Содержание к диссертации
Введение
1. Современные проблемы обеспечения качества электроэнергии и пути их решения 11
1.1.Современные проблемы обеспечения качества электроснабжения 11
1.2. Системы и способы регулирования и стабилизации переменного напряжения и пути их совершенствования 14
1.3.Современные подходы к моделированию и исследованию систем преобразования параметров электроэнергии 26
2. Теоретические основы СРиСПН с ЗГТЧ 28
2.1. Структура системы и принцип регулирования напряжения 28
2.2.Процесс преобразования напряжения в СРиСПН с ЗПЧ 30
2.2.1. Преобразование напряжения в НПЧИ 30
2.2.2. Преобразование напряжения в НПЧЕ и регулировочная характеристика добавочного напряжения 39
2.3.Формирование системой добавочного напряжения и оптимизация качества напряжения на нагрузке 49
2.3.1. Принцип формирования добавочного напряжения 49
2.3.2. Оценка точности формирования напряжения на нагрузке 53
2.3.3. Определение коэффициента трансформации ВДТ 57
2.4.Алгоритм численного определения регулировочной характеристики системой управления НПЧЕ 59
3. Способ устранения прерывания тока в нагрузке НПЧЕ между интервалами работы вентильных групп 67
4. Построение моделей элементов преобразовательных схем 74
4.1. Модель запираемого тиристора 74
4.2.Моделирование систем управления преобразовательными блоками 78
4.2.1. Модель канала управления вентилем НПЧИ 79
4.2.2. Модель канала управления вентилем НПЧЕ 81
4.2.3. Моделирование переключения управления между группами встречно- параллельных вентилей НПЧЕ 83
4.3 .Моделирование трансформаторов 87
4.3.1. Особенности моделирования трансформаторов в среде Electronics Workbench 5.12 87
4.3.2. Модели трансформаторов различной конфигурации 88
5. Моделирование и исследование СРиСПН с ЗПЧ 91
5.1. Исследование показателей качества напряжения на нагрузке СРиСПН в установившемся режиме 91
5.2.Исследование динамических процессов в СРиСПН 1 22
Заключение 128
Список литературы 130
- Системы и способы регулирования и стабилизации переменного напряжения и пути их совершенствования
- Преобразование напряжения в НПЧЕ и регулировочная характеристика добавочного напряжения
- Моделирование переключения управления между группами встречно- параллельных вентилей НПЧЕ
- Исследование показателей качества напряжения на нагрузке СРиСПН в установившемся режиме
Введение к работе
Актуальность темы. Работа посвящена вопросу улучшения качества и стабильности электроэнергии, который на протяжении истории существования сети переменного тока остаётся актуальным по двум основным причинам:
Существует ряд потребителей, которым требуется более качественная электроэнергия, чем допускается стандартами их страны.
Производители электроэнергии могут оказаться не в состоянии обеспечить стабильное напряжение даже в рамках стандарта по ряду объективных причин, среди которых выделяются три основные: 1) переменная несимметричная нагрузка; 2) несоответствие оборудования электростанций, линий передач и трансформаторных подстанций современным требованиям; 3) природные явления (атмосферное электричество, влажность).
Проблема решается применением на стороне потребителя регулирующих и стабилизирующих устройств. Промышленные и другие мощные объединённые нагрузки (от 200 кВ-А) наиболее страдают от искажений сетевого напряжения, причём сами вносят в эти искажения наибольший вклад. Для таких нагрузок используются тиристорные системы регулирования и стабилизации переменного напряжения (СРиСПН). Их главные элементы - переключающие (преобразовательные) схемы и вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ). В настоящее время основными направлениями совершенствования таких систем являются снижение массогабаритных показателей, повышение быстродействия и точности регулирования, уменьшение высших гармоник тока нагрузки, компенсация реактивной мощности нагрузки, повышение надёжности.
Принципиальным решением этого комплекса задач является введение в СРиСПН звена повышенной частоты (ЗПЧ) - переключающей схемы, выходное напряжение которой имеет повышенную по сравнению с сетевой частоту и поступает на вход ВДТ.
Повышение рабочей частоты ВДТ при той же мощности позволяет снизить его размеры и вес.
