Электротехнический комплекс с фотоэлектрическими модулями и ступенчато-модулированным инвертором с улучшенными техническими характеристиками Белов Антон Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор состояния вопроса и постановка задач исследования 19

1.1 Солнечная энергетика как перспективное направление производства электроэнергии в Российской Федерации и мире. Применение ЭТК с МФЭП для электропитания автономных объектов 19

1.2 Классификация инверторов ЭТК и способов формирования выходного напряжения. ШИМ и СМ инверторы: достоинства и недостатки 21

1.3 Анализ массо-энергетических характеристик современных инверторов ЭТК, преобразующих электроэнергию от МФЭП 26

1.4 Состояние вопроса в части стабилизации выходного напряжения СМ-инверторов ЭТК при работе от МФЭП 28

1.5 Выбор параметров ступенчатых кривых и СМ-инвертора ЭТК для исследования 30

1.6 Постановка научных задач исследования 34

Выводы главы 35

2 Исследование ступенчатых кривых. Определение промежутков стабилизации напряжения при расширении центральной ступени 37

2.1 Выбор ступенчатых кривых для исследования с различным количеством и расположением ступеней напряжения 37

2.2 Разработка методики исследования ступенчатых кривых 46

2.3 Исследование ступенчатых кривых. Определение промежутков стабилизации напряжения ступенчатых кривых при расширении центральной ступени и включении дополнительного четвертого источника МФЭП з

2.4 Уточненное исследование СК7 и определение промежутков стабилизации выходного напряжения при расширении центральной ступени. Окончательный выбор ступенчатой кривой для формирования и стабилизации выходного напряжения СМ-инвертора ЭТК 55

Выводы главы 60

3 Разработка принципиальной схемы и имитационной модели электротехнического комплекса на основе СМ-инвертора. Исследование энергетических и массогабаритных характеристик, исследование переходных процессов 63

3.1 Разработка имитационной модели электротехнического комплекса 63

3.2 Исследование энергетических и массогабаритных характеристик, исследование переходных процессов разработанного СМ-инвертора ЭТК 91

Выводы главы 112

4 Исследование работы имитационной модели электротехнического комплекса на основе СМ-инвертора 115

4.1 Порядок экспериментов имитационного моделирования 115

4.2 Исследование работы электротехнического комплекса на основе СМ-инвертора без включения режима стабилизации при статическом и динамическом режимах работы нагрузки 116

4.3 Исследование работы электротехнического комплекса с

включением режимов стабилизации СМ-инвертора 120

Выводы главы 121

5 Дальнейшее развитие принципов построения и применения СМ инверторов и электротехнических комплексов на их основе 123

5.1 Возможности применения электротехнических комплексов на основе СМ-инверторов в различных областях производства и быта 123

5.2 Направления совершенствования структуры и принципов построения СМ-инверторов электротехнических комплексов 126

Выводы главы 130

Заключение 132

Список литературы

• Анализ массо-энергетических характеристик современных инверторов ЭТК, преобразующих электроэнергию от МФЭП
• Разработка методики исследования ступенчатых кривых
• Исследование энергетических и массогабаритных характеристик, исследование переходных процессов разработанного СМ-инвертора ЭТК
• Исследование работы электротехнического комплекса на основе СМ-инвертора без включения режима стабилизации при статическом и динамическом режимах работы нагрузки

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности избранной темы.

В настоящее время применение автономных объектов (т.е. объектов, не подключенных к стационарным системам электроснабжения), с питанием от возобновляемых источников энергии находит все большее распространение в России и мире. К автономным объектам относятся, в том числе, локальные промышленные и сельскохозяйственные объекты. Локальные промышленные объекты в поселках и малых городах России представляют собой, как правило, небольшие предприятия, использующие электроэнергию для освещения, привода производственных механизмов, электротехнологии, водоснабжения, кондиционирования воздуха и т.д. При этом они могут быть расположены ближе к источникам сырья и удалены от центральных электросетей. Локальные сельскохозяйственные объекты используют электроэнергию для освещения, для привода электронасосов, для полива сельскохозяйственных культур, для привода различных машин, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию и т.д. Небольшие сельскохозяйственные предприятия также могут находиться вдали от центральных сетей. В этой связи особый интерес представляет собой использование солнечной энергии для электропитания автономных объектов.

Солнечная энергетика и ее часть – солнечная электроэнергетика являются перспективными и экологически чистыми направлениями электроэнергетической отрасли промышленности. Так, количество солнечной энергии, поступающей на территорию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана.

