ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ПЕРВИЧНОГО ТОКА ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПРИ УПРАВЛЕНИИ С ДВУКРАТНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ ВЕНТИЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются действия высшей гармоники на гидроэлектрических станциях систем управления и автоматизация основных проблем с двойным переключением клапанов для датчиков с естественным переключением, а также неблагоприятные гармонические составы первичного тока.

ABSTRACT

This article discusses the actions of higher harmonics at hydroelectric power plants of control systems and automation, the main problems with double switching of valves for sensors with natural switching, as well as unfavorable harmonic compositions of the primary current.

Ключевые слова: первичные преобразователи, вентили, естественная коммутация, двукратное включение, первичный ток трехфазный мостовой преобразователь.

Keywords: Sensors, valves, natural switching, double switching, primary current three-phase bridge converter.

Введение

Гидроэлектростанция – это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию. Деривационные ГЭС обычно строят в тех местах, где река имеет довольно большой уклон. Таким образом, отпадает необходимость в сооружении водохранилища, а вода через специальные водоводы (тоннели или каналы) попадает прямиком к зданию ГЭС. Впрочем, даже на деривационных ГЭС нередко стараются возводить небольшие водохранилища (бассейны суточного регулирования), чтобы иметь определенные возможности по регулированию стока и соответственно изменять выработку электроэнергии в зависимости от потребностей энергосистемы. На гидроэлектростанции предусмотрен высокий уровень автоматизации основного и вспомогательного оборудования. В сочетании с обеспечением высокой надежности и удобств эксплуатации средств управления и автоматики достигается большая оперативность управления технологическим процессом многоагрегатной гидроэлектростанции при минимальной численности дежурного персонала. Оперативное управления ГЭС централизовано и осуществляется через автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП), созданную на базе управляющего вычислительного комплекса (УВК). Управление ведется с центрального поста управления (ЦПУ). Здесь размещаются все необходимые средства управления, включая АСУ ТП, и организовано два рабочих места для дежурного персонала гидроэлектростанции [5, с.12-14]. Следовательно, для удовлетворения нужд производства в электроэнергии разных видов и параметров, а также для эффективного управления ее распределением необходимы различные преобразовательные устройства.

Первичные преобразователи наиболее качественно удовлетворяют перечисленным требованиям. Они имеют малые габариты и вес, потребляют  малую мощность управления, обладают высоким быстродействием, а их универсальность позволяет создавать самые разнообразные устройства. Все эти качества открывают широкие возможности для их применения.

Основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения и автоматизированных систем являются:

а) повышение токов и напряжений высших гармоник вследствие параллельного и поочередного резонансов;

б) понижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии;

в) старение изоляции электрические датчики и сокращение вследствие этого срока его службы;

г) погрешности работы электрических датчиков.

Методология

Способ управления с двукратным включением вентилей для датчиков с естественной коммутацией был предложен О.А. Маевским. В дальнейшем этот способ был распространен на датчики с принудительной коммутацией.

Авторами был выполнен анализ гармонического состава первичного тока трехфазного мостового преобразователя (рис.1 а) с принудительным двукратным включением вентилей и исследованы пути снижения мощности искажения. Для многих первичных преобразователей тока, выполняющих функции источников электропитания, такая способность может быть достигнута только путем завышения номинальных параметров этого оборудования. В частности, в современных генераторных установках переменного тока сверхпереходное реактивное сопротивление составляет приблизительно 15%, что производит достаточно неблагоприятное воздействие на форму напряжения, если не используются специальные обмотки или мощность генератора не будет выбрана заведомо завышенной.

Современные источники бесперебойного питания (ИБП) способны контролировать форму напряжения на каждом полупериоде синусоиды. В настоящее время в подавляющем большинстве систем бесперебойного питания практически любой мощности используются инверторы на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) при высокочастотном широтно-импульсном методе их управления [4, с.2]. Такие системы обладают способностью питания нагрузок с высокими коэффициентами амплитуды тока (3 и выше) за счет переключений на высокой частоте и корректировке формы напряжения на каждом полупериоде. Эта способность отдавать ток с высокими пиковыми значениями может приводить к тому, что форма напряжения на выходе ИБП с двойным преобразованием энергии заметно лучше, чем у промышленной сети на входе системы.

Разложение кривой первичного тока (рис. 1 б) при управлении с принудительным двукратным включением вентилей трехфазного мостового преобразователя позволяет получить следующее выражение для амплитуд различных гармонических составляющих первичного тока:

,                            (1)

где   -угол задержки при первом включении вентилей (второй раз вентили включаются с задержкой равной ).

При , как и при симметричном управлении, получим

                                  (2)

Разделив (1) на (2),

                                                (3)

Можно найти, что максимального значения, равного

                                        (4)

Высшие гармонические достигают при углах, равных

                                                   (5)

Таким образом, из выражений (1) и (3) следует, что при управлении с двукратным принудительным включением вентилей в потребляемом трехфазным мостовым преобразователем, токе содержатся только канонические, для данной схемы высшие гармонические, однако, изменяясь в процессе регулирования выпрямленного напряжения, их амплитуда может достигать значений, вдвое больших, чем в трехфазном мостовом преобразователе с симметричным управлением.

Для сравнения рассмотрим гармонический состав первичного тока трехфазного мостового преобразователя при поочередном управлении по закону  (где - углы управления вентилями анодной и катодной групп вентилей соответственно).

Разложение кривой первичного тока (рис.1в) при управлении по закону  позволяет получить следующее выражение для амплитуд гармонических составляющих

                                     (6)

Анализ выражения (6) показывает, что в кривой потребляемого из сети тока отсутствуют только 3-я и все кратные ей гармонические В процессе регулирования выпрямленного напряжения амплитуды гармонических изменяются, достигая при определенных значениях  своего максимального значения и снижаясь до нуля при других. Из (1) следует, что канонические для трехфазной мостовой схемы гармонические, изменяясь в процессе регулирования выпрямленного напряжения, не выходят за пределы значения , которые они имеют в трехфазном мостовом преобразователе при обычном (симметричном) управлении. Однако при  в кривой потребляемого преобразователем токе появляются четные гармонические, не кратные трем  которые и обусловливают низкий коэффициент мощности преобразователя. Фильтрация этих гармоник, особенно 2-й и 4-й, требует применения громоздких фильтров.

Коэффициент мощности трехфазного мостового выпрямителя при принудительном двукратном включении вентилей рис.1г (кривая 2) не намного выше, чем при управлении вентильными группами по закону  рис.1г (кривая 1), однако гармонический состав потребляемого из  сети тока более благоприятен: в нем содержатся только канонические для фазной мостовой схемы гармоники, а сравнительно небольшой эффект в повышении коэффициента мощности объясняется тем, что при управлении с двукратным включением вентилей максимальные значения амплитуд высших гармоник оказываются в два раза выше, чем при обычном (симметричном) управлении[4,с.1].

Из вышеизложенного можно прийти к выводу, что наиболее высокие энергетические показатели без ухудшения прочих рабочих свойств могут быть получены в выпрямителе с принудительным двукратным включением вентилей,

При установке фильтров 5-й и 7-й гармоник действующее значение потребляемого из сети тока в относительных единицах можно определить по формуле

Коэффициент мощности при этом можно рассчитать по формуле

                                         (8)

Эта зависимость построена на рис.1г(кривая 3). Сравнивая ее с аналогичной без фильтров высших гармоник зависимостью на рис.1г (кривая 2) можно сделать вывод, что трехфазный мостовой выпрямитель с принудительным двукратным включением вентилей и фильтрами 5-й и 7-й гармоник имеет достаточно высокий коэффициент мощности. Коэффициент мощности в этом случае может быть рассчитан по формуле

      (9)

Эта зависимость также изображена на рис.1г (кривая 4), причем в среднем коэффициент мощности получателя в этом случае выше, чем в трехфазном двух мостовом выпрямителе при управлении вентилями отдельных мостов по закону .

Экспериментальные данные

Таким образом, наиболее перспективным следует считать применение управления вентилями трехфазного моста с принудительным двукратным их включением при одновременной установке на стороне переменного тока резонансных индуктивно-емкостных фильтров наиболее мощных высших гармоник. Такой способ повышения энергетических показателей трехфазных мостовых выпрямителей намного эффективней применения тиристорных источников реактивной мощности, так как в обоих случаях требуется устанавливать фильтры высших гармоник примерно одинаковой мощности, но при управлении вентилями моста с принудительным двукратным их включением не требуется регулируемый источник реактивной мощности, размеры которого соизмеримы с размерами самого выпрямителя.

При наличии высших гармоник в электрических цепях со сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут быть представлены блоки, узлы и распределительные сети системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы.

Заключение

Развитие силовой преобразовательной техники стимулируется непрерывным ростом потребляемой электроэнергии с использованием устройств, работающих на постоянном токе и устройств с использованием электроэнергии переменного тока с другими параметрами по частоте, отличной от генерируемой 50-60 Гц.

Твердотельные полупроводниковые приборы на базе запираемых тиристоров (GTO, IGCT), мощных полевых транзисторов с запираемым затвором (IGBT) позволили резко увеличить единичную мощность до нескольких МВА(мегавольт Ампер), а также улучшить их динамические показатели по временам включения и отключений силовых цепей.

Все это позволило создавать мощные преобразовательные подстанции для питания электротранспорта, мощных электроприводов прокатных станов, электротехнологических установок и других потребителей. Наряду с мощными потребителями имеются многочисленные локальные потребители, где используются постоянный ток (медицина, гальваника, бытовая техника). Для того чтобы правильно спроектировать любое преобразовательное устройство необходимо выполнить ряд требований по обеспечению определенных технологических характеристик, энергетических и других показателей (как потребителей электроэнергии от питающей системы переменного тока). При наличии высших гармоник в электрических цепях со сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут быть представлены блоки, узлы и распределительные сети системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы. Предлагаемое статья позволит дать необходимые ответы по выбору схемы датчика, выбору элементной базы, определению энергетических характеристик, влиянию преобразовательных установок на питающую сеть и разработать мероприятия по обеспечению электромагнитной совместимости систем управление и автоматизации гидроэлектростанциях  и их специальных нужд.

Список литературы:

1. Маевский О.А. Трехфазные симметрично управляемые вентильные датчики с двукратным включением вентилей. – В кн. Преобразовательная техника. Вестник Харьковского политехнического института, ввеп. 3, 1968, с. 6-16.
2. Латышко В.Д. Способ управления многофазным вентильным преобразователем с искусственной коммутацией/. Опубликован в 1973, №43.
3. Костырев М. Л., Скороспешкин А. И. Автономные асинхронные генераторы с вентильным возбуждением. – М. : Энергоатомиздат, 1993. – 160 с.
4. В. П. Климов, А. Д. Москалев. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания. Универсальная энергосберегающая система NRG. ООО «Альтернативная Энергетика РО» 196247, Санкт-Петербург, пл. Конституции, 2.
5. Геополитические и экологические проблемы гидроэнергетических плотин. https://leg.co.ua/stati/gidroenergetika-i-geopolitika-pobediteli-i-proigravshie-na-indiyskom-subkontinente.html
6. Патент РУз. №03591. Устройство для преобразования постоянного тока в переменный/Амиров С.Ф., Халиков А.А., Шойимов Й.Ю. , Хушбоков Б.Х., Балгаев Н.Э.//Расмий ахборотнома. – 2008. – №2.