Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор РПН, УУКЭ 15
1.1. Известные решения регуляторов напряжения 15
1.1.1. Регуляторы с фазовым способом регулирования 15
1.1.2. Регуляторы с вольтодобавкой 17
1.1.3. Регуляторы с ШИ способом регулирования 18
1.1.4. Повышающие и повышающе-понижающие регуляторы 21
1.1.5. Преобразователи со звеном повышенной частоты 23
1.1.6. Электромеханические стабилизаторы напряжения 25
1.1.7. Дискретные (ступенчатые) стабилизаторы напряжения 26
1.1.8. Ферромагнитные стабилизаторы напряжения 28
1.2. Вентильные компенсаторы неактивных составляющих полной мощности и УУКЭ 29
1.2.1. Компенсаторы реактивной мощности 30
1.2.2. Компенсаторы мощности искажений - активные фильтры 32
1.2.3. Динамические компенсаторы искажений напряжения 32
1.2.4. Компенсаторы провалов напряжения (КПН) 35
1.2.5. Статические компенсаторы в электрических сетях энергосистем 36
1.2.6. Устройства симметрирования фаз 38
1.3. Промышленные разработки 39
2. Разработка многозонных РПН 51
2.1. Двухзонный тиристорный РПН 51
2.2. Двухзонный транзисторный РПН 54
2.3. Построение аналитических моделей многозонных РПН 55
2.4. Анализ электромагнитных процессов 57
2.4.1. Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений однофазного тиристорного РПН 57
2.4.2. Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений однофазного транзисторного РПН
2.5. Мощность потерь, расчет КПД 68
2.6. Инженерная методика расчёта 71
2.7. Выводы по главе 2 74
3. Разработка ПБ РПН с пофазными коммутаторами 75
3.1. Аналитический расчет и результаты 79
3.1.1. Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений базового транзисторного РПН 79
3.1.2. Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений упрощенного транзисторногоРПН с коммутируемым реактором 83
3.1.3. Расчет действующих значений высших гармоник токов и напряжений ПБ РПН с пофазными коммутаторами 86
3.2. Мощность потерь, расчет КПД 86
3.3. Инженерная методика расчёта 89
3.4. Выводы по главе 3 90
4. Разработка нового семейства ПП РПН с общим коммутатором 92
4.1. Аналитический расчет и результаты 94
4.1.1. Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений 1111 АС-АС регулятора с коммутатором в нуле источника и цепи нагрузки до конденсаторов в нагрузке 94
4.1.2. Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений ПП АС-АС регулятора с коммутатором в нуле источника и цепи нагрузки без конденсаторов 97
4.1.3. Расчет действующих значений высших гармоник токов и напряжений 1111 РПН с общим коммутатором
4.2. Мощность потерь, расчет КПД 101
4.3. Инженерная методика расчёта 102
4.4. Выводы по главе 4 104
5. Использование новых безтрансформаторных регуляторов в качестве УУКЭ 105
5.1. Многозонные регуляторы (первый и второй подходы) 106
5.2. ПБ РПН с пофазными коммутаторами (третий подход) 109
5.3.1111РПН с общим коммутатором (четвертый подход) 112
5.4. РПН как компенсатор реактивной мощности 113
5.5. РПН как активный фильтр 115
5.6. РПН как компенсатор провалов напряжения 118
5.7. РПН как компенсатор несимметрии 120
5.8. РПН как компенсатор фликкера 121
5.9. РПН как элемент "умной" сети 124
5.10. Сравнение предлагаемых регуляторов по энергетическим и экономическим параметрам 126
5.11 Выводы по главе 5 128
6. Результаты моделирования регуляторов и поставленного эксперимента 130
6.1. Результаты моделирования 130
6.1.1. Двухзонный тиристорный РПН 130
6.1.2. Двухзонный транзисторный РПН 131
6.1.3. ПБ базовый трехфазный транзисторный РПН 133
6.1.4. ПБ упрощенный трехфазный транзисторный РПН с коммутируемым реактором 133
6.1.5. ПБ упрощенный трехфазный транзисторный РПН с коммутируемым конденсатором 135
6.1.6. ПБ простой трехфазный транзисторный РПН с разделенными фазами источника 135
6.1.7. ПБ простой трехфазный транзисторный РПН с разделенными фазами нагрузки 136
6.1.8. ПП АС-АС регулятор с коммутатором в нуле источника и цепи нагрузки до конденсаторов в нагрузке 138