В электротехнических комплексах (ЭТК) преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется при помощи модулей фотоэлектрических элементов (преобразователей) и преобразователей постоянного напряжения (тока) в переменное напряжение (ток) – инверторов. В настоящее время преобразование электроэнергии от фотоэлектрических модулей осуществляется при помощи инверторов, работающих, главным образом, по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Основные достоинства ШИМ-инверторов следующие: гибкое управление значением выходного напряжения и его частотой; применение высокочастотных трансформаторов, что уменьшает массогабаритные показатели по сравнению с блоками питания с низкочастотными трансформаторами; высокая проработанность схем и систем управления ШИМ. Однако, наряду с указанными достоинствами, у ШИМ-инверторов имеются недостатки, такие, как: ухудшение массогабаритных характеристик и КПД из-за необходимости применения фильтров на входе и выходе; снижение КПД из-за двойного или тройного преобразования электроэнергии; с ростом частоты переключения транзисторов растут в них потери, а при уменьшении частоты происходит рост амплитуд ближайших к основной гармоник на выходе и увеличение массогабаритов высокочастотного трансформатора; для управления гармониками более высокой частоты необходимо повышать частоту ШИМ, что ведет к увеличению потерь в транзисторах; увеличение высокочастотных помех при повышении мощности инвертора.

С момента появления преобразователей постоянного тока в переменный и до настоящего времени включительно, существует необходимость снижения потерь, повышения КПД, снижения массы и объема инверторов, в том числе, преобразующих электроэнергию от модулей фотоэлектрический элементов (МФЭП). Особенно это актуально при электропитании автономных объектов.

Альтернативой ШИМ-инверторам, лишенной указанных выше недостатков ШИМ, являются ступенчато-модулированные инверторы (СМ-инверторы). Однако у СМ-инверторов также имеются недостатки: зависимость качества выходного напряжения от количества и уровней напряжений первичных источников питания инвертора; малый процент увеличения выходного напряжения при допустимом согласно ГОСТ 32144-2013 суммарном коэффициенте гармонических составляющих.

Современные методы построения СМ-инверторов ЭТК, в т.ч. формирования и стабилизации их выходного напряжения, не позволяют разработать СМ-инвертор ЭТК с высоким процентом увеличения выходного напряжения в процессе его стабилизации при суммарном коэффициенте гармонических составляющих, входящем в допустимые пределы ГОСТ 32144-2013, а также с повышением КПД, уменьшением массы и объема инвертора.

Существенный вклад в развитие теории построения ступенчато-модулированных (многоуровневых) инверторов внесли: Гречко Э.Н., Донской Н., Заславец С.А., Иванов А., Кулешов Ю.Е., Кумаков Ю.А., Лазарев Г., Матисон В., Репьев Ю.Г., Соболев С.А., Тонкаль В.Е., Ушаков И., Шавелкин А.А. и др.

Рассмотренные в работах вышеприведенных авторов способы фазного и широтного регулирования позволяют при коэффициенте гармоник не более 10 % получить увеличение действующего значения напряжения для его стабилизации не более 12%, что недостаточно; использование метода изменения амплитуды на входе инвертора или его выходе ведет к ухудшению его массо-энергетических характеристик.

Анализ данных работ показал, что совершенствование ЭТК с фотоэлектрическим модулями и ступенчато-модулированным инвертором путем улучшения его технических характеристик является актуальным.

Таким образом, диссертационное исследование, направленное на улучшение технических характеристик электротехнического комплекса с фотоэлектрическим модулями и ступенчато-модулированным инвертором, является актуальным.

Тема диссертации связана с планом научной работы Кубанского государственного технологического университета «Электромагнитные преобразователи энергии».

Объект исследования: электротехнический комплекс с фотоэлектрическими модулями и ступенчато-модулированным инвертором со стабилизацией выходного напряжения.

Предмет исследования: параметры качества ступенчатой кривой выходного напряжения, энергетические и массогабаритные характеристики ступенчато-модулированного инвертора электротехнического комплекса.

Цель диссертационной работы.

Улучшение технических характеристик электротехнического комплекса с фотоэлектрическим модулями и ступенчато-модулированным инвертором.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработана методика исследования параметров ступенчатых кривых
(СК) при расширении центральной ступени (ЦС).

1. Определены промежутки стабилизации напряжения для СК с лучшими характеристиками.

2. Разработана модель ЭТК в программной среде имитационного моделирования (СИМ), включающая в себя МФЭП, СМ-инвертор и подключенные к выходу инвертора блоки нагрузки.

3. Разработан алгоритм управления СМ-инвертором ЭТК.

5. Разработана методика исследования энергетических характеристик
СМ-инвертора ЭТК.

6. Проведено исследование переходных процессов разработанного СМ-инвертора ЭТК.

7. Разработаны методики исследования массогабаритных характеристик СМ-инвертора.

8. Определены способы защиты инвертора от сверхтоков и перенапряжений.

9. Проведено исследование разработанной имитационной модели ЭТК.

10. Предложены рекомендации по дальнейшему применению и совер
шенствованию ЭТК на основе СМ-инверторов.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментов имитационного моделирования. Разработанные программы расчета для ЭВМ проверены на тестовых задачах.

Научная новизна.

1. Разработана методика исследования параметров СК напряжения, отли
чающаяся тем, что в ней учитываются зависимости количества и ширины ана
литических промежутков от количества ступеней в полупериоде СК, учитыва
ется вид симметрии СК, математическим описанием приращения ширины цен
тральной ступени.

