Судовая система электропитания асинхронного двигателя на базе автономного инвертора с трансформатором с вращающимся магнитным полем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Кузьмин Илья Юрьевич

• Кузьмин Илья Юрьевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмин Илья Юрьевич

Введение

Глава 1. Анализ электромагнитных процессов в АИ с ТВМП

1.1 Обзорный анализ и классификация систем управления электроприводами

1.2 Устройство, отличительные особенности и принцип работы АИ с ТВМП

1.3 Алгоритмы работы ППК в составе АИ с ТВМП

1.3.1 Алгоритм работы ППК при нечётном числе пар СКЛ

1.3.2 Комбинированные алгоритмы работы ППК при нечётном числе пар СКЛ

1.3.3 Многообразие алгоритмов работы ППК в двухмостовом АИ с ТВМП

1.4 Выводы по 1-й главе

Глава 2. Аналитическое описание выходного напряжения и тока АИ с ТВМП при одномостовом коммутаторе

2.1 Аналитическое описание выходного напряжения АИ с ТВМП

2.2 Аналитическое описание выходного тока АИ с ТВМП при активно-индуктивной нагрузке

2.3 Работа АИ с ТВМП на активно-индуктивную нагрузку с противоЭДС

2.4 Выводы по 2-й главе

Глава 3. Методика расчёта и проектирования АИ с ТВМП

3.1 Основные положения, принимаемые при расчёте и проектировании АИ с ТВМП

3.2 Методика расчёта и проектирования ТВМП

3.2.1 Исходные данные

3.2.2 Токовые нагрузки и обмоточные провода

3.2.3 Пластины магнитопровода ТВМП

3.2.4 Обмотки ТВМП

3.2.5 Длина магнитопровода ТВМП

3.2.6 Массогабаритные характеристики

3.2.7 Энергетические характеристики

3.2.8 Производительность системы охлаждения

3.3 Методика расчёта параметров и выбора СКЛ

3.3.1 Расчёт параметров и выбор СКЛ по току

3.3.2 Расчёт параметров и выбор СКЛ по напряжению

3.3.3 Расчёт параметров и выбор радиаторов охлаждения СКЛ

3.4 Влияние конструктивных особенностей ТВМП на качество выходного

напряжения АИ

3.5 Выводы по 3-й главе

Глава 4. Математическое моделирование АИ с ТВМП в составе электротехнического комплекса

4.1 Параметризованная математическая модель одномостового АИ с ТВМП на 9 пар

СКЛ в программной среде МАТЬАВ БтиИпк

4.1.1 Работа одномостового АИ с ТВМП на активную нагрузку

4.1.2 Работа одномостового АИ с ТВМП на активно-индуктивную нагрузку

4.1.3 Работа одномостового АИ с ТВМП в аварийных режимах

4.2 Параметризованная математическая модель двухмостового АИ с ТВМП на 9 пар

СКЛ в программной среде МАТЬАВ БтиИпк

4.2.1 Работа двухмостового АИ с ТВМП на активную нагрузку

4.2.2 Работа двухмостового АИ с ТВМП на активно-индуктивную нагрузку

4.2.3 Работа двухмостового АИ с ТВМП в аварийных режимах

4.3 Сравнительный анализ одномостового АИ с ТВМП с трёхфазной трёхуровневой схемой инвертирования

4.4 Выводы по 4-й главе

Глава 5. Механические и энергетические характеристики асинхронного электропривода

при питании от АИ с ТВМП

5.1 Работа АИ с ТВМП на асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

5.2 Механические и энергетические характеристики асинхронного электропривода

5.2.1 Постоянство вращающего момента

5.2.2 Вентиляторный закон регулирования

5.2.3 Постоянство мощности

5.2.4 Постоянство скорости вращения

5.3 Выводы по 5-й главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Коды программ, осуществляющих расчёт параметров уточнённой Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя

Приложение Б. Эскизы пластин магнитопроводов ТВМП

Приложение В. Изготовленные образцы преобразователей с ТВМП

Приложение Г. Линейные развёртки обмоток ТВМП

Приложение Д. Акты о внедрении результатов диссертационной работы на

АО «СПО «Арктика» (АО «ОСК»)

Приложение Е. Справка о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс Севмашвтуза

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Судовая система электропитания асинхронного двигателя на базе автономного инвертора с трансформатором с вращающимся магнитным полем»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

Современные судовые электроэнергетические системы (СЭЭС) - это системы двойного рода тока, включающие в себя источники и потребители электрической энергии постоянного и переменного (однофазного и трёхфазного) токов одной или нескольких частот. Данное обстоятельство диктует наличие в СЭЭС устройств, называемых преобразователями, связывающих сети переменного и постоянного токов, а также при необходимости переменного тока различных частот.

Приблизительно до конца 60-х годов прошлого столетия для этих целей применялись преобразователи, выполненные на базе вращающихся электрических машин, к наиболее существенным недостаткам которых относились высокий уровень вибрации, большие массогабаритные характеристики, относительно невысокий ресурс и надёжность вследствие наличия щёточно-коллекторного аппарата. Мировая тенденция развития силовой электроники и роста коммутируемой мощности полупроводниковых устройств обусловила замену электромашинных преобразователей в СЭЭС на статические полупроводниковые. Такая замена, однако, привела к ухудшению форм кривых питающих и выходных напряжений и токов и обусловила возникновение проблемы качества электроэнергии (КЭ), что нашло отражение в ГОСТ 13109-671 и морском регистре СССР [10].

Дальнейшее увеличение водоизмещения судов и кораблей, мощности их СЭЭС, пропульсивного комплекса, повышение степени автоматизации управления судном, погрузочно-разгрузочными работами привело к соответствующему росту мощности полупроводниковых преобразователей [78]. Одновременно с этим было установлено, что мощные преобразовательные установки существенно искажают формы питающих и выходных кривых напряжений и токов из-за наличия в них полупроводниковых устройств с нелинейной вольт-амперной характеристикой, загружают судовые генераторы дополнительной реактивной мощностью и мощностью искажений. Высшие гармоники в кривых напряжений и токов приводят дополнительным потерям энергии в обмотках генераторов, потребителей, в кабельных трассах, снижая энергетическую эффективность СЭЭС, могут вызвать сбои в работе устройств судовой автоматики и вычислительной техники [103, 136].

Основными потребителями электрической энергии в СЭЭС являются асинхронные двигатели (АД), количество которых достигает 80-90 % от общего числа электрических машин [27, 28, 103], при этом значительную часть из них составляют АД с короткозамкнутым (КЗ) ротором в силу простоты их конструкции, высокой надёжности, меньшей массы и габаритов. Специальные типы АД применяются в СЭЭС относительно редко; синхронные двигатели, несмотря на их достоинства, используются ещё реже, и только в исключительных случаях из-за

1 В настоящее время этот стандарт в России не действует, действующим является [135].

повышенных требований к условиям их пуска и обеспечению режимов работы, больших габаритов и сложности их пуско-регулирующей аппаратуры [43].

С начала XXI столетия все большую конкуренцию АД составляют вентильно-индукторные двигатели (ВИД) для которых характерен широкий диапазон регулирования частоты вращения и хорошая управляемость. Вместе с тем ВИД имеют ряд серьёзных недостатков, в числе которых значительная несинусоидальность питающих токов и напряжений, пульсации вращающего момента, повышенная виброактивность и шумность, что ограничивает их применение в автономных электротехнических комплексах [22].

