книги из ГПНТБ / Анисимов Я.Ф. Особенности применения полупроводниковых преобразователей в судовых электроустановках

yj Анпонл«Яі Ф. Анисимов

ОСОБЕННОСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

Издательство «Судостроение» Ленинград

1973

том, что достаточно часто мощности преобразовательных устройств и судовой

следствиям: искажению напряжения сети, увеличению потерь в генераторах и

расчета неканонических гармоник выпрямленного напряжения при различных принципах управления преобразователями; приведены схемы наиболее эффек ­ тивных сглаживающих фильтров.

Научный редактор канд. техн. наук Туганов М. С. Рецензенты:

канд. техн. наук Гусев И. И., Панкин Ю. И.

А 3 1 8 5 - ° 7 7 59-73 048(01)—73

(С) Издательство «Судостроение», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Впоследние годы в различные области электротехники ши­ роко внедряются полупроводниковые преобразователи, из­ готавливаемые на основе тиристоров и кремниевых диодов.

Использование полупроводниковых преобразователей вместо электромашинных и дроссельных позволяет существенно повысить технико-экономические показатели многих судовых механизмов и установок. К настоящему времени накоплен значительный опыт применения таких преобразователей и в судовых электроэнергети­ ческих системах.

Дальнейшее развитие судовой силовой полупроводниковой техники требует изучения процессов, происходящих в преобразова­ телях, и характеристик последних во взаимодействии со всей элек­ троэнергетической установкой. Это объясняется тем, что на судах мощность преобразовательных устройств зачастую оказывается со­ измеримой с мощностью источника питания. В таких случаях пре­ образователи оказывают существенное влияние на режим работы питающей сети, искажая форму напряжения и загружая ее допол­ нительной реактивной мощностью, а также увеличивая потери в генераторах и кабельных линиях. Возникает и обратное влияние се­ ти на преобразователи, проявляющееся в увеличении гармоник вы­ прямленного напряжения, нарушении работы систем управления последними и т. д. При эксплуатации судовых преобразовательных устройств необходимо принимать во внимание также несимметрию различных видов, обусловливающую появление в некоторых слу­ чаях неканонических гармоник выпрямленного напряжения, воз­ буждающих добавочные помехи, а также приводящую к серьезным повреждениям приемника и преобразователя (например, к опроки­ дыванию инвертора).

Впредлагаемой книге рассмотрены схемы и характеристики со­ временных судовых преобразовательных устройств, особенности их работы, а также вопросы взаимного влияния преобразователей и судовой сети. Значительное внимание уделено основным видам не­ симметрии, возникающей в судовых преобразователях.

Впервой главе изложены принципы построения судовых полу­ проводниковых преобразователей: выпрямителей, широтно-импуль- сных преобразователей, инверторов, преобразователей частоты.

Глава 1

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ СУДОВЫХ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

§ 1.1. Назначение, способы регулирования и составные элементы судовых полупроводниковых выпрямителей

выпрямители являются наиболее распространенным видом стати­ ческих преобразователей. До разработки полупроводниковых вен­ тилей силовые выпрямительные агрегаты создавались на основе ионных вентилей. Однако на судах они не нашли применения. Не получили широкого распространения и полупроводниковые селе­ новые выпрямители. Применение их ограничивается установками относительно небольшой мощности — до 10 кВт. На судах для преобразования электрической энергии в основном применялись электромашинные агрегаты.

Разработка в середине 50-х годов силовых полупроводниковых

электроустановках, в большинстве случаев выполняют ряд других задач, связанных со стабилизацией выходного напряжения или тока, изменением напряжения в широком диапазоне, ограничением тока в определенных пределах. Осуществление этих задач требует регулирования выпрямленного напряжения. Возможны различные способы регулирования:

а) переключением выводов первичной или вторичной обмотки силового трансформатора;

б) с использованием трансформаторов, имеющих выдвижные или поворачивающиеся сердечники, а также трансформаторов с подмагничиваемым шунтом;

в) с помощью дросселей насыщения; г) с помощью тиристоров.