Регулирование происходит в понижающей частоту переключающей схеме
на выходе ВДТ, где напряжение повышенной частоты модулируется сигналом управления. Чем больше разность частот модулируемого и модулирующего сигналов, тем точнее модулируемый сигнал отслеживает изменения модулирующего. Следовательно, наряду с повышением быстродействия и точности регулирования уменьшаются размеры фильтров для подавления высших гармоник тока нагрузки.
Целью работы является разработка основ обобщённого математического описания преобразования напряжения в СРиСГШ, содержащих ВДТ, работающий на повышенной частоте; разработка структур и математическое моделирование СРиСГШ для исследования их статических и динамических режимов и выявления параметров, обеспечивающих в конечном итоге наилучший экономический эффект от применения СРиСГШ на предприятиях.
Основные задачи, решаемые в работе:
создание математического описания процессов преобразования напряжения в СРиСГШ с ЗПЧ и - на основе этого описания - обобщённой структуры системы;
создание программного обеспечения для оценки и анализа качества выходного напряжения СРиСГШ;
разработка математических моделей преобразовательных модулей и систем управления ими для построения моделей ряда вариантов схем трансформатор-но-тиристорных СРиСГШ с ЗПЧ, исследование процессов в этих схемах, их поведения и характеристик в различных режимах;
Методы исследований. При исследовании СРиСГШ использовались методы математического моделирования, положения теории электромагнетизма, математического анализа, методы вычислительной математики.
Научная новизна:
- создано обобщённое математическое описание процесса преобразования на
пряжения в СРиСГШ с ЗПЧ, позволяющее строить по единому принципу схе
мы СРиСГШ со звеном повышенной частоты и без него для регулирования и
стабилизации переменного напряжения с произвольным числом фаз и широ-
кими возможностями вариации соотношения стоимости устройства и качества формируемого им напряжения;
установлена зависимость добавочного напряжения, формируемого на нагрузке т-фазной СРиСПН с ЗПЧ, от угла регулирования непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, входящего в состав СРиСПН (регулировочная характеристика);
получены зависимости показателей качества формируемого напряжения на нагрузке СРиСПН с ЗПЧ от управляющих величин при различных значениях коэффициента трансформации ВДТ;
Разработан унифицированный алгоритм численного определения регулировочной характеристики системой управления непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, входящего в состав СРиСПН;
-. разработан способ обеспечения непрерывности тока в нагрузке непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией при раздельном управлении группами вентилей.
- с помощью разработанных математических моделей СРиСПН выполнено ис
следование установившихся режимов работы ряда вариантов СРиСПН и дина
мических процессов в них при работе в нестабильной сети с переменной
нагрузкой.
Практическая значимость работы:
Теоретические выводы и результаты проведённых исследований могут быть применены для проектирования и наладки компактных и точных регуляторов и стабилизаторов напряжения для промышленных систем электроснабжения, в частности:
для создания на единой теоретической основе различных вариантов структур СРиСПН с ЗПЧ;
для предварительной оценки качества выходного напряжения СРиСПН с ЗПЧ и определения параметров их силовой части с использованием разработанного программного обеспечения;
для создания бездроссельных непосредственных преобразователей частоты с
8 естественной коммутацией, обеспечивающих в нагрузке непрерывный ток;
при проектировании унифицированных самонастраивающихся систем управления СРиСПН с ЗПЧ;
для исследования СРиСПН с ЗПЧ на созданных математических моделях с целью выявления их поведения при различных возмущающих воздействиях и определения областей допустимых режимов работы.
Апробация работы:
Материалы диссертационной работы докладывались на международной научной конференции ЭЭЭ-2003 (г. Комсомольск-на-Амуре, 23 - 27 сентября 2003 г.); на 29-й и 30-й научно-технических конференциях аспирантов и студентов Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1998 -1999 г.; на 5-й международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Szczecin, Польша, 2001 г.).
Структура работы: Работа состоит из введения пяти глав, списка литературы и двух приложений.
В главе 1 рассмотрено современное состояние электроснабжения, проведён анализ основных принципов построения СРиСПН. В частности рассмотрена работа трёх основных научных школ в России, занимающихся разработкой СРиСПН: рязанской, московской и томской. Разработки последних двух основаны на использовании промежуточного высокочастотного преобразования в канале регулирования напряжения. Рассмотрены характеристики систем, предлагаемых ведущими производителями, определены проблемы совершенствования СРиСПН и на основе предложенной классификации СРиСПН с ЗПЧ показаны пути их решения, выполнен краткий обзор современных методов моделирования систем силовой электроники.
Вторая глава работы посвящена теоретическому анализу работы СРиСПН с ЗПЧ. Приведено математическое описание процесса преобразования напряжения в НПЧИ, основанное на геометрических свойствах кривой напряжения. Предложена обобщённая структура системы с ЗПЧ и без ЗПЧ. Рассмотрено преобразова-
ниє напряжения повышенной частоты сложной формы в НПЧЕ, выведена регулировочная характеристика выпрямленного напряжения, на основе которой предложено оптимальное управление системой по мгновенному значению сетевого напряжения. Определены показатели качества формируемого напряжения на нагрузке. Предложен алгоритм численного определения регулировочной характеристики цифровой системой управления НПЧЕ.
В главе 2 предложен способ устранения прерывания тока нагрузки НПЧЕ при раздельном управлении группами вентилей, основанный на естественной коммутации тока между группами.
Системы и способы регулирования и стабилизации переменного напряжения и пути их совершенствования
Обычно в мощных системах преобразования электроэнергии в качестве вентилей используются тиристоры. Физические процессы в тиристоре при коммутации могут быть представлены функциональной моделью, отражающей его основные коммутирующие свойства. Рассмотрим модель запираемого тиристора, которую можно использовать в схемах и естественной, и с искусственной коммутацией.
Главным элементом схемы замещения тиристора, выделенной пунктирным прямоугольником на рис. 4.1, является ключ, управляемый током S, который имеет параметры: ток замыкания 13, ток размыкания 1Р, сопротивление в замкнутом и разомкнутом состояниях R3 и Rp. Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), играет роль повторителя напряжения и введён для развязки выхода канала управления тиристором и управляющего электрода УЭ.
Схема работает следующим образом. В исходном состоянии тиристор закрыт и к аноду А приложено положительное напряжение UA относительно катода К. При подаче на управляющий электрод УЭ импульса управляющего напряжения иу положительной полярности относительно К через цепь управления ключа протекает ток, ограниченный сопротивлением R. Если величина тока больше 13, ключ замыкается и в цепи нагрузки Z„ возникает ток /, который затем поддерживает ключ в замкнутом состоянии. Запирание тиристора происходит, когда ток в цепи управления ключа падает ниже 1Р, то есть либо при падении тока нагрузки ниже 1р, либо при подаче на УЭ отрицательного импульса, который вызывает протекание тока через цепь управления ключа, меньшего 1Р. Таким образом ток ключа S управляет его размыканием, а 1Р является током удержания тиристора. Диод D предназначен для исключения отпирания тиристора в случае, когда при отрицательном (обратном) напряжении иА на УЭ подаётся отпирающий импульс.
Параметры элементов схемы замещения задаются на основе паспортных данных силового тиристора. В используемой модели приняты характерные значения:
Сопротивление R подбирается таким, чтобы отпирающий импульс напряжения вызвал протекание тока, не меньшего І3. А в схемах с искусственной коммутацией, с учётом номинального тока нагрузки, - таким, чтобы импульс запирающего тока вызывал уменьшение тока через управляющую цепь открытого ключа S до значения, меньшего 1Р.
Нужно отметить, что при наличии в схеме реактивных элементов со значениями, различающимися на несколько порядков, из-за резкого изменения сопротивления такая модель может приводить к жёсткой матрице узловых проводимо-стей, что требует уменьшения шага интегрирования и дополнительных итераций для отыскания решения. Это может увеличить время расчёта и вероятность расходимости. Для "смягчения" матрицы при сохранении адекватности модели и скорости расчёта целесообразно применить естественный приём шунтирования тиристора последовательной RC-цепью. Её параметры рассчитываются для конкретной схемы: постоянная времени должна быть порядка времени включения реального тиристора, а её сопротивление в момент коммутации не должно значительно влиять на ток нагрузки: RRC = (103+ 104)RH, где RH - активное сопротивление нагрузки.
Схема испытания модели тиристора (рис. 4.2) работает следующим образом. В исходном состоянии ключ S1 замкнут и к точке 1 приложено 0 В, включённый в цепь RL-нагрузки тиристор (блок Thyrist) закрыт и к нему приложено синусоидальное напряжение источника VI. В момент размыкания ключа S1 напряжение +5 В прикладывается к точке 7. Проходя через дифференцирующую цепь R2-C импульс преобразуется в положительный экспоненциальный всплеск с постоянной времени TRC = С (Rl + R2).