2. Разработана методика моделирования моделей МФЭП с заданными
вольт-амперными характеристиками (ВАХ) в СИМ Proteus ISIS, отличающаяся
тем, что в нее введены новые зависимости параметров ВАХ МФЭП от их но
минальной мощности и номинального выходного напряжения, применены но
вые зависимости параметров примитивов модели МФЭП в СИМ от параметров
ВАХ МФЭП, схема модели МФЭП в СИМ Proteus соединена таким образом,
что выходное напряжение МФЭП соответствует рассчитанной ВАХ.

3. Разработана модель ЭТК, включающая в себя МФЭП и СМ-инвертор в
СИМ Proteus ISIS, отличающаяся введением в нее новых моделей МФЭП, уче
том изменения ширины ступенчатой кривой вида СК7у, а также введением
комбинированного режима стабилизации выходного напряжения ЭТК.

4. Разработан алгоритм управления СМ-инвертором, отличающийся учетом заданной формы ступенчатой кривой выходного напряжения инвертора вида СК7у, включением четвертого источника МФЭП при использовании комбинированного режима стабилизации выходного напряжения ЭТК.

5. Разработана методика исследования КПД СМ-инвертора, отличающаяся тем, что в ней учтен процесс расширения ЦС ступенчатой кривой, выраженном в коэффициенте заполнения графика работы силовых элементов.

6. Обоснованы преимущества использования трех первичных источников МФЭП и четвертого дополнительного источника МФЭП для электропитания автономного объекта при построении ЭТК на основе СМ-инверторов со стабилизацией выходного напряжения перед ШИМ-инверторами.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработанная методика исследования ступенчатых кривых позволяет исследовать кривые различной сложности.

2. Результаты исследования ступенчатых кривых, найденные три промежутка стабилизации СК7, могут быть использованы при разработке СМ-инверторов ЭТК со стабилизацией выходного напряжения различной конфигурации и различных видов первичных источников электропитания.

3. Разработанные шесть программ расчета, имеющих удобный, интуитивно-понятный интерфейс, позволяют, соответственно для каждой из них, рассчитывать параметры МФЭП, количество аналитических промежутков, коэффициент заполнения графика работы силовых элементов инвертора, его КПД, параметры блоков ветвей нагрузки.

4. Разработанные алгоритм управления, принципиальная электрическая
схема и модель в СИМ Proteus ISIS блоков нагрузки различных видов (актив
ной, активно-индуктивной и активно-емкостной), способной работать в стати
ческом и динамическом режимах, позволяют исследовать характеристики рабо
ты различных моделей устройств на нагрузку различного вида, как в среде
имитационного моделирования, так и в виде физического блока нагрузок.

5. Разработанная методика моделирования моделей МФЭП в СИМ Proteus ISIS позволяет получить ВАХ, параметры примитивов, схему и модель МФЭП в СИМ Proteus ISIS при двух начальных задаваемых параметрах - номинальной выходной мощности и номинальном выходном напряжении МФЭП.

6. Модель СМ-инвертора ЭТК, его принципиальная электрическая схема, разработанный алгоритм управления, а также программы управления для микроконтроллеров, могут быть использованы для: разработки и промышленного изготовления СМ-инверторов и ЭТК на их основе; дальнейшего исследования возможностей СМ-инверторов различных схем и форм выходного напряжения, близких к СМ-инвертору, разработанному в данного работе; разработки и исследования СМ-инверторов ЭТК другой мощности и напряжений (при количестве первичных источников от двух до четырех включительно).

7. Разработанные методики исследования энергетических и массогаба-
ритных характеристик, а также последовательность и результаты расчета пере
ходных процессов работы СМ-инвертора ЭТК, позволяют исследовать анало
гичные характеристики инверторов различных мощностей и напряжений.

8. Предложенные рекомендации применения, совершенствования структуры и принципов построения ЭТК на основе СМ-инверторов, в т.ч. для автономных объектов, могут быть использованы при разработке ЭТК на основе СМ-инверторов различных назначений, напряжений и мощностей.

Практическая значимость исследований подтверждается тем, что результаты диссертационной работы использованы: в Краснодарском филиале ПАО «Ростелеком» при создании систем электроснабжения на основе модулей фотоэлектрических элементов двух объектов электросвязи; в учебном процессе кафедры «Электротехники и электрических машин» института «Нефти, газа и энергетики» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика исследования параметров ступенчатых кривых напряжения.

2. Методика моделирования моделей МФЭП в СИМ Proteus ISIS.

3. Модель ЭТК, включающая в себя МФЭП и СМ-инвертор в СИМ
Proteus ISIS.

4. Алгоритм управления СМ-инвертором.

5. Методика исследования КПД СМ-инвертора ЭТК.

