Регулирование напряжения в цеховых системах электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Апарин, Владимир Александрович

• Апарин, Владимир Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Апарин, Владимир Александрович

Оглавление....................................................................................................................................................2

Введение.......................................................................................................................................................4

Актуальность проблемы..........................................................................................................................4

Цель исследования...................................................................................................................................6

Методы исследования..............................................................................................................................7

Положения, выносимые на защиту........................................................................................................8

Научная новизна.......................................................................................................................................8

Практическая ценность...........................................................................................................................9

Внедрение результатов работы...............................................................................................................9

Апробация работы...................................................................................................................................9

Глава 1 — Исследование качества электрической энергии в цеховых электрических сетях промышленных предприятий...................................................................................................................11

1.1 Проблема качества электрической энергии в сетях электроснабжения.....................................11

1.2 Влияние качества электрической энергии на работу оборудования...........................................13

1.3 Способы управления спектральным составом кривой питающего напряжения на потребителях электрической энергии..................................................................................................15

1.4 Система регистрации параметров электрической энергии..........................................................28

1.5 Создание программного обеспечения для ускорения/упрощения процесса моделирования процессов в сетях электроснабжения, система регистрации параметров электрической энергии 29

1.6 Спектральный состав кривой сетевого напряжения в реальных условиях................................37

Выводы....................................................................................................................................................52

Глава 2 - разработка способа компенсации отклонения мгновенных значений напряжения от заданных параметров кривой напряжения..............................................................................................53

2.1 Разработка способа компенсации отклонения мгновенных значений напряжения..................53

2.2 Имитационная модель компенсирующего устройства.................................................................55

2.3 Имитационная модель «сеть - фильтрорегулирующее устройство - нагрузка», блоки и их применение для моделирования в Ма^аЬ/БипиИпк............................................................................59

2.4 Создание экспериментальной модели сети...................................................................................63

Выводы....................................................................................................................................................66

Глава 3 - исследование стабильности работы уточнённой модели ФРУ..............................................68

3.1 Методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства..................68

3.2 Модель последовательного бестрансформаторного фильтрорегулирующего устройства.......70

3.3 Стабильность работы системы.......................................................................................................76

Выводы....................................................................................................................................................90

Глава 4 - Разработка физической модели ФРУ.......................................................................................92

4.1 Влияние питающего напряжения на точность работы ФРУ........................................................92

4.2 Влияние программно-аппаратных составляющих модели ФРУ.................................................96

4.3 ФРУ с контролем напряжения на конденсаторе инвертора ФРУ.............................................100

4.4 Физическая модель ФРУ с СКН...................................................................................................110

Выводы..................................................................................................................................................112

Заключение...............................................................................................................................................113

Список литературы:.................................................................................................................................115

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регулирование напряжения в цеховых системах электроснабжения»

Введение Актуальность проблемы

В настоящее время множество предприятий малого и среднего бизнеса используют промышленные сети напряжения 0.38 кВ для своих производственных нужд. Это связано, в основном, с тем, что оборудование, применяемое на подобных предприятиях, имеет мощности до десятков киловатт, однако число таких потребителей может достигать значительного количества.

При этом, как правило, малые и средние производственные предприятия располагаются группами на площадях, где существуют определённые коммуникации (в частности сети промышленного напряжения), часто на территории крупных производственных центров (заводов) или смежных с ними. При таком расположении производств нередки случаи, когда на качество получаемой потребителем электроэнергии оказывают влияние смежные потребители. В то же время организации малого и среднего бизнеса часто не имеют возможностей для оказания влияния на смежных потребителей и энергоснабжающих организаций. Задача обеспечения стабильной работы всего парка технологического оборудования является первостепенной для производственного предприятия. Это задача является одной из основных для экономического выживания предприятием. При этом решением этой задачи оказывается озабочено непосредственно само предприятие.

С учётом того что некоторое оборудование, в частности системы управления, вычислительная техника, гораздо более восприимчивы к качеству питающего напряжения, то встаёт вопрос об обеспечении требуемого уровня качества электроэнергии. Важным является то, что некоторые электроприёмники являются гораздо более критичными к качеству электроэнергии. Это проявляется различными вариантами:

• идёт снижение качества выпускаемой,

• оборудование чаще выходит из строя,

• системы защиты отключают оборудование для его сохранения.

Все перечисленные варианты ведут к экономическим потерям:

• повышение количества брака приводит к дополнительным затратам на материалы и ресурсы при производстве,

• снижение качества выпускаемой продукции приводит к снижению стоимости продажи готовой продукции,

• простой оборудования приводит к повышению накладных,

• затраты на ремонт оборудования и автоматики защиты.

Как правило, наиболее восприимчивыми к качеству электрической энергии являются системы управления, основанные на ЧПУ. При этом если использование советских и российских ЧПУ при недостаточном качестве электроэнергии приводит к снижению качества выпускаемой продукции, то более современные иностранные образцы, в частности, выпускаемые компанией FANUC, просто отказываются работать до обеспечения требуемого уровня качества электроэнергии. Важно отметить, что подобное оборудование часто имеет повышенные требования к качеству электрической энергии по сравнению с регламентированными в РФ согласно ГОСТ54149-2010 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". Таким образом, даже в ситуации, когда нормы качества электроэнергии обеспечиваются согласно российским стандартам, существуют ситуации, когда применение оборудования не возможно. В то же время применение российских аналогов если и возможно, то ещё больше снижает качество выпускаемой продукции в случае низкого качества электроэнергии. Также стоит отметить, что отечественные аналоги зачастую имеют худшие характеристики по сравнению с иностранными. Таким образом, у компании, которая использует ЧПУ в условиях низкого качества электроэнергии практически не остаётся выбора - снижение качества продукции или отсутствие возможности её выпуска. Подобная ситуация складывается и для программируемых логических контроллеров в частности производства компании Siemens - в них заложена стандартная функция отключения системы управления при достаточном уровне качества электроэнергии. В современных условиях отсутствие конкурентного преимущества зачастую является критичным для

выживания компании на рынки. С этой точки зрения проблема качества электрической энергии для малых и средних предприятий является крайне актуальной.

Кроме этого в некоторых случаях низкое качество электроэнергии приводит к дополнительному нагреву и выходу их строя менее восприимчивых устройств - таких как двигатели, компенсирующие установки. Что в свою очередь также сказывается на экономической и технологической эффективности работе предприятия.

Современные системы регулирования качества электроэнергии направлены в основном на снижение потребляемой реактивной мощности и устранение тока высших гармоник сетях электроснабжения. Этому посвящены работы большинства российских и зарубежных учёных, среди которых можно назвать Агунова А. В., Агуно-ва М. В., Вагина Г.Я. Дьякова Д.Ф., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Кужекина И.П., Лабунцова В. А., Лоскутова А.Б., Розанова Ю. К., Севостьянова A.A., Чаплыгина Е. Е., Шидловского А. К., Н. Akagi, Y. Kanazawa и т. д. Наиболее распространённым решениями являются тиристорные компенсаторы и конденсаторные установки.

В то же время регулированию формы кривой питающего напряжения посвящено не так много публикаций. Среди учёных занимающих этой проблемой можно выделить Агунова A.B., который занимался исследованием компенсации реактивной мощности[24, 29], разработал способ определения составляющих мощности [109].

Для регулирования напряжения используются автотрансформаторы, источники бесперебойного питания, генераторы электрической энергии, однако эти решения малопригодны для больших мощностей нагрузки, в основном из-за высокой стоимости и больших габаритов. Решения на основе силовых активных фильтров пока не нашли широкого применения, хотя первые разработки в этом направлении в России датируются 80-ми годами XX века.

Цель исследования

Целью работы является регулирование напряжения на электроприёмниках в системах электроснабжения 0,38 кВ на основе последовательного активного фильтра, компенсирующего отклонение мгновенных значений напряжения от заданных параметров.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. разработка устройства регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в электрических сетях 0.38 кВ;

2. экспериментальное исследование и математическая обработка мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0,38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии ЭП;

3. разработка способа регулирования мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП;

4. разработка имитационной модели «сеть - фильтрорегулирующее устройство -нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;

5. разработка методики формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающей регулирование мгновенных значений напряжения;

6. оценка стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях;

7. разработка схемотехнического решения и создание физической модели фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения;

8. экспериментальная проверка на физической модели обеспечения требуемых показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения.

Методы исследования При анализе кривой сетевого напряжения и результирующего напряжения после фильтрорегулирующего устройства на нагрузке используется аппарат рядов Фурье. При исследовании адекватности разработанного способа регулирования напряжения на нагрузке используются методы математического и имитационного моделирования физических процессов в электрических цепях. Экспериментальные методы основаны на применении инструментальных средств с последующей

цифровой математической обработкой сигналов на основе частотного анализа и преобразования Гильберта.