6.1.9. ПП АС-АС регулятор с коммутатором в нуле источника и цепи нагрузки без конденсаторов в нагрузке 139
6.2. Эксперимент 141
6.3. Выводы по главе 6 150
Заключение 152
Список литературы
- Преобразователи со звеном повышенной частоты
- Построение аналитических моделей многозонных РПН
- Расчет действующих значений высших гармоник токов и напряжений ПБ РПН с пофазными коммутаторами
- Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений 1111 АС-АС регулятора с коммутатором в нуле источника и цепи нагрузки до конденсаторов в нагрузке
Введение к работе
Актуальность работы. Потребность в стабилизации, регулировании, улучшении качества переменного напряжения актуальна для всех сетей переменного тока и особенно для "умных" сетей, что требует создания соответствующих конверторов силовой электроники на базе автономных инверторов напряжения или инверторов тока. Но подобные конверторы нуждаются в применении громоздких, дорогих реактивных элементов в виде электролитических конденсаторов или реакторов соответственно. К тому же наличие в конверторе внутреннего звена постоянного напряжения или тока обостряет проблемы с ликвидацией аварийных режимов в этих звеньях.
Проблема улучшения качества электрической энергии (КЭЭ) остро стоит в разработке устройств, повышающих КЭЭ, к которым можно отнести компенсаторы реактивной мощности, активные фильтры, компенсаторы провалов напряжения, несимметрии, фликкера и устройства мягкого пуска асинхронных и синхронных двигателей, особенно высоковольтных. Что актуально из-за больших пусковых токов двигателей, приводящих к глубоким провалам напряжения питающей сети. Распространенные тиристор ные устройства плавного пуска двигателей переменного напряжения хотя и уменьшают в 2-3 раза пусковой ток двигателей, но существенно портят его форму и создают дополнительную реактивную составляющую тока, обусловленную фазовым регулированием напряжения посредством угла задержки включения тиристоров. Это обстоятельство снижает входной коэффициент мощности пускового устройства и увеличивает потери активной мощности в двигателе.
Известные типовые устройства плавного пуска асинхронных двигателей, содержащие встречно-параллельные тиристоры в каждой фазе, характеризуются двумя принципиальными особенностями. Во-первых, пониженными энергетическими показателями во время пуска, что связано с несинусоидальностью форм выходных напряжений и выходных и входных токов, а также с наличием сдвига фазы тока относительно напряжения, увеличивающегося по мере регулирования вниз выходного напряжения. Во-вторых, ограниченным сверху единицей коэффициентом преобразования по напряжению, не позволяя сохранять номинальное напряжение на выходе регулятора при снижении входного напряжения.
Альтернативные решения указанных проблем "умных" сетей основываются на других типах конверторов, а именно на АС-АС конверторах, как то регуляторах переменного напряжения, циклоконверторах, матричных конверторах. На базе этих конверторов естественным образом выполняются регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения, регуляторы реактивной мощности, активные фильтры гармоник, компенсаторы провалов в кривой напряжения, симметрирующие устройства в многофазных сетях и т. п. Причем все эти конверторы являются однокаскадными и соответственно не содержат внутри себя звена постоянного тока с большими реактивными накопительными элементами.
Большой вклад в исследование и разработку регуляторов переменного напряжения внесли - М.В. Гельман, В.В. Голубев, В.Ф. Дмитриков, Б.К. Жарский, Г.С. Зиновьев, А.В. Кобзев, B.C. Копырин, К.А. Липковский, СП. Лохов, Г.Я. Михальченко, Г.С. Мыцык, А.Е. Обухов, В.И. Попов, Ю.К. Розанов, А.В. Тараскин, P.P.J, van den Bosch, L. Chen, D. Divan, M. Dumitrescu, P.N. Enjeti, D. Floricau, N.H.M. Hofmeester, S. Ivanov, J.B. Klaassens, O.C. Montero-Hernandez, F.Z. Peng, I. Popa, A. Prasai, S. Srinivasan, G. Venkataramanan, F. Zhang и др.
