Режимы работы схем многопульсных выпрямителей при несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети для тяговых подстанций

Потребители электроэнергии [1,2], которая генерируется на переменном токе промышленной частоты, но потребляется на постоянном токе, непрерывно возрастает, превышая в настоящее время третью часть всей вырабатываемой в стране. Преобразование энергиипеременного тока в энергию постоянного тока занимает значительный объем в алюминиевой промышленности — до 90%- в бортовых системах — до 70%- в маломощных источниках электропитания — до 70%. Существенна доля такого преобразования на и электрическом транспорте (свыше 70% подвижного состава оснащена двигателями постоянного тока) [2, 3]. Объемы перерабатываемой здесь электроэнергии значительно превышают объемы переработки в других производственных отраслях. В начале 2000 г. в мире было 240 тыс. км электрифицированного железнодорожного транспорта, в том числе на постоянном токе 103 тыс. км (43%) [4]:

Как отдельное направление энергетической политики преобразование одного вида электроэнергии в другой вид электроэнергии в государственных и правительственных программах, составляющих суть и ядро энергетической стратегии, не выделено ни по одному из видов преобразования. Вместе с тем, только лишь при преобразовании переменного тока в постоянный можно достичь значительного экономического эффекта. Этот эффект может быть достигнут и в электролизных установках, и в бортовых источниках питания, и на предприятиях нефтепромыслов, где очень высока потребность в электродвигателях постоянного тока. Основной способ повышения экономичности при преобразовании переменного тока в постоянный ток заключается в повышении пульсности выпрямителей, осуществляемом при помощи простых схемных решений. Широкое распространение тяги постоянного тока, особенно на железнодорожном транспорте, предопределяет конкретные шаги по совершенствованию преобразователей переменного тока в постоянный. Тяговые подстанции в большинстве своем оборудованы 6-пульсными выпрямительными агрегатами (ВА) [5 — 7]. Однако, в 70−80-х годах прошлого века начались работы по переводу части В, А на 12-пульсные схемы выпрямления, что дало в своё время значительный скачок в экономии электроэнергии при её преобразовании и потреблении и снизило затраты на изготовление ВА. Однако, при объективно фиксированном уровне напряжения постоянного тока, электрическая тяга постоянного тока наиболее выигрышна по сравнению с тягой переменного тока при уменьшении капиталовложений в устройство и оборудование тяговых подстанций. Одним из решений по уменьшению капиталовложений является снижение количества подстанций на погонный участок дистанции магистральной железной дороги. Это возможно при повышении пульсности выходного напряжения выпрямителей тяговых подстанций со значений 6, 12 до значений 24, 30, 36. Увеличение жесткости внешней характеристики ВА, связанное с повышением пульсности, позволит увеличить дистанцию между соседними подстанциями, а значит уменьшить количество подстанций на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе.

Однако переход на 24-, 30- или 36-пульсные схемы выпрямления на железнодорожном транспорте связан с необходимостью решения сложных задач технического плана. Так, изготовление многообмоточных трансформаторов, без которых невозможно обеспечить повышение пульсности выпрямленного напряжения, связано со строгим соблюдением требуемых соотношений между числами витков отдельных, фазообразующих обмоток. Для реализации требуемых соотношений, как правило, требуется намотка нецелого числа витков в некоторых обмотках, что сложно выполнимо, особенно в многопульсных выпрямителях последовательного типа, когда расчетные числа витков обмоток трансформаторов мощных ВА не очень велики. Более того, практически невозможно обеспечить равенство электромагнитных условий для всех вентильных обмоток [8]. Разработка и I исследование многопульсных выпрямителей, выполненных по новым схемным решениям, позволяющим обойти часть вышеуказанных сложностей, являются предметом работы коллектива ученых кафедры «Электротехнические комплексы» Новосибирского государственного технического университета.

На электрическом транспорте (железнодорожный, метрополитен, городской и промышленный) осуществляются крупномасштабные пассажирские и грузовые перевозки, что обуславливает естественный износ оборудования электропреобразующего оборудования. Так, в частности, у оборудования тяговых подстанций, превышены установленные эксплуатационные сроки. Срок службы (жизненный цикл) преобразовательного трансформатора составляет 23 года, а жизненный цикл вентильных конструкций тяговой подстанции постоянного тока составляет 14 лет [3]. Особенно критично следует относиться к увеличению сроков эксплуатации трансформаторов. Электротехническая сталь сердечников трансформаторов теряет со временем свои свойства, что приводит к повышенным потерям мощности. Со временем теряют свои свойства и межобмоточная изоляция, и изоляция обмоточных проводов, постоянно находящихся под воздействием больших электромеханических усилий. На Западно-Сибирской железной дороге до 40% трансформаторов тяговых подстанций постоянного тока, по состоянию на 1.01.2005 года, достигли установленного срока службы, причем часть из них имеет значительное превышение установленных сроков службы. Трудно оценить масштабы потерь электроэнергии, связанные со старением и износом трансформаторного оборудования.

