Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Кондиционер качества электроэнергии как электротехнический комплекс .
1.1. Структура кондиционера качества электрической энергии 11
1.2. Современные технические решения регуляторов переменного напряжения. 14
1.2.1. Регуляторы с фазовым способом управления и естественной коммутацией. 14
1.2.2. Регуляторы по принципу вольтдобавки 16
1.2.3. Регуляторы с широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения . 18
ГЛАВА 2. Анализ базовых схем повышающе-понижающих регуляторов переменного напряжения .
2.1. Принцип построения силовых схем регуляторов 20
2.2. Повышающий регулятор : 21
2.2.1. Анализ по первой гармонике 22
2.2.2. Анализ по высшим гармоникам 34
2.2.3. Понижение выходного напряжения в повышающем.регуляторе.
2.3. Повышающе-понижающий регулятор с прерывистым входным током.
2.3.1. Анализ по первой гармонике 44
2.3.2. Анализ по высшим гармоникам 51
2.4. Повышающе-понижающий регулятор с непрерывным входным током. 58
2.4.1. Анализ по первой гармонике 58
2.4.2. Анализ по высшим гармоникам 65
2.5. Оценка погрешности используемых расчётных методов 74
ГЛАВА 3. Анализ усложнённых схем повышающе понижающих регуляторов переменного напряжения .
3.1. Модернизированный повышающе-понижающий регулятор с непрерывным входным током. 83
3.1.1. Анализ по первой гармонике 83
3.1.2. Анализ по высшим гармоникам 89
3.2. Повышающе-понижающий регулятор на основе схемы Кука 100
3.2.1. Анализ по первой гармонике 100
3.2.2. Анализ по высшим гармоникам 106
3.3. Повышающе-понижающий регулятор на основе схемы Сепика 113
3.3.1. Анализ по первой гармонике 114
3.3.2. Анализ по высшим гармоникам 115
3.4. Сравнительный анализ исследованных схем. 121
ГЛАВА 4. Анализ трёхфазных схем 128
4.1. Анализ трёхфазной схемы с нейтралью в несимметричном режиме. 129
4.2. Анализ трёхфазной схемы без нейтрали в несимметричном режиме . 133
ГЛАВА 5. Режим рекуперации. параллельная работа 143
5.1. Режим рекуперации энергии в сеть 143
5.2. Параллельная работа однотипных регуляторов 150
5.2.1. Анализ по первой гармонике 151
5.2.2. Анализ по высшим гармоникам 156
5.3. Рекуперация при параллельной работе регуляторов 171
5.4. Нелинейная нагрузка. Гальваническая развязка от сети 177
5.4.1. Работа регулятора на нелинейную нагрузку 177
5.4.2. Гальваническая развязка с питающей сетью 180
ГЛАВА 6. Стабилизатор переменного напряжения и кондиционер качества электрической энергии. результаты экспериментов . 183
6.1. Стабилизатор переменного напряжения на основе новой силовой схемы. 183
6.2. Кондиционер качества электрической энергии на основе новой силовой схемы.
6.3. Рекомендации по проектированию кондиционера качества электроэнергии. 190
6.3.1. Силовая схема регулятора 190
6.3.2. Система управления 192
6.4. Экспериментальный образец стабилизатора переменного напряжения . 193
Заключение 197
Список использованной литературы 200
Приложения 208
- Регуляторы с широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения
- Оценка погрешности используемых расчётных методов
- Анализ трёхфазной схемы без нейтрали в несимметричном режиме
- Экспериментальный образец стабилизатора переменного напряжения
Введение к работе
Проблема качества переменного напряжения является актуальной на ce
lt годняшний день. Имеется большой класс электронного оборудования (научное,
медицинское, коммуникационное, вычислительное, бытовая техника и др.), ко
торое является весьма чувствительным к качеству питающего переменного на
пряжения. Использование кондиционеров качества переменного напряжения
может решить такие проблемы как снижение напряжения, кратковременные
провалы в кривой сетевого напряжения, кратковременные или длительные пе
ренапряжения, импульсные и высокочастотные помехи, несимметрия в много
фазных системах, а также искажение формы напряжения сети [1].
