ЛЕКЦИЯ 12. Особенности эксплуатации и сервисного обслуживания преобразователей электрической энергии

Особенности эксплуатации и сервисного обслуживания преобразователей электрической энергии

РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (РЕВЕРСИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ)

Целью этого раздела является рассмотрение вентильных преобразователей, которые имеют возможность задавать на выходе любые сочетания полярностей постоянного напряжения и тока.

Одиночный вентильный преобразователь обеспечивает возможность реверса полярности напряжения на нагрузке при сохранении в ней направления тока (см. рис. 3.4.4). В то же время многие области техники и в первую очередь электропривод требуют источников, которые могли бы реверсировать не только напряжение, но и ток в нагрузке, что требует уже четырехквадрантных внешних характеристик. Для этого вентильный преобразователь, несмотря на свою «вентильность», должен быть способен пропускать через себя постоянный ток любого направления, аналогично традиционным для энергетики другим источникам постоянного напряжения типа электромашинного генератора постоянного тока или аккумулятора. Подобный регулируемый реверсивный источник может быть получен на базе двух базовых вентильных преобразователей, включенных таким образом, чтобы обеспечить протекание тока нагрузки в обоих направлениях. Эта система получила название реверсивного вентильного преобразователя (РВП). Если каждый нереверсивный ВП, входящий в состав реверсивного, питается от отдельной системы вторичных обмоток силового трансформатора, то такая схема называется перекрестной, а при питании обоих вентильных комплектов от одной системы вторичных обмоток трансформаторов схема называется встречно-параллельной. Первые схемы допускают использование однотипных интегральных модулей силовых вентилей, т. е. групп вентилей, соединенных катодами (анодами) и собранных в одном корпусе.. При выполнении вен-тильных преобразователей на тиристорах чаще всего используют встречно-параллельную схему. Схема реверсивного вентильного преобразователя при трехфазном однополупериодном выпрямлении и встречно-параллельном включении вентильных комплектов показана на рис. 3.12.1.

Построение РВП путем встречно-параллельного соединения двух вентильных комплектов ВК1 и ВК2 (см. рис. 3.12.1) приводит к созда­нию дополнительного контура для тока, не включающего контур на­грузки. Этот контур образуется обмотками трансформатора и венти­лями вентильных комплектов ВК1 и ВК2 и называется уравнитель­ным, а ток, протекающий в нем, - уравнительным током. Величина уравнительного тока определяется разностью мгновенных значений напряжений, даваемых вентильными комплектами ВК1 и ВК2 и вели­чиной сопротивления в уравнительном контуре.

Практическое отсутствие активного сопротивления в уравнитель­ном контуре требует согласования средних значений напряжений вен­тильных комплектов с целью исключения возможности возникновения непрерывного уравнительного тока. Для этого средние значения на­пряжений вентильных комплектов ВК1 и ВК2 должны удовлетворять уравнению (пренебрегая вначале ∆ U и током нагрузки):

Иначе говоря, с учетом того, что вентильные комплекты включены параллельно, требуется равенство средних значений их напряжений, а с учетом того, что они включены еще и встречно, необходима проти­воположность знаков собственных напряжений, а для этого нужно, чтобы α₁(α₂) < 900, α₂( α ₁ ) > 900. Тогда с учетом уравнения регулиро­вочной характеристики (2.9.2) или

где а ₁ и а ₂ - углы регулирования ВК1 и ВК2 соответственно. Равенст­во может быть выполнено при двух условиях

Уравнение (3.12.2) и есть условие согласования управления двумя вентильными комплектами РВП. При его выполнении уравнительный ток будет предельно непрерывным, так как разница мгновенных зна­чений напряжений вентильных комплектов ВК1 и ВК2 в этом случае -чисто переменная функция.

Выражение (3.12.3) в случае выполнения РВП на не полностью управляемых вентилях физически нереализуемо, ибо требует или а ₁ > 1800, или а ₂ < 0, чего не может быть в силу особенностей естест­венной коммутации. Только использование вентилей с полным управ­лением позволяет согласовать управление двумя комплектами и в со­ответствии с условием (3.12.3). При этом в случае четного p нулю рав­на и разница мгновенных значений напряжений вентильных комплек­тов, что вообще устраняет причину возникновения уравнительного тока в РВП, как показано в [16].

Уравнение (3.12.2) является условием точного равенства средних значений напряжений вентильных комплектов на холостом ходу (без нагрузки). Поэтому оно может быть названо условием согласования при совместном (одновременном) управлении вентильными ком­плектами.