Положения, выносимые на защиту В ходе диссертационного исследования были получены основные результаты, сформулированные автором, как положения, выносимые на защиту:

1. Способ компенсации мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП от заданных значений;

2. Устройство регистрации, вычисления и вывода мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц.

3. Имитационная модель системы «сеть - фильтрорегулирующее устройство -нагрузка», обеспечивающая реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения.

4. Критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.

5. Схемотехническое решение фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.

Научная новизна

1. разработан способ компенсации отклонения мгновенных значений напряжения, питающего индивидуальный ЭП или группу ЭП (патент РФ № 2449457);

2. разработана имитационная модель «сеть - фильтрорегулирующее устройство -нагрузка», обеспечивающей реализацию способа регулирования мгновенных значений напряжения;

3. разработана методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего устройства, обеспечивающая регулирование мгновенных значений напряжения;

4. получены критерии стабильности работы фильтрорегулирующего устройства при внутренних и внешних воздействиях.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработано устройство и программное обеспечение позволяющее проводить регистрацию, вычисление и вывод мгновенных значений напряжения, тока и показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ с частотой дискретизации 44 кГц (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2012614912).

2. Получены мгновенные значения показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения 0.38 кВ, питающей чувствительные к искажениям электроэнергии электроприёмники.

3. Разработана программа управления фильтрорегулирующим устройством, обеспечивающая компенсацию отклонений мгновенных значений напряжения (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011610683).

4. Создано схемотехническое решение и физическая модель фильтрорегулирующего устройства обеспечивающего регулирование мгновенных значений напряжения.

Внедрение результатов работы

Результаты работы были внедрены в учебный процесс Тольяттинского государственного университета в дисциплины «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей» и «Основы преобразовательной техники», в производственный процесс ООО «ВИЭМТЕХ» при производстве источников питания для сейсмоисточников, в производственный процесс ООО «ТДМК» при контроле параметров электрической энергии, в производственный процесс ООО «НПО ТЭС» при производстве фильтрорегулирующих устройств.

Апробация работы Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. III Международная научно-техническая конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2010 г.;

2. VII-я Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в электронике и электроэнергетике» ИТЭЭ-2010, Чебоксары, 2010 г.;

3. 5-я Всероссийская научно-практическая конференция «Системы управления электротехническими объектами», Тула, 2010 г.;

4. Международная научно-техническая интернет-конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах» (ЭПАХПП-2011), Воронеж, 27-28 сентября 2011 г.;

5. IX Всероссийская научно-техническая конференция «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ДНДС-2011), Чебоксары, 6-8 октября 2011 г.;

6. Международная молодёжная научно-техническая конференция «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», Самара, 21-25 ноября 2011 г.;-

7. Региональная конференции «Энергосбережение в Самарской области: актуальные проблемы и пути их решения», Самара, 15 декабря 2010 г.;

8. Всероссийская выставка «Российская неделя электроники 2010», Москва, 13 ноября 2010 г.;

9. IV Российский форум «Российским инновациям- Российский капитал», Оренбург, 8-10 июня 2011 г.;

10. Выставка-форум «Образование. Наука. Бизнес», Самара, 8-10 декабря 2011 г.;

11. Выставка «60 лет ТГУ: Опыт. Качество. Инновации», Тольятти, 24-28 января 2011 г.

Глава 1 — Исследование качества электрической энергии в цеховых электрических

сетях промышленных предприятий

1.1 Проблема качества электрической энергии в сетях электроснабжения

Последние 25 лет в России значительное внимание уделяется вопросу регулирования качества питающей сети. Он освящается в целом ряде научных публикаций[ 1-4,30-31,53-62], а часть способов и методов управления качеством электрической энергии реализована в различных устройствах. Однако, широкого распространения по ряду причин данные устройства не получили. В то же время новое оборудование предъявляет всё более строгие требования к параметрам сети[3,43,45,53,75,87,91,97,100]. Другим аспектом, влияющим на качество электрической энергии, является характер нагрузки и её коэффициент мощности. Нелинейная нагрузка при питании несинусоидальным напряжением вносит дополнительные искажения в форму потребляемого тока, и как следствие ухудшает и форму сетевого напряжения в точке присоединения нагрузки. Поэтому вопрос регулирования формы напряжения подаваемого на нагрузку в электрических сетях до сих пор является актуальным.

Нередко в системах энергоснабжения форма кривой напряжения отличается от определяемой ГОСТ 54149-2010 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения". Для этого может быть множество причин. Для систем энергоснабжения с периодической формой кривой напряжения, например, сети переменного синусоидального напряжения 50Гц, в большинстве случаев причиной таких искажений являются высшие гармоники, провалы и импульсы напряжения, возникающие при работе мощных потребителей электрической энергии. Искажения формы кривой питающего напряжения могут сказаться на работе потребителей в сети, а также надёжности работы, как

потребителей, так и регулирующей аппаратуры и сети в общем.

Причины несоответствий существующих параметров электроэнергии требуемым можно квалифицировать по месту возникновения: они могут быть как внутренними (внутри цеха/внутри организации), так и внешними.

К причинам первого типа относится некорректность подключения различных типов нагрузки к распределительной сети, заключающиеся в соседстве в одном узле чувствительного к помехам и генерирующего помехи оборудования. К причинам второго типа относится высокая загруженность трансформаторов на подстанциях. К обоим типам причин относится некорректная работа электротехнологического оборудования, изношенность сетей электроснабжения.

Последствия отклонений параметров электроэнергии от требуемых трудно предсказуемы ввиду вероятностного характера отклонений, а также возможного их взаимного влияния друг на друга. Однако наиболее общими последствиями являются [3,17,64,74,76,79,89]:

• нестабильность работы электротехнологического оборудования,

• снижение качества выпускаемой продукции, увеличение процента брака,

• срабатывание систем защиты и, как следствие, увеличение времени простоя оборудования,

• ускоренный выход оборудования из строя (снижение его эксплуатационного периода),

повышение затрат на обслуживание и диагностику проблем с оборудованием. В данной работе рассматривается случай приведения формы кривой периодического питающего напряжения к форме, заданной ГОСТ 54149-2010.

Существует несколько методов улучшения формы кривой напряжения. В настоящее время для улучшения формы и уменьшения фазы тока применяют фильтрорегулирующие устройства (ФРУ)[1] следующих типов:

• пассивные фильтры,

• активные фильтры гармоник,

• активно-пассивные фильтры гармонических составляющих.

В настоящее время активные фильтры имеют гораздо большее распространение,

чем 35 лет назад, когда была описана идея их применения [2], из-за существенно улучшившихся характеристик силовых ключей, а также снижения стоимости элементной базы. Наибольшее распространение получили параллельные активные фильтры, рассчитанные на устранение высших гармонических составляющих тока. Принцип действия активного фильтра основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть спектра гармоник с противоположным по фазе и соответствующим по амплитуде значением. Комбинированные фильтры, включают в себя, как активные, так и пассивные фильтры.

Пассивные фильтры имеют очень узкую применимость из-за больших габаритов и возможности применения их только на нагрузке с постоянным характером. При этом возможна только частичная компенсация искажения, в силу принципиального ограничения на величину компенсируемой мощности, чтобы не увеличить полную потребляемую мощность из сети при снижении мощности потребляемой нагрузки. Также пассивные фильтры имеют низкую эффективность из-за отклонений параметров реальных компонентов. Таким образом, максимальная эффективность фильтра проявляется в некоторый момент и со временем снижается. Как правило, использование пассивных фильтров является шагом в серии мероприятий по улучшению формы питающего напряжения. Стоит отметить сложность применения пассивных фильтров при больших мощностях помех. Важно учесть, что переходные процессы в сетях электроснабжения усложняют спектральный состав напряжений и токов в системе, что является дополнительным ограничивающим фактором при использовании пассивных фильтров [3].

1.2 Влияние качества электрической энергии на работу оборудования

Недостатком традиционного метода учёта показателей качества электрической энергии является усреднение за длительный период порядка сотен периодов питающего напряжения. В этом случае практически не учитывается большинство

переходных процессов и кратковременных единичных или повторяющих отклонений мгновенных значений напряжения на нагрузке, которые бы при увеличении длительности протекающих процессов показали своё влияние, но за счёт усреднения мало влияют на ПКЭ. Однако, данные процессы влияют на работу конечных устройств потребителей электрической энергии. В свою очередь электромагнитная совместимость описывает работу устройства при наличии электромагнитных помех, которые несколько отличаются от существующих в реальных сетях электроснабжения при работе смежных потребителей (в частности сварочных аппаратов). Таким образом, рассматриваемый вопрос находится на стыке областей знаний, техники, но расположен ближе к вопросу обеспечения качества электроэнергии. Поэтому будем рассматривать его как основной.

