Содержание к диссертации
Введение
1 Нелинейные искажения и повышение качества электроэнергии в электрических сетях с нелинейной электроприводной нагрузкой 9
1.1 Анализ влияния электроприводов переменного тока на питающую сеть 9
1.2 Обзор методов компенсации нелинейных искажений 18
1.3 Задачи работы 30
Выводы 31
2 Математическое описание элементов и системы «пафэ с общим звеном постоянного тока регулируемый ассинхронный электропривод переменного тока» 33
2.1 Математическое описание влияния выпрямителя в составе асинхронного электропривода переменного тока на питающую сеть 33
2.2 Математическое описание влияния инвертора в составе асинхронного электропривода переменного тока на питающую сеть 48
2.3 Влияние преобразователя частоты в составе асинхронного электропривода переменного тока на питающую сеть 56
2.4 Разработка и математическое описание силовой структуры «ПАФЭ
с общим звеном постоянного тока» 62
Выводы 74
3 Разработка системы управления пафэ с общим звеном постоянного тока для регулируемого электропривода переменного тока 75
3.1 Сравнительный анализ методов управления ПАФЭ 75
3.2 Анализ работы релейного регулятора тока как средства управления АИНПАФЭ
3.3 Разработка системы управления ПАФЭ с общим звеном постоянного тока 95
3.4 Компьютерное моделирование и сравнительный анализ регуляторов тока ПО
3.5 Компьютерное моделирование системы «ПАФЭ с общим звеном постоянного тока-ПЧ-АД» 115
Выводы 117
4 Экспериментальные исследования и энергетические показатели пафэ с общим звеном постоянного тока 119
4.1 Экспериментальные исследования релейного регулятора тока 119
4.2 Экспериментальные исследования системы «неуправляемый выпрямитель - ПАФЭ с общим звеном постоянного тока» 123
4.3 Энергетические показатели системы «ПАФЭ с общим звеном постоянного тока-ПЧ-АД» 130
Выводы 141
Заключение 142
Библиографический список
- Обзор методов компенсации нелинейных искажений
- Математическое описание влияния инвертора в составе асинхронного электропривода переменного тока на питающую сеть
- Анализ работы релейного регулятора тока как средства управления АИНПАФЭ
- Экспериментальные исследования системы «неуправляемый выпрямитель - ПАФЭ с общим звеном постоянного тока»
Обзор методов компенсации нелинейных искажений
Электрическая энергия является одним из основных энергоресурсов, используемых во всех отраслях промышленности, а так же в коммерческом и бытовом секторе. Как и любой энергоресурс, электрическая энергия является товаром, и обладает совокупностью физических и технологических характеристик, определяющих ее качество [1 - 3]. Качество электроэнергии имеет большое значение, поскольку оно оказывает влияние на характеристики электрооборудования конечных потребителей, их производительность, срок службы и межремонтные интервалы, а также влияет на качество и характеристики продукции, изготавливаемой с использованием электрооборудования [1 - 3]. В РФ качество электроэнергии характеризуется соответствующими государственными стандартами, определяющими показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и их нормируемые значения [4 - 7]. С 1 июля 2014 года на территории РФ прекращено действие национального стандарта ГОСТ Р 54149-2010 и введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 32144-2013, определяющий показатели и нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения и методы их оценки [6, 7].
Согласно ГОСТ 32144-2013, гармонические составляющие токов потребителей электроэнергии являются первопричиной гармонических составляющих напряжения в сетях электроснабжения [7]. Однако, в ГОСТ 32144-2013 и в предшествующих ему ГОСТ, показатели качества, характеризующие гармонический состав токов потребителей электроэнергии не нормируются, и нелинейные искажения в сетях электроснабжения рассматриваются в одностороннем порядке через гармонические составляющие напряжения [4-7].
В международном стандарте IEEE Standard 519-1992 нелинейные искажения в системе электроснабжения рассматриваются в двухстороннем порядке, с точки зрения взаимодействия потребителей электроэнергии (гармонические токи, потребляемые из сети электроснабжения), и источников электроэнергии (гармонические напряжения питающей сети) [8]. Комплексный подход к рассмотрению нелинейных искажений токов и напряжений в сетях электроснабжения связан с мировой тенденцией увеличения доли потребителей электроэнергии с нелинейными вольт-амперными характеристиками [8 - 15].
Непрерывность во времени процесса производства, передачи и потребления электроэнергии определяет постоянное взаимодействие производителей электроэнергии, распределительных систем и конечных потребителей электроэнергии [10]. В результате такого взаимодействия образуется система «источник электроэнергии - распределительные сети - потребитель электроэнергии», в которой все элементы связаны между собой кондуктивно, непрерывно взаимодействуя друг с другом, и образуют единую электромагнитную среду [11, 12]. Для обеспечения работы электрооборудования и функционирования энергосистемы в существующей электромагнитной среде, необходима максимальная электромагнитная совместимость элементов энергосистемы [10, 13].
Все потребители электрической энергии подразделяются на линейные и нелинейные [14, 16]. Традиционно в электроэнергетике преобладали линейные потребители электроэнергии, и они составляли до 100% от общей электрической нагрузки (лампы накаливания, резистивные электронагреватели, АД). Такие потребители электроэнергии имеют линейные вольт-амперные характеристики, потребляют из питающей сети синусоидальные токи и не вносят нелинейных искажений в энергосистему [17, 18]. Однако, с конца 40-х годов ХХ-го века, начались активные научно-исследовательские разработки в области полупроводников, а с середины ХХ-го века началось промышленное производство устройств на их основе [19]. Дальнейшее развитие технологии производства полупроводников, во второй половине ХХ-го века привело к созданию первых силовых полупроводниковых элементов [19]. Современным этапом развития силовых полупроводников являются быстродействующие полностью управляемые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и МОП транзисторы управляемые электрическим полем (MOSFET) [19-21]. Возникновение и развитие силовых полупроводниковых элементов дало начало развитию и массовому распространению нового класса электроприборов -силовых полупроводниковых устройств [20, 21]. В настоящее время силовые полупроводниковые устройства распространены повсеместно во всех сферах жизнедеятельности человека, при этом количество нелинейных потребителей электроэнергии и уровень гармонических составляющих тока и напряжения в питающей сети продолжают увеличиваться все большими темпами, как в РФ, так и в мире [14 - 16].
Полупроводниковые элементы и, соответственно, приборы и устройства на их основе являются нелинейными потребителями электроэнергии и потребляют гармонически насыщенный несинусоидальный ток из питающей сети. Такой ток, создает падения напряжений на полных сопротивлениях энергосистемы и вызывает нелинейные искажения и несинусоидальность напряжения в сети электроснабжения [14, 16, 19]. Высшие гармоники тока и напряжения в зависимости от их характера, интенсивности и продолжительности отрицательно влияют на работу всего электрооборудования, снижают экономичность и надежность работы электрических сетей и приводят к ощутимым к экономическим убыткам, обусловленным, главным образом, ухудшением энергетических показателей оборудования, дополнительными потерями в обмотках статора, в цепи ротора, а также в стали статора и ротора вращающихся машин, увеличением потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали и потерь в обмотках трансформаторов, однофазными короткими замыканиями на землю в кабельных линиях, пробоями конденсаторов, вибрациями в электромашинных системах, выходом из строя или сокращением срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции, снижением надежности функционирования электрических сетей и технологических процессов, нарушением работы и преждевременным выходом из строя высокоточных измерительных приборов, увеличением дополнительных потерь в сетях и элементах электрооборудования, помехами и искажениями сигналов в сетях телекоммуникаций и систем связи, нарушением работы устройств защиты и ухудшением их характеристик, сокращением срока службы основного электрооборудования энергетиче 12
ских систем, снижением надёжности и сбоями в работе систем автоматики и микропроцессорных систем [13, 14, 16, 24, 25]. Помимо этого, нелинейные нагрузки имеют высокий уровень потребления реактивной мощности, что приводит к росту потерь в энергосистеме, перегрузке генераторов, трансформаторов, линий электропередач, колебаниям напряжения и общему ухудшению качества электроэнергии [16, 26].