Чтобы закрыть тиристор необходимо замкнуть ключ S1, что вызовет появление отрицательного запирающего импульса на выходе RC-цепи, причём активно-индуктивная нагрузка во избежание скачка напряжения должна быть зашунти-рована диодом D при помощи ключа S2.
На временных диаграммах (рис. 4.3) на интервале Ті происходит отпирание тиристора при положительной полуволне напряжения. На интервале Т2 при отрицательной полуволне тиристор закрыт и импульсы управления не влияют на его состояние. На интервале Тз - двукратная коммутация на положительной полуволне при замкнутом ключе S2.
Силовая часть преобразователя представляет собой простую схему по сравнению с системой управления, и расчёт последней требует большей части машинного времени, поэтому целесообразно смоделировать её на функциональном уровне. Это означает замену сложных схем замещения транзисторов и операционных усилителей, предназначенных для моделирования сигнальных цепей, на идеальные элементы математического преобразования сигнала, что позволит отвести машинное время на расчёт интересующей нас силовой схемы. В программе Electronics Workbench 5.12 имеется многофункциональный набор таких элементов.
В качестве операционного усилителя используется идеальный ограничитель напряжения (Voltage Limiter, рис. 4.4,а), для которого задаётся коэффициент усиления, а также верхний и нижний пределы выходного напряжения.
Способ формирования напряжения, предложенный в главе 3.3.1 для управления НПЧЕ с источником напряжения в цепи нагрузки, удобно упростить для применения в Electronics Workbench 5.12, поскольку задание сложной формы регулировочной характеристики сопряжено со значительным усложнением схемы и увеличением времени расчета. Поэтому при создании модели канала управления вентилем НПЧЕ применён упрощённый способ формирования напряжения на нагрузке, где рабочие кусочно-синусоидальные участки регулировочной характеристики выходного напряжения ВДТ аппроксимированы линейными. Также не предусмотрено устранение бестоковой паузы на нагрузке. Эти упрощения не влияют на принципиальные процессы в схеме, а лишь в некоторой степени - на форму напряжения на нагрузке. Так, для моделирования линейных участков регулировочной характеристики использован идеальный ограничитель скорости нарастания напряжения (Slew Rate Block, рис. 4.4,6)
Преобразование напряжения в НПЧЕ и регулировочная характеристика добавочного напряжения
Для определения оптимальных размеров магнитопровода задаётся длина средней линии фазного стержня / = 0,5 м и площадь его поперечного сечения, достаточно большая для того, чтобы трансформатор не входил в насыщение: s = 0,01 м . В этом линейном режиме при отключённых нагрузках моделируется система. При этом в каждом фазном стержне ВДТ из кривой магнитного потока определяется размах его принуждённой составляющей АФ , ДФя, АФс и среди этих значений находится наибольшее АФтах. Так как в данном случае исследуется симметричный режим, то АФ.4 = АФЙ = АФс = АФтах (рис. 5.29). Чтобы при запуске системы не происходило недопустимых скачков тока в первичной обмотке ВДТ оптимальная площадь сечения стержня вычисляется следующим образом:
В приложении Б приведены результаты моделирования переходных процессов в рассматриваемой системе для фазы В, где начальные условия наиболее неблагоприятны: максимальный всплеск магнитного потока в фазном стержне ВДТ вдвое превышает максимальное значение потока в установившемся режиме (рис. Б.2). Рассмотрим эти результаты.
При пуске системы на холостом ходу и повышенном напряжении ис (рис. Б. 1) отношение максимального всплеска тока первичной обмотки ВДТ ііщТ к максимальному его значению в установившемся режиме составляет 4,49 (рис. Б.З), а то же отношение для потребляемого из сети тока іс составляет 3,85 (рис. Б.4). Время переходного процесса 0,8 + 1 с.