В ряде случаев даже при достижении необходимого уровня качества электроэнергии согласно ГОСТ 54149-2010 периодически случаются ситуации, в которых оборудование не работает необходимым образом. Например, станки с ЧПУ могут "зависать" при включении мощных потребителей в сети электроснабжения или несколько изменять свою работу с выходом за рамки допустимых значений по качеству выпускаемой продукции. Так, в частности советские ЧПУ "Электроника НЦ-31", "МС 2109", "2Р22" подвержены подобным проявлениям недостаточного качества электроэнергии. Электроприводы силовые "Кемток", "Кемрос", "Размер-2М-5-21" и их модификации, которые зачастую работают совместно с описанными выше ЧПУ, также подвержены влиянию качества электроэнергии. В зависимости от времени суток и дня недели заметно изменение количества брака в выпускаемой продукции. В частности в выходные дни, характеризующиеся повышенным уровнем входного напряжения, станки ЧПУ могут просто периодически зацикливаться на одной операции, и терять программу (происходит обнуление программы ЧПУ). В то же время снижение уровня напряжения ниже номинального на значения более 5-10% приводит к скачкам, рывкам в движении силового привода, что также сказывается на качестве выпускаемой продукции. Также в рабочие дни в периоды максимальной нагрузки сети смежными потребителями, в частности аппаратами контактной сварки, заметны

периодически повторяющиеся импульсы в работе как ЧПУ, так и электропривода. Как правило, подобные импульсы кратковременны и лишь снижают качество выпускаемой продукции, а не приводят к браку. Однако, это тоже приводит к экономическим убыткам.

В итоге можно сделать вывод, что необходимо обеспечивать необходимую форму и мгновенные значения кривой напряжения, поступающего к конечному электроприёмнику, чтобы решить спектр вопросов, как с качеством электроэнергии, так и электромагнитной совместимостью конечного потребителя с сетью. В этом случае предложенное устройство будет являться граничным между сетью электроснабжения и конечным электроприёмником. Оно будет обеспечивать регулирование мгновенных значений напряжения и, как следствие, фильтрацию высших гармонических составляющих и регулирование действующего значения напряжении и других показателей.

1.3 Способы управления спектральным составом кривой питающего напряжения на

потребителях электрической энергии

Помимо пассивной фильтрации в последнее время начали разрабатываться способы активной фильтрации сетевого напряжения на основе силовых полупроводниковых схем[3,25-27,53,65,76,88-89,93,97-98]. Основной принцип работы активных схем можно описать на основе работы однофазных схем.

Используя одну из схем, представленных на рисунке 1.1 можно создать синусоидальный ток на выходе бестрансформаторного выпрямителя. В основе алгоритма работы этого устройства лежит принцип высокочастотной следящей широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Схема понижающего преобразователя (чоппера) постоянного напряжения в постоянное (ЭСШС) (рис. 1.1.а.) не очень подходит к схеме корректора коэффициента мощности (ККМ)[4,69-70], т.к. выходное напряжение большую часть периода входной частоты меньше мгновенного значения входного напряжения. То есть чоппер большую часть периода не может выполнять функции формирования

синусоидального выходного тока.

VD^

Б\ЛЛ1

У02

а)

-ы-

\

У02

_!_ С1

-о

б)

В)

Рисунок 1.1 — схемы корректоров Схема на рис. 1.1.6. Имеет ивых>ивх, поэтому на ней можно реализовать функции корректирования коэффициента мощности (ККМ). У этой схемы следующие преимущества:

• силовой транзистор имеет соединение истока с общим проводом, чем облегчается схема формирования сигнала управления,

• наличие реакторов в последовательной ветви обеспечивает фильтрацию высокочастотных составляющих и сводит задачу ККМ к формированию модуля синусоидального тока через реактор,

• максимальное напряжение на транзисторе равно выходному напряжению,

• схема работает в режиме непрерывного тока через реактор, что при высоких частотах коммутации позволяет рассматривать её как линейную непрерывную.

Недостатки данной схемы — невозможность ограничения перегрузки по току, т.к. в последовательной цепи отсутствует ключевой элемент.

Схема на рис. 1.1.в. - инвертирующий преобразователь с ключевым элементом в

последовательной цепи легко обеспечивает ограничение токов при перегрузках на выходе. Но этой схеме присущи недостатки:

• максимальное напряжение на сток-истоке (коллекторе-эмиттере) транзистора равно сумме выходного и входного напряжений,

• больший по сравнению с рис 1.1.6. импульсный ток через транзистор,

• прерывистый входной ток (вблизи ивх=0).

• Схема инвертирующего преобразователя может использоваться до 200 Вт.

В качестве алгоритма управления часто используют ШИМ в двух различных формах:

• следящая ШИМ с постоянным гистерезисом — принцип работы заключается в отслеживании напряжения в диапазоне изад±и0ткл и соответственно открытии и закрытии ключевого элемента при достижении соответствующих границ

• ШИМ с заранее заданной функцией — регулирование осуществляется изменением времени открытого состояния ключа в соответствии с конкретным значением для каждого момента.

Решения, основанные на использовании материалов и/или механических конструкций:

• сверхпроводниковая катушка - источник реактивной мощности со сверхпроводниковой катушкой такого типа имеют преимущество перед статическим тиристорным компенсатором (СТК) по потерям энергии при практически равных стоимостях оборудования,

• магнитно-вентильный управляемый реактор (с подмагничиванием)[5] -Принцип работы реактора основан на подмагничивании малого объёма стали магнитопровода постоянным током.

Реактор[5] выполнен из трёх однофазных модулей, расположенных в отдельных. баках. Принципиальная электрическая схема приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 —реактор трёхфазный Напомним, что принцип работы реактора основан на подмагничивании малого объёма магнитопровода постоянным током. Стержни магнитопроводов имеют участки уменьшенного поперечного сечения (площадь участка уменьшенного сечения составляет 0,4 от площади сечения стержня). К отводам обмотки и месту соединения двух других секций подключены тиристоры, которые через высоковольтные импульсные преобразователи гальванической развязки связаны с системой управления. К точкам соединения секций параллельных ветвей обмотки подключён диод, зашунтированный активным сопротивлением для ограничения перенапряжений при включении реактора. Применяемая схема подключения тиристоров и диода обеспечивает регулирование индуктивности реактора, основанное на принципе магнитного усиления с использованием эффекта самоподмагничивания магнитопровода постоянным током. Тиристоры, диод, цепи защиты и высоковольтные импульсные трансформаторы объединены в силовой преобразователь, который расположен в общем баке с активной частью реактора. Схема соединения элементов силового преобразователя приведена на рис 1.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Апарин, Владимир Александрович, 2013 год

ИСТОЧНИК

Р Шум

©

со I &

Гармонию*

Силовой ИСТОЧНИК

Г\7

Вольтметр 3 Синус Вычитание

Постоянная

У

множение 2

(Ч

ужи

ш

Вольтметр 2

Нагрузка

Трансформатор

Сложение

Вольтметр

Напряжение на нагрузке

Постоянная

Умножение

I

Управляемый источник

Рисунок 2.5 - Модель системы в среде БгтиНпк

Схема модели представлена на рисунке 2.5. Основная гармоника питающей сети моделируется блоком «Силовой источник» с синусоидальным напряжением, последовательно с ним включён блок «Гармоники» моделирующий девятую гармонику амплитудой 8 В. В роли регулятора напряжения выступает источник напряжения. Параметр трансформатора «коэффициент трансформации» - 2, сопротивление первичной обмотки - 0.04 Ом, сопротивление вторичной обмотки — 0.02 Ом, индуктивности первичной обмотки составляют - 20 мкГн, вторичной - 10 мкГн. Нагрузка сети моделируется параллельным соединением сопротивления Я значением 1,65 Ом и индуктивностью Ь значением 13 мГн (блок «Нагрузка»). Источник «Шум» моделирует случайные импульсные помехи, возникающие как результат работы смежного электрического оборудования. Для определения компенсирующего воздействия необходимо знать напряжения на нагрузке, требуемое напряжение и напряжение помехи. Первое берётся с датчика напряжения на нагрузке «Вольтметр 2», второе с источника сигнала синусоидальной формы к которому подключён источник напряжение формирующий основную гармонику напряжения питания сети. Форму напряжения на нагрузке можно посмотреть в блоке «Напряжение на нагрузке». Разница напряжений между реальным, полученным с датчика напряжения на входе в сеть и требуемым, есть сигнал помехи. Полученное значение подаётся на идеальный источник напряжения «Управляемый источник», напряжение с которого через линейный трансформатор «Трансформатор» вводится в сеть.

