300) | 1. . .. 1

В работе приведены также экспериментальные кривые изменения коэффициента несинусоидальности напряжения нагрузки в процессе регулирования напряжения в сети с ФТОСН различного типа, ТОН-3,' который выпускается промышленностью, и известным тирис-торным ограничителем дроссельного типа ТОНД. Результаты исследования показали эффективность использования ФТОСН по сравнению с известными устройствами.

Регулирование напряжения в широком диапазоне ¡сак в сторону понижения, так и в сторону повышения, осуществляется устройствами с самоподмагничиваемыми трансформаторами типа СНСТ, в которых в качестве регулируемого элемента используются ФШУ-2 - «1МПУ-5. Дополнительное снижение содержания высших гармоник, кратных трем, в выходных параметрах СНСТ достигается соединением обмоток трансформатора в треугольник.

Фельдманом М.Л. предложено использовать РПН для форсирован напряжения силовых траксформатороз с цель» повышения успешности сачозапуска электродвигателей механизмов собственных нужд электростанций и электродвигателей промышленных предприятий.

В данной работе пречлож'ено и наследовано устройство Фср-

сировки напряжения силового трансформатора, выполненное на базе реакторного РПН с добавлением третьей обмотки и управляемого тиристорного ключа (контактора).

Приведенные результаты экспериментального исследования и расче.ты на ЭВМ устройства форсировки напряжения трансформатора показали возможность повышения напряжения на 10 - 11 % от номинального.

Источники реактивной мощности обеспечивают снижение потерь активной мощности от протекания реактивной мощности го ЛЭП и через трансформаторы, повышение пропускной способности линий и трансформаторов, улучшение устойчивости работы электроприемников, повышение ПКЭ, а также способствуют успешности самозапуска электродвигателей. Для выполнения перечисленных выше функций предложены ИРМ типа СТИРМ-1 - СТМРМ-3, обладающие высоки.-,I быстродействием регулирования, возможностью пофазного управлении и низким содержанием высших гармоник, не превышающим нескольких процентов.

Отклонение индуктивности реакторов и емкости конденсаторных батарей, входящих в узкополосные фильтры, вызывают • расстройку фильтров. Автоматическая подстройка фильтров в каждой фазе в пределах ± 5 %•осуществляется регулированием индуктивности реактора, выполненного на основе ФМПУ-3. Как показали результаты исследования, диапазон регулирования тока составляет 10,4 X, коэффициент несин/соидальности тока реактора при его поперечном включении в электрическую сеть равен 5,1 'I. Определяющей в токе является третья гармоника, которая может быть скомпенсирована соединением реакторов фильтра в треугольник. Пятая, седьмая и девятая гармоники тока в суше не превышают' 0,4 % на всем диапазоне регулирования индуктивности,реактора. При закрытых тиристорах реактора время наступления уста' ' повившегося режима работы в 7 раз меньше, чем при полностью открытых тиристорах.

Для обеспечения симметричного режима работы систем электроснабжения, имеющих изменяющуюся во времени несимметричную нагрузку, предлагается использовать- предложенные в данной работе управляемые МТУ в известных симметрирующих устройствах.

В пятой главе приведены результаты исследования и разработки {щу, предложенных для пошшенин над^лпостй электроустановок.

Разработана регулируемая приставка к ДГР со ступенчатым регулированием тиса компенсации типа РНДСОМ (ЯРОМ). Грубая настройка осуществляется выбором соответствующего вывода обмотки ДГР, а точная настройка обеспечивается регулируемой приставкой, выполненной на базе <ШПУ-4.

Предложен также ряд конструкций ДГР типа ДГР-1 - ДГР-4, работающих на принципе регулируемого самолодмагничивания. Устройства компенсации емкостных токов замыкания на землю снабжаются быстродействующим регулятором настройки тока компенсации типа ВАРН'ГК с регулируемой скоростью настройки. . Регулятор настройки БАРНТК работает при возникновении замыкания Фазы электрической сети на землю, использует фазовый и фадово-частотный принципы работы, реагирует на все виды згшкания фазы электрической сети на землю и имеет устройство получения неизменного по величине опорного фазного напряжения поврежденной фазы, корректирующего угловые погрешности измерительных трансформаторов. В процессе эксплуатации исправность регулятора проверяется диагностическим устройством, имитирующим замыкание в выбранной фазе сети и вызывающим работу БАРНТК.

Результаты экспериментального исследования и расчета на ЭВМ показали эффективность работы регулируемой приставки к ЗР0М-31)0/6 с БАРНТК-2 и хорошее совпадение расчетных и опытных данных. Содержание высших гармоник в токе компенсации не превышает 2 X на всем диапазоне регулирования. Сопротивление регулируемой приставки изменяется от 24,66 Ом (по опытным данным 25 Ом) до 1,43 Ом в диапазоне изменения тока компенсации, равном 49,69 - 71,97 А.

В работе предложено ряд простых и сдвоенных ТУУ. Наибольшей надежностью обладают ТУУ, не требующие для эффективного ограничения ударного тока КЗ устройства принудительного запирания силовых тиристоров. Схемы наиболее характерных ТУУ типа ТУУ-2 и СТУУ-2 приведены на рис.11.

Токоограничивающее устройство ТУУ-2 (рис.11,а) выполнено на-базе сдвоенного бетонного р?актора с повышенной динамичес-. кой стойкостью к сквозным токам КЗ. По результатам экспериментального исследования и расчетов на ЭВМ при коэффициенте свяги Между обмотками сдвоенного реактора, равном К - 0,47, и полностью открытых тиристорах У51 и УЗг установлено четырехкрат-

—I-----О

Рис.11

ное снижение индуктивного сопротивления устройства в нормальном режиме работы. Коэффициент максимального ударного тока КЗ составляет 2,46. Токоограничивающее устройство для трехфазного

выпрямительного моста отличается высокой экономичностью, которая обеспечивается за счет использования полупроводниковых вентилей выпрямительного моста одновременно и для создания эффекта са-моподмзгничивания магнитной системы ТУУ в нормальном режиме работы. Шунтированием обмоток ТУУ тиристорами обеспечивается переход к режиму токоограничения. В сдвоенном токоограничивающем ус -тройстве СТУУ-2 (рис.11,6) при равномерной загрузке основных обмоток наблюдаются минимальные потери напряжения в нормальном режиме работы электрической сети. При разной загрузке основных обмоток Из и Из" или при отключении одной из основных обмоток снижение потери напряжения в СТУУ-2 обеспечивается за счет размагничивающего действия обмотки И1 и самоподмагничивания магнитной системы выпрямленным током обмотки И?..

Реактор с обмоткой И2, совмещенный с основной конструкцией магнитной системы, ограничивает скорость нарастания размагничивающего тока обмотки И1 и подмагничивающего тока обмотки Иг, обеспечивая эффективное ограничение ударного тока КЗ при условии снятия управляющих импульсов с тиристоров. УЭх - УБ^ и возникновения КЗ в электрической сети.' Данные, полученные на экспериментальной установке СТУУ-2, подтвердили эффективность ограничения ударного и установившегося токов КЗ.

Для оценки эффективности ограничения ударного тока современными ТУУ предлагается использовать коэффициент максимального пока КЗ, который определяется по отношению к амплитуде установившегося тока КЗ и вычисляется по выракеякю: Кщах " Ку1*Куй>

где КУ1 1 »• охр (- 0,01/Та): Куй - 1 * ехр >'- 0.01/Г„); Та и

Тп - постоянные времени затухания соответственно апериодической и периодической составляющих тока КЗ, определяемые для двух предельных режимов ТУУ.

Полученный вывод хорошо согласуется с: экспериментальными данными. Предельное Еремя, которое отпускается ТУУ для его перехода от нормального режима работы к режиму токсограничения, составляет 1,7-2,0 мс при Кщах < 2 и 4,0-4,3 мс при Ктах -

- 2,84.

Разработана математическая модель ТУУ с устройством принудительного запирания силовых тиристоров, учитывающая модель вшипочения тиристора, базирующуюся на теории накопленного заряда Ов, с использованием известных- характеристик Оа -

- Ис!1тир/с1и и 10бр - Г(<Нтир / йЬ) при различных значениях прямого тока тиристора. Применение принудительной коммутации тиристоров в бесконтактных коммутационных аппаратах обеспечивает ограничение токов КЗ в самом начале возникновения КЗ, позволяет выбирать тиристоры по току максимальной нагрузки и не вызывает перенапряжений в электрической сети.

Снижение времени отключения токов КЗ повышает технико-экономические показатели бесконтактных коммутационных аппаратов, что достигается применение!! импульсных датчиков, реагирующих на превышение уставки по производной тока КЗ; снижением скорости нарастания тока КЗ путем включения дополнительной индуктивности в цепь тиристоров; применением быстродействующих силовых тиристоров с малым временем выключения; выбором рациональной скорости снижения тока КЗ в запираемом тиристоре и выводом. избыточной магнитной энергии из цепи КЗ после запирания тиристоров. Достигнутое время отключения тока КЗ в цепи с бесконтактным коммутационным аппаратом на напряжение 0,4 кВ составляет' 5 мс.

Разработано и исследовано устройство управления силовыми тиристорами бесконтактного коммутационного' выключателя, имею-' йее простую и надежную конструкцию, а форма выходного импульса управления которого приближается к идеальной.

Разработано и проведено исследование импульсного датчика производной тс'ка, реагирующего на величину и знак производной тока, имеющего импульсные выходы и предназначенного для ТУУ и бесконтактных коммутационных аппаратов.

Распределительное устройство повышенного напряжения влияет на надежность электроустановок. Предложено 10 усовершенствованных схем РУ с рабочими и обходной системами сборных шин.

Основу усовершенствованных схем РУ составляет модуль, состоящий из двух выключателей и выполняющий одновременно функции секционного (шиносоединительного) выключателя, выключателя ответственного присоединения и обходного выключателя.

Применение усовершенствованных схем РУ с рабочими и' обходной системами сборных шин способствует эффективному ограничению токов КЗ с еысокими технике-экономическими показателями. Это достигается включением в модуль из . двух выключателей сдвоенного токоограничивающего устройства.

В шестой главе рассмотрены вопросы оптимального проектирования ФМПУ, которые отличаются большим разнообразием схемных решений, конструктивного исполнения и функционального назначения .

В зависимости от степени влияния на качество проектирования в любом ФМПУ выделяется три основные части: магнитная система с обмотками, силовой полупроводниковый вентильный блок и система управления, регулирования, защиты и сигнализации. В некоторых ФМПУ присутствует и четвертая часть - линейные элементы: конденсаторные батареи, силовые резисторы и реакторы с линейной характеристикой.

Магнитная система с обмотками оказывает определяющее влияние на технико-экономические показатели ФМПУ4. В меньшей степени технико-экономические показатели варианта исполнения ФМПУ зависят от параметров силового полупроводникового вентильного блока, изменяющихся дискретно. Система управления, регулирования, защиты и сигнализации практически не влияет на вариант исполнения конкретного £МПУ (относительно псстоянная часть).

Задача оптимального проектирования ФМПУ относится к задаче нелинейного программирования с ограничениями вида равенств и неравенств, условием изменения части переменных на дискретном множестве, обусловленным техническими требованиями, и получения некоторых зависимостей параметров и характеристик в результате решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений.

В технические условия на проектирование ФШУ входят ос-

новные внешние данные: номинальное напряжение 1)нсм, номинальный ток 1НОм. наибольшее индуктивное сопротивление Хртах> ко-' эффициент регулирования Кр, наибольший ток 1Наиб (ток утяжеленного режима или ток КЗ) и номинальная мощность устройства.

Конструктивно <ХШУ имеют много общего с реакторами, выполненными с немагнитными зазорами, с силовыми трансформаторами и полупроводниковыми преобразователями. Поэтому целесообразно использовать . накопленный опыт их проектирования, предварительно оценив величину типовой мощности 5МПУ:

2 V Ь|аИб

Зтип ~ ЗЧном '"ртах'--«-О,

1ном

где а - ВТ-бТ/(В-б) - поправочный коэффициент; бт, б - плотность тока соответственно в обмотках трансформатора и ФМПУ; Вт, В - магнитная индукция соответственно в стали трансформатора и магнитной системе <ШПУ; - в - коэффициент, учитывающий наличие обмоток управления, величину кратности регулирования и конструкцию МТУ.

В отличие от реакторов со сталью, ФМПУ имеют три расчетных установившихся режима: с наибольшим индуктивным сопротивлением, с наименьшим индуктивным сопротивлением и режим, вызывающий максимум высших гармоник. Наличие трех расчетных режимов усложняет решение задачи оптимального проектирования МТУ.

Число витков основной обмотки <ШПУ в зависимости от заданного Хртах определяется по методу, предложенному Манькиным Э.А. Конструктивный расчет обмоток, тепловой расчет и определение динамических усилий в обмотках МГУ выполняется по методике, разработанной для сухих трансформаторов.

При проектировании полупроводникового вентильного блока МГУ определяются расчетные величины: расчетные токи продолжительного режима работы, ударный ток аварийных режимов, напряжение на полупроводниковых вентилях, скорость нарастания тою вентилей в аварийных режимах, скорость нарастания напряжения на выводах вентилей, условия охлаждения вентилей. Производится^ выбор и расчет параметров полупроводниковых вентилей, устройства деления тска и выравнивания напряжения, защиты от перенапряжений и сверхтоков аварийных режимов. Осуществляется проверка выбранных вентилей по предельному току, классу напряжения,

количеству параллельно и последовательно соединенных вентилей, тепловому режиму, току аварийных режимов, di/dt и du/dt.

Завершается проектирование М1У разработкой системы им-пульсно-фазового управления силовыми тиристорами вентильного блока и систем автоматического регулирования, • сигнализации, диагностики, блокировок и других.

При оптимальном проектировании магнитной системы с обмотками ФМПУ независимыми переменными параметрами являются: диаметр стержня магнитной системы, плотность тока в обмотках, индукция в стержнях магнитной системы с основной обмоткой, высота обмоток, число параллельных проводов в обмотках, высота и ширина провода обмоток, число слоев (катушек) в обмотках, число последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых вентилей и соотношение числа витков обмоток управления и других обмоток с числом витков основной обмотки.

Область допустимого решения задачи формируется ограничениями, налагаемыми стандартами, техническими условиями и требованиями на допустимые изменения основных параметров и характеристик ФМПУ (например, условиями плотности тока и теплового пото-а в обмотках, условиями радиальной устойчивости обмоток и т.д.).

В качестве критерия качества при оптимальном проектировании выбирается стоимость ШТУ, народнохозяйственные затраты или приведенные затраты в зависимости от конкретной цели реша емой задачи.

Учитывая особенности и трудности оптимального проектиро вания iМПУ, а также результаты анализа современных методов математического программирования, наиболее рациональным оказался метод рационализированного перебора на основе декомпозиционного подхода к решению поставленной задачи.

Алгоритм САПР ФМПУ прошел апробирование при разработке токоограничивающего управляемого устройства с принудительной коммутацией полупроводниковых вентилей для промышленной ТЭЦ ЦБК.

В шестой главе рассматриваются пути повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок.

Автором разработана общая теория мощности трехфазных нелинейных несймметричных и неуравновешенных электрических це-

пей. базирующаяся на представлении токов и шшряжеиий соответствующими суммами гармонических составляющих с учетом углов сдвига, едином методологическом подходе в определении средних по модулю за четверть периода составляющих мощности, энергоио-токовой теории мощности и использовании метода симметричных составляющих гармоник напряжений и токов.

Согласно общей теории проходная мощность Зпр трехфазной несинусоидальной несимметричной и неуравновешенной электрической цепи ■

3Пр = II о®. 1 ► Е Зр.'о + II Зф.2, А,В,С Л,В,С А,В,С

где ЗфЛ. Зф.о и 5ф,2 - фазные мощности-соответственно симметричных составляющих прямой, нулевой и обратной последовательностей.

Фазная мощность соответствующей последовательности, если использовать терминологию общепринятую для нелинейных цепей, состоит из трех составляющих:

Зф = Ра + 0 + т, где Ра, Ч и Т - средние по модулю составляющие мощности соответственно активная, реактивная и искажения.

Выводы общей теории мощности согласуются с реальной картиной физических процессов в рассматриваемой электрической цепи. Рекомендуется к использованию при решении задачи повышения технико-экономических показателен электроустановок.

Установлено, что кроме мощности КЗ на выводах электроприемников определяющее влияние на ПКЭ и надежность электроустановок оказывает реактивная мощность быстродействующего по-фазно регулируемого ИРМ. Выполненный .анализ позволил сделатг вывод, что многофункциональное устройство повышения ПКЭ и надежности электроустановок должно совмещать функции ТУУ и ИРМ.' Сформулированы требования к конструкции многофункционального 'МТУ (М 5МПУ). Предложены два технических решения М ФШУ для' трехфазной трехпроводной и трехфазной четырехпроводной электрических сетей. Рассмотрен один и;! возможных вариантов иркме--нения М '1МПУ, включенного между двумя секционными выключателями на стороне 6-10 кВ понизительной подстанции промытлешкм о предприятия.-

Учитывая взаимное -влияние и тесную связь различных пека-

вателей и характеристик, отражающих качество электрической энергии и надежность электроустановок; в работе подчеркивается необходимость комплексного подхода при выполнении поставленной в работе задачи. '

Предлагается два пути ее решения:

- изготовление и комплексное использование различных ФМПУ, обеспечивающих повышение одного или нескольких ПКЭ и надежности электроустановок;

- разработка и применение М ФМПУ повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок.

Преимущество в комплексном использовании ФМПУ по сравнению с известными и однотипными по функциональному назначению устройствами заключается в единстве принципа работы и модификации конструкции магнитных систем с обмотками, полупроводниковых вентильных блоков, блоков систем управления, регулирования, защиты и сигнализации. Единое математическое и программное обеспечения создают дополнительные преимущества.

Второй путь решения поставленной в работе задачи, заключающийся в разработке и применении М ФМПУ, является более перспективным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Современное решение задачи повышения качества электроэнергии и надежности электроустановок состоит 'в разработке и применении устройств управления ПКЭ и надежности на электрических станциях и в электрических сетях энергетических систем.

Цель данной работы заключается в разработке теории, теоретических и экспериментальных методов исследования, алгоритмов предложенных феррсмагнитно-полупроводниковых устройств как системных элементов многоцелевого назначения, работающих на принципе регулируемого самолодмагничивания, имеющих единое математическое и программное обеспечение, выполненных на единой элементной базе, отличаошихся высоким быстродействием регулирования, пониженной генерацией высших гармоник, разнообразием конструктивных и схемных решений, возможностью пофазного управления и обеспечивающих выполнение следующих Функций: ограничения, стабилизации, р'-тудирсг.аштя и форсировкк напряжения, автоматической настройки фильтров высших гармоник, рргулируе-

мого симметрирования и уравновешивания напряжений и токов нагрузки, компенсации реактивной мощности, ограничения и отключе-' ния токов короткого замыкания, компенсации емкостных токов замыкания на землю.

2. Принцип регулируемого самоподмагничивания, основные признаки и свойства которого установлены автором, состоит в подмагничивании магнитной системы ферромагнитного устройства выпрямленным и регулируемым током электрической сети, характеризуется наличием электрического и магнитного выпрямления, использованием продольного, поперечного, смешанного , продольно-поперечного я кругового подмагничивания, получением одноло-лупериодного, двухполупериодного, шестипульсного и двенздцати-пульсного выпрямления тока электрической сети, протеканием по обмоткам и полупроводниковым вентилям токов циркуляции, электрической и (или) электромагнитной связью между обмотками управления и основной обмоткой, применением однофазных и трехфазных конструкций магнитных систем. Наиболее перспективное решение поставленной в работе задачи заключается в разработке и применении специальных устройств коррекции качества электроэнергии и повышения надежности электроустановок.

3. Автором предложены и исследованы нелинейные параметрические непрерывно дифференцируемые й-, й--. Ш> и Р.-РС- модели неуправляемых, управляемых и полностью управляемых полупроводниковых вентилей, представляемых зависимостью ив = ¿"Ов). Использование математических моделей позволяет применять методы расчета нелинейной электротехники с непрерывными функциями для исследования <ШПУ, что существенно упрощает /анализ различных режимов работы полупроводниковых преобразователей и автоматических устройств управления, регулирования и защиты. Математические модели полупроводниковых вентилей ИХ и 1?-КС не вызывают появления проблемы "жесткости" при решении явными численными методами систем дифференциальных уравнений и разрешают выбирать шаг расчета на ЭВМ исходя из заданной точности решения уравнений. Наибольшей точностью обладает Ш>модель-полу проводникового вентиля с параметрами: Тс = 6,366-1О"3 с и Гь = 1,5915- Ю-3 с. Рекомендуемый шаг расчета на ЭВМ <ШПУ составляет 2-Ю"5 * 8-1СГ5 с.

4. Предложен метод математического моделирования электро-

магнитных процессов в цепи с последовательным и параллельным соединением полупроводниковых вентилей, учитывающий совместное влияние устройств деления тока и выравнивания напряжений, защит от di/dt и du/dt, базирующийся на заданном диапазоне разброса параметров прямой и обратной вольт-амперных характеристик вентилей, выявляющий параметры в переходных и установившихся режимах работы и рекомендуемый к использованию при разработке мощных полупроводниковых преобразователей.

5. Автором разработан универсальный алгоритм и отлажена программа "RUNFTY" на алгоритмическом языке ФОРТРАН. Программа предназначена для расчета на ЭВМ типа СМ-1420 (СМ-4) электромагнитных переходных и установившихся режимов работы различных ФМПУ с минимальными затратами ручного труда на подготовку задачи к ее решению на ЭВМ, снабжена набором математических моделей полупроводниковых вентилей, достаточно просто учитывает влияние устройств управления, регулирования, зашиты и обладает способностью к дальнейшему расширению.

6. Автором, разработана программа "YRRFTY" для расчета на ЭВМ периодического режима работы ФМПУ, используюиая метод тригонометрической коллокации. Сравнение данных, полученных в результате расчета на ЭВМ разными методами, подтверждает возможность применения методов нелинейной'электротехники с непрерывными функциями для анализа ФМПУ на основе использования предложенных нелинейных параметрических математических моделей полупроводниковых вентилей.

7. Предложены ферротиристорные ограничители-стабилизаторы сетевого напряжения типа ФТ0СН-1 - ФТОСН-5 и устройства регулирования и стабилизации напряжения с самоподмагничиваемыми трансформаторами типа СНСТ-1 - СНСТ-5. Бесконтактное устройство форсировки напряжения силового трансформатора на базе реакторного РПН способствует успешности самозапуска электродвигателей механизмов промышленных предприятий и собственных нужд электростанций. Теоретические и экспериментальные исследования показазд эффективность их работы. Ряд трехфазных устройств ФТ0СН-1 и ФТ0ПН-2 внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию в системе собственных нужд двух электростанций и в вычислительном центре промышленного предприятия.

8. Предложено ряд технических решений источников реактив-

1.ой мощности типа СТИРМ-1 - С'ГИРМ-3, которые в отличие от из--, вестных обладают пониженным содержанием высших гармонии, что подтверждается полученными результатами исследования на ЭВМ трехфазного СТИРМ-1.

9. Для автоматической подстройки узкополосных фильтров высших гармоник предложено использовать в качестве регулируемого элемента реакторы, выполненные на Сазе ФМПУ-3, соединенные в треугольник и. практически не генерирующие высшие гармоники.

10. Рассмотренные в данной работе ферромагнитно-полупроводниковые устройства, снабженные лофазным регулированием, рекомендуются для управляемого симметрирования напряжений и выравнивания токов нагрузки в трехфазных электрических сетях, необходимость в котором вызвана изменением величины несимметричной н.агрузки й ее коэффициента несймметрии.

11. Предложена, разработана и'внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию регулируемая приставка с быстродействующим регулятором настройки тока компенсации "БАРНТК-2" к дугогася-щему реактору ЗРОМ-350/6. Регулятор резонансной настройки "БАРНТК-2" предназначен для регулирования приставки и предложенных дугогасящих реакторов, использует фазовый и фазово-частотный принципы настройки, включается в работу при всех видах замыкания фазы электрической сети на землю. В отличие от известных регуляторов "БАРНТК-2" имеет устройство диагностики, используемое в условиях .эксплуатации.

12. Предложено ряд технических решений простых и сдвоенных токоограничивающих управляемых устройств, снижающих ударные и установившиеся токи КЗ до требуемого уровня. Для промышленной ТЭЦ ЦБК разработано ТУУ на иНом = 6 1Ном = 1600 А и Хршах = 0,56 Ом с принудительной коммутацией управляемых вентилей, прошедшее испытание на экспериментальной установке.

13. Автором предлагается оценивать эффективность ограничения ударного тока КЗ в электроустановках с ТУУ коэффициентом максимального тока, равным произведению двух коэффициентов-ударного тока, зависящих от постоянных времени апериодической и периодической составляющих тока КЗ, вычисленных для двух предельных режимов 5МПУ. Наибольшее время, которое отпускается ТУУ для его перехода от нормального режима работы с малым ин-

дуктивным сопротивлением к режиму эффективного ограничения ударного тока КЗ, составляет 1,7 - 2,0 мс при Кщах < 2 и 4,0 -4,3 мс при Кщах = 2,84. Включение сдвоенных ТУУ в модули из двух выключателей усовершенствованных схем РУ с рабочими и обходной системами сборных шин снижает технико-экономические требования к их расчетным параметрам.

14. Уменьшение времени отключения токоограничивающих бесконтактных коммутационных аппаратов достигается применением предложенного импульсного датчика, реагирующего на превышение уставки по производной тока КЗ, снижением скорости нарастания тока КЗ, применением быстродействующих тиристоров с малым временем выключения, выбором рациональной скорости снижения тока КЗ в запираемом тиристоре и выводом избыточной магнитной энергии из цепи КЗ после запирания тиристоров. Достигнутое время отключения токов КЗ составляет 5 мс.

15. Автором предложен алгоритм и разработана структурная логическая схема САПР МТУ, прошедшие апробирование при разработке токоограничивающего управляемого реактора с устройством принудительного запирания тиристоров для промышленной ТЭЦ ЦБК. САПР ФМПУ использует метод рационализированного перебора независимых переменных с элементами динамического программирования .

16. Автором установлено, что кроме величины мощности КЗ на выводах электроприемников на показатели качества электрической энергии и надежности электроустановок определяющее влияние оказывает пофазно регулируемая реактивная мощность установленного быстродействующего ИРМ. Это доказывает, что конструкция многофункционального МТУ повышения ПКЭ и надежности электроустановок должна сочетать в себе токоограничивающее управляемое устройство и пофазно регулируемый быстродействующий источник реактивной мощности.

17. Автором разработана общая теория мощности трехфазных электрических цепей общего вила, характеризующихся нелинейностью, несимметрией и неуравновешенностью напряжений и токов в фазах. Теория пошлости отвечает реальным физическим процессам, происходящим в трехфазных электрических цепях при передача мощности от источника доекгриоеской оперши к элздтроприем -инкам.

