2015_zinoviev

а

б

Рис. 3.4. Однофазные электронные трансформаторы направления 2 с преобразователями частоты с промежуточными звеньями постоянного напря-

жения а и постоянного тока б

Если нет требования двухстороннего обмена электрической энергией, то в первом и третьем мостах приведенных схем можно устранить транзисторы, тем самым в два раза упростив трансформатор.

Схемной особенностью электронных трансформаторов концепции 1 на базе непосредственных (матричных) преобразователей напряжения и тока является отсутствие в них внутреннего звена постоянного напряжения или тока с большими реактивными (конденсаторными или реакторными) накопительными элементами в них. Это лишает такие электронные трансформаторы возможности демпфировать ухудшение качества электроэнергии, вызванное короткими динамическими изменениями напряжения. В преобразователях второй концепции имеются конденсаторные (аккумуляторные) накопители энергии в звене постоянного напряжения и реакторные (индуктивные) накопители энергии в звене постоянного тока. Такие реактивные элементы придают электронному трансформатору ряд возможностей по кондиционированию качества электрической энергии.

На основе модулей на рис. 3.4 просто реализуются высоковольтные электронные трансформаторы, как показано на рис. 3.5.

Высоковольтный электронный трансформатор 35 (20,10 или 6 кВ)/ 0,4 кВ выполнен из n каналов по схеме рис. 3.5, которые соединены по

41

входам последовательно, а по выходам – параллельно. Число каналов определяется величиной входного напряжения, принятой схемой ячеек конверторов (мостовые, полумостовые), параметрами используемых транзисторов и требуемой выходной мощностью. Для контактной сети 25 кВ число каналов преобразования будет не менее 12 при использовании IGBTтранзисторов на напряжение 6,5 кВ при двойном запасе по напряжению и соответственно увеличивается при использовании транзисторов с меньшим напряжением.

Рис. 3.5. Однофазный n-канальный электронный тяговый трансформатор концепции 2

В табл. 3.1 приведены суммарные количества ключей (транзисторов с диодами) на стороне высокого напряжения тяговых высоковольтных электронных трансформаторов 25 кВ при использовании транзи- сторно-диодных модулей 1,7 кВ. Преобразовательные ячейки выполнены по однофазным мостовым схемам. Количество транзисторов определено с учетом двойного запаса по их напряжению. При использовании полумостовых ячеек количество транзисторов в каждом канале уменьшается в два раза.

При современной стоимости полупроводниковых приборов расчетная стоимость электронного трансформатора с ограниченными функциями сопоставима со стоимостью традиционного электромагнитного трансформатора. Расчетная стоимость электронного трансформатора с полными функциями заметно превышает стоимость традиционного электромагнитного трансформатора, но сопоставима со стоимостью тягового электронного трансформатора без рекуперации. Но такой трансформатор обладает новыми уникальными свойствами, оправдывающими

42

			Т а б л и ц а 3.1
Количество высоковольтных элементов электронных
трансформаторов на ключах 6,5 кВ
Схема,	Число каналов
Напряжение	в фазе.		12
ключей, кВ	Элементы
Мосты с рекуперацией	Транзисторы		144
6,5 кВ	Трансформаторы		12
Мосты	Транзисторы		96
без рекуперации
6,5 кВ	Трансформаторы		12

его применение в случаях, требующих малой удельной массы трансформатора, активной фильтрации тока сети, компенсации реактивной мощности сети, улучшения качества напряжения на нагрузке, накопителя электроэнергии при добавлении в звенья постоянного тока электронного трансформатора аккумуляторов или суперконденсаторов. А для замены функции рекуперации сейчас активно исследуются системы с накопителями электрической энергии (торможения) на электровозе.

3.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТРЕТЬЕГО НАПРАВЛЕНИЯ

Вместо использования ячеек DC-ACи AC-DC в структуре второго направления на рис. 3.3 здесь используется AC-DC ячейка с промежуточным высокочастотным реактором-трансформатором, как это присуще соответствующим DC-DC конверторам Cuk, SEPIC, Zeta. Структура электронного трансформатора третьего направления показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Структура электронного трансформатора третьего направления

43

Принципиальные схемы DC-DC преобразователей с высокочастотными трансформаторами получаются при модернизации преобразователей типа Кука, SEPIC и Zeta. Возможен симбиоз AC-DC и DC-DC конверторов.

Вместо 12 транзисторов в канале структуры рис. 3.5 здесь для структуры рис. 3.6 потребуется только от четырех транзисторов на канал.

ВЫВОДЫ

1.В электронных трансформаторах процесс гальванической изоляции и электромагнитной трансформации перенесен на высокую частоту, что позволяет радикально улучшить их удельные массогабаритные показатели, тем самым расширяя их использование прежде всего в системах электроснабжения подвижных транспортных средств.

2.Среди выделенных трех направлений построения электронных тяговых трансформаторов второе направление характеризуется наибольшими функциональными возможностями; первое направление имеет наименьшее число ступеней преобразования электрической энергии и потенциально меньшие потери, третье направление наименее исследовано и манит возможной простотой.

3.Для случая одного из наиболее востребованных применений трансформаторов – высоковольтных тяговых трансформаторов 25/3 кВ постоянного тока второго направления – сделаны оценки требующихся для их реализации количеств полупроводниковых приборов и высокочастотных трансформаторов.

4.Оценки удельных массогабаритных показателей тяговых электронных трансформаторов заметно превосходят такие показатели электромагнитных трансформаторов, что позволит размещать их на супермощных электровозах следующего поколения.

44

4.РАЗВИТИЕ ПРЯМЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

ИИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ С ВЕНТИЛЬНЫМИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

4.1.ОБОБЩЕНИЕ ПРОЦЕДУРЫ АЛГЕБРАИЗАЦИИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

Построенному ранее прямому расчету энергетических показателей вентильных преобразователей методом АДУ [18] придадим обобщающий характер с наглядной геометрической интерпретацией. Начнем с дифференциального уравнения первого порядка.

Дифференциальное уравнение для системы первого порядка:

	a1	dx	a0 x	b1	du	b0u .
		dt			dt

После его алгебраизации по методу АДУ1 ское уравнение для норм переменных:

a	2	X	2	a	2	X	2	2	2	2	2
								b U		b U
1				0				1		0

получаем алгебраиче-

	2
1 .
P

Преобразуем его к стандартной форме уравнения эллипса:

2
a		2
1	X
2
P
1

или окончательно с учетом того,

		2
		a
		0		X
		2
		P
		1
	что			2
			A1

2

1	,
2
P
1
2
a
1

и

B2		P	2
		1
1		a	2
		0

,

	X 2				2
			X			1 .	(4.1)
	2		2
	A1		B1

45

Нормы переменных осями A1 и B1 .

X	2

и

X

2

связаны уравнением эллипса с полу-

Рис. 4.1. Эллипс уравнения (4.1)

Аналогичные преобразования сделаем теперь для системы второго порядка.

Дифференциальное уравнение:

d

2

x

dx

d

2

u

du

a0

a1

a0 x b2

b1

b0u .

dt

2

dt

dt

2

dt

После его алгебраизации по методу АДУ1 получаем алгебраическое уравнение для норм переменных:

a22 X 2 a12 X 2 a02 X (2) 2 b22U 2 b12U 2 b02 U (2) 2 P22 .

Преобразуем его к стандартной форме уравнения эллипса:

a	2		2		a			2			2
2		X				1			X
	2							2
P					P
2						2
или окончательно с учетом того, что												2
											A2
				X 2							2
									X
				A	2				B		2
				2					2
									46

a		2			2
0				X		1	,
		2
P
2
			P	2		2			P	2
		2							2
			a	2	, B2				a	2
				2					1
			2
X

C22

1 .

и C22 P22 , a02

(4.2)

Нормы переменных связаны уравнением эллипсоида с полуосями

A	, В
2	2

и

С2

, показанного на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Эллипсоид уравнения (4.2)

Теперь сделаем аналогичные преобразования для системы n-го порядка.

Дифференциальное уравнение n-го порядка

n	d	(n i)		x	m
a					b
			(n i)			j
i	dt				j 0
i 0

d	(m j)		u
dt		(m j)

.

(4.3)

После его алгебраизации по методу АДУ1 ние для норм переменных примет вид

n

2

(n i)

2

m

2

(m

ik

X

b

jk

a

U

i 0

j 0

алгебраическое уравне-

		,
j)		2

преобразуем к стандартной форме уравнения эллипсоида n-го порядка

n	a2		X	(n i)		2
	ik
i 0	P	2
	n

1

.

(4.4)

Нормы переменных связаны уравнением эллипсоида n-го порядка с

полуосями

X
	(n i)	2

. Он должен быть расположен в пространстве n-го

порядка, трудно представимом на плоскости листа.

47

Проблема получения решения для любой нормы переменных правой части дифференциального уравнения сводится к доопределению полученного алгебраического уравнения (4.4) новыми n – 1 алгебраическими уравнениями, чтобы система уравнений стала совместной. В качестве уравнений первого приближения взяты алгебраические соотношения между нормами первых гармоник искомых переменных в виде уравнения (5.1.14) в работе [18].

Другие, более строгие, соотношения предстоит получить в процессе дальнейшего развития теории прямых методов анализа.

4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВКЛАДОВ НЕЛИНЕЙНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ОБЩЕЕ ИСКАЖЕНИЕ ТОКА

Проблема обратного влияния нелинейного потребителя электрической энергии на питающую сеть из-за своей многогранности продолжает оставаться актуальной, несмотря на наличие многих публикаций. Множество их относится к расчету степени искажения кривой питающего напряжения в функции параметров нелинейных потребителей [35 и список литературы в ней]. При этом степень искажения кривой питающего напряжения оценивают коэффициентом искажения синусоидальности, как он назван в ГОСТ 13109–97 (вопреки применяемому для этих целей в учебниках ТОЭ аналогичного по назначению показателю, называемому коэффициентом гармоник). Но за значения этого показателя отвечают потребители электроэнергии, а не энергоснабжающая система, так как ущерб от этого фактора некачественности несет в основном не она, а потребители. Значительно меньше публикаций относится к расчету другого следствия фактора нелинейности потребителей, выражающегося в несинусоидальности его токов. Стандарт на регламентируемую степень искажения высшими гармониками токов потребителей по ГОСТ Р 51317.3.2–99 [36] определяет предельные значения гармоник токов, от которых несут потери активной мощности прежде всего сами отдельные потребители, но ничего не говорит о допустимом искажении результирующего тока питающей сети, от несинусоидальности которого она также несет дополнительные потери. Представляется, что более адекватным явились бы какие-то меры ответственности отдельных потребителей за их парциальные вклады в общее искажение тока питающей части энергосистемы. Отсюда возникает задача создания метода определения вкладов отдельных потребителей в общее искажение тока питающей сети. Решению этой задачи и

48

посвящен этот параграф. Метод решения указанной задачи основывается не на распространенном спектральном (гармоническом) анализе несинусоидальности токов, а на дальнейшем развитии предложенного нами ранее метода определения интегральных квадратичных оценок несинусоидальности токов в итоговой форме коэффициентов гармоник токов, успешно примененного для расчетов интегральных квадратичных оценок несинусоидальности напряжения в итоговой форме коэффициентов гармоник напряжения [37–39].

На рис. 4.3 приведена схема узла энергосистемы с несколькими нелинейными нагрузками электрической энергии.

Рис. 4.3. Схема узла энергосистемы с несколькими нелинейными нагрузками

Он содержит источник результирующей ЭДС (e), являющийся эквивалентом сложной энергосистемы, и n ветвей нагрузок, представ-

ленных в виде источников токов

i	,	i	j	,
1

in

, эквивалентирующих пер-

вую, j-ю и n-ю нелинейные нагрузки. Расчетная схема этого узла, показанная на рис. 4.4, содержит источник ЭДС энергосистемы 1, источник

тока

тока

i j

ic

ветви, принятую за реперную в j канале измерения, и источник , эквивалентирующий виртуальную ветвь, замещающую сумму

токов остальных n – 1 ветвей нагрузки.

Искажения результирующего тока в узле энергосистемы определяются анормальными составляющими токов нагрузок, которые обусловлены наличием высших гармоник токов нагрузок, наличием низкочастотных и интергармоник токов, токов обратной и нулевой последовательностей в многофазных системах токов. Любые анормальные составляющие будут обозначаться с индексом а.

49

Рис. 4.4. Схема узла энергосистемы

сдвумя нелинейными нагрузками

Всоответствии с рис. 4.4 для анормальной составляющей резуль-

тирующего тока

ia

в типовом узле энергосистемы можно записать

следующее уравнение, обозначив для удобства анормальные состав-

ляющие в токах

iJ

и ic

через

	i
	1a
i
a

и i2a соответственно:

i	i	.
1a	2a

Выполнив алгебраизацию этого уравнения для анормальных составляющих путем сначала возведения уравнения в квадрат и затем интегрирования его за период в соответствии с методом АДУ2, получим следующее алгебраическое уравнение относительно действующих значений анормальных (искажающих) составляющих токов:

где

		1
		T

i		, i
1a			2a
T		2
			dt
	а
	i
0

I 2

1

T

)2 dt

1

T

)2 dt

2

T

(i

(i

i i

dt

a

T

1a

T

2a

T

1a 2a

0

0

0

CУ(i1a ) CУ(i2a ) ВУ(i1a ,i2a ) ,

(4.6)

– анормальные составляющие в токах ветвей нагрузок;

2

Ia

– квадрат действующего значения анормальной составля-

ющей результирующего тока узла;

СУ(i	), СУ(i	)
1a	2a

– соответственно

собственные долевые участия ветвей с источниками токов нагрузок; ВУ(i1a , i2a ) – взаимное долевое участие двух ветвей нагрузок.

50