Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности создания бытовой солнечной электростанции в Мьянме
1.1. Географическое положение и климатические условия Мьянмы 10
1.2. Проблемы электроэнергетики Мьянмы 12
1.3. Мировая солнечная энергетика 15
1.4. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мьянмы 18
1.4.1. Ресурсы солнечной энергии в Мьянме 21
1.5 Анализ последних известных схем автономной фотоэлектрической 99
установки (ФЭУ)
1.5.1 Инверторы для традиционных автономных солнечных 99
фотоэлектрических систем
1.5.2.Снижение потерь в солнечных фотоэлектрических системах... 23
1.5.2.1. Трансформаторная схема, сочетающая инверторную и конверторную части ФЭУ
1.5.2.2 Одноступенчатая система повышения напряжения и инвертирования
1.6 Задачи работы 27
Выводы по первой главе 28
Глава 2. Синтез структуры фотоэлектрической установки 29
2.1. График потребления электроэнергии в жилом доме 29
2.2. Выбор типа аккумуляторной батареи и его система обслуживания 31
2.3. Оптимальный угол наклона солнечной батареи для Мьянмы (г. Мандалай) 35
2.4 Выбор конструкции и напряжения автономной фотоэлектрической установки
2.5 Анализ традиционной структуры автономной фотоэлектрической ао установки
2.5.1. Синтезированная структура автономной фотоэлектрической установки Выводы по второй главе з
Глава 3. Расчёт площади солнечной батареи и ёмкости аккумуляторной батареи
3.1. Выбор типа солнечной батареи 42
3.2. Влияние температуры окружающей среды на характеристики солнечной батареи
3.3. Моделирование солнечной батареи в программе Simulink и в разделе -1 SimPowerSystem
3.4. Баланс энергии фотоэлектрической установки 56
3.4.1 Расчёт площади солнечной батареи 58
3.4.2 Проектирование солнечного модуля из рыночных элементов 59
3.5 Расчёт рабочей циклограммы ёмкости аккумуляторной .батареи
3.5.1 Расчёт номинальной ёмкости аккумуляторной батареи по её зарядному току
3.5.2 Расчёт номинальной ёмкости аккумуляторной батареи по разрядному току Выводы по третьей главе 64
Глава 4. Инвертор напряжения и характеристики фотоэлектрической установки для коттеджа 4.1. Решаемые вопросы при создании фотоэлектрической установки 66
4.2. Исследование разных вариантов схем инверторов 69
4.3 Расчёт трансформатора инвертора с нелинейной симметричной , характеристикой намагничивания
4.4. Расчёт индуктивности рассеяния трансформатора с размещением обмоток на разных сердечниках
4.4.1 Обеспечение гармонического состава выходного ол напряжения
4.5. Моделирование инвертора с силовым трансформатором с учётом насыщения сердечника
4.5.1. Моделирование ФЭУ с трансформатором, у которого qo
обмотки размещены на разных сердечниках
4.5.2 Моделирование ФЭУ с учетом гистерезиса сердечника Q трансформатора 4.6. Расчёт силовых элементов регулятора зарядного режима АБ 97
4.7. Исследование инвертора при разных нагрузках 99
4.8 Автоматическая стабилизация выходного напряжения инвертора. 101
4.8.1. Исследование стабильности выходного напряжения в однофазном инверторе по класическому алгоритмаму „. регулирования
4.8.2. Релейный регулятор напряжения 108
4.8.3. Регулятор с широтно-импульсной модуляцией 110
4.8.4 Биспособ регулирования (БР) напряжения инвертора 112
4.8.4.1. Исследование работы БР 116
4.8.4.2 Исследование влияния на работу однофазного
инвертора дополнительного включения несимитричной 11Q
импульсной нагрузки 4.9 Экспериментальное исследование характеристик солнечных батарей. 122
4.9.1. Снятие реальных вольт-амперных характеристик СБ 125
4.10. Расчёт надёжности и стоимости электроэнергии автономной фотоэлектрической установки
4.10.1. Вероятность безотказной работы аккумуляторной батареи 130
4.10.2. Рекомендации при применении устройств защитного 1 1 отключенияВыводы 132
Заключение 135
Перечень аббревиатур 137
Список литературы
- Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мьянмы
- Оптимальный угол наклона солнечной батареи для Мьянмы (г. Мандалай)
- Проектирование солнечного модуля из рыночных элементов
- Расчёт индуктивности рассеяния трансформатора с размещением обмоток на разных сердечниках
Введение к работе
Актуальность темы.
