Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ перспектив применения фотоэлектрических солнечных станций в сельском хозяйстве и задачи исследований 11
1.1 Влияние качества электроснабжения на сельскохозяйственные потребители и перспективы применения возобновляемых источников энергии 11
1.2 Обоснование целесообразности применения фотоэлектрических солнечных электростанций в краснодарском крае 17
1.3 Основные недостатки автономных инверторов солнечных электростанций и задачи исследований 23
1.4 Выводы и задачи исследования 26
2 Структурно-схемные решения и теоретические положения по расчёту автономных инверторов на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем 28
2.1 Конструкция и особенности работы трансформаторов с вращающимся магнитным полем 28
2.2 Автономные инверторы на однофазно-трхфазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем 30
2.3 Разработка функциональной схемы автономного инвертора с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками 34
2.4 Особенности расчта автономного инвертора 39
2.5 Особенности расчта фильтров автономных инверторов 44
2.6 Разработка устройств, обеспечивающих параллельную работу автономных инверторов 49 2.7 Выводы по второй главе 58
3 Расчёт основных критериев эффективности автономного инвертора и математическое моделирование физических процессов 60
3.1 Расчт КПД и массогабаритных показателей 60
3.2 Математическое описание и основные задачи моделирования 65
3.3 Разработка принципиальной электрической схемы замещения автономного инвертора для компьютерного моделирования 68
3.4 Результаты компьютерного моделирования 70
3.5 Рекомендации по проектированию системы управления и защиты автономных инверторов на трансформаторах с вращающимся магнитным полем 78
3.6 Выводы по третьей главе 81
4 Экспериментальные исследования автономного инвертора и расчёт экономической эффективности для внедрения его в производство 83
4.1 Экспериментальные исследования 83
4.2 Расчт экономической эффективности 88
4.3 Выводы по четвртой главе 99
Общие выводы 100
Список использованной литературы
- Обоснование целесообразности применения фотоэлектрических солнечных электростанций в краснодарском крае
- Автономные инверторы на однофазно-трхфазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем
- Разработка принципиальной электрической схемы замещения автономного инвертора для компьютерного моделирования
- Расчт экономической эффективности
Введение к работе
Развитие мирового топливно-энергетического комплекса характеризуется ограниченными ресурсами традиционных видов топлива и в связи с этим постоянным ростом их стоимости, а так же ежегодно возрастающими экологическими проблемами, связанные с добычей и переработкой энергетических ресурсов традиционной энергетики.
Перспективным является направление внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сельскохозяйственное производство, этому способствуют, кроме того, следующие факторы: неограниченность ресурсов возобновляемой энергетики, повсеместная распространнность большинства видов на Земле, отсутствие вредных выбросов, доступность для использования. Перспективным направлением для Краснодарского края является внедрение солнечных фотоэлектрических станций, одним из основных узлов которых являются автономные инверторы (АИ). Эксплуатируемые в настоящее время АИ имеют следующие недостатки: низкие эксплуатационно-технические характеристики, в том числе КПД и небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричной нагрузке.
В диссертационной работе предлагается одно из направлений, улучшающее эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов – это применение в их конструкции однофазно-трхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП).
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2006-2010 гг. (ГР 01.2.00606851) и на 2011-2015гг. (ГР 01.2.01153641)
Научная гипотеза состоит в том, применение однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем в составе АИ позволяет применять однофазные статические преобразователи и улучшить эксплуатационно-технические характеристики солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) в комплексе.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных инверторов солнечных фотоэлектрических станций за счет использования в их конструкции однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследований:
-
Провести анализ эксплуатационно-технических характеристик структурно-схемных решений эксплуатируемых автономных инверторов фотоэлектрических солнечных электростанций.
-
Разработать конструкцию обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Разработать функциональную схему автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;
-
Провести компьютерное моделирование физических процессов протекающих в силовой схеме автономного инвертора.
-
Провести экспериментальные исследования автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Провести расчт экономической эффективности автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным.
Объектом исследования являются функциональные схемы автономных инверторов и их системы управления, физические модели автономных инверторов.
Предметом исследования являются эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов (электрические параметры, КПД, массогабаритные и экономические показатели).
Методы исследования базировались на использовании теории электрических цепей, основ теории статических преобразователей электроэнергии с использованием программного продукта LTSpase, позволяющего моделировать физические процессы в силовых электрических цепях.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правильностью выбора и корректного использования математического аппарата, а также совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.
