CC BY
21Судовая и промышленная энергетика
УДК 621.751
Г. И. Коробко, к. т. п., доцент.
С. В. Попов, к. т. н., старший преподаватель, ВГАВТ.
А. В. Бишлешов, инженер-электронщик, ООО «Волга».
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ТОКЕ И НАПРЯЖЕНИИ СУДОВОЙ СЕТИ
В настоящее время в связи с использованием на судах мощных статических преобразователей достаточно остро встает проблема снижения искажений напряжения судовой сети. В статье предлагается способ снижения искажений на основе статического компенсатора высших гармоник тока.
В судовых электроэнергетических установках с достаточно мощными преобразовательными устройствами появляется необходимость ограничения степени искажения напряжения сети, что может быть достигнуто путем снижения величины высших гармоник в потребляемом преобразователями токе. Эта задача обычно решается тремя путями [1 ]:
1. Между преобразователем и сетью включаются резонансные фильтры, представляющие собой последовательно соединенные индуктивность и емкость. Фильтры настраиваются на подавление наиболее опасных гармоник. В широко распространенных схемах с шестифазным режимом такими гармониками являются пятая и седьмая.
2. Повышением числа фаз выпрямителя преобразователя.
3. Компенсация гармоник на основании различных схем включения первичных обмоток силовых согласующих трансформаторов.
Как показывает практика, включение фильтров связано с увеличением габаритов и массы преобразовательной установки и требует периодических операций по настройке схемы компенсации гармоник. Многофазные схемы выпрямления, в частности 12-фазная, отличаются высокой стоимостью. Применение трансформаторных схем нерационально из-за их высоких массогабаритных,показателей.
Предлагаемый принцип стабилизации формы напряжения в судовой сети заключается в компенсации высших гармоник тока, генерируемых статическим преобразователем, за счет включения на его вход устройства регулируемой вольтодобавки (отбавки).
Вольтодобавочное устройство обеспечивает формирование такого выходного напряжения, которое скомпенсирует искажения сетевого напряжения за счет генерирования в сеть спектра гармоник тока, находящихся в противофазе с гармониками, генерируемыми статическим преобразователем. Очевидно, что для генерирования всего спектра гармоник, вольтодобавочное устройство должно иметь бесконечную полосу пропускания. Однако в этом нет необходимости, поскольку на искажение формы напряжения в основном влияет ограниченное число гармоник тока высших порядков. Так при работе 3 фазного мостового выпрямителя основными гармониками тока, искажающими форму напряжения, являются 5, 7, 11 и 13. Более высокие гармоники имеют меньшую амплитуду, а эквивалентное сопротивление элементов СЭЭС возрастает с увеличением порядка гармоники. Таким образом, для компенсации всех высших гармоник до 13 полоса пропускания вольтодобавочного устройства должна быть в пределах 650 Гц. Для преобразователей, построенных на основе 12 фазной схемы выпрямления, где наиболее существенными являются 11, 13, 23 и 25 гармоники тока, полоса пропускания должна быть в 2 раза шире, т. е. составлять 1300 Гц.
Очевидно, что такую высокую частоту пропускания могут обеспечить только широт-но-импульсные преобразователи при их собственной частоте модуляции на 1-2 порядка выше, чем частота 13 (25) гармоник, т. е. частота коммутации должна составлять 1СН-50кГц. Подключение ШИП к сети производится через вольтодобавочный трансформатор, мощность которого должна определяться в соответствии с мощностью преобразователя и эквивалентной мощностью высших гармоник. Питание ШИП осуществляется от неуправляемого выпрямителя, который сам является источником, генерирующим в сеть высшие гармоники. Следовательно, схема выпрямителя и его подключение к сети должны реализовываться таким образом, чтобы свести к минимуму вносимые им искажения. Так, например, если выпрямитель силового преобразователя выполнен по бестрансфор-маторной мостовой схеме с входным реактором, то включение выпрямителя ШИП через согласующий трансформатор, собранный по схеме звезда-треугольник, уже позволяет частично скомпенсировать 5 и 7 гармоники, генерируемые в сеть силовым преобразователем. Аналогичные варианты могут быть найдены и при других схемах выпрямителя силового преобразователя и способах его подключения.
Функциональная схема компенсатора показана на рис. Она может быть выполнена на базе трех однофазных вольтодобавочных трансформаторов, включенных в каждую из трех фаз [2]. Синхронный генератор в, вырабатывает электроэнергию, поступающую к потребителям, представляющим собой линейную нагрузку. Через устройство компенсации питается статический преобразователь частоты СП, обеспечивающий регулирование частоты вращения 3 фазного асинхронного двигателя - М, представляющий собой источник высших гармоник тока. Мощность электродвигателя, а, следовательно, и мощность преобразователя, соизмерима с мощностью генератора электростанции. Так как преобразователь частоты представляет собой автономный инвертор со звеном постоянного тока, то процесс коммутации силовых диодов входного выпрямителя будет искажать форму напряжения СЭЭС. Компенсация искажения обеспечивается вольгодобавочнымн трансформаторами ТКТЗ, вторичные обмотки которых включены последовательно с нагрузкой (статическим преобразователем). Первичные обмотки вольтодобавочных трансформаторов питаются от широтноимпульсных преобразователей ШИШ-НШИПЗ, на входе которых формируется огибающая напряжения, пропорциональная величине и форме отклонения реального напряжения СЭЭС от эталонного гармонического. Питание ШИП постоянным напряжением обеспечивает выпрямитель - В. Но его входе установлен согласующий трансформатор 'Г, включение обмоток которого зависит от схемы включения и фазности выпрямителя статического преобразователя - СП. Управление ШИП обеспечивается системами управления СУКСУЗ, представляющими собой ШИМ-контроллеры, которые обеспечивают преобразование аналогового сигнала управления ЦУ в последовательности импульсов, задающих работу силовых ключей ШИП. Для формирования сигналов управления в системе использован 3 фазный генератор эталонных синусоидальных напряжений, синхронизированных с сетью - ГСН. Эталонное напряжение каждой из фаз сравнивается в устройстве сравнения - СУ с текущим значением напряжения судовой сети, поступающим от датчика напряжения - ДН.
Таким образом, на выходе сравнивающего устройства будет присутствовать сигнал рассогласования, содержащий в себе величину отклонения от номинального (эталонного) значения основной (первой) гармоники напряжения и высокочастотную составляющую. Последняя представляет собой сумму всех (поддающихся измерению) высших гармоник напряжения, возникающих в судовой сети, вследствие генерирования статическим преобразователем в сеть высших гармоник тока.
Судовая и промышленная энергетика
Рис.
Для выделения из сигнала рассогласования только высших гармоник в схеме применен полосовой фильтр - ПФ, обеспечивающий передачу (пропускание) гармоник с 5 по 25 с коэффициентом, равным 1. Основная гармоника и гармоники более высоких порядков (выше 25) ослабляются фильтром на порядок и более. Фильтр рассчитывается и выбирается таким образом, чтобы фазовый сдвиг в полосе его пропускания был близок к нулю. Сигнал с выхода полосового фильтра поступает на вход регулятора напряжения PH, где усиливается, а затем дифференцируется с целью исключения из сигнала управления UY постоянной составляющей.
Поскольку величина основной гармоники в сигнале рассогласования может достигать значительной величины, особенно в динамических режимах работы судовой электростанции, задача ее компенсации данным устройством не ставится. Указанная проблема должна решаться другими средствами и методами, хотя, в принципе, стабилизация напряжения на зажимах генератора может быть обеспечена системами вольтодобавки [3].
При наличии нескольких статических преобразователей они должны быть подключены к выходу компенсирующего устройства.
Предложенный компенсатор, хотя и представляет собой достаточно сложное устройство, однако обеспечивает эффективную компенсацию высших гармоник и не требует периодической подстройки параметров схемы компенсации. С его помощью можно по выбору компенсировать любой спектр гармоник тока, а по массогабаритным показателям данное устройство существенно выигрывает у многофазных и трансформаторных схем.
Список литературы
[1] Шейнихович В В., Климаном О.Н. и др. Качество электрической энергии на судах: Справочник. -Л.: Судостроение, 1988. - 160 с.
[2] Попов С.В. Анализ схемных решений построения трехфазных вольтодобавочных стабилизаторов // Труды НГТУ «Актуальные проблемы электроэнергетики». - Том 59. - 2006. - С. 88-90.
[3] Коробко Г.И., Попов С.В. Судовые стабилизаторы переменного напряжения на базе вольто-добавочных устройств с накопителем электроэнергии // Материалы НТК проф. преп. состава .. Юбилейный выпуск. - Ч. 3. -ВГАВТ. - 2005. - С. 272.
WAYS OF REDUCTION IN MAXIMUM HARMONICS IN THE CURRENT AND PRESSURE OF THE SHIP NETWORK
G. I. Korobko, S. V. Popov, A. V. Rishletov
Now in the connection with the use of powerful static converters on ships there is a sharp problem of the reduction in distortions of ship network pressure. The way of the reduction in distortions on the basis of the static equalizer of the maximum harmonics of current is offered in the article
УДК 621.313.3
О. С. Хватов, с), т. н., профессор ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
АСИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
Рассмотрены вопросы управления асинхронными генераторными комплексами переменной частоты вращения в составе различных автономных электроустановок.
