Исследование режимов работы тиристорных электроприводов при несимметрии напряжений питающей сети и управления

Актуальность темы

Благодаря широкому повсеместному распространению различных типов вентильных электроприводов постоянного и переменного тока, содержащих в своём составе управляемые или неуправляемые выпрямители, а также ведомые сетью инверторы, задачи оптимизации параметров и режимов этих преобразователей уже на протяжении многих лет сохраняет свое важное значение. В последние годы большое значение приобрели вопросы, оптимизацией энергетических режимов вентильных электроприводов и повышения их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Решение этих вопросов не в последнюю очередь связано с более полным учётом факторов, определяющих реальные условия работы преобразователей.

Классическая теория выпрямителей и зависимых инверторов предполагает симметрию сети и системы управления вентилями. Именно при этих условиях симметрии принято определять все основные параметры и характеристики преобразователей и осуществлять выбор элементов его схемы, (находить среднее значения и пульсации выпрямленного напряжения и тока, производить выбор сглаживающего реактора, преобразовательного трансформатора, вентилей, рассчитывать зону прерывистого тока, устойчивость инверторного режима, определять статические характеристики и энергетические показатели и др.). Однако, в реальных условиях работы всегда наблюдается некоторая, несимметрия напряжения сети и углов управления вентилями, что сказывается практически на всех показателях и характеристиках преобразователей. Наличие в Госстандарте на качество напряжения сети допустимых нормативов на несимметрию напряжений, а также принятые в научно-технической литературе и в технических материалах по комплектным электроприводам и серийным преобразователям значения несимметрии систем управления вентилями, дают основание считать именно работу в условиях несимметрии сети и управления нормальным («штатным») режимом преобразователей. А это означает необходимость проведения углубленного анализа таких режимов с целью уточнения математических соотношений классической теории преобразователей, используемых в инженерной практике при их проектировании, настройке и эксплуатации.

Рассмотренные в литературе несимметричные режимы работы преобразователей относятся, главным образом, к случаям резкой несимметрии, характерным для кратковременных аварийных ситуации (обрыв фазы сети или одного плеча моста, короткие замыкания двух фаз и т. п.) и представляют интерес в основном для выбора системы защиты преобразователей. Влияние сравнительно небольших по величине несимметрии сети и несимметрии управления на работу вентильных преобразователей в длительных режимах работы в литературе рассмотрены недостаточно глубоко и подробно. Поскольку такие режимы могут существовать длительное время и оказывать неблагоприятное влияние на характеристики преобразователей и их энергетические показатели, они заслуживают более глубокого изучения. В частности, отсутствует система классификации таких режимов и методов оценки обобщённых параметров, характеризующих степень несимметрии режимов. Их анализ при повышенных значениях несимметрии представляет также интерес с позицией установления допустимых для нормального функционирования преобразователей значений несимметрии, которые могут возникнуть в экстремальных условиях (при стихийных бедствиях, при аварийных ситуациях в системах электроснабжения и т. п.) или в автономных системах электроснабжения.

Электроэнергетика играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении технического прогресса и повышения уровня экономического потенциала каждого государства. В Гвинейской республике проблемы повышения качества электроэнергии, надёжности и экономичности систем электропитания и электропотребителей стоят особенно остро в связи с тем, что, несмотря на наличие в стране единой энергетической системы, объединяющей около 13 000 МВт суммарной номинальной мощности генераторов гидроэлектростанций небольшой мощности и тепловых электростанций, работающих на дизельном топливе, промышленные и коммунальные сети характеризуются повышенной чувствительностью к воздействию неспокойных, нелинейных и несимметричных потребителей. Однако глубокого анализа несимметричных режимов ни в научных, ни в инженерных расчетах не производилось.

