Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния и направления развития электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 15
1.1 Основные этапы развития электрификации сельскохозяйственных потребителей 15
1.2 Ущербы от перерывов в электроснабжении и снижении качества электроэнергии в сельскохозяйственном производстве 20
1.3 Структурный синтез систем автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей 24
1.4 Состояние и перспективы развития автономных источников электроэнергии в сельском хозяйстве 33
1.4.1 Дизельные и тепловые электрические станции 33
1.4.2 Нетрадиционные источники электроэнергии 38
1.4.3 Электромеханические генераторы 46
1.5 Преобразователи электроэнергии в системах электроснабже ния с комбинированными источниками электроэнергии 55
1.5.1 Основные требования к преобразователям электроэнергии.. 55
1.5.2 Состояние и направления развития преобразователей электроэнергии 57
1.6 Основные задачи исследования 68
Выводы по разделу 1 - 69
2 Повышение эффективности статических преобразователей электроэнергии 72
2.1 Особенности работы статических преобразователей 72
2.2 Повышение показателей эффективности непосредственных преобразователей частоты 76
2.2.1 НТТЧ с естественной коммутацией силовых вентилей 80
2.2.2 НПЧ с регулируемым углом сдвига фаз на входе
2.3 Преобразователи на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем 94
2.4 Стабилизаторы напряжения переменного тока повышенной надежности 110
2.5 Направления развития силовой электроники 117
Выводы по разделу 2 120
3 Анализ и оценка качества электроэнергии статических преобразователей 122
3.1 Требования к качеству электроэнергии сельскохозяйственных потребителей 122
3.2 Особенности расчета гармонического состава выходного напряжения преобразователей 127
3.3 Оценка качества выходного напряжения преобразователей и определение параметров их выходных фильтров 129
3.3.1 Однофазные и трехфазные выпрямители 129
3.3.2 Автономные инверторы 138
3.3.3 Непосредственные преобразователи частоты 150
3.4 Оценка качества выходного напряжения стабилизаторов переменного тока 159
3.5 Универсальные выходные фильтры статических преобразователей электроэнергии 161
Выводы по разделу 3 163
4 Математическое моделирование преобразователей и экспериментальные исследования 166
4.1 Особенности математического моделирования автономных источников с статическими преобразователями 166
4.2 Схемы замещения и математические модели статических- преобразователей электроэнергии 171
4.2.1 Мостовая схема замещения и общие соотношения 171
4.2.2 Модели инвертора и выпрямителя 173
4.2.3 Модели трансформаторов преобразователей и нагрузки 175
4.3 Универсальная математическая модель автономного источ-
4.3.1 Разработка схемы замещения и математической модели 181
4.3.2 Результаты исследований математической модели 191
4.4 Экспериментальные исследования 197
Выводы по разделу 4 205
5 Синтез модульных структур преобразователей и систем автономного электроснабжения сельско хозяйственных потребителей 207
5.1 Особенности модульного агрегатирования 207
5.2 Разработка универсального модульного преобразователя 212
5.3 Основные принципы построения.модульных блоков УМП... 218
« 5.4 Особенности параллельной работы статических преобразова
телей 229
5.4.1 Параллельная работа выпрямителей и конверторов 230
5.4.2 Параллельная работа инверторов и НПЧ 235
5.5 Контроль уровня напряжений в модульных блоках 238
5.6 Принципы построения структурных схем модульных САЭ... 245
Выводы по разделу 5 254
6 Особенности проектирования и оценка эффективности статических преобразователей систем автономного электроснабжения 256
6.1 Параллельная работа АИЭ с внешней сетью 256
6.2 Выбор коммутационных устройств, защита и управление САЭ 260
6.3 Расчет критериев эффективности статических преобразователей 268
6.3.1 Расчет КПД, массы и показателей надежности 269
6.3.2 Расчет экономической эффективности АИЭ САЭ 279
6.4 Способы выбора оптимальной структуры САЭ 284
6.5 Этапы проектирования и оценка эффективности статических преобразователей в САЭ 294
Выводы по разделу 6 299
Общие выводы 301
Список использованных источников...
