2015_zinoviev

1.4. СРАВНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Были выделены три концепции построения трансформаторов постоянного тока. Первая концепция, использующая соединение гирляндой отдельных активных (транзисторных) LC-ячеек, оказалась эффективной при небольших значениях коэффициентов преобразования по напряжению (не более 4). Вторая концепция оказалась эффективной до больших значений коэффициента преобразования по напряжению (исследована до значений 7). В преобразователях по обеим концепциям коэффициент полезного действия оказался на приемлемом уровне 0.95…0.97 при уровне мощности в одном канале до 1200 кВт, как того требует тяговый асихронный двигатель электровозов постоянного и переменного токов. Но оба типа трансформаторов постоянного тока не имеют гальванической изоляции между входными и выходными цепями, хотя и имеют общую нулевую шину (землю). Поэтому возможности таких трансформаторов предполагается развивать в части придания им свойств гальванической изоляции.

Третья концепция построения трансформаторов постоянного тока по структуре уже имеет гальваническую изоляцию между входными и выходными цепями, что расширяет области применения таких трансформаторов. Это и электрооборудование планируемых перспективных электровозов постоянного тока высокого напряжения, и элементы связи сетей постоянного тока различного напряжения в системах распределенной генерации электрической энергии, и устройства ответвления (с понижением напряжения) в высоковольтных ЛЭП, и как составная часть других типов электронных трансформаторов, как то AC/AC, AC/DC, DC/AC. Уникальным свойством всех указанных типов электронных трансформаторов является возможность получения теоретически любого большого значения коэффициента преобразования по напряжению, что позволит их использовать в высоковольтных и супервысоковольтных электрических сетях. Интересна для приложений и обратная функция преобразования напряжения, а именно повышение напряжения низковольтных источников постоянного напряжения, что типично для многих источников возобновляемой энергетики.

Заметим, что мы не касаемся электроники маломощных трансформаторов постоянного тока, применяемых для питания новых источников света, так как наши интересы относятся к силовой электронике, электротехнике и энергетике.

21

Отметим, что на Западе появление трансформаторов постоянного тока связывают с патентом W. McMurray 1970 г., хотя в России (СССР) исследования по преобразователям с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты, не называемые в то время трансформаторами постоянного тока, начались лет на 5 раньше [7], на кафедре промэлектроники НЭТИ (НГТУ) еще с 1964 г. В последующие годы застоя, перестройки и переходного периода российское лидерство было утеряно, но в последние годы это направление у нас возрождается [8–19] и, как показано в этом разделе, появились новые оригинальные решения по построению трансформаторов постоянного тока.

22

2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Классический электромагнитный трансформатор является основным элементом электрических сетей и систем передачи и распределения электрической энергии. Он характеризуется высокой надежностью, малыми требованиями по обслуживанию, высоким КПД, длительным сроком службы. Но при этом он имеет высокие массогаба-

при транспортировке трансформаторов больших мощностей. К тому же классический электромагнитный трансформатор обладает ограниченными функциональными возможностями по регулированию параметров электрической энергии, которые сводятся в основном к электромагнитной изоляции его входных и выходных цепей и фиксированному (дискретному) изменению величины выходного напряжения.

В работе [21] приведены данные по зарубежным распределительным трансформаторам фирмы GE-PROLEG, представленные в табл. 2.1 для их массо-габаритных показателей и в табл. 2.2 для стоимостных показателей.

По этим параметрам рассчитаны удельные массогабаритные и стоимостные показатели на единицу мощности (кВ · А), приведенные на рис. 2.1–2.4. Получены также уравнения аппроксимаций представленных графиков.

Для трансформаторов с масляным охлаждением мощностью 0,4…1,0 МВ · А удельный показатель массы равен 4…5 кг/кВ · А, а для меньших мощностей он значительно выше. Та же тенденция

добный характер носит и зависимость удельного показателя стоимости, а именно 30 $/ кВ · А для того же диапазона мощности.

Полученные зависимости были аппроксимированы в программе MathСad и получены следующие уравнения в форме полиномов третьего порядка.

23

Т а б л и ц а 2.1

Габариты и вес трехфазных трансформаторов (размеры в дюймах, вес в фунтах)

Т а б л и ц а 2.2

Стоимости трехфазных трансформаторов (в долларах)

24

энергопотребления, импульсными режимами работы, приводит к недопустимому по уровню ухудшению качества электрической энергии, что, в свою очередь, окажет негативное влияние на нестандартные режимы работы потребителей, усугубляя их.

Т а б л и ц а 2.3

Сравнительные характеристики магнитных материалов

По мере усложнения функций, структуры и режимов работы современных электрических сетей и систем недостатки классических электромагнитных трансформаторов проявляются все больше. Особенно это стало проявляться в появившихся системах распределенной генерации и smart grids сетях, порожденных системами возобновляемой энергетики, прежде всего на базе солнечной и ветроэнергетики. Об их интенсивном развитии свидетельствует то, что 60 % ежегодного прироста мощностей в Западной Европе приходится уже на возобновляемые источники, и к 2050 г. в развитых странах (Германия) планируется 50 % общей электрической энергии вырабатывать на них. Системы многомерной распределенной генерации потребуют множественности средств регулирования потоков электрической энергии, что будет удобно выполнять с помощью регулируемых силовых электронных трансформаторов.