Научную новизну работы составляют:
-
Функциональные схемы автономных инверторов, выполненных на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, в них преобразуется напряжение, поступающее от источника постоянного тока на первичную обмотку со средней точкой, в трхфазную симметричную систему напряжений посредством ШИМ-модуляции и конструкции обмоток трансформатора.
-
Формулы и методы расчта, адаптированные для предложенных функциональных схем однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы, протекающие во вторичной цепи силовой схемы автономного инвертора.
Практическую значимость работы составляют:
-
Конструкция обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем для автономного инвертора солнечных фотоэлектрических установок.
-
Принципиальная электрическая схема замещения для компьютерного моделирования физических процессов автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным
полем.
-
Техническая новизна предложенных схемных решений АИ подтверждена 9 патентами РФ.
-
Рекомендации по проектированию автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Функциональная схема автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы, протекающие в силовой схеме автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Конструкция обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.
-
Результаты расчта экономической эффективности.
Реализация результатов работы.
Материалы по исследованию математической и физической модели переданы в ООО «Солнечный центр» (г. Краснодар). Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии в Кубанском ГАУ, при изучении дисциплины «Электроника».
Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции магнитной системы однофазно-трхфазного ТВМП и функциональной схемы АИ на ТВМП и компьютерной модели АИ на ТВМП.
Апробация работы. I Международная научно-практическая конференция «Наука и технологии: шаг в будущее» (Белгород, 2006 г.); VIII Региональная научно-практическая конференция молодых учных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2006 г); II открытая Всероссийская научно-практическая конференция молодых учных «Молоджь и наука XXI века» (Ульяновск, 2007 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергосберегающие технологии. Проблемы их использования» (Волгоград, 2007 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2007 г.); Международная конференция «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.); Международная научно-практическая конференция «Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК» (Орл, 2009 г.); IV Всероссийская научно-практическая конференция молодых учных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2010 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 33 научные работы, в том числе 9 патентов РФ, 2 монографии, 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.
Общий объм публикаций - 28,05 п. л., из которых 13,7 п. л. принадлежит лично автору.
Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 108 наименований и приложения. Общий объем диссертации: 115 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 11 таблиц.
Обоснование целесообразности применения фотоэлектрических солнечных электростанций в краснодарском крае
С экономической точки зрения важным является вопрос передачи электроэнергии от источника к потребителям, Поскольку сами линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства имеют высокую стоимость и, кроме того, передача и преобразование электроэнергии сопровождается потерями. Так, по информации, приведнной в [44], капиталовложения в 1 км воздушной линии 35 кВ свыше 160 тыс. руб. Стоимость трансформаторных подстанций 35/0,38 кВ мощностью 1000 кВА превышает 800 тыс. руб., 110/35 кВ мощностью 6300 кВА - более 2,6 млн руб., а стоимость распределительных устройств на 35 и 110 кВ более 1,5 млн. руб. С учтом инфляции можно предположить, что капиталовложения в перечисленное ранее оборудование выросло в несколько раз.
Таким образом, ущербы в сельскохозяйственном производстве в основном зависят от вида предприятия и объма обрабатываемой продукции. На рисунке 1.1 показаны зависимости потребляемой электрической мощности (кВт) от производственной мощности (количества голов) [49].
Перерывы в электроснабжении на фермах молочного производства, кроме недополучения молока, приводят к заболеванию коров и последующему уменьшению их продуктивности. Значительные ущербы наносят перерывы в электроснабжении во время первичной обработки молока (охлаждение, сепарирование).
Перерывы в электроснабжении приводят к изменению параметров микроклимата на предприятиях по откорму крупного рогатого скота (КРС) и свиней (снижаются среднесуточные привесы, накапливаются вредные газы, способствующие развитию заболеваний и гибели животных).
Изменение микроклимата на птицефабриках из-за перерывов в электроснабжении может привести к гибели птицы от удушья уже через несколько часов. Кроме того, ухудшение качества электроэнергии (повышение от клонения напряжения, частоты, несимметричные режимы) также приводит к нарушению нормальной работы сельскохозяйственных потребителей.
В последнее время возникают проблемы с экологической обстановкой, а также ежегодным увеличением стоимости электроэнергии, вырабатываемой традиционными источниками, из-за ограниченности ресурсов органического топлива.
Таким образом, в настоящее время остро возникла необходимость разработки высокоэффективных автономных источников электроэнергии для сельскохозяйственного производства.
