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

с шестифазным режимом (например, трехфазную мостовую схему), могут быть определены по формуле [11]

гармоники достаточно быстро снижается. Основная доля потерь определяется некоторым числом низкочастотных гармоник, имею­ щих наибольшую величину. Структура формулы (5.9) объясняется тем, что непосредственно подсчитываются потери, вносимые гар­ мониками порядков 5, 7, [6(N—1) ± 1], а потери, создавае­ мые гармониками более высоких порядков, учитываются с по­ мощью остаточных сумм Л Ѵ и А"я- Номер последней пары гармоник, входящих под знак суммы, определяется с помощью вы­ ражения

Амплитуды гармоник / п * . отнесенные к амплитуде основной гармоники, определяются изложенным выше методом. В первом приближении при нахождении потерь можно воспользоваться уп­ рощенной формулой, полученной из разложения кривой первич­ ного тока в ряд Фурье при замене реального характера коммута­ ции линейным и условии Ld = оо . Воспользуемся формулой, не­ сколько более точной, чем (5.6)

пу

(5.11)

п? sin - ! -

Коэффициенты Ьы и Ки характеризуют конструкцию синхрон­ ной машины и определяются по формулам:

150

Для гармоник порядков п

К = К Ѵ"п,

где h i — приведенная высота проводника для основной гармоники. Определение коэффициента Ки, характеризующего увеличение потерь в пазовой части обмотки статора для соответствующей гар­ моники, целесообразно производить, разделив возможные значе­ ния h иа три области, в пределах которых функции f i ( h ) и h ( h )

с точностью не менее 2% аппроксимируются многочленами:

Остаточные суммы определяются следующим образом:

151

машины, работающей на трехфазный мостовой преобразователь со следующими номинальными данными:

т. е. для выполнения расчетов по формуле (5.9) необходимо предварительно оп­ ределить коэффициенты Кп и амплитуды / „ для гармоник порядков 5, 7, ...,29, 31.

Коэффициенты Кп рассчитываем по формуле (5.12), при этом поскольку /ізі= =0,76<1, то входящие в (5.12) функции fi (h) и fa (h) определяем с помощью

182 1

152

более высоких порядков. Как следует из (5.25), в данном случае добавочные по­ тери составляют приблизительно 9% основных, причем при выборе достаточно большого порядка N основную долю в добавочных потерях будет иметь первая составляющая, вторую можно не учитывать.

Следует отметить, что точность расчета добавочных потерь су­ щественно зависит от точности расчета величины высших гармо­ ник в токе статора. При этом неучет угла коммутации приводит к существенному завышению расчетного значения потерь. В рас­ смотренном примере, если принять у = 0, потери окажутся завы­ шенными примерно в 7 раз. Изложенный метод не учитывает уве­ личения активного сопротивления вследствие поверхностного эффекта в лобовых частях обмотки статора и частях, расположен­ ных в радиальных вентиляционных каналах.

Добавочные потери в роторе в основном складываются из по­

где APyd и àPyq — добавочные потери в успокоительной обмотке соответственно по осям d и q. Расчет потерь по осям может быть выполнен по формулам [10]

сопротивлением стержней и короткозамыкающих колец этой об­ мотки соответственно.

Потери в обмотке возбуждения

короткозамыкающих колец (&«) успокоительной обмотки и об­ мотки возбуждения (Ьгв)—по формулам, приведенным в [10, 21].

153

Угол о/ определяется по выражению

потерь, вызванных высшими гармониками тока статора, состав­ ляет 67%.

При расчете добавочных потерь в роторе, как и при расчете потерь в статоре, достаточно ограничиться некоторым числом низ­ кочастотных гармоник. Допустимую нагрузку синхронного гене­ ратора можно также приближенно оценить по формулам, приве­ денным в [34].

Если принять, что активное сопротивление корабельных линий для гармоник различных порядков остается неизменным, то по­ тери в сети, вызываемые высшими гармониками, могут быть опре­ делены известными способами.