18. Один из путей повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок, предлагаемый автором, сос-' тоит в комплексном использовании ФМПУ различного функционального назначения. Наиболее перспективный путь решения поставленной в данной работе задачи заключается в разработке и использовании многофункциональных ферромагнитно-полупроводнико-вых устройств.

19. Автором предложено два технических решения многофункционального устройства повышения качества электрической энергии и надежности электроустановок соответственно для трехфазной трехпроводной и трехфазной четырехпроводной электрических сетей, а также один из возможных вариантов использования М ШПУ-2 на понизительной подстанции в системе электроснабжения промышленного предприятия.

Основные публикации по работе

1. Баков Ю.В. Способ моделирования при расчете на ЭВМ мощных преобразователей.- Изв. вузов.Электромеханика. 1983. Н 6.- с.85-88.

2. Баков Ю.В. Анализ способов снижения времени отключения бесконтактных выключателей переменного тока.- Изв.вузов.Энергетика. 1979. N 9.- с.88-90.

3. Баков Ю.В. Математическая модель управляемого токоог-раничивающего реактора с устройством принудительного запирания тиристоров,- Изв.вузов.Электромеханика. 1987. N 5,- с.111-115.

4. Баков Ю.В. К оценке эффективности ограничения ударного тока короткого замыкания токоограничивающиш? устройствами.-Изв.вузов.Энергетика. 198?. N 9,- с.51-52.

5. Баков Ю.В. Анализ математических моделей полупроводни- , новых вентилей при расчете на ЭВМ мощных преобразователей.-Изв.вузов.Энергетика. 1987. М 6.- с.53-55.

6. Баков Ю.В. Проектирование электрической части электростанций с применением ЭВМ. Учебное пособие. - М.: Энерго--атомиздат. 1991.- 272с.

7. Баков Ю.В. Схема электроснабжения Котласского ЦБК. "Целлюлоза, бумага и картон". Вып. 13. ВИШИЭМ "Леспром".- М.:, 1981.-с.3-6.

8. Баков Ю.В., Шишков В.И. Программа расчета электромеханических переходных процессов. Информационный листок N 81-33. Ивановский ЦНТИ.- Иваново. 1981'.

9. Баков Ю.В., Шишков В.И. Трехфазный ферротиристорный ограничитель напряжения. Информационный листок'N 81-32. Ивановский ЦНТИ.- Иваново. 1981.

10. Баков Ю.В., КлюшкинВ.А., Крюков Г.И. Регулируемая приставка к дугогасящему реактору типа ЗРОМ// Всесоюзная научно-техническая конференция. Тез.докл.- Иваново. 1983,- с.58-59.

11. Баков Ю.В., Клюшкин В.А. Регулируемая приставка к дугогасящему реактору типа РЗДСОМ (ЗРОМ) с быстродействующим регулятором настройки тока компенсации. Информ.листок N 93-91. Ивановский ЦНТИ.- Иваново. 1991.

12. Баков Ю.В. Математическое моделирование процессов в цепи с групповым соединением полупроводниковых вентилей.-Изв.вузов.Электромеханика. 1991. N В.- с.45-48.

13. Баков Ю. В., КлюшкинВ.А. Ферротиристорный ограничитель стабилизатор сетевого напряжения типа "ФТОСН-2".- Изв.вузов. Энергетика. 1991. N 10.- с.24-27.

14. Баков Ю.В. Влияние мощности короткого замыкания и компенсирующей мощности на качество электроснабжения промышленных установок,- Промышленная энергетика. 1991. N 9,-с.41-43.

15. Баков Ю.В., Неклепаев Б.Н. По поводу статьи Прибылова И.И. "Новые схемы ОРУ 220 - 1150 кВ".- Электрические станции. 1990. N 2.- с.92-94.

16. Баков Ю.В., Неклепаев В.Н. Усовершенствованные схемы распределительных устройств с рабочими и обходной системами сборных шин.- Электрические станции. 1993. N 1. - с.41-4.4.

17. Баков Ю.В. Метод расчета на ЭВМ периодического режима ферромагнитно-полупроводниковых устройств с регулируемым само-подмагничиванмем.- Техническая электродинамика. 1993. N 1. -с.26-30.

18. Баков Ю.В. Общая теория мощности трехфазных нелинейных и несимметричных электрических цепей// Международная научно-техническая, конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (7-е Бенардосовские чтения): Тев.докладов. Иваново. 1994,- с.38.

19. Баков Ю.В. Принцип регулируемого самоподмагничивания ферромагнитно-полупроводниковых устройств// Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (7-е Бенардосовские чтения). Тез.докладов. Иваново. 1994. - с.18.

20. A.c. 505080 СССР, МКИ' Н02 Н 9/02. Управляемое токоог-раничиващее устройство/ Баков Ю.В., Неклепаев Б.Н. (СССР). -Зс.: ил.