- Структурный синтез систем автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей
- Повышение показателей эффективности непосредственных преобразователей частоты
- Особенности расчета гармонического состава выходного напряжения преобразователей
- Схемы замещения и математические модели статических- преобразователей электроэнергии
Введение к работе
Электрификация сельскохозяйственных потребителей имеет свои особенности, позволяющие выделить ее в относительно самостоятельную область науки и техники. На эти особенности оказывают влияние как специфика сельскохозяйственного производства, рассредоточенного по значительной территории с малыми удельными электрическими нагрузками, которые, к тому же, имеют сезонный характер, неразрывная связь техники с биологическими объектами, зависимость от погодных условий, так и исторический процесс развития электрификации сельского хозяйства. Эти обстоятельства определяют специфические требования к построению электроэнергетических систем сельского хозяйства в целом.
Как известно, само развитие и соответственно эффективность сельскохозяйственного производства находятся в прямой зависимости от уровня электрификации и автоматизации.
Динамика экономического развития отрасли требует поиска и разработки новых методов улучшения качественной стороны электрификации сельскохозяйственного производства. Одно из направлений, способствующих росту эффективности сельскохозяйственного производства, - внедрение новой техники и технологий.
Во всем мире интенсивно развиваются компьютерные системы связи и обработки информации, автоматические системы управления технологическими процессами и производственными комплексами, которые находят применение и в сельском хозяйстве. С точки зрения электроснабжения такие объекты являются ответственными потребителями электрической энергии.
С конца 90-х годов в сельскохозяйственном производстве России значительно участились случаи внезапных перерывов электроснабжения, в том числе долговременных, значительно ухудшилось качество электро-
энергии и, прежде всего, таких показателей как, отклонение и колебание напряжения, несимметрия напряжения в трехфазных системах. Эти факторы уменьшают срок службы электрооборудования и нередко приводят к аварийным ситуациям.
В агропромышленном комплексе (АПК), по мере повышения уровня индустриализации производства сельскохозяйственной продукции, ущерб от перерывов в электроснабжении и снижения качества напряжения неуклонно возрастает. Особенно это проявляется при электроснабжении потребителей первой категории, к которым относятся крупные производственные комплексы. Перерывы в электроснабжении потребителей первой категории, снижение качества напряжения и связанные с ними нарушения технологии содержания животных оказывают влияние на их продуктивность (уменьшается яйценоскость кур, снижаются удои коров, среднесуточные привесы свиней и крупного рогатого скота). Уровень ущерба в значительной степени зависит от вида предприятия и его размеров.
В настоящее время в сельском хозяйстве для повышения надежности электроснабжения применяются резервные дизельные электростанции (ДЭС). Однако, время включения в работу и принятия на себя нагрузки ДЭС может достигать нескольких минут, а это приводит к нарушениям работы автоматизированных производственных комплексов, оснащенных современным электрооборудованием [13,82].
Эффективным средством решения проблемы качества электроэнергии и надежности электроснабжения ответственных потребителей в настоящее время является использование в сельском хозяйстве наряду с центральной системой электроснабжения (СЭС) систем автономного электроснабжения (САЭ), в том числе систем гарантированного (бесперебойного) электроснабжения (СГЭ), являющихся подсистемами единой электрической сети. Кроме того, мировой опыт свидетельствует о высо-
ких перспективах совместного использования в сельском хозяйстве автономных (местных) источников электроэнергии (АИЭ) и систем центрального электроснабжения, выполненных с использованием нетрадиционных источников электроэнергии (НИЭ) [34,73,92,103,112,194,200].
Применяемые в составе САЭ и СГЭ статические преобразователи электроэнергии (ПЭ) кроме преобразования электроэнергии и стабилизации ее параметров, осуществляют функции согласующих устройств, обеспечивающих эффективную параллельную работу АИЭ, в том числе с сетью центрального электроснабжения [82,94,153,159,165].
Таким образом, комплексное решение вопросов создания высокоэффективных СЭС сельскохозяйственных потребителей находится в неразрывной связи с решением вопросов повышения эффективности ПЭ, их элементов.
