Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К КОМПЕНСАЦИИ
РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЯ В
СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ С ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ 10
1.1 Области применения в промышленности трёхфазных
мостовых выпрямителей средней и большой мощности 10
Электропривод постоянного тока 10
Преобразователи частоты в электроприводе переменного тока 11
Системы питания технологических лазеров 13
Установки для электролиза цветных металлов 14
Установки для производства озона 15
Коэффициент мощности выпрямителей 16
Устройства и способы компенсации реактивной мощности и мощности искажения. Их недостатки 18
Принципы построения разрабатываемого комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой. 27
Компенсация реактивной мощности с помощью трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства 28
Компенсация мощности искажения с помощью силовых параллельных активных фильтров 31
Диапазон компенсируемых мощностей разрабатываемого комплексного устройства 33
ВЫВОДЫ 37
ГЛАВА 2. ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОЕ
КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО 39
Принцип действия ТТКУ 39
Вывод обобщённых аналитических зависимостей для токов ТТКУ в стационарных режимах его работы 56
Методика определения параметров элементов ТТКУ 70
Система управления ТТКУ 70
2.5 Математическая модель ТТКУ 73
ВЫВОДЫ 82
ГЛАВА 3. СИЛОВОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР 83
3.1 Методы определения опорных компенсирующих токов
устройств компенсации реактивной мощности и мощности
искажения
Теория мгновенной мощности в стационарной системе ар-координат 86
Теория мгновенных значений токов в синхронной системе dq-координат 87
3.2 Силовой параллельный активный фильтр потоку 90
Математическая модель СПАФ потоку 90
Разработка принципов построения системы управления СПАФ потоку 94
3.3 Силовой параллельный активный фильтр по напряжению.... 99
З.ЗЛ Математическая модель СПАФ по напряжению 99
3.3.2 Разработка принципов построения системы
управления СПАФ по напряжению 102
Дискретная математическая модель СПАФ по напряжению.. 113
Методика определения параметров элементов СПАФ по напряжению 120
ВЫВОДЫ 124
ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
КОМПЛЕКСНОГО УСТРОЙСТВА КОМПЕНСАЦИИ
РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЯ 126
4.1 Моделирование ТТКУ 132
Модель ТТКУ в программном комплексе MATLAB+SIMULINK 132
Анализ результатов моделирования ТТКУ 142
4.2 Моделирование СПАФ по напряжению 153
4.2.1 Модель СПАФ по напряжению в программном
комплексе MATLAB+SIMULINK 153
4.2.2 Анализ результатов моделирования СПАФ по
напряжению 158
Анализ результатов моделирования установившихся режимов работы СПАФН 159
Анализ результатов моделирования переходных режимов работы СПАФН 169
ВЫВОДЫ 174
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ТЕСТИРОВАНИЕ МАКЕТОВ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО МОДУЛЯ И СИЛОВОГО
ПАРАЛЛЕЛЬНОГО АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ПО НАПРЯЖЕНИЮ.. 176
5.1 Макет трансформаторно-тиристорного модуля 176
Описание макета ТТМ 176
Результаты тестирования макета ТТМ 183
5.2 Макет силового параллельного активного фильтра по
напряжению 185
Описание макета СПАФН 185
Результаты тестирования макета СПАФН 198
ВЫВОДЫ 198
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 200
# ЛИТЕРАТУРА 202
ПРИЛОЖЕНИЕ А 210
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 218
ПРИЛОЖЕНИЕ В 220
к;1
Введение к работе
Актуальность работы
Развитие многих современных отраслей производства немыслимо без применения устройств силовой преобразовательной техники. Особенно велика её роль в таких отраслях промышленности, где возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. В ряде случаев мощность выпрямительных установок достигает сотен и тысяч киловатт.
Для преобразования трёхфазного напряжения в регулируемое постоянное широко используются управляемые вентильные преобразовательные установки, построенные по мостовым схемам с числом фаз выпрямления от 6 до 24. Основным недостатком управляемых тиристорных преобразователей является снижение коэффициента мощности системы, особенно при глубоком регулировании, обусловленное фазовым сдвигом тока относительно напряжения питающей сети и, следовательно, значительным потреблением реактивной мощности.
Другой недостаток управляемых выпрямителей проявляется при рассмотрении вопроса их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Вентильные преобразователи в значительной степени искажают синусоидальную форму тока по фазам питающей сети, генерируя гармонические составляющие высшего порядка, что помимо снижения коэффициента мощности, отрицательно сказывается на оборудовании, потребляющим энергию от той же сети, и ведёт к необходимости применения фильтрующих устройств. Это, в свою очередь, приводит к дополнительным затратам и к возможности возникновения нежелательных резонансных явлений при использовании пассивных фильтров.
Таким образом, одной из главных задач силовой преобразовательной техники является повышение коэффициента мощности управляемых выпрямительных установок. При глубоком регулировании выходного напряжения для обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью следует проводить меры по компенсации реактивной мощности и мощности искажения путём использования устройств компенсации реактивной мощности и активных фильтрующих устройств, обеспечивающих синусоидальность напряжения и тока в сети согласно требованиям ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». При этом эффективность таких компенсирующих и фильтрующих устройств должна выражаться не только минимальной величиной потерь активной мощности в этих устройствах и
наиболее близким к единичному значению коэффициентом мощности, но также и соответствием напряжения и тока сети нормам вышеуказанного ГОСТа.
