Обмінні енергетичні процеси в силових колах вентильних електричних перетворювачів

Рівняння балансу активних потужностей для кола рис. 6 наступне:

Pмережі = = = Pd , (19)

якщо записати рівняння окремо для кожної гармоніки, то вони будуть мати вигляд

P(0)d = (P(0)6T + P(0)6Д ) = (P(0)6T ++ ) = ; P(0)6T = ;

Р(1)мережі =P(1)6T + P(1)6Д = P(1)6T ++ = 0; P(1)6T = ; (20)

Рис. 6 Компенсаційний випрямляч



Рис. 7 Регулювальні характеристики

Рис. 8. Залежність Qвип()

З рівнянь (19) і (20) слідує очевидний висновок: у колі рис. 6 діоди Д1-6 споживають із мережі активну потужність першої гармоніки = Pмережі, яку вони перетворюють на активну потужність постійної складової, яку передають у коло випрямленого струму перетворювача, де вона і споживається на опорі rd. На рис. 8 проілюстровано як при зменшені значення параметра rd (збільшення пара метра *) відбувається виродження регулювальних характеристик випрямляча Qвип() (якї побудовано для відносної величини

)

у характеристику QДРП() ДРП.

Як і у колах розглянутих ДРП, так і колі випрямляча, для якого:

у області найбільших навантажень, тобто при різницевих кутах 0 , теж має місце ефект помноження реактивної потужності.

У четвертому розділі дисертації розглянуто підтвердження отриманих у третьому розділі, аналітичними методами, результатів шляхом: 1) розгляду матеріалів експериментальних досліджень, проведених на лабораторному макеті; 2) інженерних розрахунків; 3) аналізу електромагнітних процесів в більш адекватній моделі трифазного мостового компенсаційного перетворювача з тиристорно-конденсатор-ними ланками комутації.

Встановлений для усіх розглянутих у третьому розділі перетворювачів ефект помноження у їх колах реактивної потужності першої гармоніки (KQ >>> 1) був покладений у основу ідеї використання цих перетворювачів у системі збудження асинхронних генераторів з метою створення на їх базі ефективних автономних малогабаритних дизель-електростанцій перевантажувальна здатність яких значно перевищує таку у існуючих альтернативних зразках, і які можуть бути як джерелами одно- та трифазних змінної напруги (у разі застосування у системі збудження ДРП, відповідно, за схемами рис. 3, та рис. 5), так і джерелом постійної напруги (у разі застосування компенсаційного випрямляча, за схемою рис. 6). Якщо компенсаційний випрямляч навантажено на високочастотний інвертор, то, крім іншого, маємо ще і джерело змінної напруги, частота якої така, що вимагається споживачем в залежності від технологічного процесу.

На початку розділу коротко розглянуто історію питання, що пов'язане з використанням у системах збудження асинхронних генераторів різних вентильних перетворювачів, вказано провідні вітчизняні школи вчених, що займалися цією проблемою, згадано деякі найбільш ефективні альтернативні схемотехнічні рішення, - вказано їх основні добутки та недоліки. Констатовано, що при обмеженому технічною доцільністю значенні ємності конденсаторів, що використовується при цих рішеннях, та застосуванні напівпровідникових вентилів, відповідних типу та класу, використання яких є доцільним з економічних міркувань, всі ці альтернативні рішення генераторів поступаються за перевантажувальною здатністю і високою стабільністю вихідної напруги запропонованим здобувачем, що діють за згаданою вище ідеєю.

Далі коротко розглянуто схеми, за якими було реалізовано дослідні лабораторні макети, вказано конкретні режими автономного джерела живлення на базі асинхронного генератора з компенсаційними перетворювачами у його системі збудження, які на них досліджувались. Зокрема описано макет, де в системі збудження генератора використовувався перетворювач, за схемою рис. 6. Цей перетворювач відповідно до значення його параметру rd може розглядатися (див. рис. 8) як випрямляч (якщо rd >>> 0) і як ДРП (якщо rd 0).

При експериментальних дослідженнях на останньому макеті (при rd 0) було досягнуто вагомих результатів, а саме, вперше від асинхронного генератора було здійснено прямий гарантований запуск електродвигуна такої ж потужності, що і генератор. Цей факт є безпосередньо практичним підтвердженням наявності у колах перетворювачів, що розглядаються теоретично встановленого у попередньому розділі ефекту помноження реактивної потужності першої гармоніки. Нагадаємо, що при запуску електродвигуна можливі короткочасні семикратні перевищення пусковими струмами номінального струму генератора, а зрозуміло, і відповідне перевищення реактивною потужністю, що при цьому вимагається для збудження генератора (забезпечення стабільності його напруги) її максимальної величини в усталеному режимі. У підтвердження цих результатів у дисертації наведено осцилограми пускових напруги та струму (перехідний режим після запуску електродвигуна), що зняті з екрану запам'ятовуючого осцилографа.

Інший матеріал розділу присвячено інженерним розрахункам основних енергетичних та схемотехнічних показників кола рис. 6 при різних значеннях параметра

* = xC /rd,

та для двох різних типів тиристорів, а саме типів Т и ТЧ, що використовуються у якості керованих вентилів у цьому перетворювачі (результати цих розрахунків у дисертації зведені у відповідні таблиці). Ці типи тиристорів суттєво відрізняються між собою таким показником як час вимкнення вентилів, дійсно: для тиристорів типу Т tвим 100 мкс, і, відповідно, параметри Т 0.0314 рад. ( 1.8 ел.град.), і Тmin 5.4 ел.град.; для тиристорів типу ТЧ tвим 1020 мкс, і, відповідно, параметри Т 0.003140.00628 рад. ( 0.180.36 ел.град.) і ТЧmin 0.54 - 1.08 ел.град.