Перспективным является направление внедрения ВИЭ, которые имеют следующие основные достоинства [101]: – повсеместная распространнность большинства видов на Земле; – неограниченность ресурсов (потенциала); – доступность для использования; – энергия, получаемая от источников, бесплатная; – отсутствие потребности в воде (солнечные и ветроэлектростанции); – отсутствие вредных выбросов (экологическая чистота); – при их использовании сохраняется тепловой баланс на Земле; – возможность использования земель, не приспособленных для хозяйственных целей. Однако в настоящее время основными недостатками ВИЭ являются следующие [17]: – низкая плотность энергии (удельная мощность); – непостоянный характер поступления, в особенности солнечной и ветровой; – необходимость аккумулирования и резервирования; – стоимость вырабатываемой энергии превышает стоимость энергии получаемой от традиционных источников.
Первый недостаток ВИЭ требует создавать большие площади прим-ных поверхностей солнечных электростанций и площади для размещения ветроэнергетических станций. Однако анализ территориального размещения сельскохозяйственных потребителей Краснодарского края показал, что объ-мы АПК в восточных районах края обладают такими свободными площадями, в том числе земли, не непригодные для хозяйственных целей.
Для устранения второго и третьего недостатка ВИЭ необходимо создавать комбинированные источники электроэнергии для наджного электроснабжения потребителей, это могут быть ветро-солнечные электростанции, ветро-газопоршневые электростанции и т. п. [104].
Четвртый недостаток ВИЭ является следствием первых трх, он так же обусловлен неразвитой промышленностью и отсутствием в России инфраструктуры возобновляемой энергетики.
Однако анализ научно-технической литературы показал, что с 2000 по 2012 г. стоимость 1 кВтч электроэнергии, вырабатываемой от традиционных источников возросла, более чем в 10 раз. При этом стоимость основных функциональных узлов ВИЭ уменьшилась в 2,5–4 раз и, как следствие, уменьшилась стоимость 1 кВтч вырабатываемого ВИЭ [3]. Рисунок 1.2 наглядно демонстрирует перспективы использования солнечных фотоэлектрических станций в сравнении с традиционной энергетикой.
Автономные инверторы на однофазно-трхфазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем
В настоящее время известно технические решения АИ, выполненных на однофазно-трхфазных ТВМП и принципиальная силовая электрическая схема приведены на рисунке 2.4, а конструкция магнитопровода – 2.5 [63, 64].
Напряжение источника питания постоянного тока Ud прикладывается к входу резонансного инвертора, выполненного на транзисторах VT1, VT2 и конденсаторе С1. Если в исходном состоянии конденсатор инвертора С1 разряжен, то для формирования положительной полуволны напряжения в первичных обмотках a и b трансформатора ТВМП блок управления БУ формирует управляющие импульсы которые поступают на транзистор VT1, и он открывается, а конденсатор инвертора С1 начинает заряжаться таким образом, что его выводы будут иметь потенциалы, как указаны на рисунке 2.6. При этом ток заряда конденсатора С1 будет протекать через первичные обмотки W11 и W12 трансформатора ТВМП и фазосдвигающий конденсатор СФ. Для формирования отрицательной полуволны напряжения в первичных обмотках трансформатора блок управления БУ закрывает транзистор VT1 и открывает транзистор VT2. В этом случае конденсатор инвертора C1 будет источником питания для нагрузки и его ток разряда будет протекать по первичным обмоткам трансформатора ТВМП, а фазосдвигающий конденсатор СФ в обратном направлении.
Функциональная схема трхфазного инвертора на базе ТВМП Таким образом, попеременная работа транзисторов VT1 и VT2 приводит к тому, что по первичным обмоткам W11 и W12 трансформатора ТВМП протекает переменный ток, который вызывает действие переменного магнитного потока в магнитопроводе трансформатора. Поскольку первичные обмотки W11 и W12 смещены в пространстве одна относительно другой на угол 90о и подключены через фазосдвигающий конденсатор СФ, то в магнитопроводе трансформатора образуется вращающееся магнитное поле, вызывающее действие ЭДС во вторичных обмотках, размещнных на сердечнике ТВМП. Так как три вторичные обмотки трансформатора сдвинуты одна относительно другой на угол 120о, то на их выводах А, В и С формируется симметричная трехфазная система напряжений переменного тока [60].
Недостатками рассмотренной схемы являются то, что при мощности больше 1 кВт значительно увеличивается масса АИ, из-за увеличения массы конденсаторов и искажение формы напряжения магнитного поля в несимметричных режимах.
