CC BY
69
УДК 621.313.333
A.M. Галиновский, Е.М. Дубчак, Е.А. Ленская
РЕВЕРСИВНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ БЕСКОНТАКТНЫХ СИНХРОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ
Приведений аналіз роботи моделей трифазно-однофазних обертових реверсивних тиристорних перетворювачів безконтактних синхронних компенсаторів у системі схемотехнічного моделювання. Показано, що при комбінованому способі управління зустрічно включеними тиристорами можливі короткі замикання якірних обмоток збудників як приупереджуючому, так і при відстаючому кутіуправління тиристорами. Це необхідно враховувати прирозробці систем збудження безконтактних компенсаторів.
Приведен анализ работы моделей трехфазно-однофазных вращающихся реверсивных тиристорных преобразователей бесконтактных синхронных компенсаторов в системе схемотехнического моделирования. Показано, что при комбинированном способе управлении встречно включенными тиристорами возможны короткие замыкания якорных обмоток возбудителей как при упреждающем, так и при отстающем угле управления тиристорами. Это необходимо учитывать при разработке систем возбуждения бесконтактных компенсаторов.
ВСТУПЛЕНИЕ
Одна из важнейших проблем электроэнергетики
- регулирование реактивной мощности в электрических сетях, которое, в основном, осуществляется явнополюсными синхронными компенсаторами (СК). СК обеспечивают стабилизацию напряжения сети, позволяют с высоким быстродействием кратковременно увеличить до двукратного номинального зна-чения производство реактивной мощности в динамических режимах. Во всех рабочих режимах система возбуждения обеспечивает подачу токов возбуждения, включая режимы форсировок напряжения возбуждения и развозбуждения с возможностью реверса токов в обмотках при динамических возмущениях в электросистеме. В основном изготавливают бесконтактные СК (БСК). Для увеличения потребляемой реактивной мощности разрабатываются БСК с реверсивными системами возбуждения [2, 4, 6-12].
В работе [2] БСК с реверсивным возбуждением имеет две обмотки возбуждения, подключенные к двум синхронным возбудителям (СВ). Намагничивающая сила (НС) дополнительной обмотки составляет «15 % НС основной обмотки. В работах [6, 7] БСК имеет один СВ и реверсивный мостовой тиристорный преобразователь (ТП). Изменение тока возбуждения СК осуществляется изменением угла управления вращающихся тиристоров по определенному закону. Возможные токи короткого замыкания (КЗ) якорной обмотки СВ при переходе тока нагрузки ТП через нуль ограничиваются реакторами. Основной недостаток БСК [2, 7] - увеличенные вес и габариты.
В работах [8-10, 12] БСК имеет один СВ, токоограничивающие реакторы отсутствуют. Применен трехфазно-однофазный реверсивный ТП. Изменение величины и направления тока нагрузки ТП (тока возбуждения СК) осуществляется изменением величины и направления тока возбуждения СВ.
В работах [1, 8, 10, 12] рассматриваются трех-фазно-однофазные реверсивные ТП генераторов, возбуждаемых переменным током, и бесконтактных синхронных машин (БСМ) При изменении ЭДС источника питания по синусоидальному закону реверсивные ТП рассматриваются как непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией и модулированным напряжением (НПЧЕМ). В работах [8, 10] исследования проведены при разных способах управления НПЧЕМ. Показано: при управлении НПЧЕМ по частоте нагрузки и при совместном
управлении тиристорами по частоте заполнения [3] возможны КЗ источника питания; в НПЧЕМ с комбинированным способом управления [5] наилучшее качество формы кривой выходного напряжения [5], при упреждающих углах управления тиристорами можно избежать токов КЗ источника питания. Однако в работах недостаточно раскрыто влияние величины угла управления тиристорами на работу реверсивного преобразователя с комбинированным управлением.
Цель работы: исследование работы трехфазнооднофазного реверсивного тиристорного преобразователя с комбинированным способом управления при широком диапазоне изменения угла управления тиристорами, разработка рекомендаций по его применению в системе возбуждения БСК.
Исследуем преобразователь в системе схемотехнического моделирования Micro Cap (системе MC).
СХЕМА НПЧЕМ
Схема НПЧЕМ показана на рис. 1, где: Vab Уы, Vc1, Va2, Vb2, Vc2 - первый и второй источник питания; ra=rb=rc=ri, xa=xb=xc=xi - активные и индуктивные сопротивления источника; T1-T12 - тиристоры прямого и обратного блоков ТП; Rn, Ln - активное сопротивление и индуктивность нагрузки. В НПЧЕМ применены тиристоры B25RIA120, защищенные RC-цепями.
ЭДС источников питания:
ea1 = Em1 sin ; вЬ1 = Em1 sin( -120); ec1 = Em1 sin^t +120);
ea2 = Em2sin®2t; eb2 = Em2sin(ro2t “120); ec2 = Em2sin(ro2t + 120) ГДе Em1 Em2, ®/1 2'^‘fi\, ®i2 2^fi2.
На вход НПЧЕМ подаются биения напряжений:
ea = ea1 ^ ea2 = Em sin&3t • cos (tifit; еь = eM + eb2 = Em sin(ro3t -120) • cos a6t; ec = ec1 + ec2 = Em sin(ro3t +120) • cos ra6t; где Em=Em1+Em2, частота биений /б= \/n-fi2 | /2, юб=2л/б, частота заполненияf=fii+f2)/2, a3=2nf3.
T7 T8 T9
l T2 T3
Val Va2 ra xa
—пялгу
Vbl Vb2 rb xb
'"rCjh-—VA—
Vcl Vc2 rc xc
—VA—пялгу
Рис. 1. Электрическая схема модели НПЧЕМ
© А.М. Галиновский, Е.М. Дубчак, Е.А. Ленская
СОВМЕСТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НПЧЕМ ПО ЧАСТОТЕ ЗАПОЛНЕНИЯ Исследуем НПЧЕМ при частоте нагрузки/=/=0. Параметры схемы: Ет1=Ет2=55 В; /3=/=/2=138 Гц; полное сопротивление источника 2=1 Ом; относительная величина активного сопротивления кг= г,/х,=0; Я„=14 Ом; Ь„=0. Длительность сигналов управления по частоте /,=/ Тм=120°.
На рис. 2,а-с показаны зависимости напряжений и токов НПЧЕМ от угла 0=ю3-/1 при упреждающих углах управления: а) 0^=15°; Ь) Ои=24.37°; с) 0^=24.38°. Принятые обозначения: еа, еь, ес, 1а, 1Ь, 1С - ЭДС и токи источников питания (/,); ип, 1п - напряжение и ток нагрузки; би - сигналы управления тиристорами Т1-Т3; у -угол коммутации. На интервале угла коммутации поочередно включаются прямой и обратный вентили одного плеча ТП. Длительность работы обратного вентиля определяется величиной угла о^. Вентили работают поочередно группами 2-3. Этот режим сохраняется при увеличении Оц до величины угла 0^=24,37°, при котором у = 60° (рис. 2,6). При Ои>24,37° у>60°, появляются участки КЗ преобразователя с ип = 0. Это видно из диаграмм на рис. 2,с, рассчитанных при аи=24,38°. Наибольшие мгновенные величины токов источника (токи КЗ) увеличиваются примерно в 10 раз.
Исследуем НПЧЕМ с параметрами: Ет1=Ет2=110 В; 2=3 Ом; кг=0,5; Яп=14 Ом; Ьп=0; /л=134 Гц; /2=142 Гц; £=|/1+/й |/2 =138 Гц; /б=|//1 /2 =4 Гц; аи=18,2°. Анализ диаграмм напряжений и токов (рис. 2,ф показывает: при у>60° участки КЗ чередуются с участками рабочего режима преобразователя.
КОМБИНИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ НПЧЕМ На рис. 3, 4 показаны временные диаграммы напряжений и токов НПЧЕМ с параметрами: Ет1=Ет2=110 В; /=146 Гц; /2=148 Гц;
/= |/1 +/ 21 /2=147 Гц; /ь=\/л-/г2\/2=1 Гц; 2=2 Ом; кг=0,5; полное сопротивление нагрузки 2п=14 Ом; соБфп=0,9. Уставка тока нагрузки /и=0.5 А. Напряжения и токи НПЧЕМ (рис. 3) рассчитаны при углах управления: а) аи=45°; Ь) аи=15°; с) аи=5°; ф аи= -5°. На рис. 4 - фрагменты диаграмм напряжений и токов НПЧЕМ при аи=5°.
Все величины в системе относительных единиц (о.е.), в которой базовыми величинами приняты напряжение холостого хода (х.х.) и ток КЗ выпрямителя:
Ud 0 =
3л/3
Em =364B; Jdk = -
= 110A,
к zi
где Em=Em1+Em2=220 В - наибольшая амплитуда ЭДС источника питания. Все величины в о.е. выпрямителя обозначены нижним индексом (*).
На рисунках: ud0*=ud0/Ud}, un*=un/Ud0 - текущие значения напряжений выпрямителя в режимах х.х. и нагрузки; uT7* и uTJ0* - напряжения на тиристорах Т7 и Т10; aik- текущее значение амплитуды тока КЗ источника питания; sun и suo - сигналы управления тиристорами прямого и обратного блоков ТП.
При индуктивном характере нагрузки НПЧЕМ, комбинированном управлении тиристорами и достаточной величине упреждающего угла управления тиристорами с уменьшением амплитуды ЭДС источника питания поочередно наступают режимы короткого замыкания (КЗ), опрокидывания инвертора (ОИ) и инвертора (И).
u, B
100
0
-100
su
ea eb ec
i, A 10
0
-10
I
i’.-.v fZ.
ir in ib
/-N ✓K
V v v 4 /
Л A X
«■ 4. -^4 4 / V «
un, B; in, A 200
100
un
in
200
100
0
un
/
1 1 in
ii, A 200
0
-200
-Jb
ia
u, B 200
0
-200
in, A 20
0 60 120 c 180 240 300 0
ea, eb, ec
0
-20
"11 ЦП, ^111
111 ^Hfl |!H|K / III
ii, A 100
-100
125
250
d
Рис. 2. Диаграммы напряжений и токов НПЧЕМ при управлении по частоте заполнения
0
0
и*; 1*
еа*, еЬ*, ес*
Анализ диаграмм напряжений и токов показывает, что НПЧЕМ работоспособен при аи~50о-15° (рис. 3,а,Ь).
1.0
о
-1.0
0.2
0
-0.2
0.2
0
-0.2
1.0
0
-1.0
1п*
т
1п/а1к / |
г (
г !
0.05
-0.05
1
0
-1
5
У
Г ип*
иТ7* иТ10* —| )! 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
\ 1 1 1 1 1
иТ7* иТ10*
"1а*
1ь* \ , 1с*
1
1 /и*
" 1п/а1к
—\ -1и*
а1к* 1а*, 1ь*, 1с* ■«Я
^___1п*
■■
1.0
0
-1.0
0.2
0
-0.2
0.2
0
-0.2
Рис. 3. Диаграммы напряжений и токов НПЧЕМ при комбинированном законе управления
На рис. 3,а показаны режимы работы НПЧЕМ при аи=45°. Режим КЗ определяется между точками *я/лк=1 и 1п1ац=-1. Режимы КЗ и ОИ существенно искажают форму кривой напряжения ип*.
«ип
«и„
1 1 1 1 .1— и_
1 1 1 1 1
1 Г 1 1 г г
II 1 1 1 1
0.435 0.44
0.445
0.45
Рис. 4. Фрагменты диаграмм напряжений и токов НПЧЕМ при угле управления аи = 5°
При сравнительно малых упреждающих углах управления (рис. 3,с и рис. 4) режимы КЗ и ОИ в НПЧЕМ отсутствуют. Ток нагрузки замыкается через два вентиля тиристорного блока прямой (обратной) проводимости и затухает с постоянной времени нагрузки. Режим КЗ нагрузки затягивается. При 1п<йи сигналы управления подаются на тиристоры блока обратной (прямой) проводимости, что приводит к короткому замыканию источника питания. Это видно из фрагментов диаграмм напряжений и токов НПЧЕМ на рис. 4, где уставка тока нагрузки в о.е.
*и*=*и/!&=0,5/110=0,455. В зоне совместного управления тиристорами величина максимального мгновенного значения тока КЗ источника питания (/,тах) приближается к амплитуде установившегося тока КЗ источника питания, что может привести к повреждению БСК. Токи КЗ существенно зависят от величины со-
0
а
Ь
с
противления источника питания и коэффициента форсировки напряжения возбудителя БСК.
При отстающих углах управления тиристорами НПЧЕМ неработоспособен (рис. 3,d).
Таким образом, при комбинированном способе управления, в зоне совместного управления тиристорами принципиально возможны КЗ обмотки якоря возбудителя БСК как при упреждающем, так и при отстающем угле управления.