Потребности населения и промышленности Мьянмы в электрической энергии ограничены запасами нефти и газа, что приводит к необходимости использования возобновляемых источников энергии. Мьянма одна из развивающихся стран Юго-Восточной Азии. Удельное электропотребление в ней по сравнению с соседними странами низкое. В настоящее время одной из важнейших задач электроэнергетики является обеспечение надежного, бесперебойного электроснабжения всех промышленных и бытовых объектов. При этом развитие малых солнечных фотоэлектрических установок (ФЭУ), работающих как параллельно с сетью, так и в автономном режиме, может улучшить электроснабжение близко расположенных потребителей эффективнее и быстрее, чем развитие крупной энергосистемы. Поэтому работа, посвященная совершенствованию оборудования малой солнечной фотоэлектрической установки является актуальной и имеет большое практическое значение. Тема диссертации - «Разработка солнечной фотоэлектрической системы автономного электроснабжения индивидуальных потребителей в тропических условиях» является актуальной в связи с тем, что:
следует исследовать малые ФЭУ в условиях тропического климата.
целесообразно оптимизировать структуру ФЭУ из неориентируемой солнечной батареи (СБ), аккумуляторной батареи (АБ) и инвертора при различных напряжениях элементов.
работа однофазных инверторов с низким коэффициентом гармоник и надёжным способом регулирования напряжения в солнечной фотоэлектрической установке недостаточно освещена в научно-технической литературе.
Цель диссертационной работы заключается в создании информационного и методического обеспечения проектирования автономной системы электроснабжения (АСЭС) для тропических условий на основе ФЭУ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Выбор типа АБ и СБ наиболее полно отвечающих тропическим условиям эксплуатации.
-
Создание модельного описания ФЭУ, учитывающего уровень нагрузки, степень освещенности не ориентируемой СБ, климатические условия: температура, влажность, радиация.
-
Разработать измерительный орган регулятора напряжения инвертора не имеющий инерционных элементов и обеспечивающий точность стабилизации напряжения в широком интервале нагрузок с низким коэффициентом нелинейных искажений.
-
На основе системного проектирования АСЭС разработать техническое предложение, учитывающее результаты, полученные в пунктах 13. Методы научных исследований. При выполнении работы применялись методы модельно – ориентированного математического исследования, ценологический подход расчёта стоимости электроэнергии, на основе суточного энергобаланса оптимизирована цикличность включения потребителей. Результатом теоретических исследований явились разработанные универсальные прикладные математические модели, реализованные посредством программных пакетов Маtlab\Simulink. Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Расчетным путем и компьютерным моделированием установлено, что в заданных условиях применения ФЭУ дроссель переменного тока выходного LC фильтра инвертора напряжения можно исключить, а его функцию целесообразно возложить на индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмоток согласующего трансформатора.
-
Разработан новый регулятор напряжения инвертора с интегрированным релейным и широтно-импульсным модулятором, обеспечивающий быстродействие, не содержащий инерционных звенев в цепи обратной связи, в котором амплитуда выходного напряжения сравнивается с заданным опорным напряжением, состояшим из двух частей: постоянное опорное напряжение и пилообразное напряжение высокой частоты, наложенное на постоянное опорное напряжение.
-
Новый алгоритм формирования управляющих импульсов инвертора напряжения с выходным фильтром, который в совокупности с отрицательной обратной связю по амплитуде напряжения обеспечивает быстродействующий релейный режим стабилизации выходного напряжения ФЭУ и параметрическую ШИМ в конце полуволны с точностью ±8% выходного напряжения с приемлемым коэффициентом гармоник во всем диапазоне изменения возмущающих воздействий по питанию и по нагрузке.