Для переключения выводов применяется контакторное устрой­ ство. Этот способ характеризуется ступенчатым изменением

5

выпрямленного напряжения. Достоинствами его являются обеспече­ ние довольно высокого коэффициента мощности выпрямителя и возможность использования неуправляемых вентилей. Для глубо­ кого регулирования выпрямленного напряжения этот способ в су­ довых преобразовательных устройствах широкого применения не получил, однако к введению ответвлений на первичной обмотке трансформатора с целью изменения уставки выходного напряже­

ния в небольших пределах (от +5 до —10%) прибегают достаточно часто.

Второй способ регулирования в судо­ вых выпрямительных установках не при­ меняется в силу сложности конструкции и значительной инерционности трансфор­ маторов.

стности, значительной инерционности. В связи с тем, что преобразо­ ватели подобного типа подробно освещены в литературе [24, 54, 58], здесь их рассматривать не будем.

В настоящее время применяется регулирование напряжения выпрямителей с помощью тиристоров. Тиристорные преобразова­ тели приобретают особую ценность при использовании их в судо­ вых условиях.

Для получения тех или иных характеристик в преобразователь вводят обратные связи. На судах тиристорные преобразователи работают, как правило, в замкнутых системах автоматического регулирования. Принцип построения системы регулирования на основе тиристорного выпрямителя иллюстрируется рис. 1.1.

нагрузки от сети. Кроме того, одновременно с этим силовой транс­

Режим работы преобразовательного трансформатора значи­ тельно отличается от режима работы обычного повышающего или понижающего трансформатора [53]. Это отличие обусловливается

6

тем, что ток в обмотках преобразовательного трансформатора имеет несинусоидальную форму, а продолжительность протекания его меньше, чем у обычного. В некоторых схемах возникает посто­ янное (в трехфазной нулевой) или переменное (в шестифазной ну­ левой) подмагничивание магнитопровода трансформатора. Указан­ ные причины приводят к завышению мощности трансформатора по сравнению с мощностью нагрузки.

Вентильный блок ВБ предназначен для выпрямления перемен­ ного, и для регулирования выпрямленного напряжения. Он состоит из тиристоров или из тиристоров и неуправляемых вентилей.

В состав силовой части, кроме трансформатора и вентильного блока, иногда включают сглаживающий фильтр СФ, предназна­ ченный для снижения пульсации выпрямленного тока.

Система управления преобразователем СУ обычно состоит из нескольких узлов. Основной ее узел — система фазового управле­ ния СФУ, которая необходима для агрегатов как с автоматиче­ ским, так и с ручным управлением. Задачей СФУ является выра­ ботка управляющих импульсов для включения тиристоров в опре­ деленные моменты времени, а также смещение этой системы импульсов по фазе с целью изменения угла включения тиристоров, что необходимо для регулирования выпрямленного напряжения.

Система управляющих импульсов, вырабатываемая СФУ, в иде­ альных условиях характеризуется строгим соблюдением интервала между импульсами, равным 2л/т (где m — число фаз выпрям­ ления) . Так, например, в трехфазной мостовой схеме этот интервал составляет 60 эл. град. В реальных режимах из-за наличия в пре­ образователях несимметрии различных видов происходит наруше­ ние указанного интервала между отдельными импульсами. Подоб­ ное явление приводит к ряду нежелательных последствий, которые приходится учитывать при использовании выпрямительных агре­ гатов на судах. Степень разброса управляющих импульсов в зна­ чительной мере зависит от принципа построения СФУ, а также от характера ее реакции на воздействие несимметрии напряжений судовой сети. В целях систематизации рассмотрим системы фазо­ вого управления в отдельной главе.

В зависимости от назначения системы регулирования в систему управления кроме СФУ могут входить: суммирующее устройство для суммирования задающего сигнала U3 и сигналов, поступаю­

В судовых преобразовательных устройствах наиболее распро­ странены системы автоматического регулирования, предназначен­ ные для стабилизации выпрямленного напряжения или тока, огра­ ничения выпрямленного тока, стабилизации частоты вращения двигателя, изменения выпрямленного напряжения или тока по определенному закону.

Необходимость в стабилизации выпрямленного напряжения обусловлена тем, что для некоторых судовых электроустановок

7

и приборов требуется неизменное напряжение, в то время как на­ пряжение выпрямителя с изменением нагрузки, а также при коле­ баниях напряжения сети меняется в заметных пределах. Примером судовых выпрямительных агрегатов со стабилизированным напря­ жением являются преобразователи общего назначения типа ВАКС.