Было произведено моделирование работы компенсирующего устройства на входное сетевое напряжение соответствующее исследуемому производству (рисунок 2.3). В спектральном составе кривой напряжения, поступающего на нагрузку, присутствует основная гармоника амплитудой в 307.69 В и постоянная составляющая 0.78 В, что соответствует 0.25 % от амплитуды основной гармоники. Форма кривой напряжения и тока в нагрузке в результате работы модели регулятора напряжения представлены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Напряжение и ток в нагрузке при работе компенсатора

2.3 Имитационная модель «сеть - фильтрорегулирующее устройство - нагрузка», блоки и их применение для моделирования в МайаЬ/81тиНпк

Как правило, в большинстве сетей электроснабжения невозможно произвести эксперимент короткого замыкания по ряду причин. Среди них можно выделить: необходимость учёта смежных потребителей, невозможность отключения ряда потребителей, отсутствие резерва по источникам электроэнергии и линиям электроснабжения, изношенность сетей электроснабжения. Информацию относительно источника электроэнергии в сети можно получить на основании данных используемой подстанции и/или трансформатора, а также на основе кривых напряжения на входном распределительном шкафу.

Как правило, в системе электроснабжения сколько-нибудь крупного предприятия существует несколько потребителей, при этом каждый потребитель обладает индивидуальными характеристиками. Большинство сред моделирования позволяет создать модели, используя различные параметры нагрузки, такие, как сопротивление или проводимость, индуктивность и ёмкость. Однако в этом случае возникает вопрос получения значений этих параметров. Для получения действительных значений предлагается

использовать способ разложения сопротивления нагрузки на составляющие: активную, реактивную, искажения на основе кривых протекающего тока и приложенного напряжения. В [22,23,24] была предложена методика разложения полной мощности нагрузки на составляющие (активную, реактивную, искажения) и вычисления компонентов схемы замещения на основе протекающего тока. Схема замещения представлена на рисунке 2.7.

I ^ X Хи

а _р _и

и

Рисунок 2.7 - Схема замещения потребителя

Здесь Яа — составляющая сопротивления нагрузки, моделирующая активное сопротивление, на котором выделяется активная мощность, Хр — среднее значение реактивной составляющей полного сопротивления нагрузки, на котором выделяется реактивная мощность, Хи — составляющая сопротивления, определяющая величину мощности искажения, и — напряжение на нагрузке, I — ток, протекающий в нагрузке.

Для данной схемы составляющие схемы замещения будут.

= (2.17)

V — ик"к УО (Л 1 о\

где Н(1) - преобразование Гильберта от кривой тока,

= = -, (2.19)

'декст ¡Т г2

где ииск дейст — действующее значение напряжение искажения, 1дейст — действующее значение тока в нагрузке, иа — активная составляющая падения напряжения в нагрузке, ир — реактивная составляющая падения напряжения в нагрузке.

Для упрощения вычислений была написана программа, которая раскладывает нагрузку на составляющие на основании двух снятых

одновременно кривых тока и напряжения. Программа совместима с выходным форматом осциллографов Goodwill Instek серии GDS. В дополнение программа способна раскладывать на составляющие и отображать ток, протекающий в нагрузке, что может быть удобно для быстрого и наглядного составления представления о характере нагрузки и искажений в сети. Пример разложения тока на составляющие для одной фазы выпрямителя представлен на рисунке 2.8.

ГООО 0,005 О.ОЮ 0.О1Й £ 0.020

Рисунок 2.8 - Составляющие тока потребителя

Важным случаем нагрузки является параметрическая нагрузка. Параметрическая нагрузка представляет собой, как правило активно-индуктивную нагрузку с включённым последовательно ключом, работающую таким образом, что ключ проводит ток только часть периода. Наиболее часто используется встречно-параллельное включение тиристоров. Пример параметрической нагрузки изображён на рисунке 2.9.

-С=3-

Рисунок 2.9 - Параметрическая нагрузка •

Такая нагрузка является источником импульсных помех при наличии в нагрузке индуктивной составляющей. Это происходит из-за накопления в нагрузке тока и мгновенной его коммутации. При наличии в параметрической нагрузке индуктивной составляющей форма напряжения или тока будет

существенно отличаться в зависимости от способа управления ключом. Параметрическая нагрузка является потребителем с нелинейными характеристиками. Спектральный состав потребляемого тока зависит от момента открытия ключей, коммутирующих параметрическую нагрузку. При этом, при наличии в сети нескольких параметрических нагрузок форма полного потребляемого тока будет ещё больше искажена.

Для задания характеристик параметрической нагрузки в сети был разработан модуль для 81тиНпк реализующий функциональность ключа с системой управления этим ключом. Используя этот модуль совместно с любым типом нагрузки, и, включая его последовательно с нагрузкой, можно получить форму потребляемого тока или напряжения соответствующую таковым для активных параметрических нагрузок. Указанный блок, далее параметризатор, имеет два входа для подключения к элементам библиотеки 81тРо\уег системы моделировании Ма1:1аЬ\8ппиПпк и один вход, определяющий длительность задержки на включение - длительность непроводящего состояния ключа в течение полупериода, а так же один выход, определяющий текущее состояние ключа — замкнутое или открытое.

Блок-схема алгоритма функционирования «параметризатора» представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Блок-схема параметризатора

2.4 Создание экспериментальной модели сети

Для моделирования работы системы регулирования питающего напряжения повышенной точности необходимо знать параметры нагрузки. Рассмотрим типичный пример нагрузки.

В качестве исследуемого объекта был выбран станок ЧПУ Размер 2М-5-21-011УХЛ4. Данный станок используется для механической обработки металлических заготовок режущим инструментом. Основные параметры оборудования станка ЧПУ Размер 2М-5-21-011УХЛ4:

• мощность главного асинхронного двигателя — 11 кВт,

• суммарная максимальная мощность, потребляемая станком — 22 кВт,

• мощность приводов подачи — по 3 кВт.

В данном случае для упрощения эксперимента и модели будем рассматривать одну фазу из трёхфазной сети, предполагая, что нагрузка

симметричная. Для определения параметров нагрузки использовали двухканальный осциллограф для одновременной фиксации фазных напряжения и тока. На основании полученных кривых рассчитываем составляющие сопротивления нагрузки.

Измерения производились при помощи осциллографа Goodwill GDS-71022. Для снятия фазного напряжения использовался щуп с делителем 1:100 HP-9258. Для снятия фазного тока использовали токовые клещи Fluke i310s.

При работе станка ЧПУ в цикле в начале цикла запускается главный двигатель, который работает на протяжении всего цикла. Непосредственно после запуска и перед остановкой главного двигателя запускается насос охлаждающей жидкости. При включении станка происходит запуск управляющей части станка, а также системы охлаждения для приводов подачи и шкафов управления, которые потребляют электроэнергию на протяжении всего времени работы станка ЧПУ.

Минимальное фоновое потребление тока изображено на рисунке 2.11 — амплитуда потребляемого тока составляет порядка 5А.

8

А:

|4

0

-4

*60 5 ____10 15 20 25 30 , 35 мс 40

Рисунок 2.11 - Ток, потребляемый в фоновом режиме

В цикле происходит периодическое включение двух электроприводов на различные скорости перемещения и вращения. В рассматриваемом случае за цикл происходит изменение скорости перемещение привода подачи в диапазоне 43-800 мм/мин. В цикле используется девять различных фиксированных значений скоростей привода подачи:

43,97,190,200,320,400,500,600,800. Таким образом скорость приводов подачи изменяется примерно в 20 раз. При этом возможно изменение скорости в ещё больших пределах. Выбор скорости перемещения определяется

технологическими соображениями - в частности сопротивлением перемещению координатному столу и необходимой точностью перемещения координатного стола и располагающегося на нём инструмента.

Потребляемая мощность непостоянна и существенно зависит от сопротивления движению силы резания, которая в свою очередь является величиной крайне непостоянной и зависящей от множества параметров, среди которых можно выделить тип и состояние режущего инструмента, структуру обрабатываемого металла. Вероятно, также на потребляемый ток влияет непосредственно сама система управления асинхронным приводом. Амплитуда потребляемого тока может изменяться в диапазоне 10-25 А. На рисунке 2.12 изображена характерная кривая потребляемого тока. При этом колебания потребляемого тока заметны даже в течение одного этапа, если сравнивать смежные периоды тока потребления. При выключении главного привода происходит скачок потребляемого тока амплитудой 35 А, который постепенно затухает и переходит в ток фонового режима. Время переходного процесса составляет примерно несколько периодов питающего напряжения сети. Кривая потребляемого тока для этого случая изображена на рисунке 2.13.

- » ? (\ . : IV |

_ / V .

_10_'_20_'_Ш т ®

Рисунок 2.13 - Ток при выключении главного привода

Цикл работы станка включает в себя 12 стадий (этапов). На первых трёх этапах происходит черновая обработка заготовки. На каждом этапе происходит задание скорости приводов подачи и координат, в которые должны выйти координатный стол, что для систем ЧПУ является их основным режимом работы. В одном этапе задаётся движение по механическому копиру — в этом случае движение координатного стола определяется формой задающей детали -оригинала.

Активная и реактивная составляющие сопротивления нагрузки определяются по формулам, описанным в [22-24]. Дополнительно была вычислена действующая составляющая сопротивления нагрузки исходя из определения действующего значения и схемы на рисунке 2.10.