Исследования ЦНИИ имени академика А. Н. Крылова, ЦНИИ СЭТ, ЦНИИ МФ, в/ч 27177, ЛЭТИ, МЭУ (МЭИ), ЛКИ, НКИ, а также ряда других НИИ и вузов показали, что при увеличении коэффициента гармоник по напряжению до 10 % происходит резкий рост вибрации судового трансформаторно-реакторного оборудования, электроприводов вентиляторов и насосов, охлаждающих статические преобразователи, а также повышается виброактивность силовых АД на шестикратной частоте питающей сети в 3-5 раз [7, 10, 20, 80, 81, 134]. Учитывая большую номенклатуру и численность АД на кораблях и судах, снижение их виброактивности за счёт повышения качества электроэнергии представляет собой важную и актуальную задачу.

Силовая структура современного судового электротехнического комплекса (СЭК) в общем случае включает в себя, во-первых, источник электрической энергии (как правило, это синхронный генератор), во-вторых, статический полупроводниковый преобразователь, регулирующий напряжение и/или частоту по заданному закону и, в-третьих, электродвигатель, вал которого сочленён с исполнительным механизмом.

В такой структуре СЭЭС источником электрической энергии для автономного инвертора является выпрямитель со сглаживающим фильтром или генератор постоянного тока (в случае СЭЭС постоянного тока), а также аккумуляторная батарея (как аварийный источник энергии, обеспечивающий питание неотключаемой нагрузки). В качестве автономного инвертора (АИ) будем использовать АИ, реализованный на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВМП), а в качестве электродвигателя выберем АД с короткозамкнутым ротором. При этом исполнительный механизм будем эквивалентировать некоторой механической нагрузкой, величина которой будет изменяться по установленному закону, например, обеспечивать постоянство мощности на валу, постоянство момента, вентиляторный момент либо постоянство скорости вращения.

Направление научного исследования является актуальным, поскольку реализация СЭК с использованием АИ с ТВМП позволит повысить качество и энергетическую эффективность его работы при одновременном улучшении массогабаритных и виброакустических характеристик, повышении надёжности и живучести преобразовательного звена в целом.

Степень разработанности темы исследования

Научные исследования в области теории статических полупроводниковых преобразователей в симметричных и несимметричных режимах успешно проводились такими

учёными, как К. С. Демирчян, В. П. Шипилло, Ш. И. Лутидзе, И. М. Исаев, Я. Ф. Анисимов, Г. С. Мыцык, А. В. Поссе, Г. В. Чалый, Е. Л. Эттингер, С. Р. Глинтерник, Д. В. Тимофеев, Ю. М. Иньков, Ю. С. Крайчик, А. Ф. Крогерис, И. М. Чиженко, И. Л. Каганов, Ю. Г. Толстов, Т. А. Глазенко, М. Г. Шехтман, И. А. Глебов и др. [9, 10, 24, 25, 26, 32, 44, 51, 63, 83, 107, 108, 112, 130].

Ю. К. Розанов, В. М. Рябенький, А. В. Агунов, А. Е. Козярук, А. С. Яценко уделили серьёзное внимание исследованию вопросов компенсации высших гармоник с целью повышения энергетической эффективности электротехнических комплексов [5, 87, 88, 90, 137]. Г. С. Зиновьев, М. В. Агунов, А. В. Агунов, А. А. Воршевский и др. внесли существенный вклад в изучение качества электроэнергии и ЭМС [6, 42]. Динамика полупроводниковых преобразователей комплексно исследовалась в научных трудах А. А. Булгакова, А. Д. Поздеева, А. С. Исхакова [16, 33].

Теория построения многоячейковых преобразователей для управления электроприводами была развита в научных трудах Б. Ф. Дмитриева, Р. Т. Шрейнера, А. А. Ефимова и др. [34, 35, 86, 131, 132, 133]. Вопросам повышения качества электроэнергии в СЭЭС двойного рода тока, разработкам полупроводниковых преобразователей для судовых гребных электрических установок посвящены работы Л. Н. Токарева, А. П. Сенькова, М. В. Пронина, Б. В. Бруслиновского и др. [14, 15].

С. Г. Герман-Галкин, И. В. Черных, М. В. Пронин и др. в своих научных трудах уделили серьёзное внимание вопросам применения современных компьютерных технологий для математического моделирования полупроводниковых преобразователей в составе электротехнических комплексов и систем с помощью современных программных продуктов, в частности, МАТЬАВ БтиИпк с целью обеспечения требуемого уровня электромагнитной совместимости (ЭМС) и повышения энергетической эффективности таких комплексов [23, 129].

К настоящему времени установлено, что требуемый стандартами уровень ЭМС в автономных электроустановках [10, 136], содержащих полупроводниковые преобразователи и автономные инверторы в частности, можно обеспечить двумя путями:

- за счёт индивидуальных мероприятий по защите потребителей электроэнергии;

- за счёт совершенствования схемотехнической структуры самих преобразователей.

Первая группа мероприятий предполагает применение пассивных реактивных фильтров,

активных фильтров и компенсаторов реактивной мощности [48, 137, 143, 144]. При увеличении мощности преобразователей мощности вспомогательных устройств, их массогабаритные и стоимостные показатели возрастают до уровня, сопоставимого с массогабаритными и стоимостными показателями самих преобразователей, вследствие чего применение таких устройств для обеспечения требуемого уровня ЭМС оказывается малоэффективным [42, 103].

Кроме того, исследования электромагнитных процессов в классических преобразователях, выполненных по трёхфазным мостовым схемам и схемам со средней точкой, показали [10, 89, 92], что они достигли некоторого предела с точки зрения возможности повышения качества

напряжения и энергетической эффективности без изменения конструкции и силовых схем самих преобразователей.

Вторая группа способов обеспечения ЭМС основана на применении новых схемотехнических решений при проектировании реакторов, трансформаторов и силовых схем самих преобразователей, с целью минимизации их массогабаритных показателей и устранения причин ухудшения ЭМС.

Способам обеспечения ЭМС на основе применения новых схемотехнических решений при проектировании реакторов были посвящены работы В. И. Мишина, Е. И. Забудского, Л. И. Дорожко, М. С. Либкинда и др. [2, 4, 36, 41, 60, 64], а в области трансформаторов и преобразователей - работы Г. М. Свиридова, В. Ф. Шукалова, В. Ф Самосейко, Б. X. Гайтова, Н. А. Сингаевского и др. [3, 17, 39, 40, 77, 93, 94, 95, 98, 99].

Теория электромагнитных процессов в преобразователях, выполненных на базе ТВМП, была существенно развита, переработана и дополнена в научных работах А. И. Черевко, М. М. Музыки, Е. В. Лимонниковой [61, 66, 113]. Кроме того, здесь же были выполнены первые работы по математическому моделированию данного типа преобразователей в составе электротехнических комплексов, а также показано, что на базе ТВМП возможно реализовать не только управляемые выпрямители, но и более сложные устройства [114, 115]: ведомые сетью и автономные инверторы, обратимые преобразователи, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи постоянного напряжения.

Современные тенденции подтверждают, что среди наиболее перспективных способов повышения ЭМС питающей сети, силового преобразователя и нагрузки наиболее эффективным является способ, основанный на увеличении фазности преобразования электроэнергии.

В настоящей диссертационной работе в соответствии с предложениями, сформулированными в [61, 66, 113, 114, 115], в силовой схеме автономного инвертора (АИ) проведена замена трансформатора с пульсирующим магнитным полем (ТПМП) на трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП). Указанная замена привела к существенному изменению в силовой и информационной частях АИ, в результате чего изменился характер электромагнитных процессов в силовой части АИ, а также в его нагрузке [124, 126].

На практике первый значимый этап опытно-конструкторской работы по проектированию и исследованию образцов полупроводниковых преобразователей (ПП) нового класса на базе ТВМП был выполнен на АО «СПО «Арктика» (АО «ОСК») в 2012-2014 гг. Сравнительный анализ показал, что созданные в результате сотрудничества АО «СПО «Арктика» и Севмашвтуза2 ПП с ТВМП отличаются высоким качеством выходного напряжения при широком диапазоне его регулирования, имеют лучшие энергетические, виброакустические и

2 В настоящее время институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз), филиал ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова» в г. Северодвинске.