Научная проблема состоит в том, что сегодня известно единичное использование НИЭ, резервных дизельных электростанций (ДЭС), однако в настоящее время не разработаны методологические основы и технические средства, позволяющие создавать надежные и экономичные САЭ сельскохозяйственных потребителей с использованием разнородных автономных источников. Новые, научно обоснованные технические решения статических ПЭ с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками (ЭТХ) позволят создать отвечающие современным требованиям по показателям надежности, КПД и электромагнитной совместимости САЭ сельскохозяйственных потребителей.
Актуальность проблемы подчеркивает состоявшееся в феврале 2002 г. общее собрание Академии электротехнических наук РФ при участии членов Международной энергетической академии. На собрании отмечалось, что одной из крупнейших сфер применения малой энергетики является сельское хозяйство, очень чувствительное к перерывам в электро- и теплоснабжении. Россия обладает огромным потенциалом
НИЭ, но их доля в энергетическом балансе страны в настоящее время чрезвычайно мала [209].
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой КубГАУ «Разработка и использование сберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК» на 2000-^2005 г.г. (№ГР 01200113477).
Целью диссертационной работы является повышение эффективности САЭ сельскохозяйственных потребителей, за счет улучшения эксплуатационно-технических характеристик статических ПЭ.
Научную новизну работы составляют:
методика оценки эффективности САЭ сельскохозяйственных потребителей, упрощающая инженерный анализ и синтез их структур и функций по критериям качества электроэнергии, надежности, стоимости и КПД;
предложенная планарная топология построения модульных САЭ сельскохозяйственных потребителей, учитывающая особенности условий местности и работы сельскохозяйственных потребителей;
математическая модель в компьютерном исполнении в реальном масштабе времени АИЭ постоянного и переменного тока на базе асинхронного генератора и статических ПЭ и ее количественная адекватность физическому объекту;
предложенные функциональные алгоритмы управления и соответствующие им структуры статических ПЭ, позволяющие повысить их КПД и надежность до заданной погрешности несинусоидальности и пульсации выходного напряжения.
Практическую значимость и ценность работы представляют:
- результаты математического моделирования и экспериментальных ис
следований, позволяющие обосновывать выбор элементов силовой схемы ста
тических ПЭ и устройств защиты от аварийных режимов АИЭ сельскохозяйст
венных потребителей;
выбор оптимальных САЭ сельскохозяйственных потребителей по критериям качества электроэнергии, надежности электроснабжения, стоимости и КПД;
инженерная методика анализа и оценки качества выходного напряжения статических преобразователей, позволяющая снизить погрешность расче-тов энергетических характеристик;
предложенные схемотехнические решения статических ПЭ и структурные схемы позволят повысить надежность и экономичность САЭ сельскохозяйственных потребителей, выполненных с использованием НИЭ.
Реализация и внедрение результатов работы.
Материалы по разработке математической модели полупроводниковых преобразователей в динамических режимах работы и методика использованы институтом проблем энергосбережения АН УССР (приложение А).
Разработанная методика оценки эффективности САЭ передана в ОАО «Кубаньводпроект» для использования при проектировании САЭ мелиоративных объектов сельскохозяйственного назначения (приложение Б).
Разработанная методика оценки эффективности статических ПЭ в составе источников электроэнергии СЭС сельского хозяйства передана в Южный инженерный центр энергетики для использования при проектировании САЭ сельского назначения (приложение В).
Результаты научно-исследовательской работы, опубликованной в монографии [82], используются КБ «Селена» и КБ «Сатурн» при разработке СГЭ и оценки эффективности эксплуатируемых и перспективных САЭ (приложения Г и Д).
Результаты исследований по разработке новых технических решений АИЭ и статических ПЭ с реализацией принципа модульного агрегатирования, а также математический аппарат, позволяющий проводить оценку эффективности САЭ, опубликованы в монографиях [82, 94].
Изданный в 2000 г. учебник «Электрические аппараты низкого напряжения» [71], рекомендован Министерством сельского хозяйства и продовольствия РФ в качестве учебника для студентов высших учебных заведений по агроинженерным специальностям.
Ученое пособие «Преобразователи электроэнергии: основы теории, расчета и проектирования» [33], рекомендовано Министерством сельского хозяйства и продовольствия РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по агроинженерным специальностям.
Результаты научных исследований используются в учебном процессе военной академии РВСН имени Петра Великого и Краснодарском военном институте (приложения Е, Ж, К).
На защиту выносятся:
- математическая модель АИЭ постоянного и переменного тока, а
также результаты теоретических и экспериментальных исследований;
методика оценки эффективности САЭ на этапе проектирования;
новые технические решения СПЭ и их элементов;
новые структурные схемы модульных САЭ и функциональные схемы СГЭ ответственных потребителей.
Считаю необходимым выразить самую глубокую признательность и благодарность научному руководителю по кандидатской диссертации д.т.н. профессору Атрощенко В.А. за обучение и определение перспективного направления научных исследований. Выражаю благодарность научному консультанту д.т.н. Стрижкову И.Г. за поддержку, ценные советы и замечания, которые учтены в ходе работы над диссертацией.
Автор также искренне признателен заслуженному изобретателю России профессору Богатыреву Н.И. и профессору Курзину Н.Н. за многолетнее сотрудничество, поддержку и оказание помощи в разработке экспериментальной установки.
Чувство глубокого уважения оставило общение с ведущими учеными факультета «Энергетики и электрификации» профессорами Богдан В.В., Ирха П.Д., Оськиным СВ., Перекотий Г.П., Потапенко И.А., Тропиным В.В., Цыганковым Б.К., советы которых расширили прикладное значение диссертации.
Структурный синтез систем автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей
При разработке прогрессивных САЭ сельскохозяйственных потребителей необходимо решить ряд научно-технических задач. Эти задачи связаны с методикой определения оптимальных структур САЭ, унификацией оборудования, его адаптивности и взаимозаменяемости, снижением затрат на производство и эксплуатацию электрооборудования. Кроме того, эти задачи направлены на улучшение основных критериев эффективности, которыми для сельскохозяйственных СЭС являются стоимость, надежность электроснабжения, показатели качества электроэнергии и КПД.
Известные технические решения САЭ, применяемые в промышленности, не в полной мере удовлетворяют перечисленным выше требованиям сельскохозяйственных потребителей, и, прежде всего, по надежности и экономическим показателям [82, 94].
В настоящее время проводятся работы по совершенствованию конструкции САЭ с целью улучшения эксплуатационно-технических характеристик (ЭТХ) элементов и основных узлов. Значительный вклад в развитие теории электромашинных генераторов электроэнергии малой и средней мощности внесли профессоры Бут Д.А., Балагуров В.А, Копылов И.П., в разработке теории и способов построения, статических ПЭ профессоры Розанов Ю.К., Руденко B.C., Чиженко И.М. Профессоры Тонкаль В.Е., Гречко Э.Н. и Атрощенко В.А. предложили теорию разработки автономных инверторов модуляционного типа [4,40,41,48, 174-176, 180, 191-192].
Проанализировав работы ведущих ученых электроэнергетиков Бородина И.Ф., Будзко И.А., Левина М.С., Лещинской Т.Б., Ерошенко Г.П., Степанцова В.П., Таранова М.А., Тищенко Л.П., Хорольского В.Я., Шичкова Л.П. [35, 38, 39, 189, 193, 197, 207, 208, 212], направленные на улучшение ЭТХ функциональных узлов (ФУ) и элементов, можно сделать вывод о предполагаемом повышении критериев эффективности СЭС сельскохозяйственных потребителей, которыми кроме показателей надежности электроснабжения и качества электроэнергии являются показателя стоимости, КПД и массогабаритные показатели (МГП) для транспортных систем. Однако, для существенного улучшения критериев эффективности СЭС сельскохозяйственных потребителей, необходимы новые принципы и методы их конструирования, связанные с созданием САЭ, обеспечивающих гарантированное и качественное электроснабжение ответственных потребителей электроэнергии.
Как известно, в зависимости от схемы подключения потребителей к источникам электроэнергии САЭ, как и СЭС, могут быть построены по централизованному, децентрализованному или комбинированному принципу.
При разработке САЭ сельскохозяйственных потребителей необходимо учитывать, что централизованное электроснабжение должно применяться при наличии большого числа ответственных потребителей, расположенных на не большом расстоянии (не более / км) от резервных источников электроэнергии САЭ (рис. 1.1, а). Поскольку при больших расстояниях значительно увеличиваются потери в линиях передачи и снижается качество электроэнергии.
К достоинствам централизованной САЭ следует отнести возможности оптимизации структуры САЭ, как при нормальной, так и при аварийной работе, в том числе обеспечивать электроэнергией ответственные потребители в аномальных режимах работы путем адаптивного изменения структуры цепей питания и постепенного отключения групп потребителей согласно заданному приоритету нагрузок. Кроме того, такие САЭ позволяют проводить техническое обслуживание и ремонтные работы без перерыва в электроснабжении, а также без дополнительных монтажных работ увеличить отдаваемую мощность потребителям электроэнергии.
Децентрализованная схема подключения потребителей к источникам электроэнергии предполагает установку САЭ и соответственно per зервных АИЭ возле каждого потребителя (рис. 1.1, б). Такие схемы подключения должны применяться при электроснабжении потребителей, не имеющих постоянного расположения, а также при большом удалении их друг от друга.
К достоинствам децентрализованных САЭ следует отнести: возможность наращивать мощность путем параллельного включения однотипных САЭ или АИЭ; возможность установки САЭ в непосредственной близости к потребителю, что, в свою очередь, несколько упрощает вопросы наладки и регулировки; меньше длина линий электропередачи. Основными недостатками рассмотренного способа подключения являются: большие эксплуатационные расходы и большая общая стоимость САЭ, а также высокая себестоимость электроэнергии.
Повышение показателей эффективности непосредственных преобразователей частоты
НПЧ нашли широкое применение в регулируемом электроприводе. Из зарубежных источников известно также применение НПЧ в составе АИЭ, где они работают совместно с высокочастотными генераторами электроэнергии [101].
НПЧ в сравнении с преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока имеют ряд преимуществ: высокий КПД (в пределах 0,88+ 0,92) вследствие однократности преобразования электроэнергии; лучшие МГП (при мощности ЗО-т-50 кВт удельная масса составляет 2,5+3,5 кг/кВА); высокие показатели надежности, перегрузочной способности; возможность независимого плавного регулирования частоты и напряжения; высокое быстродействие и малое время переходных процессов.
Кроме того, НПЧ способны пропускать поток энергии в обоих направлениях и обеспечивать стабилизацию параметров электроэнергии при значительных изменениях частоты вращения приводных двигателей источников электроэнергии (2 : 1).
Использование НПЧ в составе АИЭ дает перспективу разработки автономного источника повышенной надежности и более точного регулирования параметров электроэнергии АИЭ при изменениях входных и выходных возмущений в широких пределах [25,32, 51].
Выходные LC-фильтры являются неотъемлемой частью НПЧ. Выбор схемы выходного фильтра диктуется требованиями и режимами работы нагрузки и гармоническим составом выходного напряжения преобразователя. Однако, существует и обратная зависимость: параметры фильтра определяют выходной ток вентильных комплектов НПЧ, они обуславливают в некоторых режимах появление прерывистых токов.
Выбор фильтров НПЧ обусловлен выполнением ряда требований: обеспечение требуемого гармонического состава на выходе фильтра; фильтр не должен вносить заметное ослабление амплитуды основной гармоники; ограничение фазового сдвига, вносимого фильтром; обеспечение максимального КПД и минимальных МГП.
Выходные фильтры НПЧ в значительной степени определяют МГП преобразователей. Поэтому, чтобы масса и габариты этих фильтров были небольшими, кратность частот напряжений преобразователя (fax //вых) должна быть не менее восьми для трехпульсных силовых схем и не менее четырех-для шестипульсных схем [148,151].
Второй особенностью работы НПЧ является наличие коммутационных перенапряжений, что приводит к искажению формы кривой напряжения генератора электроэнергии. При совместной работе АГ и НПЧ исключается необходимость установки входного фильтра НПЧ, так как в его качестве могут использоваться конденсаторы, предназначенные для компенсации реактивной мощности АГ.
СУ НПЧ формирует кривую выходного напряжения, у которой мгновенное значение изменяется в среднем по синусоидальному закону. Наибольшая амплитуда желаемой составляющей такой кривой зависит только от конфигурации силовой цепи и не зависит от примененного способа управления, т.е., желаемая составляющая выходного напряжения не зависит от типа НПЧ. Амплитудное значение выходного напряжения НПЧ может быть определено по формуле Umm=N U exm (2.1) где Uem, - амплитудное значение входного фазного напряжения; N - число трехпульсных групп.
Основной недостаток НПЧ - это сложные технические решения схем СУ, что понижает надежность работы преобразователя. СУ, кроме функциональных основных элементов, содержат малогабаритные ключи, алгоритм работы которых повторяют ключи силовой схемы преобразователя [101]. Следующий недостаток СУ проявляется при несимметрии напряжения источника питания, а также при колебаниях напряжения. Эти ненормальные режимы работы могут привести к полной потери управляемости НПЧ из-за превышения напряжения задающего генератора СУ, формирующего ведущий сигнал значений напряжений косинусных синхронизирующих кривых [25].
Один из способов решения этого вопроса - отказ от плавного регулирования углов включения тиристоров силовой схемы НПЧ и принятие их постоянными. Однако, при таком способе управления содержание высших гармоник в кривых выходного напряжения больше, чем при плавном изменении углов управления, и поэтому для получения высокого качества выходного напряжения требуются фильтры, имеющие массу, превышающие массу силовых ключей преобразователя [32, 42].
Таким образом, одной из задач исследований является разработка СУ, обеспечивающей устойчивую работу НПЧ при несимметрии и колебаниях напряжения источника питания, а также повышение надежности работы преобразователя в целом. Решение этой задачи может быть получено за счет разработки эффективных СУ НПЧ с использованием в ее составе блока косинусной синхронизации с регулируемым значением опорного напряжения. Кроме того, для упрощения СУ преобразователя и повышения показателей качества выходного напряжения необходимо создание трехфазной системы выходного напряжения осуществлять с помощью НПЧ с однофазным выходом, а преобразование фаз осуществлять с помощью статического преобразователя- ТВМП [82].
Поскольку для автономных систем представляют интерес два типа НПЧ - с естественной и искусственной коммутацией силовых вентилей, то целесообразно рассмотреть особенности работы и новые технические решения СУ этих преобразователей, обеспечивающих улучшение их ЭТХ.
Особенности расчета гармонического состава выходного напряжения преобразователей
Поскольку кривые выходных напряжений ПЭ являются периодическими функциями с периодом 2тг, то эффективным способом определения гармонического состава является применение ряда Фурье [94]. Как известно, общая запись функции ряда Фурье имеет вид АО = -f- + YJ (ак cos 2rf\kt + bk sin 2nfxkt\ (38) где f] - частота повторения функции (частота первой гармоники); к - номер гармоники; а0, ак, Ьк - коэффициенты ряда Фурье, определяемые по формулам 2 т a0=—jf(t)dt, (3.9) о т ак = — \ АО cos 2nfxtkdt, (ЗЛ0) о т bk =—\f{t)sm27rfxtkdt, (злі) 1 о где Т = 1 //} - период повторения периодической функции. Амплитуда к-и гармоники выпрямителей А = 4а1 + Ъ\. (3.12) Фазовый угол гармоник рк =-arctg(bk Iак). (3.13)
Для определения относительного значения амплитуд высших гармоник выходного напряжения НПЧ и инверторов (при использовании АИМ и ШИМ), необходимо определить суммарное значение коэффици 128 ентов ряда Фурье с учетом общего количества участков, с которых формируется один период выходного напряжения п,т ЛЕ= 2Х ва = 2Л jt=i,i=i (3.14) где т - число периодически повторяющихся / - х участков, содержащихся в одном периоде выходного напряжения преобразователя; п - общее число гармоник.
С учетом (3.14) амплитуда к-й гармоники НПЧ и инверторов будет определяться по формуле л « А = Л/А2Е + Я#2і. (3.15)
Важным показателем для НПЧ и инверторов при расчете выходных фильтров является относительное значение амплитуд высших гармоник Mk=AkIAx. (3.16)
Рассмотренные выражения для определения показателей качества электроэнергии не учитывают величину угла управления полупроводниковыми приборами. Поэтому, при изменениях величины угла управления, каждый раз необходимо корректировать выражения для определения коэффициентов ряда Фурье (3.9-гЗ.И). Для повышения эффективности расчетов были получены уравнения для всех типов статических ПЭ, позволяющие определять коэффициенты ряда Фурье для всех возможных режимов функционирования преобразователей.
Оценка качества выходного напряжения преобразователей и определение параметров их выходных фильтров
Однофазные и трехфазные выпрямители На рис.3.1 показаны кривые выходных напряжений силовых схем однофазных (рис.3.1, а, б, г) и трехфазных (рис.3.1, в, д), не управляемых (рис.3.1, я, б, в) и управляемых (рис.3.1, г, д) выпрямителей. Как известно, качество выходного напряжения выпрямителей зависит от частоты питающего напряжения и угла управления полупроводниковыми приборами (для управляемых выпрямителей).
Амплитудное значение напряжения к - й гармоники для всех типов схем выпрямителей может быть определено по формуле 2U . cos а [{mnfx /50)2А:2 - l]Vl + (mnfx /50)2k2tga ; тк U,, = где «-угол управления (рис.3.1, г, д), эл. град.; Ud0 среднее выпрямленное значение напряжения на выходе выпрямителей при а = 0, которое для различных схем выпрямителей определяется по формулам для двухпульсных схем (тп = 2) Ud =0,9cosa; (3.18) для трехпульсных схем (тп = 3) при а 30 /,=1,17 cos а; (3.19) при а 30 Ud = 0,67[1 + cos(30 + а)]; (3.20) для шестипульсных схем (тп =6) при а 60 /,,=2,34 cos а; (3.21) U t2 cot U h cot U t2 cot Рис.3.1 Кривые выходного напряжения выпрямителей 131 при а 6(Ґ Ud=2,34[\ + cos(60 + a)]. (3.22) Для разложения в ряд Фурье кривых выходного напряжения выпрямителей необходимо определить период повторения периодической функции и ее длительность, которая определяется временем t\ И І2 (рис.3.1). Время // в зависимости от схемы выпрямителей можно определить по формулам: для однофазной мостовой схемы /, = (0,0028«)//,; (3.23) для трехфазной мостовой схемы /, = (0,0028а + 0Д68)//,, (3.24) где а - угол управления, эл. град. Время t2 для однофазной мостовой схемы /2 = 0,504//,; (3.25) для трехфазной мостовой схемы t2 = (0,0028а + 0,336)//,. (3.26) Тогда длительность периода периодической функции T = t2v (3.27)
Проинтегрировав выражения (3.10) и (3.11) с учетом известного закона изменения функции f(t) (рис.3.1), коэффициенты ряда Фурье выходного напряжения однофазной мостовой схемы и схемы выпрямителя со средней точкой, с учетом изменения угла управления полупроводниковыми приборами, которое определяется временным интервалом длительностью от tj до І2 (рис.3.1), определяются по формулам
Схемы замещения и математические модели статических- преобразователей электроэнергии
Широкое распространение в САЭ получили преобразователи электроэнергии, как инверторы, так и выпрямители, в том числе в СГЭ, выполненные на мостовых схемах. На рис.4.2. представлена мостовая схема замещения преобразователя, в которой полупроводниковые приборы заменены резистивными элементами (в соответствии с рассмотренными в п.4.1 допущениями).
Независимо от типа преобразователя для мостовой схемы (рис.4.2) можно определить общие соотношения. Для чего предварительно необходимо установить положительное направление входного / / и выходного і2 токов, а также токов іщ, і в соответствующих плечах моста. С учетом, что схема симметрична, Rj = R3, a R2 = R4. Тогда, для рассматриваемой схемы замещения справедливы следующие уравнения.
Числитель уравнения (4.6) по абсолютной величине всегда меньше знаменателя, что отражает факт снижения выходного напряжения по отношению к входному. Пренебрегая током утечки полупроводниковых приборов (приняв Яз = оо) и разделив числитель и знаменатель уравнения (4.5) на Яз, получим K "f(0-j- »f№ (4.7)
Как и следовало ожидать, снижение уровня выходного напряжения пропорционально КПД инвертора. Если предположить также, что Ro = 0, тогда Ки = f (t), т.е. приходим к известной коммутационной функции инвертора с идеальными ключевыми элементами без потерь.
Подставив в уравнение выходного напряжения инвертора (4.1) значения сопротивлений (4.4), получим уравнение внешней характеристики инвертора и2=иШК3-Яо) 2R 2 R3+R0 R3+RQ { в котором второе слагаемое отражает падение напряжения в цепи протекания тока нагрузки. Величина эквивалентного сопротивления Rs в этой цепи определяется как сумма двух сопротивлений Ro, каждое из которых шунтировано сопротивлением R3. Коэффициент, определяемый из соотношения (R3 - Ro) / (R3 + Ro) характеризует снижение эквивалентного напряжения Цэ по отношению к входному за счет делителя, образованного плечами моста схемы замещения.
Пренебрегая токами утечками ( = ), получим известное упрощенное уравнение U2=Uxf{t)-i22R0. (4.9) Мостовая схема выпрямителя может быть представлена схемой замещения по рис.4.1 с учетом того, что входное напряжение является переменным U\, поэтому коммутация полупроводниковых приборов определяется входным напряжением, поэтому сопротивления полупроводниковых приборов определяются по формуле R, = R3 = R -Resign (U{); Л L (4.10) R2=R4=R,+Rnsign(Ul). J Подставив (4.10) в (4.1), по аналогии со схемой инвертора определим коммутационную функцию выпрямителя в Ux К lJRH(R3+R0) + 2R3R0 V-n
Сравнивая коммутационные функции инвертора и выпрямителя, можно сделать вывод, что коммутационные функции отличаются лишь видом записи разрывной функции. В частности, если на входе выпрямителя действует синусоидальное напряжение с максимальной длительностью полуволны (у=1), то sign (sin cot) = sign [/(/)] = /(/)» и коммутационные функции инвертора и выпрямителя полностью совпадают.
Уравнение внешней характеристики для резистивной схемы замещения выпрямителя аналогично (4.8) U„ =U,sigriUx) 3 -іи ] =U3sigfi(U])-inR3, (4.12) к3 +к0 к3+ к0 или без учета токов утечки полупроводниковых приборов UH=Ulsigi4U1)-iH2R0. (4.13)
Схемы замещения трансформаторов напряжения, работающих совместно с преобразователями могут существенно видоизменяться в зависимости от типа преобразователя, вида импульсной модуляции, необходимости учета нелинейных свойств магнитного материала и т.п. [94].
При фиксированной рабочей частоте и синусоидальном напряжении трансформатор можно представить электрической цепью из двух индуктивно связанных катушек (обмоток), для которой справедливы уравнения U -Ri +L L+B L, (4.14) 1 ll l dt dt и-, = —R-,i- — L-, В —, 2 2 2 2 dt dt y где В - величина взаимной индукции; Li и L - индуктивности катушек; Rj и R2- сопротивления, отражающие потери в катушках. Учитывая, что коэффициент трансформации Кт = Wj/ W2 не равен единице, уравнения (4.14) можно представить в следующем виде /, = Rxix+{LX-KTB) -+KTB d(il 2 , "Ї (4.15) dt dt U\ = -R\ i\-{L\-KTB) -- KTBd h l 2} dt dt J где i\ - параметры вторичной цепи трансформатора, приведенные к первичной обмотке.
Схема замещения трансформатора, для которой справедлива система уравнений (4.15), представлена на рис.4.3, а. Элементы этой схемы имеют традиционные наименования: Lsl - индуктивность рассеяния пер вичной обмотки трансформатора, L S2 - приведенная индуктивность рас сеяния вторичной обмотки трансформатора, Lp - индуктивность намагни чивающего контура и могут быть измерены и определены из уравнений Ls\=Lx-KTB, si L2 -КтВ- ЬИ= КТВ.