Зіставлення результатів цих розрахунків для перетворювача рис. 6 з різним типом тиристорів, що в ньому використовуються, аргументовано підтверджує тезу, що приведена у попередньому розділі, про те, що саме швидкодія вентилів у найбільшій мірі впливає на максимальне значення реактивної потужності першої гармоніки, що генерується перетворювачами класу, який розглядається. Цей фактор, зрозуміло, найсуттєвіше впливає і на інші енергетичні показники подібних пристроїв і, відповідно, є вирішальним при визначені ефективності їх застосування у системах збудження асинхронних генераторів малогабаритних пересувних дизель-електростанцій потужністю 4-30 кВт. Чим вища швидкодійність вентилів, що використовуються у системах збудження за приведеними вище схемами, тим вища ефективність автономних джерел електроживлення, що пропонуються. Одночасно з тим, вища і ціна елементної бази, що використовується у таких джерелах, - тому вибір оптимального типу вентилів для кожного окремого випадку зрештою визначається економічною доцільністю.

В кінці розділу аналізуються електромагнітні процеси у колі рис. 6, вперше стосовно до моделі цього перетворювача з обмеженими значеннями індуктивності Ld у колі його випрямленого струму, а саме: складається система рівнянь Кірхгофа для цього кола; остання розв'язується аналітичними методами; визначаються аналітичні вирази для миттєвих (для останніх також будуються часові діаграми) напруг та струмів усіх елементів кола, їх інтегральних характеристик, та активі реактивних потужностей усіх елементів кола; на основі попереднього виводяться аналітичними методами рівняння регулювальних характеристик перетворювача Д(Т), Ud(), Р()та Q(1)(). Із кроком кута керування = Т, що дорівнює спочатку п'яти, а потім одному електричним градусам, для різних значень параметра rd розраховуються відповідні значення кута Д та відносної величини

Ud*(Т) = Ud ,

стосовно до



Рис. 9 Регулювальні характеристики компенсаційного випрямляча при Ld ?

режиму найбільших навантажень перетворювача (результати розрахунків наведені в дисертації у відповідній таблиці). Для цього ж режиму при різних значеннях параметру rd розраховуються граничні значення Тmin і max відповідних кутів (див. таблиці у дисертації). По характеристикам Р() та Q(1)() для різних значень кутів керування Т у режимі rd varia на рис 9 для натуральних величин побудовані характеристики Qвип(Рн). Окремі криві цих характеристик майже повністю співпадають з кривими Qген(Рген), що були експериментально отримані д.т.н., проф. Лісником В.Я. для асинхронної машини у режимі генератора. Їм було показано, що реалізація за допомогою системи збудження таких залежностей Qген(Рген), забезпечує стабільність вихідної напруги асинхронного генератора. Вказана вище збіжність характеристик, що отримані експериментально, з характеристиками рис. 9, що побудовані аналітично, та перевірені практично на лабораторному дослідному макеті, відкриває перспективи для використання компенсаційного випрямляча за схемою рис. 6 у системах збудження асинхронних генераторів при створені ефективних автономних джерел постійної напруги.

У п'ятому розділі аналізуються електромагнітні процеси у колі однофазного мостового РЗН, за схемою рис. 10, у якому з метою досягнення високої якості вхідного струму, застосовано оригінальній спосіб керування (спосіб є предметом декларативного Патенту України № 48865).

Цей спосіб полягає у дискретній зміні під навантаженням індуктивності Ld дроселя у колі випрямленого струму шляхом переключення відпайок його обмотки,

за спеціальним алгоритмом, що забезпечує при плавному регулюванні змінної напруги Uн наперед задані значення коефіцієнта () спотворення вхідного струму (або його коефіцієнта гармонік kг ).

Спочатку проаналізовано електромагнітні процеси у колі рис. 10 де з тиристорів Тn у роботі лише тиристор Т0, а індуктивність Ld приймає обмежені значення.

Рис. 10 РЗН з регульованою індуктивністю дроселя Ld

Аналіз показав, що у такій моделі цього РЗН плавне, що здійснюється під навантаженням регулювання змінної напруги Uн можливо при кутах керування із діапазону: . На цьому діапазоні мають місце три слідуючи режими РЗН:

1) режим з немиттєвою комутацією тиристорів ТІ-ІV, це коли 0() (де

2) ; = xd/rн );

2) режим миттєвої комутації, що має місце при

0() = arctg();

3) режим перервних струмів - при . При кожному з цих режимів були розглянуті всі характерні інтервали незмінності структури схеми, для кожного з цих інтервалів складені системи рівнянь за законами Кіргофа, які було розв'язано аналітичними методами, в наслідок чого знайдено аналітичні описи миттєвих значень напруг і струмів для всіх елементів кола, а також їх інтегральні характеристики, було виведено трансцендентні аналітичні рівняння, що пов'язують кут комутації () та кут () відкритого (на півперіоді) стану тиристорів ТІ-ІV від кута керування (), та побудовані графіки залежностей () і () для різних значень параметра , для всіх трьох режимів побудовано часові діаграми напруг і струмів на елементах кола. Для цієї ж моделі було виведено рівняння, та побудовані

Регулювальні характеристики РЗН, а саме характеристики: Uн = f() для відносної величини

 (див. рис. 11); kг() =Iвг() /I(1)н()

де Iвг - діюче значення вищих гармонік вхідного струму, та

= f(Pн ).