-
На основе учета климатических условий Мьянмы, близости оптимального напряжения СБ и напряжения АБ в режиме заряда доказана возможность создания ФЭУ с соединением СБ и АБ через диод с 98% использованием установленной мощности СБ.
Практическая ценность и реализация полученных результатов заключается в следующем:
-
Разработаны две модели солнечной батареи, обобщающие известные математические описания СБ, учитывающие солнечную радиацию, температуру окружающей среды и позволяющие рассчитывать площадь СБ, максимальную мощность и КПД.
-
Реализована ФЭУ с низковольтной СБ, обеспечивающая безопасность и надежность системы.
-
Разработана новая концепция построения инверторов без использования ограничивающих импульс тока дросселей при высоком коэффициенте трансформации KTV =22.
4. Разработана схема ФЭУ, работающая при изменении сопротивления нагрузки от номинального до холостого хода для любых бытовых электроприборов.
Апробация работы. Результаты выполненной работе докладывались и обсуждались на следующих конференциях: ХI Международная ежегодная конференция «Возобновляемая и малая энергетика-2014» 27- ого мая. Москва, выставочный комплекс «Экспоцентр». Организаторы : Экспоцентр, Комитет по проблемам применения возобновляемых источников энергии РосСНИО (комитет ВИЭ РосСНИО), секция «Энергетика» российской инженерной академии, НИМК ЦАГИ, ЗАО НИЦ «ВИНДЭК»; Третья международная научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии», посвященная 100-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея, Реутов-Москва 20.05.2014; Девятнадцатая международная научно – техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ» 2013.г; Двадцатая международная научно – техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ» 2014.г. Двадцать первая международная научно – техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, Электроника и Энергетика» в НИУ «МЭИ» 27.02.2015.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ. Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 1 страницах машинописного текста, включая 30 таблицу и 90 иллюстрации. Список использованной литературы содержит 56 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и 10 приложений.
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мьянмы
В течение последних нескольких лет вклад ГЭС в выработку электроэнергии составляет около 35 % от общего объема потребления энергии в стране [10]. В последнее время Министерством разработано 26 проектов малых ГЭС и 9 проектов ГЭС средней мощности (установленные мощности ГЭС от 24 кВт до 5000 кВт). Эти проекты рассчитаны на отдаленные пограничные районы.
По сравнению с установленной мощностью производимая электроэнергия фактически намного меньше. Проблема заключается в том, что гидроэлектростанции не могут работать с полной мощностью из-за малого притока воды, а строительство и эксплуатация крупных гидроэлектростанций негативно влияет на окружающую среду. Кроме того, 50 % производимой электроэнергии теряется из-за технических неисправностей в объединенной системе при передаче. Через 15 лет установленная мощность ГЭС в Мьянме увеличится в 2 раза, так как в настоящий момент почти 19 гидроэлектростанций находятся на стадии строительства.
Мьянма находится недалеко от экватора, поэтому практически целый год солнце освещает всю территорию. Экспериментальные измерения показывают, что солнечная радиация в Мьянме имеет интенсивность более 5 (кВт. ч/м /сутки), в сухой сезон. Потенциал солнечной энергии составляет около 51973,8 ТВт-ч/год в соответствии с [10]. В первую очередь фотоэлектрические системы будут использоваться для электроснабжения отдаленных сел. Сейчас в некоторых районах уже используется солнечная энергия для освещения и перекачки воды. Суммарная установленная мощность фотоэлектрических установок (ФЭУ) составляет всего около 533 кВт. Использование солнечной энергии актуально для удаленных районов Мьянмы.
