Теоретические и Схемотехнические основы силовых полупроводниковых выпрямителей на базе многофазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем

Вид материала

Автореферат

Содержание Основное содержание работы В первом разделе Во втором разделе В третьем разделе Ксн – коэффициент максимального снижения входного напряжения; К В четвертом разделе В пятом разделе В шестом разделе В седьмом разделе

Подобный материал:

• Инструкция по охране труда № при монтаже силовых трансформаторов, 366.89kb.
• Некоторые вопросы электродинамических испытаний мощных силовых трансформаторов на стойкость, 73.29kb.
• Установка нита 2721 – широкие возможности в обработке масла и твёрдой изоляции силовых, 79.01kb.
• Исследование аккрецирующих нейтронных звёзд с сильным магнитным полем по данным космических, 813.68kb.
• Магнитное поле, 68.72kb.
• Программа собеседования по направлению «Электроэнергетика и электротехника», 200.29kb.
• Положение об экспертной системе контроля и оценки состояния и условий эксплуатации, 534.73kb.
• Сокращение продолжительности ремонта основного оборудования сетей, 42.78kb.
• Методика диагностирования силовых трансформаторов на основе оперативного контроля частичных, 286.02kb.
• Рабочая программа дисциплины «Физика твердого тела», 72.99kb.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена научная проблема, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первом разделе сформулирована проблема обеспечения качества электрической энергии в системах электроснабжения ограниченной мощности с СППВ, как составная часть проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) взаимосвязанных технических средств, функционирующих в составе общей системы. Показано, что основные энергетические показатели – коэффициент полезного действия и коэффициент мощности – и уровень ЭМС в целом зависят от гармонического состава входного тока СППВ.

Рассмотрены две группы известных способов обеспечения требуемого уровня ЭМС в системах электроснабжения с СППВ.

Первая группа этих способов основана на использовании устройств искусственного уменьшения уровня искажений – фильтров, компенсаторов реактивной мощ­ности и фильтрокомпенсирующих устройств.

Искусственные способы эффективны при подавлении маломощных искажений. При уве­личении амплитуды и мощности низкочастотных составляющих спектра тока или при значительном увеличении угла фазового сдвига между током и напряжением, массогабаритные показатели реализующих их устройств возрастают до уровня, сопоставимого с массогабаритными показателями элементов элект­росилового оборудования СЭС. Поэтому применение искусственных способов в подобных случаях нецелесообразно.

Вторая группа способов обеспечения ЭМС СППВ основана на использовании приемов естественного снижения уровня искажений их входного тока за счет применения новых схемотехнических решений.

Обеспечение ЭМС СППВ на основе естественных способов не только не сопряжено с отрицательными побочными эффектами (например, ухудшением массогабаритных показателей СППВ и СЭС в целом), но и позволяет ослабить или полностью устранить первопричины ухудшения ЭМС, обусловленные реактивным и нелинейным характером СППВ как нагрузки СЭС.

Проведенный анализ показал, что среди естественных способов снижения уровня искажений тока и, как следствие, напряжения на входе СППВ наиболее эффективным является способ, основанный на увеличении фазности выпрямления m.

Известно, что с увеличением m улучшаются энергетические показатели СППВ. При этом также уменьшается коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет комплексно решать проблему ЭМС СППВ в составе СЭС.

Для реализации этого способа в составе СППВ целесообразно использовать многофазные трансформаторы (МТ).

Во втором разделе обобщены известные принципы построения и схемотехнические решения МТ с целью их систематизации и классификации. При этом сформулированы пять принципов формирования многофазной системы ЭДС в МТ:

- использование фазового сдвига векторов ЭДС трехфазных систем, обеспечиваемого традиционными схемами соединения их обмоток (звезда, треугольник, зигзаг);

- сложение векторов ЭДС, наводимых в секциях фаз трехфазной вторичной обмотки МТ;

- деление фаз трехфазной вторичной обмотки на части с последующим использованием замкнутых или разомкнутых схем их соединения;

- сложение векторов ЭДС, наводимых в секциях вторичной обмотки МТ, которая (обмотка) образована на основе усовершенствованной схемы Скотта;

- использование явления вращающегося магнитного поля.