Результаты исследований могут быть применены при разработке бесконтактных асинхронизированных компенсаторов с двумя и тремя роторными обмотка -ми [11, 12].
ВЫВОДЫ
1. Исследования модели трехфазно-однофазного тиристорного преобразователя БСК в системе схемотехнического моделирования показали: при применении комбинированного способа управления встречно включенными тиристорами в зоне перехода тока нагрузки преобразователя через ноль возможны КЗ якорных обмоток возбудителя как при упреждающем, так и при отстающем угле управления тиристорами, что может привести к повреждению компенсатора.
2. Для обеспечения надежной работы системы возбуждения БСК целесообразно применять контроль состояния тиристоров.
3. Целесообразно провести сопоставительный анализ технико-экономических показателей бесконтактных синхронных и асинхронизированных компенсаторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брускин Д.Э. Генераторы, возбуждаемые переменным током. - М.: "Высшая школа", 1974. - 128 с.
2. Пекне В.З. Синхронные компенсаторы (конструкция, монтаж, испытания и эксплуатация). - М.: Энергия. 1980. -272 с.
3. А.с. №1104639 A СССР МКИ Н02 Р 13/30. Способ управления тиристорным преобразователем частоты./ А.М. Галинов-ский, Е.М. Дубчак, В.В. Працюк. Опубл. 1984, БИ № 27.
4. Герасименко Ю.Н. и др. Мощные синхронные компенсаторы с бесщеточными системами возбуждения // Электрические станции. - 1984. - № 8. - С. 16-19.
5. А.с. №1339821 A1 СССР МКИ Н02 M 5/42. Способ комбинированного управления тиристорным преобразователем частоты. / А.М. Галиновский Е.М. Дубчак. Опубл. 1987, БИ№ 35.
6. А.с. №1356130 CCCP МКИ Н02 Р 9/14. Синхронная машина с бесщеточной реверсивной системой возбуждения./ Ю.В. Зозулин, Ю.Е. Савельев, В.В. Кузьмин //Опубл. 1987, БИ № 44.
7. Кильдишев B.C., Тиристорные бесщеточные возбудители мощных синхронных машин./ B.C. Кильдишев, Г.А. Ко-вальков, В.В. Кузьмин, Ю.Е. Савельев // Электрические станции. - 1987. - №11. - С. 61-67.
8. Галиновский А. М. Исследование моделей трехфазнооднофазных и трехфазно-трехфазных возбудителей бесконтактных машин двойного питания / А.М. Галиновский, Е.М. Дубчак, М.А. Цюрила, Е.А. Ленская // Гидроэнергетика Украины. - 2006. - № 4. - С. 36-43.
9. Пат. № 22001 U Украша. МКИ H02P 9/14: Пристрш реверсивного безщ1ткового збудження синхронного компенсатора. / О.М. Гатновський, О.О. Ленська, £.М. Дубчак, Ю.Ю. Савелев // Опубл. 10.04.2007. Бюл. № 4.
10. Галиновский А.М. Электрические и эквивалентные схемы, исследование работы трехфазно-однофазных электромашинно-вентильных преобразователей с модулированным напряжением / А.М. Галиновский, Е.М. Дубчак, С.В. Коваленко, Е.А. Ленская // В1сник НТУ "ХП1". - 2008. - №45. - С. 17-35.
11. Антонюк О.В. Асинхронизированные неявнополюсные
компенсаторы / О.В. Антонюк, Н.Д Пинчук // Наука и технологии / Приборостроение. - 15.01.2010 г.
12. Галіновський О.М. Електромашинно-вентильні перетворювачі безконтактних синхронних та асинхронізованих компенсаторів / О.М. Галіновський, Є.М. Дубчак // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2012. - № 1. - С. 77-80.
Bibliography (transliterated): 1. Bruskin D.Eh. Generatory,
vozbuzhdaemye peremennym tokom. - M.: "Vysshaja shkola", 1974. - 128 s. 2. Pekne V.Z. Sinkhronnye kompensatory (konstrukcija, montazh, ispytanija i ehkspluatacija). - M.: Ehnergija. 1980. - 272 s. 3. A.s. №1104639 A SSSR MKI N02 R 13/30. Sposob upravlenija tiristornym preobrazovatelem chastoty./ A.M. Galinovskijj, E.M. Dubchak, V.V. Pracjuk. Opubl. 1984, BI № 27. 4. Gerasimenko Ju.N. i dr. Moshhnye sinkhronnye kompensatory s besshhetochnymi sistemami vozbuzhdenija // Ehlektricheskie stancii. - 1984. - № 8. - S. 16-19. 5. A.s. №1339821 A1 SSSR MKI N02 M 5/42. Sposob kombinirovannogo upravlenija tiristornym preobrazovatelem chastoty. / A.M. Galinovskijj, E.M. Dubchak. Opubl. 1987, BI № 35. б. A.s. №1356130 CCCR MKI N02 R 9/14. Sinkhronnaja mashina s besshhetochnojj reversivnojj sistemojj vozbuzhdenija./ Ju.V. Zozulin, Ju.E. Savel'ev, V.V. Kuz'min //Opubl. 1987, BI № 44. 7. Kil'dishev V.S., Tiristornye besshhetochnye vozbuditeli moshhnykh sinkhronnykh mashin./ V.S. Kil'dishev, G.A. Koval'kov, V.V. Kuz'min, Ju.E. Savel'ev // Ehlektricheskie stancii. - 1987. - №11. - S. 6167. 8. Galinovskijj A. M. Issledovanie modelejj trekhfazno-odnofaznykh i trekhfazno-trekhfaznykh vozbuditelejj beskontaktnykh mashin dvojjnogo pitanija / A.M. Galinovskijj, E.M. Dubchak, M.A. Cjurila, E.A. Lenskaja // Gidroehnergetika Ukrainy. - 2006. - № 4. - S. 36-43. 9. Pat. № 22001 U Ukraina. MKI H02P 9/14: Pristrijj reversivnogo bezshhitkovogo zbudzhennja sinkhronnogo kompensatora. / O.M. Galinovs'kijj, O.O. Lenska, G.M. Dubchak, Ju.Ju. Savelev // Opubl. 10.04.2007. Bjul. № 4. l0. Galinovskijj A.M. Ehlektricheskie i ehkvivalentnye skhemy, issledo-vanie raboty trekhfazno-odnofaznykh ehlektromashinno-ventil'nykh preobrazovatelejj s modulirovannym naprjazheniem / A.M. Galinovskijj, E.M. Dubchak, S.V. Kovalenko, E.A. Lenskaja // Visnik NTU "KhPI". -2008. - №45. - S. 17-35. 11. Antonjuk O.V. Asinkhronizirovannye nejavnopoljusnye kompensatory / O.V. Antonjuk, N.D. Pinchuk // Nauka i tekhnologii / Priborostroenie. - 15.01.2010 g. 12. Galinovs'kijj O.M. El-ektromashinno-ventil'ni peretvorjuvachi bezkontaktnikh sinkhronnikh ta asinkhronizovanikh kompensatoriv / O.M. Galinovs'kijj, G.M. Dubchak // Visnik Vinnic'kogo politekhnichnogo institutu. - 2012. - № 1. - S. 77-80.
Поступила (received) 15.06.2013
Галиновский Александр Михайлович1, к.т.н., доц.,
Дубчак Евгений Михайлович1,
Ленская Елена Александровна2
1 Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт",
кафедра электромеханики,
03056, Киев, просп. Победы, 37,
тел/phone: +38 044 4068238, e-mail: alga 40@mail.ru
2 Отдел НТ политики Департамента технической политики Национальное агентство Украины по вопросам обеспечения эффективного использования энергетических ресурсов, 04112, Киев, ул. Ивана Гонты, 1,
тел/phone: +38 044 4564835
Galynovskiy AM.1, Dubchak EM.1, Lenskaya E.A.2
1 National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute" 37, Prospect Peremohy, Kyiv-56, 03056, Ukraine
2 State Agency on Energy Efficiency and Energy Saving of Ukraine 1, Ivan Gonta Str., Kyiv, 04112, Ukraine
Reversible thyristor converters of brushless synchronous compensaters.
Behavior of models of three-phase-to-single-phase rotary reversible thyristor converters of brushless synchronous compensators in a circuit simulation system is analyzed. It is shown that combined control mode of opposite-connected thyristors may result in the exciter armature winding short circuits both at the thyristor feed-forward and lagging current delay angles. It must be taken into consideration when developing brushless compensator excitation systems.
Key words - thyristor converter, synchronous compensators, modeling, analysis.