массогабаритные характеристики по сравнению с большинством выпрямительных агрегатов отечественного производства [53, 82].

Отмеченные выше достоинства ПП с ТВМП послужили основой для начала нового цикла работ по проектированию АИ с ТВМП для целей управления асинхронными двигателями в судовых автономных электротехнических и электромеханических комплексах.

Цели и задачи диссертационного исследования

Целью диссертационной работы является исследование электромагнитных и электромеханических процессов в судовой системе электропитания асинхронного электродвигателя, построенной с применением автономного инвертора (АИ) нового типа, реализованного на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВМП), содержащего первичную круговую, или кольцевую многосекционную, обмотку (КО) и вторичную (выходную) трёхфазную обмотку (ТО), а также определение качества и эффективности работы СЭК в нормальном и аварийных режимах.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.

1 Выполнен обзорный анализ существующих систем электропривода со скалярным и векторным управлением. Проведён анализ электромагнитных процессов в АИ с ТВМП как в ключевой части СЭК, а также исследованы алгоритмы управления одно- и двухмостовым полупроводниковым коммутатором (ППК) АИ.

2 Разработано аналитическое описание форм кривых выходного напряжения и тока АИ с ТВМП в зависимости от конструктивного исполнения - количества секций - первичной КО ТВМП, или числа пар силовых ключей (СКЛ) в ППК, а также спектрального состава кривых выходного напряжения и тока и рассчитан их коэффициент гармоник.

3 Разработана методика расчёта АИ с ТВМП в зависимости от заданной мощности и величины выходного напряжения, а также методика расчёта силового ядра АИ - ТВМП -, включающая в себя определение геометрических размеров магнитной цепи, схем и параметров обмоток, энергетических и массогабаритных характеристик. Приведена методика расчёта СКЛ по току, по напряжению и по мощности тепловыделения.

4 Разработана параметрическая математическая модель одно- и двухмостового АИ с ТВМП в составе автономного СЭК, позволяющая исследовать в нормальном и аварийных режимах качество и эффективность работы СЭК при различных видах нагрузки и при регулировании выходного напряжения и частоты АИ.

5 Разработана автоматизированная методика определения параметров уточнённой Т-образной схемы замещения АД на основании его каталожных данных, а также методика расчёта величин питающего напряжения и частоты для обеспечения требуемого вращающего момента на валу и скорости АД с учётом установленного ограничения на его потокосцепление и падения напряжения в первичной цепи.

6 Рассчитано качество выходного напряжения АИ с ТВМП, механические и энергетические характеристики асинхронного электропривода при питании от одномостового АИ с ТВМП для режимов постоянства вращающего момента, вентиляторного момента, постоянства мощности на валу, постоянства скорости вращения двигателя при полной и частичной загрузке.

Объектом исследования является судовая система электропитания асинхронного электродвигателя, выполненная на базе АИ с ТВМП, содержащего первичную круговую и вторичную трёхфазную обмотки, включающая в себя контуры обратной связи по скорости вращения двигателя и по величине выходного напряжения АИ, обеспечивающая автоматическое поддержание выходного напряжения АИ на заданном уровне либо установленное изменение вращающего момента при регулировании скорости вращения двигателя.

В качестве предмета исследования рассматриваются алгоритмы широтно-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции АИ с ТВМП, осуществляющего питание статорной обмотки АД или электрической нагрузки иного вида, методика проектирования АИ и его силового ядра -ТВМП - в частности на заданную в тактико-техническом задании (ТТЗ) мощность и выходное напряжение, способы математического моделирования большого числа магнитосвязанных обмоток, методика разработки параметрической математической модели СЭК, в составе которого работает одно- или двухмостовой АИ с ТВМП.

Научная новизна

1 Представлены алгоритмы коммутации СКЛ в составе одно- и двухмостового коммутаторов, обеспечивающие создание вращающегося магнитного поля (ВМП) в цилиндрическом магнитопроводе трансформатора, позволяющие реализовать методы широтно-импульсной либо амплитудно-импульсной модуляции.

2 Выполнено аналитическое описание ступенчатой кривой выходного напряжения АИ с ТВМП, справедливое для различного числа пар СКЛ в составе одномостового коммутатора.

3 Разработана методика определения параметров уточнённой Т-образной схемы замещения АД и получены соотношения для расчёта его механической характеристики при ненулевом активном сопротивлении намагничивающей цепи.

4 Предложена автоматизированная методика расчёта величины питающего АД напряжения и частоты в целях обеспечения заданной механической характеристики с учётом ограничения потокосцепления индуктора и с учётом падения напряжения в статорной цепи АД.

5 Разработана и автоматизирована методика расчёта и проектирования АИ с ТВМП на различные мощности при различном нечётном числе секций КО.

6 Создана математическая модель СЭК, включающая в себя АД, АИ с ТВМП с одно- и двухмостовым коммутатором на девять пар СКЛ, позволяющая учесть обратные связи по скорости вращения АД и по величине выходного напряжения.

Теоретическая и практическая значимость работы

Представленные в настоящей диссертационной работе научные исследования могут быть положены в основу проектирования АИ с ТВМП для автономной судовой системы электропитания асинхронного электропривода, а также быть использованы для самостоятельного проектирования ТВМП различной мощности для работы в составе полупроводниковых преобразователей другого типа (выпрямителей, обратимых преобразователей, преобразователей постоянного напряжения, понижающих непосредственных преобразователей частоты и др.).

Реализация результатов работы. Значительная часть результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, нашла применение при выполнении опытно-конструкторской работы (ОКР) «Разработка полупроводниковых преобразователей нового класса на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями» (шифр «ТВМП»)3, проводившейся в 2012 г. на предприятии оборонно-промышленного комплекса России АО «Северное производственное объединение «Арктика» (входит в АО «Объединённая судостроительная корпорация») в г. Северодвинске.

Методология и методы исследования

При выполнении диссертационной работы используются методы линейной алгебры, аналитической геометрии, дифференциального и интегрального исчисления функции одной и нескольких действительных переменных, векторной алгебры, векторного анализа, теория вероятностей, уравнения математической физики. Использованы методы из физики, теоретических основ электротехники, теории автоматического управления, электрических машин.

Поставленные в диссертационной работе задачи решаются посредством аналитического описания электромагнитных процессов, построения математических моделей АИ с ТВМП и электротехнического комплекса в целом, исходя из известных науке физических законов и использования математического аппарата теории поля.

Для исследования электротехнического комплекса на базе АИ с ТВМП в настоящей диссертационной работе используются современные компьютерные технологии, в основе которых лежит программный продукт МАТЬАВ4, позволяющий осуществлять количественную оценку качества и эффективности работы судовой системы электропитания при изменении параметров АИ с ТВМП, электрической или электромеханической нагрузок или всего комплекса в целом.

3 Государственный контракт № 12411.1007499.09.042 от 08.05.2012 г. в рамках федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 гг., утверждённой постановлением Правительства России № 103 от 21.02.2008 г. Технологическое направление № 6 «Технологии судового машиностроения, судовых энергетических установок и систем» («Судовое машиностроение и энергетика») по мероприятию 6.4.1 «Разработка новых технологий и оборудования высоконадёжных конкурентоспособных судовых электроэнергетических систем и их компонентов с применением современной элементной базы», комплекс работ «Электротехнология».

4 MATLAB® - «The Language of Technical Computing» (в пер. с англ. «язык технических вычислений»).

Все математические модели разработаны в среде MATLAB Simulink (пакет «Simscape», библиотека «Power Systems»), численное решение систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами реализовано здесь же. Численное интегрирование дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных реализовано в программном продукте ELCUT с проверкой для отдельных случаев в MATLAB.