Данные принципы положены в основу классификации конструкций МТ. При этом всю совокупность МТ предложено разделить на два вида – традиционные и нетрадиционные.

В традиционных МТ реализуются первые четыре принципах формирования многофазных систем ЭДС. В схемотехнике таких МТ используются традиционные однофазные и трехфазные трансформаторы с пульсирующим магнитным полем.

Нетрадиционные МТ основаны на использовании пятого принципа – известного и широко используемого в электромеханике явления вращающегося магнитного поля. Такие трансформаторы получили название трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВП).

А
Рисунок 2.10 – Принципиальная электрическая схема выпрямительного агрегата с 16-ти кратной частотой пульсаций


нализ типовых схем традиционных МТ показал, что им присущи следующие недостатки:

- при дроблении магнитной системы (формировании ее из нескольких конструктивно законченных однофазных или трехфазных трансформаторов) увеличиваются масса и габариты МТ в целом;

- дискретность числа витков в катушках, из которых формируются фазы многофазной обмотки, затрудняет обеспечение необходимого уровня симметрии многофазной системы ЭДС. Кроме того, секционирование вторичной обмотки на большое число катушек усложняет технологию изготовления МТ;

- формирование многофазной системы ЭДС за счет использования трехфазных обмоток с различным числом витков обуславливает существенное различие их электромагнитных параметров и осложняет параллельную работу трехфазных трансформаторов, образующих МТ в составе выпрямителя, из-за возникновения между ними уравнительных токов. Для их уменьшения в многофазных выпрямителях используются уравнительные реакторы, которые существенно ухудшают массогабаритные показатели СППВ в целом;

• применение различных схем соединения обмоток отдельных трехфазных трансформаторов при конструировании МТ усложняет технологию их изготовления;
  
• в подобных МТ, как правило, может быть сформирована многофазная система ЭДС только с числом фаз, кратным трем (6-, 9-, 12- фазных и т.д.).
  

В основе построения большинства ТВП, как правило, используются конструкции асинхронных двигателей с заторможенным ротором. При этом основными элементами ТВП (рисунок 1) являются магнитопроводы магнитосвязанной системы и катушки трехфазной первичной и m-фазной вторичной обмоток.






На рисунке 1 фазные катушки первичной обмотки ТВП обозначены w₁₁, w₁₂, w₁₃, а фазные катушки вторичной обмотки – w₂₁, w₂₂,..., w_2m, соответственно. При этом все катушки первичной обмотки имеют одинаковое число витков, выполнены проводом одного и того же сечения и уложены по одинаковой схеме. Катушки вторичной обмотки также одинаковы между собой. От катушек первичной обмотки они отличаются числом витков, сечением провода и в некоторых конструкциях твп – схемой укладки.

Пространственно распределенная трехфазная первичная обмотка при подключении к трехфазному источнику питания создает в магнитопроводах магнитосвязанной системы вращающееся магнитное поле, которое формирует в пространственно распределенных катушках вторичной обмотки многофазную систему ЭДС с фазовым сдвигом  = /m.

Такой принцип преобразования трехфазной системы ЭДС в многофазную позволяет существенно упростить конструкцию многофазного трансформатора, повысить его надежность и обеспечить необходимую симметрию многофазной системы ЭДС.

Далее во втором разделе показано, что, благодаря возможности формирования симметричной системы фазных ЭДС и идентичности параметров фаз вторичной обмотки, эти фазы можно соединять по схемам, характерным только для данного вида МТ – многолучевая звезда, комбинированная звезда, многоугольник, комбинированный многоугольник, кольцевой многоугольник.

В третьем разделе рассмотрены конструктивные схемы ТВП и дана их сравнительная характеристика.

На основе анализа различных конструкций ТВП показано, что по технологическим и экономическим соображениям практический интерес представляют ТВП с витыми магнитопроводами и шихтованными зубцами – рисунок 2. Отмечается, что в процессе формирования вращающего­ся магнитного поля в ТВП важную роль играет воздушный зазор между внутренними поверхностями внешних (боковых) магнитопроводов и зубцами, который формируется одинаковыми по толщине немагнитными прокладками 4.