§ 5.4. Способы снижения высших гармоник в токе

инапряжении судовой сети

Всудовых электроэнергетических установках с достаточно мощными преобразовательными устройствами появляется необхо­ димость ограничения степени искажения напряжения сети, что может быть достигнуто путем снижения величины высших гармо­ ник в потребляемом преобразователями токе. Эта задача обычно решается двумя путями:

1.Между преобразователем и сетью включаются резонансные фильтры, представляющие собой последовательно соединенные индуктивность и емкость. Фильтры настраиваются на подавление

2. Повышением числа фаз преобразователя.

Включение фильтров связано с увеличением габаритов и массы преобразовательной установки и требует ответственных операций по настройке схемы компенсации гармоник. Поэтому наиболее действенным следует считать второй способ.

Принципы построения многофазных и, в частности, 12-фазных схем были рассмотрены в главе 1. В промышленных установках 12-фазные схемы обычно получают путем параллельного или по­ следовательного включения шестифазных установок, первичные или вторичные обмотки трансформаторов которых соединены по

154

различным схемам — звездой и треугольником. Суммарный по­ требляемый ток в такой установке кроме основной содержит гар­ моники порядков п=12&±1 и не содержит гармоник пятого и седьмого порядков. Гармоники 11-го и 13-го порядков по значению невелики (достигают соответственно лишь 9 и 7,7%) и не оказы­ вают существенного воздействия на работу питающей сети. Гар­ моники более высоких порядков имеют еще меньшее значение.

Сущность компенсации гармоник рассмотрим на примере установки с различными схемами включения первичных обмоток трансформаторов. Токи в первичных обмотках, соединенных звез­ дой (і ) и треугольником (ід), имеют одинаковую форму, но отличаются по величине и в одноименных фазах сдвинуты относи­ тельно друг друга на 30° (рис. 5.6). В установке, первичные об­

Однако различная форма токов приводит к тому, что гармоники порядков

в соответствии с вышеизложенным будет содержать только гар­

будут полностью компенсироваться. В результате форма тока i s становится значительно ближе к синусоиде по сравнению с то­ ками шестифазных установок іу и і д л - Для расчета гармоник тока и напряжения в сети остаются справедливыми изложенный выше метод и, в частности, исходная формула (5.2).

Отметим, что иа рис. 5.6 кривые токов изображены без учета углов коммутации, а углы включения и нагрузка шестифазных установок предполагаются одинаковыми. На практике, однако, неизбежно различие режимов установок, нарушающее полную ком­ пенсацию гармоник (5.27). Различие режимов может быть вызвано прежде всего отклонением углов включения первой и второй ус­ тановок ai, сі2 от установочного значения а

Aa( = at — а ( і = 1 и 2).

Тогда искомые некомпенсированные гармоники могут быть оп­ ределены по выражению

Д Л = /„ («!) — /„ («2)

155

"да"

• я

1Э н

Рис. 5.6. Кривые потребляемого тока в 12-фазной схеме.

Из (5.29) следует, что при одних и тех же отклонениях Дои и Дсі2 некомпенсированные гармоники (5.27) имеют различные ве­ личины в зависимости от углов а и у. Необходимо отметить, что они возрастают с увеличением угла включения. При заданном угле а наибольшие значения рассматриваемых гармоник будут соответствовать случаю, когда у углов включения в разных уста­ новках будут предельные по абсолютной величине и противопо­ ложные по знаку отклонения (Даі = ДаМ акс; Да2 =—Д<хМ акс)

По формуле (5.30) определяются гармоники при самом небла­ гоприятном варианте отклонений углов включения отдельных ус­ тановок, что на практике бывает очень редко. Наиболее целесо­ образно для расчета подобных гармоник воспользоваться выра­ жением

гармоник тока каждой установки, попадающих в сеть, при соеди­ нении установок в 12-фазную схему.

