Возникновение импульсных помех в судовых электроэнергегических системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возникновение импульсных помех в судовых

электроэнергегических системах

1. Импульсные помехи при работе полупроводниковых преобразователей

Основными источниками периодических импульсных помех (ИП) в СЭЭС являются ПП параметров электрической энергии: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и регуляторы переменного напряжения [5]. Принцип действия ПП предполагает периодические переключения цепей, которые приводят к возникновению регулярно повторяющихся переходных процессов нарастания и спадения тока в системе с активно-реактивными элементами. Если удельная мощность ПП невелика (доли процента от мощности генераторов в СЭЭС), то генераторы можно считать в этом случае идеальными источниками напряжения. При относительной мощности ПП, начиная от единиц процентов падение напряжения на внутреннем сопротивлении генираторов при переходных процессах изменения тока сопровождающих работу ПП, становится заметным. При этом и в напряжении сети тоже возникают периодические импульсные помехи (ИП).

Типичная осциллограмма ИП при работе мощного выпрямителя показана на рис.2.1, откуда видно, что периодические ИП носят характер регулярно повторяющихся (в данном случае через 3,3мс) импульсов определенной длительности г, обусловленных коммутациями вентилей. Положение коммутационных импульсов на кривой напряжения основной частоты определяется углом регулирования вентилей ПП б. В момент начала и окончания коммутационных импульсов в ПП происходят колебательные процессы, приводящие к возникновению высокочастотных ИП (показаны в выделенной части осциллограммы на рис.2.1 в другом масштабе времени для момента окончания коммутационного импульса).

2. Импульсные помехи, возникающие при переходах тока с вентиля на вентиль

Наибольшее распространение в СЭЭС получили трехфазные мостовые управляемые ПП, работа которых обычно рассматривается при следующих допущениях:

выпрямленный ток ПП Id полностью сглажен (индуктивность в цепи постоянного тока Ld =?);

емкости сети и ПП не оказывают влияния на процесс коммутации;

активные сопротивления элементов СЭЭС пренебрежимо малы;

вентили ПП идеальны, импульсные искажения напряжения (ИИН) не влияют на работу систем фазового управления вентилями. Управление симметрично.

Тогда СЭЭС с ПП можно эквивалеитировать расчетной схемой представленной на рис.2.2,а. Здесь параллельно работающие генераторы заменяется одним суммарной мощности, который представлен в виде трехфазной симметричной системы си нусоидальных ЭДС eб, еb, ес, соединенных последовательно с эквивалентным реактивный сопротивлением коммутации сети - xc к индуктивным сопротивлением трансформатора (или токо-ограничивающего реактора) ПП xп.

Сопротивление

где xki- коммутационные сопротивления генераторов и активных потребителей -АД. Для генератора xкг примерно равно сопротивлению обратной последовательности х2, которое обычно задается в относительных единицах (x*2). Если базисное сопротивление принемается равным начальному сопротивлению нагрузки генератора, то

где Uгн и Sгн - соответственно номинальное линейное напряжение и полная номинальная мощность генератора. Для АД xкад-сопротивление короткого замыкания. Обычно принимают х*кад =0,16 о.е. ,а xкад , определяют из соотношения

где Uн и Sадн - соответственно номинальное линейное напряжение сети и суммарная номинальная полная мощность всех одновременно работающих в данном режиме АД. Сопротивление xп представляет собой индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора или анодного реактора ПП:

где е*к , Sадн - соответственно напряжение короткого замыкания трансформатора и его полная номинальная мощность. Для упрощения дальнейших рассуждений считаем трансформатор ПП приведенньм к первичной обмотке (коэффициент трансформации hт =I).

Временная диаграмма, поясняющая возникновение ИИН, показана на рис.2.2,б.

Кривую линейного напряжения сети uca можно представить в виде суммы неискаженной синусоиды еса с амплитудой Еm и ИП (показаны штриховкой), которые обозначены uк (рис2.3). С точки зрения оценки работоспособности потребителей электроэнергии (и их защищенности) при периодических ИИН рассматриваются следующие параметры uк : макси мальное значение, длительность фронта, спектральный состав, относительное содержание высших гармоник в напряжении uк (коэффициент несинусоидальности), отклонения напряжения по его действующему значению в сети и среднему значению на нагрузке ПП, коэффициент пульсаций вшрямленного напрявжения ПП.