Схема АИ, приведнная на рисунке 2.7, имеет лучшие ЭТХ по сравнению с резонансным инвертором. Однако в несимметричных режимах работы также искажается форма магнитного поля и соответственно снижается качество выходного напряжения преобразователя.
Принципиальная электрическая схема АИ с трехфазным выходом на однофазно-трхфазном ТВМП 2.3 Разработка функциональной схемы автономного инвертора с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками
Чтобы форма вращающегося магнитного поля не искажалась разработана функциональная схема АИ, выполненная с использованием двух однофазных инверторов, подключнных к одному источнику напряжения постоянного тока. При этом каждый из инверторов подключн к одной из двух первичных обмоток ТВМП со средней точкой. На рисунке 2.8 приведена функциональная схема АИ, а на рисунке 2.9 – диаграммы напряжений и магнитных потоков, поясняющие принцип его работы. На рисунке 2.10 изображена раз-врнутая схема обмоток и график МДС ТВМП. инвертора Инвертор содержит однофазно-трхфазный ТВМП Т, который имеет две первичные обмотки W11 и W12, размещенные на тороидальной части и сдвинутые в пространстве друг относительно друга под углом 90о. Средние точки первичных обмоток ТВМП соединены между собой и подключены к отрицательному выводу источника напряжения постоянного тока. Начала и концы первичных обмоток W11 и W12, через транзисторные ключи VT1, VT2 и VT3, VT4, подключены к положительному выводу источника электроэнергии. Три вторичные обмотки W21, W22, W23 размещены на сердечнике ТВМП под углом 120о друг относительно друга и соединены по схеме «звезда». Конденсатор С1 выполняет функцию входного фильтра АИ1 и АИ2. Система управления СУ содержит трансформаторно-выпрямительный блок ТВБ, генератор пилообразного напряжения ГПН, фазосдвигающее устройство ФСУ, генератор высокой частоты ГВЧ, формирователи импульсов ФИ1 и ФИ2, распределители импульсов РИ1 и РИ2.
Автономный инвертор работает следующим образом. Напряжение источника постоянного тока UBX прикладывается к входным выводам, которые являются входами первого АИ1 и второго АИ2 однофазных инверторов. При переменной работе транзисторов VT1 и VT2 инвертора АИ1, а также VT3 и VT4 инвертора АИ2 в первичных обмотках ТВМП протекают переменные токи, вызывающие действие переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2 (рисунок 2.9, д, и). В магнитопроводе трансформатора Гэти потоки суммируются, создавая суммарный поток Фх, который образует круговое вращающее магнитное поле и вызывает действие ЭДС во вторичных обмотках W21, W22, W23.
При дестабилизирующих факторах на выходных выводах АИ А, В, С система управления СУ обеспечивает стабилизацию выходного напряжения UBbIx. Система управления работает следующим образом. Генератор пилообразного напряжения ГПН генерирует опорный сигнал Urm (рисунок 2.9, а), который поступает на формирователь импульсов ФИ1 и фазосдвигающее устройство ФСУ (рисунок 2.8).
Разработка принципиальной электрической схемы замещения автономного инвертора для компьютерного моделирования
Из принципа работы инвертора следует, что его выходное напряжение не зависит от нагрузки. Если источник, питающий инвертор напряжения, имеет одностороннюю проводимость, то его необходимо шунтировать конденсатором для приема возвращаемой из нагрузки энергии.
Также при конструировании АИ на ТВМП следует учитывать, что ТВМП выполняется на базе асинхронного двигателя. Для уменьшения сечения проводников первичной обмотки необходим более высокий уровень первичного напряжения.
Особенности расчёта фильтров автономных инверторов К фильтрам АИ предъявляются не только высокие требования по эксплуатационно-техническим характеристикам, но они должны не оказывать существенного влияния на переходные процессы в динамических режимах (изменение величины и характера нагрузки, коммутация электрических цепей), а также обеспечивать непрерывность тока [26].
Наиболее распространнным и рациональным типом выходных фильтров АИ являются пассивные Г-образные LC-фильтры (рисунок 2.12).
Расчет и выбор параметров выходных фильтров АИ является сложной задачей, решение которой требует применения оптимизационных методов.
Предлагается методика упрощенного расчета параметров входных и выходных фильтров АИ с широтно-импульсной модуляцией, обеспечиваю щей непрерывный выходной ток, требуемое качество выходного напряжения и минимальные массогабаритные показатели.