На рис. Б.5 видно, что данная система обеспечивает близкую к синусоидальной форму тока нагрузки даже при линейной аппроксимации регулировочной характеристики выходного напряжения НПЧЕ. Следует отметить, что напряжение оказывается выше расчётного Uc - (l + - ниже расчётного Uc = (1 - А jt/KHOjM, так как при стабилизации система оказывает сопротивление в первом случае большее \zH\, что уменьшает падение напряжения на Rc, а во втором случае - меньшее \zH\, что вызывает дополнительное падение напряжения на Rc. Основная гармоника тока ic имеет угол от-сгавания от ис меньший, чем основная гармоника формируемого тока нагрузки.Запуск системы в переходном режиме с большей вероятностью, чем в установившемся, при дальнейших изменениях ис может вызвать временное подмагни-чивание стержня ВДТ и повышение значения магнитной индукции в нём вплоть до Втс (рис. Б.6), что в свою очередь вызовет увеличение іівдт (рис. Б. 7) и дополнительную нагрузку на вентили НПЧИ.
Подытоживая результаты моделирования отметим, что - размеры магнитопровода ВДТ и число витков его обмоток необходимо рассчитывать, исходя из значении размаха магнитного потока в его стержнях; - целесообразно во избежание бросков тока в первичной обмотке ВДТ и перегрузки вентилей НПЧИ запускать систему на холостом ходу, то есть подавать управление сначала на вентили НПЧИ, а затем, через 1-2 секунды, - на вентили НПЧЕ; - при значениях т6 6в случае невысоких требований к точности формируемого напряжения на нагрузке возможно применение линейной аппроксимации регулировочной характеристики выходного напряжения НПЧЕ, что упрощает систему управления; - система обладает способностью компенсировать реактивную мощность даже при отсутствии специального фазового сдвига управляющего сигнала; - масса магнитопровода трёхфазного ВДТ смоделированной системы при плотности стали р 8 г/см3, / = 0,5 м и s = 0,003 м2 равна 36 кг при мощности, пере-даваемой в нагрузку Р„ = 145,2 кВА. 1) Проведён сравнительный анализ и предложена классификация СРиСПН с ЗПЧ, позволившая выявить проблемы совершенствования СРиСПН и пути их решения. 2) Разработано математическое описание процесса преобразования напряжения в НПЧИ, основанное на геометрических свойствах кривой его выходного напряжения. На основе этого описания предложена обобщённая структура СРиСПН с ЗПЧ и, как частный случай, структура СРиСПН без ЗПЧ, содержащей вентили только с естественной коммутацией. 3) Получена регулировочная характеристика выходного напряжения нулевого т фазного преобразователя с естественной коммутацией и источником постоянного напряжения в цепи нагрузки, питаемого напряжением сложной формы с выхода ВДТ. Предложен способ управления НПЧЕ по мгновенному значению напряжения сети. 4) Разработан алгоритм численного определения системой управления НПЧЕ регулировочной характеристики его выходного напряжения. Использование алгоритма позволяет системе управления НПЧЕ подстроиться к форме его входного напряжения и таким образом быть унифицированной для применения в любом варианте СРиСПН в рамках предложенных структур. 5) Предложен способ устранения прерывания тока в нагрузке НПЧЕ при раздельном управлении группами его вентилей, основанный на естественной коммутации тока между группами. 6) Разработано программное обеспечение для расчёта показателей качества фор мируемого напряжения на нагрузке систем регулирования и стабилизации пе ременного напряжения при их работе в режиме регуляторов-стабилизаторов напряжения и в режиме компенсаторов реактивной мощности. Получаемые при помощи программного обеспечения зависимости показателей качества от управляющих величин позволяют по допустимым искажениям напряжения или по допустимой точности его формирования определять необходимый коэффи циент трансформации ВДТ и соответствующий ему диапазон стабилизации или компенсации. 7) В среде схемотехнического моделирования созданы модели элементов преобразовательных схем, входящих в состав СРиСПН с ЗПЧ (модель запираемого тиристора, модели каналов управления вентилями в составе НПЧИ и НПЧЕ, модель системы управления группами вентилей, модели трансформаторов), позволяющие строить модели любых вариантов СРиСПН в рамках предложенных структур. 8) Разработаны 6 вариантов структур СРиСПН с ЗПЧ и их математические модели, позволяющие исследовать работу систем в различных режимах. 9) Для одного из вариантов трёхфазной СРиСПН с ЗПЧ на построенной модели проведено исследование динамических режимов работы системы, в результате которого выработаны рекомендации по проектированию и наладке систем. 10)Результаты математического моделирования однофазного варианта СРиСПН с ЗПЧ соответствуют существующим результатам экспериментального исследования системы, в которой понижающий частоту преобразователь имеет вентили с искусственной коммутацией. 11 результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям: 180400 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 200400 - «Промышленная электроника». Таким образом, в проведённой работе предложен, разработан и на математических моделях исследован новый класс СРиСПН с принципиально улучшенными характеристиками. В СРиСПН с ЗПЧ для стабилизации напряжения с любым числом фаз используется один ВДТ, который может быть однофазным. Решена проблема совмещения в одной системе стабилизатора напряжения, компенсатора реактивной мощности и активного фильтра при общем снижении её массо-габаритных показателей. Использование классических преобразовательных схем в СРиСПН позволяет создавать компактные мощные устройства на основе существующих интегральных силовых модулей.