6. Обоснование преимуществ использования трех первичных источников МФЭП и четвертого дополнительного источника МФЭП для электропитания автономного объекта при построении ЭТК на основе СМ-инверторов со стабилизацией выходного напряжения перед ШИМ-инверторами.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: «II Международной научной конференции ТТС-10» (г. Краснодар, 2010 г.), V Международной научно-практической конференции «Наука в современном мире» (г. Таганрог, 2011 г.), XI Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (г. Таганрог, 2011 г.), IV-V всероссийской НТК «Информационная безопасность – актуальная проблема современности. Совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов в области информационной безопасности» (г. Краснодар, 2012 г.), III Международной научно-практической конференции «Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского» (г. Краснодар, 2012 г.), «VI Международной научной конференции ТТС-14» (г. Краснодар, 2014 г.), VII Международном зимнем симпозиуме «Инновации в современной науке» (г. Таганрог, 2015 г.), XV Международной научно-практической конференции «В мире научных открытий» (г. Таганрог, 2015 г.), «VII Международной научной конференции ТТС-15» (г. Краснодар, 2015 г.), на расширенном заседании кафедры «Электротехники и электрических машин» ФГБОУ ВПО «КубГТУ» (г. Краснодар, 2015 г.), на расширенном заседании кафедры «Электроснабжения и электропривода» ФГБОУ ВПО «ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова» (г. Новочеркасск, 2015 г.). На VI Международном конкурсе работников образовательной сферы «Инновационные технологии XXI века» и V Международном конкурсе «На вершине научного Олимпа» результаты работы отмечены дипломами I степени и медалями (г. Таганрог, 2015 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 27 научных работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 9-ти свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ, 15 - в материалах Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 270 наименований и 25 Приложений. Общий объем работы составляет 266 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок, 3 таблицы и 103 страницы Приложений.

Анализ массо-энергетических характеристик современных инверторов ЭТК, преобразующих электроэнергию от МФЭП

Увеличение объемов мирового и отечественного промышленного производства создает необходимость в увеличении генерируемых электромощностей. В соответствии со Стратегией развития электроэнергетики России рост потребления электроэнергии в 2030 г. (по отношению к 2010 г.) удвоится [55, 175]. Вместе с тем ухудшающаяся экологическая обстановка [67, 94, 267], обязательства России в соответствии с Киотским протоколом [67], а также исчерпаемость топливно-энергетических ресурсов (при этом стоимость разрабатываемых будет резко увеличиваться из-за удаленности месторождений) [49, 94] создает необходимость разрабатывать и активно внедрять возобновляемые экологически чистые источники электроэнергии [195, 224]. Солнечная энергетика и ее часть – солнечная электроэнергетика являются перспективными и экологически чистыми направлениями электроэнергетической отрасли промышленности [50, 207, 231, 267]. По данным EPIA, рынок альтернативной солнечной энергетики вырос более чем в 2 раза – с 2,9 ГВт в 2007 г. до 5,95 ГВт в 2008 г. (годовой рост 110%). При этом на европейские страны приходится 81% от общей доли рынка альтернативной солнечной энергетики [231].

В настоящее время 20% мирового производства энергии основывается на сжигании древесины, энергии рек и ветровой энергии [51], основой которых является солнечная энергия [218].

В 2030 г. прогнозируемая установленная мощность СЭС, использующих фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии в мире, составит 300 ГВт при стоимости 1000 евро/кВт и стоимости электроэнергии 0,05-0,12 евро/кВтч [265].

В Российской Федерации солнечная энергия имеет теоретический потенциал более 2000 млрд. тонн условного топлива. Несмотря на такой большой потенциал, в новой энергетической программе России вклад возобновляемых источников определен в очень малом объеме [55, 59, 61, 117, 124, 175, 231]. Количество солнечной энергии, поступающей на территорию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана [217]. Несмотря на то, что в России солнечная энергетика пока мало востребована, потенциал для ее использования в России есть, особенно это касается Краснодарского края и Ставрополья, восточных регионов (Якутии, Магаданской области). Во многих областях Сибири и на юге страны число солнечных дней в году достигает трехсот. Этот показатель сопоставим с климатическим состоянием Южной Европы, где фотоэлектрические установки используются активно. Вместе с тем на территории России выпадает не так уж мало солнечных часов – от 1500 до 2000 и более в год. Причем в Сибири и на Дальнем Востоке их не меньше, чем в Краснодарском крае [231].

Большее внедрение солнечной электроэнергетики позволит решить проблемы удаленного и автономного электроснабжения различных объектов сектора промышленности и бытовых нагрузок России, улучшить экологическую ситуацию, уменьшить потери при передаче электроэнергии [47, 110, 143, 149, 164]. Из этого всего следует то, что для нашей страны широкое использование фотоэнергетики имеет большое значение (что также указано в законодательных актах [195, 224]).

В настоящее время применение автономных объектов (т.е. объектов, не подключенных к стационарным системам электроснабжения), с питанием от возобновляемых источников энергии находит все большее распространение в России и мире. К автономным объектам относятся, в том числе, локальные промышленные и сельскохозяйственные объекты [60, 62].

Локальные промышленные объекты в поселках и малых городах России представляют собой, как правило, небольшие предприятия, использующие электроэнергию для освещения, привода производственных механизмов, электротехнологии, водоснабжения, кондиционирования воздуха и т.д. При этом они могут быть расположены ближе к источникам сырья и удалены от центральных электросетей [60, 62].

Локальные сельскохозяйственные объекты используют электроэнергию для освещения, для привода электронасосов, для полива сельскохозяйственных культур, для привода различных машин, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию и т.д. Небольшие сельскохозяйственные предприятия также могут находиться вдали от центральных сетей [60, 62]. В этой связи особый интерес представляет собой использование солнечной энергии для электропитания автономных объектов [119]. В электротехнических комплексах преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется при помощи модулей фотоэлектрических элементов (преобразователей) и преобразователей постоянного напряжения (тока) в переменное напряжение (ток) – инверторов. В настоящее время преобразование электроэнергии от фотоэлектрических модулей осуществляется при помощи инверторов. Обобщенная схема электротехнического комплекса электроснабжения автономного объекта с питанием от МФЭП приведена на рисунке 1.1.

Разработка методики исследования ступенчатых кривых

При использовании ГАМ для исследования ступенчатых кривых напряжения при его стабилизации необходимо учесть следующие важные аспекты: 1) все рассматриваемые ступенчатые кривые СК3 - СК8д являются кривыми, симметричными относительно оси абсцисс, следовательно, Ао = А2 = А4 = А6 = ... = 0 (постоянная составляющая и четные гармоники отсутствуют); 2) учитывая требования выражений (1.4) и (1.7), а также отсутствие четных гармоник, примем номер конечной из рассматриваемых гармоник равной (k = 43) (М = 40); 3) строгих указаний на то, где должна располагаться координата ар внутри отрезка Да нет; обычно применяется расположение - вначале, в середине или в конце Да [42] (соответственно начальная, серединная или конечная координата Д(а); выберем ар как конечную координату Да; 4) количество разбиений n также нигде строго не оговаривается, в [42] принято, что достаточное количество разбиений (аналитических промежутков) на период n=24, однако, учитывая сложность поставленной задачи (изменение ширины ступеней на Дц), данного количества оказывается явно не достаточным; в связи с изложенным, для повышения точности расчетов и возможностей исследования метода стабилизации напряжения ШР, примем расчет n в зависимости от следующего условия (в полупериоде по 5 Да с каждой стороны ступени с U=0 В и, соответственно, по 10 Да во всех остальных ступенях до начала стабилизации): n = 20-(L + l), (2.30) где L+1 - количество уровней напряжения с учетом ступени U=0 в полупериоде; рассчитанные n для каждой из ступенчатой кривой показаны в таблице 2.1; для решения данной задачи была разработана и зарегистрирована «Программа расчета количества аналитических промежутков периода равноугловой ступенчатой функции для применения графоаналитического метода определения гармоник ряда Фурье» [32]; Таблица 2.1 – Расчет количества разбиений n для ступенчатых кривых № п/п Вид кривой L+1 п 1 СК3 6 120 2 СК4 8 160 3 СК4д 8 160 4 СК5д 10 200 5 СК6д 12 240 6 СК7 14 280 7 СК8д 16 320 5) учитывая симметрию ступенчатых кривых относительно оси абсцисс, нет необходимости производить расчет Ак на всем периоде, достаточно рассмотрения полупериода; Исходя из учета указанных аспектов (заменяя focp на Uap), получим выражения для определения амплитуды k-й гармоники Uk: k = 1,3, 5, 7...43 , n 2 Bk « - u(aD sin k оД n v V V p=i n 4 (2.31) Ck « — UaD cos k aD, n V V P=I Uk = B + C . Таким образом, математический аппарат разработанной методики исследования ступенчатых кривых определяется выражениями (1.3, 1.4, 2.23, 2.30, 2.31). Из которых (2.23, 2.30) разработаны автором.

Исследование ступенчатых кривых. Определение промежутков стабилизации напряжения ступенчатых кривых при расширении центральной ступени и включении дополнительного четвертого источника МФЭП

Применив разработанную методику исследования СК, определим зависимости Ки(ДА,11вых (ДА,би%(ДА) для каждой из рассматриваемых кривых при различных уровнях напряжения от величины входного номинального напряжения инвертора (Uномвх): 120%, 110%, 100%, 90%, 75%, 50%, 25%. При этом Дц=2Да . Это позволит выявить промежутки стабилизации выходного напряжения при различных уровнях входного напряжения, а также необходимость применения выходного фильтра. Отметим, что Ки(ДА для различных уровней напряжений для одной СК одинаков. Укажем также, что исследований зависимостей КиДА,11выхДА,би%(ДА) ступенчатых кривых в научной литературе обнаружено не было. Исследование возможностей применения четвертого дополнительного источника МФЭП выражается, прежде всего, в исследовании указанных зависимостей f(ДА) при различных уровнях входного напряжения.

Расчет проводился в табличном процессоре Microsoft Excel 2007. Полученные результаты (в том числе графики зависимостей для каждой из кривых) приведены в Приложении В. Сведем полученные значения в обобщенные графики, в которых приводятся значения Ки(ДА = Av\ би%ДА, 100%UHOMBX) ивыхДЛ, 100%UHOMBX) для исследуемых СК при ДА=Ду и ДА «0,46875- (Т/2). При втором шаге расширения ЦС; для СКЗ ДА =0,5- (Т/2) и с увеличением n, данный коэффициент, показывающий отношение ДА к полупериоду, уменьшается и при СК8д составляет ДА =0,4375- (Т/2); в связи с этим, для определения обобщенной зависимости Ки(ДА) при различных СК, взято среднее значение, равное 0,46875). Данные графики показаны на рисунках 2.10-2.12 [17].