ИП достигают максимального значения (наибольшего мгновенного отклонения от сину соиды е ) uкm на интервалах 2 и 8 (см.рис,2.3):

ukm=Em sin(б+г)xc/(xc+xп)

Если б+г=р/2 и хс=хп (что соответствует приближенно полной загрузке генератора мощностью ПП), то ukm=0,5Еm

Длительность uk определяется углом коммутации г, который зависит от угла б, амплитуды тока короткого замыкания Ikm на интервале комутации (рис.2.4,а) и тока нагрузки ПП Id (рис.2.4,б) в соответствии с соотношением

Здесь Е2 -действущее значение линейной ЭДС вторичной обмотки ПП (при hт=1, v2E2=Em)

Наибольшего значения г достигает, когда генератор полностью загружен мощностью неуправляствого ПП ( б =0, хс=хп).Тогда г?(30-35)°?(1,7-2) мс при основной частоте сети 50 Гц. Этот случай возможен в гребных электрических установках двойного рода тока, в СЭЭС же обычно г?20°.

Длительность переднего фронта uk зависит от собственных параметров вентиля и лежит в пределах 1-5 мкс.

Спектральный состав uk определяется гармониками с порядковыми номерами х=hm±1 для рассматриваемого случая m=6, поэтому х=6h±1. Точное определение амплитудных значений гармоник Umх требует учета большого числа факторов [5]. С достаточной для практических оценок точностью uk могут быть описаны равновеликими прямоугольниками той же длительности г [7]. Тогда относительные амплитуды гармоник U*mх=Umх/v2E2=Umх/Em (для hт=1) подчиняется соотношению

где Pd=UdoId. -мощность ПП на стороне постоянного тока; Udo.-выпрямленное напряжение в режиме холостого хода ПП,

при б =0 Udo=3?2 E2/р; Sкз -полная мощность симметричного короткого замыкания СЭЭС на стороне переменного тока ПП. Ее можно определить по формуле:

где n - число параллельно работающих генераторов. Формула справедлива и для фазового напряжения сети с той лишь разницей, что Umх выражены в долях от амплитуда фазной ЭДС Emф=Em /v3. Из следует, что Umх практически не зависит от г и х при малых значениях г. Действительно, значения Umх для х=5, 7, 11, 13 при г=50 совпадают с точностью до долей процента (рис.2.5). Поскольку Umх падает с ростом г , в предварительных расчетах для оценки порядка максимальных значений амплитуд 5-й, 7-й, 11-й у 13-й гармоник можно приближенно считать U*mх?Рd/Sкз.Типичная картина диапазона изменения U*mх в процессе работы ПП по казана на рис.2.6, из которого видно, что при х > 25-29 гармоники практически затухают и при оценке работоспособности потребителей их можно неучитывать.

Аналогично могут быть оценены параметры ИП и влияние на качество напряжения и при работе других схем ПП. При одновременной работе многих ПП влияние на качество напряжения и при работе других схем ПП. При одновременной работе многих ПП влияние на качество напряжения будет меньше, чем при работе одного ПП суммарной мощности.

Содержание высших гармоник в напряжении судовой сети оценивается с помощью коэффициента несинусоидальности, значение которого в СЭЭС не должно превышать 0,1 или 10%:

Rнс(??х=2Uх2)Ѕ/U1.

где U1, ,Uх - соответственно действующее значение первой в высших гармонических составляющих напряжения. При работе рассматриваемой схемы ПП hнс достаточно точно можно определить по приближенной формуле

При прочих равных условиях hнс будет максимальным в режиме работы ПП, когда б+г/2=р/2. Этот случай в соответствии с показан на рис.2.7. Учитывая, что xc/хc+хп?Pd/Sгн+Sадн как видно из рис.2.7, в СЭЭС накладываются заметные ограничения на удельную мощность.

Появление периодических ИП приводит к отклонениям действующего значения U напряжения генератора, которое в СЭЭС не должно превышать ±2,5% Uн. Автоматические регуляторы напряжения судовых генераторов не обеспечивают стабилизацию U в этих условиях из-за особенностей построения их измерительных органов, которые определяют отклонение либо среднего Uср, либо амплитудного Um. значения напряжения. Это при переменности коэффициентов формы и амплитуда напряжения в зависимости от параметров ИИН приводит к нестабильности U. Граничные значения отклонений U от Uн можно найти, полагая, что hнс определится одной низшей гармоникой напряжения, hнс=Uх/U1. Тогда отклонения ДU*=(U-Uн)/Uн при стабилизации Um и Uср примут вид:

Результаты расчета абсолютной величины наибольших граничных значений |?U*| при х=5 показаны на рис.2.8,

откуда видно, что |?U*|>5% уже при hнс=10% и Um=const. Это требует принятия специальных мер по стабилизации U либо ограничения hнс?5% (в таком случае с использованием рис.2.7 при Sадн=0 и г=20° получается Рd/Sгн?5%.