Для успешного решения указанных проблем необходимо наличие эффективных регуляторов переменного напряжения. Известные тиристорные регуляторы с фазовым регулированием плохо подходят для этого из-за искаженных форм входных и выходных токов и задержки в регулировании, связанной со свойствами естественной коммутации. В середине 90-х годов прошлого века появились транзисторные регуляторы переменного напряжения с накопительными реакторами и конденсаторами, характеризующиеся практически синусоидальными формами входных и выходных токов и хорошей динамикой их регулирования при высоких частотах переключения транзисторов. Особо здесь надо отметить возможность безтрансформаторного повышения выходного напряжения по отношению к входному у некоторых типах регуляторов.
Таким образом, показано, что видна необходимость в разработке регуляторов с улучшенным КЭЭ. Поэтому, диссертационная работа посвящена созданию регуляторов переменного напряжения с улучшенной электромагнитной совместимостью для электротехнических систем с улучшенным качеством электрической энергии.
Целью диссертационной работы является разработка научно-технических решений для создания энергосберегающих регуляторов переменного напряжения с практически синусоидальным входными и выходными токами для устройств улучшения качества электроэнергии (УУКЭ), таких как компенсаторов реактивной мощности, активных фильтров, компенсаторов провалов напряжения, несимметрии, фликкера и устройств плавного пуска асинхронных двигателей.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
-
Разработка новых регуляторов переменного напряжения (РПН).
-
Распространение прямого метода расчета энергетических показателей конверторов на их модели с переменными параметрами.
-
Анализ энергетических характеристик и сравнение их с результатами моделирования.
-
Разработка и анализ РПН, как устройств плавного пуска и регуляторов качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности, фильтрации высших гармоник, компенсации провалов напряжения, несимметрии и фликкера.
-
Создание и исследование экспериментального макета разрабатываемого регулятора.
Методы исследования. При выполнении исследований в работе использовались прямые методы анализа энергетических показателей вентильных преобразователей, аппарат рядов Фурье, элементы линейной алгебры, пакеты программ Mathcad и PSIM.
Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации, в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы», по государственному контракту № 2.1.2/3041 (2009-20Югг), 2.1.2/10941 (2011г.) и при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по государственному контракту 14.В37.21.0333 от 26 июля 2012г.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На уровне изобретений, предложены новые схемы энергосберегающих регуляторов переменного напряжения с практически синусоидальным входными и выходными токами для устройств улучшения качества электр оэнергии.
-
Разработано расширение прямого метода расчета энергетических показателей на модели преобразователей с переменными параметрами.
-
Получены энергетические характеристики для зон повышения и понижения напряжения и оценки качества тока и напряжения новых регуляторов.
Практическая ценность работы. Представленный в работе анализ новых безтрансформаторных РПН показывает возможность использования преобразователей в качестве УУКЭ: компенсаторов реактивной мощности, активных фильтров, компенсаторов провалов напряжения, несимметрии, фликкера и устройств плавного пуска. Кроме того представленные регуляторы могут быть использованы в водном и железнодорожном транспорте, где требуется наличие преобразователей АС-АС напряжения и устройств пуска электроприводов. КПД исследуемых регуляторов в рабочей зоне достигает 97-99%, коэффициент гармоник входного тока, при этом остается равным до 5%, входной коэффициент мощности 0,85-0,92.
Помимо этого даны рекомендации по созданию системы управления в составе устройства плавного пуска на основе двузонного тиристорного РПН с улучшенной формой тока на входе регулятора и асинхронного двигателя. В сравнении с классическим однозонным РПН имеется заметное улучшение качества выходного тока (до двух и более раз) и входного тока (до двух раз), что соответственно уменьшит потери от тока в питающей сети.
На защиту выносятся:
-
Новые схемы регуляторов переменного напряжения с улучшенным качеством электрической энергии.
-
Расширение прямого метода расчета энергетических показателей на модели конверторов с переменными параметрами.
-
Результаты анализа энергетических характеристик и показателей качества электрической энергии новых схем регуляторов.