Цель диссертационной работы. Целью данной работы является исследование длительных несимметричных режимов работы преобразователей, связанных с несимметрией напряжения сети и несимметрией управления выпрямителей и ведомых сетью инверторов. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:

— разработка методов анализа несимметричных режимов работы преобразователей и методов оценки обобщённых параметров, характеризующих эти несимметричные режимы;

— уточнения статических и энергетических характеристик преобразователей при разных типах несимметрии;

— уточнения требований к качеству напряжения сети и к системам управления;

— получение рекомендаций по построению систем управления преобразователями.

Методы исследования. При выполнении работы использовались известные методы анализа нелинейных (вентильных) цепей, методы гармонического анализа и метод симметричных составляющих в несимметричных многофазных системах.

Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:

1. Предложена система классификации несимметричных рабочих режимов работы и определения обобщенных параметров, характеризующих эти режимы.

2. Для различных типов рассмотренных несимметричных режимов получены аналитические выражения, определяющие регулировочные характеристики преобразователей, гармонический состав выпрямленного напряжения и тока, устойчивость инверторного режима преобразователей, их энергетические характеристики, величины эквивалентного сопротивления преобразователей для напряжения обратной последовательности. Выполнены на ЭВМ расчёты этих зависимостей и проведен анализ результатов расчётов. Выявлены новые закономерности изменения гармонического состава выпрямленного напряжения и токов на входе преобразователей в зависимости от типов несимметричных режимов и параметров несимметрии.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке методики расчёта параметров и характеристик преобразователей в несимметричных режимах работы и определении обобщённых параметров, характеризующих эти режимы, определении степени влияния параметров несимметрии на характеристики преобразователя, а также в разработке рекомендаций по построению систем управления преобразователями.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на трёх научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГЭТУ, на научно-техническом семинаре «75 лет отечественной школы электропривода» и на Пятой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов». Имеются две публикации: в сборнике тезисов докладов научно-технического семинара «75 лет отечественной школы электропривода», 1997 и в сборнике докладов Пятой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов» ЭМС — 1998.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, включающего 68 наименований. Основная часть диссертации изложена на 141 страницах машинописного текста. Работа содержит 46 рисунков и 3 таблицы.

4.3. Выводы по главе.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы.

1. Получены математические выражения, определяющие при всех пяти типах рассматриваемых несимметричных режимов работы преобразователей значения амплитуд и углов фазового сдвига основных и высших гармоник порядков Ъп ± 1 (где п = 0,1,2,3,.) фазных токов, потребляемых преобразователем из сети, а также значения их симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей. Эти выражения являются функциями принятых обобщенных параметров несимметрии напряжений сети и управления и параметров режима работы преобразователя, что позволяет проследить влияние каждого из этих параметров на гармоники тока.

2. Проведен анализ влияния параметров несимметрии сети и управления на основные гармоники сетевого тока преобразователя.

При пренебрежении углом коммутации получены упрощенные выражения для амплитудных значений и угловых сдвигов основных гармоник фазных токов преобразователя и их симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей. Эти выражения записаны в общем виде, справедливом при всех рассматриваемых типах несимметрии, а также для частных случаевнесимметричных режимов первого и второго типа.

3. Выполненные с учётом и без учёта влияния коммутации вентилей расчёты показали, что при всех типах несимметричных режимов и при и [2] <0,1, и [2]у < 0,1 изменения значений составляющих прямой последовательности основной гармоники тока под влиянием параметров несиммерии режима не превышает на основной части диапазона регулирования напряжения величины 1,0%.

4. Расчёты относительных значений основной гармоники тока обратной последовательности для несимметричных режимов первого и второго типа показали, что они изменяются пропорционально и [2] и при втором типе несимметричного режима и при а' > 15°, Iа < 0,10, и[2] <0,1 эти значения в 2,5. 10 раз меньше, чем при первом типе несимметрии.

В несимметричном режиме первого типа относительное значение тока обратной последовательности практически не зависит от угла регулирования и выпрямленного тока, изменяется примерно пропорционально и [2], а также примерно в пределах ± 10% в зависимости от (р[2упри и [2] = 0,1 оно составляет «(4,7.5АУо.

В несимметричном режиме второго типа относительое значение тока обратной последовательности изменяется примерно пропорционально выпрямленному току и напряжению обратной последовательности, существенно зависит от угла регулирования преобразователя особенно вблизи границ диапазона регулирования и в небольших пределах (примерно ± 10%) может изменяться под влиянием угла (р[• При и[2] <0,1, 1 й < 0,05, 30° < а' < 130° ток обратной последовательности не превышает 0,5%.

Зависимость относительных значений тока обратной последовательности от параметров несимметрии и параметров рабочего режима для несимметрии первого и второго типа может быть с достаточной для инженерных расчётов точностью аппроксимирована простыми эмпирическими выражениями.

5. Для несимметричных режимов третьего типа относительное значение основной гармоники тока обратной последовательности определяется параметрами режима и[2]у, 9[2]у ихарактеризуется зависимостями, аналогичными режиму несимметрии первого типа.

Ток обратной последовательности в несимметричных режимах четвертого и пятого типов определяется параметрами и [2], (р[2] и и[2]у, 9[2]у и МОЖеТ характеризоваться зависимостями от параметров несимметрии и рабочих параметров занимающих промежуточное положение между зависимостями для несимметричных режимов первого и второго типов.

6. Для несимметричных режимов первого и второго типов определено значение эквивалентного комплексного сопротивления преобразователя для напряжения обратной последовательности сети, которое зависит от параметров рабочего режима преобразователя и может использоваться для определения взаимного влияния преобразователя и питающей сети по составляющим обратной последовательности тока и напряжения.

При несимметричном режиме третьего типа преобразователь является источником тока обратной последовательности, а при несимметричных режимах четвёртого и пятого типов он может быть представлен в виде параллельного включения источника тока обратной последовательности и эквивалентного комплексного сопротивления для напряжения обратной последовательности.

7. Полученные соотношения позволяют определить точные значения составляющих мощности основных гармоник тока и напряжения прямой и обратной последовательностей при заданных параметрах несимметрии для всех типов рассматриваемых режимов работы. При и [2] < ОД и и[2]у < ОД полная мощность обратной последовательности, а, следовательно, и её активная и реактивная составляющие составляют менее 1,0% полной мощности прямой последовательности.

8. Для уменьшения значений токов обратной последовательности следует рекомендовать производить настройку систем управления тиристорами по второму типу симметрии управления, т. е. осуществлять синхронизацию управляющих импульсов составляющими прямой последовательности напряжения сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенный комплекс исследований обеспечил получение следующих основных результатов.

1. Разработана и теоретически обоснована методика анализа несимметричных рабочих режимов выпрямителей и ведомых сетью инверторов, связанных с несимметрией напряжений фаз питающей сети и несимметрией управления вентилями. К числу основных составных элементов этой методики относятся:

— классификация типов несимметричных режимов рассматриваемых преобразователей и типов симметрии и несимметрии управления вентилями в условиях несимметрии питающего напряжения;

— выбор обобщенных параметров, характеризующих степень несимметрии режимов работы преобразователей, и методы определения численных значений этих параметров и значений угла регулирования при несимметрии управления вентилями;

— собственно анализ различных типов несимметричных режимов преобразователя, основанный на анализе режимов 3-фазного нулевого преобразователя с использованием результатов анализа его несимметричного режима первого типа для анализа несимметричных режимов других типов и с использованием результатов такого анализа для исследования несимметричных режимов многофазных преобразователей.

2. С использованием разработанной методики анализа проведено исследование влияния параметров несимметрии на напряжение на стороне постоянного тока преобразователя при разных типах несимметричных режимов.

Получены аналитические выражения, определяющие влияние параметров несимметрии на максимальное значение выпрямленной ЭДС, на форму регулировочных характеристик, диапазон изменения углов регулирования и на устойчивость инверторного режима преобразователя.

Получены аналитические выражения и проведен численный анализ гармонического состава выпрямленного напряжения.

В результате анализа был выявлен и доказан ряд закономерностей, определяющих влияние параметров несимметрии на гармоники напряжения разных порядков при различных типах несимметричных режимов. Установленные закономерности повторения значений гармоник позволили значительно сократить необходимую область рассматриваемых значений параметров несимметрии.

3. Проведено исследование параметров электрической энергии на стороне переменного тока преобразователя при всех рассматриваемых типах несимметричных режимов. Получены аналитические выражения, определяющие значения основных и высших гармоник фазных токов сети в виде функций обобщенных параметров несимметрии режима, эквивалентного значения угла регулирования и относительного значения выпрямленного тока.

Определены значения симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей всех гармоник сетевого тока. Выявлены особенности изменений симметричных составляющих основной гармоники под влиянием параметров несимметрии в различных типах несимметричных режимов. В несимметричном режиме первого типа относительное значение тока обратной последовательности практически не зависит от угла регулирования и выпрямленного тока, изменяется пропорционально напряжению обратной последовательности сети и дополнительно изменяется в зависимости от фазы этого напряжения в пределах ± 10%.

В несимметричном режиме второго типа ток обратной последовательности изменяется примерно пропорционально выпрямленному току и напряжению обратной последовательности, существенно зависит от угла регулирования и изменяется в пределах около +10% под влиянием угла (р^у ¦ При и [2у <0,1, о о.

0,05 и 30 <а<130 ток обратной последовательности при втором типе несимметричного режима примерно на порядок меньше, чем при первом типе режима.

В несимметричном режиме третьего типа токи обратной последовательности определяются зависимостями от параметров несимметрии управления, которые аналогичны зависимостям от параметров несимметрии сети при несимметричном режиме первого типа. Значения токов обратной последовательности в режимах четвертого и пятого типов занимают промежуточное положение между значениями при первом и втором типах несимметрии режима.

При всех типах несимметричного режима изменения тока прямой последовательности под влиянием напряжения обратной последовательности при и[2] < ОД на основной части диапазона регулирования не превышают % .

4. На основе полученных соотношений для обратной последовательности основной гармоники тока определены значения эквивалентного комплексного сопротивления преобразователя для напряжения обратной последовательности сети при первом и втором типах несимметричного режима. При несимметричном режиме третьего типа преобразователь следует рассматривать как источник тока обратной последовательности, а в несимметричных режимах четвертого и пятого типов его эквивалентную схему следует представлять в виде параллельного соединения источника тока обратной последовательности и комплексного сопротивления для напряжения обратной последовательности сети. Такое представление позволяет определять взаимное влияние преобразователя и питающей сети по составляющим обратной последовательности тока и напряжения.

Полученные соотношения позволяют также определять для всех типов несимметричных режимов точные значения составляющих полной мощности основных гармоник тока и напряжения прямой и обратной последовательностей.

5. Проведенные исследования подтвердили эффективность разработанного метода несимметричных режимов. Установленные при исследовании гармо.

210 нического состава выпрямленного напряжения и сетевого тока преобразователя закономерности влияния параметров несимметрии служат подтверждением соответствия выбранных обобщенных параметров несимметрии управления физической картине электромагнитных явлений в преобразователе и свидетельствуют о правильности и целесообразности принятой классификации несимметричных режимов преобразователей.

6. Для уменьшения влияния несимметрии питающей сети на регулировочную характеристику преобразователя, гармонический состав выпрямленного напряжения и на составляющую обратной последовательности основной гармоники сетевого тока следует рекомендовать настройку систем управления тиристорами по второму типу симметрии управления, т. е. осуществлять синхронизацию управляющих импульсов составляющими прямой последовательности напряжения сети. Это также обеспечит более равномерную токовую нагрузку вентилей преобразователя.

Проведенные исследования показывают, что неуправляемые выпрямители более чувствительны к несимметрии сети, а управляемые преобразователи могут успешно функционировать при несимметрии сети, значительно превышающей нормы ГОСТа. Для предотвращения значительного снижения под влиянием несимметрии сети устойчивости инверторного режима преобразователя необходимо специальное ограничение максимальных значений углов регулирования.