Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема несимметрии токов в трёхфазных сетях. Обзор способов их симметрирования. Постановка задачи 10
1.1. Влияние несимметрии токов и причина их возникновения 10
1.2. Симметрирование токов традиционными методами 16
1.3. Компенсация несимметричных токов на основе тиристорно-реакторной группы 20
1.4. Современные средства управления потоками мощности электроэнергии 23
1.5. Постановка задачи 31
Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Анализ распределения мощностей в трёхфазной системе электропередачи при компенсации несимметрии нагрузки 33
2.1. Анализ распределения мощностей на основе классической теории мощности в трёхфазной системе электропередачи с компенсацией несимметрии нагрузки 33
2.2. Анализ распределения мощностей в сети при компенсации несимметричных токов 38
2.3. Анализ распределения мощностей на основе преобразований трёхфазной системы в двухфазную в трёхфазной системе электропередачи с компенсацией несимметрии нагрузки 43
Выводы по главе 2 52
ГЛАВА 3. Анализ работы компенсатора мощности несимметрии и разработка методики расчёта основных узлов 53
3.1. Типовые схемы силовой части компенсатора мощности несимметрии низкого напряжения 53
3.2. Анализ работы силовой части компенсатора мощности несимметрии 56
3.3. Методика расчёта основных силовых узлов компенсатора мощности несимметрии 71
Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4. Разработка алгоритмов функционирования системы управления и их реализация. Компьютерное моделирование КМН 92
4.1. Алгоритмы системы управления компенсатором мощности несимметрии 92
4.2. Общая структура системы управления и обобщённый алгоритм работы 96
4.3. Синхронизация эталонных сигналов с напряжением сети 99
4.4. Алгоритм регулирования уровня напряжения на стороне постоянного тока 103
4.5. Разработка системы управления устройства КМН с синусоидальной ШИМ модуляцией 106
4.6. Разработка компьютерной модели КМН с СУ с использованием синусоидальной модуляции 110
4.7. Результаты расчёта компьютерной модели компенсатора мощности несимметрии в трёхфазной сети без нейтрального провода 112
4.8. Результаты расчёта компьютерной модели компенсатора мощности несимметрии в трёхфазной сети с нейтральным проводом 123
Выводы по главе 4 129
ГЛАВА 5. Физическое макетирование компенсатора мощности несимметрии 130
5.1. Общее описание макета КМН 130
5.2. Симметрирование в трёхфазной сети без нейтрали 136
5.3. Симметрирование в трёхфазной сети с нейтралью 141
Выводы по главе 5 144
Заключение 145
Список сокращений, встречаемых в работе 147
Список литературы
- Компенсация несимметричных токов на основе тиристорно-реакторной группы
- Анализ распределения мощностей в сети при компенсации несимметричных токов
- Анализ работы силовой части компенсатора мощности несимметрии
- Симметрирование в трёхфазной сети без нейтрали
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Улучшение качества электроэнергии позволяет повысить энергоэффективность и энергосбережение. Требования к качеству электроэнергии отражены в государственном стандарте ГОСТ 32145-2013, а также в международном стандарте IEEE 1159.3, среди которых есть требование к несимметрии напряжений. Одной из основных причин возникновения несимметрии напряжений является несимметричное потребление токов, вызванное несимметрично распределенными однофазными нагрузками. В трехфазных сетях с нейтральным проводом такая нагрузка приводит также к увеличению тока в нейтрали. Симметрирование токов также позволяет снизить потери в распределительном оборудовании, повысить надежность и эффективность электроснабжения. В этой связи разработка методов и средств симметрирования токов в системах электроснабжения является актуальной задачей.
Основным способом решения этой проблемы в настоящее время является симметрирование напряжений сети и токов нагрузки с помощью пассивных элементов. Среди них наибольшее распространение получило подключение конденсаторов с несимметрично распределенными емкостями по фазам. Однако этот способ не позволяет осуществить плавное регулирование токов компенсации, и как следствие этого, имеют низкую эффективность для решения задач симметрирования. Другим способом симметрирования является устройство, выполненное на основе параллельных встречновключенных тиристорах с последовательно включенными дросселями, но он имеет существенный недостаток – значительные искажения токов, вносимые при работе.
Ситуация в области повышения качества электроэнергии существенно изменилась с разработкой и освоением производства полностью управляемых силовых электронных ключей. В этой связи появилось множество работ, посвященных активной фильтрации, управлению реактивной мощностью и другими видами неактивных мощностей, включая мощность несимметрии, с помощью устройств, выполненных на основе мостового полупроводникового преобразователя напряжения с конденсатором на стороне постоянного тока и дросселями на стороне переменного тока.
Степень разработанности темы исследования. Существует множество работ по повышению качества электроэнергии, однако основное внимание уделено активной фильтрации и компенсации реактивной мощности. В основной массе статей функция компенсации мощности несимметрии регуляторами качества рассматривается как дополнительная. Не показаны особенности функционирования системы управления компенсатором, влияние несимметрии токов на загрузку силовой элементной базы в режимах импульсной модуляции. Отсутствуют результаты и рекомендации по проектированию, моделированию и экспериментальным работам для создания эффективных средств компенсации мощности несимметрии. В настоящей работе все эти вопросы нашли отражение, что повышает ее актуальность.
Целью диссертационной работы является разработка схемотехнических решений, методик расчетов и алгоритмов управления для создания устройств симметрирования токов в трехфазных сетях низкого напряжения в целях повышения качества электроэнергии на основе управления неактивной мощностью сети.
Задачи диссертации:
-
Определение эффективных принципов компенсации мощности несимметрии и способов их реализации.
-
Анализ распределения активных и неактивных мощностей между устройством компенсации, сетью и нагрузкой.
-
Анализ электромагнитных процессов в основных силовых элементах компенсатора мощности несимметрии (КМН).
-
Разработка методики расчета основных параметров элементов силовой части устройства КМН.
-
Разработка алгоритмов функционирования системы управления устройства КМН и схемотехнических средств их реализации.
-
Разработка компьютерных моделей для анализа работы устройства КМН и его алгоритма управления.
-
Изготовление макетного образца устройства КМН и проведение экспериментальных исследований, подтверждающих полученные результаты исследований.
Научная новизна:
Обоснована и разработана методика проектирования и расчета основных параметров элементов силовой части компенсатора несимметрии в режиме компенсации токов несимметрии.
Разработаны алгоритмы работы системы управления, схемотехническая и программная реализация его для двух типов силовых схем преобразователя – трехфазной мостовой и мостовой четырехплечевой схем для функции компенсации токов несимметрии.
Разработаны компьютерные модели компенсатора мощности небаланса, позволяющие эффективно анализировать и рассчитывать загрузку элементов схем КМН в различных режимах работы.
Практическая значимость работы:
Разработан алгоритм системы управления для компенсации токов несимметрии на основе прямого преобразования Парка-Горева с возможностью независимого регулирования при совмещении с другими функциями повышения качества электроэнергии.
Разработаны компьютерные модели оценки энергетических потерь в силовых электронных ключах при работе в режимах ШИМ в регуляторах неактивной мощности.
Разработана методика проектирования с учетом особенностей, возникающих при работе регулятора в режиме компенсации токов несимметрии в сетях с и без нейтрального провода.
Объектом исследования является регулятор качества электроэнергии. Предметом исследования является применение регулятора качества электроэнергии для симметрирования токов сети.
Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использовались: теоретические основы электротехники, метод компьютерного моделирования (Matlab/Simulink), метод интерактивной отладки микропроцессорных систем с использованием интегрированной среды разработки для встраиваемых систем (Code Composer Studio), метод интерактивной отладки программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) (Altera Quartus II).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Выявлены основные причины возникновения несимметрии токов и их негативные влияния.
-
Проведено сравнение существующих методов симметрирования.
-
Проведен анализ распределения активных и неактивных мощностей в сети при компенсации токов несимметрии.
-
Выявлены особенности работы компенсатора в режиме симметрирования токов, среди которых распределение токов между транзистором и диодом преобразователя, возникновение 100 Гц переменной составляющей напряжения в конденсаторах на стороне постоянного тока, вызванной протеканием тока обратной последовательности.
-
Разработана методика расчета основных параметров элементов силовой части устройства КМН
-
Разработаны алгоритмы функционирования системы управления устройства КМН и схемотехнических средств их реализации.
-
Разработаны компьютерные модели для анализа работы устройства КМН и его алгоритма управления, а также изготовлен макетный образец устройства КМН. Проведены расчеты компьютерной модели и экспериментальные исследования.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением математического аппарата и методов теоретических основ электротехники. Подтверждается результатами компьютерного и физического моделирований.
Внедрение результатов работы. Полученные результаты использованы в научных работах, проводимых кафедрой ЭЭА НИУ МЭИ(ТУ) для разработки макетного образца устройства для повышения качества электроэнергии.
Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях EPE-PEMC 2012 ECCE Europe (Сербия, г. Новый Сад); PEMC-2014 (Турция, г. Анталия); IEEE-PEMC 2016 (Болгария, г. Варна); МКЭЭЭ-2012, МКЭЭЭ-2014, МКЭЭЭ-2016 (Крым, Алушта); форум «Энергетическая безопасность Союзного государства» в 2014 г. (Белоруссия, г. Минск); МКРЭЭ-2008, МКРЭЭ-2010, МКРЭЭ-2011 -
Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Россия, г. Москва).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 20 трудах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ (1 статья в переводном журнале, входящего в международную систему цитирования SCOPUS), 1 объект интеллектуальной собственности (патент на полезную модель), 3 статьи на международных конференциях с индексацией в SCOPUS и Web of Science, 14 тезисов конференций.
Личный вклад автора. Научные результаты, представленные в диссертационной работе, получены соискателем самостоятельно и при непосредственном участии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 160 страниц, 97 иллюстраций, 2 таблиц. Список литературы содержит 108 наименований.
Компенсация несимметричных токов на основе тиристорно-реакторной группы
Могут быть применены другие схемы, такие как сегментирование реакторов с постоянной индуктивностью, использование 12-ти пульсной работы, применяемые двумя соединенными трансформаторами или одним трансформатором с двумя вторичными обмотками (одна соединенная звездой, другая - треугольником). Обе эти модификации улучшают гармонический состав тока, но и также увеличивается стоимость устройства из-за увеличения требований к тиристорам. Кроме того, в последнем случае трансформатор усложняет управление тиристорами, в результате требуется 30 градусная разница в звезде и треугольной вторичных обмотках.
Независимое управление ТРГ в каждой из фаз позволяет применять ТРГ для компенсации токов несимметрии. При несимметричных углах управления для каждой ветви ТРГ возникает протекание обратной последовательности токов. Таким образом, если обеспечить таким управлением протекание токов обратной последовательности в противофазе токам обратной последовательности нагрузки, то достигнем симметрирования токов сети.
Расчёт реактивных сопротивлений (ХАВ, ХВС, ХСА) для компенсации токов несимметрии можно выполнить следующим образом [29]: J -зит -ъип -ъит 1) { I rA+I rB-I rC I rB+I rC-I rA rC + 1rA rB где Um - амплитуда фазного напряжения сети; 1 ,1 ,1 - реактивные фазные токи компенсатора. Так же, как и при компенсации реактивной мощности с помощью ТРГ, так и при компенсации им токов несимметрии он имеет похожие недостатки: - в процессе работы происходит значительное искажение тока, требующее принятия дополнительных мер фильтрации; - в связи с наличием конденсаторов, подключаемых параллельно ТРГ возникают некоторые проблемы, описанные при компенсации пассивными элементами; - применение ТРГ совместно с конденсаторами не позволяет оперативно отключать ТРГ, так как конденсаторы могут вызвать перекомпенсацию и, следовательно, увеличение напряжения сети. Такие устройства в сетях низкого напряжения практически не применяются.
Развитие силовой электроники и создание полностью управляемых силовых электронных ключей позволили разработать устройства для эффективного управления потоками электроэнергии и её качеством. В отличие от рассмотренных первых двух способах компенсации реактивной мощности и симметрирования токов с помощью конденсаторов и тиристорных регуляторах устройство на основе полупроводникового преобразователя является реализацией источника тока, а не осуществляют изменение импеданса нагрузки.
В отличие от традиционных способов устройства на основе полностью управляемых полупроводниковых ключах позволяют существенно расширить круг решаемых задач в области повышения качества электроэнергии и для расширения возможностей в «гибких» линиях. Принцип функционирования нового поколения устройств повышения качества электроэнергии заложен в 70-х годах XX века [30, 31]. Однако их реализация затруднялась из-за недостаточного технического уровня развития средств силовой электроники. Разработка мощных полностью управляемых силовых ключевых элементов, таких как IGBT-транзисторы и мощные транзисторы MOSFET, а также развитие информационной электроники и вычислительной техники, позволившие реализовать более сложные алгоритмы для систем управления, дали новые возможности развития устройств силовой электроники [32-34]. Область применения таких устройств очень широкая и включает в себя фильтрацию гармоник токов и напряжения (активный фильтр – АФ), регулирование реактивной мощности (СТАТКОМ), симметрирование нагрузки и напряжения, регулирование уровня напряжения. Кроме того, устройства позволяют выполнять эти функции как раздельно, так и сочетать их. Также на базе таких устройств можно выполнять регулирование потоков активной мощности при подключении источника энергии (в том числе и нетрадиционного) или накопителя и их комбинации. С похожими функциями устройство находит применение в однофазных сетях [35].
Устройства повышения качества электроэнергии, выполненные на основе полностью управляемых ключах можно разделить на три группы: - устройства продольной компенсации (рис. 1.6, а): последовательно в сеть подключается вольтодобавочный трансформатор (ТР), к первичной обмотке которого подключен полупроводниковый преобразователь. В англоязычной научно-технической литературе такой тип устройств часто называют - Static synchronous series compensator (кратко, SSSC) [36]. Данный тип устройств позволяет улучшить качество напряжения сети [37, 38]. При использовании устройства для регулирования несимметричного напряжения, активной фильтрации на стороне постоянного тока достаточно установить конденсатор. Для решения вопросов регулирования уровня напряжения сети необходим обмен активной мощностью, поэтому конденсатора будет недостаточно; - устройства поперечной компенсации (рис. 1.6, б): устройство подключается параллельно к сети [39]. В англоязычной научно-технической литературе встречаются большое количество вариантов названий таких устройств в зависимости от основной функции, но наиболее встречаемые – Active Power Filter (APF), STATСOM. Данный тип устройства позволяет регулировать качество тока сети. При подключении последовательно к сети дросселя (Ls_reg) либо за счёт индуктивности сети (в случае мощной сети) возможно регулирование уровня напряжения, несимметрии напряжения [40]. Для обеспечения таких функций на стороне постоянного тока преобразователя достаточно установить конденсатор. На основе такого регулятора возможна разработка устройства под конкретную нагрузку, например, пускорегулирующее устройство мощного двигателя [41]. Кроме того, схема регулятора позволяет подключить на сторону постоянного тока источник активной мощности, например, выполненного на основе нетрадиционного источника энергии через согласующее устройство [42-44].
В этом случае регулятор может выполнять функцию генерирования активной мощности в сеть, а также совмещать функции компенсации неактивной мощности и генерирования активной мощность одновременно [45]. Существуют разработки по применению регуляторов на основе инвертора тока со сверхпроводящим индуктивным накопителем (СПИН) на стороне постоянного тока [46-49]. Такие регуляторы целесообразно использовать совместно с главной функцией - накопление энергии в СПИН при переизбытке ее в сети и отдачей при дефиците, а в качестве дополнительной функции - компенсацию неактивной мощности; - устройства продольно-поперечной компенсации (рис. 1.6, в): совмещает в себе устройство продольной и поперечной компенсации с целью улучшения качества напряжения и тока [50]. В англоязычной научно-технической литературе часто встречается как Unified power quality conditioner [51,52]. Устройство, выполненное по такой структуре, позволяет обеспечивать все функции по улучшению качества электроэнергии как для нагрузки, так и для сети.
Анализ распределения мощностей в сети при компенсации несимметричных токов
Компенсатор мощности несимметрии выполняется на основе полупроводникового преобразователя, который в зависимости от требуемой мощности компенсации и напряжения сети имеет различное схемотехническое исполнение. В устройствах КМН небольшой мощности и среднего и низкого напряжения сети используются двухуровневая трёхфазная топология преобразователя и трёхуровневая трёхфазная, трёхфазная топология, состоящая из трёх однофазных (H-схем), с общим звеном постоянного тока (ЗПТ) [92, 64]. С увеличением напряжения сети и (или) мощности компенсатора увеличиваются потери коммутации полупроводниковых ключевых элементов, поэтому допустимая частота коммутации снижается для обеспечения допустимого уровня потерь коммутации. Мощные преобразователи, рассчитанные на работу с сетью высокого напряжения, выполняются в виде модульной конструкции или на основе многоуровневой топологии схемы. При этом напряжение преобразователя создаётся методом амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), а частота коммутации ключевых элементов невысока [34].
Другим решением является последовательное или параллельное включение ключевых элементов [45], позволяющее распределить мощность на несколько ключей. При последовательном соединении полупроводниковых ключевых элементов повышается рабочее напряжение ключевой ячейки. Однако, при этом следует обеспечить равное деление напряжения между последовательно соединенными ключевыми элементами. В процессе коммутации неравное деление напряжения вызывается разным временем переключения каждого из ключевого элемента, а в статическом режиме это вызывается разным сопротивлением в закрытом состоянии. Для увеличения мощности преобразователя, полупроводниковые ключевые элементы включают параллельно, но при таком способе возникает неравномерное распределение токов по ключевым элементам.
В сетях низкого напряжения целесообразно применять силовые схемы КМН основанные на мостовой двухуровневой трёхфазной схеме преобразователя. Так как в таких сетях широко применяются сети с нейтральным проводом, то имеется несколько разновидностей структурных силовых схем КМН. Применение той или иной силовой схемы для устройств повышения качества электроэнергии зависит также от его функций. В электрических сетях с нейтралью для полной компенсации токов высших гармоник и полной компенсации токов несимметрии применяют схемы с подключением нейтрального провода. Для компенсации только реактивной мощности использование силовых схем с подключением нейтрального провода нет необходимости. На рис. 3.1, а изображен КМН с классической трёхфазной мостовой схемой, а на рис. 3.1, б-г приведены три схемы соединения с использованием подключения нейтрального провода к устройству КМН.
В схеме на рис. 3.1, в нейтральный провод через дроссель подключается в средней точке конденсаторов на стороне постоянного тока преобразователя, в схеме рис. 3.1, г нейтраль подключается похоже, но дополнительно подключается конденсатор параллельно конденсаторам, образующим среднюю точку, а в схеме рис. 3.1, б нейтраль подключается к четвертому плечу преобразователя.
Недостатками схемы со средней точкой, образуемой конденсаторами, являются – возможное возникновение разбалансировки напряжений на конденсаторах на стороне постоянного тока преобразователя; протекание через конденсаторы токов высших гармоник и нулевой последовательности при их компенсации, что ускоряет процесс «старения» конденсаторов.
Схема с дополнительным конденсатором, параллельным конденсаторам, образующим среднюю точку, позволяет снизить ёмкости конденсаторов, к которым подключается средняя точка, но в целом недостатки остаются. Для устранения недостатков схем на рис. 3.1, в-г используют схему преобразователя с дополнительным плечом (рис 3.1, б). В этом случае при компенсации токи высших гармоник нечётные и кратные трём и токи нулевой последовательности протекают через ключи. Недостатками схемы с четырьмя плечами – увеличивается сложность реализации системы управления; требуется отдельный дополнительный управляющий вход для четвертого плеча с ключами; увеличение количества полупроводниковых ключей, что в целом приводит к увеличению стоимости. 3.2. Анализ работы силовой части компенсатора мощности несимметрии
Существует множество различных методов расчёта силовой части для преобразователей типа AC/DC, в зависимости от назначения. Для применения преобразователей в области регулирования качества электроэнергии, в частности, компенсации реактивной мощности предлагаются методики расчёта в [93, 94]. Однако есть ряд существенных отличий, которые необходимо учитывать при проектировании его силовой части для работы в режиме компенсации мощности несимметрии. Основными из них являются: - каждое плечо преобразователя работает в любом квадранте плоскости напряжения и токов системы в отличие от компенсатора реактивной мощности; - при генерировании устройством токов обратной последовательности на стороне постоянного тока преобразователя протекает переменная составляющая тока; - при компенсации мощности несимметрии в комбинированном режиме - компенсация обратной и нулевой последовательностей, возникают несимметричные падения напряжения на выходных дросселях компенсатора; - для компенсации токов нулевой последовательности необходимо обеспечить контур для протекания тока нейтрали через КМН.
Анализ распределения токов обратной и нулевой последовательностей в трёхфазной двухуровневой мостовой схеме. В любом режиме работы КМН, ток в каждом полупроводниковом ключе преобразователя (например, IGBT-транзисторы) протекает в прямом (через транзистор) и в обратном направлении (через диод). Контур для протекания положительного тока (условное направление от компенсатора к сети) обеспечивается попеременно транзистором верхнего ключевого элемента и диодом нижнего ключевого элемента (когда верхний ключевой элемент выключен), а при протекании отрицательного тока - транзистором нижнего ключевого элемента и диодом верхнего ключевого элемента. При этом не возникает пауз, когда транзистор и диод одновременно включены или выключены. Это связано с наличием на стороне переменного тока преобразователя дросселей, обеспечивающими протекание в них непрерывного тока. При работе в режиме непрерывного тока выключение транзистора управляющим импульсом дроссель на стороне переменного тока преобразователя создает условие для открытия диода, противоположного ключевого элемента, позволяющего продолжить протекание тока в том же направлении. Распределение тока между транзистором и диодом может быть различным и зависит от определённого режима работы КМН.
Анализ работы силовой части компенсатора мощности несимметрии
Выбор частоты не из ряда (3.26) приводит к дополнительным погрешностям при модуляции выходного напряжения преобразователем и в следствие этого к появлению субгармоник и межгармоник [33].
Для получения тока удовлетворяющего по качеству, достаточно выбрать частоту модуляции на порядок, превышающую основную гармонику, генерируемого сигнала [33], т.е. в рассматриваемом случае основная частота – 50 Гц, а значит частота модуляции должна быть больше 500 Гц. Из ряда можно выбрать для первого расчёта частоту равную 750 Гц.
От выбора частоты модуляции зависит качество тока компенсатора, величина потерь в ключах и диапазон регулирования токов при соблюдении его качества. Верхний предел частоты также ограничивается вычислительной производительностью системы управления, характеристиками полупроводниковых ключей, величиной потерь в ключах на переключение. Для выбора частоты модуляции следует получить зависимости этих величин от частоты.
Для получения зависимостей THD(fPWM), I(fPWM) и получения токов в транзисторе и диоде, требуемых для теплового расчёта, разработана упрощённая компьютерная модель регулятора. Для получения зависимостей Pпот(fPWM) и Tj(fPWM) разработана тепловая модель. На основе полученных зависимостей производится выбор параметров регулятора (рис. 3.15).
Компьютерная модель компенсатора. Разработана упрощённая компьютерная модель компенсатора (рис. 3.16), позволяющая оценить качество выходного тока, а также получить диаграммы токов в ключах для использования их при тепловом расчёте. В качестве упрощения преобразователь и ЗПТ моделируется управляемыми источниками напряжения. Система управления разомкнута и функционально разделяется на блоки вычисления напряжения задания и широтно-импульсного регулирования. С помощью D_UL_max задаётся величина напряжения на дросселях и его угол фазы относительно напряжения сети, что определяет режим работы компенсатора. Рис. 3.16. Упрощённая компьютерная модель регулятора
На основе этой модели вычисляются токи транзисторов и диодов с помощью блока «Current_VT_VD», содержимое которого отображено на рис. 3.17. Далее эти токи используются для расчёта тепловых потерь в модуле.
Блок вычисления токов в транзисторе и диоде (Current_VT_VD) Исследование компьютерной модели компенсатора. Проведены исследования модели в различных режимах с целью определения наиболее режимов, вызывающих наибольшую загруженность ключей. Для расчёта были взяты следующие параметры: Us=220 В, L=1.46 мГн; RL=0.046 Ом; Ud=750 В; UL_max=65 В; fPWM=4650 Гц. Получена регулировочная характеристика для разных режимов работы (разных углов) путем изменения напряжения задания (рис. 3.18). По оси ординат откладывается действующее значение тока в дросселях, а по оси абсцисс – реальный коэффициент модуляции, который вычисляется из сигнала опорного. Для каждого режима изменялась величина UL_зад в диапазоне -2.5.UL_max 2.5.UL_max. Отрицательная область токов показывает токи в противоположном режиме. Регулирование в отрицательной области не дает перемодуляцию, в отличие от положительной области. В связи с тем, что расчёт регулятора производится для номинального действующего тока I=100 А, то в регулировочной характеристике наиболее интересна только область для токов -100 А 100 А. Отметим, что в режиме для угла /2 (генерация активной мощности (положительная область графика) потребление активной мощности (отрицательная область графика)) регулировочная характеристика имеет «крутой» характер. Этот характер показывает, что при сильном изменении величины задания (UL_max) происходит малое изменение коэффициента модуляции, что показывает низкую чувствительность при работе в этом режиме.
Регулировочные характеристики модели для различных режимов работы Получена зависимость коэффициента модуляции от режима работы преобразователя при работе в номинальном токе и представлена на рис. 3.19, а. Минимальный коэффициент модуляции равен 0.654 для режима реактивной мощности индуктивного характера. Максимальный – 1.0 для режима реактивной мощности емкостного характера. В соответствие с полученными результатами диапазон изменения коэффициента модуляции в номинальном режиме работы регулятора 0.654 – 1. а)
Характеристики регулятора: коэффициент модуляции (а) и THD (б,в) от режима работы при частоте коммутации fPWM=4650 Гц и при других частотах (в) На рис. 3.19, б представлена зависимость THD тока от режима работы преобразователя при номинальном токе при частоте коммутации ключей fPWM = 1350 Гц. По оси ординат THD в процентах, а по оси абсцисс – угол напряжения регулирования. Минимальный THD = 7.67% в режиме реактивной мощности индуктивного характера, а максимальный THD = 10.44% в режиме реактивной мощности емкостного характера (при единичном коэффициенте модуляции). Худшим случаем из режимов работы при номинальном токе является работа его в режиме обмена реактивной мощности емкостного характера. На рис. 3.19, в представлены зависимости для других частот модуляции fPWM = 4650 Гц и fPWM = 7650 Гц, которые отображают схожий характер зависимости, как и на рис. 3.19, б. На рис. 3.20, а представлена зависимость частоты модуляции на THD, которая снималась при угле управления равном нулю. Зависимость показывает, что при частоте модуляции выше 6550 Гц гармонический состав изменяется незначительно. На рис. 3.20, б представлена зависимость диапазона регулирования тока при обеспечении THD= 5%. При частоте модуляции выше 6550 Гц обеспечивается регулирование до 60% от номинального тока. Далее увеличении частоты не сильно влияет на диапазон регулирования (до 70%).
Симметрирование в трёхфазной сети без нейтрали
Экспериментальное исследование работы КМН было выполнено на физическом макете, спроектированного для трёхфазной сети 0.4 кВ, 50 Гц. Установленная мощность макета равна 3кВА (I=4.5 А).
Основные параметры макета: индуктивность дросселей - 22 мГн, суммарная емкость конденсаторов - 1100 мкФ, максимальное напряжение на стороне постоянного тока - до 900 В. Эксперимент проводился при частоте коммутации ключей равной 4650 Гц.
Система управления компенсатора разделена на несколько плат: - плата датчиков напряжений сети: на плате размещены три датчика напряжения на эффекте Холла, для измерения трёх линейных напряжений сети; - плата датчиков токов компенсатора и нагрузки: шесть датчиков тока: три датчика тока нагрузки и три датчика тока в выходных дросселях компенсатора; - плата контроля напряжения на конденсаторе: плата совмещена с датчиком напряжения на конденсаторе и контролирует уровень напряжения и при превышении номинального значения напряжения выдает сигнал ошибки на порт ПЛИС; - плата согласования сигналов: на плату приходят сигналы с датчиков тока нагрузки, токов компенсатора, напряжений сети и напряжения на конденсаторе. Эти сигналы согласуются по уровню напряжения со входом АЦП микроконтроллера; - плата с микросхемой ПЛИС: на этой плате располагается программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Дополнительно на плате реализована возможность подключения катушек контакторов и реле напрямую без микроконтроллера. Также на этой плате размещен ЦАП для вывода сигналов из памяти микроконтроллера; встраиваемый модуль микроконтроллера: встраиваемый модуль микроконтроллера обладает широким набором интерфейсов. Порты микроконтроллера выведены на два разъема. С помощью такого модуля возможно быстро освоить работу с микроконтроллером, не пропустив этап разводки выводов микросхемы, и перейти к сопряжению его с другими устройствами СУ (рис. 5.1);
Плата с микроконтроллером плата индикации и управления: выполняет функцию индикации состояния каналов срабатывания защит, индикацию о готовности к пуску. Также с помощью кнопок, распложенных на этой же плате управлять режимами компенсатора; плата сопряжения СУ и драйвера: плата служит для оптической развязки между силовым ключевым модулем и системой управления.
Основные элементы макета:
Микроконтроллер. Важным звеном системы управления является микроконтроллер, осуществляющий функции вычисления и управления. В макете используется микроконтроллер серии Delfino фирмы «Texas Instrument» TMS320F2S33S. Программирование микроконтроллера производилось в среде Code Composer Studio [108]. Выделим основные характеристики выбранного микроконтроллера (рис. 5.2]: - частота процессора до 150 МГц (время цикла 6.67 нс); - разрядность процессора - 32 бита; - уровень напряжения портов - 3.3 В; подключение до восьми 32-битных таймеров и до девяти 16-битных таймеров; шесть выводов настраиваемых ШИМ-портов; поддержка подключения по протоколу JTAG; интерфейсы по передаче данных - 2CAN, 3SCI и другие; 16 каналов - АЦП с разрешением 12 бит; память 256К х 16 Flash, 34К х 16 SARAM; 64 вывода для использования в качестве портов.
Полупроводниковый мостовой преобразователь. IGBT-модуль фирмы Mitsubishi Electric PM25CLA120 со встроенным драйвером (рис. 5.3) выполнен на основе кристаллов IGBT пятого поколения. Схема соединения транзисторов – двухуровневая трехфазная топология. Основные параметры – ток коллектора – 25 А. Напряжение коллектор-эмиттер – 1200 В.
Микросхема ПЛИС Altera EPM1270T144C5N. Основные характеристики – 144 вывода, уровень напряжений портов 2.2-3.0 В. С помощью ПЛИС организуется аппаратная защита - при поступлении ошибки с одного из каналов защит снимает импульсы управления ключей моста. Панель оператора. Основное управление и индикация производится с помощью интерактивной панели оператора DOP-В0S211 «Delta Electronics» с сенсорным дисплеем (рис. 5.4). Обмен данных с микроконтроллером производится по интерфейсу RS-232. Запрограммировано отображение значений напряжения на конденсаторе, токов компенсации, уровень напряжения сети и др. А также управлять большим количеством флагов программы и отображать их. С помощью панели оператора производится управление входным контактором, шунтирующим реле и включением импульсов управления транзисторным мостом.
Микросхема ЦАП. Вывод переменных программы микроконтроллера выполняется с помощью ЦАП, расположенного на плате с ПЛИС. В качестве ЦАП применяется 12-ти битная микросхема Burr-Brown DAC7624, выводящая одновременно до четырёх сигналов.
Силовая часть и платы системы управления размещены в шкафе с размерами 60х60х40 (рис. 5.5). Платы системы управления расположены на внутренней стороне двери шкафа для удобства доступа к ним при отладке.
Принципиальная схема макета приведена на рис. 5.6, на которой показано расположение датчиков, контакторов, силовых элементов компенсатора, а также их взаимосвязи (пунктирные линии) с системой управления. Трёхфазный автоматический выключатель QF подключает шкаф макета к сети. Датчики напряжения сети и токов нагрузки позволяют получить сигналы до включения силовой части КМН. Перед подачей импульсов на ключи преобразователя необходимо осуществить
Принципиальная схема макета компенсатора мощности несимметрии подготовительный этап. При замыкании входного контактора КМ и разомкнутом реле КК конденсатор на стороне постоянного тока заряжается до значения максимального линейного напряжения через обратные диоды моста. На стороне постоянного тока последовательный зарядный резистор необходим для ограничения зарядного тока конденсаторов. После первоначального заряда зарядный резистор шунтируется с помощью реле КК. Включение импульсов управления ключами позволяет зарядить конденсаторы до установленного напряжения – 750 В.