научная статья по теме УПРОЩЕННАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФАЗОПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА С ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ Энергетика

Текст научной статьи на тему «УПРОЩЕННАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФАЗОПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА С ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 621.314.2

УПРОЩЕННАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФАЗОПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА С ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ

© 2015 г. М.Г. АСТАШЕВ1, М.А. НОВИКОВ2, Д.И. ПАНФИЛОВ1, П.А. РАШИТОВ2, М.И. ФЕДОРОВА2

1 ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского" (ОАО "ЭНИН") 2 Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ")

E-mail: panfilov@eninnet.ru

В статье рассматривается подход к созданию упрощенной аналитической модели для анализа электромагнитных процессов в схеме фазоповоротного устройства (ФПУ) при пофазном управлении его тиристорным коммутатором. Получены аналитические выражения для расчета электрических параметров в симметричном и неполнофазном режимах работы устройства. На примере проведена верификация разработанной аналитической модели путем сравнения результатов расчета токов и напряжений в непол-нофазном режиме работы ФПУ с результатами имитационного моделирования процессов, выполненного для аналогичного режима в среде MatLab. Адекватность разработанной аналитической модели проверена сравнением результатов аналитических расчетов с экспериментальными данными, полученными на физической модели ФПУ.

Ключевые слова: фазоповоротное устройство, тиристорный коммутатор, непол-нофазный режим работы, симметричный режим работы, аналитическая модель, имитационная модель.

SIMPLIFIED ANALYTICAL MODEL FOR AN OPEN-PHASE OPERATING MODE RESEARCH OF A PHASE SHIFTING DEVICE WITH A THYRISTOR SWITCH

M. G. ASTASHEV1, M. A. NOVIKOV2, D. I. PANFILOV1, P.A. RASHITOV2, M. I. FEDOROVA2

1OJSC "G.M. Krzhizhanovsky Power Engineering Institute", Moscow 2NationalResearch University "Moscow Power Engineering Institute" E-mail: panfilov@eninnet.ru

In this paper an approach to the development of a simplified analytical model for the electromagnetic processes' analysis of a phase shifting device with an individual phase controlled thyristor switch is considered. The analytical expressions for the electrical parameters' calculation in symmetrical and open-phase operating mode are received. On the concrete example verification of the developed analytical model is held. It is accomplished by means of comparison between current and voltage calculation results when the phase shifting device is in an open-phase operating mode with the simulation results in Matlab. Adequacy check of the obtained analytical model is held by comparison between the analytical calculation and experimental data received from the actual physical model.

ФПУ

Рис. 1. Упрощенная схема ФПУ с тиристорным коммутатором

Key words: phase shifting device, thyristor switch, open-phase operating mode, symmetrical operating mode, analytical model, simulation.

Фазоповоротные устройства (ФПУ) применяются в электроэнергетике в качестве средств управления потоками мощности и оптимизации режимов работы электрических сетей [1]. Применение в составе ФПУ тиристорных коммутаторов (ТК) вместо электромеханических устройств регулирования напряжения позволяет получить ряд преимуществ, связанных с повышением быстродействия, надежности и точности регулирования фазового угла сдвига, создаваемого устройством.

Одной из проблем, решаемых при разработке ФПУ, является обеспечение надежной работы ТК при его переключении. Особенностью управления коммутатором является то, что тиристоры не имеют полной управляемости, из-за этого управление коммутатором должно осуществляться на строго определенном интервале периода сети. Изменение фазового угла ФПУ производится пофазно, при этом устройство на отдельных временных интервалах периода сети переходит в неполнофазный режим. Длительность процесса изменения фазового угла в ФПУ с ТК в зависимости от ряда факторов может занимать от одного до нескольких периодов сети [2]. При этом устройство на протяжении процесса изменения фазового угла будет работать в непол-нофазном режиме, что вызовет появление переходных процессов в схеме ФПУ и во

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений ФПУ

внешней электрической цепи и может сказаться на надежности работы ТК устройства. Обеспечение надежных режимов переключения ТК ФПУ требует детального рассмотрения электромагнитных процессов в схеме ФПУ в зависимости от различных факторов: режима работы внешней электрической сети, состояния ФПУ, способа управления коммутатором и др.