/^СИСО-^КЛа+ХрИ3 -^-

Хя = ?в*5. = <Е^Ы=4- •---(2.20)

^дейгг ■'декст [| ОД1

Из снятых осциллограмм были рассчитаны параметры нагрузки для различных режимов работы станка. Результаты сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 — Параметры нагрузки для различных режимов

Режим Яа , [ОМ] ЯР, [Ом] Яи, [Ом]

Фоновый 700.703651335 622.33059868 1047.18474269

Минимальный ток в цикле 279.441548675 151.736739507 290.120269244

Максимальный ток в цикле 315.628518996 221.681894104 387.304417965

Выключение 181.519348628 72.0684950525 154.959397597

Выводы

1. Разработан способ компенсации отклонения мгновенных значений напряжения от заданных мгновенных значений (патент 1Ш 2449457).

2. Предложен новый способ регулирования напряжения на нагрузке позволяет не только практически полностью устранить из кривой сетевого напряжения высшие гармоники, но и значительно снизить долю постоянной составляющей.

3. Разработана имитационная модель «сеть - фильтрорегулирующее устройство - нагрузка», обеспечивающей реализацию способа компенсации отклонений мгновенных значений напряжения от заданной формы кривой напряжения на нагрузке;

4. В целях автоматизации и ускорения создания модели «сеть-ФРУ -нагрузка» предприятия созданы стандартные блоки для среды моделирования Ма1;1аЬ/81тиНпк и написаны программы, подготавливающие данные для модели на основе кривых снятых с реального оборудования.

Глава 3 - исследование стабильности работы уточнённой модели ФРУ

3.1 Методика формирования выходного сигнала фильтрорегулирующего

устройства

функционирования системы управления. Её можно разделить на два блока: вычисления корректирующего воздействия и слежения за напряжением. Структурные схемы для случая регулирования напряжения посредством мостового п/п преобразователя представлены на рисунках 3.1 и 3.2. На рисунке 3.1 изображено вычисление граничных условий для корректирующего действия.

Рисунок 3.1— структура системы вычисления корректирующего воздействия

Рассмотрим обобщённую структурную схему алгоритма

На рисунке 3.2 видно как происходит переключение диагоналей инвертора ФРУ по релейному принципу управления

/Г Открыть ют Диагональ 2

да

да -1

Открыть Диагональ 1

Рисунок 3.2 —блок-схема системы слежения за напряжением

В соответствии с выше описанным, методика формирования компенсирующего напряжения будет следующая:

1. Считываются мгновенные значения с двух датчиков напряжения (Цтр и Ubx).

2. Получается мгновенное значение заданного сигнала напряжения на нагрузке (иид).

3. Вычисляется мгновенное значение компенсирующего воздействия (11кор) в блоке вычисления компенсирующего воздействия по мгновенными значениям согласно предлагаемого структурной схеме (см. рисунок 3.1). Для случая формирования выходного напряжения посредством релейного регулятора, в блоке вычисления компенсирующего воздействия вычисляются также граничные значения (Umax и Umin). Вычисленное значение передаётся на отработку в блок управления инвертором.

4. Блоком управления инвертором генерируется заданная кривая согласно одному из двух способов - ШИМ или следящий. В первом случае -реализуется аппаратно блоком ШИМ, во втором - согласно предлагаемому алгоритму (см рисунок 3.2).

5. Пункты 1-4 повторяются бесконечно

3.2 Модель последовательного бестрансформаторного фильтрорегулирующего

устройства

Существует несколько вариантов последовательных активных фильтров. С трансформаторной развязкой (рисунок 3.3а) и непосредственного включения (рисунок 3.3 б).

Тг

|2н

Рисунок 3.3 — Модель последовательного активного фильтра Здесь е - источник напряжения, представляющий сеть электроснабжения, УТ1-УТ4, У01-У04 полупроводниковые ключи инвертора фильтрорегулирующего устройства (ФРУ), С — энергонакапливающий конденсатор инвертора, Ь,С1 — Г-образный фильтр, Хп — нагрузка, Тг -согласующий трансформатор.

Преимуществами трансформаторной схемы по сравнению с бестрансформаторной являются:

• гальваническая развязка ФРУ с сетью,

• возможность выбора силовых ключей с различными параметрами за счёт подбора коэффициента трансформации трансформатора Тг на этапе проектирования ФРУ.

Однако, в то же время трансформатор вносит гармонические и фазовые искажения в спектральный состав напряжения генерируемого ФРУ. Также за счёт индуктивностей обмоток трансформатора ограничивается скорость реакции ФРУ на сигналы управления системы.

В свою очередь, преимуществами бестрансформаторной схемы по сравнению с трансформаторной являются:

• повышенная скорость работы регулятора,

• возможность применения повышенной частоты ШИМ инвертора по сравнению с трансформаторной схемой,

• снижение потерь и упрощение системы регулятора за счёт исключения трансформатора.

Однако, в то же время отсутствует гальваническая развязка ФРУ с сетью, и как следствие, ключевые элементы должны быть рассчитаны на работу с сетевым напряжением и током нагрузки.

Особенностью схем последовательных ФРУ является протекание тока нагрузки в любой момент времени. Это справедливо как для случая применения трансформатора, так и для его отсутствия.

Рассмотрим последовательный активный бестрансформаторный фильтр. Конденсатор С в ФРУ подключается последовательно с источником напряжения сети различной полярностью, определяемой открытыми ключами инвертора, таким образом, чтоб суммарное напряжение последовательно включённых источника напряжения сети и конденсатора инвертора было бы максимально приближенным к заданному напряжению на нагрузке.

ин = ивх + итр, (3.1)

где ин — напряжение на нагрузке, ивх — сетевое напряжение, поступающее от поставщика, икор — корректирующее напряжение, вырабатываемое ФРУ.

Можно выделить три основных режима работы бестрансформаторного ФРУ:

• повышение напряжения на нагрузке,

• снижения напряжения на нагрузке,

• пропускание тока нагрузки.

В режиме повышения напряжения на нагрузке протекают следующие процессы:

• конденсатор С инвертора ФРУ включен последовательно и согласно с источником напряжения сети,

• напряжение на входе фильтра равняется сумме напряжений источника сети и напряжения конденсатора:

"„ = "« +"п, (3.2)

где Ис - напряжение на конденсаторе инвертора.

Ток, протекающий через инвертор, приводит к разряду конденсатору С. Для режима «снижения напряжения на нагрузке» характерны следующие процессы:

• конденсатор С инвертора ФРУ включен последовательно и встречно с источником напряжения сети,

• напряжение на входе фильтра равняется разности напряжений источника сети и напряжения конденсатора:

= "о - (3.3)

Ток, протекающий через инвертор, приводит к заряду конденсатору С. В режиме протекания тока нагрузки отсутствует регулирование напряжения на ней и ФРУ рассматривать как перемычку.

Для режима «пропускание тока нагрузки» характерны следующие процессы:

• конденсатор С инвертора ФРУ не включен в цепь протекания тока источника напряжения сети в нагрузку,

• напряжение на нагрузке равняется напряжению источника сети:

V» = (3-4)

• Ток, протекающий через инвертор, не влияет на заряд конденсатора С. Управление силовыми ключами ФРУ осуществляется методом широтно-

импульсной модуляции, как следствие длительность протекания тока в

положительном направлении будет определяться как:

КШИМ = УкоР/УС, (3.5)

где КШим — коэффициент заполнения ШИМ, ис - напряжение на конденсаторе С1 ФРУ.

В процессе работы ФРУ при открытии ключей происходит заряд или разряд конденсатора С1 в зависимости от направления протекания тока. Также при закрытии всех ключей инвертора ток, накопленный в индуктивности Ы фильтра, замыкаясь через обратные диоды инвертора, приводит к заряду ёмкости С1. Предсказать заранее напряжение, до которого зарядится конденсатор инвертора практически невозможно, так как на него влияет множество параметров, начиная от напряжения помехи на сетевом входе ФРУ до частоты ШИМ, и параметров нагрузки.

Снижение напряжения заряда конденсатора осуществляется при включении конденсатора полярностью совпадающей с текущим значение напряжения на сетевом входе ФРУ по знаку. Работа ФРУ в данном случае направлена на повышение напряжения на нагрузке. При превышении напряжением на конденсаторе С инвертора некоторого установленного значения, возможно ограничить дальнейший заряд конденсатора, исключив режимы протекания тока заряда через него. Для этого необходимо чтобы ток через инвертор протекал в обход конденсатора. Полностью закрыть все ключи инвертора ФРУ нельзя, так как в этом случае прерывается ток нагрузки. Такого режима работы можно достичь, включая одновременно пару нижних или верхних ключей инвертора. Тем самым можно добиться ограничения напряжения на конденсаторе в заданном заранее диапазоне до критического режима работы, как для полупроводниковых элементов, так и для самого конденсатора и других восприимчивых элементов схемы. Однако такой способ работы схемы инвертора приводит к ограничению регулирования ФРУ, так как исключается возможность снижения напряжения на нагрузке — возможно только увеличение её.

