Содержание к диссертации
Введение
1. Способы регулирования напряжения в СЭС 12
1.1. Постановка задачи 16
1.1.1. Анализ существующих устройств регулирования напряжения 17
1.1.2. Изменение коэффициентов трансформации трансформаторов 17
1.1.3. Вольтдобавочные регуляторы напряжения 18
1.1.4. Поперечная компенсация реактивной мощности 19
1.1.5. Продольная компенсация реактивной мощности 20
1.1.6. Комплексное решение задачи регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности 22
1.2. Обзор современных авторских изысканий и исследований 24
1.2.1. Стабилизация напряжения и его колебания 24
1.2.2. Компенсация реактивной мощности 1.3. К вопросу о применении нечеткой логики к регулированию напряжения40
1.4. Практическое применение теории нечетких множеств к задачам регулирования режимов СЭС 42
1.5. Выводы по главе 45
2. Нечеткая логика в задачах управления 47
2.1. Постановка задачи .48
2.2. Нечеткие множества
2.2.1. Свойства нечетких множеств 55
2.2.2. Формы представления нечетких множеств 57
2.2.3. Лингвистические модификации нечетких множеств 59
2.2.4. Нечеткая арифметика. 63
2.2.5. Промышленное применение теории нечетких множеств 68
2.3. Нечеткая логика 70
2.3.1. Нечеткая операция "И" 70
2.3.2. Нечеткая операция "ИЛИ" 73
2.3.3. Нечеткая операция "НЕ"
2.3.4. Нечеткая импликация 77
2.4. Нечеткие выводы 80
2.4.1. Формирование базы правил и нечеткие выводы 81
2.4.2. Композиция нечетких отношений 82
2.4.3. Агрегация локальных выводов и дефазификация 85
2.4.4. Нечеткие контроллеры в задачах управления 86
2.5. Выводы по главе 87
3. Математическое моделирование управления режимами потребителей систем электроснабжения на основе нечеткой логики 90
3.1. Постановка задачи ; 90
3.2. Спектр задач, решаемых с помощью нечеткой логики 92
3.3. Регулирование напряжения электротехнологической установки с использованием нечеткой логики на примере электрической печи 93
3.3.1. Исходные данные .94
3.3.2. Решение задачи регулирования напряжения с помощью четкой логики 95
3.3.3. Проектирование экспертной системы управления нагревом 99
3.3.4. Решение задачи регулирования напряжения с помощью нечеткой логики по алгоритму мамдани 100
3.3.5. Сравнение результатов работы блоков управления, выполненных на четкой и нечеткой логике 104
3.4. Регулирование напряжения электропривода с использованием нечеткой логики на примере асинхронного двигателя... 105
3.4.1. Исходные данные. 106
3.4.2. Решение задачи регулирования напряжения с помощью четкой логики 113
3.4.3. Формирование нечеткой базы правил к управлению асинхронным двигателем 115
3.4.4. Решение задачи с помощью нечеткой логики по алгоритму Мамдани 117
3.4.5. Решение задачи с помощью нечеткой логики по алгоритму Цукамото...1 3.4.6. Решение задачи с помощью нечеткой логики по алгоритму Сугэно нулевого порядка 125
3.4.7. Решение задачи с помощью нечеткой логики по алгоритму Сугэно первого порядка 128
3.4.8. Решение задачи с помощью нечеткой логики по алгоритму Ларсена .131
3.4.9. Решение задачи с помощью нечеткой логики по комбинированному алгоритму Ларсена и Ягера 134
3.5. Об адаптивном нечетком регулировании напряжения в системах элктроснабжения 135
3.6. Выводы по главе 136
4. Натурное моделирование управления режимами потребителей электроэнергии систем электроснабжения на основе нечеткой логики 138
4.1. Постановка задачи 139
4.2. Исходные данные 141
4.3. Драйверное управление инверторной схемой на силовых полупроводниках 142
4.3.1. Непосредственное управление от контроллера 142
4.3.2. Двухтактный биполярный драйвер... 144
4.3.3. Ускоряющие схемы 145
4.3.4. Бутстрепные схемы.
