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

тельно небольших пределах), могут быть определены по формуле (5.31), если принять [32]

(5.32)

где F — число установок с одинаковой схемой соединения обмоток трансформаторов, Сг — коэффициент, относящийся к двухмостовой 12-фазной схеме (принимаемый равным У2).

Как следует из (5.31) и (5.32), воздействие каждого преобра­ зователя на питающую сеть при увеличении числа пар установок снижается. Так, например, если в рассмотренном выше примере

работающих с различными углами включения при широком диа­ пазоне изменения нагрузки. Однако установка преобразователь­ ных агрегатов с обеспечением условного 12-фазного режима на стороне переменного тока позволяет существенно снизить вели­ чину гармоник тока, а следовательно, и искажение формы напря­ жения сети. Наиболее просто осуществить условный 12-фазный режим при установке неуправляемых выпрямителей. В этом случае обеспечение данного режима сводится к рациональному выбору числа преобразователей с различным включением обмоток сило­ вых трансформаторов. Однако условный 12-фазный режим может быть создан и при использовании управляемых выпрямителей, на­ пример, преобразователей со стабилизацией выходного напря­ жения.

В принципе снижение гармоник тока, потребляемого группой преобразователей рассматриваемого типа, может быть достигнуто соответствующим рассогласованием в углах включения отдельных агрегатов (см. рис. 5.3). Однако такой способ нельзя считать ра­ циональным, так как он приведет к существенному завышению в некоторых агрегатах установочного угла включения, что, в свою очередь, неизбежно завысит установленную мощность данных преобразователей. Наиболее целесообразно осуществить условный 12-фазный режим включением первичных или вторичных обмоток трансформаторов одной группы агрегатов звездой, а этих же об­ моток другой группы — треугольником. На рис. 5.8 приведены за­ висимости гармоник тока, построенные при тех же условиях, что и кривые на рис. 5.3, но для различных схем включения трансфор­ маторов. Кривые, приведенные на рис. 5.8, также рассчитаны по формуле (5.7), но с учетом того, что в преобразователе, одна из обмоток которого включена треугольником, начальные фазы гар­ моник (5.27) изменились на 180°.

160

При равенстве углов включения в обоих преобразователях пя­ тая и седьмая гармоники в результирующем токе полностью от­ сутствуют. Следовательно, при настройке агрегатов необходимо по возможности в таких схемах устанавливать одинаковые углы включения. Однако, как следует из зависимостей (рис. 5.8), допус-

Рис. 5.8. Зависимости гармоник тока, потребляемого двумя преобразователями с различным включением обмоток трансформаторов, от рассогласования углов включения.

тимо и определенное рассогласование этих углов. Так, при рас­ согласовании в пределах 12° пятая гармоника не превышает 10%, т. е. в два раза меньше своего максимального значения (равна величине гармоники, генерируемой только одним преобразовате­ лем). При относительно малом отличии углов включения одного преобразователя от углов включения другого нескомпенсированные

161

Дальнейшее рассогласование нежелательно из-за возрастания гармоник в результирующем токе. При рассогласовании в 30—40° пятая гармоника достигает максимального значения, гармоники других порядков также имеют большие значения. Следовательно, получение условного 12-фазного режима становится невозможным, если преобразователи работают с существенно различными углами включения.

Отметим, что в агрегатах со стабилизацией выходного напря­ жения колебания напряжения сети не вызывают дополнительного

71=5

71=11

Id\'

Рис. 5.9. Зависимости гармоник тока, потребляемого двумя пре­ образователями с различным включением обмоток трансформа­ торов, от степени загрузки преобразователей.

рассогласования углов включения. Однако такое рассогласование может быть вызвано изменением нагрузки, а также несимметрией управления преобразователями.

На рис. 5.9 приведены гармоники результирующего тока двух преобразователей с различным включением обмоток трансформа­

ники отнесены к максимальному значению основной гармоники результирующего тока (т. е. когда Лгд = /<2Ѵ )-При одинаковой на­ грузке 5 и 7-я гармоники равны нулю, а 11 и 13-я имеют мак­ симальные значения. Если затем нагрузку одного из них (в дан­ ном случае /^д) снижать, а нагрузку второго оставить неизменной, то 5 и 7-я гармоники начинают возрастать и достигают макси­ мальных значений в случае, когда первый преобразователь пере-

162

ходит в режим холостого хода. Максимальные значения 5 и 7-й гармоник составляют соответственно 10 и 7,1%- Если бы обмотки трансформаторов были включены по одинаковым схемам, то в пре­ дельном случае] - ^ - = 1,0] эти значения были бы равны 20и 14,2%.

§ 5.5. Составляющие полной мощности в преобразовательных установках

Применение в судовых электроэнергетических системах преоб­ разовательных установок связано с потреблением реактивной мощ­ ности.

Полная мощность, забираемая преобразователем из сети,

При рассмотрении составляющих полной мощности примем

в преобразователе. При синусоидальной форме напряжения в сети

тока относительно напряжения в результате наличия углов а и у

(5.36) сводится к виду

163

Полная мощность преобразователя равна активной только в од­ нофазных неуправляемых схемах (см. рис. 1.2, а—б) при их ра­ боте на активную нагрузку, если пренебречь намагничивающим током и сопротивлением рассеяния трансформатора. В этом слу­ чае потребляемый ток будет иметь синусоидальную форму и сов­ падать по фазе с напряжением.

Отметим, что подавляющее большинство потребителей (двига­ тели постоянного тока, аккумуляторы и т. д.) использует лишь постоянную составляющую выпрямленного тока, т. е. не всю ак­ тивную мощность, поступающую на выход преобразователя. В со­

Переменная составляющая выпрямленного тока вызывает до­ бавочные потери, а также ряд других отрицательных явлений. По­ этому ее стремятся снизить увеличением фаз выпрямления или включением сглаживающего фильтра.

Потери АР складываются из потерь в трансформаторе, вентиль­ ном блоке, системе управления, коммутационных аппаратах, вспо­ могательных устройствах (в системе вентиляции и т. д.), соедини­ тельных кабелях и могут быть рассчитаны методами, изложенными, например", в [53].

Анализ приведенных выше зависимостей показывает, что к. п. д. полупроводниковых преобразователей, в том числе и судовых, до­ статочно высок. Обычно к. п. д. преобразователей изменяется в пре­ делах 75—95%.

Реактивная мощность, потребляемая преобразователем, опре­

из (5.37) следует, что в номинальном режиме судовые тиристорные преобразователи имеют cos фі=0,9—0,75. Преобразователи, выпол­ няемые на основе неуправляемых схем, при малых величинах углов

164

б) применением схем выпрямления с искусственной коммута­ цией [28];

в) включением нулевых вентилей [28]; г) применением регулирования на первичной стороне транс­

форматора [54]; д) введением несимметричных режимов управления.

При синусоидальном напряжении мощность искажения обуслов­

Так как мощность искажения, как и реактивная, в конечном счете ограничивает отдачу преобразователем полезной мощности, для характеристики преобразовательной установки с энергетиче­ ской стороны вводится понятие коэффициента мощности, учитыва­ ющее одновременно влияние обеих указанных мощностей:

личается от единицы: с изменением угла у в пределах от нуля до 30° он изменяется в узком диапазоне от 0,955 до 0,984, поэтому коэффициент мощности практически определяется только величи­ ной COS фь

Из рассмотренного следует, что коэффициент мощности преоб­ разовательных установок не ниже коэффициента мощности основ­ ной— электродвигательной нагрузки. Поэтому с внедрением по­ лупроводниковых преобразователей не возникает необходимость компенсации реактивной мощности. Однако в некоторых случаях целесообразно использовать приведенные выше способы повыше­ ния коэффициента мощности. Так, например, в нереверсивных глубокорегулируемых преобразователях с целью улучшения энер­ гетических и других показателей следует включать нулевые вен­ тили.

Отметим, что достаточно широко распространенная в судовых электроустановках трехфазная мостовая несимметричная схема отличается меньшей по сравнению с симметричной величиной по­

165

В случае если напряжение в сети несинусоидально, коэффици­ ент мощности преобразовательной установки находится с по­ мощью выражения

со

(5.43)

Активная мощность, потребляемая трехфазной мостовой схемой,

Цепь протекания высших гармоник тока (см. рис. 5.5) содер­ жит преимущественно реактивные сопротивления, активные же настолько малы, что при расчете гармоник они обычно не учиты­ ваются. Принимая во внимание эту особенность, можно сделать заключение, что углы сдвига ф„ между соответствующими гармо­ никами напряжения и тока приближаются к 90°. Следовательно, искажение формы напряжения в основном увеличивает потребле­ ние реактивной мощности и мощности искажения, незначительно влияя на передачу активной. Эту особенность необходимо учиты­ вать прежде всего при проектировании электроэнергетических ус­ тановок, в которых мощности преобразователей и генераторов со­ измеримы.

Некоторое снижение коэффициента мощности вызывают также трансформаторы из-за наличия достаточно большого намагничива­ ющего тока в них.

§ 5.6. Влияние искажения напряжения сети на работу преобразователей. Гармонический состав выпрямленного напряжения и тока

Вентильные преобразователи, вызывая искажение напряжения сети, сами подвергаются воздействию этого искажения. Указанное воздействие в первую очередь проявляется в увеличении пульса­ ции выпрямленного напряжения. В результате появляется необ­ ходимость расчета гармоник выпрямленного напряжения и тока с учетом искажения формы напряжения на выходе выпрямителя.

Вначале рассмотрим случай, когда питающее напряжение имеет •синусоидальную форму. Выпрямленное напряжение содержит ши­ рокий спектр гармоник, амплитуды которых зависят от величины углов включения и коммутации, изменяясь в широких пределах в зависимости от изменения нагрузки. Расчет гармоник выпрям­ ленного напряжения и тока может быть выполнен по формулам, полученным из разложения в ряд Фурье кривых напряжения и

166

тока, для чего предварительно необходимо составить аналитиче­ ские выражения последних. Данный метод отличается высокой точностью и находит применение при расчете гармоник в установ­ ках соизмеримой мощности [60] и в преобразователях, выполнен­ ных по однофазным схемам [72].

В многофазных выпрямителях с целью упрощения расчета гар­ моники выпрямленного напряжения обычно находят как гармо­ ники э. д. с. Для расчета гармоник э. д. с. выпрямитель необхо­ димо рассматривать в качестве генератора гармоник относительно цепи постоянного тока. Таким генератором преобразователь ста­ новится в режиме холостого хода, когда на стороне постоянного

Для нахождения величии гармоник выпрямленного напряже­ ния удобно воспользоваться выражением для комплексной ампли­ туды п-й гармоники

2я

т.

Период выпрямленного напряжения m-фазной схемы (Ѳі—Ѳ3) состоит из двух участков — коммутационного (Ѳі—Ѳ2) и внекоммутационного (Ѳ2—Ѳ3) (рис. 5.10). Совместив начало отсчета вре­ мени с моментом прохождения э. д. с. е2 через максимум, для

167

в нулевых схемах и линейной э. д. с.— в мостовых. Отметим, что запись гармоник в форме (5.50) наглядно иллюстрирует известное правило, заключающееся в том, что гармоники выпрямленного на­ пряжения в нагрузочных режимах представляют собой полусумму гармоник таких двух фиктивных режимов холостого хода, в одном

168

Выражения (5.50) и (5.51) соответствуют нагрузочному ре­ жиму, наступающему непосредственно после режима холостого хода. Для трехфазной мостовой схемы — это режим работы венти­

группами по пять также остаются справедливыми данные выра­ жения, если принять ѵ = 30°, <х=сх' (а' — угол саморегулирования). В режиме работы вентилей по пять и шесть гармоники опреде­

жен режим работы вентилей группами по пять и шесть, опреде­ ляется уравнением

tgy.= 8 - у

зѴзі

пает прерывистый режим. Рассмотрим гармоники выпрямленного' напряжения в прерывистом режиме при работе трехфазной мосто­ вой схемы на ^L-нагрузку при конечной величине Ь^. Кривая выпрямленного напряжения в этом режиме приведена на рис. 5.11.

Если в непрерывном режиме вентили вступают в работу по­ очередно друг за другом через 60°, то в прерывистом — парами: В1—В2, В2—ВЗ, ВЗ—В4 и т. д., при этом период работы каждой пары меньше, чем 60°. Совместим начало отсчета времени с мо­ ментом вступления в работу очередной пары вентилей, тогда комп­ лексная амплитуда тг-й гармоники может быть найдена следую­ щим образом:

169