Как известно, основная функция выходных фильтров АИ – максимальное уменьшение амплитуды напряжений высших гармоник при минимальном ослаблении первой (основной) гармоники выходного напряжения. В соответствии с этим для оценки эффективности фильтра используется значение коэффициента фильтрации (ослабления) им n-й гармоники
Поскольку фильтр проектируется из условия максимального подавления высших гармоник, то Кф» 1 для п Ф 1 и іф 1 для п = 1.
Согласно [3], для обеспечения непрерывного тока заданное значение коэффициента гармоник Сможет быть обеспечено при выполнении условия Ф Ф 64К где Тк - период коммутации (длительность импульса и паузы). Выражение (2.12) позволяет при выбранной частоте широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и заданном значении коэффициента гармоник КГ определять параметры выходного фильтра АИ (Ьф и Сф, см. рисунок 2.5, а). Чтобы не возникала возможность возникновения резонансных явлений, необходимо выполнение следующего условия где Umax - максимальное значение входного напряжения; /к - частота коммутации; Ij - амплитуда первой (основной) гармоники. Далее из (2.12) определяется мкость Сф конденсаторов выходного фильтра АИ (см. рисунок 2.5, а).
Полученные значения Ьф и СФ проверяются на соответствие требованиям по невозникновению резонанса по (2.13) или может быть использовано условие Ін \— MJH, (2.15) п max А І s- їі max где Інтах - значение максимального коммутирующего тока нагрузки; Pumax - допустимое максимальное отклонение напряжения на нагрузке.
Если условие (2.15) не выполняется, то следует увеличить мкость конденсаторов фильтра Сф. При этом необходимо помнить, что увеличится масса выходного фильтра АИ. Кроме того, дополнительные ограничения могут быть вызваны допустимым значением пульсаций на конденсаторах, требованиями по качеству регулирования и др. В этих случаях также необходимо уточнять параметры выходного фильтра, варьируя преимущественно мкостью конденсатора Сф и параметрами системы регулирования [3].
Наличие в схеме выходного фильтра АИ (рисунок 2.12, а) индуктивности Ьф, включнной последовательно с силовой схемой АИ и нагрузкой, улучшает обеспечение селективности защит выходных фидеров от коротких замыканий в их нагрузках. Ёмкость конденсаторов Сф выходных фильтров создат дополнительную токовую нагрузку элементов силовой схемы АИ, поэтому иногда целесообразно е реакцию компенсировать. К примеру, если характер нагрузки близкий к активной, то мкость конденсаторов фильтра СФ создат дополнительную мощность на выходе преобразователя где/} - частота первой гармоник выходного напряжения; U] - действующее значение первой гармоники выходного напряжения.
Для компенсации реактивной мощности (2.16) необходимо параллельно конденсатору выходного фильтра Сф включить катушку индуктивности LK (рисунок 2.12, б), обеспечивающую возникновение резонанса токов на основной гармонике 4:= 2 . (2.17) Структура фильтра, приведнная на рисунке 2.12, б, обеспечивает реализацию лучших массогабаритных показателей АИ. Однако целесообразность е использования определяется на основе оптимизации силовой схемы АИ. Не рекомендуется применение дополнительной компенсирующей индуктивности LФ для АИ мощностью меньше 1 кВт, поскольку это приведт к ухудшению их энергетических показателей [3].
Кроме выходного фильтра, на входе АИ, как правило, устанавливается входной фильтр, выполняющий функцию снижения уровня пульсаций входного напряжения АИ. Это обусловлено коммутацией силовых полупроводниковых приборов. Входной фильтр содержит блок конденсаторов, подклю-чнных параллельно входным выводам АИ (рисунок 2.13) [43]. где Iн - действующее значение тока нагрузки; UCm - амплитуда переменной составляющей на конденсаторе Свх. Формула (2.18) справедлива, если cok cov Известно, когда сдк (Ъ..А)со„ (2.19) то погрешность в оценке требуемого значения мкости конденсатора СВХ не будет превышать 10 % [3]. Если же не выполняется условие (2.19), то расчт проводится по более точной формуле: где LBX - катушка индуктивности, включающаяся на входе АИ (рисунок 2.13), предназначенная для ослабления переменной составляющей тока; 11т - амплитудное значение первой гармоники тока нагрузки; Ucim – амплитудное значение переменной составляющей на конденсаторе Свх.