4.4. Решение задачи регулирования напряжения с помощью четкой логики 150
4.5. Решение задачи регулирования напряжения
с помощью нечеткой логики 159
4.6. Анализ работы натурной модели 173
4.7. К улучшению регулирующих качеств блока управления
при сохранении общей робастности системы 175
4.8. Выводы по главе 180
5. Регулирование напряжения узла нагрузки с использованием нечеткой логики
5.1. Постановка задачи 182
5.2. Исследование узла нагрузки из группы асинхронных двигателей 183
5.3. Исследование узла нагрузки из синхронного и асинхронного двигателя 197
5.4. Исследование крупного узла нагрузки 209
5.5. Выводы по главе 211
Заключение 213
Список использованных источников
- Комплексное решение задачи регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности
- Промышленное применение теории нечетких множеств
- Регулирование напряжения электротехнологической установки с использованием нечеткой логики на примере электрической печи
- Драйверное управление инверторной схемой на силовых полупроводниках
Введение к работе
Актуальность работы. Расширению объемов деятельности и развитию предприятий присущ рост потребления электроэнергии, вызванный, в свою очередь, ростом количества электроприемников, и приводящий как к необходимости развития системы энергоснабжения, так и экономного использования электроэнергии. Недопущение дефицита электроэнергии является задачей многосторонней, и ее выполнение может быть достигнуто решением, в свою очередь, более простых задач, входящих в ее состав.
Различным аспектам задач расчета режимов и потерь электроэнергии посвящены работы Д.А. Арзамасцева, П.И. Бартоломея, А.С.Бердина, В.Э. Воротницкого, А.З. Гамма, И.В. Жежеленко, Ю.С. Железко, В.И. Идельчика, В.Н. Казанцева, В.Г. Курбацкого, В.З. Манусова, В.Я. Ольховского, А.В. Паздерина, В.Г. Пекелиса, Г.Е. Поспелова, А.Г. Фишова и др.
Одним способом экономии электроэнергии является регулирование напряжения на зажимах электроприемников как групповым регулированием, так и путем установки индивидуального регулятора напряжения.
Актуальность диссертационной работы определяется стратегическими национальными задачами рационализации использования электроэнергии, программами энергосбережения и снижения потерь. Работа становится еще более актуальной в условиях глобального финансово- экономического кризиса, вынуждающего осуществлять режим глубокой экономии ресурсов, так как полученные результаты позволяют получать больший эффект экономии электроэнергии.
Широко используемый пропорциональный метод управления не всегда позволяет обеспечить желаемую динамику процесса регулирования. Причиной этого может быть наличие в системе связей, наделяющих ее резонансными свойствами, из-за чего становится актуальна разработка адаптивных алгоритмов управления, которые способны демпфировать колебания резонансов без сужения полосы пропускания, а, следовательно, без ухудшения быстродействия системы.
В условиях неполноты, неточности и неоднозначности входной информации принимать адекватные решения возможно при использовании в задачах регулирования напряжения математического аппарата нечеткой логики, повышающего эффективность функционирования объекта. Устройства, обрабатывающие поступающую информацию в виде лингвистических переменных (терм), способны повышать робастность (robustness – “устойчивый”) системы, т.е. поддерживать систему в устойчивом состоянии во всем диапазоне рабочих значений входных параметров.
Вопросам применения нечеткой логики к регулированию режимов электроприемников посвящены работы Н.Д. Егупова, В.Г. Косицына, К.А. Пупкова, В.А. Соловьева, В.М. Терехова и др.
В данной работе представлены результаты исследований, полученные с математических и натурных моделей регулируемых объектов и их регуляторов при функционировании последних по различным нечетким алгоритмам. Это говорит об актуальности работы, результаты которой позволяют более эффективно осуществлять регулирование напряжения в системах электроснабжения.
Цель работы состоит в разработке методики оптимального регулирования напряжения электроприемников в системах электроснабжения (СЭС) с сохранением робастности регулируемого объекта по критерию минимальных потерь электроэнергии с учетом неопределенности исходной информации.
Задачи исследования:
-
Получить динамические характеристики электроприемников СЭС при регулировании напряжения питания.
-
Разработать математическую модель процессов в узлах нагрузки с управлением питающим напряжением с помощью алгоритмов нечеткой логики на примере печи обжига, асинхронного двигателя.
-
Проверить работоспособность математической модели неоднородного узла нагрузки из синхронного, асинхронного двигателя и статической нагрузки, однородного узла нагрузки из группы асинхронных двигателей.
-
Разработать метод нечеткого управления (регулирования), обеспечивающий высокоскоростное гашение воздействий внешних возмущений на объект на основе экспертной базы правил.
-
Разработать инвертор с регулируемой величиной защитной паузы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для экспериментальной установки регулятора напряжения асинхронного двигателя и проверки достоверности полученных ранее результатов.
-
Осуществить проверку работоспособности и эффективности разработанных методов программным путем сравнения значений cos и сохранения динамической устойчивости при тестовых механических возмущениях.
Методы исследования.
Разработанные в диссертации методики регулирования напряжения основываются на системном анализе алгоритмов нечеткой логики, предложенных Мамдани, Сугэно, Ларсеном и др. При проведении исследований использовались положения теории нечётких множеств, в частности, математический аппарат нечёткой логики.
При решении задач, соответствующих поставленной цели, использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, методы агрегации локальных нечетких логических выводов из правил.
Научная новизна работы заключается в том, что:
-
Получена целевая функция регулирования напряжения, обеспечивающая экономическую эффективность для рассматриваемых электроприемников разных классов.
-
Осуществлено лингвистическое описание объекта регулирования в терминах теории нечетких множеств, разработана кодировка входных и выходных нечетких множеств и нечетких правил управления.
-
Предложен гибридный метод регулирования напряжения, в состав которого входят так называемые "жесткие" алгоритмы (Ларсена и Ягера), применяемые в условиях неполноты знаний о характеристиках объекта регулирования при экспертном составлении базы правил.
-
Проведены исследования совместимости алгоритмов нечеткой логики в случае их гибридного применения.
-
Проверено на экспериментальной установке регулирование величины защитной паузы инвертора для исключения сквозных токов, создающих дополнительные энергетические потери и преждевременный электродинамический износ оборудования.
Полученные автором результаты доказывают эффективность предложенного в работе гибридного алгоритма при регулировании напряжения в группах электроприемников при условии сохранения их устойчивости.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Полученные в диссертационной работе методики и алгоритмы могут использоваться в организациях, занимающихся разработкой регуляторов напряжения и систем управления для индивидуального и группового регулирования режимов работы электроприемников, а также автономных систем питания.
-
Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе, в частности, в курсе «Теория нечетких множеств» для магистрантов и аспирантов факультета энергетики НГТУ, а также включены в дисциплины – «Математическое моделирование», «Основы системного анализа» по специальности 140211 – «электроснабжение».
Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется проведением большого количества успешных математических и физических экспериментов, адекватностью работы регуляторов напряжения с применением нечеткой логики на построенных моделях объекта, а также сопоставлением результатов проведенных экспериментов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Построенные математические модели нечетких алгоритмов с использованием современных компьютерных средств и предназначенные для функционирования в различных узлах систем электроснабжения делают регулирование более экономичным.
-
В задачах регулирования напряжения электрических машин использовано нечеткое описание лингвистических переменных напряжений и cos, расположенных по нормальному закону.
-
Методика выбора оптимальных алгоритмов нечеткого регулирования напряжения включает этап анализа имеющихся нечетких алгоритмов с последующим этапом синтеза нового алгоритма управления.
-
Регулирование напряжения по критерию максимума cos на базе предложенного алгоритма нечеткого регулирования, сочетающего качества нескольких нечетких алгоритмов, повышает экономичность работы электроприемника.
-
Сравнительный анализ работы моделей пропорциональных регуляторов напряжения и моделей регуляторов, основанных на нечеткой логике, показал перспективность применения fuzzy технологий в задачах регулирования режимов электроприемников.