На рис. 1 приведена схема трехфазного ФПУ, работающая при активно-индуктивной нагрузке, содержащей два трансформатора: сериесный (СТ) и шунтовой (ШТ), а также ТК, подключенный ко вторичным обмоткам ШТ. Изменение фазового угла, формируемого ФПУ, осуществляется за счет подключения коммутатором различных вторичных обмоток ШТ к вентильным обмоткам соответствующей фазы СТ. При этом вторичные обмотки каждой фазы ШТ имеют разные по величине значения действующих напряжений, в соотношении 1 : 2 : 4 : 8 [3].

Цель настоящей работы — создание упрощенной аналитической модели для анализа электромагнитных процессов в схеме ФПУ, работающего при активно-индуктивной нагрузке и пофазном управлении ТК.

Аналитическая модель разрабатывается в виде системы уравнений, устанавливающей взаимосвязь между электрическими параметрами всех ветвей и узлов ФПУ в установившихся режимах до и после изменения состояния (выключения) тиристорных мостов одной из фаз (для определенности — фазы А) ТК. Состояние тиристорных мостов остальных фаз ТК остается неизменным. До выключения мостов указанной фазы коммутатора режим работы ФПУ симметричен, аналитическое описание этого режима проводится на первом этапе создания модели. Выключение мостов одной из фаз приводит к возникновению несимметрии токов и напряжений в электрических цепях устройства. На практике установившегося неполнофазного режима работы ФПУ наблюдаться не будет, поскольку выключение тиристорных мостов фазы производится на короткий промежуток времени. Необходимость качественной и количественной оценки параметров выключения мостов требует отдельного рассмотрения данного режима, которое проводится на втором этапе создания модели. На заключительном этапе проверяется адекватность разработанного аналитического аппарата с использованием имитационного и физического моделирования сравнением результатов аналитических расчетов, результатов имитационного моделирования и экспериментальных данных.

Модель разработана с учетом следующих допущений:

1. ФПУ функционирует в качестве устройства управления напряжением активно-индуктивной нагрузки.

2. Индуктивности рассеяния и активные сопротивления обмоток трансформаторов малы по отношению к эквивалентному сопротивлению нагрузки.

\\lc-.

\\Ibt.

Рис. 3. Схема соединения вентильных обмоток СТ в неполнофазном режиме

3. Рассматривается неполнофазный режим работы ФПУ, связанный с естественным отключением тиристорных коммутаторов фазы А при нулевом токе.

1. Симметричный режим

Выражения для комплексных действующих значений фазных напряжений сети запишем в виде:

1 ■ о

ил = Ил ■ е1 ■

ив

ил ■ е

. 2п

-1 ■ Т

(1)

. 2п

1 ■ Т

ис = ил ■ е

ил = иллх + 1л1 ■ 2п

ив = ивв1 + 1в1 ■ 2п

и с = исс1 + !с\ ■ 2п,

(2)

где 1л1, 1в1, 1с1 — токи нагрузки соответствующих фаз; илл1, ивв1, исс1 — напряжения вольтодобавки, вводимое ФПУ; 2Г„ — комплексное сопротивление нагрузки;

ило = ил +

иво = ив + ис о = ив +

и лл 1 2

ивв 1 2

и сс 1 2 ,

(3)

где ило, иво, исо — напряжения первичных обмоток ШТ соответствующих фаз.

Напряжения IIмл , имв и имс вентильных обмоток СТ также представляет симметричную систему

имл + Ьыв + Ьыс = 0. (4)

При этом они определяются соотношениями:

мв

имв 0

и 0

иМА

имс 0

мс

и

АА1_нп. р

АА1_с. р.

А1_с. р.

/ иА1_нп. р. = иА0_с. р.

Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений У л , Ьа\ и Улл1 в ФПУ

УмЛ = Уло ■ К1. Умв = иво ■ Ки Умс = исо ■ Кц,

(5)

где К1; — коэффициент трансформации ШТ, равный отношению первичной обмотки ко вторичной. Количество витков вторичной обмотки ШТ изменяется тиристорным коммутатором в процессе регулирования фазового угла. Результирующее число витков вторичной обмотки определяется числом ее витков, подключаемых ТК при формировании текущего значения фазового угла (; — число вторичных обмоток ШТ).

Для напряжений имл , имв, имс можно записать:

ил + ил1 г и мл = ---- К,.

•т ив + ив1 г

имв = --- ■ Лц

и = Ус + Ус 1 Л имс = -Г- ■ К,.

(6)

где ил1, ив1, ис1 — напряжения нагрузки соответствующих фаз;

Ул - ил 1 = ив - ив 1 = ис - иа =

и мв - и мс К

и мс- Ума Л 2

Ума - Умв К2 ,

(7)

где К2 — коэффициент трансформации СТ, определяемый отношением напряжений вентильной обмотки к сетевой.

Таблица 1

Зависимости токов и напряжений в схеме с ФПУ для неполнофазного режима работы от коэффициентов трансформации Ку и К2 (а) и угла регулирования к (б)

ч#

Iaí =

UAe

7n h+3 4 *

• Ua (—j '2 Iaí = ta cosi - i e

Z

^n

ÍBl = Ua (-1 + з ^ e

2П1 2 4 K-

1 + 3 K-

4 K22

IB1 = -— cos(— + t

7 12

n

icí = -

ua ( 1 3 kij e

2 4 K2

1 + 3

4 K22

Ici = -UUAcos(— - 60° Ie Z. 12

Hf I

Uaí =

UAe

1 + 3 K-

4 K22

Uaí = Ua cosI —-J e 2

UBí = ^ = UA|- 1 + 3f

1 + 3 K-

4 K22

Ubí = -Ua cos I- + 60 °I e

Uc i = Icí z = Ua |---3 f e

'423 r

1+3 K-

4 K22

UC1 = -UAcos(- - 60° i e

Uaaí = Ua - Iaízn = Ua

"¿3*1

1 - -

1 + *

4 K22 I

JAA1 = Ua

Ubbí = - Ub + ibizn

= Ua

-JT ( 1 3 * - e + 1 1 1

H#

2 4 K2

1 + 3 ü

4 K22

ubbí = üa\-e' 3 - cos (— + 60 °j e 2

Таблица 1 (Окончание)

Усс1 = - Ус + 1с12п =

Ул

1 - 3Ки) е

2 4 К-

£К1

1+3 К-

4 к2

Умл = Умв - Усс1 К2

Умв = Ув +

ивв1

К и

У мс = ( ис + ^ К1

Усс1 = Ул\- е - ее® ( ^ - 6

Умл = | УАК1

Л к

-2- е

3

\

К

имв_Ш\ „^ - е08(«

V 2

ЧЖ = Ще 3 - cos (^ - 60< К.,. 2 V V2

Из (6) и (7) получим:

У41 = (Ьс - Ьв)-К± + ил + Умв+-Умс ■ КЦ - Умл ■ КН.

К2

К22

К22

(8)

С учетом Ис - (¡в = ил -73 ■ е соотношение (8) преобразуется к виду

ил1

^ ■1 - 3 +¿К? ■■

4 К2 К2 4 К2

■ • а1ап

ил ■ е

¿К-

к,

1 - 3К» 4 к2 ;

(9)

Соотношение (9) определяет зависимость входных и выходных напряжений для фазы А ФПУ от текущего значения коэффициента трансформации ШТ, задаваемого ТК. Очевидно, что аналогичные соотноше

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком