Введение к работе
Актуальность проблемы. Наблюдаемое в России в последние годы развитие энергетического рынка сопровождается возрастанием требований к качеству электроснабжения в целом и характеристик потребляемой электроэнергии, в частности. В то же время рост числа производств, требующих бесперебойного питания на повышенных и регулируемых частотах, обусловливает большой интерес к эффективным и высоконадежным вторичным источникам электроснабжения. Все это создает благоприятные условия для интенсивного развития такого класса устройств как электропривод, систем питания массовых потребителей и технологических установок, стимулирует поиск и реализацию новых схемных решений, а также открывает широкие возможности для их применения.
В последнее время получили широкое распространение приводы с использованием инверторов напряжения. Одной из причин этого, без сомнения, является создание мощных полностью управляемых вентилей, таких как транзисторы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), запираемые тиристоры GTO (Gate Turn-Off Thyristor) и IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). По сравнению с SCR-тиристорами (Silicon-Controlled Rectifier) использование полностью управляемых вентилей в электроприводе позволяет отказаться от коммутирующих конденсаторов, необходимых для компенсации реактивной мощности в схемах, построенных на приборах с неполной управляемостью. При этом современные силовые ключи отличаются высокими предельно допустимыми значениями тока и напряжения, что существенно расширяет возможности их применения в мощном преобразовательном оборудовании.
Классическая схема автономного инвертора напряжения (АИН) подробно исследована многими авторами. Значительно меньше публикаций посвящено электротехническим комплексам, включающим группу совместно работающих АИН и потребителей электроэнергии. Электромагнитные процессы в таких сложных системах со множеством взаимодействующих звеньев мало изучены. В то же время известные преимущества организации параллельной работы источников питания, такие как наращиваемость мощности и высокая надежность при снижении затрат на резервирование, делают актуальной задачу исследования данного типа оборудования.
В ряде публикаций рассматриваются преимущества параллельного включения, вопросы синхронизации преобразовательных модулей в рамках сети и распределения мощности между параллельно работающими преобразователями, способы улучшения выходного напряжения с помощью различных видов модуляции (широтно-импульсная модуляция (ШИМ), амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)). Известны такие работы по
і РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ }
'-32йР
оперативно перестраиваемым преобразовательным сетям, построенным на базе инверторов тока, позволяющим создавать высокоэффективные системы вторичного электроснабжения. Вместе с тем аналогичные системы, построенные на базе инверторов напряжения, практически не исследованы, и задача построения адаптивных многомодульных систем электроснабжения такого типа еще ждет своего решения.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование схемотехнических решений построения многомодульных оперативно перестраиваемых источников электроснабжения на повышенных и регулируемых частотах.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Разработка математической модели многомодульного перестраиваемого комплекса (МІЖ) для питания статической нагрузки.
-
Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов в МПК и сравнение результатов с характеристиками АИН.
-
Исследование поведения преобразовательного комплекса при изменении параметров нагрузки и перестройке его структуры.
-
Разработка математической модели МПК для питания двигательной нагрузки и исследование электромагнитных процессов в преобразовательном комплексе при работе на одиночную и групповую двигательную нагрузку.
-
Исследование электромагнитных процессов в МПК, вызванных аварийными ситуациями в нагрузке.
-
Разработка комплекса программ моделирования работы МПК на статическую и двигательную нагрузку.
Методы исследования. Для решения поставленных задач потребовалось использование математического аппарата матричной алгебры, тензорного анализа, дифференциального и интегрального исчислений, объектно-ориентированного программирования, численного моделирования.
Достоверность основных положений диссертации подтверждается тем, что они не противоречат фундаментальным основаниям теоретической электротехники, теории электропривода и промышленной электроники, а также совпадением расчетных и экспериментальных результатов исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Организация системы вторичного электроснабжения на базе параллельного включения многофункциональных модулей, содержащих инверторы напряжения, обеспечивает снижение аппаратных затрат до 10%, а при резервировании - до 50%,и повышение "живучести" системы.
-
Применение при разработке математических моделей МПК нового геометрического объекта - тензора вращения фаз позволяет создать универсальный инструмент, обеспечивающий моделирование не только алгоритмов переключения транзисторов в каждом модуле, но и процессы перестройки структуры МПК, что позволяет снизить аппаратные и временные затраты на программирование.
-
Введение в схему модулей дополнительных каналов для протекания возвратных токов обеспечивает устранение перенапряжений на вентилях при аварийных ситуациях в нагрузке.
-
Применение МПК обеспечивает снижение амплитудных и средних значений токов вентилей по сравнению с АИН, а перестройка структуры МПК не вызывает бросков тока и перенапряжений на вентилях и может производиться мгновенно.
Научная новизна:
-
Разработаны математические модели для случаев статической и двигательной нагрузки нового класса многомодульных оперативно перестраиваемых электротехнических комплексов, выполненных на базе параллельно работающих многофункциональных модулей, содержащих инверторы напряжения.
-
Проведено исследование электромагнитных процессов в МПК. Показано, что переходные процессы, связанные с перестройкой структуры МПК и возникающие при изменении режимов работы преобразовательных модулей, не нарушают нормального функционирования комплекса в целом.
-
Доказано, что при включении в состав универсальных преобразовательных модулей обратных диодных мостов обеспечивается сохранение устойчивости работы комплекса при аварийных ситуациях в нагрузке.
Практическая ценность работы:
-
Развиваемая концепция построения многомодульных электротехнических комплексов на базе инверторов напряжения позволяет повысить эффективность систем электроснабжения за счет возможности оперативной адаптации структуры комплекса к изменяющимся параметрам нагрузки.
-
Предлагаемая оперативно перестраиваемая многомодульная система электроснабжения на базе инверторов напряжения обладает высокой надежностью при минимальных затратах на резервирование, а также малой инерционностью при изменении режимов работы образующих ее модулей, что делает ее пригодной для питания высокодинамичной нагрузки.
-
Достигнута равномерная загрузка модулей преобразовательного комплекса при включении/выключении двигателей и перестройке структуры комплекса за счет программного регулирования звена постоянного тока модулей.
4. Предложена модификация схем, составляющих комплекс преобразовательных модулей, которая обеспечивает сохранение всех достоинств перестраиваемого комплекса при аварийных ситуациях в нагрузке.
Реализация результатов:
-
Вопросы, рассмотренные в работе, нашли отражение в проводимых Институтом проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов) исследованиях в области разработки теоретических положений построения адаптивных систем электроснабжения.
-
Результаты исследований, изложенных в диссертационной работе, использованы в ООО "Компания "ХАЙТЭК" (г. Саратов) при разработке проекта многопостовых литейных установок для индукционной плавки черных металлов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на: Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 2002), Ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета в 2002, 2003, 2004 годах, Международной научно-технической конференции "Силовая электроника и энергоэффективность" СЭЭ-2004 (Алушта, Украина, 2004).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованной литературы из 113 источников и приложений, изложена на 123 страницах машинописного текста, включая 60 рисунков и 5 таблиц.