Апробация работы. Полученные результаты исследования и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научных семинарах кафедр факультета энергетики НГТУ, на Всероссийской научно - технической конференции «Наука. Технологии. Инновации», (НГТУ, г. Новосибирск, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: Экология. Надежность. Безопасность», Томск, 2006; на Всероссийской научно - технической конференции «Энергетика: Экология. Надежность. Безопасность», Томск, 2007; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2007.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, 4 доклада в материалах международных и всероссийских конференций, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и содержит 221 страницу основного текста, 89 иллюстраций, 23 таблицы и список литературы из 50 наименований.
Комплексное решение задачи регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности
В данной главе предпринимается попытка исследования перспективных способов регулирования электрических режимов с позиции устранения или сведения к минимуму ущерба в ходе технологического процесса от отклонения напряжения и с позиции экономии электроэнергии и уменьшения потоков реактивной мощности.
Для этого необходимо рассмотреть влияние потоков реактивной мощности на режимы напряжения на узлах нагрузки, способы управления потоками реактивной мощности и их компенсации.
Следует отметить, что все регуляторы напряжения, основанные на электромагнитном преобразовании энергии, имеют весьма большие габариты, обусловленные наличием магнитопровода внутри них. Если же регулирование осуществляется автотрансформаторным принципом, то все же магнитопровод будет рассчитан на мощность, по грубым подсчетам равную относительному увеличению (уменьшению) напряжения в долях, умноженную на мощность проходимого потока. Это, как правило, составляет 10-15% от Рнагр. Габариты магнитопровода пропорциональны корню квадратному от пропускаемой мощности. Таким образом, электромагнитный авотрансформаторный регулятор напряжения будет максимум втрое меньше трансформатора на мощность нагрузки. Из сказанного следует, что стоит делать акцент перехода на импульсное преобразование электроэнергии и постепенный отказ от местных электромагнитных регуляторов режимов. Для принятия адекватного решения в задаче регулирования напряжения в СЭС нужно подробно исследовать существующие способы регулирования, учитывая взаимные влияния параметров режимов.
Анализ существующих средств регулирования напряжения проводится с рассмотрением (1.1) напряжения у электроприемника ІІ2 в зависимости от напряжения генератора Ui, добавочного напряжения ІІдоб и потерь по методике, описанной Ю.Л.Мукосеевым [2]. и1=и1±иш-р-- +« - 2.НЪ-Хс) (U) и н Анализируемые средства регулирования и их регулирующие воздействия: коэффициент трансформации трансформаторов на Ui; вольтдобавочные регуляторы напряжения на ІІдоб; поперечная компенсация реактивной мощности на QK; продольная компенсация на реактивное сопротивление XL И ХС.
Трансформаторы ГПП, как правило, оснащаются устройством автоматического регулирования напряжения под нагрузкой (АРПН). РУ 6-10 кВ в этом случае выполняют роль ЦП точки централизованного регулирования напряжения. Пределы регулирования напряжения с помощью АРПН трансформаторов класса напряжения 35 кВ установлены ±(6x1.5%) для мощности до 63 МВ А и ±(8x1.5%) для мощности 10МВ А и выше. Для трансформаторов класса ПО кВ мощностью 6.3 МВ А и выше пределы регулирования ±(9x1.78%). На цеховых ТП применяются трансформаторы с переключением без возбуждения (ПБВ) с пределами регулирования ±(2x2.5%).
На подстанциях энергосистем применяются вольтдобавочные трансформаторы ВРТДНУ включением в нейтраль обмотки ВН трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 150- 500 кВ.
В сетях 6- 10- 35 кВ последовательно включаются линейные регуляторы типа ЛТМ 400/10 - ЛТМ 630/10 - ЛТМ 1600/10 проходной мощностью 400, 630 и 1600 кВ А соответственно с пределами автоматического регулирования напряжения +4x2.5% и -2x2.5%. Для глубокого регулирования напряжения в установках электролиза применяются автотрансформаторы типа АТМН с регулированием под нагрузкой. Для лабораторных и испытательных установок могут быть использованы регулируемые автотрансформаторы типов АОСК, АТСК и АТМК с подвижной катушкой, изменяющей индуктивную связь между обмотками. Их мощность ограничена 100 кВ А и в распределительных сетях они, как правило, не применяются.