Достоверность полученных результатов обоснована теоретическими выкладками, подтверждается математическим и физическим моделированием, которые дали адекватные результаты.
Личный вклад автора состоит в анализе новых многозонных тиристорного и транзисторного РПН, повышающих безтрансформаторных РПН и повышающе-понижающих РПН с общим коммутатором; в выполнении расчетов и построении энергетических характеристик регуляторов; в проведении экспериментальных исследований созданного макета двузонного тиристорного трехфазного РПН.
Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы были внедрены в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ), переданы в ОАО "Авиационное оборудование", г. Москва и ЗАО "ЭРАСИБ", г. Новосибирск.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на 12 мероприятиях, основные из которых представлены ниже.
-
4-й Международный форум по стратегическим технологиям. IFOST-2009, октябрь 21-23.
-
12th International Conference and Seminar EDM'2011, June 30 - July 4.
-
Электроприводы переменного тока - ЭППТ-2012, Март 12-16.
-
Проблемы современной электротехники - ПСЭ-2012, 4-8 июня 2012.
-
18-я международная научно-техническая конференция. Силовая электроника и эффективность - СЭЭ-2012, 17-21 сентября 2012.
6. 14th International Conference and Seminar EDM'2013, July 1-5.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная
работа, в том числе 3 работы в журналах из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, а также получен патент РФ на изобретение.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 167 страницах основного текста, состоит из введения, шести глав, заключения и 3 приложений, содержит 136 рисунков, 7 таблиц. Список литературы содержит 100 наименований.
Преобразователи со звеном повышенной частоты
Электромеханические стабилизаторы напряжения с вольтодобавочным трансформатором компенсируют просадки/всплески напряжения в сети с помощью автотрансформатора с сервоприводом, регулирующим напряжение на первичной обмотке вышеуказанного вольтодобавочного трансформатора. В качестве коммутационного элемента выступает автотрансформатор. Параметры его щеточного узла определяют возможную скорость отработки просадок/всплесков напряжения. Другие важнейшие характеристики определяются вольтодобавочным трансформатором, через который подается компенсирующая мощность.
Достоинства стабилизаторов напряжения механического типа: Плавная отработка всплесков/просадок напряжения; высокая точность стабилизации; высокая скорость отработки возмущения; высокая перегрузочная способность; габарит вольтодобавочного трансформатора; форма напряжения не искажается за отсутствием искажающих элементов; благодаря разумному габариту вольтодобавочного трансформатора можно реализовать широкий диапазон стабилизации; стабилизатор напряжения успешно работает с нулевой нагрузкой; точность стабилизации в основном диапазоне определяется следящей системой сервопривод-автотрансформатор — то есть постоянна; фазы стабилизируются независимо; при работе практически бесшумен; зависимость от частоты сети достаточно мала; стабилизатор напряжения весьма хорошо работает в тяжелых промышленных сетях, поскольку коммутационный элемент (щетка) к помехам и искажениям формы тока и напряжения совершенно индифферентна.
К недостаткам электромеханических стабилизаторов относятся: Наличие постепенного механического износа сервопривода в течение до десятка лет; необходимость обслуживания сервопривода раз в два-три года; при больших отрицательных температурах для сервопривода требуется блок обогрева; качественный автотрансформатор с сервоприводом имеют весомую цену; стабилизаторы напряжения с автотрансформаторами производства Китай выбираются с запасом мощности не менее 30% по причине экономии производителем на сечении проводов. Коротко говоря, эти аппараты обычно рассчитаны на коэффициент загруженности 0,8 при напряжении 220 В. Таким образом, 100% нагрузка, да еще при пониженном напряжении (т.е. большем токе) как минимум вызовет перегрузку по тепловому режиму и перегрев [25]. Схема электромеханического стабилизатора приведена на рис. 1.13. Fu ТА кі.і. Л— Вход 150...250В PW TV2 , t , Выход 220 В +/-3% ы& N ф=кА\ Рис. 1.13. Схема электромеханического стабилизатора.