Положения, выносимые на защиту

1 Аналитическое описание ступенчатых кривых выходного напряжения и тока АИ с ТВМП при одномостовом коммутаторе при различном числе пар СКЛ в составе коммутатора, или числе секций в составе первичной КО ТВМП.

2 Методика определения параметров уточнённой Т-образной схемы замещения АД на основании его каталожных данных, а также аналитические соотношения для расчёта его механической характеристики и критического скольжения при ненулевом активном сопротивлении намагничивающей цепи.

3 Методика расчёта и проектирования АИ с ТВМП, включающая в себя определение электромагнитных нагрузок, энергетических и массогабаритных характеристик.

4 Параметрическая математическая модель СЭК, включающая в себя АД, АИ с ТВМП с одно- и двухмостовым коммутатором на девять пар СКЛ, включающая в себя обратные связи по скорости вращения АД и по величине выходного напряжения, позволяющая исследовать поведение СЭК в нормальных, аварийных, симметричных, несимметричных, установившихся и динамических режимах.

Степень достоверности и апробация результатов

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях различного уровня: XXXIX Ломоносовские чтения (Севмашвтуз, г. Северодвинск, 2010 г.), международная научно-практическая конференция «Современная наука: теоретический и практический взгляд» (БашГУ, г. Уфа, 2013 г.), международная конференция «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения» (САФУ имени М. В. Ломоносова, г. Архангельск, 2014 г.), региональная научно-практическая конференция «Севмашвтузу - 50: наука и образование на службе флоту и Российской Арктике» (Севмашвтуз, г. Северодвинск, 2015 г.), XIII молодёжная научно-техническая конференция «Взгляд в будущее - 2015» (ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт-Петербург, 2015 г.), 14-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2015» (МАИ, г. Москва, 2015 г.), научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения» (САФУ имени М. В. Ломоносова, г. Архангельск, 2016 г.), международная конференция «Управление качеством электрической энергии» (МЭИ, г. Москва, 2016 г.), международная конференция «2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon)» (г. Челябинск, 2019 г.).

Также коллектив в составе автора диссертационной работы совместно с коллегами С. В. Платоненковым и И. А. Саковичем в 2014 г. был удостоен премии имени М. В. Ломоносова5 за научно-внедренческую работу «Полупроводниковые выпрямители нового класса на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для кораблей и судов Арктического региона».

Личный ВКЛАД

Определение темы, постановка цели диссертационной работы и обсуждение концепции дальнейшего развития теории электромагнитных процессов в полупроводниковых преобразователях на базе ТВМП, а также в электротехнических комплексах, включающих такие преобразователи, происходило совместно с научным руководителем, доктором технических наук, профессором, академиком АЭН России А. И. Черевко. Постановка задач работы, определение предмета исследования, решение теоретических вопросов, основные научные результаты работы, принадлежат лично автору. Разработка математической модели электротехнического комплекса с АИ с ТВМП в программной среде MATLAB Simulink, разработка методики расчёта АИ выполнена лично автором, а методики расчёта ТВМП и его обмоток - совместно с научным руководителем.

Автор благодарен научному руководителю А. И. Черевко и его ученикам канд. техн. наук, доц. М. М. Музыке и канд. техн. наук, доц. Е. В. Лимонниковой за ценные замечания и помощь по вопросам, возникавшим в процессе выполнения настоящего научного исследования.

Научные публикации. Список трудов автора имеет 49 опубликованных работ6, из них 17 по теме диссертации, в том числе 7 в изданиях, включённых в перечень ВАК, 4 в международной базе «Scopus», 2 патента РФ на изобретение, а также 1 монография.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с основными теоретическими положениями и выводами по каждой главе, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и шести приложений. Диссертация изложена на 275 страницах машинописного текста (из которых 23 страницы приложений), содержит 169 рисунков (включая осциллограммы) и 34 таблицы. Список литературы включает в себя 144 наименования, из которых 137 отечественных и 7 иностранных.

5 Региональная награда, учреждённая правительством Архангельской области.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмин Илья Юрьевич, 2020 год

- -

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Время, мс

j.

о

10"

ю1

б)

а

с 10

пз от п: I л

S ю

о X

I-

о

10г

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Порядковый номер гармоники и

Рисунок 4.1.1.2 - Кривые напряжения фазы А при их расчёте аналитическим методом и посредством математического моделирования (а) и их спектр (б)

В результате анализа рисунка 4.1.1.2 можно установить значительное сходство между кривыми выходного напряжения, описанными различными методами. Данное обстоятельство позволяет заключить о том, что электромагнитные процессы, протекающие в АИ с ТВМП, описаны правильно, а меньший коэффициент гармоник кг (т. е. более сглаженный вид) кривой, полученной в результате математического моделирования, объясняется введением в расчёт выходной индуктивности обмоток ТВМП ¿2 (см. таблицу 4.1.1.1), которая игнорируется в случае аналитической оценки КЭ АИ с ТВМП, проведённой в 2.1.

Формы кривых токов ¿(£), а также их основная гармоника V = 1 в трёх смежных друг с другом секциях КО (№№ 9, 1, 2) из девяти для установившегося режима работы АИ показаны на рисунке 4.1.1.3 (а, б, в) соответственно.

Данные рисунка 4.1.1.3 показывают, что основные гармоники токов в смежных секциях КО сдвинуты друг относительно друга на 360°/Ы = 40°, при этом ток в первой секции отстаёт на 40° от тока во второй секции, опережая на 40° ток в девятой секции. Ток во второй секции в

свою очередь отстаёт от тока в третьей секции на 40°. Отмеченное можно распространить на каждую из N секций КО ТВМП.

Девятая секция КО

а)

б)

в)

ZT

* 0

m -10 £ -го

(и

s -30 и

-40 -50 -60

- Кривая тока i(t) — — — Основная гармонику v ~ 1 -

4KJ

«. _ *

/VI

ч _

_I_L

и

* о

ш -10

пз

V

S -20

ги

1 -30

-40 -50 -60

0* 40" 80" 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360° 40" 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360°

úif, электрические градусы Первая секция КО

- Кривая тока i(t) - — — Основная гармоника ~ 1 -

-т

40=

VKJ

< _ у

_I_I_L

0° 40° 80° 120° 160° 200" 240" 280° 320° 360° 40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360°

iút, электрические градусы Вторая секция КО

0° 40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360° 40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360°

, электрические градусы

Рисунок 4.1.1.3 - Кривые токов ¿(¿) в девятой (а), первой (б) и второй (в) секциях КО ТВМП при

работе АИ в установившемся режиме

Принимая во внимание то, что при проектировании ТВМП цилиндрической конструкции, как показано на рисунке 1.2.2, КО конструктивно выполняется так, чтобы угол между магнитными осями её смежных секций составлял 360угловых градусов, можно заключить,

что дискретно вращающееся магнитное поле действительно будет возникать при соблюдении отмеченных выше условий при работе ТВМП в составе АИ. Направление вращения магнитного поля идёт в сторону увеличения порядкового номера секций КО, что соответствует необходимому порядку чередования фаз А ^ В ^ С ^ А на клеммах ТО согласно рисунку 1.2.1.

Далее на рисунке 4.1.1.4 (а, б, в) показаны временные диаграммы напряжений в максимальной хорде КО, также полученные с помощью математической модели. Временные диаграммы показывают электрическое напряжение в функции времени t между началами секций КО, к которым через ППК подключаются шины постоянного тока при смене состояний (тактов) силовой схемы АИ в соответствии с алгоритмом управления, представленным в таблице 1.3.1.1. При этом напряжение между началами секций, располагающихся в максимальных хордах КО (при нечётном числе пар СКЛ Ы) [123] либо в диагонали КО (при чётном числе пар СКЛ Ы) [122], представляет собой геометрическую сумму напряжений отдельных секций КО, как установлено, исходя из геометрической аналогии между КО, выполненными на Ы секций, и правильными Ы-угольниками [127].