На основе экспериментальных исследований установлено и в ходе математического моделирования подтверждено, что при отсутствии воздушного зазора нарушается равномерность вращения магнитного поля и формирование симметричной многофазной системы невозможно – рисунок 3. Доказано, что для обеспечения приемлемого (с практической точки зрения) качества преобразования числа фаз в ТВП необходим воздушный зазор, магнитное сопротивление которого не менее чем на порядок больше магнитного сопротивления остальных участков магнитной цепи ТВП.

П
оказано, что другой важной особенностью всех конструкций ТВП является то, что в любой из них фазные первичная и вторичная обмотки являются двухполюсными и формируются из катушек, число которых k₁

и k₂ на каждом из полюсов равно

,

(1)

где m₁, m₂ – число фаз в первичной и вторичной обмотках.

При этом фазные первичные обмотки ТВП могут соединяться по любой из известных схем соединения трехфазных обмоток, а фазные вторичные обмотки – по схемам, которые имеют ряд специфических особенностей, определяющих применение их в СППВ различного назначения – многолучевая звезда, комбинированная звезда, многоугольник, комбинированный многоугольник, кольцевой многоугольник.

Представлены принципиальные электрические схемы соединений обмоток ТВП и соответствующие им векторные диаграммы напряжений, а также аналитические выражения для определения максимальных значений выпрямленного напряжения на выходе СППВ через фазные напряжения вторичных обмоток ТВП.

Предложена методика проектирования многофазного управляемого выпрямителя с учетом фазности выпрямления m, включающая динамический расчет сглаживающего LC фильтра. Выведены формулы для ориентировочного выбора m с учетом параметров фильтра, достаточных для обеспечения требуемого уровня пульсаций напряжения на нагрузке и его минимального динамического отклонения при заданной длительности переходных процессов. Например, для СППВ с неуправляемым выпрямителем – m следует определять по формуле:

(2)

где: К_сн – коэффициент максимального снижения входного напряжения; К_пот – коэффициент потерь полезной составляющей выпрямленного напряжения; К_сб – коэффициент сброса нагрузки; К_ун – коэффициент максимального увеличения входного напряжения; К_пр – коэффициент максимальной статической перегрузки; К_п.вых – коэффициент пульсаций на выходе фильтра; t_п – максимальная длительность переходного процесса; f – частота питающей сети.

Дано описание способа и технологии изготовления ТВП на примере одной из его перспективных конструкций с диаметральной укладкой катушек первичной и вторичной обмоток.

Изложены принципы изготовления СППВ мощностью более 20 кВ·А на основе агрегатированного ТВП.

В четвертом разделе изложены теоретические основы расчета силовой части СППВ на базе ТВП с учетом особенностей их работы в составе многофазных СППВ.

На основе анализа девятифазного управляемого выпрямителя, структурная схема которого представлена на рисунке 4, рассмотрены особенности его функционирования.




Суть этих особенностей заключается в следующем:

1. В СППВ на основе, например, девятифазного ТВП в течение каждого периода первичного напряжения имеет место одновременное обтекание током нагрузки нескольких вентилей анодной и катодной групп выпрямительного блока и нескольких вторичных фазных обмоток. При однотактном варианте исполнения выпрямительного блока количество таких вентилей и обмоток равно трем-четырем, а в случае двухтактного выпрямительного блока оно увеличивается до семи-восьми. При этом вентили делятся примерно поровну между анодной и катодной группами, а обмотки – между положительной и отрицательной полуволнами протекающего через них тока.
   

2. При работе ТВП на однотактный выпрямительный блок отсутствует вынужденное намагничивание его магнитопровода. Такое явление, как известно, наблюдается при использовании в составе однотактных выпрямителей классических трансформаторов, вследствие чего приходится увеличивать их (трансформаторов) габаритную мощность.

Важной особенностью работы ТВП в составе СППВ является и то, что в токах всех фаз вторичной обмотки доминирует первая гармоническая составляющая, за счет чего кривые фазных токов первичной обмотки ТВП по форме приближаются к синусоиде. В результате этого уменьшаются искажения кривой напряжения питающей сети.