На сегодняшний день используются кондиционеры качества электриче
ской энергии с несколькими типами вентильных преобразователей. Схемы с
фазовым регулированием выходного напряжения характеризуются наличием
. мощного силового трансформатора или автотрансформатора (соответственно
характеризуются плохими массо-габаритными показателями [2]), низким качеством входной и выходной энергии из-за регулирования на низкой частоте (хотя в узком диапазоне выходного напряжения они способны обеспечить доста-точно высокое качество входной и выходной энергии). Схемы с высокочастотным широтно-импульсным регулированием (ШИР) выходного напряжения и с вольтдобавкой, а также их комбинации, характеризуются уже лучшими массо-габаритными показателями и хорошим качеством входной и выходной энергии. Однако они содержат силовой трансформатор и имеют недостатки. Это либо невысокий коэффициент преобразования по напряжению (в случае использования трансформатора небольшой мощности по сравнению с выходной), либо высокий коэффициент преобразования по напряжению, но при этом высокие массо-габаритные показатели, сравнимые с показателями схем с фазовым регулированием (в этом случае используется трансформатор, мощность которого соизмерима с мощностью нагрузки) [3-5].
Таким образом, весьма важной и интересной представляется задача соз-
дания и исследования новых схем, которые потенциально могут быть использованы в качестве силовых схем кондиционеров качества переменного напряжения и при этом иметь лучшие массо-габаритные, энергетические показатели и показатели качества входной и выходной энергии, чем существующие на сегодня силовые схемы. Автором предлагается путь решения данной задачи — использование в кондиционерах качества переменного напряжения схем нового типа - бестрансформаторных повышающе-понижающих регуляторов переменного напряжения. Такие регуляторы получаются из схем регуляторов постоянного напряжения заменой ключей для постоянного тока на ключи с двухсторонней проводимостью. Принцип их работы аналогичен принципу работы регуляторов постоянного напряжения с широтно-импульсным регулированием и заключается в высокочастотном обмене энергией между накопительным реактором (реакторами) и конденсатором (конденсаторами) [6]. Новые регуляторы переменного напряжения позволяют получать на выходе напряжение первой гармоники как меньше входного по амплитуде, так и больше, без использования трансформатора на частоте первой гармоники. За счёт использования высокочастотного (ВЧ) обмена энергией между накопительными элементами новые регуляторы характеризуются низкими коэффициентами гармоник входного тока и выходного напряжения (то есть высоким качеством входной и выходной энергии). Отсутствие силового трансформатора при прочих равных условиях существенно улучшает массо-габаритные показатели новых схем регуляторов по сравнению с существующими техническими решениями, такими как регуляторы с фазовым способом регулирования, регуляторы с вольтдобавкой, понижающие регуляторы с ШИР, а также их комбинациями.
Кондиционеры качества переменного напряженияна основе новых регуляторов предназначены, в первую очередь, для питания ответственных электропотребителей, требующих высококачественного стабильного или регулируемого переменного напряжения, причём как в однофазном, так и в многофазном вариантах (однофазный или многофазный кондиционер качества электрической энергии). В первую очередь рационально применять их в «слабых», в
том числе сельских, автономных и сильно нагруженных сетях. Использование кондиционеров качества в принципе возможно не только для конечных потребителей, но и в узлах электрических сетей. Диапазон мощностей, в котором могут быть использованы новые регуляторы, в принципе не ограничен и определяется имеющейся элементной базой. Этот диапазон может быть расширен последовательным или параллельным включением нескольких регуляторов, как это делается на постоянном напряжении [6-9].
Учитывая всё вышеизложенное, можно сделать вывод, что актуальной является задача анализа новых схем регуляторов переменного напряжения на предмет выявления их свойств, которые, в силу переменности входного напряжения, должны отличаться от свойств аналогичных схем при постоянном входном напряжении. Кроме того, важной является задача сравнительного анализа подобных схем. Данная работа посвящена исследованию и сравнительному анализу нескольких схем ШИ-регуляторов переменного напряжения, созданных на основе достаточно широко известных схем регуляторов постоянного напряжения, которые представляют интерес именно в силу своей универсальности и простоты.
Целью диссертационной работы является разработка схем регуляторов переменного напряжения с оптимальными энергетическими и массо-габаритными показателями.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
Разработка схем регуляторов и математической модели для анализа их характеристик.
Анализ характеристик схем (регулировочная и внешняя характеристики, коэффициент полезного действия (КПД), входной коэффициент мощности, фазовый сдвиг тока и напряжения на входе, суммарная установленная мощность реактивных элементов, коэффициенты гармоник входного тока и выходного напряжения).
Исследование режима рекуперации энергии в сеть.
Исследование параллельной работы силовых схем.
Выработка рекомендаций для проектирования силовой схемы регулятора переменного напряжения нового типа, исследование на модели однофазного кондиционера качества переменного напряжения и выработка рекомендаций по построению его системы управления.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались прямые методы анализа энергетических показателей вентильных преобразователей, аппарат рядов Фурье, элементы линейной алгебры. Достоверность полученных результатов проверялась математическим и физическим моделированием.
Достоверность результатов исследований. Сформулированные в диссертации подходы к решению поставленной задачи и выводы обоснованы теоретическими выкладками, проверены с помощью математического и физического моделирования и дали адекватные результаты.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
Предложены новые схемы регуляторов переменного напряжения (получено свидетельство на полезную модель и патент РФ).
Получены аналитические выражения для режима генерирования, позволяющие проводить анализ характеристик схем регуляторов в однофазном и трёхфазном варианте по первой и высшим гармоникам при любых параметрах силовых схем и нагрузки.
Получены аналитические выражения для режима рекуперации и режима параллельной работы новых регуляторов.
Практическая ценность работы.
Создан инструмент, позволяющий проводить анализ и сравнение различных вариантов однофазных и трёхфазных схем новых бестрансформаторных регуляторов переменного напряжения.
Предложены рекомендации по инженерному проектированию силовой схемы однофазного регулятора и по построению системы управления силовой схемой в составе кондиционера качества электрической энергии.
3. На основе аналитических расчётов даны рекомендации по управлению
силовой частью трёхфазного кондиционера качества при парировании ампли
тудной и фазовой несимметрии входного напряжения.
, Практические результаты работы нашли отражение в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете (Hi "ГУ) в виде главы учебника и учебно-справочного пособия по курсу "Силовая электроника". Результаты работы переданы в ОАО "НЗХК" и в ЗАО "НОЭМА", г. Новосибирск, с целью создания опытных образцов кондиционеров качества электрической энергии на основе новых силовых схем. На защиту выносятся:
Принципы построения новых силовых схем регуляторов переменного напряжения в однофазном и многофазном вариантах.
Методика расчёта токов и напряжений в новых силовых схемах по первой гармонике, методика определения гармонического состава входного тока и выходного напряжения силовых схем.
3 Результаты анализа характеристик схем с оптимизацией работы силовой схемы по рассчитанным показателям (регулировочная и внешняя характеристики, КПД, входной коэффициент мощности, фазовый сдвиг тока и напряжения на входе, суммарная установленная мощность реактивных элементов, коэффициенты гармоник входного тока и выходного напряжения).
4. Результаты моделирования кондиционера качества электрической
энергии на основе новой силовой схемы и рекомендации по созданию системы
управления для такого устройства.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции ЕРЕ-РЕМС '2000, Словацкая Республика, Кошице, 2000 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы современной электротехники», Киев, 2000 г.; Международной научно-технической конференции KORUS-2000, Корея, 2000 г.; 5-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборо-
строения» АПЭП-2000, Новосибирск, 2000 г.; Международной научно-технической конференции KORUS-2003, Корея, 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность», Крым, 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы». — Томск, 2003. Результаты работы использованы при выполнении научно-исследовательской работы (НИР) в рамках научно-технической программы МО РФ «Научные исследования высшей школы в области транспорта» по теме «Перспективные бортовые системы генерирования электрической энергии для летательных аппаратов. Этап 2. Автономная и параллельная работа» [10].
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, а также получен патент РФ на изобретение и свидетельство на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, содержит 207 страниц основного текста, 128 иллюстраций, 13 таблиц, 57 наименований использованной литературы, 4 страницы приложений.
»
Регуляторы с широтно-импульсными способами регулирования переменного напряжения
На сегодняшний день используются кондиционеры качества электриче ской энергии с несколькими типами вентильных преобразователей. Схемы с фазовым регулированием выходного напряжения характеризуются наличием . мощного силового трансформатора или автотрансформатора (соответственно характеризуются плохими массо-габаритными показателями [2]), низким качеством входной и выходной энергии из-за регулирования на низкой частоте (хотя в узком диапазоне выходного напряжения они способны обеспечить доста-точно высокое качество входной и выходной энергии). Схемы с высокочастотным широтно-импульсным регулированием (ШИР) выходного напряжения и с вольтдобавкой, а также их комбинации, характеризуются уже лучшими массо-габаритными показателями и хорошим качеством входной и выходной энергии. Однако они содержат силовой трансформатор и имеют недостатки. Это либо невысокий коэффициент преобразования по напряжению (в случае использования трансформатора небольшой мощности по сравнению с выходной), либо высокий коэффициент преобразования по напряжению, но при этом высокие массо-габаритные показатели, сравнимые с показателями схем с фазовым регулированием (в этом случае используется трансформатор, мощность которого соизмерима с мощностью нагрузки) [3-5].
Таким образом, весьма важной и интересной представляется задача создания и исследования новых схем, которые потенциально могут быть использованы в качестве силовых схем кондиционеров качества переменного напряжения и при этом иметь лучшие массо-габаритные, энергетические показатели и показатели качества входной и выходной энергии, чем существующие на сегодня силовые схемы. Автором предлагается путь решения данной задачи — использование в кондиционерах качества переменного напряжения схем нового типа - бестрансформаторных повышающе-понижающих регуляторов переменного напряжения. Такие регуляторы получаются из схем регуляторов постоянного напряжения заменой ключей для постоянного тока на ключи с двухсторонней проводимостью. Принцип их работы аналогичен принципу работы регуляторов постоянного напряжения с широтно-импульсным регулированием и заключается в высокочастотном обмене энергией между накопительным реактором (реакторами) и конденсатором (конденсаторами) [6]. Новые регуляторы переменного напряжения позволяют получать на выходе напряжение первой гармоники как меньше входного по амплитуде, так и больше, без использования трансформатора на частоте первой гармоники. За счёт использования высокочастотного (ВЧ) обмена энергией между накопительными элементами новые регуляторы характеризуются низкими коэффициентами гармоник входного тока и выходного напряжения (то есть высоким качеством входной и выходной энергии). Отсутствие силового трансформатора при прочих равных условиях существенно улучшает массо-габаритные показатели новых схем регуляторов по сравнению с существующими техническими решениями, такими как регуляторы с фазовым способом регулирования, регуляторы с вольтдобавкой, понижающие регуляторы с ШИР, а также их комбинациями.
Кондиционеры качества переменного напряженияна основе новых регуляторов предназначены, в первую очередь, для питания ответственных электропотребителей, требующих высококачественного стабильного или регулируемого переменного напряжения, причём как в однофазном, так и в многофазном вариантах (однофазный или многофазный кондиционер качества электрической энергии). В первую очередь рационально применять их в «слабых», в том числе сельских, автономных и сильно нагруженных сетях. Использование кондиционеров качества в принципе возможно не только для конечных потребителей, но и в узлах электрических сетей. Диапазон мощностей, в котором могут быть использованы новые регуляторы, в принципе не ограничен и определяется имеющейся элементной базой. Этот диапазон может быть расширен последовательным или параллельным включением нескольких регуляторов, как это делается на постоянном напряжении [6-9].
Учитывая всё вышеизложенное, можно сделать вывод, что актуальной является задача анализа новых схем регуляторов переменного напряжения на предмет выявления их свойств, которые, в силу переменности входного напряжения, должны отличаться от свойств аналогичных схем при постоянном входном напряжении. Кроме того, важной является задача сравнительного анализа подобных схем. Данная работа посвящена исследованию и сравнительному анализу нескольких схем ШИ-регуляторов переменного напряжения, созданных на основе достаточно широко известных схем регуляторов постоянного напряжения, которые представляют интерес именно в силу своей универсальности и простоты.
Целью диссертационной работы является разработка схем регуляторов переменного напряжения с оптимальными энергетическими и массо-габаритными показателями. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: — Разработка схем регуляторов и математической модели для анализа их характеристик. — Анализ характеристик схем (регулировочная и внешняя характеристики, коэффициент полезного действия (КПД), входной коэффициент мощности, фазовый сдвиг тока и напряжения на входе, суммарная установленная мощность реактивных элементов, коэффициенты гармоник входного тока и выходного напряжения). — Исследование режима рекуперации энергии в сеть. — Исследование параллельной работы силовых схем. — Выработка рекомендаций для проектирования силовой схемы регулятора переменного напряжения нового типа, исследование на модели однофазного кондиционера качества переменного напряжения и выработка рекомендаций по построению его системы управления. Методы исследования. При решении поставленных задач использовались прямые методы анализа энергетических показателей вентильных преобразователей, аппарат рядов Фурье, элементы линейной алгебры. Достоверность полученных результатов проверялась математическим и физическим моделированием.
Оценка погрешности используемых расчётных методов
По представленному материалу можно сделать следующее заключение: 1. Пульсации тока в реакторе L действительно имеют форму, близкую к принятой нами треугольной. Гармонический состав тока в реакторе слабо зависит от неучтённых активных потерь в схеме и практически определяется только индуктивностью накопительного реактора L. Такой же вывод можно сделать относительно пульсаций токов в реакторах в других схемах. 2. Форма пульсаций напряжения на накопительном конденсаторе С может существенно отличаться от принятой треугольной формы. Это объясняется тем, что в накопительном конденсаторе С интегрируются пульсации тока в L, имеющие практически линейный характер. Соответственно пульсации напряжения на С являются параболическими. При малых и средних нагрузках (XX, номинальный режи) этим можно пренебречь в диапазоне Fl 0,7. При Fl 0,7 во всех режимах, а также при перегрузке схемы характер пульсаций становится существенно нелинейным и погрешность расчёта возрастает. 3. Границей применимости методики анализа по высшим гармоникам является момент, когда пульсации в любом реактивном элементе силовой схемы становятся знакопеременными. 4. Рассмотренные схемы регуляторов выгодно применять с максимально возможной частотой коммутации (для мощных ЮВТ-транзисторов на сегодня это около 10 кГц, для MOSFET-транзисторов это десятки килогерц). Это снижает требования к фильтрующим элементам, снижает установленную мощность реактивных элементов. Благодаря высокой частоте коммутации повышается точность анализа силовых схем. Исследованные схемы показали достаточно интересные результаты: 1. Возможность плавного понижения и повышения выходного напряжения по отношению к входному без использования силового трансформатора. 2. Возможность получения низких значений коэффициентов гармоник выходного напряжения и входного тока (порядка единиц процентов). 3. Малая суммарная установленная мощность реактивных элементов по отношению к мощности в нагрузке в номинальном режиме (S =0,15...0,25) при достаточно высоком коэффициенте преобразования по напряжению (до 1,5). 4. Фазовый сдвиг первой гармоники напряжения и тока на входе силовой схемы практически равен сдвигу тока и напряжения в нагрузке, разница составляет несколько процентов. 5. Выявлено наличие области оптимальной работы для силовой схемы, в которой в номинальном режиме одновременно обеспечиваются все перечисленные выше свойства. Результаты сравнения трёх исследованных базовых схем при использовании их в качестве стабилизаторов выходного напряжения приведены в таблице 2.5. Цифрами от 1 до 3 обозначены места, занятые схемами по каждому из рассмотренных показателей. Параметры схем при сравнении: частота- коммутации 20 кГц, ЬФ=1 мГн, СФ=5 мкФ, Li=L=l мГн, Ci=C=25 мкФ, cos J H=0,9, Рн=4.62 кВт (Z =30) при 220 В на нагрузке, входной источник 220 В, 50 Гц. Показатели в таблице: Регулир. - регулировочные характеристики. Внешн. - внешние характеристики. Вх. Кос. - Косинус фазового сдвига первой гармоники тока и напряжения на входе. Уст. Мощн. - относительная (к полной мощности нагрузки) суммарная установленная мощность реактивных элементов. Кач-во входа — коэффициент гармоник входного тока. Кач-во выхода - коэффициент гармоник выходного напряжения. Коэфф. мощн. - входной коэффициент мощности. Прерыв. Входн. Ток - регулятор с прерывистым входным током, раздел 2.3; Непрер. Входн. Ток - регулятор с непрерывным входным током, раздел 2.4. , Повышающий регулятор является оптимальным для применения там, где входное напряжение стабилизатора будет в большинстве случаев пониженным (например, «слабые», сельские сети). Он может понижать входное напряжение при переходе к фазовому способу управления, как это описано в разделе 2.2.3. Данный режим, в силу существенного ухудшения коэффициентов гармоник входного тока и выходного напряжения, лучше не использовать или использовать кратковременно.
Из двух рассмотренных повышающе-понижающих схем регулятор с прерывистым входным током отличается худшими показателями по первой гармонике. Однако эта схема характеризуется существенно лучшим качеством входного тока, чем повышающе-понижающии регулятор с непрерывным входным током. Можно предположить, что использование дополнительного силового фильтра на входе регулятора с непрерывным входным током уравняет показатели этих схем по первой и высшим гармоникам. Таким образом, вопрос о преимуществе той или другой схемы должен решаться, исходя из каких-то дополнительных соображений.
Анализ трёхфазной схемы без нейтрали в несимметричном режиме
Ток генератора 1г отстаёт от напряжения Ur, падение напряжения внутри генератора IpZr на векторной диаграмме поворачивается по часовой стрелке, в результате чего уменьшается напряжение Ur, при номинальном токе генератора оно становится меньше 220 В. Таким образом создается ситуация, когда номинальный ток генератора передаётся во входной источник е без изменений, а напряжение генератора становится меньше 220 В, напряжение же входного источника е равно 220 В. Соответственно, мощность генератора оказывается меньше мощности, отдаваемой во входной источник. регулирования и от фазового сдвига ЭДС генератора и ЭДС сети.
На рис. 5.6а приведена зависимость суммарной относительной установленной мощности реактивных элементов схемы на рис. 5.1 от значения Fi и от фазового сдвига ЭДС генератора ег и ЭДС входного источника е. Установленная мощность реактивных элементов отнесена к мощности, отбираемой от генератора. Зависимости построены для номинальной мощности генератора 3-7 кВ А с шагом 1 кВА, при этом ЭДС ег сдвинута на 15 электрических градусов назад относительно положения в противофазе со входным источником е,мощность генератора составляет 5 кВА, Rr=0,484 ом, Lr=5,97 мГн, ЭДС генератора 234,9 В. Отбираемая от генератора мощность составляет 6,05 кВА и 4,96 кВА при Fl =0,4 и 0,45 соответственно.
На рис. 5.5а показана зависимость мощности, отдаваемой в источник е (сплошная линия), а также отбираемой от генератора (пунктирная линия), от значения Fj и от фазового сдвига ЭДС генератора ег и ЭДС входного, источника е. На рис. 5.5а зависимости построены для номинальной мощности генерато мощность, ра 3 и 5 кВА, при этом ЭДС ег сдвинута на 15 электрических градусов назад относительно положения в противофазе со входным источником е, которое принято за 0 электрических градусов. Отбираемая от генератора мощность составляла соответственно 3,38 и 4,96 кВА при Fl =0,45. На рис. 5.56 задано Fi =0,4 и 0,45, при этом номинальная мощность генератора составляет 5 кВА, Rr=0,484 ом, Lr=5,97 мГн, ЭДС генератора 234,9 В. Отбираемая от генератора мощность составляет 6,05 кВА и 4,96 кВА при Fl =0,4 и 0,45 соответственно.
На рис. 5.5 имеются области, где мощность, отбираемая от генератора, меньше мощности, отдаваемой во входной источник е. Данное явление объясняется отсутствием внутреннего сопротивления во входном источнике е, то есть это просто особенность использованной модели. При работе генератора в схеме на рис. 5.1 нагрузка генератора становится активно-индуктивной. Ток генератора 1г отстаёт от напряжения Ur, падение напряжения внутри генератора IpZr на векторной диаграмме поворачивается по часовой стрелке, в результате чего уменьшается напряжение Ur, при номинальном токе генератора оно становится меньше 220 В. Таким образом создается ситуация, когда номинальный ток генератора передаётся во входной источник е без изменений, а напряжение генератора становится меньше 220 В, напряжение же входного источника е равно 220 В. Соответственно, мощность генератора оказывается меньше мощности, отдаваемой во входной источник.
На рис. 5.6а приведена зависимость суммарной относительной установленной мощности реактивных элементов схемы на рис. 5.1 от значения Fi и от фазового сдвига ЭДС генератора ег и ЭДС входного источника е. Установленная мощность реактивных элементов отнесена к мощности, отбираемой от генератора. Зависимости построены для номинальной мощности генератора 3-7 кВ А с шагом 1 кВА, при этом ЭДС ег сдвинута на 15 электрических градусов назад относительно положения в противофазе со входным источником е, которое принято за 0 электрических градусов. Отбираемая от генератора мощность составила соответственно 3,38, 4,22, 4,96, 5,62 и 6,22 кВА при Fl =0,45. На рис. 5.66 номинальная мощность генератора составляет 5 кВА, Rr=0,484 ом, Lr=5,97 мГн, ЭДС генератора 234,9 В. Отбираемая от генератора мощность составляла 7,10, 7,16, 6,82, 6,05 и 4,96 кВА при изменении F1 от 0,25 до 0,45 и для сдвига -15 электрических градусов. Выброс в характеристике суммарной относительной установленной мощности реактивных элементов на рис. 5.66 в районе нулевого сдвига ег относительно е и при Fl 0,35 объясняется тем, что с ростом F1 падает мощность, отбираемая от генератора. При этом установленная мощность элементов также снижается, но в меньшей степени.
Соотношения для высших гармоник в силовой схеме при рекуперации, в напряжение и ток в источнике е принципе, аналогичны приведённым в разделе 2.4 характеристикам для повышающе-понижающего регулятора с непрерывным входным током в режиме генерации. Количественные отличия могут быть проанализированы по описанной в разделе 2.4.2 методике.
Экспериментальный образец стабилизатора переменного напряжения
Рекомендации по проектированию представляют собой итерационный процесс задания параметров силовой схемы, выяснения её возможностей с заданными параметрами и коррекции этих параметров в нужную разработчику сторону. Можно рассмотреть это на примере. Приводимый пример далеко не исчерпывает возможностей по проектированию схем регуляторов. В принципе возможны и какие-то другие подходы и методики. Рассмотрим проектирование силовой схемы регулятора на основе схемы Кука для следующих параметров задания: диапазон входного напряжения 160-290 В; выходное напряжение 220 В; параллельная RL-нагрузка активной мощностью 10 кВт с косинусом 0,9; коэффициент гармоник входного тока 40 %; коэффициент гармоник выходного напряжения 2 %; частота коммутации 10 кГц.
Значение индуктивности накопительного реактора L1 задаём, исходя из наиболее оптимального для схемы режима Z =30...40, выбирая значение Z =30. Z — отношение сопротивления нагрузки к сопротивлению накопительного реактора на частоте первой гармоники входного напряжения. Полное сопротивление нагрузки составляет в номинальном режиме Z=4,149 ом с учётом добавки в 5 % к выходной мощности на потери в схеме, отсюда L 1=0,44 мГн.
Оптимальным диапазоном по Fi для схемы в режиме стабилизации выхода является Fi =0,4...0,6 при Z =30, в этом случае имеем минимум суммарной установленной мощности реактивных элементов и наилучший косинус фазового сдвига тока и напряжения на входе схемы.