Из рисунка 4.1.1.4 следует, что амплитудное значение напряжения и^) в течение каждого такта работы х (на рисунке заштриховано полосками серого цвета) за вычетом падения напряжения на открытых ЮВТ-транзисторах в точности равняется ЭДС Еа = 230 В на шинах постоянного тока. Для каждого последующего такта х силовой схемы АИ кривая напряжения и{Ь) отстаёт на величину, равную 360/(2Ы) = 20 электрических градусов, от предыдущего состояния.

Геометрическая аналогия КО и правильных многоугольников [127], позволяющая установить строгие аналитические соотношения между напряжениями на отдельной секции КО и напряжениями в максимальных хордах КО, была подробно рассмотрена ранее (см. 3.1).

а)

Кривая напряжения между началами секций 1 и 5 КО

б)

и с

О.

-400

400

300 т 230

1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—Г -Кривая напряжения и(;)..........Основная гармоника V ~ I

А

т

4 11

П

Е,

А

и

Такт ра5птм АИ с ТВМП (х)

4 Б 6 7

_I_I_I_

8 9 1С 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

_I_I_I_I__I__I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360° 40° 80° 120° 150° 200° 240° 280° 320° 360°

оЛ, электрические градусы Кривая напряжения между началами секций 1 и 6 КО

100

а;

в)

§. 0

ТО

1 -100 к го ш

3" -230 -300

-400

т—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г

-Кривая напряжения и(;)..........Основная гармоника V ~ I

Ть

I

к

(1

и

А

У

га

II

п

Н

4

У

и*

Такт ра5пты АИ с ТВМП (х)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1С 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

_I_I_I_I_I_I_I_I__I__I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

0° 40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320° 360° 40° 80° 120° 150° 200° 240° 280° 320° 360°

электрические градусы

Рисунок 4.1.1.4 - Кривые напряжений в КО при работе АИ с ТВМП:

а) между началами секций 9 и 5 и(Ъ) = и9 + щ + и2 + Щ + иА для такта х = 18;

б) между началами секций 1 и 5 и{Ъ) = и1 + и2 + и3 + и4 для такта х = 1;

в) между началами секций 1 и 6 и{ъ) = и1 + и2 + и3 + и4 + и5 для такта х = 2.

Рассмотрим электромагнитные процессы, происходящие при регулировании выходного напряжения АИ с ТВМП по величине и1 — Уаг. Регулирование выходного напряжения вниз от максимального возможного значения и™ах достигается уменьшением продолжительности т управляющих импульсов, удерживавших СКЛ в открытом состоянии (см. рисунок 1.3.1.1), при этом, как указано в 1.3.1, наибольшее значение, которое может принимать т, составляет ттах = Т/(2Ы), где Т - период выходного напряжения АИ, N - нечётное число пар СКЛ в составе ППК. Регулировочная характеристика АИ с ТВМП (т. е. зависимость напряжения в относительных единицах и^ = и1/и™ах от длительности т* = т/ттах вида и^ = И.(т*)) рассчитана с помощью разработанной математической модели и приведена на рисунке 4.1.1.5.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Продолжительность управляющих импульсов т*, %

Рисунок 4.1.1.5 - Регулировочная характеристика АИ с ТВМП

Из анализа рисунка 4.1.1.5 следует, что регулировочная характеристика АИ с ТВМП является крутопадающей, то есть небольшому сокращению продолжительности нахождения СКЛ в открытом состоянии соответствует значительное уменьшение действующего значения основной гармоники выходного напряжения и1.

В соответствии с отмеченным в 1.3.2 при регулировании выходного напряжения АИ увеличивается коэффициент гармоник кг по напряжению, а также уменьшается КПД / АИ (см. рисунок 1.3.2.8). С помощью разработанной математической модели данные характеристики рассчитаны и показаны на рисунке 4.1.1.6 в функции и как при отсутствии конденсаторов на стороне переменного тока (см. поз. 7.3 на рисунке 4.1.2), так и при их наличии с электроёмкостью С = 15 мкФ.

Из анализа рисунка 4.1.1.6 можно заключить, что представленный рисунок является частным случаем рисунка 1.3.2.8 в том случае, если алгоритм управления АИ с ТВМП выбран в соответствии с описанным вариантом в 1.3.1. Для более сложных алгоритмов управления из 1.3.2 с помощью разработанной математической модели могут быть получены характеристики, аналогичные представленным на рисунке 4.1.1.6.

Рисунок 4.1.1.6 - КПД и коэффициент гармоник по напряжению при регулировании выходного

напряжения АИ с ТВМП в случае активной нагрузки

Из анализа рисунка 4.1.1.6 можно также сделать вывод о том, что подключение фильтрующих конденсаторов в треугольник на стороне переменного тока (например, в рассматриваемом случае 3 шт. по 15 мкФ каждый между линейными проводниками, то есть в треугольник на линейное напряжение 380 - 400 В, при номинальной мощности АИ 12 кВ-А21) в качестве положительного эффекта даёт не только повышение КЭ, но также и существенно повышает КПД / комплекса особенно в режимах частичных мощностей при регулировании величины выходного напряжения и1.

Используя данные рисунка 4.1.1.6, а также руководствуясь требованиями ТТЗ на проектирование ПП [37], с помощью разработанной математической модели комплекса можно рассчитать необходимую электроёмкость конденсаторов в случае их обоснованного применения, а также определить остальные параметры комплекса.

В качестве примера иллюстрации данных из рисунка 4.1.1.6 на рисунке 4.1.1.7 приведены осциллограммы фазного напряжения АИ при регулировании его выходного напряжения, когда т* =85 % , при наличии С = 15 мкФ и отсутствии конденсаторов на стороне переменного тока.

21 Таким образом суммарная реактивная мощность конденсаторов на стороне переменного тока составляет около 19 % от номинальной выходной мощности, на которую рассчитан электротехнический комплекс с АИ с ТВМП.

■ Конденсаторы отключены

■ С - 15 мкФ

И)

X

X ф

к

к О.

С го

X ш

0 т

1

ч> т

0

1

500 400 300 200 100 о -100 -200 2 -300 -400 -500

0 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Время, мс

Рисунок 4.1.1.7 - Кривая фазного напряжения АИ с ТВМП при регулировании выходного

напряжения

В случае, рассмотренном на рисунке 4.1.1.7, выходное напряжение АИ составляет примерно и1 = 70 % от его максимального значения.

Стоит заметить, что вид характеристик, представленных на рисунках 4.1.1.5 и 4.1.1.6, может несколько изменяться в зависимости от совокупности параметров электротехнического комплекса, но разработанная математическая модель позволяет получить аналогичные характеристики для любых параметров электротехнического комплекса.

V 'и- - S9.fi %; 9 1 - 88.0 %; 2 - 0,45 % К - I 13.il Ом; 1 - 0.0 мГн; 0.0

5 = 6.46 кВ А; Р ~ 6.09 кВт; О = ! .12 к-В Ар ; Р^ = 6.68 кВт , 162. 3 В; 1 = 9:2 % Г

4.1.2 Работа одномостового АИ с ТВМП на активно-индуктивную нагрузку

В целях проверки работоспособности математической модели электротехнического комплекса в широком диапазоне мощностей рассмотрим теперь работу АИ с ТВМП номинальной мощностью 5 = 30 кВ ■ А на активно-индуктивную нагрузку соизмеримой мощности.