На основе классических методов расчета трансформаторов с пульсирующим магнитным полем и асинхронных машин получены аналитические зависимости для расчета геометрических размеров и конструктивных параметров ТВП.

Выведены формулы для расчета типовой мощности ТВП с различными схемами соединения вторичных обмоток.

Исходя из критериальной модели ТВП как электромагнитного элемента, представленной в виде:

Ц = Цс + Цм = kcVcγcCc + kмVмγмCм,

(3)

где: Ц, Ц_с, Ц_м – стоимости активных материалов – общая стоимость, стоимость стали и стоимость меди, соответственно; k_c и k_м – коэффициенты заполнения элементов магнитной системы ТВП сталью и поперечного сечения катушек медью; V_c и V_м– объемы магнитопровода (стали) и обмоток (меди); γ_c и γ_м– плотности стали и меди; C_c и C_м– стоимости 1кг активных материалов ТВП (стали и меди),

предложена методика минимизации стоимости активных материалов ТВП на основе оптимизации геометрических размеров его элементов при различном числе фаз вторичной обмотки.

Изложены рекомендации по выбору схем соединения многофазной вторичной обмотки ТВП с учетом характерных для них соотношений между фазными и выпрямленным напряжениями – таблица 1.

Таблица 1 – Выпрямленное напряжение СППВ с девятифазным ТВП при угле управления =0

Схема соединения вторичной обмотки ТВП	Выпрямленное напряжение
	Udm	Ud
Комбинированный треугольник	Udm = U2m =U2 = 1,41U2	1,37U2
Комбинированная звезда	Udm = U2m = U2 = 2,45U2	2,38U2
Многолучевая звезда	Udm = 2U2mcos = = 2U2 cos = 2,65U2	2,57U2

Продолжение таблицы 2

Кольцевой многоугольник	Udm = = = = = 4,08U2	3,96U2
Многоугольник	Udm = = = 4,15U2	4,03U2

Рассмотрены особенности расчета параметров вентилей в СППВ на базе ТВП и дана их сравнительная характеристика (таблица 2) с помощью коэффициента схемы выпрямления k_сх, коэффициентов использования вентилей по напряжению k_U и току k_I, а также коэффициента использования (превышения расчетной мощности) трансформатора k_пр.

Таблица 2 – Сравнительные характеристики выпрямителей

Выпрямитель	kсх	kU	kI	kпр
9-фазный мостовой на основе ТВП со вторичной обмоткой, соединенной по схеме:
- многолучевая звезда	2,57	1,03	0,25	1,539
- комбинированная звезда	2,38	1,03	0,25	1,026
- комбинированный треугольник	1,37	1,03	0,30	1,020
- кольцевой многоугольник	3,96	1,03	0,40	1,015
- многоугольник	4,03	1,03	0,40	1,034
3-фазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова)	2,34	1,05	0,58	1,050

В пятом разделе представлена математическая модель СППВ на базе ТВП в соответствии со схемой замещения СППВ, показанной на рисунке 5.

П
ри этом в силу симметричности конструкции ТВП принято:

LA = LB = LC = L; L21= L22=…= L29= L2; MAB = MBC = MCA = M1; RA = RB = RC = R; R21= R22 =…= R29 = R2,

(4)

где: L, L₂ – индуктивности фазы первичной и вторичной обмоток; M₁ – взаимная индуктивность между фазами первичной обмотки; R, R₂ – активные сопротивления фаз первичной и вторичной обмоток.

С учетом принятых обозначений, электрической цепи по рисунку 5 соответствуют следующие системы уравнений:

для узлов a, b:

i_A + i_B + i_C = 0; (5)

i₂₁ + i₂₂ +…+ i₂₉= 0;

для узлов c, d,..., k (всего таких узлов 9):

i₂₁ + i_1A - i_1K = 0;

i₂₂ + i_2A - i_2K = 0; (6)

…;

i₂₉ + i_9A - i_9K= 0;

для узла l:

i_1A + i_2A +…+ i_9A - i_н = 0. (7)

Для первого и второго контуров:

LрiA+ RiA+ MA,21рi21+ MA,22 рi22+…+ MA,29рi29- LрiB- RiB- MB,21рi21- - MB,22рi22 -…- MB,29рi29 + M1рiB + M1рiC - M1рiA - M1рiC = uAB; LрiB+ RiB+ MB,21рi21+ MB,22рi22+…+ MB,29рi29- LрiC- RiC- MC,21рi21- - MC,22· ·рi22 -…- MC,29рi29 + M1рiC + M1рiA - M1рiB - M1рiA= uBC.

(8)

Для контуров 3, 4,..., 10 (всего таких контуров 8):

L₂рi₂₁+ R₂i₂₁+ M_A,21рi_A+ M_B,21рi_B+ M_C,21рi_C- R_1Ai_1A+ R_2Ai_2A- L₂рi₂₂-

- R₂i₂₂- M_A,22рi_A- M_B,22рi_B- M_C,22рi_С+ M_22,21рi₂₂+ M_23,21рi₂₃+…

+ M_29,21рi₂₉- M_21,22рi₂₁- M_23,22рi₂₃-…- M_29,22рi₂₉ = 0;

…; (9)

L₂рi₂₈+ R₂i₂₈+ M_A,28рi_A+ M_B,28рi_B+ M_C,28рi_C- R_8Ai_8A+ R_9Ai_9A- L₂рi₂₉-

- R₂i₂₉- M_A,29рi_A- M_B,29рi_B- M_C,29рi_B+ M_21,28рi₂₁+ M_22,28рi₂₂+…

+ M_29,28рi₂₉ - M_21,29рi₂₁- M_22,29рi₂₂ -…- M_28,29рi₂₈ = 0.

Для контуров 11, 12,..., 19 (всего контуров 9):

R_1Ai_1A + R_1Ki_1K - R_2Ai_2A - R_2Ki_2K = 0;

…; (10)

R_8Ai_8A + R_8Ki_8K - R_9Ai_9A - R_9Ki_9K = 0;

R_9Ai_9A + R_9Ki_9K + L_дррi_н + (R_др + R_н)i_н = 0.

Полученные уравнения дополняются условиями, которые отражают особенность работы вентилей и учитывают наличие системы управления СППВ:

Rij = 0,05 Ом, если iij > 0 и f(α) = 1;	(11)
Rij = 104 Ом, если iij ≤ 0 или f(α) = 0.

Здесь: i_ij – ток вентиля; f(α) – функция его включения. При наличии управляющего импульса от системы управления она равна единице, при отсутствии такого импульса – нулю. Функция включения формируется в зависимости от того, какой алгоритм работы реализован в системе управления СППВ.

При подготовке систем уравнений (5)-(11) к численному интегрированию решены две промежуточных задачи:

- из системы алгебраических уравнений, составленных для узлов цепи по рисунку 5 и для контуров этой цепи, в которых отсутствуют индуктивности, определены токи в тиристорах;

- уравнения для переменных состояния приведены к форме Коши (получено решение системы уравнений, записанных по второму закону Кирхгофа для контуров с индуктивностями, относительно первых производных от фазных токов ТВП – i_A, i_B, i_C, i₂₁, i₂₂,… i₂₉).

В результате система уравнений для производных от токов в индуктивностях в матричной форме записи приобретает вид:

К_т · I_т = I_L2; (12)

К_L · I_L = U. (13)

Здесь: К_т – матрица коэффициентов при неизвестных – тиристорных токах; I_т – матрица-столбец тиристорных токов; I_L2 – матрица-столбец токов в индуктивностях вторичной обмотки ТВП; К_L – матрица коэффициентов при неизвестных – производных от токов в индуктивностях; I_L – матрица-столбец первых производных от токов в индуктивностях СППВ; U – матрица-столбец напряжений на сопротивлениях цепи по рисунку 4 – R, R₂, R_iА, R_iK (i = 1, 2,…9).

При этом, в силу того, что математическое моделирование по методу переменных состояния представляет собой достаточно сложную задачу, для математического моделирования СППВ на базе ТВП предложено использовать программный комплекс Matlab с пакетом расширения Simulink.