Рассмотренная 12-фазная эквивалентная схема отличается вы­ сокой степенью использования меди трансформаторов. Применение ее наиболее рационально для мощных установок. Однако в мощ­ ных судовых преобразовательных установках трансформаторы, как правило, не применяются. Двенадцатифазный режим в таких слу­ чаях может быть обеспечен, как отмечалось ранее (рис. 4.27, а), использованием синхронного генератора с двумя комплектами об­ моток на статоре. Хотя ток обмоток статора такого шестифазного генератора содержит высшие гармоники порядков (6А±1), уро­ вень добавочных потерь в обмотках ротора снижается, в связи с тем, что вращающиеся поля обеих трехфазных обмоток статора, возбуждаемые гармониками (5.27), взаимно компенсируются. Это позволяет увеличить допустимую нагрузку при переходе на схему

157

вследствие выполнения этих обмоток с сокращением шага. При этом снижаются также добавочные потери на поверхности ротора не только от высших гармоник, но и от основной и в целом уве­ личивается использование синхронного генератора.

Если электроэнергетическая установка содержит достаточно мощный преобразователь, заметно влияющий на ее работу, то последний может быть выполнен по 12-фазной схеме с одним трансформатором. При применении 12-фазных параллельных схем большое значение имеет обеспечение параллельной работы вен­ тильных групп при всех возможных нагрузочных режимах. Нару­ шение параллельной работы, т. е. неравномерное токораспределение между обеими вентильными группами, может быть вызвано несоответствием витков вторичных обмоток, питающих первую и вторую группы, разбросом углов включения вентилей, неодина­

вкоторой вторичные обмотки трансформатора соединены в звезду

итреугольник (рис. 1.2, ж), то можно отметить, что между вит­

3 на преобразователе мощностью 10 кВт, 12-фазный выпрямитель

по схеме рис. 1.2, ж не показывает удовлетворительной параллель­ ной работы при изменении угла а и нагрузки в широком диапа­ зоне.

Обеспечение нормальной параллельной работы мостов может быть достигнуто соединением вторичных обмоток трансформатора двойным зигзагом (рис. 5.7, а), который выполняется так, чтобы сдвиг между напряжениями соответствующих фаз мостов рав­ нялся 30° (рис. 5.7, б). В этом случае наблюдается абсолютно устойчивая параллельная работа мостов при всех возможных ста­ тических и динамических режимах. Нарушений параллельной работы не наблюдалось даже тогда, когда сдвиг вторичных фаз­ ных напряжений, подводимых к выпрямительным мостам, на не­ сколько градусов отличался от требуемого.

Для обеспечения параллельной работы мостов на общую на­ грузку необходимо еще включение уравнительного реактора на стороне постоянного тока. В мощных промышленных установках вместо одного общего реактора используют для каждого моста отдельные дроссели, которые одновременно являются и сглажи­ вающими. Очевидно, этот вариант будет оправданным и в мощ­ ных судовых преобразователях. В судовых же установках отно­ сительно малой мощности более выгодно использовать общий реактор. Последний выполняется с единым магнитопроводом и

158

разделенной на две части катушкой. Катушка имеет общий сред-1 ний вывод. Реактор обладает малыми массой и габаритами в силу того, что в его сердечнике компенсируется постоянная составляю­ щая магнитного потока. При проведении экспериментов с пре­ образователем по схеме рис. 5.7, а было выявлено, что достаточ­ ное ограничение уравнительного тока достигается вследствие естественной реактивности самой схемы, в связи с чем в ряде слу­ чаев возможен отказ от уравнительного реактора. Следует отме­ тить, что построение СФУ 12-фазными схемами затруднений не вызывает.

Рис. 5.7. Двенадцатифазный выпрямитель с соединением вторичных обмоток трансформатора в двойной зигзаг: а — схема; б — векторная диаграмма.

Если возникает задача снижения влияния преобразователей нз судовую сеть и имеется несколько соизмеримых по мощности потребителей выпрямительной нагрузки, то нет необходимости строить 12-фазные выпрямители. В этом случае целесообразнее применить условную 12-фазную схему, создаваемую путем вклю­ чения автономных шестифазиых установок, каждая из которых работает на отдельный потребитель. Первичные или вторичные обмотки трансформаторов этих установок должны быть соединены

потребителями, от соотношения количества выпрямителей, соеди­ ненных по различным схемам, от сопротивления участков линий между ними и т. д. И если параметры и загрузка включенных та­ ким образом агрегатов практически одинаковы, то токи пятой и седьмой гармоник будут в значительной степени скомпенсированы.

159