Учитывая полученные результаты, можно сделать следующие выводы: 1) с увеличением L коэффициент Ки уменьшается; при равноугловом расположении ступеней, Ки 12%, т.е. выходит за рамки допустимых значений [18, 77, 219]; при АХ «0,47- (Т/2) у всех СК наблюдается снижение Ки вплоть до 6,96 % (СК7) и 6,90 % (СК8д), что позволяет при формировании напряжения не использовать фильтр на выходе инвертора; 2) при L 6 и его дальнейшем повышении, темпы уменьшения Ки снижаются (например, Ku(L=8)=0,99«Ku(L=7), Kii(L=7) = 0,87«Ku(L=6)); 3) при равноугловом формировании ступенчатых кривых у всех СК ивых Шом и 6U% Ф (min ±10%); при увеличении количества ступеней ивых и 6U% снижаются; 4) при расширении АХ , ивых и 6U% увеличиваются; при этом приближенные пределы стабилизации при UBX 75%Шомвх следующие: ДА Є[0,64-(Т/2); Т/2] (0,64 (Т/2)среднее между СКЗ АХ =0,66- (Т/2) и СК8 АХ =0,625- (Т/2)); предел падения напряжения составляет 75% Шомвх, ниже данного предела условие (1.7) не выполняется, если стабилизация производится только методом ШР; 5) при увеличении п точность расчетов ивых, 6U% и Ки возрастает; примем ее достаточной для определения промежутков формирования и стабилизации напряжения для каждой из СК (например, Ки=47,707% при АХ =Т/2 и п=120, Ки = 47,224% при АХ =Т/2 и п=320); 6) при трех МФЭП в качестве основных источников напряжения можно сформировать СКЗ, СК4 и СК7; из них наихудшими показателями обладает СК4, наилучшими СК7; 7) параметры СК7 и СК8д мало различаются между собой по параметрам уровня и качества напряжения; при ДА = Av Киск7=13,71%, Киск8д=13,35% -различие в 2,62% относительно Киск7, ивыхск7(100%ивх)=179,73 В, ивыхск8д(100%ивх)=179,54 В - различие в 0,105% относительно Шыхск7; при ДА «0,47- (Т/2) Киск7=6,96%, Киск8д=6,90% - различие в 0,86% относительно Киск7; ивыхск7(100%ивх)=240,ЗЗВ, ивыхск8д(100%ивх)=240,27 В - различие в 0,025% относительно Шыхск7; 8) учитывая изложенное в предыдущих пунктах выводов, а также высокие требования СК8д к количеству первичных источников питания (необходимо количество источников больше трех), выберем СК7 для дальнейших исследований в части уточнения зависимостей Ки(ДА, UBHX (ДА, 611у%(ДА) и определения промежутков стабилизации выходного напряжения методом ШР относительно условия (1.7).

Исследование энергетических и массогабаритных характеристик, исследование переходных процессов разработанного СМ-инвертора ЭТК

Определим количество и параметры ветвей нагрузки. При этом будем исходить из ВАХ МФЭП1-МФЭП3 [63]. Выберем токи нагрузок таким образом, чтобы работа нагрузки, с одной стороны, отражала весь диапазон токов всех трех ВАХ МФЭП, с другой, были созданы для условия для исследования пределов и возможностей стабилизации инвертора при снижающемся напряжении первичных источников питания МФЭП.

Токи выбраны следующим образом: 1) ток нагрузки равен нулю (холостой ход); 2) два разбиения 1/3 и 2/3 на промежутке Iвых Є (0; Iном МФЭП3]; 3) остальные токи - серединные значения между токами Iном, Iкз ВАХ МФЭП. Полученные значения указаны в выражении (3.21). где 1тНх - амплитудные значения токов нагрузки, А, x – номер ветви нагрузки. Исходя из (3.21) примем количество ветвей нагрузки равным восьми. Обозначим уровни сопротивления и виды нагрузок следующим образом: Нxy. Где Н – нагрузка, x – номер нагрузки в зависимости от сопротивления, y – вид нагрузки (А – полностью активная, АИ – активно-индуктивная, АЕ – активно-емкостная). Определим сопротивления Z каждой из ветвей нагрузки исходя из выбранных значений токов (3.21) и напряжения ЦС: UmЦС Z = Im , (3.22) где Im - модуль комплекса амплитудного значения тока нагрузки, А, для каждой из ветвей нагрузки Im соответствует ImНx выражения (3.21), UmЦС - модуль комплекса амплитудного значения напряжения ЦС (равен сумме напряжений МФЭП при данном токе в соответствии с ВАХ), В, Z - модуль комплексного сопротивления ветви нагрузки, Ом.