Тогда математическая модель первичной обмотки ТВП в среде MatLab может быть представлена схемой, показанной на рисунке 6, где приняты следующие обозначения:

Z_Wa, Z_Wb, Z_Wc – активное сопротивление и индуктивность рассеяния первичных обмоток по фазам А, В и С соответственно;

Z_m1, Z_m2, Z_m3 – активное сопротивление и индуктивность ветви намагничивания, приведенные к междуфазным значениям;

EDS_Мa, EDS_Мb, EDS_Мc – ЭДС взаимной индукции фаз А, В и С, обусловленные токами в первичных обмотках других фаз и токами во вторичных обмотках;

L
_ma, L_mb, L_mb – собственная индуктивность обмоток фаз А, В и С, за вычетом индуктивностей рассеяния фазных обмоток с учетом вычленения индуктивного сопротивления ветви намагничивания;

Ia, Ib, Ic – измерители тока в фазах первичной обмотки, для последующего вычисления ЭДС взаимной индукции в смежных обмотках.

По аналогии может быть составлена и математическая модель вторичной обмотки ТВП (см. рисунок 7).

Э
ДС взаимной индукции в фазах ТВП формируются по аналогии со схемой формирования ЭДС взаимной индукции фазы А, показанной на рисунке 8.

П
редставленная таким образом математическая модель ТВП является аналогом модели, полученной методом переменных состояния. Она позволяет исследовать как собственно трансформатор с вращающимся магнитным полем, так и преобразователи, построенные на его основе. При этом учитываются потери в обмотках и в магнитной системе ТВП, а также рассеяние первичной и вторичной обмоток.

Математическая модель ТВП, представленная элементами стандартной библиотеки MatLab-Simulink, была далее использована в математической модели СППВ. При этом девятифазный тиристорный мост для моделирования блока силовых вентилей СППВ, который отсутствует в библиотеке Simulink, был собран из трех блоков Universal Bridge, подключенных к фазам вторичных обмоток ТВП, напряжения которых сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Для управления каждым из трехфазных тиристорных мостов был использован стандартный блок Synchronized 6-Pulse Generator.

Показано, что полученные математические модели СППВ на основе ТВП позволяют моделировать их в следующих условия работы:

1) в установившихся режимах:

- при питании СППВ от различных источников электрической энергии (варианты реализуются за счет изменения параметров источника электрической энергии);

- при изменении показателей качества напряжения питающей сети, в том числе – при несимметрии напряжений;

- при ручном изменении углов управления СППВ;

- при обрывах и коротких замыканиях в силовых цепях;

- при изменении параметров дросселя и сопротивления нагрузки СППВ;

2) в переходных режимах:

- при сбросах и набросах нагрузки;

- при изменении угла управления тиристорами;

- при переходных процессах в случае изменения напряжений питающей сети.

Кроме того, эти модели позволяют строить внешние и регулировочные характеристики силовых полупроводниковых преобразователей при различных схемах соединения обмоток трансформаторов с вращающимся магнитным полем и получать временные диаграммы токов и напряжений на всех силовых элементах СППВ.

В шестом разделе представлены результаты экспериментальных исследований по определению основных параметров трансформаторов с вращающимся магнитным полем, по осциллографированию в различных режимах работы СППВ токов и напряжений на их вентилях и на обмотках ТВП при различных схемам соединения обмоток, по определению основных энергетических характеристик СППВ на базе ТВП и сравнению их с энергетическими характеристиками аналогов, по оценке уровня электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей с электростанциями соизмеримой мощности, а также по оценке сходимости результатов экспериментальных исследований и математического моделирования.

В седьмом разделе представлены рекомендации по практическому применению ТВП и силовых полупроводниковых преобразователей на базе ТВП в качестве источников питания постоянного тока электротехнических устройств различного назначения – сварочного оборудования, установок гарантированного питания и источников постоянного оперативного тока электрических станций и подстанций, устройств катодной защиты подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии, а также источников питания энергосберегающего светотехнического оборудования.