Условие согласования (3.2.12) углов управления а 1 и а ₂ вентиль­ными комплектами означает, что при а ₁ < 90°, а ₂ > 90° и наоборот, т. е. когда один вентильный комплект работает в выпрямительном ре­жиме, то второй - в режиме зависимого инвертора. Его угол управле­ния в инверторном режиме равен с учетом (3.4.1)

т. е. действительно, когда один вентильный комплект управляется в выпрямительном режиме с углом a₁(a₂), то второй вентильный ком­плект управляется с равным ему углом p₁(p₂) в инверторном режиме.

Средние значения напряжений вентильных комплектов U _M и U _m одинаковы, а мгновенные различаются, поэтому между комплектамивключен уравнительный реактор УР, воспринимающий эту разницу напряжений u _ур. Уравнительный ток является паразитным, так как до­полнительно загружает вентили и трансформатор.

Результирующие внешние характеристики реверсивного выпрями­теля показаны на рис. 3.12.2. Они образованы из двух семейств внеш­них характеристик типа рис. 3.4.4 с учетом того, что второй вентиль­ный комплект включен встречно-параллельно первому и обеспечивает Таким образом, реверсивный вентильный преобразователь является универсальным источником постоянного напряжения и постоянного тока, обеспечивая любое сочетание их полярностей в соответствии с четырьмя квадрантами внешних характеристик.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ПИТАЮЩЕЙ СЕТЬЮ

Целью данного раздела является изучение обратного влияния вентильного преобразователя на питающую сеть.

Специфика преобразовательных устройств силовой электроники, выполняемых на полупроводниковых управляемых вентилях, связана с ключевым (дискретным) характером работы вентилей, что предопределяет дискретизацию как процесса потребления энергии преобразователем от ее первичного источника, так и процесса передачи ее потребителю (нагрузке). Дискретное потребление энергии преобразователем от источника электроэнергии приводит к заметному обратному влиянию вентильного преобразователя на качество генерируемой электроэнергии, последствия чего ощущают и сам преобразователь, и другие потребители, получающие питание от того же источника. С другой стороны, дискретная передача энергии с выхода преобразователя в нагрузку, как правило, снижает эффективность ее использования в нагрузке, где осуществляется уже преобразование электрической энергии в другой вид энергии (механическую – в электрических двигателях, тепловую – в нагревателях, химическую – в аккумуляторах и электролизных ваннах, электромагнитную – в излучателях и т.д.). Кроме того, большие скорости изменения напряжений и токов вентилей в процессе коммутации приводят к заметному электромагнитному излучению в окружающую среду, создавая наведенные помехи в цепях устройств слаботочной электроники, в том числе в устройствах управления этими вентильными преобразователями, порождающими указанные помехи.

Таким образом, обозначилась научно-техническая проблема, называемая проблемой электромагнитной совместимости устройств силовой электроники с источниками питания, нагрузкой и окружающей средой. Первоначально проблема электромагнитной совместимости возникла в радиотехнике как проблема «засорения» эфира [20]. Там электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств определяется способностью этих средств одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации при воздействии непреднамеренных радиопомех и не создавать недопустимых радиопомех другим средствам. Таким образом, здесь на первом месте находится информационный аспект электромагнитной совместимости полезного сигнала и радиопомехи (шума) в части их сосуществования без потери или искажения информации, содержащейся в радиосигнале, и связана в основном с проблемой индуцированных (наведенных) помех от электромагнитного поля.

Для электротехнических устройств на первом месте стоит энергетический аспект электромагнитной совместимости. Сегодня электромагнитная совместимость в электротехнике определяется как способность различных электротехнических устройств, связанных сетями электроснабжения, одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации при наличии непреднамеренных помех в питающей сети и не создавать недопустимых электромагнитных помех в сети другим устройствам, подсоединенным к этой сети. Очевидны два пути распространения электромагнитных помех: индуктивный (через излучение электромагнитного поля) и кондуктивный (по проводам), хотя эти два явления взаимосвязаны и можно говорить только о доминировании влияния того или иного явления на работу конкретных энергетических или информационных устройств

Позднее эта проблема стала актуальной и для электроэнергетики в виде проблемы «засорения» электрических сетей при кондуктивном сопряжении с ними (по проводам) получивших широкое распространение вентильных преобразователей и других нелинейных нагрузок являющихся источником высших гармоник и субгармоник тока, т.е. гармоник с частотой ниже частоты напряжения питающей сети.

Для количественной характеристики степени электромагнитной совместимости питающей сети и нагрузки имеется система показате­лей качества электрической энергии, закрепленная стандартом [43]. В рамках этого раздела мы ограничимся рассмотрением одного вопроса обратного негативного влияния вентильного преобразователя на пи­тающую сеть - вопроса искажения формы напряжения сети от несину­соидального характера входного тока вентильного преобразователя.