Электромеханические стабилизаторы напряжения в свою очередь подразделяются на однофазные и трехфазные стабилизаторы. Трехфазные электромеханические стабилизаторы в свою очередь делятся на модели с усредненной регулировкой по фазам и модели с раздельной регулировкой каждой фазы. Модели электромеханических стабилизаторов напряжения с усредненной регулировкой находят широкое применение при дисбалансе нагрузки между фазами до 50%. Трехфазные стабилизаторы напряжения с раздельной регулировкой по каждой фазе в простейшем случае представляют собой три отдельных однофазных электромеханических стабилизатора напряжения [26]. 1.1.7. Дискретные (ступенчатые) стабилизаторы напряжения
Стабилизаторы со ступенчатым регулированием работают с использованием автоматической коммутации обмоток автотрансформатора посредством силовых реле, тиристоров или симисторов. Они дешевы, имеют высокое быстродействие при отсутствии синусоидальных искажений, работают на «холостом ходу» и отличаются значительным КПД. Поэтому несмотря на некоторые ограничения точности стабилизации из-за ступенчатого изменения напряжения на входе сегодня наиболее востребованы и применяются для стабилизации напряжения и защиты техники почти повсеместно (частные хозяйства, квартиры, офисы и т.д.). Отсутствие механических деталей и механического износа позволяют продлить срок службы стабилизатора, что позволяет давать на изделия большую гарантию. Точно так же точность стабилизации U на выходе зависит от количества обмоток трансформатора, но чем больше этих ступеней, тем ниже скорость отработки скачков напряжения [27].
На рис. 1.14 представлена схема ступенчатого стабилизатора. При высоких мощностях устройства используют шунтирующие диоды совместно с встречно-параллельными тиристорами, включенные в противоположном направлении. При этом возможно использование одной системы управления для отрицательной и положительной полуволны входного напряжения. Без шунтирующих диодов обязательно должны быть две разделенные системы управления для надежной работы схемы. Диоды обеспечивают непрерывное протекание тока в моменты перекоммутации и защищают ключи от обратного напряжения [28].
Построение аналитических моделей многозонных РПН
Все промышленные типы тиристорных регуляторов переменного напряжения выпускаются сегодня по классической схеме со встречно-параллельным включением тиристоров [39, 48, 49]. В зависимости от величины входного напряжения регулятора (0.4 - 10 кВ) тиристорная группа содержит 1-5 последовательно включенных тиристоров. Улучшить все основные параметры однозонного регулятора переменного напряжения можно в схемах с зонным регулированием амплитуды выходного напряжения, наряду с фазовым регулированием момента включения тиристоров. VT1
Известная схема двухзонного тиристорного регулятора с встречно-параллельными группами тиристоров показана на рис. 2.1. Недостатками схемы трансформаторного двухзонного (в общем случае и-зонного) тиристорного регулятора с встречно-параллельными группами тиристоров являются высокие относительные значения напряжений на тиристорах и необходимость использования трансформатора.
На рис. 2.2 показана предлагаемая схема двухзонного тиристорного регулятора в однофазном (а) и трехфазном (б) исполнениях.
Конденсаторный делитель обеспечивает получение половинного напряжения сети без использования трансформатора, что дает два уровня входного напряжения регулятора, а значит и две зоны регулирования выходного напряжения регулятора. Тиристоры с дополнительными фиксирующими диодами включены, в отличие от классической схемы тиристорного регулятора, не встречно-параллельными группами, как показано на рис. 2.1, а последовательными цепочками, включенными встречно-параллельно. Это позволяет получить здесь на всех полупроводниковых приборах половинную величину напряжения сети, что обусловливает снижение стоимости тиристоров по сравнению с классической схемой регулятора. Платой за это новое качество является протекание тока в верхней зоне регулирования через два последовательных тиристора, а не один, как в известной схеме. Но с учетом использования в классическом регуляторе не одного высоковольтного тиристора, а цепочки из нескольких последовательно включенных тиристоров, общие потери в тиристорах в предлагаемом регуляторе будут даже меньше при существующих классах тиристоров. Подобным образом можно построить и и-зонные тиристорные регуляторы переменного напряжения, применив п-зонный конденсаторный делитель напряжения [50].
Экономический эффект при сравнении трехзонного РІШ и ЭАД - более дешевый вариант предлагаемого РПН по сравнению с ЭАД. Стоимость РПН равной мощности оценивается в 10000 р., стоимость ЭАД с учетом всех трудозатрат составила 17442,58 р. [16]. Кроме того, в предлагаемом регуляторе улучшилось качество входного и выходного токов, что приведет к уменьшению потерь и в сети и в двигателе. 2.2. Двухзонный транзисторный РПН
Нарастающая тенденция всемерного энергосбережения и сближение стоимости силовых тиристоров и транзисторов делают оправданным больший интерес к транзисторным регуляторам переменного напряжения. Схема двухзонного транзисторного регулятора однофазного переменного напряжения показана на рис. 2.3 (а), а трехфазного переменного напряжения показана на рис. 2.3 (б).
Предварительный анализ математических моделей многозонных РПН показал, что возможны системы дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами даже у производных, что приводит к системе уравнений более общего вида, чем те, которые исследуются в теории автоматического управления. Эти обобщенные уравнения для систем с переменными параметрами принимают вид: Fix - AF2x - BF u (2.1) где F\, F2, F3 -матричные разрывные периодические единичные функции, моменты коммутации которых определяются принятым алгоритмом управления конвертором.
Процедура алгебраизации дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами также, как и дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами [4], начинается с преобразования их в систему интегральных уравнений. Уже на этом шаге проявляются новые математические проблемы, предполагаемое разрешение которых должно привести к искомому результату. Интегрирование уравнения (2.1) приводит к следующему интегральному уравнению: jPlxdt-AJP2xdt = BJF3udt (2.2)
Так как разрывные периодические коммутационные функции F есть функции времени, то вычислим по частям отдельные интегралы в уравнении (2.2). Первый интеграл представим в виде: \рххсИ = Рлх- ix— dt (2.3) J J dt Второй интеграл примет вид: dx , /„ cdFi dt AJF2xdt = JAF2—dt = A\ F2x-j xdt 1 (2.4) Третий интеграл дает воздействие в виде разрывной правой части дифференциальных уравнений, как и в случае уравнений с постоянными коэффициентами: B\F3udt = Bu3 (2.5) Тогда общий вид условно интегрального уравнения будет в форме: Fxx - Y, x(tk )-А\ F2x - J— xdt = Виъ (2.6) k=\ dt J Для дальнейших шагов алгебраизации необходимо избавиться от интегралов произведений функций времени. Первый интеграл от произведения функций преобразуется в выражение без интеграла, учитывая фильтрующие свойства дельта-функций, получающихся от дифференцирования единичной разрывной функции Fu и полагая при первом уровне допущения здесь, что: ш k=\ к=\ к=\ Второй интеграл в (2.6) от произведения функций преобразуется следующим образом: \ xdt« Р (і)Л = X %Ы (2-8) к=\ Тогда окончательный вид функционального уравнения, получающегося из (2.6) перед его алгебраизацией с учетом двух последних равенств приобретает вид \ = Виъ (2.9) F2x-Y,X(l)(tk) к=1 \Х-Т х( к)-А к=\ Окончательная алгебраизация полученного уравнения выполняется в соответствии с методикой [4]. При этом необходима оценка погрешности сделанных при его выводе допущений. Подобные допущения в процедуре алгебраизации для систем дифференциальных уравнений с постоянными параметрами себя оправдали
Расчет действующих значений высших гармоник токов и напряжений ПБ РПН с пофазными коммутаторами
Рассматриваются новые бестрансформаторные транзисторные регуляторы переменного напряжения, свободные от ограничений типовых устройств плавного пуска [2], содержащих встречно-параллельные тиристоры: пониженных энергетических показателей во время пуска, что связано с несинусоидальностью форм выходных напряжений и выходных и входных токов, а также с наличием сдвига фазы тока относительно напряжения, увеличивающегося по мере регулирования вниз выходного напряжения; ограниченным сверху единицей коэффициентом преобразования по напряжению, не позволяя сохранять номинальное напряжение на выходе регулятора при снижении входного напряжения.
Новые бестрансформаторные транзисторные регуляторы переменного напряжения характеризуются синусоидальными входными и выходными токами и возможностью повышения напряжения, которые могут быть использованы как активные фильтры, компенсаторы фликкера и более качественные устройства плавного пуска асинхронных двигателей [70, 74, 94, 95].
На рис. 3.1 (а) представлена схема предлагаемого базового трехфазного транзисторного регулятора переменного напряжения. На рис. 3.1 (б) изображен ключ переменного тока, используемый в регуляторе. На рис. 3.1 (в) показана векторная диаграмма, поясняющая принцип работы регулятора.
Базовый Рис. 3.1 (б). Ключ Рис. 3.1 (в). Векторная трехфазный транзисторный переменного диаграмма. регулятор переменного тока. напряжения.
Регулятор работает следующим образом. Высокочастотные импульсы, подаваемые на ключи К\ и АГ2, поочередно включают их, тем самым замыкая и разрывая цепи, содержащие или реактор Lb или конденсатор Сь Переключаясь между векторами первых гармоник напряжений ViC и Уц, которые характеризуют напряжение на нагрузке при включенной ветви с конденсатором Сі или реактором Lb можно получить необходимое напряжение на нагрузке FH, поскольку результирующий вектор выходного напряжения будет определяться геометрической суммой векторов qVic и (l-q)Vn, и зависеть от относительного времени q их включения. Конденсатор Сг необходим, чтобы во время выключения ветви с реактором, накопленная энергия перенаправилась в конденсаторную ветвь.
Базовый трехфазный транзисторный регулятор переменного напряжения был запатентован [75].
Рассматривается упрощенный транзисторный безтрансформаторный регулятор переменного напряжения, рис. 3.2, способный поддерживать стабильным выходное напряжение с возможностью его регулирования для целей компенсации реактивной мощности сети или целей управляемого асинхронного электропривода. Ключи переменного тока в таком регуляторе расположены в ветвях с балластным реактором L\. у
Упрощенный трехфазный транзисторный регулятор переменного напряжения с коммутируемым реактором.
Демпфирующий резистор Rx и демпфирующий конденсатор С2 необходимы, чтобы во время выключения ветви с реактором, накопленная в нем энергия перенаправилась в демпфирующую ветвь, такое решение позволяет улучшить качество напряжения в нагрузке [76].
Другой вариант упрощенного регулятора с уменьшенным в два раза числом ключей, по сравнению с базовым регулятором, показан на рис. 3.3. В этой схеме ключи переменного тока расположены в ветвях с балластным конденсатором С\. Сопротивление R\ необходимо для демпфирования контура Lid.
Дальнейшего уменьшения числа ключей в регуляторе можно получить, если обладать возможностью к доступу к обоим выводам фаз источника питания, что может иметь место в автономных системах электроснабжения [71]. Схема простого регулятора для этого случая показана на рис. 3.4.
При замыкании транзистора Ті последовательно с источником питания и нагрузкой оказываются включенными через диоды трехфазного моста Мі еще и конденсаторы Сь а при замыкании транзистора Т2 последовательно с источником питания и нагрузкой оказываются включенными через диоды трехфазного моста М2 уже реакторы L\.
Другой вариант простой схемы безтрансформаторного регулятора показан на рис. 3.5. Этот простой регулятор отличается от предыдущего тем, что в нем есть доступ к 6 выводам нагрузки. В этой схеме только 2 ключа переменного тока по сравнению с 6 в базовой схеме [77].
Расчет действующих значений первой гармоники токов и напряжений 1111 АС-АС регулятора с коммутатором в нуле источника и цепи нагрузки до конденсаторов в нагрузке
Система управления данного компенсатора представлена на рис. 5.16. Данный регулятор может работать как активный фильтр, подавляя высшие гармоники, которые присутствуют во входном токе сети, к которой подключен выпрямитель, рис. 5.17 (а).
Результат компенсации показан на рис. 5.17 (б). Подавление высших гармоники было достигнуто с помощью ввода их в противофазе в управляющий сигнал, таким образом удалось компенсировать наличие этих гармоник во входном токе системы с нагрузкой в виде выпрямителя.