Наряду с солнечными батареями получили распространение концентраторы солнечной энергии с прямым преобразованием солнечной энергии в тепловую энергию воды и других энергоносителей. 1.4.1. Ресурсы солнечной энергии в Мьянме
Для решения энергетических проблем в Мьянме солнечная энергия имеет большие перспективы. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, состоят в том, что при работе солнечных установок не происходит загрязнения воздуха. Солнечная энергия зависит от состояния атмосферы, времени суток и года, но она является наиболее экологичной в сравнении с другими способами производства электроэнергии. Данные экспериментальных измерений солнечной радиации в столичных городах согласно [20] приведены в таблице 1.3 и на рисунке 1.6. Табл. 1.3
Эти города обладают значительными ресурсами солнечной энергии. По сутки данным наблюдений 5-ти метеостанций Мьянмы максимальное значение солнечной r r t (кВт -ч)/т2 радиации приходится на период с марта по май 6,64- , а минимальное сутки ( TCJ TTI V I / ffl значение - в декабре и январе 4-г 4,5- [20]. Это позволяет использовать сутки солнечную энергию в жилых домах и в сельской местности для бытового электропотребления. Проблема электроснабжения Мьянмы состоит в том, что не охватываются удаленные регионы страны. Солнечная электро-энергетика станет оптимальным решением этой задачи.
Схема традиционной ФЭУ изображена на рис 1.7. Она состоит из двух типов преобразователей DC/DC постоянного напряжения: 36/72 и 72/400 В и инвертора DC/AC 400В - 230 В 50 Гц [56].
Блок схема многокаскадная ФЭУ Для этой схемы используется инвертор на основе трех уровней напряжения: О В, 0,5Un, Un, что позволяет уменьшать значение массы пассивного L-C фильтра. Силовая схема инвертора с тремя уровнями напряжения показана на рис. 1.8. В инверторе коммутационные устройства работают с частотой переключения 50 кГц для системы 5 к В А [56].
Снижение потерь в солнечных фотоэлектрических системах Недостатком традиционной схемы ФЭУ, показанной на рис. 1.7 является большое количество ступеней преобразования энергии (3 ступени). Если уменьшить число этапов преобразования энергии, общая эффективность системы может быть увеличена, и одновременно надежность системы может быть повышена [56].
Проанализированы две топологии системы, которые описаны ниже. Эффективность этих схем проверяется посредством детальных исследований при моделировании.
Принципиальная схема преобразователя, реализующая эти функции приведена на рис. 1.10 [56]. В этом случае функция преобразователя постоянного тока и инвертора выполняется четырьмя транзисторами VT1 -f VT4. Повышают напряжение транзисторы VT1,VT3, образующие с дросселями LI, L2 пушпульные конверторы напряжения. Повышенное напряжение, возникающие на дросселях L1,L2 при коммутации транзисторов VTb VT3 подается на выходной конденсатор С2 через диоды VDi, VD2 и транзисторы VT2, VT4. Положительная полуволна выходного напряжения создается диодом VDi и транзистором VT2, а отрицательная полуволна создается диодом VD2 и транзистором VT4. Транзисторы VT2, VT4 включены по половине периода частоты 50 Гц. Дроссели LbL2 выполняет функцию накопителей энергии, отбираемой от СБ и передаваемой через диоды транзисторы VD1, VD2 и
Схема управления ФЭУ выполняет две группы функции: формирования выходного напряжения с низким коэффициентом гармоник и сервисные функции ФЭУ как нового элемента жилого дома: работа с различным характером нагрузок (крест-фактор 1-=-4), защита персонала и АБ от перенапряжений и переразряда, выдача персоналу информации о состоянии ФЭУ.
Во всех известных схемах инверторов управление силовыми транзисторами осуществляется схемой управления, содержащей сигнальный микропроцессор, формирующий заданное синусоидальное напряжение с заданной частотой, схему измерения мгновенного значения выходного напряжения инвертора, схему формирования токового коридора между заданным значением синусоидального напряжения и измеренным напряжением выхода инвертора, схему формирования, управляющих ШИМ импульсов на высокой частоте, управляющих транзисторами инвертора. Недостатком этих схем (рис. 1.7-ї-1.10) является наличие импортных микросхем, сложность системы формирования синусоидальной ШИМ, инерционность измерительного органа напряжения, что приводит к появлению паразитных скачков напряжений вблизи нулевого значения, появление модуляции напряжения на частоте 25 Гц, модуляции входного тока и тока нагрузки при изменении номинальной нагрузки (cosq)= 0,4 -=-1). Как правило эти системы третьего порядка, собственно не устойчивы, требуют корректирующий устройств, повышающих быстродействие. Ставится задача разработать схему управления инвертора, лишенную этих недостаток, не использующую цифровых процессоров, вносящих задержку.