Ьаггтк

Рисунок 3.4 — Модель последовательного активного фильтра

Напряжение вольт - добавки ФРУ меняется со временем. Для учёта этого изменения необходимо дополнительно иметь информацию о текущем значении напряжения конденсатора С1.

С учётом значений, полученных в (3.4) и (3.5) величина коэффициента заполнения ШИМ находится следующим образом:

КШим = (Ун - tfBx)/fc. (3.6)

Модель ФРУ в среде моделирования Matlab/Simulink, работающая по (3.6) представлена на рисунке 3.4. Здесь El, R1 - идеальный источник напряжения и сопротивление, моделирующие сетевой источник электроэнергии, Generator -последовательное фильтрорегулирующее устройство (ФРУ), Load - нагрузка, L1,C1 - пассивный фильтр для фильтрации выходных пульсаций ФРУ, PWM Generator - ШИМ генератор, Sample & Hold(2) - блоки дискретизации сигналов для ограничения скорости моделирования и вычисления корректирующего воздействия.

Внутренняя структура бестрансформаторного ФРУ представлена на рисунке 3.5.

т-

PWM Signal

I

it

Mosfetl

Mosfet

H!

L

ci

f

Mosfet2

Mosfet4

JL-

Voltage

-KjD

Uc

•cb

<2>

Рисунок 3.5 — Структура ФРУ Здесь Mosfetl-Mosfet4 - ключевые элементы инвертора, С1 -вольтодобавочный конденсатор ФРУ, +,— силовые выводы блока, 11с - блок вывода информации о напряжении на конденсаторе ФРУ.

Так как напряжение конденсатора С1 прикладывается к силовым ключам

инвертора ФРУ, то оно может существенно повысить требования к допустимым значениям напряжений для используемых приборов. Это негативно сказывается на стоимости системы, а также накладывает дополнительные ограничения на её эксплуатацию. В тоже время, при увеличении напряжения питания инвертора происходит увеличение коммутационных токов инвертора ФРУ. При повышении напряжения питания инвертора ФРУ также желательно повышение частоты и дискретности ШИМ для компенсации ступенчатости генерации напряжения инвертором. Одновременно повышение напряжения питания инвертора приводит к повышению уровня пульсаций выходного напряжения ФРУ при прочих равных условиях. Причиной этого является повышенное напряжение на входе ЬС фильтра. Что, в свою очередь, кроме повышения требований к элементам фильтра, таким как допустимые токи и напряжения для его элементов, приводит также к повышенным потерям в фильтре. Таким образом отмечаем необходимость дополнительно контроля значение напряжения на конденсаторе С1 инвертора.

3.3 Стабильность работы системы.

3.3.1 Стабильность способа управления ФРУ. В работе любой системы одним из основных качеств является надёжность работы. Одним из параметров надёжности является устойчивость системы.

Существует несколько систем регулирования. По принципу управления можно разделить системы на работающие по:

• по разомкнутому циклу,

• по замкнутому циклу,

• по комбинированному циклу (разомкнуто-замкнутому). Комбинированная схема управления обладает одновременно

преимуществами и разомкнутой и замкнутой систем регулирования. Большей устойчивостью и большим быстродействием за счёт применения разомкнутой

составляющей системы и практически полной компенсацией отклонений выходного из-за применения замкнутой составляющей системы. Структура регулятора ФРУ представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 — структура регулятора Здесь О — объект регулирования, РО — регулирующий орган, Р — регулятор, РВ — регулятор воздействия, ЗВ — задающее воздействие. Система регулирования работает в режиме управления. т = №, (3.7)

где х(Х) - значение управляемой переменной, ОД - заранее заданная функция.

Однако, согласно методу управления система управления вычисляет компенсирующее воздействие на основе двух параметров:

= (цт ■ 2 + ад • к^, (3.8)

где иком — напряжение на выходе ФРУ, ипом — напряжение помехи, итр — напряжение на выходе трансформатора ФРУ, Ктр — коэффициент трансформации согласующего трансформатора ФРУ.

Здесь ипом является внешним фактором и не имеет обратной связи (система разомкнута). итр предназначен для учёта влияния искажений и потерь трансформатора и тем самым приводя коэффициент трансформации Кхр к линейному виду.

Ограничивающими факторами для системы управления являются: • максимальное напряжение компенсации ФРУ — максимальное напряжение, которое ФРУ может сгенерировать в сеть электроснабжения, определяется напряжением питания ФРУ,

• максимальная скорость изменения напряжения на нагрузке — определяется напряжением питания ФРУ и инерционными свойствами применяемого фильтра и согласующего трансформатора

• точность задания напряжения на нагрузке — определяется применяемым методом управления ФРУ, а также точностью задания границ регулирования для следящего и дискретностью и частотой ШИМ для управления по методу ШИМ.

При превышении необходимого напряжения коррекции выше максимально допустимого напряжения генерируемого ФРУ (напряжения питания ФРУ) система входит в ограничение по физическим возможностям — регулирующий орган не способен обеспечить необходимую коррекцию (в данном случае уровень напряжения). Аналогичным ограничением физического уровня является скорость изменения корректирующего напряжения вырабатываемого ФРУ. В данном случае причиной ограничения является конечность скоростей изменения токов и напряжений в элементах фильтра и согласующем трансформаторе, скоростью изменения напряжений и токов в ключевых элементах в большинстве случаев можно пренебречь, так как она существенно превосходит скорости изменения токов в элементах фильтра.

Дискретность генерируемого напряжения определяется частотой и дискретностью ШИМ ФРУ. Слишком низкая дискретность не позволит достичь высокого уровня регулирования из-за отклонения реального генерируемого напряжения от рассчитанного.

Рассмотрим устойчивость способа управления кривой напряжения в системе "сети-ФРУ-нагрузка". Система является устойчивой, если она удовлетворяет критериям устойчивости. Среди зависимостей, по которым можно определять устойчивость выделяют: ЛАФЧХ (диаграмма Боде), АФЧХ (диаграммы Найквиста), диаграмма Блека - Николса. На практике получили распространение критерии устойчивости, рассматриваемые в частотной области, в частности на основе диаграмм Боде[27]. Критерий устойчивости можно сформулировать как «Запаздывание фазы замкнутого контура исследуемой системы никогда не должно превышать -330 градусов, когда

усиление в системе с замкнутым контуром больше единицы». На практике используется критическое значение в -315 градусов.

Рассмотрим работу модели ФРУ в Simulink. Исследуемая модель представлена на рисунке 3.5. В этой модели используются идеальные источники напряжения для исключения дополнительного влияния на напряжение на нагрузке. Построим диаграммы Боде для данной системы, принимая напряжение на нагрузке (V.Load) как выходной параметр, а напряжения вводимое в сеть генератором Noise (напряжение помехи в питающем напряжении сети). Для этого будем использовать блок линейного анализа LTI viewer входящий в состав пакета моделирования электротехнического оборудования powergui. Рассмотрим зависимости в диапазоне 0-1 МГц. В то же время, на практике имеет смысл взять диапазон до 10 кГц, который более чем в 4 раза превосходит частотный диапазон, регламентируемый ГОСТ54149-2010 (0-2100 Гц).

Полученные зависимости представлены на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Диаграмма Боде системы управления ФРУ

Здесь можно отметить, что усиление меньше единицы на всём временном диапазоне. Фаза тоже имеет практически постоянное значение, близкое к нулю — изменение менее 4е-3 на всём рассматриваемом диапазоне. Таким образом можно сделать вывод, что система является устойчивой на всём частотном

рабочем диапазоне. При этом фаза также практически постоянна и не пересекает ноль. Следовательно критического значения по частоте нет. Вывод -устойчивость системы определяется тем, что усиление на выходе системы всегда менее единицы в частотном диапазоне 0-10 кГц. Также в системе отсутствует критическая частота.

3.3.2 Изменение параметров трансформатора

В рассматриваемой модели используется трансформатор для согласования фильтрорегулирующего устройства с сетью электроснабжения. Этот трансформатор должен передавать напряжение ФРУ в обмотку, включённую последовательно с сетью, которая при этом должна оказывать минимальное сопротивление току нагрузки и вносить минимальный фазовый сдвиг между сетевым питающим напряжением и током нагрузки. То есть, согласующий трансформатор, применяемый в рассматриваемой модели должен обладать одновременно характеристиками трансформатора тока (минимальное падение напряжения) для обмотки, подключённой к нагрузке, и трансформатора напряжения - для обмотки, подключённой к источнику компенсирующего воздействия, для возможности регулирования напряжения в нагрузке. Другой особенностью функционирования согласующего трансформатора является достаточно широкий спектральный диапазон: от тока нагрузки (50 Гц) до частоты максимально учитываемой гармоники (2.1 кГц). Искажения формы напряжения на выходе трансформатора должны отсутствовать или нормироваться, например с применением коэффициента гармоник.