• 21. A.c. 543021 СССР, МКИ Н02 Н 9/02, Н01 F 37/00. Управляемый токоограничивающий реактор/Ю.В. Баков (СССР).- 2с.: ил:

22. A.c. 547907 СССР, МКИ Н02 Н 9/02, НОЗ К 17/56. Устройство для принудительной коммутации управляемых вентилей/ Ю.В.Баков (СССР).- 2с.: ил.

23. A.c. 771872 СССР, МКИ НОЗ К 17/56. Устройство для отключения цепи переменного тока/ Ю.В. Баков (СССР).- Зс.

24. A.c. 842993 СССР, МКИ*Н01 F 37/00, Н02 Н 9/02. Сдвоенный управляемый токоограничивающий реактор/ Ю.В. Баков (СССР).- 4с.: ил.

25. A.c. 974525 СССР, МКИ Н02 Н 7/12, Н02 М 7/12. Регулируемый преобразователь переменного тока в постоянный с ограничением сверхтоков/ Ю.В. Баков (СССР).- Зс.: ил.

26. A.c. 980188 СССР, МКИ Н01 Н 47/32. Устройство для управления бесконтактным коммутационным аппаратом/ Ю.В. Баков, Г.И. Крюков (СССР).- 6с.: ил.

27. A.c. 1081724 СССР, МКИ Н02 Н 3/08. Устройство для токовой защиты сети переменного тока от короткого замыкания/ Ю.В. Баков, A.C. Каликин, Е.П. Кустов (СССР).- 4с.: ил.

28. A.C. 1089640 СССР, МКИ Н01 F 37/00, Н02 Н 9/02. Токо-ограничивающее устройство /Б.Н. Неклепаев, Ю.В. Баков, Г.И. Крюков (СССР).- 4с.: ил.

. 29. A.c. 1104483 СССР, МКИ G05 F 1/38. Устройство для ограничения и стабилизации переменного напряжения/ Ю.В., Баков, В.А. Клюшкин (СССР).- 4с.: ил.

• 30. A.c. 1108408 СССР, МКИ G05 F 1/44. Ферротиристорный-стабилизатор-ограничитель переменного напряжения/ Ю.В. Баков, В.А. Клюшкин (СССР).- Зс.: ил.

31. A.c. 1115162 СССР, МКИ Н02 Н 9/02. Устройство для ограничения токов короткого замыкания в электрических сетях/

Ю.В. Баков (СССР).- Зс.: ил.

32. A.c. 1200367 СССР, МКИ Н02 M 6/257. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное/ Ю.В. Баков, C.B. Лебедев (СССР).- Зс.: ил.

33. A.c. 1226566 СССР МКИ Н02 H 9/08. Устройство для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю в электрических сетях напряжением 6-35 кВ/ Ю.В. Баков (СССР).-Зс.:ил.

34. A.c. 1229899 СССР, МКИ Н02 J 3/18. Устройство для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю в сетях напряжением 6-35 кВ / Ю.В. Баков, В.А. Плюшкин (СССР). -7с.: ил.

35. A.c. 1314319 СССР, МКИ G05 F 1/32. Стабилизатор переменного напряжения с самоподмагничиваемым трансформатором/ Ю.В. Баков, В.А. Клюшкин (СССР).- 4с.: ил.

36. A.c. 1439703 СССР, МКИ Н02 J 3/18. Устройство для автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю/ Ю.В., Баков (СССР).- 4с.: ил.

37. A.c. 1444925 СССР, МКИ Н02 M 9/02. Устройство для ограничения токов короткого замыкания электроустановки/ Ю.В. Баков (СССР).- Зс.: ил.

38. A.c. 1453573 СССР, МКИ Н02 Р 5/40. Электропривод переменного тока/ Ю.В. Баков, В.И. Шишков (СССР).- Зс.: ил.

39. A.c. 1529349 СССР, МКИ Н02 J 3/00. Распределительное устройство/ Б.Н. Неклепаев, Ю.В. Баков, И.Ю. Волокушина (СССР).- 2с.: ил.

40. A.c. 1576977 СССР, МКИ Н02 J 3/18. Статический тирис-торный источник реактивной мощности/ Ю.В. Баков (СССР).- Зс.: ил.

41. A.c. 1642450 СССР, МКИ G05F 1/32. Стабилизатор переменного напряжения с самоподмагничиваемым трансформатором/ Ю.В. Баков (СССР).- 4с.: ил.

42. A.c. 1778862 СССР, МКИ Н02 J 3/18. Тиристорный источник реактивной мощности/ Ю.В. Баков ,.'!ССР). - 4с. : ил.