В общем случае при расчте параметров входного фильтра АИ должны соблюдаться следующие условия: Разработка устройств, обеспечивающих параллельную работу автономных инверторов Подключение к ТВМП нескольких АИ, каждый из которых работает от своего источника, и использование рассмотренных в п. 2.2 принципов работы АИ от одного источника может обеспечить параллельную работу АИ через один ТВМП и если нужно, увеличить выходную мощность устройства. Особенностью конструкции СУ такой схемы является то, что она должна содержать блок синхронизации, осуществляющий сдвиг напряжения на выходах параллельно работающих АИ, с целью формирования кругового вращающегося магнитного поля.
Функциональная схема устройства, обеспечивающее параллельную работу инверторов, приведена на рисунке 2.14. На рисунке 2.15 – показаны диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы АИ по стабилизации напряжения. Который заключается в изменении сдвига фаз выходных напряжений однофазных АИ относительно друг друга, включнных на параллельную работу.
Расчт экономической эффективности
При проектировании систем управления и защиты АИ необходимо учитывать следующие факторы, выявленные в ходе компьютерного моделирования: – для обеспечения требуемого качества напряжения (коэффициент несинусоидальности был 3 %) необходимо, чтобы скважность импульсов управления находилась в пределах 0,6–0,8; – коэффициент фильтрации выходного фильтра инвертора КФ 4, при скважности импульсов = 6–8; – длительность переходных процессов на выходе АИ зависит от коэффициента мощности нагрузки, при значении cos = 0,7–0,8 длительность переходного процесса в номинальном режиме не превышала 0,05 с; – для защиты АИ от токов короткого замыкания и перегрузки на выход необходимо устанавливать быстродействующий автоматический выключатель.
Полученные результаты исследований повышают эффективность пред-проектных работ. При этом разработка АИ должна проходить последовательно через все этапы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Основными этапами проектирования являются: 1. разработка и формирование технического задания на создание СФЭУ, в том числе на АИ; 2. выбор фотоэлементов, коммутационных аппаратов и других устройств и разработка схемы подключения СФЭУ к потребителям; 3. определение энергетических показателей АИ, а также показателей наджности и экономической эффективности; 4. разработка принципиальных электрических схем, систем электроснабжения на СФЭУ; 5. корректировка технических решений и принципиальных электрических схем СФЭУ по результатам испытаний.
Главная задача на этапе предварительного проектирования – обоснование структуры и содержания автономной системы. Важными факторами, определяющими целесообразность выбора того или иного структурного ре шения автономной системы, являются возможные режимы работы, в том числе аварийные, и требования по обеспечению качества электроэнергии, необходимого для потребителей.
Оптимальный вариант структуры систем автономного электроснабжения (САЭ) на базе СФЭУ выбирается на основании сравнительного анализа эксплуатационно-технических характеристик проектируемых систем. Как правило, на первых этапах проектирования САЭ задаются основными электрическими параметрами и показателями критериев эффективности (КПД, показателей наджности, экономические и массогабаритные показатели). Но при разработке СФЭУ в большинстве случаев заранее известны требования потребителей к параметрам электроэнергии, условия их эксплуатации, поэтому несколько упрощается задача по созданию оптимальной системы.
Таким образом, основными этапами комплексной оптимизации структурно-схемного решения САЭ на базе СФЭУ являются: 1. Оценка потребителей: по мощности, напряжению, режимам и условиям работы, показателям качества электроэнергии. 2. Разработка структурной схемы САЭ обеспечивающей, при необходимости – бесперебойное электроснабжение потребителей 1 категории с учтом резервного источника. 3. Разработка функциональной схемы системы. Предусматриваются все возможные взаимосвязи с учетом нормального и аварийных режимов работы. Проводится оценка системы по показателям основных критериев эффективности. 4. Исследования электромагнитной совместимости основных функциональных узлов СФЭУ, как правило, проводятся с использованием математического моделирования. 5. Выбор математических методов решения оптимизационной задачи и основных критериев оптимизации. 6. Анализ полученных результатов и выработка практических реко мендаций.
При разработке АИ на ТВМП следует учитывать следующие рекомендации: – при расчте сечения проводников необходимо принимать во внимание условия охлаждения; – первичные полуобмотки, расположенные в одних пазах, следует дополнительно изолировать друг от друга, так как при протекании поля по одной из обмоток другая оказывается под воздействием высокого потенциала, что может привести к пробою изоляции; – с учтом анализа научной литературы [24, 89, 90] и результатов экспериментальных исследователей рекомендуется АИ на ТВМП проектировать в диапазоне мощностей 5 20 кВт.