Другая группа судовых электроустановок (например, заряд­ ных) требует неизменного тока при меняющемся в процессе ра­ боты напряжении. Для питания подобных установок используются выпрямительные агрегаты со стабилизацией выпрямленного тока.

Необходимость применения системы автоматического ограниче­ ния выпрямленного тока объясняется чувствительностью полупро­ водниковых вентилей к перегрузкам по току. Ограничение тока, характерное, например, для электропривода постоянного тока, обычно осуществляется с помощью блока токовой отсечки. Си­ стемы управления приводами выполняют, как правило, несколько функций, в том числе обеспечивают стабилизацию частоты вра­ щения двигателя на рабочем участке, ограничение тока якоря, ре­ гулирование выпрямленного напряжения по определенному за­ кону и т. д.

Изменение выпрямленного напряжения и тока в широких пре­ делах необходимо, например, для сварочных агрегатов.

Указанные функции реализуются в системах автоматического регулирования с помощью обратных связей по выпрямленному на­ пряжению, выпрямленному или потребляемому току, а также по частоте вращения двигателя. Работа преобразователей в замкну­ тых системах и методы расчета переходных режимов рассматри­ ваются в [16, 68].

В зависимости от требований, предъявляемых к преобразова­ телю, в нем могут отсутствовать те или иные вышеперечисленные звенья (за исключением вентильного блока). При достаточно вы­ соком номинальном напряжении двигателя иногда не применяют силовой трансформатор. В таких случаях для ограничения вели­

Надежная работа полупроводниковых преобразователей может быть обеспечена лишь применением соответствующей защиты вен­ тилей. Виды аварийных режимов, способы защиты полупроводни­ ковых преобразователей рассмотрены в [53], а в отношении судо­

Использование полупроводниковых преобразователей на судах обусловливает ряд особенностей в их работе. Во многих случаях мощность одного или нескольких преобразователей оказывается соизмеримой с мощностью судовой электростанции. В результате возникает взаимное влияние преобразователей и судовой сети, сопровождающееся отрицательными последствиями. Нарушение нормального режима работы судовой сети, вызванное, например,

8

короткими замыканиями в электроэнергетической системе, или на­ личие даже обычной несимметрии напряжений сети также приво­ дит к определенным отклонениям в работе преобразователей. Кроме того, стремление получить минимальные габариты и массу,

§ 1.2. Схемы выпрямления, применяемые в судовых электроустановках

Характеристики выпрямительного агрегата существенным об­ разом зависят от схемы преобразования. Применяемые в судовых установках схемы выпрямления приведены на рис. 1.2.

Важнейшими показателями, определяющими целесообразность использования той или иной схемы, являются:

а) величина пульсации выпрямленного напряжения; б) величина высших гармоник в цепи переменного тока; в) типовая мощность трансформатора;

г) степень использования вентилей по току и напряжению. Кроме постоянной выпрямленное напряжение содержит перемен­

ную составляющую. Величину последней можно характеризовать с помощью коэффициента пульсации

Udo

где Udn — действующее значение переменной составляющей; Ud0 — среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного на­ пряжения в холостом неуправляемом режиме.

Напряжение Udo определяется выражением

Ud0 = ] / 2Е2 — s i n — ,

где Е2 — действующее значение вторичной фазной э. д. с. транс­ форматора в нулевых схемах и линейной — в мостовых.

Многие судовые потребители чувствительны к пульсации вы­ прямленного напряжения. Поэтому появляется необходимость включения сглаживающих фильтров. Однако с повышением фазности выпрямления пульсация снижается и уже при rn — Q в ряде случаев удается исключить применение фильтров или ограничиться простейшими их схемами.

Выпрямители потребляют несинусоидальный ток. Наличие в нем высших гармоник приводит к дополнительным потерям в обмотках генераторов электростанции, в соединительных линиях, может вы­ звать резонансные явления в цепи переменного тока. Это обстоя­ тельство имеет особенно важное значение для судовых условий в связи с тем, что во многих случаях мощность преобразователь­ ных устройств соизмерима с мощностью электростанции. В таких условиях наличие высших гармоник в токе выпрямителей приво-

9