3 страница. Звідси виділяють наступні типи проблем електромагнітної сумісності

Звідси виділяють наступні типи проблем електромагнітної сумісності напівпровідникових пристроїв: якість електричної енергії у живлячій мережі та зворотній вплив перетворювача на мережу; завадостійкість (резистентність) керівної частини вентильних перетворювачів до кондуктивних та польових перешкод; емісія напівпровідникових перетворювачів електромагнітних перешкод у навколишнє середовище.

Перше питання включає у собі визначення та нормування показників, якості електричної енергії із метою контролю, оцінки рівня електромагнітних завад та розрахунку збитків від неякісного електропостачання, формулювання методів обліку негативного зворотного впливу струмів навантаження на якість напруги у живлячій мережі та виявлення споживачів, що чинять недопустимий вплив на якість напруги живлячої напруги. Друга складова – проблема завадостійкості електротехнічних систем (електронних, радіоелектронних) від кондуктивних та польових завад. Рівень електромагнітних завад може досягти граничного значення, яке перевищуючи рівень завадостійкості конкретного пристрою викличе порушення його функціонування. Державними стандартам на електромагнітну завадостійкість, окремо на кожен із видів перешкод, приведенні критерії якісності функціонування технічного засобу на період дії перешкоди та час після припинення її впливу, які визначаються за стандартизованою методикою. За емісії завад напівпровідниковим перетворювачем кондуктивні характеризуються рівнями струми чи напруги, а польові рівнем електромагнітного поля. Термінологія, сертифікація випробувань нормативи приведенні у відповідних стандартах на електромагнітну сумісність.

Створена джерелами завад сукупність електромагнітних явищ є наслідком дії пристроїв, що вступають у взаємодію, та залежить від їх параметрів, особливостей електротехнічних пристроїв, заходів направлених на забезпечення електромагнітної сумісності, а також від зовнішніх, метрологічних, виробничих, механічних, факторів. Оцінка електромагнітної обстановки здійснюється показниками визначених у державних стандартах на спеціальні системи електропостачання, вимоги до якості електричної енергії мережах загального призначення та окремих стандартах на електротехнічні засоби [27–30]. Планування електромагнітної сумісності потребує дослідження існуючих шляхів взаємовпливу елементів енергетичного комплексу та зовнішніх електротехнічних суміжних до них систем. Аналіз отриманих у результаті досліджень чутливості пристроїв, передаточних функцій, що формую механізм взаємного впливу, значень напруги, струму, напруженості, частотного спектру, магнітного поля та інших характеристик завад, дозволяють визначити принципи захисту від перешкод, допустимі рівні завад та забезпечити завадостійкість до них та як наслідок забезпечити енергоефективність перетворення електричної енергії за всіх можливих умов експлуатації обладнання.

Впровадження швидкісного та високошвидкісного залізничного сполучення, що супроводжується збільшенням навантаження на живлячу мережу, застосування техніки чутливої до погіршення електромагнітного стану середовища, зростання вартості електричної енергії привертає увагу до проблеми електромагнітної сумісності. Таким чином залишається актуальним питанням зниження витрат електричної енергії шляхом покрашення технік-економічних показників системи тягового електропостачання, зокрема випрямних агрегатів тягової підстанції. Суттєве зниження експлуатаційних витрат у системі тягового електропостачання можливе шляхом збільшення числа пульсацій випрямленої напруги, також втрати електроенергії у живлячій мережі можуть бути знижені у зв’язку із зменшення впливу нелінійного навантаження, також із збільшенням пульсації випрямленої напруги дозволяє спрошувати конструкцію згладжуючи фільтрів, покращуючи їх масо-габаритні показники та зменшується вплив на сумежні лінії. У зв’язку із вказаними проблемами представляє широкий інтерес дослідження впливу негативних факторів, що виникають при перетворенні електричної енергії, їх оцінка та пошук шляхів зменшення їхнього впливу.

