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

пЛ2 — 1

откуда

выпрямленного тока при различных значениях параметра Xd- Вы­ прямленный ток выражен в относительных единицах, при этом за базовую величину принято значение тока при а = 0.

170

гармоник проходят в области, ограниченной кривыми для этих, двух предельных режимов. Угол ао изменяется в диапазоне от 60°

Иное по сравнению с ранее принятым обозначение гар­ 0 моник вводим для того, чтобы отличать гармоники напряжения сети от гармо­ ник выпрямленного напря­ жения.

Вторичные линейные э. д. с. в первом и втором случаях выра­ жаются формулами [70]

ПО г.

(5.60)

171

где Ex и Ev — действующие значения основной и ѵ-й гармоник ли­ нейной э. д. с ; і|з — начальная фаза ѵ-й гармоники.

Начало отсчета времени в обоих случаях сдвинуто относительно друг друга на угол л/6. В выражении (5.60), как и далее в выраже­ ниях (5.62) и (5.67), знак «минус» перед суммой соответствует нечет­ ным /, «плюс» — четным. Линейные э. д. с. звезды и треугольника

Рис. 5.13. Линейные напряжения сети при наличии высших гармоник и при включении вторичных обмоток трансформатора: а — звездой; б — тре ­ угольником.

172

Составляющая l7*( 1 ) , обусловленная основной гармоникой ли­ нейной э. д. с, определяется выражением (5.53); составляющая £/*( ѵ ) , обусловленная ѵ-й гармоникой напряжения сети, находится по выражению

в выпрямленном напряжении 12-фазных схем гармоник, опреде­ ляемых равенством п = 6 £ . Кроме того, гармоники ѵ' в трехфазных мостовых схемах с различным соединением обмоток трансформа­ тора приводят к неравенству углов коммутации, а также среднего

Последнее обстоятельство приводит к еще более глубокому на­ рушению параллельной работы мостов в схеме рис. 1.2, ж, его необходимо учитывать также при проектировании трехфазных мостовых преобразователей.

Тот факт, что в формулы (5.64), (5.66), (5,67), (5,68) входят начальные фазы высших гармоник напряжения сети, затрудняет практическое использование этих выражений. Однако при работе одного преобразователя начальные фазы 'Фѵ могут быть опреде-

173

лены с помощью выражения (5.2) и последующих расчетов. При работе же нескольких преобразователей с различными углами включения и выполненных по различным схемам можно ориенти­ роваться на наиболее неблагоприятный случай, определяя наи­ большие значения гармоник без предварительного расчета на­ чальных фаз г|)ѵ.

Другим важным фактором воздействия искажений напряжения сети на работу преобразователя является нарушение точности фазового управления, если СФУ построена по многоканальной схеме. Наличие искажений напряжения приводит также к увели­ чению несимметрии углов включения. Чтобы избежать этого, СФУ должна реагировать только на исходную синусоиду и быть нечувствительной к импульсам напряжения, обусловленным ком­ мутационными процессами. С этой целью в схемах СФУ в настоя­ щее время широко используют электрические фильтры. Ампли­

с малым затуханием и достаточно малым фазовым сдвигом при изменении частоты напряжения сети. Гармоники других порядков эффективно подавляются. Необходимо принимать во внимание, что в результате коммутационных процессов наблюдается сдвиг первой гармоники напряжения сети относительно исходной сину­ соиды. Максимальное отклонение начальной фазы первой гар­ моники определяется формулой

где ty, Ту — длительность и период следования коммутационных импульсов соответственно [64].

В динамических режимах на точность фазового управления оказывают влияние появляющиеся в напряжении сети гармоники, частоты которых мало отличаются от частоты исходной синусоиды.

Глава 6

НЕСИММЕТРИЯ В СУДОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

§ 6.1. Основные виды несимметрии

При рассмотрении характеристик полупроводниковых преоб­ разователей до сих пор предполагалось, что схемы обладают симметрией параметров по фазам. Однако в реальных ус­ ловиях в судовых вентильных преобразователях существуют раз­ личные виды несимметрии, вызывающие ряд нежелательных по-

174

следствий, которые необходимо учитывать как на стадии проекти­

ствует в допустимых пределах в любой реальной трехфазной сети. Но даже и такая малая несимметрия определенным образом влияет на работу преобразователей. При возникновении коротких

равляемых преобразователях из-за разброса углов включения. Практически невозможно добиться идеального равенства углов включения всех вентилей даже при тщательной настройке схемы управления преобразователем.

3. Н е с и м м е т р и я ф а з н ы х и н д у к т и в н ы х и а к т и в ­ н ы х с о п р о т и в л е н и й . Сопротивления отдельных фаз преобра­ зователя складываются из сопротивлений силового трансформа­ тора и сети. Сопротивление сети, в свою очередь, состоит из сопро­ тивлений генераторов, кабельных линий, реакторов и других элементов, включаемых между преобразователем и сетью. В любой схеме всегда существует определенное неравенство данных сопро­ тивлений по фазам. Этот вид несимметрии вызывает неравенство углов коммутации и падений напряжений в отдельных фазах. Наи­

разователей, а также других нелинейных элементов, включаемых в судовые электроэнергетические установки. Определенное иска­ жение в выходное напряжение могут вносить и сами генераторы. При рассмотрении данного вопроса следует различать симметрич­ ное и несимметричное по фазам искажение формы напряжений. Первый вид искажения уже рассматривался, он может иметь место только при условии отсутствия других видов несимметрии. При несимметричном искажении в одной или двух фазах существуют дополнительные высшие гармоники напряжения: появление их может быть вызвано работой, например, достаточно мощного од­

но при различных величинах или сдвигах высших гармоник в от­ дельных фазах. Такое искажение возникает, например, как след­ ствие наличия других видов несимметрии в установках соизмери­ мой мощности.

Основные нежелательные последствия наличия несимметрии в судовых преобразовательных устройствах заключаются в сле­ дующем.

1. Период выпрямленного напряжения в m-фазной схеме со­ ставляет 2п/т только в идеальном режиме, когда отсутствует лю-

175

бая несимметрия. В этом режиме гармонический состав выпрям­ ленного напряжения определяется равенством (5.45), а величины гармоник — выражением (5.51). При возникновении любого вида несимметрии указанная периодичность нарушается и в выпрямлен­ ном напряжении появляются гармоники других, неканонических порядков

п =1= km.

Неканонические высокочастотные гармоники создают дополнитель­ ный уровень радиопомех и шумов, препятствующих нормальной работе ряда приборов и аппаратов. Вредное влияние на работу некоторых потребителей оказывают и трудносглаживаемые низко­ частотные гармоники, в спектре которых может появиться даже гармоника с частотой напряжения сети. Под воздействием несим­ метрии неканонические гармоники возбуждаются и в выходном напряжении инверторов и преобразователей частоты.

2. В результате несимметричного режима работы схемы токи, протекающие по обмоткам трансформатора, становятся неодина­ ковыми по величине. В сердечнике возникает некомпенсирован­ ный магнитный поток, что может потребовать увеличения мощности трансформатора. Этот фактор в наибольшей степени сказы­ вается в схемах с регулированием на первичной стороне транс­ форматора. В схемах с уравнительным реактором в магнитопроводе последнего появляется нескомпенсированная постоянная со­ ставляющая потока, которая может привести к нарушению параллельной работы вентильных групп.

3.В несимметричном режиме наблюдается неравномерная за­ грузка вентилей по току. Увеличение потерь в наиболее загружен­ ных вентилях может привести к сокращению срока их службы. Данный фактор в первую очередь имеет значение для низковольт­ ных сильноточных установок.

4.Наличие несимметрии в судовой сети или в преобразователе может вызвать переход последнего в аварийный режим, например, опрокидывание зависимого инвертора.

Требования по ограничению каждого из рассмотренных отри­

ние имеют первых два, которые являются, например, основной при­ чиной возбуждения гармоник неканонических порядков. Третий вид несимметрии возбуждает неканонические гармоники тех же порядков, что и несимметрия напряжений сети, но в большинстве случаев величина этих гармоник даже в номинальном режиме в 102—103 раз меньше гармоник, обусловленных обычной несим­ метрией напряжений. Кроме того, действие рассматриваемого вида

176

ник неканонических порядков также не имеет. Это объясняется тем, что тиристоры, а тем более неуправляемые вентили, в прямом на­ правлении имеют малое сопротивление и, следовательно, малое падение напряжения (в пределах соответственно 1В и 0,7 В). Если еще учесть тот факт, что в судовых выпрямителях они, как пра­ вило, работают с недогрузкой по сравнению с паспортными режи­ мами, то становится ясным, что падение напряжения на вентилях не может играть значительной роли в возбуждении неканониче­ ских гармоник. По крайней мере, гармоники от несимметрии управ­ ления превышают рассматриваемые, как показывают экспери­ менты, в 102—103 раз. И в этом случае действие несимметрии также снижается с уменьшением тока в нагрузке. Заметим, что гармоники, обусловленные неравенством сопротивлений вентилей, возрастают в низковольтных установках при большой величине выпрямленного тока, например, в преобразователях систем катод­ ной защиты корпуса судна.

Пятый вид несимметрии при симметричных искажениях некано­

С учетом изложенного в дальнейшем основное внимание будет уделено только первым двум видам несимметрии. Будем полагать, что трансформатор отсутствует, а в фазы переменного тока вклю­ чены соответствующие индуктивные сопротивления хА.

§6.2. Несимметрия напряжений

всудовых трехфазных сетях

Втрехфазных сетях, в том числе и судовых, практически все­ гда существует некоторое различие в величинах амплитуд и углов сдвигов фазных, а также линейных напряжений. Если положение

При расчете несимметричных систем обычно используют метод симметричных составляющих. Несимметричную систему э. д. с , напряжений или токов представляют в виде суммы в общем слу­ чае трех симметричных трехфазных систем: нулевой, прямой и обратной последовательностей. Эти системы называют симметрич­

ными составляющими данной несиммет­ ричной трехфазной системы. Указанные симметричные составляющие могут быть определены с помощью формул

È0 = -L(ÉA + ÈB + E C ) ;

напряжения не содержат симметричных составляющих нулевой по­ следовательности. Также не содержит составляющих нулевой по­ следовательности система линейных токов при отсутствии нуле­ вого провода. Такие системы характеризуются только коэффициен­ том несимметрии.

178

Согласно ГОСТ 13109-67 промышленные сети считаются сим­ метричными, если коэффициент несимметрии по напряжению не превышает 2%. С целью установления степени несимметрии напря­ жений в судовых сетях были проведены измерения напряжений и токов на трех судах ММФ:

MC 940/750—1000 с номинальными данными: Рц= 600 кВт; Uu =

Рис. 6.2. Графический способ нахождения симметричных составляющих.

= 400 В; /„=1080 А; /г„ = 1000 об/мин; cos ср„ = 0,8; т)„ = 94,8%. Воз­ буждение от машинного возбудителя типа ВСМ 295/12 с самовоз­ буждением.

2. Теплоход «Тюмень». Электростанция состоит из двух ди­ зель-генераторов переменного трехфазного тока с самовозбужде­

= 722 А, /г и =500 об/мин, cos<pn=0,8.

Измерения на каждом судне проводились в течение двух меся­ цев по нескольку раз в сутки и охватывали различные режимы работы судна: ходовой, маневренный, стояночный. В табл. 6.1 при­ ведены результаты расчета коэффициентов несимметрии линейных напряжений и токов (в процентах), полученные в процессе обра-

179