В качестве устройства улучшения качества электроэнергии был использован данный регулятор, поскольку он имеет полный диапазон регулирования, за счет чего можно произвести подавление не первых гармоник, присутствующих в сети. Блок выделения первой гармоники представлен в виде цифрового фильтра низких частот [100]. Для расчета параметров фильтра вычисляется идеальная и реальная импульсная характеристика, для которой необходимо использовать функцию Блэкмена: где АГ- длина фильтра (количество коэффициентов). Затем сама обработка сигнала происходит в микроконтроллере. Параметры ПИ регулятора рассчитаны таким образом, чтобы при известных параметрах всех остальных элементов системы было обеспечено требуемое качество ее реакции на управляющее и возмущающее воздействие. При расчете были определены коэффициент передачи и постоянная интегрирования, равные К = 1,67, Ти - 0,0334с [99].
Генератор опорного напряжения - пилообразный сигнал, частота которого зависит от выбранных силовых ключей, 8кГц.
Компенсатор провалов напряжения предназначен для компенсации провалов напряжения питающей сети до уровня, обеспечивающего нормальную работу электрооборудования. Провалом считается снижение напряжения ниже 0,9/НОм, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд. В качестве компенсаторов провалов и выбросов напряжения целесообразно использовать РПН с общим коммутатором, представленный в 4 главе диссертации (рис. 5.18), такие регуляторы имеют полный диапазон регулирования и позволяют получить на выходе повышенное напряжение при полной глубине модуляции до 1,4 раза от входного напряжения.
В блоке выделения провала при снижении амплитуды напряжения происходит фиксация в микроконтроллере, в котором записываются предыдущие значения сигнала, затем происходит вычитание текущего сигнала из сохраненного предыдущего, тем самым фиксируется провал, который затем подается в противофазе.
При расчете ПИ регулятора была использована методика [99], в которой происходит расчет параметров объекта регулирования, в частности значения коэффициента усиления, а также параметры самого ПИ звена, одним из которых является постоянная времени интегрирования. По результатам расчета были определены коэффициент передачи и постоянная интегрирования, равные = 1,18, Ти = 0,079с.
Как видно из рис. 5.20 РПН позволяет стабилизировать напряжение при его снижении ниже 90% от номинального, рис. 5.20 (а) до компенсации, рис. 5.20 (б) после компенсации, за доли секунды.
Для устранения отрицательного влияния мощных нелинейных нагрузок на сеть необходимо использование компенсатора несимметрии, в качестве которого может быть использован двузонный транзисторный РПН, рис. 5.21.
Компенсировать несимметричное напряжение можно за счет системы управления. С датчиков напряжения нагрузки будет поступать сигнал и преобразовываться в прямую, обратную и нулевую последовательности. Затем будет вычисляться ошибка, которая будет влиять на величину сигнала, полученного при преобразовании входного напряжения в сигнал прямой последовательности.
Диаграммы напряжений до компенсации представлены на рис. 5.23, и после компенсации несимметрии на рис. 5.24. При разной нагрузке напряжение фаз будет различным, как это видно на рис. 5.23. Результат компенсации представлен на рис. 5.24, где все три напряжения фаз симметричны.
На рис. 5.25 представлена схема компенсатора, содержащая безтрансформаторный РПН с пофазными коммутаторами. Фликкер-эффект -так называемое мерцание освещения, ощущаемое человеком и вызванное низкочастотными колебаниями уровня напряжения, например, до 10 Гц.
Блок выделения первой гармоники представлен в виде цифрового фильтра низких частот [100]. Для расчета параметров фильтра вычисляется идеальная и реальная импульсная характеристика, для которой необходимо использовать функцию Блэкмена, затем сама обработка сигнала происходит в микроконтроллере.
Параметры ПИ регулятора рассчитаны таким образом, чтобы при известных параметрах всех остальных элементов системы было обеспечено требуемое качество ее реакции на управляющее и возмущающее воздействие. При расчете были определены коэффициент передачи и постоянная интегрирования, равные К = 1,61, Ти= 0,0334с [99]. Генератор опорного напряжения - пилообразный сигнал частотой 8кГц. Данный регулятор может работать как компенсатор фликкера, подавляя низкочастотные гармоники, которые присутствуют в питающей сети, рис. 5.27.