ТВМП для АИ с номинальной мощностью 30 кВ-А спроектирован в соответствии с положениями, изложенными в главе 3, и так же, как и в 4.1.1, выполнен на 9 пар СКЛ, поскольку математическая модель разработана на данное число пар СКЛ. Для другого числа пар СКЛ в составе ППК АИ (см. таблицу 3.2.1.1) математическая модель может быть перестроена с соответствующим изменением блоков-подмоделей, описанных в 4.1.

Параметры обмоток ТВМП приведены в таблице 4.1.2.2.

Таблица 4.1.2.2 - Параметры обмоток ТВМП с номинальной мощностью 30 кВ-А

Секция первичной КО Фаза вторичной ТО

Активное сопротивление = 15,7 мОм й2 = 73 мОм

Собственная индуктивность 11 = 6,1 мГн ¿2 = 131 мГн

ЭДС источника постоянного тока принята равной Еа = 230 В, а в качестве электрической нагрузки АИ выбрана активно-индуктивная нагрузка, эквивалентная АД, номинальные параметры которого были приведены в таблице 2.3.1, следовательно комплексное сопротивление на одну фазу (см. поз. 7.1 на рисунке 4.1.2), рассчитанное по (2.3.16), (2.3.17), установлено равным г = 4,82 + 2,10/.

Кривые фазного напряжения иА(€) и тока ¿А(£) АИ с ТВМП в установившемся режиме, полученные в результате математического моделирования, приведены на рисунке 4.1.2.1.

Фазное напряжение и,(}) ■ Фазный ток ¡,{{)

Время, мс

Рисунок 4.1.2.1 - Кривые напряжения и тока фазы А АИ с ТВМП при работе на активно-

индуктивную нагрузку мощностью 30 кВ-А

Ранее на рисунке 2.3.8 были представлены кривые напряжения иА(€) и тока ¿А(£) для данного режима работы АИ с ТВМП, рассчитанные аналитическим методом. Сравнение спектров кривых фазного напряжения, рассчитанных аналитическим методом (см. рисунок 2.3.9, а) и в результате математического моделирования в МАТЬАВ, приведено на рисунке 4.1.2.2.

Анализ рисунка 4.1.2.2 показывает, что, как и в случае работы АИ с ТВМП на активную нагрузку (см. рисунок 4.1.1.2), математическое моделирование даёт более точные результаты вследствие учёта собственных и взаимных индуктивностей фазных обмоток ТО и учёта электромагнитных процессов при коммутации СКЛ. Аналогично проведённое сравнение спектров кривых фазных токов показывает, что коэффициент гармоник по току для кривой синего цвета на рисунке 4.1.2.1 составляет к'Г = 3,24 % против значения в к'г = 1,15 % по результатам применения аналитического метода (см. рисунок 2.3.9, б). В результате сравнения можно выявить достоинство аналитического метода: при его относительной простоте частотный состав выходного напряжения рассчитан верно, вместе с тем относительный вес большинства высших гармоник оказался преуменьшенным.

Аналитический расчёт

Порядковый номер гармоники у

Рисунок 4.1.2.2 - Спектры фазных напряжений АИ с ТВМП, рассчитанные аналитическим методом и методом математического моделирования в МАТЬАВ

Из анализа рисунков 4.1.2.1, 4.1.2.2 следует, что коэффициент гармоник по напряжению кг при й — Ь нагрузке без применения дополнительных мероприятий составляет кг = 29 % , то есть существенно выше, чем при чисто активной (й) нагрузке, когда QL = 0, вследствие чего требуется подключение фильтрующих конденсаторов (см. поз. 7.3 на рисунке 4.1.2).

С помощью разработанной математической модели рассчитаны и приведены на рисунках 4.1.2.3, 4.1.2.4 характеристики, показывающие соответственно изменение коэффициента гармоник по напряжению кг и КПД / АИ при регулировании выходного напряжения (в относительных единицах и^) при отключённых конденсаторах (компенсация О %), а также при компенсации различной части реактивной мощности: 25 %, 50 %, 75 % и 100 % (полная компенсация).

Используя данные рисунков 4.1.2.3, 4.1.2.4, а также руководствуясь требованиями ТТЗ на проектирование ПП [37], с помощью разработанной математической модели комплекса не представляет сложности рассчитать необходимую электроёмкость конденсаторов в том случае, если требуется их применение для конкретных диапазонов регулирования выходного напряжения и и/или частоты f АИ с ТВМП.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 30 85 90 95 100

Выходное напряжение АИ и * , %

Рисунок 4.1.2.3 - Изменение коэффициента гармоник по напряжению и полной мощности 5 при регулировании выходного напряжения АИ с ТВМП при активно-индуктивной нагрузке

100 %

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Выходное напряжение АИ С/ * , %

Рисунок 4.1.2.4 - Изменение КПД ^ и обобщённого коэффициента мощности х при регулировании выходного напряжения АИ с ТВМП при активно-индуктивной нагрузке

Из анализа рисунков 4.1.2.3 и 4.1.2.4 следует, что даже частичная компенсация реактивной мощности (25 %, 50 %) на стороне переменного тока приводит к значительному улучшению КЭ и увеличению энергетических характеристик электротехнического комплекса с АИ с ТВМП (особенно при регулировании выходного напряжения и1) по сравнению с тем случем, когда компенсация реактивной мощности полностью отсутствует.

В качестве примера на рисунке 4.1.2.5 приведены кривые напряжения и тока для фазы А активно-индуктивной нагрузки АИ с ТВМП для случая, когда выходное напряжение уменьшено на 25 % от своего максимального значения {и{ = 75 %), и компенсация реактивной мощности установлена на уровне 50 %. Кривые рассчитаны при помощи разработанной математической модели электротехнического комплекса с АИ с ТВМП (см. рисунок 4.1.1).

Расчёты, проведённые по формуле (4.1.8), для кривой тока (кривая синего цвета на рисунке 4.1.2.5) показывают, что в рассматриваемом случае коэффициент гармоник по току составляет к'г = 0,86 %.

-Кривая напряжения и/1) -Кривая тока Ц()

Время, мс

Рисунок 4.1.2.5 - Кривые напряжения и тока фазы А активно-индуктивной нагрузки при уменьшенном на 25 % выходном напряжении АИ и компенсации реактивной мощности на

уровне 50 %

Оценка электроёмкости Cf (основной параметр для блока «Electric filters», см. поз. 7.3 на рисунке 4.1.2) для компенсации реактивной мощности в электротехническом комплексе с АИ с ТВМП производится, исходя из следующих соображений. Рассмотрим параллельное соединение индуктивного L и емкостного C элементов электрической цепи с потерями RL, Rc соответственно, показанное на рисунке 4.1.2.6.

Рисунок 4.1.2.6 - Электрическая нагрузка АИ с ТВМП, представленная параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов с потерями

Известно [12, 104], что в такой цепи круговая частота ш, на которой будет иметь место резонанс токов (а, следовательно, и равенство реактивных индуктивной QL и емкостной Qc мощностей) рассчитывается по формуле:

ш

\р2 - Rj

шо \~2 о2 '

(4.1.2.1)

|Р2 -R2

где ш0 = 1/VLC - круговая резонансная частота идеального параллельного колебательного контура, в котором RL =0, Rc = 0, р = ^L/C - волновое сопротивление.