Более того, классические электромагнитные трансформаторы не только не в состоянии исправлять действие электромагнитных возмущений со стороны потребителей, но нередко даже просто выдерживать

27

их без повреждений. В результате ограничивается развитие возможностей передачи и распределения электрической энергии для классических систем с нестандартными потребителями, а также для «неклассических» (пока) систем возобновляемой энергетики.

Налицо наличие проблемы построения силовых электронных трансформаторов, использующих достижения силовой электроники и свободных от указанных ограничений классических электромагнитных трансформаторов. За рубежом это научное направление начало активно развиваться уже два десятилетия назад [22, 23]. В России работы в области электронного силового трансформаторостроения начали формироваться как самостоятельное научное направление совсем недавно, это отражено и в наших публикациях [7]. В данной работе намечены обобщения структур интеллектуальных силовых электронных трансформаторов, выделены основные классификационные признаки структур и на основании этого спрогнозированы их свойства.

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Все множество силовых электронных трансформаторов можно упорядочить их классификацией. Основными классификационными признаками являются следующие:

наличие или отсутствие гальванической изоляции (метка И или

И );

двунаправленность или однонаправленность потока активной мощности (метка Д или Д );

возможность регулирования величины вторичного напряжения (метка Н или Н );

возможность регулирования фазы вторичного напряжения (метка Ф или Ф );

возможность кондиционирования качества электроэнергии вторичного напряжения и первичного тока – полная, ограниченная или

отсутствует (метка К или К, или К соответственно);

число каскадов преобразования энергии в электронном трансформаторе (метки 1, 2, 3, 4,... для одно-, двух-, трех-, четырех-… каскадных преобразователей).

28

Концепция построения силовых электронных трансформаторов с гальванической изоляцией очевидна. Для этого трансформатор T, предназначенный для работы на повышенной частоте (по сравнению с частотой промышленной сети 50 Гц), необходимо дополнить преобразователем повышения частоты ПЧнч-вч с одной стороны трансформатора повышенной частоты и преобразователем понижения частоты до уровня сетевой ПЧвч-нч с другой стороны трансформатора повышенной частоты. Обобщенная блок-схема силового электронного трансформатора с гальванической изоляцией показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Обобщенная блок-схема силового электронного трансформатора

Возможное множество вариантов такого трансформатора определяется известным разнообразием вариантов выполнения полупроводниковых преобразователей повышения и понижения частоты. Такие преобразователи разделяются в соответствии с двумя концепциями: концепция 1 – одноступенчатые (непосредственные) преобразователи частоты и концепция 2 – многоступенчатые (многокаскадные) преобразователи частоты.

2.2. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ПЕРВОЙ КОНЦЕПЦИИ

На рис. 2.5 приведена соответствующая концепции 1 схема однофазного электронного трансформатора с двумя преобразователями частоты типа однофазных матричных конверторов [26]. Матричные конверторы по однофазным мостовым схемам работают здесь в режимах модулятор–демодулятор переменного напряжения 50 Гц повышенной частотой широтно-импульсного регулирования. Значение частоты коммутации определяется динамическими свойствами примененных полупроводниковых ключей и параметрами материалов высокочастотного трансформатора Т.

При таком преобразовании частоты появляется принципиально новое качество. Спектр преобразованного напряжения на трансформато-

29

ре не содержит гармоники частоты питающего напряжения, а только комбинационные гармоники, порожденные высокочастотной коммутацией. Это и служит основой для радикального улучшения массогабаритных показателей высокочастотного трансформатора, а значит, и силового электронного трансформатора в целом. Входной и выходной LC-фильтры при высокой частоте коммутации существенно не изменяют общих массогабаритных показателей всего устройства. Регулирование величины выходного напряжения вниз от входного напряжения осуществляется путем регулирования длительности высокочастотных импульсов на первичной или вторичной обмотках трансформатора.

Рис. 2.6. Однофазный электронный трансформатор концепции 1 на основе однофазных матричных конверторов (тип по классификации И - Д - Н - Ф -

К - 2): u1 – одна фаза питающего напряжения, входной (LC) фильтр высших гармоник; 1 – преобразователь ПЧнч-вч переменного напряжения частоты f1 в переменное напряжение высокой частоты f (модулятор); T – трансформатор звена переменного напряжения высокой частоты (вч Т); uN2 – напряжение вторичной обмотки трансформатора; 2 – преобразователь ПЧвч-нч переменного напряжения uN2 высокой частоты в однофазное переменное напряжение uAB (демодулятор), выходной (LC) фильтр высших гар-

моник; u2 – выходное напряжение электронного трансформатора

Можно получить однофазное высокочастотное напряжение в виде прямоугольного без амплитудной модуляции, если преобразователь ПЧнч-вч выполнить по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых ключах (матричный преобразователь) и запитать его от трехфазной сети, как показано на рис. 2.7, а. При этом преобразователь ПЧвч-нч однофазного напряжения в трехфазное также матричный и управляется в режиме синусоидальной ШИМ, формируя на выходе трехфазное синусоидальное напряжение. Получается транзисторный

трансформатор класса И-Д-Н-Ф- К -2.

30