Разработка и исследование вентильных преобразователей с поочередным управлением вентильными группами

Развитие современного автоматиз1фованного электропривода характеризуется широкими применением вентильных преобразователей (ВП). Наибольшей распространенна ВП получили в регулируемом электроприводе постоянного тока, который в ближайшие годы сохранит свое ведущее положение в промышленности. Широкое внедрение глубокорегулируемых вентильных электроприводов (ВЭП) привело к ухудшению качества электроэнергии в питающих сетях (искажение формы кривой питающего напряжения, колебания напряжения из-за набросов реактивной мощности). Поэтому при разработке мощных ВЭП выбор силовой схемы преобразователя, в основном, определяется требованиями привода к питающей сети. Такие параметры как ток, напряжение, допустимая нагрузка для мощных электроприводов не могут однозначно определить схему ВП. Необходимо учитывать величину среднего потребления и толчков реактивной мощности, так как согласно ГОСТ 13 109–67, недопустимыми являются колебания напряжения питающей сети, вызываемые толчками реактивной мощности потребителей, которые не превышают.

В решениях УШ ir IX Всесоюзных научно-исследовательских конференций по автоматизированному электроприводу (Ташкент, октябрь 1979 г. и Алма-Ата, сентябрь 1983 г.) и Второго научно-технического совещания «Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей» (Таллин, октябрь 1982 г,) было указано на необходимость уделить больше внимания улучшению энергетической совместимости ВП с питающей энергосистемой, разработке и внедрению преобразователей с повышенными энергетическими показателями (к.п.д., коэффициент мощности), а также совершенствованию систем: управления ВП с целью оптимального использования возможностей преобразователей.

Для обеспечения баланса реактивной мощности применяются синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи, кроме того, могут быть использованы специальные схемы ВП двух основных классов:

1) ВП с искусственной или емкостной коммутацией, работающие с опережающими углами управления;

2) ВП с естественной коммутацией (ЕК) и усложненными способами управления.

Преобразователи первого класса являются более сложными, чем обычные преобразователи, так как содержат дополнительные сильноточные элементы, необходимые для коммутации.

Предпочтительным является использование ВП с ЕК, т. е. преобразователей второго класса, так как они достаточно просты, обеспечивают глубокое регулирование выходного напряжения и обладают меньшей стоимостью. К таким преобразователям относятся: схемы с переключением фазных вентилей, схемы с дополнительными фазными и нулевыми вентилями и некоторые другие. Более совершенными из них являются многогрупповые ВП с несимметричным и поочередным управлением. Исследования показали, что несимметричное управление по сравнению с вышеперечисленными схемами значительно улучшает в процессе регулирования напряжения коэффициент мощности. Несмотря на это, несимметричное управление не получило широкого распространения в промышленности, так как практическая реализация этого способа приводит к усложнению системы управления преобразователем и, как следствие, снижению надежности ВП в целом.

Наиболее простым и достаточно эффективным средством улучшения энергетических показателей является применение в ВП с ЕК поочередного управления последовательно включенными вентильными группами (ВГ).

В последние годы большие работы по разработке и исследованию ВП с поочередным управлением ведутся в целом, ряде научно-исследовательских, проектно-конструкторских и учебных институтах: НИИ ХЭМЗ, НИИ «Преобразователь», ГПИ ТПЭП, УШИ ТПЭП, ЛенПЭО ВНИИГОМ, ЛЭТЙ, Киевском и Харьковском политехнических институтах и др. Значительный вклад в исследование таких преобразователей внесли Е. Л. Эттингер, Б.М.1уткин, О. А. Маевский, П. М. Бородавченко, Г. Г. Жемеров, Я. Ю. Солодухо и многие другие.

Однако, несмотря на сравнительно большое число работ, посвященных ВП с поочередным управлением ВГ, многие проблемы остались нерешенными.

В настоящее время имеются разработки по двухгрупповым ВП с поочередным управлением для питания мощных однодвигательных и двухдвигательных (так называемая «восьмерочная» схема) электроприводов, но их эксплуатация оказалась затруднена. Это связано с особенностями поочередного управления. Так, в определенных режимах работы (в момент отсутствия тока нагрузки) имеется возможность появления перенапряжений на вентилях, которые превышают допустимые значения и влекут за собой выход их из строя. Существует также опасность, что к изоляции двигателей в «восьме-рочной» схеме будет приложено повышенное напряжение.

Как известно, в ВП с поочередным управлением ВГ значительным оказывается взаимное влияние коммутационных процессов, которое ухудшает статические и энергетические характеристики, а также снижает инверторную прочность преобразователей, что в свою очередь препятствует их применению.

Использование многогрупповых ВП с идентичными ВГ не дает достаточного выигрыша в снижении потребления реактивной мощности. Эффективность поочередного управления может быть существенно повышена при использовании ВГ с неодинаковыми напряжениями за счет применения более сложного способа поочередного управления. Однако реализация такого способа сдерживается из-за отсутствия соответствующего устройства.

Поэтому решение этих научных и технических проблем остается актуальным.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование многогрупповых ВП с поочередным управлением ВГ. Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1) проведен анализ возможных перенапряжений на вентилях, обусловленных разбросом их параметров и принципом поочередного управления, и напряжений, прикладываемых к изоляции двигателей двухдвигательного ВЭП при поочередном управлении ВГ;

2) исследовано взаимное влияние коммутационных процессов в девятивентильном трехгрупповом ВП;

3) разработан способ поочередного управления последовательными ВГ, который позволяет повысить устойчивость инверторного режима групп и коэффициент мощности ВП, и предложено устройство для его реализации;

4) разработана и исследована система поочередного управления многогрупповым ВП с неодинаковыми напряжениями ВГ, в том числе устройство для поочередного управления ВП, на которое получено решение от 23.8.84 г. Госкомизобретений СССР о выдаче авторского свидетельства;

5) исследованы пульсации выпрямленного тока в многогрупповых ВП с поочередным управлением;

6) проведены экспериментальные исследования перенапряжений на вентилях, обусловленных разбросом параметров, и моделирование системы поочередного управления двухгрупповнм несимметричным ВП, которое позволили подтвердить теоретические положения диссертационной работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

— анализ перенапряжений в многогрупповых ВП в статических и динамических режимах;

— исследование взаимного влияния коммутационных процессов в трехгрупповом[ девятивентильном преобразователе;

— разработка мероприятий по повышению устойчивости инвер-торного режима ВГ в многогрупповых ВП с поочередным управлением;

— разработка и исследование системы поочередного управления многогрупповыми ВП с неодинаковыми напряжениями ВГ.

Работа выполнена на кафедре Электрофикации и автоматизации промышленности ЛЭТИ им. В. Й. Ульянова (Ленина) в соответствии с целевой программой Минвуза СССР «Оптимум», направленной на улучшение характеристик статических преобразователей.

5.3 Выводы по пятой главам.

I. Разработано устройство для поочередного управления несимметричным реверсивным двухгрупповым ВП, используемым для пи.

Рис, 5.12.3ависимости относительной величины реактивной мощности двухгруппового реверсивного вентильного преобразователя с учетом «петли гистерезиса» тания комплексного электродинамического стенда, которое позволяет реализовать специальный способ поочередного управления. 2. В результате моделирования на ЭВМ были определены ширина «петли гистерезиса» и коэффициент возврата релейного элемента. Причем моделирование показало, что эти величины существенно зависят от расположения момента переключения релейного элемента на интервале дискретности преобразователя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований были решены следующие важные научно-технические задачи в области разработки и исследования преобразователей с поочередным управлением вентильными группами;

IПроведен анализ напряжений, прикладываемых к изоляции двигателей в схеме двухдвигательного ВЭШпри поочередном управлении ВТ в случае уменьшения сопротивления на землю одной из точек силовой схемы* Полученные аналитические выражения позволилиоценить превышения допустимого значения напряжения в статическом и динамическом режимах работы и сделать вывод, что такие превышения опасности! для изоляции двигателей не представляют.

2. Проведен анализ перенапряжений на вентилях, обусловленных разбросом их параметров. Разработан алгоритм, позволяющий оценить величины перенапряжений на вентилях и рассчитать резисторы* шунтирующие их. Экспериментальные исследования подтвердили! наличие перенапряжений на вентилях^ которые превышают расчетное значение более, чем в 1,5 разаПоэтому целесообразно, несмотря на отсутствие последовательного включения тиристоров, каждое плечо схемы шунтировать резисторами;

3. Проанализированы перенапряжения на вентилях, обусловленные принципом поочередного управления. Показано, что превышения! напряжения в статическом и динамическом режимах могут быть значительными и влекут за собой выход вентилей из строя. Рекомендовано для снижения перенапряжений применять последовательную Ю-цепочку.

4. Исследованы особенности! коммутационных процессов в трехгруп-повом девятивентильном преобразователе? с учетом изменения угла коммутации в функции угла регулированияПоказано, что цри общем выпрямительном режиме: рассматриваемой схемы влияние коммутационных процессов на «инверторную прочность» ВТ, работающих в инверторном режиме, меньше, чем в трехфазной мостовой схеме при поочередном управлении катодной и анодной группами;

5. Разработан способ поочередного управления ВП, позволяющий уменьшить потребление реактивной мощности без снижения надежности! его работы в инверторном: режиме ^ и предложено устройство для реализации этого способа*.

6. Разработано устройство для поочередного управления многогрупповым несимметричным ВП, позволяющее реализовать усложненные способы поочередного управления, применение которых позволяет повысить коэффициент мощности: ВП.

7- Разработана цифровая модель системы поочередного управления, при помощи которой можно определить ширину «петли гистерезиса1* и-коэффициент возврата релейного элемента предлагаемого устройства для поочередного управления многогрупповым несимметричным ВП.

8- Проведен анализ пульсаций выпрямленного тока ВП с поочередным управлением. Разработан алгоритм, при помощи которого можно рассчитать пульсации выпрямленного тока ВП методом вольт-секундных площадей. Анализ позволил подтвердить предположение, что за счет использования усложненных способов поочередного управления уровень пульсаций снижается.

9. В результате моделирования на ЭВМ были исследованы: усложненные способы поочередного управления, определены оптимальная ширина «петли гистерезиса» и коэффициент возврата релейного элемента предложенного устройства для поочередного управления двухгрупповым несимметричным ВП, используемым для питания комплексного электродинамического стенда. Моделирование показалочто определяемые величины существенно зависят от расположения момента переключения релейного элемента на интервале дискретности преобразователя;

10- Разработанная система поочередного управления несимметричным ВП (в том числе устройство для поочередного управления многогрупповым ВП по заявке Р 3 561 341/24−07 от 9−3.83 г, по которой получено решение Госкомизобретений СССР о ввдаче авторского свидетельства от 23−8.84 г#) использована при разработке и проектировании в ЛенПЭО ВШШРОЕКТЭЛЕКТШОНТМ системы управления комплексным электродинамическим стендом для организации ВНИЙТРАНШАШ.

Результаты, полученные при анализе перенапряжений на вентилях в преобразователях с поочередным управлением и: влияния коммутационных процессов на инверторную прочность ВГ, используются в настоящее время при разработке система поочередного управления двухгрупповым ВП тиристорного электропривода, прокатного стана «800», которая будет внедрена на Орско-Халилов-ском металлургическом комбинате;

Акт использования результатов диссертационной работы приведен в «Приложении» данной работы;