При рабочих напряжениях 380 и 6000 В на зажимах электроприемников небольшой мощности 3- 500 кВ А для плавного регулирования напряжения служат индукционные регуляторы или потенциал- регуляторы в виде механически заторможенного асинхронного двигателя.
Кроме того, существуют бесконтактные автоматические регуляторы напряжения (АРН), в которых напряжение регулируется в сторону ограничения повышения или с регулированием вверх и вниз от номинала. Их достоинства состоят в высоком КПД и надежности работы бесконтактных элементов. В случае исполнения АРН на тиристорной основе добавляется недостаток- генерирование в сеть высших гармоник большой величины.
Отсюда видно, что при дефиците реактивной мощности и падении напряжения на удаленном участке реактивная мощность, вырабатываемая батареей статических конденсаторов (БСК), упадет на величину (AU%)2. Это может создать аварийноопасную ситуацию. Таким образом, это свойство БСК безусловно является недостатком. По схемам включения БСК могут быть соединены в «звезду» или «треугольник», причем в последнем случае реактивная мощность, отдаваемая БСК, в 3 раза больше при тех же емкостях. Кроме того, некоторые секции конденсаторов по мере надобности могут быть отключены, осуществляя тем самым ступенчатое регулирование.
Промышленное применение теории нечетких множеств
Важным понятием в нечеткой логике является понятие нечеткого предложения {fuzzy proposition), которое определяется как высказывание типа "р: х есть А". Здесь символ "х" обозначает некоторую физическую величину (параметр), например температуру, давление, скорость. Символ "А" обозначает лингвистическую переменную, ассоциируемую с нечетким множеством, а символ "р" является аббревиатурой proposition - предложение. Примером такого предложения может быть высказывание "уровень воды есть высокий". Физической переменной "х" здесь является "уровень воды", нечеткое множество "А" характеризуется лингвистической переменной "высокий" и задается с помощью функции принадлежности ЦА(Х) В виде множества пар, состоящих из элементов универсального множества "LY" и соответствующих им уровней принадлежности множеству "А".
Нечеткие предложения комбинируются между собой связками "И", "ИЛИ" которые реализуются посредством Т- и S- норм соответственно, не имеющих избыточности.
Предложение "/?", кроме того, может быть представлено как нечеткое отношение "Р" с функцией принадлежности:
При разработке алгоритмов нечетких систем управления в виде базы правил обязательным этапом анализа алгоритма является проверка соответствующей базы правил на непрерывность, непротиворечивость и полноту [38], затем можно приступать к машинной реализации алгоритма управления.
В теории нечетких множеств рассматривается также операция композиции нечетких отношений, которая в символической форме для двумерного нечеткого отношения определяется в виде: А - заданное одномерное нечеткое множество в А} с функцией принадлежности ЦАІ(ХІ)\ Б - нечеткое множество в А2 с функцией принадлежности, подлежащей определению; - символ композиции. Для согласования размерностей пространств при выполнении этой операции используются две вспомогательные операции: проектирование (proj) и цилиндрическое расширение (cext). Для двухмерного случая операция проектирования нечеткого отношения с R, которое является подмножеством A=AjxA2 (RcA). Проекция (2.73)
Пример техники цилиндрического расширения показан на рис.2.23. Цилиндрическое расширение R нечеткого множества А, R=cext(A;AixA2) С учетом операций проектирования и цилиндрического расширения операция композиции по (2.72), в результате которой получается нечеткое множество В, определяется в виде: В = proj(R n cext(A; Д х А2);А2), (2.76) где операция п задается в виде Т— нормы. В качестве Т - нормы в операции композиции используется логическое произведение по Заде, описанное ранее. В результате этого функция принадлежности Цв( 2) нечеткого множества В, определяемого по (2.72), будет равна: /лв(х2) = supr( (x,), ( ,x2)) = sup min( (x1), (x1,x2)) (2.77)
На данном примере рассмотрена композиция нечетких отношений для случая двумерных нечетких множеств, тот же принцип справедлив для других многомерных задач. 2.4.3. Агрегация локальных выводов и дефазификация
Агрегация подразумевает объединение локальных выводов Bh полученных по каждому правилу Rh в один общий вывод В, который характеризует в целом базу правил {/?,-}i=i...k При решении этой задачи возможно несколько подходов.
Первый состоит в получении сначала выводов 5, по каждому правилу, и далее в комбинировании этих выводов по определенным алгоритмам в один общий вывод В.
Второй предполагает сначала комбинирование всех правил /?, и затем получение вывода по этой комбинации, который принимается за общий вывод В базы правил.
Процедура преобразования нечеткого общего вывода В в физическую переменную называется дефазификацией {defuzzyficatiori) и обозначается "dfz". Для ее выполнения существует много различных методов. Далее будут рассмотрены некоторые из них.
За последнее десятилетие произошло значительное удешевление микропроцессоров, микроконтроллеров на их базе и промышленных контроллеров, содержащих микроконтроллер и адаптированных для обслуживающего персонала. Однако остается открытым вопрос решения таких задач, формализация которых является весьма сложной и сопряжена с решением интегро- дифференциальных уравнений (что будет раскрыто далее в главе 3), и при этом не может обеспечить достаточной точности. Как уже было сказано, существует подход к использованию человеческого опыта или послеопытной достоверной информации к управлению объектами, в рассматриваемом контексте - индивидуальными потребителями. Это реализуется при помощи нечеткой логики в структуре управления объектом. Аппарат нечеткологического управления может поддерживаться системой как программно, так и аппаратно, первое значительно предпочтительней, если количество создаваемых устройств управления мало. Имеют место три стадии обработки информации:
Регулирование напряжения электротехнологической установки с использованием нечеткой логики на примере электрической печи
По электрическим характеристикам (ток, coscp) система регулирования напряжения любого алгоритма регулирования должна создавать видимое преимущество по сравнению с вариантом непосредственного подключения асинхронного двигателя в трехфазную сеть переменного тока с частотой 50Гц.
Однако при описанном выше требовании возникает необходимость обеспечения устойчивости работы электродвигателя, что наглядно было представлено на примере программной модели, описанной математически. Отсюда вытекают требования по робастности системы регулирования, которым частично отвечает способ ПИД регулирования, однако при этом заметно теряется скорость реакции системы и для адекватного регулирования требуется математическая характеристика управляемого объекта (двигателя и пр.), что далеко не всегда возможно.
Далее будет рассмотрено создание натурной модели импульсного регулятора напряжения на четкой и нечеткой логике управления, сопоставлены результаты и сделаны выводы. Драйверное управление инверторной схемой на силовых полупроводниках Как известно, большинство схем силовой электроники, работающих в области высоких частот, построено на основе полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) или транзисторов с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor).
Технология полевых транзисторов была впервые предложена в 1930 году. Первые сигнальные полевые транзисторы появились в конце 50-х годов, а силовые полевые транзисторы, практически пригодные для создания силовых импульсных схем, стали доступны к середине 70-х годов. Сегодня полевые транзисторы стали одними из самых распространенных элементов электронной индустрии и входят в состав разнообразных изделий - от микроконтроллеров до силовых интегральных схем. Однако последние требуют наличия дополнительного устройства, управляющего ключевым режимом силового транзистора - драйверной схемы.
Драйверная схема может быть выполнена как в виде отдельной интегральной микросхемы, так и на дискретных радиоэлектронных компонентах. Выбор управляющей драйверной схемы определяется технико-экономическими требованиями и требованиями к скорости коммутации, импульсным токам затвора при переключении [49].
В импульсных источниках питания простейший способ управления силовым полевым транзистором - это использование драйвера, входящего в состав ШИМ - контроллера, как показано на рис.4.2.
Непосредственное управление силовым транзистором Наиболее важным является оптимизация топологии схемы. Так, на рис.4.2 показано включение паразитной индуктивности в случае значительного удаления токоведущих проводников драйвера до силового транзистора. При неудачной топологии схемы заземление будет подключено не к эмиттеру IGBT, а к драйверу. Тогда по длине сигнального "земляного" проводника будет течь силовой ток, что вызовет на нем значительное падение напряжения, что в конечном счете вызывает из-за наличия сдвига фаз в цепи паразитный процесс, называемый "звоном", когда при переключении силовой транзистор начинает хаотично открываться и закрываться со скоростью порядка сотен наносекунд.
Назначение затворного резистора Яз- ограничение затворного тока и скорости переключения силового транзистора в случае IGBT, так как в силу технологических особенностей его исполнения возможно такое негативное явление, как "защелкивание", когда при слишком быстрой коммутации теряется управление, подобно тиристору, а транзистор остается открытым до тех пор, пока ток через цепь эмиттер - коллектор не перейдет через ноль.
Иногда в схемах для ограничения бросков напряжений при переключении силового транзистора применяются так называемые фиксирующие или снабберные цепочки, что позволяет сохранить высокий КПД.
Шунтирующая емкость выбирается соответственно устойчивости драйверной схемы к изменению питающего напряжения и потребляемого драйверной схемой тока.
Для управления силовыми транзисторами в случае больших затворных емкостей или параллельного их включения может быть применена двухтактная схема на биполярных транзисторах, представленная на рис.4.3.
Существенным достоинством данной схемы является работа транзисторов выходного каскада в линейном режиме без захода в "насыщение", что позволяет получить достаточную скорость переключения. Следует отметить, что даже если транзисторы выходного каскада драйвера находятся в непосредственной близости к контроллеру, необходимо применение раздельных шунтирующих конденсаторов фильтра- пробки.
Весьма интересное свойство такого каскада драйвера заключается в том, что транзисторы взаимно защищены от воздействия обратного индуктивного тока. Таким образом, данная схема не нуждается ни в каких защитных диодах Шоттки.
Следует отметить, что все написанное справедливо для двухтактной схемы на полевых транзисторов. Однако из-за наличия так называемого порогового напряжения между затвором и истоком, при достижении которого возникает исток- стоковый ток, двухтактная схема "с общим стоком" собрана быть не может. Пороговое напряжение составляет у разных типов транзисторов от 3 до 6В. Таким образом, при напряжении питании драйвера Vdrv=9B напряжение на затворе силового транзистора будет изменяться от 3 до 6В, чего явно мало. Поэтому двухтактная схема на полевых транзисторах может эффективно функционировать при подключении ее "с общим истоком".
Драйверное управление инверторной схемой на силовых полупроводниках
С учетом вышесказанного электроприемники будут группированы по способу преобразования электроэнергии, а именно, подлежит рассмотрению группа из 2-х электродвигателей - синхронного и асинхронного и статической нагрузки, трех асинхронных двигателей, которые имеют близкие характеристики по сравнению с группированием на узел вместе с двигателями электротехнологических или осветительных установок.
В каждом параграфе рассмотрены в качестве примеров математические модели нечетких регуляторов узлов нагрузки с учетом их динамических характеристик и крупный узел, заданный статическими характеристиками.
В первой группе содержится три асинхронных двигателя, имеющих различные номинальные обороты и различные моменты инерции, а также статическая нагрузка.
Во второй рассматриваемой группе, включенной на общий узел, содержится синхронный, асинхронный двигатель и статическая нагрузка.
Последним рассматривается крупный узел, заданный в виде полинома, описывающего статические характеристики этого узла. Математическое моделирование ввиду отсутствия полных сведений о динамических характеристиках крупного узла нагрузки, и описываемое относительно безынерционного объекта, является задачей регулирования, решаемого вполне успешно без применения нечеткой логики, и потому не приводится.
Выполняя расчеты режимов сложных энергетических систем, особенно расчеты устойчивости, характерны случаи, когда требования к точности результатов вынуждают использовать комплексные расчетные модели нагрузки, а исходная информация о параметрах электроприемников отсутствует.
Статические характеристики P(U) асинхронного привода мощностей асинхронных двигателей различных номинальных мощностей от напряжения. Видно, что значительную роль в определении критического напряжения определяет номинальная мощность двигателя, а точнее - его сопротивление рассеяния. На рис.5.2 представлены графики зависимости реактивных мощностей двигателей различных номинальных мощностей от напряжения. Здесь поперечное сопротивление намагничивания определяет растущее с ростом напряжения слагаемое потребляемой реактивной мощности. Из рис.5.2 видно, что критическое напряжение имеет зависимость от реактивной мощности, обратную параболической, т.е. корень квадратный.
При медленном снижении напряжения в питающей сети (т.е. при снижении ЭДС Е) различные двигатели могут достигать критического состояния при различных значениях Е. При внешнем сопротивлении, равном
186 нулю, статические характеристики по напряжению строятся так же, как и для одного двигателя, мощности, потребляемые всеми двигателями, суммируются (рис.5.1, 5.2) [50].
Построены статические характеристики для четырех двигателей, различающиеся коэффициентами загрузки К=1 и К=0,5 при различных номинальных мощностях при допущении, что внешнее сопротивление равно нулю. При этом cos(рном=0.8...0.85. Напряжения, при которых происходит резкий рост потребляемой реактивной мощности при снижении напряжения узла, являются критическими: при каждом из этих значений происходят опрокидывание соответствующего двигателя, снижение cos ср. При U UKpi и U UKp2 и и икрз и и икр4, когда все двигатели заторможены, суммарная потребляемая мощность равна if.
Наличие внешнего сопротивления и действие защит двигателя могут существенно изменить характеристики, показанные на рис.5.1 и 5.2, и в разных условиях нарушение устойчивости двигателей может давать различные эффекты.
Кроме расчетов статических характеристик, для группы асинхронных двигателей необходим учет возможности эквивалентирования (замену реальных двигателей, содержащихся в исходной, предназначенной для расчетов схеме, меньшим их числом, прийнято называть эквивалентированием двигателей) асинхронной нагрузки по критерию динамической устойчивости.
При расчетах нужно стремиться к тому, чтобы такая замена не влияла на результаты расчета по параметрам U(t), P(t), Q(t).
Исследования принципов эквивалентирования электрических машин показали, что в общем случае выполнить эти требования невозможно, т.е. эквивалентирование является нестрогой операцией.
При эквивалентировании понижается порядок системы дифференциальных уравнений, описывающих расчетную схему, что приводит к изменению решения этих уравнений. Предполагается, что эквивалентный двигатель описывается системой уравнений того же вида, что и реальные двигатели. Такое допущение не обязательно, другие подходы развиты не настолько, чтобы можно было судить о вытекающих из них дополнительных возможностях эквивалентирования асинхронных двигателей. Удобно сохранять для эквивалентного двигателя обычную систему уравнений по многим причинам: например при использовании программ для расчетов токов, напряжений, динамической устойчивости.
Расчеты, в которых используется эквивалентный асинхронный двигатель, могут правильно воспроизводить только некоторые особенности реального процесса, так как эквивалентный двигатель по определению является моделью, т.е. упрощением объекта.
Можно выделить некоторые критерии эквивалентирования [50] асинхронного двигателя: Усреднение параметров при каждом значении скольжения s: Критерий эквивалентности для этих методов может можно сформулировать следующим образом: равенство параметров всей группы исходных двигателей и параметров эквивалента при одинаковых скольжениях (суммарный асинхронный момент, реактивная мощность). Эти методы эквивалентирования основаны на допущении, что в переходном процессе скольжения исходных двигателей остаются одинаковыми в одни и те же моменты времени.
Совпадение переходных процессов. При этом суммарные мощности, потребляемые из сети в каждый моментов времени исходной группой асинхронных двигателей, были равны эквивалентным активным и реактивным мощностям. Достичь этого можно следующим образом - для исходной группы фиксируется суммарная нагрузка по рассчитанному переходному процессу:
Затем при той же схеме и при тех же возмущениях, но после замены группы асинхронных двигателей одной эквивалентной машиной повторяется расчет, причем параметры введенного двигателя подбираются так, чтобы получить ту же зависимость (5.1). При подборе параметров эквивалента минимизируется среднеквадратическая ошибка в интервале времени 0 t T:
