Выпрямители с кольцевыми и лестничными вентильными схемами для систем электроснабжения электрического транспорта

Технический уровень современных преобразователей переменного тока в постоянный не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к преобразователям на основе вентильных схем (ВС). Так возрастающие требования к качеству преобразования, связанные, в основном, с проблемой электромагнитной совместимости, предопределяют создание новых схем с повышенной пульсностью выпрямленного напряжения. Одним из важных показателей качества преобразования является коэффициент мощности, который существенно возрастает при повышении фазности преобразования. Однако создание схем с большим количеством преобразуемых фаз трудновыполнимо, что связано со сложностью выполнения многообмоточных трансформаторов. Последние годы для решения проблемы повышения коэффициента мощности все чаще используются выпрямители, построенные на основе импульсных схем. Однако на больших мощностях еще долгое время будут использоваться традиционные схемы выпрямления — мостовые и нулевые. Основу преобразователей тяговых подстанций электрического транспорта в настоящее время составляют именно нулевые и мостовые преобразователи. Одной из эффективных мер повышения эффективности преобразования является переход выпрямительных агрегатов (ВА) от шестипульсных к 12-пульсным схемам преобразования. Дальнейшее повышение экономичности ВА может быть достигнуто за счет перехода от мостовых к кольцевым ВС. Данное направление исследований отражено в ряде работ отечественных и зарубежных авторов. Исторически первым можно признать схемное решение 12-пульсного выпрямителя последовательного типа с кольцевой ВС, просматриваемой в работе A.B. Потапова [1]. Аналогичное техническое решение получено независимо и чуть позднее болгарскими исследователями, которые впервые выполнили анализ внешней характеристики 12-пульсного выпрямителя с кольцевой ВС [2]. Рекуррентные алгоритмы построения кольцевых ВС предложены в работе A.M. Репина [3]. Анализ схемных решений и новый метод структурного синтеза кольцевых и лестничных ВС разработаны на кафедре ЭТК НГТУ коллективом авторов под руководством Г. Н. Ворфоломеева. Meтод вращающихся векторных диаграмм, более универсальный по сравнению с рекуррентными алгоритмами, предложен С. А. Евдокимовым [4]. Результаты синтеза кольцевых схем и их анализа схемных решений, проведенного на основе данного метода, отражены в соавторской работе Г. Н. Ворфоломеева, Н. И. Щурова, С. А. Евдокимова [5]. В результате анализа получены практически все топологические и электрические параметры синтезированных кольцевых ВС, в том числе схемы 12-пульсного выпрямителя. Однако полного анализа электромагнитных процессов, а также сопоставительного анализа внешних характеристик мостовых и кольцевых схем проведено не было. В [6, 7, 8] была дана оценка экономической эффективности перехода от мостовых к кольцевым ВС и построены сопоставительные графики КПД мостовых и кольцевых ВС, в соответствии с которыми КПД кольцевых схем повышается не менее чем на 0,25% по сравнению с мостовыми. Весьма актуальным, с точки зрения автора, является исследование внешней характеристики 12-пульсного выпрямителя с кольцевой ВС, особенно на участке, соответствующем режимам перегрузки. При этом важно сравнение кольцевой схемы с мостовой во всем диапазоне режима работы, в том числе до короткого замыкания. При соответствии внешних характеристик можно окончательно утверждать о целесообразности использовании кольцевых схем взамен мостовых ВС. Помимо изучения внешних характеристик автором предполагается исследование электромагнитных процессов в любых режимах и в любой точке кольцевой ВС на основе кусочно-припасовочного метода.

Не менее важным, по замыслу автора, является исследование 12-пульсного выпрямителя, построенного на основе лестничной ВС, дающей возможность реконструировать отслужившие ВА, построенные по шести-пульсной нулевой схеме с УР. Как показали расчеты, реконструированный вариант преобразователя позволяет не только повысить пульсность выпрямителя, но и повысить уровень выпрямленного напряжения, что дает возможность применить его на грузонапряженных и горных участках железной дороги в качестве питания ЛЭП, к которой подключены пункты ППН, усиливающие мощность контактной сети.