На рис. 12 номера характеристик відповідають наступним

значенням параметру : 4.3; 2.75; 1.732; 1.1; 0.69; 0.41; 0.23.

У результаті аналізу рівнянь регулювальних характеристик було встановлено, що у середині діапазону регулювання на границі режимів миттєвої кок мутації (режим = 0) і режиму перервних струмів (режиму ), а саме при

= = arctg(Ld /rн), (21)

має місце тотожність Iвг 0 (а таким чином і тотожність kг 0), тобто при цьому значенні кута регулювання вхідний струм синусоїдний (цьому режиму на рис. 12 відповідають точки перетину характеристик з віссю абсцис), звідси (а саме з умови (21)) витікає висновок: якщо при регулюванні напруги Uн (на опорі rн) шляхом плавного змінення кута регулювання разом з ним змінювати якимось засобом і індуктивність Ld за законом

Ld = (rн/)tg(), (22)

то в такому випадку вхідний струм РЗН буде виключно синусоїдним на всьому можливому діапазоні керування змінної напруги Uн. Зважаючи на те, що й досі не



Рис. 11 Регулювальна характеристик РЗН

Рис. 12 Залежність kг()

існує ефективних способів плавного регулювання індуктивності дроселів було запропоновано здійснювати таке регулювання дискретно, шляхом переключення відпайок обмоток дроселя, що у РЗН, за схемою рис. 10, виконується за допомогою керованих вентилів Тn, кількість яких залежить від заданого значення коефіцієнтів або kг та глибини регулювання напруги Uн. Зрозуміло, що така зміна значень Ld супроводжується переходом з однієї характеристики (на рис. 11 і 12) на іншу. Для того, щоби при цьому переході напруга змінювалася плавно, як зрозуміло з рис. 11 кут регулювання повинен змінюватися стрибком. Ці ідеї і було реалізовано у згаданому оригінальному способі регулювання, який було запропоновано здобувачем і що склав предмет деклараційного патенту України, більш детально про запропонований алгоритм регулювання буде нижче.

Наступним етапом аналізу було з'ясування особливостей протікання енергетичних процесів у колі рис. 10. Для усіх розглянутих режимів РЗН виповнюються такі рівняння балансу потужностей:

(23)

де індекс «В» у позначені потужностей вказує, що вони відповідають вентилям ТІ-ІV.

Із рівнянь (23) слідують такі висновки:

1) вентилі ТІ-ІV споживають на першій гармоніці із мережі активну потужність 4Р(1)В, перетворюють її у активну потужність вищих гармонік яку генерують у коло, де вона споживається на навантажені rн (а також у мережі, якщо вона не нескінченої потужності);

2) ті ж самі вентилі ТІ-ІV споживають на першій гармоніці із мережі і реактивну потужність 4Q(1)В, трансформують її у реактивні потужності вищих парних гармонік 4Q(2k)В, які вони генерують у коло, де вони Q(2k)Ld споживаються дроселем, що у колі випрямленого пульсуючого струму.

Для з'ясування як балансуються у цьому колі реактивні потужності Емде розглянемо у моделі, що аналізується, режим перервних струмів. У цьому режимі струм вентилів завжди співпадає зі струмом дроселя Ld і тому у кривій, що його описує відсутні стрибки (аналітична функція iВ(t) не має розривів), тобто згідно з формулою (4) QЕВ 0. Таким чином, приходимо до рівняння балансу потужності Емде:

(24)

де ULd діюче значення напруги дроселя. Зрозуміло, якщо при інших режимах РЗН у його моделі враховувати паразитні індуктивності, що послідовні з вентилями і які дійсно існують у реальному колі перетворювача, то і при цих режимах баланс потужностей Емде теж буде описуватись рівняннями аналогічними (24) з тією лише різницею, що у правій його частині додадуться зневажливо малі потужності згаданих паразитних індуктивностей.

При заданому значені коефіцієнта kг, наприклад kг = 0.1, розробка конкретного алгоритму керування тиристорами Тn, що при плавному регулюванні напруги Uн забезпечує таке значення kг для вхідного струму, зводиться до побудови на сімействі характеристик kг(), яке зображено на рис. 13 (де криві і їх нумерація відповідає тим ж самим значенням параметра , що і на рис. 12), регулювальної характеристики kг=F(,), яка відповідає неперервній пилкоподібній кривій, що на рис. 13 знаходиться нижче прямої kг = 0.1. Характеристика F(,) уявляє собою криву, яка складається з суміжних ділянок (для яких виконується kг() 0.1) усіх характеристик kг() із сімейства на рис. 13, тобто кожна з цих ділянок відповідає певному значенню параметра із наведеного вище їх набору (що нараховує сім різних значень цього параметра). Очевидно, що проекції на вісі абсцис точок перетину характеристик kг(), що розташовані нижче прямої kг = 0.1, відсікають на цій вісі сім суміжних інтервалів регулювання величини , кожний з яких теж відповідає одному певному значенню параметра з того ж самого набору його значень. Таким чином, у процесі регулювання напруги Uн при переході з одного інтервалу регулювання на інший за допомогою тиристорів Тn здійснюється переключення відпайок обмоток дроселю, внаслідок чого його індуктивність набуває значення, що необхідне для забезпечення умови kг 0.1. Для того, щоби при таких дискретних змінах індуктивності кола регулювання напруги Uн здійснювалось плавно необхідно, щоби кут регулювання , при розглянутому тут конкретному алгоритмі, змінювався за законом проілюстрованим на рис. 14 жирною ламаною лінією (ламана крива зображена на цьому рисунку пунктирно, відповідає іншому набору значень параметра , який теж розглянуто у дисертації).

Побудова характеристики kг=F(,) розпочинається з сьомого інтервалу, де у якості сьомої (див. на рис. 13 криву із номером сім) характеристики kг() вибирається така, що на її інтервалі, який відповідає режиму безперервних струмів (включає в себе суміжні режими з ? 0 і = 0), її максимум торкається (лише в одній точці) прямої kг = 0.1. Далі, якщо на рис. 13 рухатися ліворуч по вісі абсцис, ця сьома характеристика, але на її інтервалі, де вона спадає і що відповідає режиму перервних струмів ( ), вже перетинає пряму kг = 0.1.



Рис. 13 Залежність kг()

Рис. 14 Залежність ()

Точка перетину є базовою для побудови суміжної ділянки характеристики kг=F(,), якій вже відповідає шоста характеристика kг() (на рис. 13 вона під номером шість), яка на інтервалі, де вона зростає і який відповідає режиму з = 0, повинна перетнути пряму kг = 0.1 у тій самій точці. В свою чергу, ця шоста характеристика kг() вже при режимі з знову перетинає цю пряму на спадаючій своїй ділянці, точка цього перетину є вже базовою для побудови наступного інтервалу характеристики kг=F(,), шляхом знаходження п'ятої, відповідної, характеристики kг() (див. на рис. 13 криву характеристики під номером п'ять) і так далі ліворуч по вісі абсцис і для інших ділянок характеристики kг=F(,), аж до початку інтервалу регулювання, початкового значення величини . Вище приведено графічний метод побудови пилкоподібної характеристики kг=F(,), у дисертації розглянуто і чисто аналітичні методи її побудови, які зважаючи на їх громіздкість тут оминаються).

Кількість відпайок дроселю, а, відповідно, і кількість інтервалів регулювання на побудованій характеристиці kг=F(,), кожний з яких відповідає конкретному значенню параметра (а при rн =const, і конкретному дискретному значенню Ld varia), залежить як від значення kг, що вимагається, так і від заданої глибини регулювання напруги. З рис. 13 видно, що для забезпечення при k г 0.1 глибини регулювання напруги, що відповідає інтервалу 0.184 U*н 1 знадобиться сім відпайок дроселя, а для інтервалу 0.42 U*н 1 усього п'ять!

Для пояснення, вразі якщо не вдаватися до дуже трудомістких побудов графіків характеристик, які подібні до приведених на рис. 12 и 14, яким чином у колі цього та аналогічних йому перетворювачах при стрибкоподібних змінах індуктивності дроселя Ld (внаслідок переключення відпайок його обмоток) та стрибкоподібних змінах кута керування , що їх супроводжують, зміни напруги Uн, що регулюється, відбуваються плавно, доцільно застосувати до запропонованої у другому розділі цієї роботи методологію, а саме її частини, що стосується введених у розгляд еквівалентних за енергетичними показниками параметрів лінійних кіл, що моделюють первісне коло на окремих гармоніках.

При такому розгляді встановлюємо, що при вказаних переключеннях відпайок дроселя та стрибках кута , еквівалентні параметри ВПР, що на схемі рис. 10 підключено до клем 1 і 2, послідовно з навантаженням rн, а саме параметри:

а відповідно і параметри:

r(1)екв = rн + r(1)ВУР; x(1)екв = x(1)ВПР,

залишаються незмінними. Таким чином, при переключеннях відпайок обмоток дроселя за запропонованим алгоритмом залишаються незмінними, інтегральні показники струму у колі, такі як I(1), Iвг та

I=,

якщо при цьому не змінюється діюче значення напруги Uмережі, що живить перетворювач.

Внаслідок останнього не змінюється і напруга Uн = rнI.

Таким чином, поняття еквівалентних за енергетичними показниками параметрів, що введені у розгляд за запропонованою у дисертації методологією, значно спрощують пояснення принципу дії цілого класу перетворювачів, електромагнітні процеси у колі одного з яких розглянуто у цьому розділі.

Висновки

У дисертаційній роботі розроблено теорію обмінних енергетичних процесів в силових колах вентильних перетворювачів електроенергії, яка базується на запропонованій методології аналізу енергетичних процесів у силових колах вентильних керованих перетворювачів (таких, як джерела реактивної потужності (ДРП), регулятори змінної напруги (РЗН), випрямлячі, інвертори, ведені мережею), що живляться від мережі синусоїдної напруги, а також дослідженні електромагнітних процесів в колах цих перетворювачів. Завдяки розробленій теорії та методології аналізу було встановлено специфічні ефекти та характеристики, властиві колам оригінальних вентильних перетворювачів, надана їм прийнятна фізична інтерпретація.

Отримані в дисертації результати у сукупності складають суттєвий внесок у подальший розвиток теорії електромагнітних процесів у силових колах вентильних перетворювачів електроенергії і полягають у наступному:

1. Із відомих визначень поняття реактивної потужності кіл несинусоїдних напруг і струмів Qнесин, сформульованим здобувачем критеріям щодо цієї величини, найбільше задовольняють поняття Обидва ці поняття є узагальненням на випадок кіл періодичного несинусоїдного струму відомих інтегральних представлень реактивної потужності кіл синусоїдних напруг і струмів Qсин, при цьому вони наслідують основні її фізичні та математичні дефініції. Встановлено клас моделей, що мають більш високу, ніж традиційні, адекватність реальним колам, в яких величина QЕ задовольняє концепції енергообміну. Перевага величини QK полягає в тому, що на реактивних елементах (L и C) вона визначається безпосередньо через середні енергії цих елементів (WсрL и WсрC).

2. На численних прикладах реальних перетворювальних пристроїв показано, що при аналізі обмінних енергетичних процесів, які протікають в них, доцільним і методично виправданим є використання понять активних і реактивних потужностей окремих гармонік. Показано, якщо визначити ці величини на всіх, в тому числі, неодмінно, і на вентильних елементах кола, то з урахуванням останніх завжди можна скласти для кола рівняння балансу потужностей на окремих гармоніках (навпаки, без складових потужностей на вентилях такі рівняння скласти неможливо). Визначивши, які елементи кола та на яких гармоніках споживають потужності, а на яких їх генерують, для всіх без виключення розглянутих кіл перетворювальних пристроїв, вдалося дати прийнятну з точки зору фізики інтерпретацію обмінним енергетичним процесам, що протікають в них. Останнє вигідно відрізняє розроблену методологію від альтернативних.

3. У відповідності до розробленої методології вентильний елемент розглядається у колі як пристрій, в якому здійснюється перетворення активних і реактивних потужностей одних гармонічних складових у відповідні потужності інших гармонічних складових. Таким чином, вентиль виступає як ланка певного «узгодження частот»: узгоджуючи потужності основної гармоніки джерела синусоїдної напруги, що живить коло, із потужностями вищих гармонік інших елементів, які приймають участь в енергообміні, що здійснюється між елементами кола.

4. Розроблена методологія передбачає оперування з параметрами (опорами), які (на основній гармоніці) є еквівалентними (за енергетичними параметрами P(1) і Q(1) ) колу перетворювача. Розгляд еквівалентних параметрів у ряді випадків дозволяє суттєво спростити тлумачення принципу роботи перетворювача.

5. На основі виявлених особливостей протікання енергетичних і електромагнітних процесів у компенсаційних перетворювачах було запропоновано ряд оригінальних схемотехнічних рішень, в яких специфічні властивості цих перетворювачів реалізуються з максимальною ефективністю. У колі ДРП виявлено ефект помноження реактивної потужності першої гармоніки, який з успіхом був використаний при розробці ефективної системи збудження асинхронного генератора. У результаті були розроблені однофазний та трифазні генератори змінної напруги, в яких досягається висока стабільність вихідної напруги у випадках, коли навантаження генераторів змінюється у широких межах як за величиною, так і за характером.

Запропоновані схемотехнічні рішення можуть бути покладені в основу дизель-генераторних установок резервного електроживлення потужністю 4-30 кВт, потреба в яких у світлі частих аварій в електроенергетичних системах надзвичайно велика. Споживачами таких малогабаритних дизель-електростанцій можуть бути також освітлювальні мережі аеродромів, геологорозвідувальні експедиції, підприємства безперебійного електроживлення - лікарні, птахофабрики та інші тваринницькі господарства, віддалені від магістральних електромереж, холодильні установки, серед них і підприємства рибного господарства, фермерські господарства приватного підприємництва та ін. Освоєння випуску таких електростанцій на основі серійних асинхронних машин здатне підвищити конкурентоспроможність вітчизняного виробника, а також сприяти вирішенню завдань ресурсо- та енергозбереження.

Перевантажувальна здатність трифазного асинхронного генератора потужністю 4кВт з запропонованою системою збудження виявилась настільки високою, що стало можливим вперше здійснити від нього прямий запуск електродвигуна, потужність якого така ж, як і у генератора, - це не має аналогу серед відомих приладів такого класу, що серійно випускаються.

Як показали теоретичні та експериментальні дослідження, використання в системі збудження асинхронного генератора компенсаційного випрямляча за схемою з відсічними діодами відкриває перспективи для створення ефективного автономного джерела постійної напруги, яке може знайти застосування, зокрема на залізничному транспорті. Живлення від такого випрямляча автономного інвертора напруги довільної частоти відкриває можливості створення однофазного автономного джерела змінної напруги необхідної частоти. Перевагою такого джерела є те, що в ньому збудження генератора і відбір від нього активної потужності відбуваються симетрично по трьом фазам генератора.

Ефективність розроблених джерел може бути суттєво підвищена з використанням більш швидкодіючих тиристорів.

6. Суттєве покращення електромагнітної сумісності вентильного однофазного мостового РЗН з мережею, яка його живить, може бути досягнуто завдяки запропонованому оригінальному способу регулювання, що базується на застосуванні дроселів, індуктивність яких дискретно регулюється (шляхом автоматичного перемикання відпайок їх обмотки) у відповідності із спеціальним алгоритмом. Плавність регулювання напруги при дискретній зміні індуктивності дроселя за запропонованим способом досягається тим, що системою керування вентилями відпрацьовується така стрибкоподібна зміна кута керування, що еквівалентний (для основної гармоніки) опір кола перетворювача залишається незмінним, внаслідок чого є незмінним і діюче значення вхідного струму.

7. Для різних моделей перетворювачів (у тому числі і моделей з обмеженим значенням індуктивності дроселя у колі випрямленого струму, які досліджено вперше), здійснено аналіз електромагнітних процесів, що протікають у їх колах; одержані оригінальні аналітичні співвідношення, що відображають ці процеси, одержано математичний опис та побудовані оригінальні графіки залежностей, які ілюструють особливості характеристик цих перетворювачів. Всі ці оригінальні матеріали можуть з успіхом бути використані у подальших різноцільових дослідженнях цих пристроїв і тому є корисними для фахівців в галузях теоретичної електротехніки та напівпровідникової перетворювальної техніки та для студентів і аспірантів відповідних спеціальностей.

8. Матеріали дисертаційної роботи використані на ВАТ «Завод «Перетворювач»». Впровадження знайшли такі результати: а) методика аналізу енергетичних процесів в силових колах вентильних електричних перетворювачів; б) фундаментальні співвідношення, що зв'язують основні параметри режимів кіл вентильних електричних перетворювачів; в) оригінальні схемотехнічні рішення компенсаційних перетворювачів: вентильних керованих джерел реактивної потужності і випрямлячів; г) вентильні мостові регулятори змінної напруги та стабілізатори змінної напруги з високою якістю вхідного струму мережі, в яких використовується оригінальний алгоритм управління, заснований на зміні (за запропонованим автором дисертації законом) індуктивності дроселя в ланцюзі випрямленого струму шляхом автоматичного перемикання відпайок його обмоток (довідка про впровадження - Додаток А реферованої роботи).

Основні публікації за темою дисертації

1.Чиженко А.И. Обменные энергетические процессы в цепях вентильных полупроводниковых преобразователей / Чиженко А. И. - К. : Наукова думка, 2003. - 226 с.

2. Волков И. В. Вентильные источники реактивной мощности и регуляторы переменного напряжения / И. В. Волков, А. И. Чиженко - К. : Изд. Ин-та электродинамики НАН Украины, 1994. Ч. 1. 169 с.

3. Чиженко А.И. Вентильные мостовые регуляторы переменного напряжения /А. И. Чиженко - К.: Изд. Ин-та электродинамики НАН Украины, 1999. 130 с.

4. Чиженко А.И. Уравнения, характеризующие энергетические процессы в цепях вентильных преобразователей / А. И. Чиженко // Праці Ін-ту електродинаміки НАНУ. 2004. № 2(8). - С. 55-56.

5. Чиженко А. И. Альтернативные формулы для определения реактивной мощности идеального вентильного элемента в электрических цепях полупроводниковых преобразователей / А. И. Чиженко // Праці Ін-ту електродинаміки НАНУ. 2004. № 1(7). С. 41-51.

6. Чиженко А. И. Взаимосвязь альтернативных определений понятия реактивной мощности в электрических цепях с вентильными элементами / Чиженко А. И., Кури-ло И. А. // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. 2003. № 2(5). - С. 105-113.

7. Чиженко А. И. Энергетические процессы в цепи вентильного источника реактивной мощности с искусственной коммутацией вентилей / А. И. Чиженко // Техн. электродинамика. 1998. № 2. С. 34-40.

8. Чиженко А. И. О балансе активной мощности в цепи компенсационного выпрямителя с тиристорно-конденсаторными узлами коммутации / Чиженко А. И. // Техн. электродинамика. 2000. № 4. С. 2330.

9. Чиженко А. И. О балансе реактивной мощности в цепи трехфазного ИРМ с трансформаторно-конденсаторными узлами коммутации / А. И. Чиженко // Техн. электродинамика. 2000. № 3. С. 1419.

10. Чиженко А. И. Анализ электромагнитных процессов в ИРМ с тиристорно-конденсаторными узлами коммутации при ограниченных значениях индуктивности дросселя в цепи выпрямленного тока / А. И. Чиженко // Техн. электродинамика. 1999. № 5. С. 2328.

11. Чиженко А. И. Анализ электромагнитных процессов в компенсационном выпрямителе при ограниченных значениях индуктивности сглаживающего дросселя / А. И. Чиженко // Праці Ін-ту електродинаміки НАНУ. Енергоефективність. 2001. - С. 17-27.

12. Чиженко А. И. Анализ установившихся электромагнитных процессов в однофазном вентильном мостовом управляемом источнике реактивной мощности при ограниченной индуктивности дросселя цепи выпрямленного тока / А. И. Чиженко // Техн. электродинамика. 1998. № 4. С. 4652.

13. Чиженко А. И. Анализ электромагнитных процессов в управляемом вентильном источнике реактивной мощности с трансформаторно - конденсаторными узлами коммутации / А. И. Чиженко // Техн. электродинамика. 2000. № 2. С. 1419.

14. Чиженко А. И. Анализ электромагнитных процессов в трехфазном мос-товом регуляторе переменного напряжения на активно-индуктивной нагрузке / А. И. Чиженко // Праці Ін-ту електродинаміки НАНУ. Електродинаміка. 2000.- С. 43-54.

