Содержание к диссертации
Введение .'. 4
Глава 1. Повышение эффективности систем электроснабжения
на повышенных и регулируемых частотах 11
-
Состояние проблемы , 11
-
Перспективы создания мощных ИВЭ. Повышение их технико-экономических показателей 14
1.3. Постановка задачи 17
Выводы по главе 1 18
Глава 2. Электротехнический комплекс для питания
технологического оборудования 20
2.1. Принципы функционирования и концепция перестраиваемой
структуры 20
-
Математическая модель для статической нагрузки 22
-
Исследование электротехнического комплекса при изменении
нагрузки и перестройке его структуры 43
2.3.1. Исследование процесса выключения модуля, работающего
в режиме передачи активной мощности 44
2.3.2. Исследование процесса включения модуля в режим
передачи активной мощности 51
2.3.3. Исследование процесса перевода модуля из режима
рекуперации в резерв и обратно .. 59
-
Моделирование токов вентилей 66
-
Экспериментальные исследования 71
Выводы по главе 2 73
Глава 3. Исследование электротехнического комплекса
при работе на двигательную нагрузку 75
3.1. Математическая модель системы для питания однодвигательной
и многодвигательной нагрузки 75
-
Динамика комплекса, работающего на однодвигательную нагрузку 78
-
Алгоритм перестройки структуры комплекса при изменении нагрузки 85
-
Исследование системы централизованного электроснабжения 93
Выводы по главе 3 96
Глава 4. Учет влияния реальных параметров модулей
на схемотехнику и функционирование электротехнического
комплекса , 98
-
Моделирование МПК 98
-
Сравнение энергетических процессов в МПК и в АИН 102
-
Расчет установленной мощности 109
-
Исследование аварийных режимов в МПК 111
Выводы по главе 4 120
Заключение 122
Список использованной литературы : 124
Приложение 1 , 138
Приложение 2 183
Приложение 3 , 184
Введение к работе
Актуальность работы
Наблюдаемое в России в последние годы развитие энергетического рынка сопровождается возрастанием требований к качеству электроснабжения в целом и характеристик потребляемой электроэнергии, в частности. В тоже время рост числа производств, требующих бесперебойного питания, обусловливает большой интерес к эффективным и высоконадежным вторичным источникам электроснабжения. Все это создает благоприятные условия для интенсивного развития такого класса устройств как вентильные преобразователи, стимулирует поиск и реализацию новых схемных решений, а также открывает широкие возможности для их применения.
На сегодняшний день для решения большинства задач во вторичной энергетике требуется мощный от 1 до 300 МВт, полупроводниковый преобразователь, работающий на промышленную трехфазную сеть переменного тока [49]. Такой преобразователь должен обеспечивать плавное и независимое регулирование потоков активной и реактивной мощности, не вызывая при этом искажений формы напряжения сети. Современные силовые полупроводниковые приборы позволяют реализовать различные схемные варианты мощного преобразователя, обладающего указанными выше свойствами.
В последнее время получили широкое распространение приводы с использованием инверторов напряжения. Одной из причин этого, без сомнения, является появление мощных полностью управляемых вентилей, таких как транзисторы IGBT. По сравнению с тиристорами использование IGBT-транзисторов в схеме инвертора напряжения позволяет отказаться от коммутирующих конденсаторов, необходимых для компенсации реактивной мощности в схемах, построенных на приборах с неполной управляемостью.
5 При этом современные IGBT-модули отличаются высокими предельно допустимыми значениями тока (до 2400 А) и напряжения (до 6500 В), что существенно расширяет возможности их применения в мощном преобразовательном оборудовании.
Классическая схема автономного инвертора напряжения подробно исследована многими авторами [1, 5, 18, 28, 29, 33, 45, 54, 78, 79]. Значительно меньше публикаций в литературе посвящено параллельному соединению инверторов напряжения [4, 7, 8, 30]. Однако известные преимущества организации параллельной работы преобразователей, такие как наращиваемость мощности и высокая надежность при снижении затрат на резервирование, делают актуальной задачу исследования данного типа преобразовательного оборудования.
В ряде публикаций рассматриваются преимущества параллельного включения, вопросы синхронизации преобразовательных модулей в рамках сети и распределения мощности между параллельно работающими преобразователями, способы улучшения- выходного напряжения с помощью различных видов модуляции (ШИМ, АИМ). Известны такие работы по оперативно перестраиваемым преобразовательным сетям, построенным на базе инверторов тока [12, 40, 44, 95, ИЗ], позволяющие создавать высокоэффективные системы вторичного электроснабжения. Вместе с тем аналогичные системы, построенные на базе инверторов напряжения, практически не исследованы и задача построения адаптивных многомодульных систем электроснабжения такого типа еще ждет своего решения.