Целесообразно проведение исследований не только для преобразователей с кольцевым и лестничным построением ВС выпрямительных агрегатов (ВА), но и для лестничных зонных преобразователей, внедрение которых на электроподвижном составе (ЭПС) позволит увеличить коэффициент мощности, снизить потери и повысить электромагнитную совместимость. В настоящее время на электровозах переменно-постоянного тока в качестве регуляторов широко применяются зонные преобразователи однофазного напряжения в регулируемое постоянное. Одним из недостатков всех применяемых современных регуляторов является необходимость проведения двойной коммутации в двух контурах силовых цепей регуляторов, один из которых является частью другого, а это требует введения дополнительных углов задержки. Таким образом, двойная коммутация уменьшает рабочую часть периода сетевого напряжения, приводит к дополнительным искажениям формы выпрямленного напряжения и вносит искажения в потребляемый ток.

Целью диссертационной работы является дальнейшее исследование и разработка методов структурного синтеза и схемных решений выпрямителей с улучшенными технико-экономическими показателями для применения на электрическом транспорте.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ топологии выпрямителей с кольцевым и лестничным построением ВС, выбор схемных решений, рекомендуемых для электрического транспорта.

2. Систематизация неформализованных и частично формализованных методов структурного синтеза, в том числе методов агрегирования, схемотехнического перемещения и методов с использованием диаграмм, отражающих электромагнитные процессы в преобразователях. Определение их достоинств и недостатков.

3. Разработка метода построения структур двухсекционного трансформаторного преобразователя числа фаз (ТПЧФ) с несимметричной формой выпрямленного напряжения секций, упрощающего структуру 6(п+3) — пульсных выпрямителей.

4. Разработка методики определения углов проводимости вентилей и правильного соединения их в кольцо в выпрямителях с кольцевой ВС.

5. Анализ электромагнитных процессов в выпрямителях с кольцевыми ВС с учетом перспектив их внедрения на тяговых подстанциях (ТП) электрического транспорта.

6. Анализ электромагнитных процессов в выпрямителях с лестничной ВС и расчет преобразователя для усиления систем электроснабжения на гру-зонапряженных участках железных дорог.

7. Проведение модельных и экспериментальных исследований разработанных преобразовательных устройств, подтверждающих достоверность теоретических исследований электромагнитных процессов в выпрямителях с кольцевыми и лестничными ВС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В основу теоретических исследований положены методы теории электрических и магнитных цепей, метод кусочно-линейного припасовывания, методы структурного синтеза и анализа выпрямителей, геометрический метод представления синтезируемых моделей, методы алгебры, методы, основанные на использовании векторных и временных диаграмм. Расчеты и математические модели выполнены в пакетах-приложениях «MathCAD», «Micro-Сар» и «MATLAB». Достоверность исследований оценивалась сравнительным анализом по математическим моделям, компьютерным моделям, по сходимости результатов математического моделирования и экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты систематизации схем выпрямления и методов структурного синтеза.

2. Метод композиции несимметричных напряжений двух систем напряжений ТГТЧФ.

3. Результаты сравнения 12-пульсных выпрямителей с мостовыми и кольцевыми ВС, а также модельно-экспериментальное описание преобразователей с кольцевым и лестничным построением ВС.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Обобщены характерные свойства выпрямителей, объединенных топологиями ВС, выполненных кольцевыми или лестничными.

2. Выполнена систематизация неформализованных и частично формализованных методов структурного синтеза выпрямителей. При этом рассмотрены и усовершенствованы процедуры метода схемотехнических перемещений.

3. Разработан метод структурного синтеза, основанный на композиции несимметричных напряжений двух систем напряжений ТПЧФ.

4. Выведено уравнение внешней характеристики (ВХ) 12-пульсного выпрямителя с кольцевой ВС и выполнено сравнение ее с ВХ 12-пульсного выпрямителя с мостовой ВС .

Практическая ценность результатов работы.

1. Результаты обобщения схемных решений и систематизация методов структурного синтеза схемных решений способствуют упрощению процедур выбора, а также разработке и расчету новых схем выпрямителей.

2. Обосновано внедрение на ТП электрического транспорта выпрямителей с кольцевыми и лестничными ВС вместо мостовых и лучевых.

3.Разработаны и предложены улучшенные схемные решения однофазных выпрямителей для систем управления электровозами переменного тока.

4. Разработана методика определения углов проводимости вентилей в зависимости от их расположения в структуре вентильного кольца.

Реализация результатов работы. Теоретические положения, методики расчета, экспериментальные установки, полученные в диссертационной работе, нашли применение в учебном процессе НГТУ по направлению 140 600 -«Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Основные результаты работы были использованы в ходе выполнения работ по гранту молодым учёным мэрии г. Новосибирска при выполнении проекта № 1.2/11 944 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2011 годы)».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: МНСК «Интеллектуальный потенциал Сибири» 22−23 мая 2007 г. (Новосибирск) — научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» 6−9 декабря 2007 г. (Новосибирск) — МНСК «Интеллектуальный потенциал Сибири"28−29 мая 2008 г. (Новосибирск) — научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» 4−7 декабря 2008 г. (Новосибирск) — X международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2010 (Новосибирск), (The 10th International scientific-technical conference «Actual Problems of electronic instrument engineering proceedings» APEIE-2010) — научно-технических семинарах кафедры «Электротехнические комплексы» НГТУ (2004 — 2008).

Основные научные результаты опубликованы в 12 научных работах, из них: 8 — в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ- 2 — в сборниках трудов конференций и 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и приложения. Общий объем 207 страниц машинописного текста, в том числе 200 страниц основного текста, включая 115 рисунков, 14 таблиц.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Выполнен анализ выпрямителей с кольцевым и лестничным построением ВС, в ходе которого выбраны схемные решения, рекомендуемые для использования в системах электроснабжения электрического транспорта.

2. Проведена систематизация неформализованных и частично формализованных методов структурного синтеза. Определены достоинства и недостатки представленных методов и усовершенствованы процедуры метода схемотехнических перемещений.

3. Разработан метод построения двухсекционного ТПЧФ с несимметричными напряжениями выпрямительных секций, упрощающий структуру ВО трансформаторов выпрямителей с 6(п+3)-пульсным выпрямленным напряжением.

4. Разработана методика определения углов проводимости вентилей в кольцевой ВС, позволяющая производить выбор и правильное соединение вентилей с фазами ТГТЧФ.

5. Выполнен детальный анализ электромагнитных процессов в 12-пульсном выпрямителе с кольцевой ВС. Показана идентичность электромагнитных процессов и основных расчетных соотношений в выпрямителях с кольцевыми и мостовыми ВС, дающая возможность замены на ТП электрического транспорта мостовых ВС на кольцевые. Это позволяет снизить расход электроэнергии до 6 млн. кВт*ч на сто выпрямителей в год при коэффициенте загрузки 0,25 за счет уменьшения мощности потерь в вентильных плечах.

6. Проведен анализ электромагнитных процессов в выпрямителях с лестничными ВС, результаты которого показывают возможность использования их на тяговых подстанциях грузонапряженных участков железных дорог для повышения и стабилизации уровня напряжения в контактной сети, а также на электроподвижном составе переменного тока, с возможностью повышения коэффициента мощности и упрощения силовой схемы управления электровозом.

7. Разработаны и созданы математические и физические модели, позволившие подтвердить достоверность результатов теоретических исследований электромагнитных процессов в выпрямителях с кольцевыми и лестничными ВС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенное в работе исследование, разработка методов структурного синтеза и схемных решений выпрямителей, а также детальный анализ электромагнитных процессов позволили рекомендовать ряд схемных решений с кольцевыми и лестничными ВС, которые позволяют улучшить технико-экономические показатели ВА тяговых подстанций и преобразователей подвижного состава.

В диссертации найдены новые подходы к построению ТПЧФ для схем многопульсных ВА, а также продолжено развитие универсального метода структурного синтеза и схемного анализа, так называемого метода вращающихся векторных диаграмм.

Одной из основных задач исследования явился детальный сравнительный анализ 12-пульсных выпрямителей с мостовыми вентильными схемами, применяемыми на действующих тяговых подстанциях электрического транспорта. Необходимость такого анализа была связана с обоснованием непосредственной замены мостовых вентильных схем на кольцевые без изменения остальных элементов выпрямительного агрегата, в первую очередь — трансформаторного оборудования. Основным показателем для аналитического сравнения была выбрана внешняя характеристика. Решение этой задачи актуально при решении проблемы ресурсои энергосбережения.