Рассмотрим типовую схему замещения трансформатора, изображённую на рисунке 3.8[82].

и РМ 1-2 Ц2

Рисунок 3.8 - Схема замещения трансформатора в МаНаЬ/БтиИпк

Здесь К1,ЫД2,Ь2 - сопротивления и индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно. Яш, Ьш - сопротивление и индуктивность подмагничивания.

Рассмотрим влияние параметров трансформатора на выходную форму напряжения. При использовании нагрузки, питающейся через развязывающий трансформатор последовательно с сетью. Схема модели представлена на рисунке 3.9.

Здесь: Generator - источник напряжения заданной формы. Linear Transformer - исследуемый трансформатор, Network — идеальный источник напряжения имитирующий сеть, Load - нагрузка активно индуктивного характера.

Будем считать, что Rn, Ln - сопротивление и индуктивность нагрузки. Параметры схемы замещения трансформатора называются аналогично представленным на рисунке 3.10. Будем использовать трансформатор с Ктр — 1 и R1=R2, L1=L2. Сопротивление и индуктивность намагничивания трансформатора должны многократно превосходить значения соответствующих параметров для обмоток, в противном случае трансформатор будет ещё больше вносить искажений в напряжение.

Рассмотрим параметры напряжения на нагрузке в зависимости от изменений параметров модели трансформатора. Область изменения параметров трансформатора ограничим 0-20% от значений параметров нагрузки, т.к. при дальнейшем увеличении значений обмотки трансформатора существенная часть мощности передаваемой в нагрузке выделяется на трансформаторе в виде потерь. Исследуемые параметры на нагрузке — действующее напряжение и

Load

Рисунок 3.9 - Схема испытания трансформатора

коэффициент несинусоидальности. При выборе оптимальных значений будем считать, что согласно ГОСТ54149-2010 основная гармоника напряжения в сети электроснабжения должна отличаться от заданной 220 В не более чем на 5-10 %, а коэффициент искажения несинусоидальности должен быть не более 8-12 %.

Промоделировав систему, изображённую на рисунке 3.9, получим следующие зависимости, изображённые на рисунках 3.10,3.11.

В

720

. : .............

„Тч ^^Г^ХХч&ч^^ ' >' ..............

.................I

о.«

Рисунок 3.10 - Зависимость действующего значения напряжения на нагрузке от параметров трансформатора, приведённых к параметрам нагрузки

0.03-1

0.025.-

0.015.-

о:о1

0.005 ■

О : О'2'

О 15

' /Л77-';■'•//П У^Х 1.............:..................••■•

! ; !

• : \л\> .'///.', ...................... !

.-Л;:„.... Л.................................-Л-

.;'-Г\] ¡^•Ъл'^--.....................••■ ..................^¿у*

......--.........•• ^.—¿-^

~~ ВТ""-1"——

"0 2

«Я/Дп

Рисунок 3.11 - Зависимость коэффициента несинусоидальности напряжения на нагрузке от параметров трансформатора, приведённых к

параметрам нагрузки

На рисунке 3.18 можно отметить практически линейную зависимость действующего напряжения на нагрузке от параметров обмоток трансформатора. Видно, что отношение амплитуды действующего значения напряжения к сопротивлению обмотки трансформатора R2 примерно в 250 раз больше, чем отношение к индуктивности обмотки трансформатора.

На рисунке 3.11 отчётливо заметна область, выделенная "1", на которой значение коэффициента синусоидальности существенно меньше, окружающих значений (0,2-0,3% против 1-3%). Данный эффект проявляется только при значениях R2 G [0;0.35-Rn]. При дальнейшем увеличении R2 провал сглаживается и зависимость коэффициента несинусоидальности от параметров обмоток трансформатора приобретает вид наклонной плоскости (аналогичной изображённой на рисунке 3.12). Однако при превышении R2 значения в 10% от Rn происходит существенное снижение амплитуды основной гармоники напряжения на нагрузке. Поэтому мы не будем рассматривать эту область, т. к. её применение на практике не возможно ввиду существенных потерь.

3.3.3 Влияние температуры ключевых элементов инвертора на качество кривой

напряжения на нагрузке

Важным при эксплуатации полупроводниковых устройств является вопрос учёта изменения характеристик полупроводниковых элементов в процессе работы, связанных с изменением их температуры. Как правило, подобные характеристики практически невозможно рассчитать, поэтому их снимают экспериментально для серии устройств. Также стоит учесть, что реальные характеристики каждого конкретного элемента могут значительно отличаться от нормированных для группы, в зависимости от технологических параметров при изготовлении. Последние 10 лет получили распространение интеллектуальные силовые модули, которые самостоятельно контролируют изменение характеристик в процессе работы, тем самым устраняя возникающие нелинейности. Производителями таких устройств являются: International Rectifier, Freescale Semiconductor, Mitsubishi Electric, Semmikron. Применение

подобных устройств позволит устранить дополнительные искажения, возникающие в реальных системах, тем самым повышая качество выходного напряжения регулятора.

Рассмотрим влияние температуры на параметры напряжения на нагрузке. Для этого в модель ФРУ введём дополнительную зависимость сопротивления транзисторов от температуры. Повышения наглядности результатов моделирования можно добиться построением поверхностей, которые отражали бы зависимости изучаемого параметра от отношений индуктивностей обмотки трансформатора, включённой последовательно с нагрузкой к индуктивности самой нагрузки, а также сопротивления этой обмотки к сопротивлению нагрузки. Если на одном рисунке отображать несколько поверхностей для различных температур, то это позволит определить зависимости исследуемой характеристики сразу от трёх параметров — температуры 1° и соотношений Ь2/Ьп и 112/Кп, где Ьп и Яп - реактивная и активная составляющие нагрузки. Поверхности, построенные для различных характеристик силовых ключей[32] показаны на рисунках 3.12. На рисунке 3.13 представлена зависимость коэффициента гармоник от температуры ключевых элементов инвертора.

Рисунок 3.12 - Действующее напряжение на нагрузке при различных

температурах

Рисунок 3.13 - Коэффициент гармоник напряжения на нагрузке при

различных температурах

Используя поверхности можно выбирать области экстремума значений того или иного параметра из ГОСТ54149-2010. Например, минимальные значения коэффициента гармоник, как видно из рисунка 3.13, сосредоточены в диапазоне отношений Ь2/Ьп С [0.03;0.06] и К2/Кп С [0.01 ;0.12].

На основе представленных зависимостей можно заключить, что характерные изгибы поверхностей проявляются при одних и тех же значениях индуктивностей обмоток, наибольшие отклонения между поверхностями при различных температурах происходят в областях характерного изгиба, отклонения между поверхностями при различных температурах практически отсутствуют--вне областей характерных изгибов. В самих областях отклонения между крайними значениями поверхностей составляют не более 10% от размаха крайних значений поверхностей на графике в целом. При этом все рассматриваемые параметры соответствуют требованиям ГОСТ54149-2010 при любых значениях температур.

Анализ семейств поверхностей, полученных для зависимостей Цц(1:0, Ь2/Ьп, К2/Кп), Кг(1:0, Ь2/Ьп, 112/Кп) для случая изменения температуры в диапазоне

[-40; 120] от номинального с шагом в 20 градусов, показывает, что:

• характерные изгибы поверхностей проявляются при одних и тех же значениях параметров обмоток,

• наименьшие отклонения между поверхностями при различных питающих напряжениях генератора в областях характерного изгиба,

• отклонения между поверхностями при различных питающих напряжениях генератора составляют менее 1В для напряжения питания при изменении питающего напряжения в диапазоне ±20% от номинального,

• разница между коэффициентах гармоник на этом же диапазоне составляют 0.2%.

Все рассматриваемые параметры соответствуют требованиям ГОСТ54149-2010 при любых значениях напряжениях питания генератора.

3.3.4 Влияние частоты коммутации ключей инвертора на качество кривой

напряжения на нагрузке Поверхности для случая изменения частоты ШИМ ключей инвертора в диапазоне [16;24] кГц с шагом в 400Гц ид(^им, Ь2/Ьп, Ы2/Кп), Кг(£шим, Ь2/Ьп, 112/11п), представленные на рисунках 3.14, показывают, что характерные изгибы поверхностей проявляются при одних и тех же значениях параметров обмоток, отклонения между поверхностями при различных частотах ШИМ генератора увеличиваются с увеличением индуктивности обмотки трансформатора. Однако, отклонения между поверхностями при различных частотах ШИМ генератора составляют менее 0,3 В для напряжения питания при изменении питающего напряжения в диапазоне ±20% от номинального. На рисунке 3.15 представлена зависимость коэффициента гармоник от частоты ШИМ. Разница между коэффициентами гармоник на этом же диапазоне составляют менее 0.2%. Таким образом, этими изменениями практически можно пренебречь для данного устройства. Все рассматриваемые параметры соответствуют требованиям ГОСТ54149-2010 при любых значениях частоты ШИМ ключей генератора.