Оптимальный угол наклона солнечной батареи для Мьянмы (г. Мандалай)
Для получения максимальной мощности СБ важно ориентировать плоскость СБ на Солнце. Чтобы поглощать максимальное количество солнечной энергии, плоскость солнечного коллектора должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам [42]. Однако Солнце освещает земную поверхность в зависимости от времени суток и года под различным углом. Используется неподвижная СБ, размещаемая на самой высокой точке на крыше дома. Для монтажа СБ необходимо знать оптимальную ориентацию в пространстве в соответствующем районе. Для города Мандалай с координатами 21 58 37" Ш 96 5 13" Д надо определить оптимальный, постоянный в течение всего года, угол наклона Р между горизонтальной поверхностью и плоскостью СБ (рис.2.4). При угле наклона СБ Р=0 удельная энергия равна Эгод р=1861,7 кВт.ч /м .год [10]. Для угла наклона СБ, равному углу наклона крыши дома (ркр) р = ркр = 40 удельная энергия равна Эгод р= 1906,01 кВт.ч /м .год. Оптимальный угол наклона крыши дома, обеспечивающий наилучшую защиту от дождей ркр = 40. При наклоне СБ равному широте местности Р = 20,88, удельная энергия равна Эгод р=1976 кВт.ч /м .год (табл.2.4). Угол наклона Р=23 дает максимальную годовую солнечную энергию Эгод р=1978 кВт.ч /м .год [10], но для такой установки ФЭУ требуется перестройка крыши, которая имеет обычно Р = Ркр =40. При установке ФЭУ с В = ВкР = 40 приход солнечной радиации будет меньше с марта по сентябрь (по сравнению с В=23) на 3%. С мая по июль из-за дождя снижается солнечная радиация на 19% [10].
Мандалай (Мьянма). Суммарная годовая энергия солнечной радиации в год в зависимости от угла наклона для района с координатами 21 58 37" Ш 96 5 13" Д приведена в табл. 2.4 и на рис. 2.5. Поскольку система с ориентацией СБ на Солнце громоздкая и требует сложного автоматизированного электропривода, следящего за Солнцем согласно [43], применяется неподвижная, расположенная на крыше панель СБ с выбранным углом наклона Р = 40, к которой параллельно подключается АБ. Так как потребителям требуется стандартное напряжение 220 В с частотой 50 Гц, между АБ и потребителем будет использоваться повышающий стабилизированный преобразователь напряжения с синусоидальной формой. В тёмное время суток питание преобразователя (инвертора) будет осуществляться от АБ, которая заряжается днём. Выбор напряжения панели СБ и АБ делается с учётом следующих соображений:
Аккумуляторная батарея начинает заряжаться, когда напряжение солнечной батареи за счёт роста освещённости увеличивается до уровня минимального напряжения АБ, которое составляет 10- 12 В. Выясним, нужен ли повышающий преобразователь напряжения L2, VT3, VD6 между СБ и АБ (рис.2.6).
Схема замещения ФЭУ с моделью СБ в виде управляемого источника тока PV1 и преобразователем, повышающим напряжение солнечной батареи L2, VT3, VD6
На рис. 2.7 приведены возможности согласования энергетических характеристик элементов ФЭУ с учетом внешних условий в тропиках. Это типовые характеристики тока СБ 1СБ (А), напряжения СБ иСБ (В), изменение температуры окружающей среды T (С), мощности солнечной радиации в зависимости от времени суток Рс(Вт/м ) [3].
Согласование характеристик СБ с напряжением АБ в зависимости от освещенности Солнцем.
Ради этих 2% потерь применять повышение напряжения нет большой нужды. В исследованных схемах (рис. 4.2 ч-4.7) не использован этот преобразователь, потому что в результате расчета потерь при отсутствии преобразователя и при его наличии, оказалось, что при КПД = 0,8 преобразователь не даёт выгоды. Доказана возможность создания ФЭУ без преобразователя напряжения между СБ и АБ, что актуально для тропических широт.
Преобразователь на L2, VT3, VD6 (рис.2.6), повышающий напряжение, имеет КПД = 0,8. Его включение позволяет использовать энергию для заряда АБ с 6 до 7 утра и с 17 до 18 вечера (рис. 2.7). Но потери в повышающем преобразователе L2, VT3, VD6 соизмеримы с добавочной энергией, определяемой площадью треугольников а и б (рис.2.7), поэтому используем параллельное соединение СБ и АБ через диод VD6, отказавшись от L2 и VT3.
Синтезированная структура автономной фотоэлектрической установки ФЭУ для коттеджа с учетом проведенного анализа элементов содержит первичный источник - солнечную батарею (СБ) (рис. 2.8), размещенную на крыше и постоянно ориентированную на юг с выбранным углом наклона Р = 40, аккумулятор и аппаратуру регулирования и инвертирования постоянного напряжения в переменное - инвертор. Задача исследования состояла в определении оптимального напряжения АБ и СБ, типа преобразователя напряжения при фиксированных параметрах нагрузки. Следует проанализировать ФЭУ с напряжением АБ и СБ между 14 В и 220 В с инвертором в переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц и синусоидальной формой с искажением меньше Kr(Un) 10 %. Защиту АБ от перенапряжения обеспечивает "блок защиты АБ".
Проектирование солнечного модуля из рыночных элементов
В низковольтных схемах (рис. 4.2, 4.3, 4.6 и 4.7) используются автомобильные аккумуляторы АБ 12 -14В, а в высоковольтных схемах (рис 4.4 и 4.5) требуется последовательное соединение 18 аккумуляторов по 12 В каждый. Высоковольтная СБ (рис 4.4 и 4.5) требует тщательной изоляции выводов и электрических соединений на крыше для уменьшения токов утечки особенно в сезон дождей. В низковольтных схемах (рис 4.2, 4.3, 4.6 и 4.7) ток VT, TV и VD на порядок выше (в 10 раз), чем в высоковольтных схемах (рис 4.4, 4.5 и см.табл. 4.1). По всплескам коммутационных напряжений на транзисторах схемы (рис 4.2 и 4.3) равноценны: уровень напряжения 200-г220В.
Преимуществом мостовой низковольтной схемы с повышающим трансформатором (рис 4.6 и 4.7) является низкое максимальное напряжение на транзисторах VT1 -VT4, равное 14 В при любом включении дросселя Lb Ь2(табл. 4.3). В высоковольтной схеме рекомендуется дроссель Ь2=60мГн (табл. 4.2) включать в шину переменного тока (рис. 4.5), а в низковольтной схеме (рис. 4.6) - в шину постоянного тока -Li= 9,5 мГн (табл. 4.1).
Ёмкость конденсатора С2 рассчитанная из условия компенсации индуктивного тока нагрузки должна быть равна 80-г90 мкФ. Во всех 6 схемах ёмкость С2=170-г200мкФ включена параллельно нагрузке и обеспечивает форму напряжения Кг(ин) 10%. В низковольтной схеме (рис. 4.2) для ограничения коммутационных перенапряжений на VT использованы 2 шунтовых конденсатора С1 и СЗ по 100 мкФ, два диода (VD3 и VD4) и два резистора (R1 и R2), включенных между коллекторами VT и + АБ. Параметры нагрузки - номинальное активное сопротивление RH= 19,36 Ом, индуктивность нагрузки LH=0,046 Гн, сопротивление нагрузки изменялось от номинального значения до холостого хода. VTl
Осциллограмма тока АБ, мостовая схема с дросселем переменного тока Выбранный метод моделирования в программе МАТЛАВ Simulink позволяет исследовать все режимы работы ФЭУ. Для высокочастотного инвертора, результаты моделирования и анализа несимметричного режима перемагничивания сердечника силового трансформатора в двухтактных мостовых структурах приведены в [48]. В нашем случаи коэффициент несимметрии ожидается значительно меньше из-за низкочастотного инвертора.
Проведён анализ при различных напряжениях СБ и АБ. Выбранные модели основных элементов ФЭУ: АБ, СБ, устройств контроля и регулирования позволяют оценить качество работы ФЭУ при различных нагрузках. Совмещены вольт-амперные характеристики СБ и АБ в точке максимальной мощности СБ. Самой дешевой может считаться низковольтная схема со средней точкой (рис. 4.2), поскольку она имеет минимальные потери в транзисторах (табл. 4.2). Самая надёжная схема - мостовая с низким напряжением, поскольку в ней отсутствуют перенапряжения (рис. 4.7). Высоковольтная мостовая схема имеет минимальный обратный ток "-обр = — = 0,3, - (рис. 4.5). Самый минимальный ток, протекающий через транзисторы, обеспечивает высоковольтная мостовая схема (рис. 4.4. и 4.5). В результате этого анализа выбрана мостовая схема благодаря её положительным свойством: отсутствие перенапряжений, малые габариты трансформатора, незначительные обратные токи через диоды (табл.4.3) согласно [37], низкое напряжение СБ, расположенная на крыше дома обеспечивает надёжность и безопасность. Расчёт трансформатора инвертора с нелинейной симметричной характеристикой намагничивания В настоящее время для автоматизированного расчета моточных изделий предлагается программа [53]. Использовать данную программу не представляется возможным на частоте 50Гц из-за ограничений базы данных вследствие частоты
Трансформаторы серии ОСМ1 (однофазные, сухие, многоцелевого назначения) мощностью 0,63 - 4кВА исполнения УЗ с номинальным напряжением до 660 В предназначены для питания цепей управления, местного освещения, сигнализации и автоматики [52] в нашем случаи не рекомендуются для использования, поскольку у них имеется много дополнительных обмоток.
Расчет трансформатора для схемы (рис. 4.7) проводится с исходными данными: мощность - pw = 2000Вт, частота - / = 50Гц, входное напряжение -иАБ=10+ЫВ, выходное напряжение - UH=220B. Рассчитываются параметры трансформатора: намагничивающий ток - 7 (А), магнитный поток P(B.s), площадь сечения сердечника SC(M2) И средняя длина силовой линии сердечника 1ср(м). Задаем индукцию Bs = 1,387л, коэффициент заполнения обмотки К3 = 0,3 согласно [34] и плотность тока j = 3 106A/.w2. Обозначим площадь окна для обмотки (меди) SM(M2), в которой расположены катушки. Проводится расчёт площади сечения сердечника SC(M2) согласно [29,35];
Расчёт индуктивности рассеяния трансформатора с размещением обмоток на разных сердечниках
Исследование показало, что при изменении напряжения АБ на 40 % - от 10 до 14 вольт - выходное напряжение иш изменяется на 4 % - от 221 В до 231,3 В. Требуемый диапазон изменения напряжения ±10% этот метод обеспечивает. Положительным свойством данного способа регулирования является то, что система регулирования поддерживает требуемый уровень напряжения UH с мало-изменяющимся коэффициентом искажений Кг(иНз) = 5,7 -f 12,8 %.
Рассмотрены три методики автоматической стабилизации выходного напряжения инвертора: релейный регулятор напряжения, регулятор с широтно-импульсной модуляцией и новый регулятор с интегрированным релейным и широтно-импульсным модулятором. На рис. 4.43 показаны итоговые результаты этих трёх методов регулирования напряжения. Кг(и„)(%) UH(B)
На рис. 4.43 видно, что релейный регулятор напряжения поддерживает требуемый уровень напряжения, показан черным цветом, а коэффициент гармоник составляет Кг (UHI) = 5,71 -г 14 %, что показано черной пунктирной линей. Регулятор с широтно-импульсной модуляцией не обеспечивает требуемый уровень напряжения, показан красным цветом, а коэффициент искажений составляет Кг (Um) = 4.03 -f 4,82 %, что показано красной пунктирной линией. Регулятор с интегрированным релейным и широтно-импульсным модулятором обеспечивает высокую точность стабилизации напряжения 4 %, показан зеленым цветом, что удовлетворяет требуемому диапазону изменения напряжения ±10% , при этом коэффициент искажений составляет Кг(иНз) = 5,7 -г 12,8 %, что показано зеленой пунктирной линией. Рекомендуется использовать третий способ регулирования, поскольку он поддерживает уровень напряжения и не дает высокий коэффициент искажений.
Результаты моделирования ФЭУ: а) выходное напряжение инвертора, б) ток, протекающий через нагрузку, в) ток источника питания (на входе инвертора), сверху вниз. Сравнение КАР (рис.4.44) с БР (рис.4.45). На рис. 4.44 видно, что КАР начинает регулировать с 4 ого периода (0.08с). БР работает с первого периода (0.02с) на рис.4.45. Результаты моделирования ФЭУ: а) выходное напряжение инвертора, б) ток, показывает, что задержка поивляется в звене измерительного оргена из-за фильтрующего конденсатора Сі (рис.4.23). Особенность БР (рис.4.45), у него нет в измерителном органе реактивных элеметов (рис.4.35), только работает с активными элеметами, задержки нет.
Следовательно проведено исследование на основе надежности работы инвертора при изменении cos ф = 0,4 т 1 с максимальной мощностью 2 кВт, поскольку в Мьянме разброс cos ф нагрузки большая, из-за не качественных бытовых потребителей. Сделаны испитание при включении нагурки 2кВт с cos ф = 0,4, в КАР появляется модуляпя 1 и ток 1н не синусоидальная (рис.4.46). А в быстродействующем регуляторе при одной той же мощности и cos ф не появляется модуляция выходного напряжения и тока нагрузки (рис. 4.47).
Зависимости 1 и Кг от cos ф Исследование показало, что БР сохраняет свою качественную работу при разных cos ф = 0,4 -f 1 с максимальной мощностью 2 кВт. БР обеспечивает точность UH =220 (±10%) и Кг 10%.
Исследование влияния на работу однофазного инвертора дополнительного включения несимитричной импульсной нагрузки
Рис. 4.49 Временная диаграмма включения дополнительной импульсной нагрузки 120 На рис. 4.50 показаны временные диаграммы UH, Ін и ток источника питания 1п, использован КАР, показанный по схеме рис.4.23. Проводилось моделирование при двух режимах UAB =10 В, а также UAB =14 В. В КАР использовано значение тактовой частоты развертывающего напряжения fp = ІкГц с амплитудой ир(мак) = 5В. На рис. 23 видно, что появляется модуляция UH из-за задержки в звене измерительного оргена фильтрующего конденсатора Сі (рис.4.50).
Результаты моделирования по схеме (рис.4.23), а) выходное напряжение инвертора, б) ток, протекающий через нагрузку, в) ток источника питания (на входе инвертора)
Результаты моделирования по схеме (рис.4.35), а) выходное напряжение инвертора, б) ток, протекающий через нагрузку, в) ток источника питания (на входе инвертора)
На рис. 4.51 показаны временные диагрммы UH, Ін и Іп в моделировании с быстродействущем регулятором, видно что модуляция выходного напряжения полностью отсутствует.
На рис.4.52 показаны результаты на основе проведенного исследования, сделано сравнение БР и КАР при напряжениях ЦДБ = 10 В и 14 В с включением дополнительной несимитричной импульсной нагрузки. Синим цветом показаны результаты КАР (сплошная синяя линия - UH) и (синяя пунктирная линия - Кг). Так же черным цветом показаны результаты БР (сплошная черная линия - UH) и (черная пунктирная линия - Кг).
Исследование показало, что у КАР при UAB = 14 В С включением дополнительной импульсной нагрузки дает стабильность UH (Ku = 1,1) и Кг меняется от 6,6 % до 18 % хотя обеспечил при номинальной нагрузке Кг 6 %. А БР обеспечивает стабильность UH (Ku = 1) и Кг от 11.48 % до 14 %. БР обеспечивает точность UH лучше чем КАР и стабильность Кг.
Охлаждение СБ осуществляется путём конвекции воздуха. Удельный расчетный коэффициент теплоотдачи а с использованием коэффициента теплопроводности воздуха, кинематической вязкости воздуха, коэффициента теплового расширения и критериев Прандтля, Релея, Нусельта находится в пределах я = 5 10( Вт/т2К).