При этом, несмотря на большое количество приборов и устройств, использующих в своем составе силовые полупроводниковые элементы, самой большой и наиболее важной областью применения силовой электроники является электропривод. Электропривод используется практически во всех областях человеческой деятельности и потребляет более 60% всей вырабатываемой электроэнергии [27]. В настоящее время доля электропривода переменного тока составляет 68%, доля электропривода постоянного тока - 15%, а оставшиеся 17% составляют механические, гидравлические и другие типы привода [28]. Столь существенная доля электропривода переменного тока связана с развитием математической теории машин переменного тока, созданием усовершенствованных силовых полупроводниковых элементов и ПЧ на их основе и использованием современных средств управления, которые позволили создать высококачественные, надежные, экономичные и доступные системы регулируемого асинхронного электропривода [28 - 31]. Таким образом, в настоящее время, регулируемый асинхронный электропривод переменного тока является наиболее распространенным типом электропривода, и тенденция увеличения его доли сохранится и в дальнейшем. Следовательно, именно данный тип электропривода является основным нелинейным потребителем электроэнергии и главным источником нелинейных искажений в системе электроснабжения.
Математическое описание влияния инвертора в составе асинхронного электропривода переменного тока на питающую сеть
В качестве нелинейной нагрузки рассмотрим систему ПЧ-АД. Исходя из проведенных ранее расчетов, примем гармонический состав первичного тока ПЧ равным гармоническому составу шестипульсного выпрямителя. Тогда в первичном токе ПЧ будут присутствовать 5, 7, 11, 13, 17 и 19 гармоники. Влияние остальных гармоник выпрямителя и влияние гармоник инвертора не рассматриваем из-за их незначительного действия на величину суммарного коэффициента гармонических составляющих первичного тока ПЧ. Тогда мощность искажения напряжения в звене постоянного тока запишем как:
SH /3"u(-I5Hcos[6cot + f5] + I7Hcos[6cot + f7]-IllHcos[12cot + f11] + + I13Hcos[12rat + f13] - I17Hcos[18rat + f17] + I19Hcos[18rat + f19]).
Наибольшую величину из рассматриваемых гармоник имеют 5-я и 7-я гармоники. Период, на котором стабилизируется напряжение на конденсаторе в звене постоянного тока ПАФЭ, будет составлять т /і 2 (Т-период сетевого напряжения). Компенсация мощности искажения происходит за счет мощности, отдаваемой конденсатором с , и изменения напряжения на конденсаторе на величину
AUdc. Следовательно, для полной компенсации ПАФЭ мощности искажения, мощность, отдаваемая конденсатором на интервале т/і2 должна быть равна мощности искажения. Тогда требуемая емкость конденсатора в звене постоянного тока ПАФЭ может быть рассчитана по выражению: т/і2 J SHdt = -c ud + Aud]2--c d2. (2.81) 2 2 о С другой стороны, мощность искажения можно определить как: s sjHDj, (2.82) где S 1 - полная мощность первой гармоники ПЧ. Гармонически искаженный первичный ток, протекая по элементам силовой цепи ПАФЭ, вызывает дополнительные потери активной мощности в АИН ПАФЭ. Потери на IGBT транзисторах определяются потерями в открытом состоянии Рт отк и потерями при переключении Рт пе екл, потери на обратных диодах определяются потерями в открытом состоянии Р отк и потерями на выключение
Формула (2.95) позволяет получить следующие зависимости емкости конденсатора от мощности преобразователя (сплошная линия, левая ось ординат, рисунок 2.9) и емкости конденсатора, необходимой для компенсации потерь в АФЭ (штриховая линия, правая ось ординат, рисунок 2.9).
Исходя из проведенного расчета следует, что емкость конденсатора линейно зависит от компенсируемой мощности нелинейной нагрузки. преобразователя нелинейной нагрузки Емкость конденсатора, необходимая для компенсации потерь в АИН ПАФЭ, зависит от параметров и частоты коммутации ключей АИН ПАФЭ, и мало зависит от величины компенсационного тока. Эта емкость незначительна и ее можно не учитывать при проектировании ПАФЭ.