Влияние ИИН в цепи нагрузки ПП оценивается по спектральному составу Ud и изменению его среднего значения [5].

3. ИП, возникающие при переходных процессах включения и отключения вентиля

Рассмотрим процессы включения и отключения вентилей в схеме ПП (рис.2.9) для тех же допущений и обозначений величин, которые были приняты ранее при анализе переходов тока с вентиля на вентиль, но теперь учтем емкость в цепях ПП. Емкость Сф, включает собственную емкость фазы трансформатора и емкость шин, соединяющих трансформатор с вентильным блоком отиосительно корпуса, Сф(1-10)нФ. Емкости полюсов Сп1, Сп2 - собственные емкости образования, подключенного к полюсам и емкости помехоподавлотцих конденсаторов, которые вносят основной вклад в Сп1 , Сп2 . В дальнейшем будем считать

Сп1 =Сп2 =(1-10) мкФ

В схему ПП включают также цепочки RC, предназначенные для демпфирования колебательных процессов отключения вентилей. Кроме этого судовая сеть имеет значительную собственную емкость фазы относительно корпуса Сс =(5-20) мкф, которая оказывает влияние на параметры высокочастотных ИП.

Наличие в схеме не только емкостей, но и иидуктивностей (шин Lш и анодной индуктивности Lп+Lс) приводит к тому, что периодически повторяющиеся в ней возмущения (при включении и выключении вентилей) вызывают появление колебательных процессов в контурах LC. Для их оценки необходимо знать величины скачков анодного напряжения при включениях и отключениях вентилей.

Кривая анодного напряжения вентиля uа (напряжения между анодом и катодом) показана на рис.2.10 без учета колебательных процессов. Она формируется из участков линейных напряжений u2 на вторичной обмотке трансформатора, подобных линейным напряжениям сети (см.рис.2.2,б).

При включении вентиля (в момент, соответствующий углу б) и изменяется от значения Uск1 до 0:

где Е2m - амплитуда линейной ЭДС вторичной обмотки трансформатора (для hm=1, E2m=Em) При включении вентиля (в момент 2р/3+б+г) ua возрастает от нуля до значения

Теперь рассмотрим процесс включения вентиля, например V2 (см.рис.2.9). До момента включения V2 ток проводят V6 и V1. При этом напряжение на каждой емкости Сф со впадает с соответствующей фазной ЭДС, напряжение на емкости Сп1 равно ЭДC фазы в, на емкости Сп2- ЭДС фазы а. Анодное напряжение на V2 в момент его включения (см.рис.2.10) ua=Uck1. Таким образом, при включении V2 напряжение на Сп1 Сф фазы в выше, чем напряжение на Сф фазы С. Сразу же после включения V2 начинается перезаряд этих емкостей (выравнивание их напряжений) с протеканием соответствующих токов (показаны стрелками на рис.2.9). В образованные контуры кроме емкостей входят индуктивности шин (проводов), соеданявщих точки в и С. Поэтому включение вентиля возбуждает в схеме ПП собственные колебания, частота которых определяется индуктивиостями шин Lш и емкостями (Сф, Сп1 или Сп2). Оценим порядок частот возбуждаемых колебаний и их амплитуду. Эквивалентная схема для включения вентиля V2 показана на рис.2.11,а, где Rш - сопротивление шин ПП на пути тока, а эквивалентная емкость С9=2СфСп/(2Сф+Сп). Частота собственных колебаний имеет порядок при Lш = 10-5 Гн и Сэ =10-8 Ф.

Начальное значение амплитуды напряжения колебаний на Сэ (см. рис.2.11) Uск1=Е2msinб?102 В. Колебания (см. рис. 2.11) затухают быстро, поскольку Rш?10-2 Ом, а декремент затухания Rш/ Lш ?103. Эти кондуктивные ИИН не оказывают заметного влияния на работу элементов в СЭЭС. Они передаются главный образом излучением, создавая помехи радиоприему. Типичный спектральный состав напряжения помех Uп показан на рис.2.12. Снижение уровня помех обеспечивается высокой степенью экранирования корпусом ПП в морском исполнении (корпуса ПП - литые).

Колебательные процессы при выключении вентиля протекают аналогичным образом, с той лишь разницей, что теперь необходимо учитывать в колебательных контурах анодную ицдуктивность

Lа=Lп+Lс

Lп=хп/щ, Lс=xс/щ.