Актуальным остается вопрос снижения затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей технических средств электрического транспорта, системы тягового электроснабжения, в частности, выпрямителей тяговых подстанций [9,10]. Совершенствование технических средств, преобразующих энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в настоящее время приобретает особую актуальность.

Анализ существующих схем многопульсных ВА показывает, что схемное решение выпрямителя предопределяет величину коэффициента использования вторичных обмоток трансформаторов по мощности, то есть массогабаритные и стоимостные показатели выпрямителей [11]. Большое внимание к совершенствованию методик расчета установленных мощностей и энергетических показателей вентильных преобразователей уделено в работах ученых Новосибирского государственного технического университета Грабовецкого Г. В., Харитонова С. А., Зиновьева Г. С., Ворфоломеева Г. Н., Щурова Н. И., Мятежа C.B.

Существенное снижение потерь электроэнергии при преобразовании переменного тока в постоянный ток можно ожидать при переоборудовании имеющихся ВА (или при установке новых ВА) по схемам, обеспечивающим более высокую пульсность выпрямленного напряжения. При этом потери могут быть снижены не только в самих ВА, но и в питающих сетях и смежных потребителях за счет снижения искажающего влияния нелинейной нагрузки, которой являются В А, на качественные характеристики сетей [12]. С увеличением пульсности выпрямленного напряжения в сетях постоянного тока снижаются требования к массогабаритным и стоимостным показателям сглаживающих фильтров тяговой сети. Кроме того, потери электроэнергии при фильтрации также снижаются. Однако, исследования электромагнитной совместимости многопульсных выпрямителей и оценка их экономичности, даже при допущениях симметричности и синусоидальности питающих трехфазных напряжений выполненных в известных работах не позволяют оценить в полной мере их влияния на устройства СЦБ и связи, устройства электроподвижного состава [13].

В связи с вышеуказанными проблемами можно сказать, что огромный интерес должны вызывать разработки и исследования многопульсных выпрямителей, сочетающих в себе экономичность преобразования, простоту и надежность схемных построений при работе в условиях несимметричных и несинусоидальных напряжений питающей сети.

Исследованиям электромагнитных процессов и характеристик работы выпрямителей при несимметричных питающих напряжениях посвящены труды многих ученых, например, Трейвас М. Д., Маглаперидзе О. К, Анисимов Я. Ф., Соколов С. Д., Черников Г. Б., Пинцов A.M., Бадер М. П., Шидловский А. К., Низов A.C., Шалимов М. Г., Маценко В. П. и другие.

Влияние несинусоидальности и несимметрии сетевых напряжений на качественные характеристики выпрямителей нашло отражение в работах Шляпошникова Б. М., Поссе, В. П. Маценко, А. Г. Пономарева, A.A. Масленникова и других.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование электромагнитных процессов в неуправляемых выпрямителях с ортогональной системой напряжений с учетом влияния несинусоидальности и несимметрии трехфазных напряжений сети для оценки качества преобразуемой ими энергии и помехоустойчивости при работе в реальных условиях.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ существующих методов учета несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей трехфазной сети при исследовании многопульсных выпрямителей, с целью оценки их адекватности и применимости к исследованию преобразователей переменного напряжения в постоянное с ортогональной системой напряжений.

2. Проведено комплексное исследование, позволяющее развить теоретические основы преобразования трехфазных систем напряжения в двухфазную ортогональную систему для многопульсного выпрямления с получением обобщенных выражений, связывающих токи, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.

3. Разработаны новые схемные решения многопульсных выпрямительных агрегатов с более высокими технико-экономическими показателями и улучшенной электромагнитной совместимостью для питания нагрузок постоянного тока.

4. Созданы математические модели для оценки качества преобразуемой энергии преобразователей с ортогональной системой напряжений в постоянное, с учетом несимметрии и несинусоидальности напряжений питающей сети.

5. На основе теоретических и экспериментальных данных, полученных в работе, разработаны рекомендации по применению многопульсных выпрямителей для тяговых подстанций электрического транспорта.

Методы исследования. В основу теоретических исследований положен математический аппарат, включающий теорию комплексной переменной для расчета электрических цепей в синусоидальном режиме. Анализ электромагнитных процессов выпрямителей при несимметричной питающей сети проведен с использованием метода симметричных составляющих. Составление математических моделей, описывающих процессы формирования выпрямленного напряжения, выполнено при помощи векторных диаграмм. Установление связи между токами на входе и выходе фазопреобразующих устройств получено с использованием интегральных методов. Гармонический анализ напряжений и токов многопульсных выпрямителей осуществлен путем разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты выполнены с помощью математического моделирования в среде «Maple», «Mathcad» и «MathLab». Для подтверждения достоверности результатов теоретических исследований проведены экспериментальные испытания соответствующих макетных образцов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» 2004, 2006; IX международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» 2006; VII международной конференции. «Актуальные проблемы электронного приборостроения — АПЭП-2004" — форуме с международным участием Высокие технологии-2004; научно-технической конференции «Наука и молодежь XXI века» 2004; второй и третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» — ЭЭЭ-2005, ЭЭЭ-2007; III Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» 2005.

Публикации. Основные содержание диссертации отражено в 14 научных работах, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, 2 — патента РФ, 10 — в сборниках трудов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 103 наименований и трех приложений. Общий объем 211 страниц машинописного текста, в том числе 160 страниц основного текста, в том числе 90 рисунков, 9 таблиц.

4.3. Основные результаты и краткие выводы.

1. Получен комплекс расчетных соотношений для двенадцатипульсного выпрямителя ортогональных напряжений на основе трехфазного трансформатора с использованием обобщенных формул, полученных во второй главе, и с применением интегрального метода. Совпадение результатов расчетов по обеим методикам доказывают справедливость предложенной методики расчета.

2. На основании полученных соотношений, связывающих токи, напряжения и мощности цепей постоянного и переменного тока создана физическая модель двенадцатипульсного выпрямителя.

3. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых были произведены замеры напряжений трехфазной сети, с выявлением их гармонического состава, выпрямленного напряжения и тока потребляемого выпрямителем из сети.

4. Проведен расчет выпрямленного напряжения и тока потребляемого выпрямителем из сети на математической модели с учетом несимметрии и несинусоидальности питающей сети, имевших место во время проведения экспериментальных исследований.

5. Выполненный анализ форм выпрямленного напряжения и размаха пульсаций показал, что результаты полученные теоретически и на физической модели двенадцатипульсного выпрямителя отличаются на 1%.

6. Доказано, что определение формы выпрямленного напряжения по предложенной математической модели позволяет делать выводы о его качестве с достаточно близким (в пределах 5%) совпадением с экспериментальными данными.

7. Установлено, что допущения, сделанные при выводе математической модели по определению тока, потребляемого из сети преобразователем, не дает однозначную оценку той или иной схемы выпрямления, при той или иной пульсности.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Получили развитие теоретические основы анализа многопульсных выпрямителей с ортогональными системами напряжений, формируемыми из трехфазной системы напряжений с применением трансформаторов Скотта и на основе трехфазного трансформатора.

2. Разработаны электрические схемы многопульсных выпрямителей, имеющие обобщенный характер и дающие возможность синтезировать преобразователи с различным числом пульсаций выпрямленного напряжения. Получены обобщенные выражения для определения токов, напряжений и мощностей преобразователей, являющиеся функцией одной переменной — числа пульсаций.

3. На основе полученных общих выражений разработаны алгоритмы проектирования схем выпрямителей ортогональных систем напряжений и предложены новые схемные решения многопульсных выпрямителей.

4. Разработана методика учета несинусоидальности и несимметрии питающей трехфазной сети при расчете многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений. Проведены исследования выпрямителей при работе в условиях несинусоидальности и несимметрии напряжений питающей сети на основе разработанной математической модели, описывающей работу преобразователей ортогональных систем напряжений с различными числами пульсаций выпрямленного напряжения. Исследования показали лучшую электромагнитную совместимость и помехоустойчивость многопульсных выпрямителей ортогональных систем напряжений, выполненных на основе трехфазного трансформатора, у которых, при одинаковых условиях питания, на 3 — 5% ниже размах пульсаций выпрямленного напряжения, чем у выпрямителей на основе схемы Скотта. Наиболее предпочтительной схемой выпрямления, при условии лучшего качества выпрямленного напряжения, была принята схема двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора.

5. Выполнен расчет конструктивных параметров двенадцатипульсного выпрямителя на основе трехфазного трансформатора и получены соотношения, связывающие токи, напряжения и мощности цепей постоянного и переменного тока, что позволило создать физическую модель мощностью 1500 ВА.

6. Проведены экспериментальные исследования, в результате которых были получены формы, действующие и средние значения напряжений трехфазной сети, с выявлением их гармонического состава, выпрямленного напряжения и тока, потребляемого выпрямителем из сети.

7. Доказано, что форма кривой выпрямленного напряжения, полученная по предложенной математической модели, фактически совпадает (в пределах 5%) с формой экспериментальной кривой, что позволяет делать достаточно достоверные выводы о качестве выпрямленного напряжения на основании расчетов по математической модели.