Примем последовательное соединение сопротивления, индуктивности и емкости в каждой из ветви нагрузки в зависимости от ее вида (как в работе [99]). Соответственно, в полностью активной нагрузке Z = R, активно-индуктивной Z = R +XL, активно-емкостной Z = R +XC. Определим параметры сопротивлений, индуктивностей и емкостей элементов ветвей нагрузки. Известно [42], что (3.23) Z = Re Z 2 + Im Z 2, где Re(Z) и Im(Z) – соответственно действительная и мнимая части Z. Обозначим: R = Re Z , X = Im Z , (3.24) где R – активная составляющая (активное сопротивление) Z, Ом, X – реактивная составляющая (реактивное сопротивление) Z, Ом. Примем величину реактивного сопротивления, учитывая предельную величину для сетей 0,4 кВ tg=0,35, определенную Приказом Минпромэнерго № 49 от 22.02.2007 г. [197]: - = tgcp = 0,35 ,= X = Rtg p = 0,35R. (3.25) Учитывая изложенное: Z2 = R2 + X2 = R2 + 0,352R2, = R = gr = . (3.26) Для удобства расчетов примем равенство индуктивного (XL, в активно-индуктивных нагрузках) и емкостного (Xс, в активно-емкостных нагрузках) сопротивлений: XL = хо XL = toL, Y г (3-27) to = 2ттг, где - круговая частота, c"1, f - частота выходного напряжения (тока), Гц; f=50 Гц. Полученные значения Z, R, L и С ветвей нагрузки в зависимости от вида приведены в Приложении К. Также отметим, что расчет ветвей проводился по принципу, когда для моделирования заданного уровня тока необходимо включение следующей ветви, при этом предыдущая отключается. Этот же принцип применим при разработке принципиальной схемы нагрузки.

Отметим, что задача моделирования блоков нагрузки с рассчитанными выше параметрами - показать работу МФЭП в соответствии с рассчитанными ВАХ, а также падение напряжения на инверторе при увеличении тока. При реальном физическом моделировании инвертора и МФЭП ток нагрузки не должен превышать (Iнагр) (IкзМФЭП1=19,98А). Превышение данного значения может привести к повреждению МФЭП.

Разработана программа расчета параметров ветвей нагрузки в зависимости от процента мощности инвертора при различных tgф [21].

Исходя из изложенного, разработанная блок-схема нагрузки будет иметь вид, показанный на рисунке 3.9. Рисунок 3.9 – Общая блок-схема соединения ветвей блока нагрузки

На рисунке показана общая блок-схема нагрузки. Модели активной, активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузок тождественны: элементы Z0 - Z7 заменяются на элементы R, RL, RC соответственно. Каждая ветвь может быть включена отдельно кнопкой SBв0-SBв7 или контролером управления при замыкании идеальных ключей ИК0-ИК7 (в динамическом режиме работы). Динамический режим работы включается кнопкой SBвклалг. Кнопка SBвых подключает блок нагрузки к выходу инвертора. Схема соединения блоков нагрузок с инвертором показана на рисунке 3.10.

Исследование работы электротехнического комплекса на основе СМ-инвертора без включения режима стабилизации при статическом и динамическом режимах работы нагрузки

Примем условие, что перегрев поверхности радиатора над окружающей средой не превысит 35С. Также примем Di=1 (т.е. тяжелый режим). Pi определим равным общей мощности потерь (рассеивания) инвертора Pinv. Это позволит спроектировать на все силовые полупроводниковые элементы радиатор необходимой площади. Также увеличим запас работы в окружающей среде, увеличив коэффициент пропорциональности 20 см2 /Вт до 25 см2/Вт. Радиатор будет проектироваться для конвекционного способа охлаждения (при принудительном возникает зависимость от надежности работы вентиляторов, радиатор забивается часто пылью). Учитывая изложенное, получим: см2 _ (3.63) St =25 — -147,41 Вт-1 = 3685 см2. В качестве радиатора охлаждения выберем два радиатора HS 115-300 (300х116х26,5 мм, 4 дюйма градус/Вт) фирмы Kinsten Industrial (Тайвань) [198]. Радиаторы алюминиевые с черной поверхностью, имеют двенадцать ребер и удобны для крепления транзисторов. Площадь охлаждающей поверхности (Srt) каждого из них составит: Str = 12 2 30 см 2,65 см + 2 см 30 см = 1968 см2. (3.64) 108 При этом выполняется условие: (3.65) St Stri, где Stri – сумма площадей всех радиаторов силовых элементов. Отметим, что некоторые силовые элементы должны быть электрически изолированы друг от друга, и каждый должен иметь свой радиатор в соответствии с рассеиваемой мощностью, но общая площадь радиаторов при этом будет больше или равна St. Учитывая параметры выбранных радиаторов, примем расположение радиаторов на верхней стенке корпуса. Выделим данное расположение радиаторов как определяющее габарито-размеров инвертора.

Учитывая изложенное, были разработаны две двусторонние монтажные платы СМ-инвертора с размерами 190х280х3 мм: силовая плата и плата управления. Платы имеют разъемы соединения с друг другом, блоком питания, терминалом, кнопками управления и силовыми разъемами на корпусе (подключения МФЭП и выхода инвертора). Отметим также, что ширина дорожек выбрана согласно [43, 136, 196] для прохождения тока силовых цепей до 16 А (1,5 мм при высоте дорожки в 0,7 мм), для цепей управления до 1 А (0,75 мм при высоте дорожки в 0,7 мм).

Разработанные чертежи монтажных плат, в том числе в виде 3D моделей, и пояснения к ним, приведены в Приложении Ц. При расчете объема инвертора примем следующие допущения: 1) внутреннее пространство инвертора распределим условно на три блока: силовой части, управляющей части и блока питания (БП) собственных нужд; 2) длина и ширина условных внутренних блоков будет равна длине и ширине радиаторов; 3) учитывая требования обеспечения электромагнитной совместимости [200, 201], а также необходимость охлаждения деталей и подключения штекеров в разъемы плат, расположения разъемов на корпусе подключения МФЭП, нагрузки и терминала, примем высоту силового блока в 10 см, блока управления в 5 см; 4) для расчета объема блока питания собственных нужд примем габарито размеры импульсного блока питания 15 Вт БП15Б-Д2-24 (выходное 109 напряжение 24 В) [45] с широким диапазоном входного напряжения (от 90 до 264 В) и габариторазмерами 36х90х58; 5) общей высоты инвертора будет достаточно для размещения силовых разъемов и разъема подключения терминала. Исходя из изложенного, общий объем инвертора (Vinv) равен: Vinv = Vrad + Vsil + Vupr + Vbp, (3.66) где Vrad - объем в пространстве двух радиаторов, см3, Vsil - объем силового блока, см3, Vupr - объем управляющего блока, см3, Vbp - объем блока питания собственных нужд, см3. Объем двух радиаторов равен: Vrad = 2 30 см 11,6 см 2,65 см = 1844,4 см3. (3.67) Объем силового и управляющего блоков равен: Vsil + Vupr = 2 30 см 11,6 см (10 см + 5 см) = 10440 см3, (3.68) Объем блока питания собственных нужд равен [45]: Vbp = 3,6 см 9 см 5,8 см = 187,92 см3. (3.69) Примем высоту блока питания собственных нужд в корпусе инвертора равной 3,6 см [45]. Таким образом, общий объем инвертора равен: Vinv = 1844,4 см3 + 10440 см3 + 187,92 см3 = 12472,32 см3. (3.70) Или с учетом выбранной высоты БП: Vinv = 23,2 см 30 см (3,6 см + 5 см + 10 см + 2,65 см) = 14790 см3. (3.71) Таким образом, математический аппарат разработанной методики исследования объема СМ-инвертора определяется выражениями (3.61- 3.63, 3.65, 3.66). Из которых (3.63, 3.66-3.71) разработаны автором.

Рассчитанные размеры инвертора показаны на рисунке 3.22. ) Исследуем массу разработанного инвертора. При расчете массы инвертора примем следующие допущения: 1) т.к. вес каждого из электронных компонентов обоих плат инвертора, за исключением четырех силовых диодов HFA140NH60R (по 26 г каждый), не превышает 10 г [247, 252, 256-259], то для удобства расчетов примем вес каждого компонента, включая разъемы на платах, по 10 г; всего данных деталей 58 шт.; 2) примем фольгированный гетинакс плотностью pg = 1,3 г/см3 в качестве материала для изготовления монтажных плат инвертора толщиной 3 мм каждая; массой фольги пренебрежем; 3) примем медь плотностью pm = 8,92 г/см3 в качестве материала изготовления силовых проводов и проводов управления инвертора; 4) примем следующие сечения проводов инвертора: для силовых (максимальный ток до 16 А) – 2 мм2, для проводов управления (максимальный ток до 1 А) – 0,5 мм2; всего силовых проводов 11 шт., проводов управления 37 шт.; 5) примем вес изоляции проводов (как силовых, так и управления) 100% весу медных жил данных проводов; 6) примем длину каждого из проводов внутри инвертора (силовых и проводов управления), его удвоенной высоте (каждый по 372 мм); 7) примем алюминий плотностью pal = 2,7 г/см3 в качестве материала корпуса толщиной равной 1,387 мм (выбор осуществлялся от 1 до 1,5 мм с учетом отверстий для вентиляции); при этом в расчетах отверстиями для Ill вставки разъемов в корпус (к МФЭП, к нагрузке, к кнопкам управления, к терминалу) пренебрежем; 8) примем массу блока питания собственных нужд равной массе БП15Б-Д2-24 130 г [45]; 9) в качестве разъемов для подключения МФЭП к инвертору, а также подключения нагрузки выберем пять розеток типа 2Р+РЕ IP44 артикул PS-213-16-22 массой 150 г каждая [199]; 10) массой подключения разъема терминала и кнопок управления пренебрежем. Исходя из изложенного, и, учитывая известные формулы нахождения массы через объем и плотность [223], масса инвертора Minv будет равна: