книги из ГПНТБ / Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках

в предположении линейной коммутации можно выразить форму­ лой [58]

(5.3)

Если не учитывать процесса коммутации и форму кривой пер­ вичного тока считать прямоугольной, то определение гармоник по

В данном режиме гармоники тока могут быть найдены по формуле

(5.4)

На рис. 5.1 приведены относительные значения амплитуд пятой и седьмой гармоник тока в зависимости от относительного значе­

величина высших гармоник потребляемого тока снижается. Это объясняется тем, что с возрастанием нагрузки увеличиваются углы коммутации, в результате чего кривая тока становится более сину­

Следует отметить, что при наиболее характерных для судовых пре­ образователей значениях Id = 0—0,15 снижение гармоник, обус­ ловленное явлением коммутации, незначительно. С увеличением по­ рядка гармоник их значение уменьшается и увеличивается зависи­ мость от параметра Id- Наибольшее значение имеют гармоники пятого и седьмого порядков.

В связи с тем, что гармоники потребляемого тока характери­ зуются относительно слабой зависимостью от угла коммутации, при их определении можно считать, что коммутация протекает по линейному закону. Таким образом, если, например, начало от­ счета текущего угла совместить с точкой Ѳі (рис. 1.6), то в ин­ тервале от Ѳг до Ѳз для данного тока (в фазе С) можно написать соответствующее процессу нарастания тока выражение

Ѳ — a Id

У Kr

При спадании тока

140

Комплексная амплитуда п-и гармоники потребляемого тока мо­ жет быть определена с помощью выражения

2л

3

ального характера коммутации линейным заметно упрощает рас­

Формула (5.5) оказывается удобной при определении гармоник тока, потребляемого группой преобразователей, когда необходимо

в пределах 15—20° и широком диапазоне изменения углов вклю­ чения и нагрузки можно не учитывать влияния углов коммутации на величину гармоник тока. Тогда, подставляя в последнее выра­ жение Yï = 0 и раскрывая неопределенность в правой его части, по­

142

Порядок использования двойного знака в двух последних фор­ мулах остается таким же, как и в выражении (5.5).

На рис. 5.3 приведены зависимости амплитуд гармоник резуль­ тирующего тока, потребляемого двумя трехфазными мостовыми преобразователями, от величины рассогласования углов включения преобразователей Д а = | с с і — а г | . При этом предполагается, что

г * %,

Дос,град

Рис. 5.3. Зависимости гармоник тока, потребляемого двумя преобразователями, от рассогласования углов включения.

оба преобразователя имеют идентичные схемы и одинаковую на­ грузку при любых углах включения. Расчет гармоник выполнен по формуле (5.7), т. е. без учета углов коммутации. Амплитуды гар­ моник отнесены к амплитуде основной гармоники результирую­ щего тока в режиме, когда Аа = 0. В этом режиме кривые токов обоих преобразователей совпадают по фазе и два преобразователя оказывают на сеть такое же воздействие, как и один удвоенной мощности.

Наибольшее снижение гармоник тока, проникающих в сеть, наблюдается, когда преобразователи работают с разницей в углах

143

включения в пределах приблизительно от 25 до 45°. В реальных режимах преобразователи обычно работают с различной нагруз­ кой, что приводит к определенным отклонениям в ходе приведен­ ных зависимостей. Однако при соизмеримых мощностях преобра­ зователей основные закономерности этих зависимостей сохра­ няются.

§ 5.2. Высшие гармоники в токе и напряжении судовой сети

Одна из основных особенностей применения полупроводниковых преобразователей на судах заключается в том, что несинусоидаль­ ная форма кривой потребляемого ими тока может привести к ис­ кажению напряжения сети. В автономных энергосистемах, напри­ мер, в судовых электроэнергетических установках, наблюдается не­ синусоидальное падение напряжения в сопротивлениях питающей

Для более четкого представления характера данного явления обратимся к процессу коммутации, изложенному в § 1.3. Наличие анодного индуктивного сопротивления приводит к тому, что пере­ ход тока с вентиля на вентиль происходит ие мгновенно, а в тече­ ние некоторого промежутка времени и при этом сопровождается коротким замыканием соответствующих фаз. В результате напря­ жения, подводимые к вентильному блоку, в промежутки комму­ тации отклоняются от исходной формы. На рис. 5.4 приведена кри­ вая фазной э. д. с. на вторичной стороне трансформатора в схеме, представленной на рис. 1.6, а, при а = 0. Если анодное индуктив­ ное сопротивление состоит только из сопротивления рассеяния трансформатора, что соответствует работе преобразователя от сети бесконечной мощности, то искажение напряжения будет только на вторичной стороне трансформатора, а напряжение сети сохранит синусоидальную форму. Высшие гармоники тока в этом случае создают падение напряжения только на сопротивлении транс­ форматора.

Если сеть обладает заметным индуктивным сопротивлением, что наблюдается, когда мощности преобразователя и станции со­ измеримы, то несинусоидальное падение напряжения будет соот­ ветствующим образом распределяться между элементами вдоль линии вентильный блок — генератор [66]. В этом случае наступит искажение напряжения сети, причем степень искажения будет уменьшаться по мере приближения к шинам станции. Искажение напряжения в некоторой точке сети на рис. 5.4 показано тонкими линиями. Степень искажения напряжения на шинах станции будет определяться долей сопротивления генератора в анодном индук­ тивном сопротивлении.

144

Искажение напряжения на шинах электростанции оказывает отрицательное влияние как на работу самой электростанции и преобразовательной установки, так и на работу другой нагрузки —- асинхронных двигателей, трансформаторов, вызывая в них увеличение намагничивающих токов и потерь, снижение коэффициента мощности. В различной степени чувствительны к искажению формы питающего напряжения приборы и аппараты, входящие в состав той или иной системы. Высшие гармоники тока, кроме того, могут быть причиной возбуждения радиопомех.

У

Рис. 5.4. Кривая вторичной фазной э. д. с.

Определение степени искажения напряжения судовой сети яв­ ляется важной задачей уже на стадии проектирования судовой электроэнергетической установки. Актуальность данного вопроса возрастает в связи с увеличением насыщения судовых электроэнер­ гетических систем преобразовательными установками.

Для расчета высших гармоник тока и напряжения в судовой сети целесообразно воспользоваться методом [40, 53], заключаю­ щимся в том, что преобразователи условно рассматриваются как источники высших гармоник э. д. с, а генераторы электростанции, приемники электроэнергии и кабельные линии — как реактивные сопротивления. Расчет гармоник производится на основе соответ­ ствующей схемы замещения. Амплитуда п-й гармоники э. д. с. эквивалентных генераторов гармоник (преобразовательных агре­ гатов) принимается равной амплитуде падения напряжения в сум­ марном реактивном сопротивлении схемы замещения для гармо­ ники данного порядка Ихп

Схема системы в простейшем случае, когда преобразователь­ ная установка ПУ питается от шин электростанции ЭС, и соответ­ ствующая схема замещения приведены на рис. 5.5. В такой схеме Sxn = Хт + хГп, где хтп и хгп — индуктивные сопротивления для п-й гармоники соответственно трансформатора и генератора стан­ ции, а гармоника тока в обмотках статора генератора равна соот­

ностью станции, то мощность сети можно считать бесконечно боль­

Относительное содержание этих гармоник определяется зависи­ мостями, приведенными на рис. 5.1. В таком случае все падение напряжения, обусловленное высшими гармониками тока, происхо­ дит на реактивном сопротивлении трасформаторов. При этом ис­ точники высших гармоник э. д. с. работают в режиме короткого за­ мыкания и искажения напряжения сети не наблюдается.

Предельное соотношение мощностей преобразовательных уста­ новок и судовой сети, которое еще позволяет принять указанные выше допущения, определяется требованиями к качеству электро­ энергии (в данном случае степенью отклонения формы напря­ жения от синусоидальной) со стороны наиболее ответственных потребителей. Однако можно считать, что при отношении мощно­ стей в 7=— 10% форма напряжения в судовой сети остается прак­ тически синусоидальной, т. е. влияние преобразователей на сеть можно не учитывать. В устройстве ГЭУ двойного рода тока, в вало-

146

генераторных установках с преобразователями частоты, на плаву­ чих кранах с тиристорным приводом и в ряде других случаев мощ­ ность преобразовательной установки близка к мощности электро­ станции, причем отбора мощности в судовую сеть или не имеется, или он незначителен. В таких установках силовые трансформаторы обычно не используются и питание от синхронных генераторов на вход преобразователя подается либо непосредственно, либо через

моник напряжения на входе преобразователя (а если нет дроссе­ лей, то и на клеммах генератора) будет наибольшим и равным значению гармоник э. д. с, причем относительное содержание их

ние, поэтому гармоники тока отличны от нуля. Значение их ампли­ туды можно найти как частное от деления Un М а к с на сопротивление сети х0п для соответствующей гармоники. Более точный расчет гар­ моник может быть выполнен, если учесть соотношение [61]

где хг — сопротивление коммутации синхронного генератора. Од­ нако данный метод расчета значительно сложнее изложенного.

Отметим, что в рассматриваемых установках синхронный гене­ ратор работает большей частью в несимметричном режиме, когда ток проводят две фазы, и только в коммутационные интервалы ток. пропускают все три фазы генератора. Поэтому работа преобразова­ тельной схемы существенно зависит от сопротивления коммутаций

ственно по продольной и поперечной осям.

Если преобразовательная установка питается от нескольких па­ раллельно работающих генераторов, то возбуждаемая ею гармо­ ника Іп распределяется между генераторами обратно пропорцио­ нально их реактивным сопротивлениям обратной последователь­ ности.

В судовых электроэнергетических системах достаточно распро^ странен случай, когда мощность преобразовательной установки

соизмерима с мощностью станции, а также с мощностью отбора на другие потребители. Подобная ситуация может возникнуть при использовании преобразователей в приводах палубных механизмов (например, грузоподъемных устройств), при включении нескольких достаточно мощных агрегатов типа ВАКС и т. д. Данный вариант занимает промежуточное положение между двумя ранее рассмот­ ренными. При включении на шины станции, кроме преобразова­ тельной установки, двигателей переменного тока, осветительной на­ грузки и т. д., гармоники тока частично ответвляются в цепи этих

тивление асинхронных двигателей, трансформаторов, реакторов мо­ жет быть определено с помощью формулы

промежуточном между холостым ходом и коротким замыканием. Напряжение на его зажимах в зависимости от соотношения параметров схемы изменяется от напряжения холостого хода Япмако/^і до нуля, а ток высших гармоник — соответственно от нуля до значений, определяемых кривыми рис. 5.1. Приближенно можно считать, что сумма относительных значений высших гармо­ ник тока и напряжения на входе преобразователя постоянна. Тогда, не принимая во внимание влияние угла коммутации,

Следовательно, если известно содержание высших гармоник тока, то с помощью данного выражения можно приближенно опре­ делить содержание высших гармоник в первичном напряжении. Значение высших гармоник в напряжении генератора может быть найдено по формуле

U = х I

Если между станцией и преобразовательной установкой име­ ются дополнительные реактивные сопротивления (линии, реакторы й т. д.), то в любой точке цепи гармоники напряжения могут быть определены по формуле

где Pu. у, Рве — мощности соответственно преобразовательной уста­ новки и электростанции; Ъхх* — сумма относительных реактивных сопротивлений от генератора до рассматриваемой точки, приведен­ ных к номинальной мощности преобразовательной установки.

148

Отношение токов In/h, входящее в (5.8), определяется по кри­ вым, приведенным на рис. 5.1.

Выражение (5.8) свидетельствует о том, что содержание гармо­ ник в напряжении сети возрастает по мере приближения к преобра­ зовательной установке, а также с увеличением относительной мощ­ ности преобразователя и реактивных сопротивлений цепи.

При наличии нескольких преобразовательных установок, вклю­ ченных по различным схемам и работающих с неодинаковыми уг­ лами включения, расчет производится аналогично, но необходимо учитывать начальные фазы гармоник э. д. с. отдельных преобразо­ вателей (см. § 5.1). Расчет усложняется, если между установками включены реактивные элементы, например реакторы. Этот фактор характерен в основном для установок соизмеримой мощности, в ко­ торых отсутствуют силовые трансформаторы.

Сделанные выводы относятся к сетям, не содержащим емкост­ ных элементов, что в большинстве случаев соответствует судовым условиям. Наличие же емкостных элементов может вызвать резкие местные искажения напряжения питающей сети вследствие усиле­

с емкостными элементами.

§ 5.3. Добавочные потери в синхронных генераторах судовой электростанции и в судовой сети

Искажение формы тока в статорных обмотках синхронных гене­ раторов в результате воздействия со стороны преобразовательной нагрузки приводит к дополнительным потерям в генераторах. При выборе мощности генераторов необходимо принимать во внимание увеличение потерь по сравнению с работой на обычную нагрузку. Это относится прежде всего к электроэнергетическим установкам, в которых генератор работает только на преобразователь.

Наличие высших гармоник в токе статора вызывает прежде всего дополнительные потери в самих обмотках статора, а также и в его железе. Кроме того, высшие гармоники тока статора воз­ буждают соответствующие гармоники магнитного поля, частота

и, следовательно, в наибольшей степени влияющими на выбор мощ­ ности генераторов являются потери в обмотках статора и ротора. Расчет этих потерь необходим при выборе генераторов.

Добавочные потери в обмотках статора, отнесенные к основ­ ным потерям, для генератора, работающего на преобразователь

149