Ь0/?*10 0.12

25 35 2.5

15

Рисунок 3.14 - Действующее напряжение на нагрузке при различных

частотах ШИМ инвертора

■и /о 8 6 4

г!

и

-4

-о -8 Ю

О 5 Ю 15 20 25 30 кГц 35

Рисунок 3.15 - Коэффициент гармоник напряжения на нагрузке при различных

частотах ШИМ инвертора

При работе ФРУ возможно возникновение ситуаций отличающихся от номинального режима работы системы. Важным является вопрос сохранения работы в этих режимах. Устройство, подключаемое к сети электроснабжения не

3.3.5 Режимы работы фильтрорегулирующего устройства

должно оказывать влияние на напряжение в сети в случае возникновения нештатных ситуаций. Рассмотрим влияние ФРУ на нагрузку в случае различных отклонений. Возможны следующие варианты:

• потеря управления - сигнал не подаётся на генератор напряжения ФРУ,

• короткое замыкание в трансформаторе на стороне генератора ФРУ,

• короткое замыкание в трансформаторе на стороне сети и нагрузке

В случае потери управления получим следующие зависимости, изображённые на рисунках 3.16 и 3.17:

225 ■ В 220 ■

215 ■

205

210 ■

200

195

180

190

185

и

0 2 О

О 2

Ц2/1_п

1-?2 ЛЧп

Рисунок 3.16 - Действующее значение напряжения на нагрузке при

отсутствии управления ФРУ

□ 02Г -

О 02-

0 015-

0 01 -

0 005-

0 2

0 2

0 15

0 1

0 05

0 о

9.2

Рисунок 3.17- Коэффициент гармоник напряжения на нагрузке при потере

По представленным зависимостям можно сделать вывод, что при потере управления, ФРУ не будет вносить искажения более чем нормируемые ГОСТ54149-2010 в значение действующего напряжения на нагрузке при значении сопротивления обмотки трансформатора, подключённой к стороне нагрузке в 2-11% от сопротивления нагрузки. Таким образом, видно, что провал на графике коэффициента гармоник практически совпадает с зависимостью, полученной при исследовании влияния параметров трансформатора на передачу сигнала в нагрузку с небольшим смешением в сторону уменьшения порядка 1%.

Также минимальные искажения спектрального состава происходит при значении индуктивности обмотки трансформатора подключённой к нагрузке, равным 10% индуктивности нагрузки.

В случае короткого замыкания в трансформаторе на стороне генератора фильтрорегулирующего устройства получим зависимость, представленную на рисунке 3.18:

управления ФРУ

210

200

180

190

170 0

В

0 2

Рисунок 3.18 - Действующее значение напряжения на нагрузке при коротком замыкании на стороне генератора ФРУ

На основе графиков 3.18 можно сделать вывод, что искажения спектрального состава в этом случае отсутствуют. Также ФРУ не будет вносить искажений больше нормируемых ГОСТ54149-2010 в значение действующего напряжения на нагрузке при значении сопротивления обмотки трансформатора, подключённой к стороне нагрузке до 6-15% от сопротивления нагрузки. В случае короткого замыкания на стороне нагрузки получаем ситуацию равнозначную отсутствию ФРУ в сети. Таким образом, дополнительных искажений в сеть вноситься не будет.

По итогам работы, изложенной в данной главе, мы можем сделать следующие выводы и обобщения:

• Разработана методика формирования компенсирующего напряжения на выходе ФРУ на основе предложенного способа вычисления компенсирующего воздействия. В свою очередь на основе разработанной методики была создана уточненная модель ФРУ.

Выводы

• Способ вычисления компенсирующего воздействия является устойчивым на всё рабочем диапазоне частот.

• Представленная модель системы «Сеть - регулятор напряжения -нагрузка» позволяет имитировать работу регулирующих устройств в сетях с искажённой относительно синусоидального формой питающего напряжения. Модель позволяет определить параметры работы регулятора напряжения, в роли которого может выступать полупроводниковый преобразователь, включённый в систему через согласующий трансформатор.

• При использовании согласующего трансформатора минимальные значения искажений напряжения на нагрузки достигаются при значении индуктивно стей обмоток согласующего трансформатора соответствующих 10% от индуктивности нагрузки. Значения сопротивления обмоток трансформатора должны быть менее 3-5 % сопротивления нагрузки для обеспечения действующего значения напряжения на нагрузке в диапазоне, регламентируемом ГОСТ 54149-2010.

• Предлагаемая модель системы ФРУ является стабильной, так как:

• при использовании системы ФРУ, настроенной на работу с соответствующей нагрузкой при возникновении нештатных ситуации система не будет вносить искажений более регламентированных ГОСТ54149-2010,

• устройство стабильно при изменении температуры окружающей среды в диапазоне рабочих температур(-40,+100),

• выходные характеристики ФРУ мало зависят от уровня напряжения в сети предприятия, выходные характеристики ФРУ практически не зависят от частоты ШИМ генератора в рабочем диапазоне частот ШИМ,

• при работе ФРУ увеличение мощности нагрузки до трёхкратной от номинальной не вызывает отклонения напряжение на нагрузке более чем 1% от номинального значения, при увеличении мощности нагрузки до шестикратной от номинальной, параметры напряжения на нагрузке будут соответствовать требования ГОСТ54149-2010.

Глава 4 - Разработка физической модели ФРУ

При построении ФРУ значение имеют вопросы выбора алгоритма и частных случаев реализации системы управления.

Можно выделить ряд параметров влияющих на стабильность работы ФРУ:

• стабильность напряжения, подаваемого на полупроводниковый преобразователь

• влияние схемы согласования ФРУ с сетью и нагрузкой,

• стабильность задания управляющего воздействия системы на полупроводниковый преобразователь.

• влияние параметров МК в составе ФРУ,

• влияние способов задания эталонной кривой,

• влияние способа управления ключами инвертора.

Первые два пункта можно отнести к внешним аппаратно-физическим влияниям на систему. Остальные — к программно-аппаратным.

4.1 Влияние питающего напряжения на точность работы ФРУ

Стабильность напряжения с выхода полупроводникового преобразователя определяется входным напряжением выпрямителя, питающего этот преобразователь через фильтр (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Структура регулятора

Здесь: Сеть — питающая сеть, Н — нагрузка, ФРУ — фильтрорегулирующее устройство, П/П П — полупроводниковый преобразователь, БП — блок питания, и - датчик напряжения, СУ — система управления, ТУ — трансформатор.

Существует два варианта подключения выпрямителя к питающему напряжению — непосредственно к клеммам питающей сети (рисунок 4.26) и параллельно нагрузке после согласующего трансформатора (рисунок 4.2а). При этом подключение к сетевым клеммам может вызывать пульсации напряжения на выходе выпрямителя при появлении пульсации в питающей сети.

б)

Рисунок 4.2 — варианты подключения питающего выпрямителя ФРУ

Для точного задания напряжения на выходе регулирующего устройства необходимо обеспечить поддержание неизменного напряжения на выходе

выпрямителя питающего силовую часть. Это возможно обеспечить, например, применением дополнительных схем контроля заряда конденсаторов. Для повышения точности генерирования кривых выходных напряжений инвертором ФРУ возможно применение дополнительного датчика напряжения, подключённого к выходу питающего выпрямителя. На основе информации получаемой с этого датчика возможно корректирование ширины ШИМ или ширины допуска для следящего метода управления инвертором.

В случае подключения выпрямителя после регулятора напряжения, напряжение на входе силовой части схемы определяется как:

УвХЕЫП С^ЕХ ^КОр) ^ТрЕЫПЭ (4. 1 )

где ивх — напряжение на входе сети, икор — корректирующее напряжение, сгенерированное регулятором напряжения, Кхр вып — коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя

Рассмотрим ивх как сумму гармоник:

УЕХ = (4.2)

где ивх ; - напряжение ¡-той гармоники входного напряжения, п -количество гармоник в спектральном составе напряжения.

Для икор аналогично:

гт>

Укор (/ ^кор! ^ТОЧнО УвЫХЕЫП ^гр 5 (4.3)

—'о

где Ккор \ - коэффициент генерации напряжение ¡-той гармоники корректирующего напряжения регулятора,

к _ ^кори _ ^ксри /д д\

КОрГ „ и 5

"кормах "бихвыг

где икорп — напряжение на стороне трансформатора, подключённой к выводам полупроводникового модуля, икормах — максимальное напряжение, которое может сгенерировать инвертор, ивых вып — напряжение на выходе выпрямителя, от которого питается инвертор, Кхр - коэффициент трансформации трансформатора в схеме активного фильтра, Кточн ! — коэффициент точности поддержания ¡-той гармоники напряжения на выходе регулятора,

„ "кврщиил (л

"коризад

где ик0рпреал—реально сгенерированное напряжение, инвертором, икорпзад-заданное значение напряжение, которое должен сгенерировать инвертор.