Моделирование переключения управления между группами встречно- параллельных вентилей НПЧЕ
Следует отметить, что в общем объёме нагрузок велика и растёт доля нелинейных нагрузок, содержащих ключевые преобразователи на входе. Они потребляют из сети несинусоидальный отстающий от напряжения ток, который вызывает несинусоидальные и несимметричные по фазам падения напряжения на сопротивлениях сети, которые, в свою очередь, искажают синусоидальную форму и фазную симметрию напряжения у потребителя. В кривой напряжения появляются высшие гармоники, которые усиливают электрический и магнитный поверхностные эффекты, вызывают резонансы в фильтрах, ускоряют старение электротехнических материалов, искажают показания приборов учёта расхода электроэнергии /5, 13,20,38,66,97,114/.
Таким образом, наиболее весомым фактором основной проблемы современного электроснабжения является несоответствие пропускной способности сети (номинальной передаваемой мощности) и необходимой потребителю мощности. Кроме упомянутых технологических факторов на качество электроснабжения также влияют объективные: - Переходные процессы в сети, вызванные перераспределением мощности меж ду потребителями при переключении нагрузок. Это вызывает всплески, прова лы, качания и другие искажения напряжения, величина которых зависит от ка чества отдельных участков сети, а также от соотношения 1КЭ11тм\ - Метеоусловия (атмосферное электричество, влажность, температура воздуха). От них в значительной степени зависит характер энергопотребления: при по вышении температуры повышается мощность, потребляемая холодильниками и кондиционерами, при понижении температуры сеть нагружается электрона гревательным оборудованием /7, 41-43/. Также метеоусловия влияют на сеть прямо: ухудшается изоляция линий передач при повышении влажности, уве личивается удельное сопротивление материалов проводов и уменьшается маг нитная проницаемость материалов сердечников трансформаторов при повы шении температуры. Принципиальным решением проблемы для всех участников электроснабжения является постепенная замена устаревающих участков сети новыми, в которых используются улучшенные электротехнические материалы, улучшенные конструкции силовых кабелей, трансформаторов и другого оборудования сети с достаточным запасом по передаваемой мощности. Однако, такого рода профилактические работы имеют большую стоимость и обычно проводятся только в случае аварий. По этой причине потребители, для которых качество электроэнергии играет существенную роль, вынуждены решать проблему самостоятельно.
Главным образом от некачественной электроэнергии страдают промышленные потребители, которые в технологическом процессе производства используют электроприводы. При питании некачественным напряжением могут происходить колебания скорости вращения и вращающих моментов на валах электродвигателей, дополнительные коммутации магнитных контактов и полупроводниковых приборов, искажения показаний счётчиков электроэнергии, что в конечном итоге приводит к возрастанию доли брака в выпускаемой продукции и к конфликтам с энергоснабжающими организациями /7, 14, 19/. Поэтому потребители, убытки которых от потребления некачественной электроэнергии соизмеримы или превышают затраты на приобретение и эксплуатацию регулирующих и стабилизирующих устройств, вынуждены использовать последние для повышения качества питающего напряжения своего электрооборудования.
К регулирующим и стабилизирующим устройствам со стороны потребителя предъявляются следующие технические требования /20, 29-31, 42, 70, 75, 80-82, 89, 105, 112/(далее эти устройства называются системами регулирования и стабилизации переменного напряжения (СРиСПН)): - способность поддержания требуемого значения напряжения на нагрузке при изменениях сетевого напряжения; - высокая точность поддержания требуемого напряжения на нагрузке; - обеспечение синусоидальной формы напряжения на нагрузке, иначе - способность подавления высших и низших гармоник сетевого напряжения; - малый вес и габаритные размеры; - высокий коэффициент полезного действия. Как было отмечено выше, потребители, использующие ключевые преобразователи (в том числе СРиСПН), улучшают качество своей электроэнергии за счёт ухудшения её качества у других потребителей. Поэтому ещё одним требованием к СРиСПН является электромагнитная совместимость с сетью /1, 16, 38, 43, 74, 86, 87/, которая в идеале означает потребление устройствами из сети тока синусоидальной формы, совпадающего по фазе с напряжением. Система регулирования и стабилизации переменного напряжения представляет собой устройство, на входе которого - напряжение сети ис (как правило, однофазное или трёхфазное), а на выходе - напряжение на нагрузке ин. Под регулированием напряжения понимается изменение действующего значения напряжения на нагрузке U„ в сторону как понижения, так и повышения в достаточно широком диапазоне с целью управления определённым параметром нагрузки. При этом действующее значение сетевого напряжения Uc считается неизменным. Характерный диапазон изменения UH = (0 -г 2) U„ ном, где UH ном - номинальное действующее значение напряжения на нагрузке.
Под стабилизацией напряжения понимается поддержание на нагрузке номинального и„ при отклонениях Uc в сторону как понижения, так и повышения в достаточно узком диапазоне нестабильности. Характерный диапазон нестабильности Uс = (0,7 ч- 1,3) UHH0M.
Одна и та же система при определённых условиях может использоваться как для регулирования, так и для стабилизации напряжения, но, поскольку в данной работе решается задача повышения качества электроэнергии, то основное внимание уделяется системам стабилизации напряжения. В этой главе рассматриваются общие принципы построения СРиСПН, способы управления ими; приводится классификация возможных и существующих структур СРиСПН со звеном повышенной частоты; проводится анализ предложений на рынке устройств для повышения качества переменного напряжения.
Существующие СРиСПН делятся на системы с регулированием полной мощности и системы с регулированием части мощности и последующим сложением её с основным потоком мощности (рис. 1.1). Регулятор напряжения с регулированием в обе стороны от номинального значения управляется сигналом от системы управления, устанавливающим необходимое значение напряжения. Когда система работает в режиме стабилизатора, кроме сигнала, задающего требуемое значение напряжения на нагрузке, и сигнала синхронизации с сетью, в систему управления также поступает управляющий сигнал в виде напряжения сети или напряжения на нагрузке (пунктирные стрелки). Сигнал управления регулятором напряжения система управления формирует по совокупности поступающих в неё сигналов. В систему управления регулятором также могут поступать другие вспомогательные сигналы (например, ток нагрузки, токи через ключи, напряжения в разных точках схемы регулятора).
Исследование показателей качества напряжения на нагрузке СРиСПН в установившемся режиме
Обычно в мощных системах преобразования электроэнергии в качестве вентилей используются тиристоры. Физические процессы в тиристоре при коммутации могут быть представлены функциональной моделью, отражающей его основные коммутирующие свойства. Рассмотрим модель запираемого тиристора, которую можно использовать в схемах и естественной, и с искусственной коммутацией.
Главным элементом схемы замещения тиристора, выделенной пунктирным прямоугольником на рис. 4.1, является ключ, управляемый током S, который имеет параметры: ток замыкания 13, ток размыкания 1Р, сопротивление в замкнутом и разомкнутом состояниях R3 и Rp. Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), играет роль повторителя напряжения и введён для развязки выхода канала управления тиристором и управляющего электрода УЭ.
Схема работает следующим образом. В исходном состоянии тиристор закрыт и к аноду А приложено положительное напряжение UA относительно катода К. При подаче на управляющий электрод УЭ импульса управляющего напряжения иу положительной полярности относительно К через цепь управления ключа протекает ток, ограниченный сопротивлением R. Если величина тока больше 13, ключ замыкается и в цепи нагрузки Z„ возникает ток /, который затем поддерживает ключ в замкнутом состоянии. Запирание тиристора происходит, когда ток в цепи управления ключа падает ниже 1Р, то есть либо при падении тока нагрузки ниже 1р, либо при подаче на УЭ отрицательного импульса, который вызывает протекание тока через цепь управления ключа, меньшего 1Р. Таким образом ток ключа S управляет его размыканием, а 1Р является током удержания тиристора. Диод D предназначен для исключения отпирания тиристора в случае, когда при отрицательном (обратном) напряжении иА на УЭ подаётся отпирающий импульс.