Синхронизирующая индуктивность L, является промежуточным звеном между синусоидальным напряжением сети и прямоугольным напряжением с выхода АИН ПАФЭ. Разница между мгновенным напряжением сети и мгновенным напряжением на выходе АИН ПАФЭ прикладывается к синхронизирующей индуктивности L ф, предохраняя транзисторы АИН ПАФЭ от перенапряжений.
Кроме того, синхронизирующая индуктивность L, создает ЭДС самоиндукции при переключении ключей АИН ПАФЭ, за счет которой обеспечивается заряд конденсаторной батареи Сф звена постоянного тока АИН ПАФЭ до напряжений, выше, чем средневыпрямленное напряжение мостового выпрямителя, что позволяет отдавать запасенную в конденсаторной батарее С ф АИН ПАФЭ энергию, обратно в питающую сеть.
Величина синхронизирующей индуктивности классического ПАФЭ определяется для каждой фазы ПАФЭ согласно выражению [70]: где и о - напряжение сети, и d - среднее напряжение на конденсаторе, - амплитуда несущего сигнала, Q - частота несущего сигнала.
Для адаптации ПАФЭ к электроприводу переменного тока, предлагается использование индивидуального ПАФЭ для ПЧ, в котором звено постоянного тока АИН ПАФЭ и звено постоянного тока ПЧ будет выполнено общим. Структура разработанного ПАФЭ с ОЗПТ представлена на рисунке 1.8. Проведем анализ емкости конденсаторной батареи с d ПАФЭ с ОЗПТ. Если рассматривать конден 69 саторную батарею cd со стороны выпрямителя ПЧ, то ее функцией является сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения, если рассматривать конденсаторную батарею с d со стороны АИН ПЧ, то ее функцией является создание контура для разряда индуктивности цепи нагрузки при переключении управляемых ключей АИН. Таким образом, полная емкость конденсаторной батареи с d определяется выражением: cd = cn4 = св+си, (2.91) где С в - емкость, требуемая для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя, С и - емкость, требуемая для обеспечения цепи разряда АИН.
Емкость конденсаторной батареи с d в звене постоянного тока ПЧ обычно выбирается исходя из мощности АИН ПЧ и, как правило, составляет не менее 100 мкФ на 1 кВт мощности и запас порядка 20% [109]. В ПАФЭ с ОЗПТ, конденсаторная батарея с d, выполняет те же функции, что и в обычном ПАФЭ. Однако, в процессе работы ПАФЭ с ОЗПТ возможны два предельных режима работы конденсаторной батареи с d. В первом режиме, если ключи АИН ПАФЭ работают синхронно с ключами АИН ПЧ, то индуктивность нагрузки ПЧ может разряжаться, минуя конденсатор звена постоянного тока с d (цепь разряда: индуктивность нагрузки АИН ПЧ - обратные диоды АИН ПЧ - открытые транзисторы АИН ПАФЭ - питающая сеть), и в этом случае требуемая емкость конденсаторной батареи с d уменьшится по сравнению с расчетной емкостью. Во втором режиме, индуктивность нагрузки ПЧ разряжается одновременно с синхронизирующей индуктивностью L ф ПАФЭ (две цепи разряда: индуктивность нагрузки - обратные диоды АИН ПЧ - конденсатор с d и синхронизирующая индуктивность L ф - обратные диоды АИН ПАФЭ - конденсатор с d), в этом случае требуемая емкость конденсаторной батареи с d возрастает. Однако, ключи АИН ПЧ и АИН
ПАФЭ работают с различной частотой и заранее узнать растет требуемое значение емкости или уменьшается нельзя. В таком случае, можно исходить из наихудшего варианта и выбирать емкость звена постоянного тока с d по выраже 70 нию: сй = спч + сф, (2.92) где С пч - полная емкость конденсаторной батареи в звене постоянного тока ПЧ, С ПАФЭ - емкость, требуемая для обеспечения цепи разряда АИН ПАФЭ.
Стоит отметить, что поскольку с увеличением порядка гармоник, их амплитудное значение уменьшается, то основными гармониками, оказывающими влияние на гармонический состав первичного тока ПЧ, являются начальные гармоники спектра (5, 7, 11, 13), а влияние остальных гармоник существенно снижается. При этом, поскольку полная компенсация гармоник, как правило, трудно реализуема, то основные меры по коррекции качества электроэнергии направлены на снижение суммарных гармонических искажений и реактивной мощности ПЧ до приемлемого уровня. Отметим также, что в системах асинхронного электропривода переменного тока, для обеспечения запаса по мощности, мощность ПЧ подбирают на одну или несколько ступеней выше номинальной мощности используемого АД, при этом, в большинстве случаев, АД общепромышленных механизмов работают лишь с частичной загрузкой, когда момент на валу АД не превышает 50% номинального значения. Исходя из вышесказанного следует, что емкости звена постоянного тока с d ПЧ в большинстве случаев использования ПАФЭ с ОЗПТ будет достаточно для осуществления гармонической компенсации и компенсации реактивной мощности до приемлемого уровня. В случаях же недостаточной емкости конденсатора с d возможна установка дополнительного конденсатора в звено постоянного тока АИН ПАФЭ аналогично классическому ПАФЭ. При этом, за счет емкости конденсатора с d звена постоянного тока ПЧ, величина дополнительной емкости конденсатора АИН ПАФЭ будет меньше величины емкости конденсатора классического ПАФЭ.
Анализ работы релейного регулятора тока как средства управления АИНПАФЭ
В процессе исследования ПАФЭ с ОЗПТ была разработана система управления ПАФЭ частотно-временного типа. На основании исследований и компьютерного моделирования, проведенных в третьей главе в качестве регулятора тока, осуществляющего контроль выходного тока АИН ПАФЭ, был выбран РРТ, как регулятор, обладающий наилучшими выходными характеристиками и высоким быстродействием.
Для экспериментального подтверждения результатов теоретических исследований и результатов компьютерного моделирования РРТ была разработана экспериментальная лабораторная установка РРТ. Структурная схема разработанной экспериментальной лабораторной установки для исследования РРТ представлена на рисунке 4.1. Структурная схема блока РРТ, разработанной экспериментальной лабораторной установки для исследования РРТ представлена на рисунке 4.2.
Экспериментальная лабораторная установка для исследования РРТ была реализована на основе следующего оборудования: - модуль отладочной платы Mitsubishi 1200V DIP IPM (PS2205X) EVALUATION BOARD фирмы «Mitsubishi Electric» (реализация АИН); - силовая IGBT сборка с обратными диодами Mitsubishi PS22054 фирмы «Mitsubishi Electric» (реализация АИН); - DSP (англ. Digital signal processor) контроллер Piccolo TMDX28069USB фирмы «Texas Instruments» (реализация PPT); - линейный датчик тока CSLA1CH фирмы «Honeywell» (реализация датчика тока (ДТ) в цепи нагрузки); - блок питания -220 В/=24 В, ін = 2 А (реализация питания АИН по цепи постоянного тока); - реостат R н = 0 - 20 Ом (реализация активной нагрузки РРТ); 120 - катушка индуктивности LH = І І О 4 Гн (реализация индуктивной нагрузки РРТ); - автоматический выключатель -220 В, 1Н =5 А. Измерения выходных параметров экспериментальной установки производились при помощи следующего оборудования: - осциллограф DSO8060 фирмы «Hantek»; - мультиметр M890F фирмы «Mastech».
Принцип работы экспериментальной лабораторной установки для исследования РРТ - формирование и поддержание тока нагрузки заданной частоты и амплитуды с помощью РРТ. Общий вид и система управления экспериментальной лабораторной установки по исследованию РРТ представлены в приложении Г (рисунок Г.1, Г.2). Параметры экспериментальной лабораторной установки: Uc = 220 В, fo = 5 0 Гц, ии = 24 В, RH = 0"20 Ом, LH = П0"4Гн. К ВХОДУ АИН ПОД ключен стабилизированный источник питания напряжением равным 24В и максимальным током 2А. К выходу инвертора подключена однофазная нагрузка -резистор с переменным сопротивлением (R н ) и катушка индуктивности (L н ).
Для реализации экспериментальной лабораторной установки РРТ, компьютерная модель РРТ ПАФЭ, разработанная в главе 3.4 в оболочке Simulink программы Matlab, была скомпилирована при помощи программного обеспечения Code Composer Studio v4.2.1 и загружена в DSP контроллер Piccolo TMDX28069USB. Входное задание на требуемый ток в цепи нагрузки 13 и ширина зоны гистерезиса РРТ ± А н устанавливаются и изменяются программным путем через DSP контроллер. Обратной связью для РРТ является сигнал с датчика тока в цепи нагрузки (для повышения быстродействия системы использовались быстродействующие датчики тока на основе эффекта Холла). Обратная связь РРТ подключена к аналоговому входу DSP контроллера. Тогда в зависимости от величины задания тока в цепи нагрузки i3, ширины зоны гистерезиса ±лн и величины сигнала обратной связи ін, на выходе РРТ будут сформированы соответствующие сигналы управления. Эти сигналы поступают на дискретные выходы DSP контроллера, а затем на драйвер управления силовыми ключами АИН.
Так же как и при компьютерном моделировании РРТ, были проведены два экспериментальных исследования. В первом экспериментальном исследовании РРТ, нагрузка на выходе АИН является неизменной R н = const=5 Ом, L н =const= =гю 4 Гн, а ширина зоны гистерезиса РРТ изменяется (±Ан = var). Заданием на ток РРТ является синусоидальный сигнал с частотой f = 5 о Гц и амплитудой 1нт =1 2 А. Результаты отработки задания РРТ при ±Ан=0,01 А и при ±Ан =0,1 А представлены в приложении Г (рисунок Г.З, Г.4). Во втором экспериментальном исследовании РРТ, нагрузка на выходе АИН изменяется (RH = var, LH = const), а ширина зоны гистерезиса РРТ остается постоянной ±AH = const = o,oiA. Заданием на ток РРТ является синусоидальный сигнал с частотой f = 5 о Гц и амплитудой інт = 0,5 5 А. Результаты отработки задания РРТ при R н =2 Ом, L н =1 і о 4 Гн представлены в приложении Г (рисунок Г.5). Результаты отработки задания РРТ при RH= =10 Ом, LH=IIO 4Гн представлены приложении Г (рисунок Г.6). Результаты отработки задания РРТ при R н =20 Ом, L н =1 і о 4 Гн представлены в приложении Г (рисунок Г.7).
Как следует из графика мгновенного значения тока РРТ (рисунок Г.З) при ширине зоны гистерезиса РРТ ±Ан=0,01А, ток АИН имеет синусоидальную форму заданной частоты и амплитуды. При этом, форма тока АИН имеет достаточно малую, но четко выраженную высокочастотную модуляцию относительно заданного токового сигнала, равномерно распределенную на протяжении всего периода. При увеличении ширины зоны гистерезиса РРТ до ±Ан =0,1 А, (рисунок Г.4) ток АИН, по-прежнему, имеет синусоидальную форму заданной частоты и амплитуды, однако, амплитуда высокочастотного модулирующего сигнала существенно возрастает, а его частота уменьшается. Таким образом, изменение величины ширины зоны гистерезиса РРТ оказывает существенное влияние на форму выходного тока АИН. Следовательно, уменьшение величины зоны гистерезиса приводит к снижению амплитуды модулирующего сигнала и увеличению его частоты что, в общем случае, улучшает качество выходного сигнала РРТ. Увеличение величины зоны гистерезиса РРТ приводит к увеличению амплитуды моду 123 лирующего сигнала и снижению его частоты, что приводит к ухудшению качества выходного сигнала РРТ. Таким образом, при изменении значений ширины зоны гистерезиса РРТ поддерживает выходной ток АИН на заданном уровне с заданной частотой и амплитудой, однако, для обеспечения максимального качества выходного сигнала, РРТ необходимо настраивать по условию минимально допустимой ширины зоны гистерезиса ±дн.Как следует из графика мгновенного значения тока РРТ при RH=2 0M, LH==IIO ТН И ±АН = const = 0,01 А (рисунок Г.5), ток на выходе АИН имеет синусоидальную форму заданной частоты и амплитуды. При изменении величины нагрузки (сопротивления RH реостата) до значений R н =10 Ом, L н = і" і о 4 Гн (рисунок Г.6) форма выходного тока АИН, а так же ее частота, амплитуда и амплитуда модулирующего сигнала сохраняются. При изменении величины нагрузки до значений R н =20 Ом, L н = г і о 4 Гн (рисунок Г.7) форма выходного тока АИН, а так же ее частота, амплитуда и амплитуда модулирующего сигнала также остаются неизменными. Можно наблюдать незначительное снижение действующего значения выходного тока АИН с 0,39 А до 0,38 А и 0,37 А, однако, с учетом увеличения, в рассматриваемых случаях, сопротивления нагрузки R н в 5 и 10 раз соответственно, такое изменение тока (2,5% и 5%) является незначительным и находится в пределах погрешности измерительного прибора. Таким образом, при изменении значений величины нагрузки РРТ поддерживает выходной ток АИН на заданном уровне с заданной частотой и амплитудой. Следовательно, результаты, полученные при проведении экспериментальных исследований РРТ, подтверждают результаты теоретических расчетов и результаты компьютерного моделирования.
Экспериментальные исследования системы «неуправляемый выпрямитель - ПАФЭ с общим звеном постоянного тока»
Оставшиеся высокочастотные гармоники, не оказывают существенного влияния на гармонический состав тока суммарный коэффициент гармонических составляющих (IQ) составляет порядка 8%. Практически полное отсутствие сдвига фаз между первичным током системы «неуправляемый выпрямитель - ПАФЭ с ОЗПТ» и напряжением питающей сети означает также, что потребление системой «неуправляемый выпрямитель - ПАФЭ с ОЗПТ» реактивной мощности из питающей сети отсутствует (cosq) 1).
Следовательно, результаты, полученные при проведении экспериментальных исследований системы «неуправляемый выпрямитель - ПАФЭ с ОЗПТ», полностью подтверждают результаты теоретических расчетов и результаты компьютерного моделирования.
Основными энергетическими характеристиками ПАФЭ с ОЗПТ являются: гармонический состав первичного тока системы; КПД; потребляемая активная, реактивная и полная мощность; коэффициент мощности.
Для анализа энергетических характеристик системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» необходимо определить распределение мощностей в этой системе. Распределение мощностей в идеализированной системе «ПАФЭ с общ ОЗПТ - ПЧ-АД» представлено на рисунке 3.5. Распределение мощностей в реальной системе «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» представлено на рисунке 4.5. Для упрощения расчетов не будем учитывать гальваническую связь между АИН ПАФЭ и звеном постоянного тока ПЧ. Из схемы, представленной на рисунке 4.5 следует, что мощность в системе «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» в точке присоединения ПАФЭ делится на три составляющие. Тогда для наглядного выражения мощности, потребляемой ПАФЭ, ее можно определить путем сравнения мощностей, потребляемых из пи 131 тающей сети системой «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» и мощностей, потребляемых из питающей сети системой «ПЧ-АД». Разница между полученными мощностями и будет являться мощностью ПАФЭ. Таким образом, оценку эффективности применения ПАФЭ с ОЗПТ будем производить путем сравнительного анализа энергетических характеристик системы «ПЧ-АД» и системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД».
Компьютерная модель системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» в программной среде Matlab Simulink на основе блоков из библиотеки Simscape\SimPowerSystems представлена в параграфе 3.5 главы 3. Графики сравнения активной мощности потребляемой системой «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» (Р0) и активной мощности, потребляемой системой «ПЧ-АД» (Рн) представлены на рисунке 4.6. Как следует из графиков на рисунке 4.6 выполняется соотношение мощностей: Рс-Рн = ДР = Рф- (4-1) То есть активная мощность, потребляемая системой «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» (Ро) больше активной мощности, потребляемой системой «ПЧ-АД» (Рн) на величину ошибки Ap . Величина этой ошибки является активной мощностью, потребляемой ПАФЭ (мощность потерь на элементах ПАФЭ и согласующем трансформаторе).
Согласно графикам на рисунке 4.6 величина активной мощности р. , потребляемой ПАФЭ, достаточно мала и составляет менее 2% относительно мощности ПЧ. Величина активной мощности р. превышает 2% во время переходных процессов, но это время, как правило, значительно меньше относительно времени в установившемся режиме работы. Графики сравнения полной реактивной мощности потребляемой системой «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» ( 02 + то2 = Q 0 ) и полной реактивной мощности, потребляемой системой «ПЧ-АД» (\/QH + TH=QH ) представлены на рисунке 4.7.
Как следует из графиков на рисунке 4.7 также выполняется соотношение мощностей: Следовательно, полная реактивная мощность, потребляемая системой «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» (Q0 ) больше полной реактивной мощности, потребляемой системой «ПЧ-АД» (Q н ) на величину Q ф,. Величина Q ф является реактивной мощностью, отдаваемой ПАФЭ в питающую сеть для компенсации реактивной мощности системы «ПЧ-АД».
Согласно графикам на рисунке 4.7 величина полной реактивной мощности (Q ф ) практически равна полной реактивной мощности (Q н ) системы «ПЧ-АД» При этом, в моменты переходных процессов коэффициент мощности cos(Pc t системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» может существенно колебаться, однако, как и в случае активной мощности, длительность таких колебаний мала и не оказывает существенного влияния. Таким образом, на основании графиков 4.7, 4.8 можно заключить, что ПАФЭ с ОЗПТ является эффективным средством компенсации реактивной мощности, потребляемой системой «ПЧ-АД» из питающей сети.
Определение влияния ПАФЭ с ОЗПТ на КПД системы «ПЧ-АД», также удобно производить при помощи метода сравнения КПД системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» (л о) и КПД системы «ПЧ-АД» (л н) [70].
Основываясь на том, что Рс Рн на величину р. , и том, что величина Р. , как было определено ранее, составляет менее 2% от мощности ПЧ, следует, что ПАФЭ снижает КПД системы «ПЧ-АД» на величину до 2% тс = (0,98-о,99)тн.
Следовательно, использование ПАФЭ является эффективной мерой компенсации нелинейных искажений и реактивной мощности системы «ПЧ-АД» и при этом, практически, не снижает КПД системы «ПЧ-АД».
Для исследования энергетических характеристик ПАФЭ с ОЗПТ путем анализа гармонического состава первичного тока на основе компьютерного моделирования используем компьютерную модель системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» в программной среде Matlab Simulink на основе блоков из библиотеки Sim-scape\SimPowerSystems представлена в параграфе 3.5 главы 3 и блок реализации FFT анализа Simout. Для определения эффективности компенсации ПАФЭ с ОЗПТ нелинейных искажений первичного тока системы «ПЧ-АД», также как и в предыдущих случаях, воспользуемся методом сравнения гармонического состава первичного тока, потребляемого системой «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» из питающей сети и первичного тока, потребляемого системой «ПЧ-АД» из питающей сети. Спектральный анализ будем вести для установившихся режимов работы (первый и третий участки). Спектральный анализ первичного тока системы «ПЧ-АД» представлен на рисунках 4.9, 4.10. Спектральный анализ первичного тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» для тех же режимов работы представлен на рисунках 4.11, 4.12.
Согласно спектральному анализу первичного тока системы «ПЧ-АД», потребляемого из питающей сети, этот ток имеет насыщенный гармонический состав, и суммарный уровень Ki достигает значения 63,09%. При этом, в составе первичного тока системы «ПЧ-АД» в большей степени присутствуют канонические гармоники (5, 7, 11, 13...), однако также в его составе присутствуют интергармоники и субгармоники. Согласно спектральному анализу первичного тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД», потребляемого из питающей сети, этот ток имеет гармонический состав, практически полностью определяемый основной гармоникой тока и максимальный суммарный уровень нелинейных искажений составляет 2,43%.