Знание формы и спектрального состава входных токов типовых вентильных преобразователей позволяет рассчитывать и этим прогно­зировать степень обратного влияния вентильного преобразователя на питающую сеть автономной системы. Для такого расчета необходимо иметь математические модели питающей сети и вентильного преобра­зователя по входу. Математическая модель питающей сети может быть получена по заданной топологии сети и известным параметрам ее элементов. В случае сложных структур сети математической мо­делью сети служит частотная характеристика сети в узле присоедине­ния. В первом приближении сеть эквивалентируется источником ЭДС с индуктивным реактансом сети Х _с, активные сопротивления сети обычно не учитываются На рис. 3.13.1, а приведена схема с потреби­телем в виде трехфазной мостовой схемы выпрямления, а на рис. 3.13.1, б - временные диаграммы входного тока i выпрямителя (при X_d = оо), ЭДС сети e и напряжения на доступных для потреби­телей зажимах сети u.

Наличие трансформатора на входе выпрямителя смоделировано включением приведенной индуктивности рассеивания трансформатора L_к. Напряжение в сети в этом случае искажается на интервалах комму­тации у в выпрямителе.

Питающая сеть представлена в виде источника синусоидальной ЭДС e и последовательной индуктивности L _c, объединяющей все последовательные индуктивности цепи от точки выработки электроэнергии до точки ее потребления.

Провалы в кривой напряжения сети u обусловлены тем, что теперь все коммутационное падение напряжения ∆ u_x (см. раздел 3.1) делится между

индуктивностями L _c и L _k и напряжение на входе преобразователя будет

На этом уровне приближения вентильный преобразователь по входу замещается источником тока известной формы. Расчетная схема системы источник – преобразователь будет иметь вид, показанный на рис. 3.13.2.

Рис. 3.13.2

Исходя из дифференциального уравнения для напряжения сети u

получаем действующее значение напряжения высших гармо­ник сети методом АДУ2 [21]

и действующее значение напряжения первой гармоники сети методом АДУ1

В итоге коэффициент гармоник напряжения сети, который не должен превосходить значения K _гст, задаваемого ГОСТ 13109-98, а именно 0,08, будет

Используя определение коэффициента кратности тока короткого замыкания сети номинальному току преобразователя К _кз, равного к тому же отношению полной мощности короткого замыкания сети к номинальной полной мощности на входе преобразователя запишем выражение (3.13.4) в виде

Предельно простое выражение для К _Г получается при пре­небрежении разницей между U ₁ и Е ₁ в определении К _Г по (3.12.4), т.е.

Из (3.13.7) находится предельная мощность вентильного преобра­зователя, подключаемого к сети с известной мощностью короткого замыкания

При прочих равных условиях эта мощность преобразователя об­ратно пропорциональна дифференциальному коэффициенту гармоник его входного тока. Это позволяет для каждого типа преобразователя просто определить его предельную мощность при питании от сети с заданной мощностью короткого замыкания.

В отличие от рассмотренного случая с единственным нелинейным потребителем в сети переменного тока в электрических сетях общего пользования присутствует множество нелинейных потребителей, ре­зультирующее обратное действие на сеть которых может как сумми­роваться, так и ослабляться. Расчет обратного влияния для этого слу­чая дан в [20]. В Европейских нормативах на качество электрической энергии обычно указывают (из опыта) предельную мощность подключаемого вентильного преобразователя (р = 6, 12) в долях мощности короткого замыкания сети.

Таким образом, вентильный преобразователь, вопреки житейскому правилу «не кусать руку, которая тебя кормит», потребляя из сети активную мощность, «изливает» в нее мощность по высшим гармоникам, которая портит форму напряжения в сети и тем самым осложняет работу других потребителей электроэнергии в сети. Для ограничения этого негативного влияния вентильных преобразователей на питающую сеть применяют следующие меры, кроме ограничения соотношения мощностей преобразователя и питающей сети:

1)увеличение числа эквивалентных фаз преобразователя (см. разделы 3.6 и 3.8);

2)применение схем преобразователей с улучшенной формой входного тока (см. раздел 3.11.3);

3)фильтрацию входных токов преобразователя, как правило, с помощью параллельного подключения к сети последовательных LC -фильтров, настроенных на доминирующие гармоники входного тока (5, 7, 11, 13) [20];

4)использование схем активной фильтрации входного тока, компенсирующих отклонения входного тока преобразователя от синусоидальной формы [20] (см. часть 2 курса).

Дата добавления: 2014-01-07