В выражении (4.1.2.1) для полной (100 %) компенсации реактивной мощности Q в системе круговая частота ш должна соответствовать частоте выходного напряжения f = 50 Гц. Учитывая, что в рассматриваемом случае параметры электрической нагрузки АИ с ТВМП (см. рисунок 4.1.2.6) составляют Rc = 0 (сопротивлением проводов пренебрегается), RL = R, то после несложных преобразований формулы (4.1.2.1) получаем выражением для расчёта необходимой электроёмкости C в виде:

C= 2 j 2L i R 2 ■ (4.1.2.2)

w2L2 + R2

Формула (4.1.2.2) определяет электроёмкость C, соединённую в звезду, которую необходимо подключить на стороне переменного тока АИ с ТВМП, тогда как в блоке поз. 7.3 (см. рисунок 4.1.2) конденсаторы с электроёмкостью Су соединены в треугольник. Используя известные формулы пересчёта комплексных сопротивления zABC при трансфигурации звезды в треугольник и наоборот [12, 136] легко установить связь между величинами С и Су в виде:

Су = С/3 ■ (4.1.2.3)

Из анализа формулы (4.1.2.3) следует, что при выборе соединения компенсирующей и фильтрующей электроёмкости в треугольник, можно существенно (в три раза) уменьшить её значение, что положительно скажется на массе, габаритах и стоимости АИ с ТВМП. Эквивалентность соединения конденсаторов в звезду и в треугольник показана на рисунке 4.1.2.7.

Расчёт электроёмкости Су с использованием выражения (4.1.2.3) даёт значение 80 мкФ, необходимое для полной (100 %) компенсации реактивной мощности Q на стороне переменного тока, при этом для частичной компенсации электроёмкость должна быть установлена прямо пропорционально доле компенсируемой мощности Су~Q*.

Соединение компенсирующих Соединение компенсирующих

конденсаторов С в звезду конденсаторов С{ в треугольник

Рисунок 4.1.2.7 - Электрическая эквивалентность при соединении компенсирующих

конденсаторов в звезду и в треугольник

4.1.3 Работа одномостового ЛИ с ТВМП в аварийных режимах

Созданная математическая модель электротехнического комплекса с АИ с ТВМП предоставляет широкие возможности по исследованию не только нормальных, но также и аварийных режимов работы.

В качестве примера рассмотрим наиболее типичные (вероятные) аварийные ситуации для ПП, заключающиеся в выходе из строя одного СКЛ [89, 92], а также, учитывая специфику схемотехники ПП с ТВМП [45, 103], двух СКЛ различных групп (СКА и СКК), расположенных в различных плечах многофазного моста, не смежных друг с другом.

Предположим, что в нормальном режиме электротехнический комплекс с АИ с ТВМП, описанный в 4.1.2, работает на активно-индуктивную й — Ь нагрузку с компенсацией реактивной мощности Q в 50 % при максимальном выходном напряжении и = 100 %. Результаты математического моделирования такого комплекса показаны на рисунке 4.1.3.1. Алгоритм управления СКЛ соответствует приведённому в таблице 1.3.1.1.

Пусть в некоторый момент времени в ППК выходит из строя ЮВТ-элемент анодной группы УТ3.1 (см. рисунок 4.1.1), обрывая электрическую цепь в соответствующем месте. При неизменном алгоритме управления СКЛ (в соответствии с таблицей 1.3.1.1) результаты математического моделирования такого аварийного режима приведены на рисунке 4.1.3.2, где также для наглядности основные гармоники V = 1 фазных напряжений на нагрузке отмечены штриховыми линиями такого же цвета.

■ Фаза Л

■ Фаза В

■ Фаза С

500 400 300 200 100 0 -100 -200 л -300 -400 -500

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Время, мс

Рисунок 4.1.3.1 - Нормальный режим работы электротехнического комплекса с АИ с ТВМП мощностью 30 кВ-А на активно-индуктивную нагрузку при компенсации 50 % реактивной

мощности

m

ai" s i a)

✓4

CR CL С ПЗ I

tu o

X

X

oj и

0

1

I г/ =95.: /=91.3%; к2 = 0,00 1 1 R = 4.8 Ом; L = 1 1 1 6.7 мГн; Qs =0,44

5 = _ 28.90 кВ-А:Р = ■ i 28.14 кВт; Q = 6.16 кВ-Ар; Р = 30,41 кВт ■ иг 231.9 В; к = 2.2 %

■ Фаза A

■ Фаза В

■ Фаза С

C£¡

ai" s i

ai

^

Л es Q_

c пз

X

tu

0

1 X OJ

m

o

X

1000 800 600 400 200 0

-200 -400 ^ -600 -800 -1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Время, мс

Рисунок 4.1.3.2 - Аварийный режим работы электротехнического комплекса с АИ с ТВМП при

выходе из строя СКЛ анодной группы VT3.1

Как следует из анализа рисунков 4.1.3.1, 4.1.3.2, даже выход из строя одного СКЛ весьма существенно сказывается в негативную сторону на комплексе характеристик, отражающих функционирование АИ с ТВМП, а именно:

= 95.0 %; / Г' 1 1 1 1 /=82.3%; к2= 11.73 % 1 1 R = 4,8 Ом; Т,= 6,7 мГн; Q =0.44

т\ Л-Чц VV /д

¿у/ у- \ Sil Уг

Ху "¡J > К '

\ / V Л" V

S = 26,96 кВ-А; Р = ■ ■ 20,63 кВт: Q « i 4.52 кВ-Ар = 24.65 кВт i i í¿ = 197$ В; к 1 г . = 57.4 %

- выходное напряжение и1 по величине (в расчёте учитывается основная гармоника V = 1, что более показательно особенно при работе АИ на АД) снижается на 15 % (с 232 В до 198 В). Только одно такое уменьшение напряжения даже без учёта наличия обратной последовательности при работе АИ на АД привело бы снижению вращающего момента М на 27 %, поскольку М~^2 [22, 43].

- Активная мощность Р, отдаваемая АИ в сеть переменного тока, вслед за моментом М снижается на те же 27 % (с 28,1 кВт до 20,6 кВт).

- КПД / АИ снижается на 9 п. п. (с 91,3 % до 82,3 %), что выглядит особенно негативно при уменьшении отдаваемой мощности по абсолютной величине.

- Коэффициент гармоник кг стремительно возрастает на 55,2 п. п. (с 2,2 % до 57,4 %), при этом его значения для каждой из фаз становятся существенно различными: 78 % для фазы А, 62 % для фазы В, 32 % для фазы С.

- Выходная трёхфазная система напряжений становится несимметричной, появляется обратная последовательность, составляющая, как показывает расчёт (к2) , 12 % от прямой. Известно [84], что наличие обратной последовательности в питающем напряжении АД приводит к появлению обратно вращающегося поля и соответственно тормозного момента даже от МДС основной гармоники V = 1. Данное обстоятельство дополнительно снижает22 вращающий момент АД, что при сочетании неблагоприятных обстоятельств (малая перегрузочная способность машины, динамические нагрузки и т. д.) может привести машину в режим стоянки под током [101].

В целях сокращения отмеченных выше негативных факторов, возникающих при отказе одного из СКЛ в ППК АИ с ТВМП, предлагается, что адаптивная система управления должна диагностировать отказ соответствующего СКЛ, а затем перейти на резервный алгоритм управления. Определение конкретного вышедшего из строя СКЛ может быть проведено по спектру выходного напряжения ПП, наличию в нём гармоник определённого порядка с ожидаемой начальной фазой относительно начальной фазы основной гармоники. Данный метод для диагностики неисправности УВ с ТВМП был применён в [58], для АИ же такое исследование должно быть выполнено дополнительно.

Резервный алгоритм управления отличается от основного тем, что те состояния х (такты) работы АИ, в которых участвовал вышедший из строя СКЛ (а этих такта всегда два, в рассматриваемом случае такты 5, 6) не просто выбрасываются (исключаются), что фактически происходит на рисунке 4.1.3.2, а замещаются соседствующими тактами (такты 4, 7), поскольку пространственная ориентация магнитного поля в ТВМП в течение этих тактов наиболее близка к той, которая должна быть при нормальном режиме работы АИ. Очерёдность коммутации СКЛ при описанном резервном алгоритме управления приведена в таблице 4.1.3.1. В данном случае при переходе между тактами 5 и 6 происходит дискретный поворот магнитного поля в ТВМП на 60°.