Цель работы
Разработка комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемыми выпрямительными установками, выполненного на базе новых технических решений и осуществляющего раздельную и одновременную коррекцию обоих составляющих коэффициента мощности таких установок (коэффициента сдвига и коэффициента искажения).
Для достижения поставленной цели автор решает следующие задачи:
анализ способов и устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой;
разработка новых принципов построения устройств компенсации реактивной мощности на основе использования трансформаторно-тиристорных модулей (ТТМ);
разработка математической и компьютерной моделей трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства (ТТКУ);
разработка математической и компьютерной моделей силового параллельного активного фильтра (СПАФ);
создание и испытание макетов ТТКУ и СПАФ, анализ результатов испытаний макетов и сравнительный анализ экспериментальных данных с данными компьютерного моделирования.
Методы исследования
При выводе обобщённых аналитических зависимостей токов трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства в стационарных режимах его работы были использованы основные положения теории линейных электрических цепей. Для построения математической модели трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства использован метод структурного моделирования. При разработке принципов построения системы управления трансформаторно-тиристорным компенсирующим устройством использованы положения теории мгновенной мощности в стационарной системе сф-координат. Для определения опорных компенсирующих токов силового параллельного активного фильтра использованы положения теории мгновенных значений токов в синхронной системе dq-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей
сети. При разработке системы управления силового параллельного активного фильтра использован метод несвязного регулирования. Для построения дискретной математической модели силового параллельного активного фильтра использованы алгоритмы быстрого и медленного вычисления с прогнозированием.
Научная новизна
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
Предложен принцип комплексного подхода к решению задачи эффективной коррекции коэффициента мощности выпрямительных установок в широком диапазоне регулирования мощности на выходе выпрямителей, позволяющий использовать для компенсации реактивной мощности, без риска возникновений резонансных явлений, трансформаторно-тиристорное устройство, содержащее в своём составе емкостные накопители энергии и негенерирующее в питающую сеть дополнительные гармоники напряжения и тока.
Разработаны математические и компьютерные модели:
а) трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства,
содержащие взаимосвязанные структурные схемы магнитной и
электрической цепей и позволяющие рассчитывать оптимизировать
параметры элементов, а также проводить полный анализ функционирования
устройства в статических и динамических режимах работы;
б) силового параллельного активного фильтра, учитывающие параметры
реальной системы электропитания и позволяющие проводить расчёт и
оптимизацию параметров элементов его силовой части и системы управления
с целью минимизации потерь активной мощности, а также проводить полный
анализ функционирования фильтра в статических и динамических режимах
работы.
Использована стратегия несвязного регулирования для преобразования нелинейных токовых контуров системы управления СПАФ, в результате применения которой данные контура становятся линейными и их параметры рассчитываются в соответствии с классической теорий автоматического управления.
Разработана дискретная математическая модель СПАФ с алгоритмами быстрого и медленного вычисления с прогнозированием, адаптивная к системам управления, реализующим ШИМ, и построенным на базе быстродействующих цифровых сигнальных процессоров.
Практическая ценность результатов работы
Разработано комплексное устройство для обеспечения электромагнитной совместимости выпрямительных установок с питающей сетью, применение которого позволяет повысить значение коэффициента мощности таких установок до предельно возможного. Новизна устройства подтверждена патентом России №2253890, ют. 7Н02М5/12, G05F1/253. Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током и устройство для его осуществления /Туманов И.М., Слепченков М.Н. и др. //Бюллетень № 16, 2005 г.
Разработаны программы для ЭВМ, позволяющие проводить моделирование и поиск оптимальных значений параметров силовых схем ТТКУ и СПАФ, определение оптимальных для компенсации реактивной мощности стационарных режимов работы ТТКУ, и параметров системы управления СПАФ, что, в свою очередь, позволяет уменьшить затраты ресурсов на изготовление и снизить потери электроэнергии в процессе эксплуатации таких устройств. Получено два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ:
Параллельный активный фильтр высших гармонических составляющих тока по фазам питающей сети. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2004611831 РФ/ М.Н. Слепченков, К.В. Ларионов. М.:Роспатент, Реестр программ для ЭВМ, 9 августа 2004 г.
Трансформаторно-тиристорный модуль с активно-индуктивной нагрузкой. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610183 РФ/ М.Н. Слепченков, Д.В. Гребенников, А.А. Кралин. М.:Роспатент, Реестр программ для ЭВМ, 18 января 2005 г.
Создан опытный образец трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства в ЗАО "Стромизмеритель".
Разработана замкнутая микропроцессорная система управления силового параллельного активного фильтра, реализованная на базе быстродействующего DSP-контроллера.
Реализация результатов работы.
Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:
при создании действующего макета трансформаторно-тиристорного модуля в ЗАО "Стромизмеритель" (Нижний Новгород); работа
V»
выполнена по х/д №2000/1439, заключенного между НГТУ и ЗАО "Стромизмеритель"; при создании лабораторных рабочих мест на кафедре «Промышленная электроника» НГТУ для проведения лабораторных занятий со студентами по дисциплинам «Энергетическая электроника» и «Математическое моделирование систем»
Апробация работы.
Основные теоретические положения и результаты диссертационной
работы были доложены на VII сессии молодых ученых (Нижний Новгород,
2002), XXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы
электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2002), научно-техническом форуме
«Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород,
2003), IX международной научно-технической конференции
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2004).
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 12 работ. В том числе получены: патент России на изобретение № 2253890 и два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2004611831 и № 2005610183.