По регулировочной характеристике проверяем, обеспечивает ли схема требуемое выходное напряжение при указанных колебаниях входах учётом введённых 5 % потерь. Можем также сразу оценить диапазон значений Fi , в котором схема будет работать, обеспечивая требуемые выходные параметры по первой гармонике. При этом сразу необходимо задать какие-то значения для остальных параметров силовой схемы (L2, С1, С2). Задать L2 и С2 можно, например, исходя из того, что они выполняют в основном функции выходного фильтра нижних частот. Частота среза фильтра или резонансная частота контура L2C2 должна быть ниже частоты пульсаций (например, 5 кГц при частоте коммутации 10 кГц). Начальное значение ёмкости конденсатора можно задать равным, например, С2=20 мкФ. Отсюда L2=0,051 мГн. Значение ёмкости конденсатора С1 можно взять равным С2, то есть С 1=20 мкФ. Вообще ёмкость С1 может быть определена, исходя из допустимых пульсаций на конденсаторе С1 при его заряде постоянным током с амплитудой, равной току реактора L1, на интервале F 1=1.
Проверка суммарной установленной мощности накопительных элементов по отношению к мощности в нагрузке даёт значение 0,09 в точке Fi =0,6. Входной косинус составляет 0,91 для Fi =0,6 и имеет индуктивный характер.
Коэффициент гармоник выходного напряжения в точке Fi =0,4 (наиболее тяжёлый случай в диапазоне Fi =0,4...0,6) составляет 35 % в номинальном режиме. То есть значения С2 и L2 нуждаются в коррекции. Корректируем их: С2=50 мкФ, L2=0,044 мГн — для удобства задаём индуктивности реакторов в схеме равными.
Проверка показала, что схема с новыми параметрами обеспечивает требуемое выходное напряжение по первой гармонике при указанных колебаниях входного напряжения. Суммарная установленная мощность накопительных элементов по отношению к мощности в нагрузке составляет 0,138 для Fj =0,4 (наиболее тяжёлый случай в диапазоне Fi =0,4...0,6 для Z =30). Входной косинус схемы с новыми параметрами составляет,0,916 для Fi =0,6 и имеет индуктивный характер. Коэффициент гармоник выходного напряжения в точке Fi =0,4 (наиболее тяжёлый случай в диапазоне Fi =0,4...0,6) составляет 1,27 % в номинальном режиме. Коэффициент гармоник входного тока в точке Fi =0,4 (наиболее тяжёлый случай в диапазоне Fi =0,4...0,6) составляет 28 % в номинальном режиме. То есть мы получили желаемые расчётные характеристики схемы, при этом параметры силовой схемы следующие: диапазон входного напряжения 160-290 В; выходное напряжение 220 В; параллельная RL-нагрузка активной мощностью 10 кВт с косинусом 0,9; коэффициент гармоник входного тока 28 %; коэффициент гармоник выходного напряжения 1,27 %; частота коммутации 10 кГц; потери в силовой схеме заданы на уровне 5 % от выходной мощности. Проверка работы схемы на модели в номинальном режиме показала, что рассчитанные параметры соответствуют смоделированной работе схемы в номинальном режиме. В качестве рекомендаций для создания системы управления можно сказать следующее: 1. Построение системы управления, замкнутой по мгновенному значению выходного напряжения, осложняется существенно нелинейным характером си ловой схемы регулятора как объекта управления. Данный вопрос требует до полнительных исследований. 2. Возможно управление силовой схемой не непрерывным сигналом ошибки, как в модели кондиционера качества на рис. 6.6, а проинтегрированным дискретным сигналом ошибки с дискретизацией по уровню или по времени. Данный подход иллюстрируется временными диаграммами работы стабилизатора переменного напряжения, рассмотренного в разделе 6.1. Как показало моделирование, длительность таких интервалов может быть задана на уровне 0,25 мс в номинальном режиме, что существенно повысит быстродействие системы по сравнению с описанной в разделе 6.1. 3. Представляет интерес возможность применять для управления исследованными в работе регуляторами переменного напряжения наработки в области аналогичных регуляторов постоянного напряжения., включая и методики анализа силовых схем как объектов управления.