Эквивалентная схема контура колебаний анодного напряжения (без учета активных сопротивлений фаз, демпферирующих RC цепочек и эквивалентной емкости сети) показана на рис.2.13,а. Емкости 1С и С2 в этой схеме равны

а индуктивность

Свободная составляющая колебаний анодного напряжения представляет собой двухчастотное колебание (см.рис.2.13,б):

Оценка порядка частот при L=10-3 Гн, С1 =10-9 Ф и С2 =10-6 Ф дает f1 ? I03 Гц, f2 ? 10-5 Гц. Порядок начальной амплитуда колебаний, как и в предыдущем случае, Uск2 ?I02 В. При активном сопротивлении фазы порядка Rф =10-2 Ом декремент затухания (одинаковый для колебаний с частотами f1 и f2) Rф/2L?10/ Таrим образом, эти колебания затухают значительно медленнее, чем при включении вентиля. Они проявляются не только в ветви с выключаемым вентилем, но и во всей остальной части схемы, накладаваясь на напряжение сети и выпрямленное напряжение. В рассмотренной схеме ПП эти ИП воэбуждаются шесть раз за период напряжения сети (через 3,3 мс) и представляют опасность как для самого ПП (обратные включения вентилей, воздействие на изоляцию оборудования), так и для других потребителей энергии в СЭЭС. Использование демпфирующих цепочек RC позволяет примерно в 1,5 раза уменьшить амплитуду, и частоту ИИН, обеспечив практически полное затухание через 1-1,5 периода [б]. Учет емкости фаз судовой сети относительно корпуса Cс приводят к уменьшению частоты колебаний. Тем не менее, они продолжают оставаться опасными для судовых электронных устройств и требуют учета при оценке защищенности этих устройств.

4. Примеры расчета параметров ИП

импульсный помеха полупроводниковый напряжение

Оценим параметры периодических ИП и их влияние на качество напряжения в СЭЭС при работе генератора МСК 113-4 на асинхронную нагрузку и электропривод грузовой лебедки с ПП типа АТРК 100-460, включенного в сеть через анодный реактор (hт=I). Исходные данные: полная номинальная мощность генератора Sгн=375 кВА, сопротивление обратной последо вательности Х2* = 0,15 о.е, номинальное напряжение генератора Uгн=400 В суммарная полная номинальная мощность работающих АД, Sадн =100 кВА, сопротивление короткого замыкания АД Хкад* = 0,16 о.е, номинальное напряжение сети Uн=Е=380 В номинальная мощность ПП на стороне переменного тока S1н =48,3 кВА, сопротивление короткого замыкания Хп* =ек*=0,1 о.е., напряжение холостого хода Udo =460 B, выпрямленный ток Id =60 А, угол регулирования б=60°. Собственная емкость фазы Сф=8·10-9 Ф, емкость полюсов Сп1 = Сп2 = 5 10-6 Ф. Автоматический регулятор на пряжения стабилизирует его амплитудное значение Um -const.

Определяем сопротивления эквивалентной схемы (см. рис.2.2) хс и хп по формулам -:

Определяем длительность ИП г. Находим амплитуду тока короткого замыкания по формуле

по соотнашению Id/Ikm=60/626=0,095 с учетом угла регулирования б=600 по Графику (см.рис.2.4) получаем г=5° или 0,56 мс.

Находим амплитудные значения гармоник в напряжении сети. Мощность короткого замыкания сети по формуле Sкз = 375/0,2+100/0,16=2500 кВА, Мощность ПП Рd =460 60 =27,6 кВт. Для отношения Рd /Sкз =27,6/2500=0,011 и г=5° получаем по графику (см.рис.2.5) Um5*?Um7*?Umн*?Um13*=1%•v2·380/100%=5,4 В

Определяем коэффициент иесинусоидальности напряжения в соответствии с при г=5°=0,035 рад:

Rнс =0,96-sin62°30'*v0,035*0,054/0,054+0,3=0,026=2,6%.

6 Определяем максимальное отклонение действующего значения напряжения сети по графику (см.рис.2.8) при Rнс =2,6% и Um =conrt. Получаем, |ДU*|=2,3% Uн.

Определяем начальную амплитуду и частоту ИП при включении вентиля. Амплитудное значение Uck2 =v2*380 sin65?=482 B. Параметры схемы (см.рис.2.13,a): L=3(0,3/314+ 0,054/314)=3*10-3 Гн; емкость С1 . С1 =8*10-9(8*10-9 + 5*10-6)/3*8*10-9 + 2*5*10-6 ?4*10-9 ф. Емкость С2 , С2 =(8*10-9 + 5*10-6)?*10-9 +2,5*10-6 ?2,5*10-6 ф. Частота колебаний : f1 =[?*10-3 4*10-6)Ѕр=45860 Гц.

Размещено на Allbest.ru