Скачать книгу из которой взят данный материал
§ 6.1. Общие положения
В описанных вентильных электрических машинах осуществлялось промежуточное взаимное преобразование электроэнергии переменного и постоянного тока с помощью полупроводниковых устройств, органически объединенных с базовой машиной. Однако такое объединение в ряде случаев затруднительно (например, из-за сильного различия напряжений сети и машины), поэтому приходится использовать БЭМ совместно с автономными трансформаторно-вентильными преобразователями. Кроме того, интерес к таким преобразователям определяется следующими соображениями.
В автономных электроэнергетических установках, как правило, имеются системы постоянного и переменного тока, передача энергии между которыми осуществляется с помощью трансформаторно-выпрямительных или инверторных преобразователей. Во многих случаях такие преобразователи применяются непосредственно для питания автономных потребителей. Они могут также обеспечивать стабилизацию параметров электроэнергии в АЭУ.
Мощности трансформаторно-вентильных преобразователей для АЭУ непрерывно возрастают, достигая десятков и сотен киловатт, повышаются требования к компактности их конструктивного исполнения и качеству преобразования энергии. Преобразователи обычно работают с относительно высокими плотностями тока благодаря интенсивному охлаждению активных элементов или их кратковременному циклическому включению и характеризуются повышенной частотой переменного тока. Кроме того, преобразователи во многих случаях должны быть регулируемыми и выпол-
няться на тиристорах. Регулирование напряжения путем переключения ответвлений обмоток трансформатора для АЭУ малопригодно. Плавное быстродействующее регулирование вентильного преобразователя позволяет использовать трансформаторы с повышенными номинальными падениями напряжения и соответственно с улучшенными массогабаритными показателями. Такие трансформаторы заметно отличаются от своих общепромышленных аналогов. Их сердечники, имеющие небольшие размеры, обычно набираются из однотипных листов или навиваются из стальной ленты и имеют прямоугольное сечение стержней, а обмотки выполняются в виде катушек прямоугольной (или близкой к ней) формы с относительно высокими коэффициентами заполнения сечения активным проводом. Магнитные индукции в сердечниках могут иметь повышенные значения при использовании специальных магнитных сталей (типа гиперко).
При расчете трансформаторов для АЭУ часто рассматривается большое число вариантов из-за дополнительных ограничений по массогабаритным показателям, в связи с поиском оптимальных структур АЭУ, согласованием характеристик трансформатора и вентильного преобразователя и т. п. Поэтому классическая теория трансформаторов применительно к подобным задачам нуждается в модификации, связанной с сокращением времени расчетного цикла, отказом от использования большого числа эмпирических коэффициентов, полученных из практики расчета общепромышленных установок, учетом увеличенных электромагнитных нагрузок и особенностей конструктивного исполнения трансформаторов АЭУ.
§ 6.2. Трансформаторно-выпрямительные преобразователи
Общая схема трансформаторно-выпрямительного преобразователя (ТВП) приведена на рис. 6.1. Схема содержит трансформатор Тр, тиристорный выпрямитель В с системой управления СУ и дроссель Д, обеспечивающий сглаживание пульсаций и постоянство выпрямленного тока /<*. Мгновенные значения напряжений и (О) и токов /(О) (где О = со0 смежных фаз непосредственно за выпрямителем характеризуются кривыми, представленными на рис. 6.2. Момент включения тиристоров определяется углом управления а; коммутация происходит в пределах угла у. В межком-мутационные периоды ток на входе в выпрямитель (вторичный ток трансформатора) равен выпрямленному току 1а, а в период коммутации и = /дО/у для включающегося вентиля и /2=/^( 1— —О/у) для отключающегося вентиля, т. е. коммутация считается линейной (см. § 5.2, 5 3). Как и для ВГ, кривые м(О) и /(О) относятся к рабочим полуволнам напряжения для схем с нулевым выводом (пп— 1) и мостовых схем (пп = 2). В последнем случае отрицательные полуволны напряжения на рис. 6.2 для простоты не показаны.
Процессы в ТВП и их параметры. Электромагнитные процессы в ТВП идентичны процессам в вентильных генераторах, поскольку в обоих случаях многофазная обмотка (якорная в ВГ или вторичная трансформаторная в ТВП) подключается к управляемому выпрямителю. Вместо действующего значения тока ВГ и его полной мощности используются соответственно действующий ток и полная мощность трансформатора ТВП. Некоторые различия расчетных моделей ВГ и ТВП проявляюся в определении коммутационного индуктивного сопротив-
Рис. 6.2. Фазные напряжения и токи ТВП
ü Id
и, Тр У г І2
«тез
Рис. 6.1. Схема трансформаторно-выпрямительного преобразователя
ления, отсутствии реакции якоря и т. п., что учитывается при дальнейшем анализе.
Для анализа ТВП могут применяться следующие базовые соотношения (см. § 5.2):
(6.1)
(6.2)
6л
и pd V2nn sin (літ) k\/2 cos а
*ис -= ~7
5
(6.3)
(6.4)
(6.5)
■а;
соб а
sin (я//я) У 2£2
Ud — nnmyr2U2 sin — cosa/jt.
ср2 — а4-0,5у;
ХК2 U
=arccos
В записанных уравнениях
2 к
7
т і
Ь \2
(6.6)
/2 =
/її1
■—действующее значение вторичного тока трансформатора, 5 = = тЕ212— расчетная мощность вторичной обмотки; Е2 и и2— действующие значения ЭДС и напряжения вторичной обмотки трансформатора (в и2 учтено коммутационное падение напряжения); пп — число используемых полупериодов волны напряжения (пп— 1 для схем с нулевой точкой, пп = 2 для мостовых схем); Хк2 — коммутационное индуктивное сопротивление, приведенное ко вторичной стороне трансформатора и включающее в себя индуктивные сопротивления рассеяния первичной (Хі') и вторичной (Х2) обмоток. Очевидно, Хк2 равно индуктивному сопротивлению короткого замыкания трансформатора, а ЕУЕ^.
Вводя относительный параметр Хк2* — Хк212ном/и2
ном - Хк2!
22ном, где индекс «ном» означает, что параметр относится к номинальному режиму, получим из (6.4)
Уравнения (6.1) ... (6.7) позволяют перейти к расчету трансформатора.
Рассмотрим наиболее часто Щ ШШ {ШШ \WLBM
используемый в АЭУ трехфаз- ^ Щ| 111111 ЁШШЁ ный стержневой трансформатор (рис. 6.3), работающий на трехфазный мостовой выпрямитель (яп = 2, т = 3). На каждом стержне с поперечным сечением а)УЬ расположены первичная и вторичная обмотки фаз, заполняющие сечение окна сУ^Ь.
Смежные обмотки на фронтальном разрезе заштрихованы В разные СТОрОНЫ (рис. 6.3). рис е.З. Трехфазный стержневой транс-Реальные зазоры между обмот- форматор для ТВП
ками, обмотками и сердечником, каналы охлаждения и толщина изоляции учитываются интегрально коэффициентом заполнения окна сердечника проводом &3, который принимается равным для первичной и вторичной обмоток. Выбранная модель в большинстве случаев пригодна для приближенного анализа компактных трансформаторов АЭУ средней мощности при средних рабочих напряжениях (Р^Ю... 100 кВт, иа~ ^10... 1000 В). Плотность тока в обмотках / и их расчетная толщина считаются одинаковыми. Таким образом, после взаимного приведения первичная и вторичная обмотки идентичны. Намагничивающим током, создающим рабочий магнитный поток и ЭДС в обмотках, пренебрегают, так как мощность трансформатора отно-
Yhom = arccos
УЇ
(6.7)
соб ан
У2 sin (nlm) kiu
ч
%шш
1
тЫ
ІІ
с/4
Значение At/*, согласно (6.51),
^к2* (Г CQS ?2 Н~ Sin ^2)_ (6 56)
1 + *к2* (г COS <р2 + Sin ср2)
Таким образом, в (6.54), (6.55) для каждого значения угда а необходимо подставлять свое значение At/*, поскольку ф2=а+0,5у. Значения At/* (а) и у (а) для номинального тока Л*н могут находиться итерациями из (6.56) и (6.55) с учетом (6.3).
Необходимо иметь в виду, что выражения (6.54) и (6.55), описывающие внешние характеристики ТВП с т = 3, пп = 2, верны при у<Сл/3, когда одновременно включено два или три (в период коммутации) вентиля. Обычно в ТВП у<п/3.
Следует отметить, что исходные формулы (6.1)... (6.7) получены без учета влияния параметра RK2 на процессы коммутации, хотя от него зависят размеры трансформатора и его КПД. В большинстве случаев такой подход правомерен для трансформаторов АЭУ даже при соизмеримых rcosq)2H и sin ф2н, поскольку во время переключения вентилей коммутационная ЭДС ек = —XK2dijdb благодаря быстрому изменению тока существенно превышает iRK2. Действительно, как и в вентильных машинах, отношение iRK2~ «0,5/?к2Л* и \е\ ttXK2Id/y равно 0,5гу.
Условием для возможности пренебрежения активным сопротивлением коммутирующего контура будет 0,5гу?1. При мощностях более 5... 10 кВт обычно г<0,5, у<0,5 рад, 0,5гу^0,1 и влияние активного сопротивления в процессах коммутации для ТВП будет незначительным.
§ 6.3. Трнсформаторно-инверторные преобразователи
Общая схема трансформаторно-инверторного преобразователя (ТИП), обратная по отношению к схеме ТВП, приведена на рис. 6.4. Схема состоит из тиристорного инвертора И с системой управления СУ, трансформатора Тр и дросселя Д. Считается, что ТИП работает на синусоидальную ЭДС, определяемую напряжением U2 и создаваемую либо сетью переменного тока, либо автономной электрической машиной (зависимый инвертор). Благодаря этому обеспечивается естественная (машинная) коммутация тиристоров инвертора (см. § 5.7). Напряжения «(-&) и токи t('fr) на входе в инвертор, создаваемые смежными фазами, характеризуются кривыми, представленными на рис. 6.5. Токи в фазах текут навстречу приложенному со стороны нагрузки синусоидальному напряжению под действием Ud и ЭДС дросселя, который создает на включенных тиристорах необходимое прямое напряжение, превышающее и($) на величину падения напряжения на вентиле. Момент включения каждого тиристора определяется углом опережения р, значение которого регулируется СУ. Для обеспечения естественной коммутации и устойчивой работы инвертора угол запаса запираю-
274