15. Волков И. В. Асинхронный генератор с высокой перегрузочной способностью / И. В. Волков, В. А. Лесник, А. И. Чиженко // Техн. електродинаміка. Тематичний випуск «Проблеми сучасної електротехніки». 2000. Ч. 4. С. 4853.

16. Волков И. В. Вентильная система возбуждения однофазного асинхронного генератора / И. В. Волков, В. А. Лесник, А. И. Чиженко, В. Н. Губаревич // Техн. электродинамика. Спец. выпуск 1998. Т. 2. № 2. С. 7477.

17. Волков И. В. Способ плавного регулирования переменного напряжения / И. В. Волков, А.И.Чиженко// Праці Ін-ту електродинаміки НАНУ. 2002. № 1. С. 625.

18. Чиженко А. И. Выпрямитель с тиристорно-конденсаторными узлами коммутации / А. И. Чиженко, В. Н. Губаревич, Ю. Ф. Выдолоб // Техн. электродинамика. 1999. № 4. С. 32-36.

19. Чиженко А. И. Влияние индуктивности сглаживающего дросселя на характеристики мостового регулятора переменного напряжения на активной нагрузке / А. И. Чиженко // Техн. электродинамика. 1998. № 1. С. 3844.

20. Чиженко А. И. Регулировочные характеристики трехфазного мостового регулятора переменного напряжения на активно-индуктивной нагрузке / А. И. Чиженко // Праці Ін-ту електродинаміки НАНУ. Електроенергетика. 2000. - С. 118-126

21. Чиженко А. И. Управление вентильным регулятором переменного напряжения / А. И. Чиженко, И. А. Курило // Техн. электродинамика. - 2008. - № 6. - С. 37-41.

22. Волков И. В. О моделировании компенсационного преобразователя в системе возбуждения асинхронного генератора автономного источника электропитания / И. В. Волков, В. А. Лесник, А. И. Чиженко, И. Е. Коваленко // Техн. електродинаміка. Темат. вип. “Силова електроніка та енергоефективність”. 2001. Ч. 1. С. 8285.

23. Волков И.В. Трехфазний вентильно-дроссельній преобразователь переменного напряжения/ Волков И.В., Чиженко А. И., Курило И. А. // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. 2010. № 25. С. 90-94.

Анотація

Чиженко О. І. Обмінні енергетичні процеси в силових колах вентильних електричних перетворювачів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.05 - теоретична електротехніка. Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2010.

Розроблена методологія аналізу енергетичних процесів у силових колах вентильних перетворювачів (джерел реактивної потужності (ДРП), регуляторів змінної напруги (РЗН), випрямлячів, інверторів), що живляться від мережі синусоїдної напруги, яка базується на складанні рівнянь балансу миттєвих, активних і реактивних потужностей, в тому числі і на окремих гармонічних складових, метою чого є виявлення загальних закономірностей цих процесів та прийнятна їх фізична інтерпретація. Досліджені електромагнітні процеси в колах оригінальних вентильних перетворювачів: ДРП, РЗН і компенсаційних випрямлячів, - встановлені їх специфічні властивості. Останнє дозволило вказати об'єкти та засоби їх найбільш ефективного застосування, де ці особливості є найкориснішими, а саме: досліджені ДРП і компенсаційні випрямлячі виявилися ефективними до використання у системах збудження асинхронних генераторів, у наслідок чого досягається значно вища, у порівнянні з альтернативними рішеннями, їх пере навантажувальна здатність; у дослідженому РЗН з оригінальним способом плавного під навантаженням регулювання змінної напруги, вдається досягти високої, наперед заданої, якості вхідного струму, що забезпечує належну електромагнітну сумісність РЗН з мережею, що його живить.

Ключові слова: електричні кола, електромагнітні процеси, реактивна потужність, рівняння балансу, моделі перетворювачів

Аннотация

Чиженко А. И. Обменные энергетические процессы в силовых цепях вентильных электрических преобразователей - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.05 - теоретическая электротехника. Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена актуальной теме - анализу обменных энергетических процессов в силовых цепях вентильных полупроводниковых преобразователей электрической энергии (источников реактивной мощности, регуляторов переменного напряжения, выпрямителей, анализ с успехом может быть распространен и на инверторы, ведомые сетью и др.), питаемых от сети синусоидального напряжения. В результате такого анализа удалось выявить общие закономерности протекания процессов в обобщенных и конкретных моделях преобразователей, в том числе и их оригинальных схемотехнических решениях, предложенных соискателем. Выявленные специфические особенности регулировочных характеристик преобразователей позволили указать электротехнические объекты их практического применения, где указанные особенности используются с наибольшей эффективностью, что открывает перспективы для их успешного внедрения в производство.

В работе рассматриваются энергетические показатели, по мнению соискателя, наиболее полно и адекватно отражающие исследуемые процессы энергообмена между элементами цепей преобразователей, позволяющие дать им (процессам) приемлемую с точки зрения физики интерпретацию. В частности, соискателем выработаны критерии, которым, на его взгляд, должно отвечать понятие реактивной мощности цепей несинусоидальных периодических токов и напряжений Qнесин. Важнейшим из этих критериев есть требование, чтобы определение этого понятия вписывалось бы в концепцию энергообмена, согласно которому способом существования единого электромагнитного поля, связанного с цепью, есть постоянный обмен между составляющими его электрическим и магнитным полями, а также последних с источником питания. Другими важнейшими требованиями есть: 1) непременное выполнение для определяемой величины уравнений баланса, 2) пригодность определяемой величины для инженерных расчетов, возможность вычисления ее с любой наперед заданной точностью, 3) вводимое определение должно согласоваться с понятием реактивной мощности цепей синусоидальных токов и напряжений, последнее должно быть его частным случаем. Установлено, что среди наиболее распространенных в технической литературе определений Qнесин этим критериям наиболее отвечают определения (для этих величин существуют также и интегральные представления, позволяющие вычислять их с наперед заданной точностью). Другими энергетическими показателями, вызывающими разногласия среди специалистов в области теоретической электротехники являются мгновенные, активные и реактивные мощности на отдельных гармонических составляющих, определяемые для вентильных элементов. На многочисленных примерах исследованных автором различных моделей управляемых вентильных преобразователей показано, что составить для их цепей уравнения баланса мощностей без учета составляющих мощностей на вентилях не представляется возможным. Поэтому, как и многие другие специалисты, соискатель придерживается мнения, что использование этих составляющих является методически оправданным и целесообразным.

Используя перечисленные выше понятия и параметры, была разработана методология анализа энергетических процессов в цепях вентильных преобразователей, базирующаяся на составлении уравнений баланса мгновенных, активных и реактивных мощностей в отдельности для каждой гармонической составляющей токов и напряжений цепи. Суть последнего состоит в выяснении, какой элемент и на каких гармониках потребляет активную или реактивную мощность, а какой и на каких гармониках их генерирует. Анализ энергообмена между элементами цепи позволил установить общие закономерности, которые в свою очередь позволяют дать интерпретацию роли, которую в энергетических процессах играет вентильный элемент потребляя мощности на одних гармониках, он, преобразовывая их, генерирует их на других. Указывается класс моделей преобразователей, наиболее эффективных именно для анализа энергетических процессов. Это модели, где учитываются малые (паразитные) реактивные элементы в контурах коммутации вентилей, в результате чего их коммутационные токи и напряжения изменяются по непрерывному закону. В таких моделях реактивная мощность Едме QЕ вентилей QЕВ 0, вследствие чего уравнения баланса, составленные для этой мощности, удовлетворяют концепции энергообмена. В соответствии с разработанной методикой также вводятся в рассмотрения эквивалентные параметры (эквивалентные сопротивления). Это параметры линейных цепей (в которых протекают токи исключительно первой гармоники), эквивалентных по энергетическим показателям P(1) и Q(1) исходным цепям. Аналогично рассматриваются параметры цепей, эквивалентные исходной, по энергетическим параметра P(k) и Q(k).

Использование разработанной методологии для анализа энергетических процессов в цепях компенсационных преобразователей (ИРМ и выпрямителей) позволило установить (наряду с экспериментальными исследованиями) и пояснить имеющий в них место эффект умножения реактивной мощности первой гармоники (реактивная мощность, генерируемая этими преобразователями на первой гармонике, в сеть в разы превосходит мощность первой гармоники, выдаваемую содержащимися в ней конденсаторами). Последнее определило эффективность их использования в системах возбуждения асинхронных генераторов автономных систем электропитания, что позволило существенно повысить их перегрузочную способность. Эта способность столь велика, что возможен прямой гарантированный запуск электродвигателей соизмеримой с генератором мощности, что не имеет аналогов в мировой практике. Применительно к цепи мостового РПН оперирование введенными в рассмотрение эквивалентными параметрами существенно упростило пояснения предложенного соискателем оригинального способа регулирования переменного напряжения, основанного на использовании дросселей с дискретно изменяемой по специальному алгоритму индуктивностью, вследствие чего достигается высокое, наперед заданное, качество входного сетевого тока, а, следовательно, и хорошая электромагнитная совместимость такого РПН с сетью.

Проведенные исследования внесли ощутимый вклад в теорию электромагнитных процессов в электрических цепях с вентильными элементами.

Ключевые слова: электрические цепи, электромагнитные процессы, реактивная мощность, уравнения баланса, модели преобразователей.

Annotation

Chyzhenko O. Exchange energy processes in power electronic circuits of semiconductor converters - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Science by specialty 05.09.05 - Theoretical Electrical Engineering. Institute of Electrodynamics Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The methods of analysis of energy processes in the power circles of semiconductor converters (Reactive Power Sources (RPS), Sinusoidal Voltage Regulators (SVR), rectifiers, inverters) that are powered from the mains sine voltage are developed, which are based on drawing up the balance equations of instantaneous, active and reactive powers including those of the individual harmonic components. The purpose is to identify the most common regularities of these processes and achieve their acceptable interpretation. Electromagnetic processes in circles of original semiconductor converters: RPS, SVR, Compensation rectifiers are investigated, their specific properties are established. It permitted to specify objects and their most effective means of application where these features are most useful, namely: the RPS and compensatory rectifiers have been effective for use in excitation system of asynchronous generators, namely, much higher compared to alternative solutions loading capacity is achieved; in SVR original way of a smooth adjustment under load is developed providing adequate electromagnetic compatibility of SVR with the network. As a result of these studies the theory of the energy-making processes in circles of semiconductor converters is further developed.

Keywords: circuits, electromagnetic processes, reactive power, balance of power, converters.

Размещено на Allbest.ru

...