Введение к работе
Актуальность работы. Научно-технический прогресс в области систем электроснабжения сопровождается появлением все большего числа нелинейных потребителей. Во многом это связано с развитием электронной преобразовательной техники. Практическое применение этой техники приводит к искажению формы тока и напряжения в системах электроснабжения, или, иными словами к появлению в них высших гармонических составляющих.
Наличие высших гармоник в токах системы электроснабжения сопровождается потреблением из источника питания дополнительной реактивной мощности и мощности искажения. Кроме того, несинусоидальность кривых тока и напряжения приводит к повышенному нагреву трансформаторов, конденсаторов, увеличению потерь в них, сокращению срока их службы и надежностных характеристик, что приводит к возникновению ложных срабатываний в аппаратуре управления и защиты, а, следовательно, к возникновению аварийных ситуаций в работе системы электроснабжения. С высшими гармоникамі; также связано ухудшение процессов генерация и передачи электроэнергии, нарушение технологических процессов, а в крайних случаях порча оборудования. Указанные причины обосновывают актуальность работ по улучшению качества электроэнергии как в рамках источников электроэнергии, так и в рамках конкретных потребителей. Стоит отметить, что проблема принимает глобальный характер и решается на уровне государственных программ. В частности, на сегодняшний день развитые страны разрабатывают и принимают многочисленные программы энергосбережения, а также стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии, в которых, в том числе, ограничивается уровень гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными потребителями. В России требования к качеству электроэнергии отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах общего назначения».
Аэродромное светосигнальное оборудование (ССО) предназначено для обеспечения безопасности маневрирования воздушных судов и представляет собой систему аэродромных огней различного цвета и назначения, объединенных в независимые последовательные цепи, называемые кабельными кольцами. Регулирование интенсивности излучения аэродромных огней с высокой степенью точности является основной задачей системы электроснабжения светосигнального оборудования. На сегодняшний день, для этих целей, системы светосигнатьного оборудования аэродромов комплектуются однофазными регуляторами переменного напряжения тиристорного типа, которые в эксплуатации называются регуляторами яркости. Установка требуемого значених интенсивности излучения светосигнального оборудования обусловлена установкой тока в кабельном кольце. Регулирование и стабилизация тока осуществляется регулятором яркости за счет изменения его выходного напряжения в соответствии с заданным законом управления.
Работа тиристорного регулятора связана со значительными искажениями формы входного и выходного тока, причем несинусоидалыюсть возрастает со снижением требуемого значения тока в цепи. В связи с тем, что регуляторы однофазные и их количество и мощность различны для каждого конкретного аэродрома, подключить их так, чтобы обеспечить симметричную нагрузку на трехфазную питающую сеть аэродрома, невозможно. Возникающая несимметрия нагрузки особенно сказывается в аварийных режимах (при
заначительном количестве вышедших из строя источников света в КК), при питании ССО от дизельной электростанции или электрической сети сопоставимой с нагрузкой мощности.
При этом, современные требования к системе электроснабжения аэродромов обязывают при проектировании электрических систем учитывать факторы, которые могут привести к нарушению нормальной работы, такие, как электромагнитные возмущения, потери в электрической сети, качество снабжения энергией и т.д.
Сопоставление требований к влиянию нелинейной нагрузки на питающую сеть с одной стороны и с точки зрения требований к качеству энергии, питающей аэродромное светосигнатьное оборудование, с другой стороны определило тему данной диссертационной работы и ее актуальность.
Цель диссертационной работы - разработка принципов построения и средств технической реализации для повышения технико-экономических показателей регуляторов переменного тока, питающих аэродромное ССО (регуляторов яркости), повышение качества электроэнергии, потребляемой регулятором из сети, и, передаваемой в нагрузку.
В ходе исследования и разработки решались следующие задачи:
1. Информационный анализ известных примеров реализации регуляторов
переменного тока, анализ их влияния на сеть и выявление наиболее перспективных
разработок с применением современных силовых электронных приборов;
-
Синтез структуры регуляторов яркости, позволяющей минимизировать или исключить искажения токов в системе электроснабжения, а также характеризующейся высокими значениями коэффициента мощности;
-
Разработка способа управления, позволяющего улучшить характеристики выходных параметров регуляторов яркости в переходных и статических режимах при сохранении качества потребляемой и преобразованной энергии;
-
Выбор специализированного пакета программ компьютерною моделирования рабочих процессов и разработка компьютерных моделей предложенных регуляторов яркости;
-
Анализ рабочих процессов и технико-экономических показателен предложенных регуляторов яркости на основе модели и сравнение полученных характеристик с характеристиками тиристорних регуляторов.
Методы исследовании. Поставленные в диссертационной работе задачи решались общепринятыми в электротехнике и теории электричесхих цепей аналитическими методами, методами математического анализа (дифференциальное исчисление, матричная и векторная алгебра), методами теории автоматического управления, а также современными средствами математического моделирования с использованием специализированных прикладных программ пакета MATLAB. Достоверность полученных теоретических выводов и результатов подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.
Научная новизна:
]. Предложены схемотехнические решения новых типов регулятороз яркости на базе многоуровневого инвертора напряжения и 12-фазного выпрямителя, позволяющие получить значения коэффициента мощности в диапазоне 0,96-0.99 и низкие гармонические искажения входных токов для широкого диапазона изменений параметров нагрузки.
-
Предложен современный принцип регулирования переменного напряжения на основе ШИМ, позволяющий обеспечить низкие гармонические искажения токов в нагрузке и обеспечить требуемые точность и быстродействие системы как в статических, так и в динамических режимах.
-
Разработана инженерная методика проектирования регуляторов яркости с улучшенными энергетическими характеристиками.
-
Разработаны адаптированные к пакету программ моделирования MATLAB компьютерные модели основных составляющих элементов предаоженных регуляторов яркости, позволяющие адекватно оценить характер процессов, протекающих в системе питающая сеть - регулятор яркости - нагрузка в различных режимах.
5. На основе компьютерных и физических моделей проведено исследование влияния
потерь в полупроводниковых ключевых элементах на эффективность регуляторов яркости, и
показано, что предложенные регуляторы характеризуются высокими значениями КПД для
всего диапазона допустимых нагрузок.
Практическая ценность работы:
В результате выполненной работы разработаны новые схемотехнические решения регуляторов яркости для питания аэродромного светосигнального оборудования, позволяющего снизить гармонические искажения входных и выходных токов регуляторов, и существенно повысить их коэффициент мощности по отношению к существующим устройствам аналогичного назначения.
Реализация результатов работы:
Полученные результаты использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА совместно с ООО «АЭРОКУРС-М» по разработке макетных образцов устройств энергоснабжения для аэродромного светосигнального оборудования.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ-2006 (Россия), СЭЭ'2006 (Украина), а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2004-2008г.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы. Подана заявка на выдачу патента на изобретение № 2008112299 от 02.04.08 в ФГУ ФИПС, которая прошла формальную экспертизу.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из зведення, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 139 страниц и содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 94 наименования списка литературы.