Параметры элементов схемы замещения задаются на основе паспортных данных силового тиристора. В используемой модели приняты характерные значения:
Сопротивление R подбирается таким, чтобы отпирающий импульс напряжения вызвал протекание тока, не меньшего І3. А в схемах с искусственной коммутацией, с учётом номинального тока нагрузки, - таким, чтобы импульс запирающего тока вызывал уменьшение тока через управляющую цепь открытого ключа S до значения, меньшего 1Р.
Нужно отметить, что при наличии в схеме реактивных элементов со значениями, различающимися на несколько порядков, из-за резкого изменения сопротивления такая модель может приводить к жёсткой матрице узловых проводимо-стей, что требует уменьшения шага интегрирования и дополнительных итераций для отыскания решения. Это может увеличить время расчёта и вероятность расходимости. Для "смягчения" матрицы при сохранении адекватности модели и скорости расчёта целесообразно применить естественный приём шунтирования тиристора последовательной RC-цепью. Её параметры рассчитываются для конкретной схемы: постоянная времени должна быть порядка времени включения реального тиристора, а её сопротивление в момент коммутации не должно значительно влиять на ток нагрузки: RRC = (103+ 104)RH, где RH - активное сопротивление нагрузки.
Схема испытания модели тиристора (рис. 4.2) работает следующим образом. В исходном состоянии ключ S1 замкнут и к точке 1 приложено 0 В, включённый в цепь RL-нагрузки тиристор (блок Thyrist) закрыт и к нему приложено синусоидальное напряжение источника VI. В момент размыкания ключа S1 напряжение +5 В прикладывается к точке 7. Проходя через дифференцирующую цепь R2-C импульс преобразуется в положительный экспоненциальный всплеск с постоянной времени TRC = С (Rl + R2).
Чтобы закрыть тиристор необходимо замкнуть ключ S1, что вызовет появление отрицательного запирающего импульса на выходе RC-цепи, причём активно-индуктивная нагрузка во избежание скачка напряжения должна быть зашунти-рована диодом D при помощи ключа S2.
На временных диаграммах (рис. 4.3) на интервале Ті происходит отпирание тиристора при положительной полуволне напряжения. На интервале Т2 при отрицательной полуволне тиристор закрыт и импульсы управления не влияют на его состояние. На интервале Тз - двукратная коммутация на положительной полуволне при замкнутом ключе S2.
Силовая часть преобразователя представляет собой простую схему по сравнению с системой управления, и расчёт последней требует большей части машинного времени, поэтому целесообразно смоделировать её на функциональном уровне. Это означает замену сложных схем замещения транзисторов и операционных усилителей, предназначенных для моделирования сигнальных цепей, на идеальные элементы математического преобразования сигнала, что позволит отвести машинное время на расчёт интересующей нас силовой схемы. В программе Electronics Workbench 5.12 имеется многофункциональный набор таких элементов.
В качестве операционного усилителя используется идеальный ограничитель напряжения (Voltage Limiter, рис. 4.4,а), для которого задаётся коэффициент усиления, а также верхний и нижний пределы выходного напряжения.
Способ формирования напряжения, предложенный в главе 3.3.1 для управления НПЧЕ с источником напряжения в цепи нагрузки, удобно упростить для применения в Electronics Workbench 5.12, поскольку задание сложной формы регулировочной характеристики сопряжено со значительным усложнением схемы и увеличением времени расчета. Поэтому при создании модели канала управления вентилем НПЧЕ применён упрощённый способ формирования напряжения на нагрузке, где рабочие кусочно-синусоидальные участки регулировочной характеристики выходного напряжения ВДТ аппроксимированы линейными. Также не предусмотрено устранение бестоковой паузы на нагрузке. Эти упрощения не влияют на принципиальные процессы в схеме, а лишь в некоторой степени - на форму напряжения на нагрузке. Так, для моделирования линейных участков регулировочной характеристики использован идеальный ограничитель скорости нарастания напряжения (Slew Rate Block, рис. 4.4,6)