В данной работе развивается концепция перестраиваемой преобразовательной системы, которая - представляет собой параллельное соединение силовых модулей. Схема модулей аналогична схеме мостового инвертора напряжения. Основным отличием от обычного параллельного включения инверторов напряжения является то, что благодаря соответствующему управлению каждый модуль может работать в нескольких режимах, обеспечивая преобразовательный комплекс дополнительной функциональностью. Помимо вышеназванных преимуществ параллельного включения перестраиваемая преобразовательная система обеспечивает также повышение эффективности использования силового оборудования и увеличение ресурса работоспособности агрегатов за счет многофункциональности преобразовательных модулей.
Цель работы и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка и исследование схемотехнических решений построения многомодульных оперативно перестраиваемых источников электроснабжения на повышенных и регулируемых частотах.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Разработка математической модели многомодульного перестраиваемого комплекса (МПК) для питания статической нагрузки.
Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитных процессов в МПК и сравнение результатов с характеристиками АИН.
Исследование поведения преобразовательного комплекса при изменении параметров нагрузки и перестройке его структуры.
Разработка математической модели МПК для питания двигательной нагрузки и исследование электромагнитных процессов в преобразовательном комплексе при работе на одиночную и групповую двигательную нагрузку.
Исследование электромагнитных процессов в МПК, вызванных аварийными ситуациями в нагрузке.
7 6. Разработка комплекса программ моделирования работы МПК на статическую и двигательную нагрузку.
Методы исследования
Для решения поставленных задач потребовалось использование математического аппарата матричной алгебры, тензорного анализа, дифференциального и интегрального исчислений, объектно-ориентированного программирования, численного моделирования.
Достоверность основных положений диссертации подтверждается тем, что они не противоречат фундаментальным основаниям теоретической электротехники, теории электропривода и1 промышленной электроники, а также совпадением расчетных и экспериментальных результатов исследования.
Научная новизна
Разработаны математические модели для случаев статической и двигательной нагрузки нового класса многомодульных оперативно перестраиваемых электротехнических комплексов, выполненных на базе параллельно работающих многофункциональных модулей, содержащих инверторы напряжения.
Проведено исследование электромагнитных процессов в МПК. Показано, что переходные процессы, связанные с перестройкой структуры МПК и возникающие при изменении режимов работы преобразовательных модулей, не нарушают нормального функционирования комплекса в целом.
Доказано, что при включении в состав универсальных преобразовательных модулей обратных диодных мостов обеспечивается сохранение устойчивости работы комплекса при аварийных ситуациях в нагрузке.
8 Основные положения, защищаемые автором
Организация системы вторичного электроснабжения на базе параллельного включения многофункциональных модулей, содержащих инверторы напряжения, обеспечивает снижение аппаратных затрат до 10%, а при резервировании - до 50%, и повышение "живучести" системы.
Применение при разработке математических моделей МПК нового геометрического объекта - тензора вращения фаз позволяет создать универсальный инструмент, обеспечивающий моделирование не только алгоритмов переключения транзисторов в каждом модуле, но и процессы перестройки структуры МПК, что позволяет снизить аппаратные и временные затраты на программирование.
Введение в схему модулей дополнительных каналов для протекания возвратных токов обеспечивает устранение перенапряжений на вентилях при аварийных ситуациях в нагрузке.
Применение МПК обеспечивает снижение амплитудных и средних значений токов вентилей по сравнению с АИН, а перестройка структуры МПК не вызывает бросков тока и перенапряжений на вентилях и может производиться мгновенно.
Практическая ценность работы
Развиваемая концепция построения многомодульных электротехнических комплексов на базе инверторов напряжения позволяет повысить эффективность систем электроснабжения за счет возможности оперативной адаптации структуры комплекса к изменяющимся параметрам нагрузки.
Предлагаемая оперативно перестраиваемая многомодульная система электроснабжения на базе инверторов напряжения обладает высокой
9 надежностью при минимальных затратах на резервирование, а также малой инерционностью при изменении режимов работы образующих ее модулей, что делает ее пригодной для питания высокодинамичной нагрузки.
Достигнута равномерная загрузка модулей преобразовательного комплекса при включении/выключении двигателей и перестройке структуры комплекса за счет программного регулирования звена постоянного тока модулей.
Предложена модификация схем, составляющих комплекс преобразовательных модулей, которая обеспечивает сохранение всех достоинств перестраиваемого комплекса при аварийных ситуациях в нагрузке.
Реализация результатов
Вопросы, рассмотренные в работе, нашли отражение в проводимых Институтом проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов) исследованиях в области разработки теоретических положений построения адаптивных систем электроснабжения.
Результаты исследований, изложенных в диссертационной работе, использованы в ООО "Компания "ХАЙТЭК" (г. Саратов) при разработке проекта многопостовых литейных установок для индукционной плавки черных металлов.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на: 1. Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 2002).
Ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского государственного технического университета в 2002, 2003, 2004 годах.
Международной научно-технической конференции "Силовая электроника и энергоэффективность" СЭЭ-2004 (Алушта, Украина, 2004).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка использованной литературы из 113 источников и приложений, изложена на 123 страницах машинописного текста, включая 60 рисунков и 5 таблиц.
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