22 В качестве примера можно отметить, что обрыв одной из фаз АД сокращает его вращающий момент ровно в 3 раза из-за совместного влияния двух факторов: уменьшения действующего значения напряжения прямой последовательности и появления отличного от нуля напряжения обратной последовательности.

Таблица 4.1.3.1 - Очерёдность коммутации СКЛ при резервном алгоритме управления вследствие выхода из строя СКА УТ3. 1

Такт х от 1 до 3 4 5 6 7 от 8 до 18

СКА в соответствии с таблицей 1.3.1.1 УТ2.1 УТ2.1 УТ4.1 УТ4.1 в соответствии с таблицей 1.3.1.1

СКК УТ7.2 УТ7.2 УТ8.2 УТ8.2

При резервном алгоритме управления СКЛ (в соответствии с таблицей 4.1.3.1) результаты математического моделирования аварийного режима показаны на рисунке 4.1.3.3. Для наглядности основные гармоники V = 1 фазных напряжений на нагрузке отмечены штриховыми линиями такого же цвета.

■ Фаза А

■ Фази В

■ Фаза С

сп

аГ

з;

I

О)

*

к

о.

с та х си

0

1 X

ш ш

0

1

600 500 400 300 200 100 о

-100 -200 -300 -400 -500 -600

_ Чг = 95.2%; щ =90,6%; А, = 2.75 % 1 1 1 1 1 6.7 мГн: д =0,44

Д 1 ■-1

/' \ У / / 4 д

V у<\

/ /V/ д / / / V

/ , ч / Г

¿/ Л /1 Ж

/ Л А

-- - -

~ 5 = 29.99 кВ-А; Р = 27.97 кВт; О = 6.12 кВ-Ар ■ = 30.46 кВт ■ = - 131.1 В; к Г « = 21.: _ % ■

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Время, мс

Рисунок 4.1.3.3 - Аварийный режим работы электротехнического комплекса с АИ с ТВМП при выходе из строя СКЛ анодной группы УТ3.1 в случае адаптивного изменения алгоритма

управления на резервный

Из анализа рисунка 4.1.3.3 следует, что переход системы управления на резервный алгоритм привносит значительные улучшения, поскольку по сравнению с нормальным режимом работы АИ с ТВМП (см. рисунок 4.1.3.1) выходное напряжение иъ активная мощность Р, КПД ^ практически не снижаются, а коэффициент несимметрии по обратной последовательности возрастает всего лишь до 2,8 % (вместо 11,8 % в том случае, если не переходить на резервный алгоритм управления), что не превышает предельное значение в 4 %, установленное стандартом [135]. Коэффициент гармоник по напряжению кг возрастает до 21,2 %, что 2,7 раза меньше по сравнению с вариантом на рисунке 4.1.3.2.

На основании приведённых доказательств, расчётов можно заключить, что

выход из строя одного любого СКЛ не является критичным отказом для электротехнического комплекса с АИ с ТВМП.

Кратко рассмотрим случай отказа двух СКЛ разных трупп (СКА и СКК), расположенных в различных плечах мнотофазното моста, не смежных друт с другом, например, СКА УТ3.1 и СКК УТ6.2. При неизменном алгоритме управления СКЛ (в соответствии с таблицей 1.3.1.1) результаты математического моделирования аварийного режима приведены на рисунке 4.1.3.4.

-Фаза А -Фаза В -Фаза С

1000 800 сп 600

1 400

*

200

х 0 ф о

| -200 со

о -400 5 -600

-800 -1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Время, мс

Рисунок 4.1.3.4 - Аварийный режим работы электротехнического комплекса с АИ с ТВМП при

выходе из строя двух СКЛ УТ3.1 & УТ6.2

Из анализа рисунка 4.1.3.4 следует, что такие же негативные эффекты (снижение напряжения и1, выходной мощности Р, КПД АИ стремительное увеличение коэффициентов кг, к2, различие кг по фазам) проявляют себя в ещё большей мере, чем в случае выхода из строя только одного СКЛ в составе ППК. Резервный алгоритм, на который должна перестроиться адаптивная система управления АИ в случае отказа двух СКЛ УТ3.1 & УТ6.2, должен быть установлен в соответствии с таблицей 4.1.3.2. Здесь магнитное поле в ТВМП два раза подряд претерпевает дискретный поворот на 60°.

Таблица 4.1.3.2 - Очерёдность коммутации СКЛ при резервном алгоритме управления вследствие выхода из строя двух СКЛ УТ3.1 & УТ6.2

Такт х 1 2 3 4 5 6 7 от 8 до 18

СКА УТ1.1 УТ1.1 УТ2.1 УТ2.1 УТ2.1 УТ4.1 УТ4.1 в соответствии с таблицей 1.3.1.1

СКК УТ5.2 УТ5.2 УТ7.2 УТ7.2 УТ7.2 УТ8.2 УТ8.2

При резервном алгоритме управления СКЛ (в соответствии с таблицей 4.1.3.2) результаты моделирования аварийного режима показаны на рисунке 4.1.3.5.

-Фаза А -Фаза В---Фаза С

700 600 500

ш 400

аГ

I 300

| 200

р- 100

1 о

си

° -100

ш -200

ш

| -300

2 -400 -500 -600 -700

О 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Время, мс

Рисунок 4.1.3.5 - Аварийный режим работы электротехнического комплекса с АИ с ТВМП при выходе из строя двух СКЛ УТ3.1 & УТ6.2 в случае адаптивного изменения алгоритма

управления на резервный

Из анализа рисунка 4.1.3.5 следует, что даже при одновременном отказе двух СКЛ в составе ППК, несмотря на значительное дальнейшее ухудшение качества выходного напряжения, АИ по-прежнему держит (см. рисунок 4.1.3.1 для нормального режима работы) номинальную мощность Р, выходное напряжение и1 и КПД что является несомненным достоинством электротехнического комплекса, в составе которого работает АИ с ТВМП. Коэффициент несимметрии по обратной последовательности к2 возрастает до 3,1 %, что опять-таки соответствует требованиям стандарта [135].

На основании приведённых доказательств, расчётов можно заключить, что

выход из строя двух СКЛ разных групп в различных плечах многофазного моста, не смежных друг с другом, не является критичным отказом для электротехнического

комплекса с АИ с ТВМП.

Кроме рассмотренных простых случаев, требуется проведение дополнительных исследований аварийных режимов работы АИ с ТВМП при различных комбинациях вышедших из строя СКЛ, а также при регулировании выходного напряжения по амплитуде и1. Данный комплекс исследований может проводиться самостоятельно с использованием разработанной математической модели электротехнического комплекса с АИ с ТВМП. Очевидно, что при неисправности СКЛ

его коллекторный ток 1Ау равномерно распределяется между другими ключами, временно «подменяющими» неработающий, что естественно приводит к увеличению коллекторного тока, пропускаемого ими, по сравнению с нормальным режимом работы. В силу отмеченного обстоятельства СКЛ должны быть выбраны с

Г! - Чг 1 1 1 = 95,1%; /7=89.1%; 1 .05 % 1 1 К = 4.8 Ом; 1 = 1 1 1 6.7 мГн: О, = 0.44

—Д. ч /_ - V ч-

1 ' ' / / 1 /

ич ууУ и/, /

\ / \ / у / / /

4 V'' л/ \ V /V V

А, /Г л /\

1 ]~щ/V 7 \ /ч I '' \

~ 1 -"' Т ~ ' "

- .V - 32.03 кВ-/ ^ Р 27.71 кВт; (2 6.07 кВ-Ар = 30.62 кВт | " - "1 - 130.0 В: к Г 35.; % -