Живлення тягової мережі постійного струму на Україні здійснюється від 211 підстанцій приєднаних до ліній електропостачання напругою від 6-220 кВ. Якість електричної енергії, яка транспортується мережею загального призначення, залежить від потужності та параметрів електроприймачів, рівномірності завантаженості фаз, режиму роботи нейтралі., рівня напруги живлячої лінії. Потужне однофазне навантаження, повздовжня та поперечна неоднорідність електричних характеристик лінії призводить до виникнення несиметрії живлячої напруги у трифазній системі. З досвіду експлуатації системи тягового електропостачання відомо, що несиметрична напруга є характерним проявом погіршення якості електричної енергії на вводах тягових підстанцій постійного струму у зв’язку із підключенням останніх до мережі загального користування. Суттєве погіршення несиметрії живлячої напруги спостерігається у місцях приєднання до системи зовнішнього електропостачання станцій стикування, де основною причиною виникнення асиметрії є тягове навантаження змінного струму. З цих причин вкрай необхідним є аналіз впливу ступеню несиметрії напруги живлячої мережі на процес випрямлення на тягових підстанціях постійного струму.

Основним елементом, який визначає електромагнітну сумісність тягової мережі постійного струму із системою зовнішнього електропостачання, є тяговий агрегат, який представляє собою перетворювальний трансформатор та мостовий трифазний випрямляч. На діючих тягових підстанціях застосовують шестипульсні та дванадцятипульсні, із з’єднаними послідовно мостами, схеми випрямлення (рис.2.5).

а)

б)

- напруга холостого ходу на виході із випрямляча

Рисунок 2.5 – Принципова схема шестипульсного (а) та дванадцятипульсного (б) випрямляча

Впровадження останніх вмотивовано зменшенням амплітуди пульсацій та реактивної потужності споживаної випрямлячем [31] та вимогами [19]. Конструкція дванадцятипульсного випрямляча із паралельним з’єднанням мостів, як відомо, передбачає застосування зрівняльного реактору, що являється небажаним оскільки викликає додаткові втрати. Крім того, забезпечення номінальної напруги на шинах підстанції потребує відповідного збільшення у двічі номінальної напруги секцій випрямляча та обмоток трансформатора, що призводить до збільшує витрати на ізоляцію та вартість тягового агрегату.

Трансформатор дванадцятипульсної схеми повинен мати розщеплену вторинну обмотку поділену на електрино ізольовані частини, розміщенні на одному стрижні магнітної системи трансформатора. Вентильні обмотки з’єднанні за схемами зірка та трикутник для формування змішення однойменних векторів лінійних напруг на 30 електричних градусів. Миттєве значення випрямленої напруги на виході із дванадцятипульсного випрямляча представляє собою суму миттєвих значень випрямленої напруги кожної із мотових секцій (рис.2.6). Відповідно середнє значення випрямленої напруги за режиму холостого ходу для шестипульсної та дванадцятипульсної схем знаходяться за формули [32]

, (2.2)

. (2.3)

де , – середнє значення випрямленої напруги 6-пульсної та 12-пульсноїсхеми випрямлення, В;

, – амплітудні значення напруг у фазах вентильних обмоток трансформатора з’єднаних відповідно за схемами зірка та трикутник, В.

, – миттєве та середнє значення випрямленої напруги 12-пульсної схеми випрямлення; , – миттєве значення напруг на виході із мостових секцій випрямляча.

Рисунок 2.6 – Часові діаграми випрямленої напруги

Умови роботи вентильного плеча характеризуються середнім та максимальним струмом у відкритому стані та максимальною зворотною напругою. Вони знаходяться у залежності від значень випрямленого струму та лінійної напруги вторинних (вентильних) обмоток трансформаторів та визначаються за наступними виразами

, (2.4)

, (2.5)

, (2.6)

де , – середній та максимальний струм вентильного плеча, А;

– випрямлений струм, А;

– максимальна зворотня напруга вентильного плеча, В;

, – лінійна напруга вентильних обмоток зібраних відповідно у зірку та трикутник, В.

За струмом вентилі шестипульсних та дванадцятипульсних перетворювачів знаходяться у рівних умовах, проте за однокового значення випрямленої напруги на виході із перетворювача, зворотня напруга на вентилях випрямлячів із послідовно з’єднаними мостами у двічі менше по відношенню до відповідного показника на елементах шестипульсних схем.

Форма кривої струму мережі від якої живиться перетворювальний агрегат залежить від низки факторів до яких можна віднести параметри навантаження та перетворювального агрегату, кількість пульсацій випрямленої напруги, схема з’єднання обмоток перетворювального трансформатора, тип схеми випрямлення (нульова, мостова). У залежності від значення параметрів навантаження знаходитися рівень потужності, яка передається до споживача, та, власне, форма кривої струму. Наприклад, за умови безкінечного значення індуктивності навантаження представляє собою ідеальну фетр-пробку й випрямлений струм та струм у мережі не містить пульсацій (гармонік). Обмотки перетворювального трансформатора шестипульсної схеми випрямлення з’єднанні за схемою «зірка-трикутник» (див.рис.2.5), що обумовлено поліпшенням кривої напруги у мережі, зменшенням вартості ізоляцію первинної обмотки та додаткових втрат у металевих конструкціях від гармонік магнітного потоку кратних до трьох. У такій схемі лінійний вторинний струм (між вентильною обмотую та плечем моста) має форму близьку до прямокутної (див.рис.2.7, в). Проте у обмотках високої та низької напруги струму навантаження набувають ступінчастої форми (див.рис.2.7, г).

Струми в обмотках трансформатора підключених до мостових секцій випрямляча за період зміни живлячої наруги два рази змінюють свій напрям, що визначає приналежність мостових схем трифазного випрямлення до двухполуперіодних та сприяє зменшенню масо-габаритних показників перетворювальних трансформаторів у зв’язку із відсутністю постійної складової струму обмоток.

– миттєва лінійна напруга вторинної обмотки; – миттєвий струм вентильного плеча; – середній струм вентильного плеча; – випрямлений струм; – миттєвий лінійний стум вторинного кола трансформатора; – миттєвий струм вентильної обмотки; – миттєвий струм первинної обмотки.

Рисунок 2.7 – Часові діаграми напруги та струму мостового випрямляча у випадку з’єднання обмоток трансформатору за схемою У/Д-1

Постійна складова у кожному із стрижнів магнітної системи трансформатора викликає некомпенсований однонаправлений потік примусового підмагнічування. Він зміщає положення робочої точки на кривій намагнічування чим зменшує допустимий діапазон зміни індукції магнітопроводу. Із метою збереження магнітного потоку на необхідному рівні при заданій напрузі потребує збільшується поперечний переріз осердя, а, отже, й маса трансформатора. Крім цього порушення магнітної рівноваги, сприяє виникненню вищих гармонік у напрузі живлячої мережі.

Діючі зазначення струму у вентильних обмотках трансформатора з’єднаних відповідно за схемами зірка та трикутник

, (2.7)

, (2.8)

де , – діючі значення струму у вентильних обмотках трансформатора зібраних відповідно у зірку та трикутник, А.

Струми у фазах мережевої обмотки перетворювального трансформатора можна визначити розв’язавши системи рівнянь складених за аналогами законів Кірхгофа для магнітних колах. Нижче приведена система рівнянь для перетворювального трансформатора із розчепленню вторинною обмоткою (див. рис. 2.5,б) [31]

(2.9)

де , , – струми первинних обмоток, А;

, , – струми вентильних обмоток схеми «зірка», А;

, , – струми вентильних обмоток схеми «трикутник», А;

, , – кількість первинних обмоток та вентильних обмоток відповідно за схеми «зірка», «трикутник».

Із рівнянь (2.9) отримаємо миттєве значення струму фази А

, (2.10)

де – коефіцієнт трансформації трансформатора схеми з’єднання «зірка».

Система рівнянь для магнітної системи трифазного двообмоткового трансформатора та її корені аналогічна до (2.9) і (2.10), але без складових, що представляють магніторушійні сили та струми однієї із частин вторинної обмотки.

Вираз (2.10) свідчить, що струм первинної обмотки перетворювального трансформатора являє собою алгебричну суму струмів вентильних обмоток поділених на відповідний коефіцієнт трансформації. Отримана результуюча крива струму за формою наближається до синусоїдальної (рис.2.8), що з позиції гармонійного аналізу означає зменшення кількості генерованих гармонік у мережу джерела напруги по відношенню до шестипульсного перетворювача.

– миттєва фазна напруга вентильної обмотки з’єднаної за схемою «зірка»; – миттєва фазна напруга вентильної обмотки з’єднаної за схемою «трикутник»; – миттєві струму вентильних обмоток з’єднаних за схемами «зірка» та «трикутник»; – миттєва напруга та струм первинної обмотки.

Рисунок 2.8 – Часові діаграми струму та напруги дванадцятипульсної схеми випрямлення

Порядок гармонік відносно основної частоти живлячої мережі визначається виразом [33]

, (2.11)

де – порядок гармоніки струму;

– пульсність випрямляча;

.

За семеричної напруги живлення мостового випрямляча у якого , струм у живлячій мережі має гармоніки порядком . У спектрі гармонік струму генерованих дванадцятипульсним випрямлячем до мережі відсутні гармоніки порядок яких рівний 5, 7, 17, 19 і так далі. У результаті зменшується зворотній вплив перетворювального обладнання на живлячу лінію, що проявляється у нелінійному спаді напруги на імпедансі системи електропостачання та спотворенні кривої змінної напруги на електроприймачах. Несиметрія напруги живлення негативно впливає на процес перетворення електричної енергії, що візуально можна оцінити деформацією кривих напруги та струму у колах постійного та змінного струму випрямляча.

Виходячи із цього у роботі із метою оцінки рівня несиметрії живлячої напруги було використано коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності

, (2.12)

де – коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності, %;

– діюче значення напруги зворотної послідовності основної частоти живлячої мережі, В;

– діюче значення напруги прямої послідовності основної частоти живлячої мережі, В.

У стандартах на напівпровідникові перетворювачі та спеціальні системи електропостачання [27-29] визначається низка показників, якими проводиться оцінка якості випрямленої напруги.

Коефіцієнт поленої хвилястості випрямленої напруги під час холостого ходу

, (2.13)

де – коефіцієнт поленої хвилястості випрямленої напруги;

– діюче значення n-ї гармоніки випрямленої напруги, В;

– середнє значення випрямленої напруги, В.

Коефіцієнт пульсації напруги

, (2.14)

де – коефіцієнт пульсації напруги;

– амплітудне значення змінної складової напруги, В;

– номінальне значення випрямленої напруги, В.

Проте жоден із них не характеризує конкретно вплив рівня несиметрії вхідної напруги на випрямлену. Для виявлення цього впливу було запропоновано використати явище зміни частотного спектру випрямленої напруги при виникненні несиметрії вхідної напруги випрямляча. При симетричній живлячій напрузі на виході випрямляча присутні постійна складова та гармоніки випрямленої напруги, порядок яких кратний кількості пульсацій схеми випрямлення. Такі гармоніки прийнято називати канонічними. Несиметрична напруга спричиняє появу неканонічних (аномальних) гармонік для схеми випрямлення, що додатково спотворюють криву випрямленої напруги, збільшуючи або зменшуючи окремі напівхвилі. Так, наприклад, для 6-пульсної схеми випрямлення канонічними будуть гармонійні складові з порядком частот, який кратний до 6, тобто 6, 12, 18, 24, …. В загальному випадку формула ряду для канонічних гармонік цієї схеми визначається як , де …. Неканонічними гармоніками для 6-пульсної схеми будуть парні гармоніки з таким порядком – 2, 4, 8, 10, 14, 16, 20, 22, 26, 28,.... Формула ряду для таких частот в загальному випадку має вигляд , де ….

Канонічні гармоніки вихідної напруги дванадцятипульсної отримують порядок частот кратний до 12, тобто 12, 24, 36, 48, …, а неканонічними вважаються всі інші парні гармоніки.

Відповідно запропоновано визначити коефіцієнт співвідношення вищих гармонік, як відношення діючого значення напруги неканонічних гармонік до напруги канонічних [26]. Нижче представленні формули для визначення даного коефіцієнту для шестипульсної (2.15) та дванадцятипульсної схеми випрямлення

(2.15)

(2.16)

де – коефіцієнт співвідношення вищих гармонік;

, – діючі значення неканонічних та канонічних гармонік напруги шестипульсної схеми випрямлення, В;

– діючі значення неканонічних та канонічних гармонік напруги дванадцятипульсної схеми випрямлення, В.

3. Експериментальне дослідження перетворення електричної енергії на тягових підстанціях за несиметричної живлячої напруги

3.1 Фізичне та комп’ютерне моделювання випрямлення електричної енергії у несиметричних режимах

Дослідження процесу випрямлення напруги за умови роботи у не симетричних режимах потребує контрольованого відтворення ступеню несиметрії живлячої перетворювальний агрегат напруги, що представляє собою складну, небажану та збиткову задачу. Виходячи із цього доцільним є проведення експерименту на подібному за властивостями об’єкті із тотожним математичним описом основних процесів вивчення яких представляє мету дослідження. Відповідним аналогами перетворювального агрегату тягової підстанціє використаним у представленій роботі є фізична та комп’ютерна модель випрямляча та перетворювального трансформатора.

Результати моделювання розповсюджуються на реалій об’єкт через критерії подібності, що виражаються у вигляді поправкових коефіцієнтів залежних від параметрів, які характеризують досліджуване явище. Принцип подібності дозволяє брати до уваги відображення фізичного явища, тим самим ставить завдання знаходження безрозмірних масштабних коефіцієнтів за якими можливо привести результати моделювання до реальних значень. У приведеній дослідницький роботі моделювання направлено на виявлення показників якості та енергообміну електричної енергії, що вже є безрозмірними величинами та не потребують приведення, що спрощує побудову моделі виключаючи необхідність у точній відповідності параметрів моделі до параметрів реального об’єкту.

Метод фізичного [35] моделювання полягає в вивченні об'єкта чи явища у лабораторних умовах через дослідження його моделі, фізика процесів у якій, при дії збуджуючого впливу, якісно або повністю повторюють процеси у реальному об’єкті. Фізична модель дає змогу провести досліди із метою вивчення фізичної сутності явища і отримання практичних уявлень про характер здійснення процесу. У наслідок вдається уникнути повного математичного опису оригіналу, що є перевагою фізичного моделювання у порівнянні із математичним. Крім того під час фізичного моделювання виникає більша кількість впливаючих на модель факторів, що не має місце за інших типів моделювання. За результатами емпіричного експерименту перевіряються данні отриманні теоретичним шляхом.

Із метою проведення експерименту була побудована фізична модель перетворювального агрегату тягової підстанції, яка включає у собі трифазний трансформатор із додатково намотаною третьою обмоткою та дві мостові секції власноруч зібраний на одній платі у лабораторії. У якості навантаження було використано двигун постійного струму. Рівень несиметрії живлячої напруги встановлювався за допомогою однофазних лабораторних автотрансформаторів підключених однойменними клемами до нейтральної точки первинної обмотки трансформатора. Принципова схема фізичної моделі та її реалізація у лабораторних умовах представлена на відповідно на рисунках 3.1 та 3.2.

Рисунок 3.1 – Принципова схема фізичної моделі перетворювального агрегату (шестипульсного випрямлення)

1 – трифазний трансформатор 2,5 кВА; 2 – дванадцятипульсний випрямляч; 3 – двигун постійного струму; 4 – лабораторні автотрансформатори; 5 – узгоджувальний перетворювач; 6 – налагоджувальна плата комплекту Atmega128RFA1-ЕК1 із радіоінтерфейсом.

Рисунок 3.2 – Фізична модель перетворювального агрегату

Для одночасного вимірювання електричних величин у колах постійного та змінного струму фізичної моделі застосовано АЦП плати комплекту Atmega128RFA1-ЕК1 із розпаяною мікросхемою Atmega128RFA1 (рис.3.3).

Рисунок 3.3 – налагоджувальна плата комплекту Atmega128RFA1-ЕК1 із радіоінтерфейсом ZibBee

Плата працює у автономному режимі від джерела напругою 3 В. Аналогово-цифровий перетворювач розбиває аналоговий вимірювальний сигнал на 128 дискретних значень, що передаються через радіоінтерфейс ZibBee до приймача встановленого через USB-порт у ЕОМ для реєстрації та обробки отриманих у результаті моделювання даних. З метою узгодження параметрів вимірювальних кіл з АЦП розроблено 8-канальний пристрій узгодження, з 3-ма входами змінної напруги до 220 В, 3-ма входами змінного струму до 5 А, 1-м входом постійної напруги до 100 В та 1-м входом постійного струму до 20 А (рис.3.4).

1 – канали постійного струму та постійної напруги; 2 – канал змінної напруги; 3 – канал змінної напруги.

Рисунок 3.4 – Узгоджувальний пристрій

З’єднанні за схемою «зірка» обмотки автотрансформаторів були підключенні через лабораторний щит до загальної мережі напругою 380 В. Переміщення роликового контакту з’єднаного із початком обмотки високої напруги перетворювального трансформатора забезпечувало пофазне регулювання напруги під час експерименту. Згідно паспортних даних за умови з’єднання заводських обмоток трансформатора за схемою «зірка-трикутник», можливе зниження первинної лінійної напруги у 7,6 разів. Додаткові обмотки у випадку дванадцятипульсного випрямлення з’єднувались у спільній точці, таким чином при діючому значенні первинної напруги 380 В лінійні напруги вентильних обмотках становили по 50 В.

Дата добавления: 2015-07-12