Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Определение несимметрии токов и напряжений и методы симметрирования 11
1.1 Необходимость симметрирования токов и напряжений 11
1.2 Условия необходимости применения симметрирующих устройств 14
1.3 Способы симметрирования
1.3.1 Симметрирующие устройства трансформаторного типа 16
1.3.2 Статические симметрирующие устройства 19
1.3.3 Ступенчато-управляемые симметрирующие устройства 22
1.3.4 Симметрирующие устройства с непрерывным плавным управлением 27
Выводы по первой главе и постановка задач исследования 32
ГЛАВА 2 Алгоритм компенсации токов обратной последовательности при использовании управляемого индуктивного накопительного элемента принципиальная схема регулируемого симметрирующего устройства индуктивным накопительным элементом 34
2.1 Математическая модель электромагнитных процессов в трехпро-водной сети с несимметричной нагрузкой 34
2.2 Алгоритмы получения задающих сигналов на основе токов обратной последовательности 39
2.3 Схема силовой части регулируемого симметрирующего устройства 42
2.4 Система управления регулируемого симметрирующего устройства и принцип его действия 45
2.5 Применение симметрирующего устройства для питания мощных однофазных нагрузок 52
Выводы по второй главе 57
ГЛАВА 3 Схемотехническое моделирование регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационное моделирование блока управления в его составе 59
3.1 Схемотехническая модель регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационная модель блока управления в его составе в пакете Matlab 59
3.2 Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемого симметрирующего устройства с активно-емкостной нагрузкой 71
3.3 Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемого симметрирующего устройства с переменной нагрузкой 79
Выводы по третьей главе 84
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование и методика расчёта регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом 85
4.1 Экспериментальное исследование работы регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом
4.2 Методика расчёта регулируемого симметрирующего устройства 104
Выбор датчиков тока и напряжения 102
4.2.2 бор I T-транзисторов
4.2.3. Выбор и расчет драйверов для управления транзисторами 95
4.2.4. Выбор и предварительный
4.2.5. Выбор и программирование микроконтроллера
4.2.1 Выбор силовых трансформаторов 92
4.2.2 Выбор IGBT-транзисторов и диодов
расчет дросселя с зазором 99
4.2.3. Выбор и расчет драйверов для управления
4.2.4. Выбор и предварительный расчет дроссел
4.2.5. Выбор и программирование микроконтро
4.2.6 Выбор датчиков тока и напряжения накопительного эле ента
4.3.1. Электромагнитные процессы в индуктивном накопительном элементе 104
4.3.2 Расчёт постоянной индуктивного накопительного элемента 106
4.3.3 Определение параметров дросселя из критерия минимальных потерь в активных материалах 108
4.3.4 Расчет величины воздушного зазора 113
Выводы по четвертой главе
Заключение 115
литературы 115
гармонического состава тока силовых вентилей 130
и тока силовых вентилей 132
Список литературы
- Симметрирующие устройства трансформаторного типа
- Система управления регулируемого симметрирующего устройства и принцип его действия
- Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемого симметрирующего устройства с активно-емкостной нагрузкой
- Выбор и расчет драйверов для управления транзисторами
Симметрирующие устройства трансформаторного типа
Схема Штейнметца (рисунок 1.4), наиболее широко применяется для симметрирования однофазных нагрузок [25]. Схема характеризуется простотой, а симметрирующие элементы и нагрузка включены на линейное напря-. Коэффициент мощности трехфазной сети для схемы Штейнметца ра-единице. ца обяз ы П является доведение коэффициента мощности нагрузки конденсаторов. Данная схема применяется для симметрирования дуговых печей косвенного действия, печей сопротивления [28]. связь
На рисунке 1.5 приведена схема с дросселем-делителем, отличающаяся простотой и возможностью симметрировать индуктивную нагрузку. Токи обратной последовательности компенсируются при помощи дросселя L и конденсаторов С. Конденсаторная батарея подключается к отпайке дросселя и к одной из фаз сети. Между плечами дросселя существует индуктивная M точке дросселя подключены„конденсаторы.. По сравнению со схемой Штей схемы с дросселем-делителем [31].
Однако в случае доведения коэффициента мощности нагрузки до 0,866 торов это может привести к недоиспользованию части конденсаторов по мощности. Тогда затраты симметрируй мощности для схемы с дроссе-лем-делителем становятся примерно равными затратам в схеме Штейнметца. Но в схеме с дросселем-делителем конденсаторы для симметрирования включены на напряжение ниже номинального, а это приводит к увеличению их срока службы и надежности устройства [32].
При не изменяющихся параметрах реактивных элементов симметрирование возможно только при постоянной мо ш„ости нагруз м Если изменение симметрирующих устройств с переменными параметра м 5]. стоянно включенных дросселя L и конденсаторной батареи C, а также из нескольких групп емкости Сг - Сп, каждая из которых либо с помощью контакторов 2Кг - 2Кп может быть подключена к емкости C, либо с помощью контакторов 1Км - 1Кп к дросселю L. Если все группы емкости включить па ров и дросселя должны быть выбраны равными:
При переключении части емкости АС из емкостной ветви в индуктивную, суммарный емкостный ток уменьшится: ток тоже оказывается меньше: АІи = ишАС, (1.13) Следовательно, переключение части емкости из емкостного плеча в индуктивное равноценно увеличению реактивных симметрирующих сопро 23 тивлений, в то время как индуктивное сопротивление дросселя остается неизменным [37].
Преимущества рассмотренного симметрирующего устройства: 1) изменение реактивных симметрирующих элементов может осуществляться под нагрузкой в самых широких пределах; 2) значительно упрощается и удешевляется дроссель, который выполняется не регулируемым; 3) значительно упрощается настройка устройства, так как требуется обеспечить лишь равенство максимальных значений реактивных токов, чем автоматически будет обеспечено равенство токов на всех ступенях.
Недостаток рассматриваемого устройства заключается в том, что активные потери постоянны и не зависят от уровня симметрирующей мощности. Так же недостатком является необходимость ручного контроля реактивных токов и переключения контакторов [38].
Схема с дросселем-делителем в управляемом исполнении показана на рисунке 1.7. При изменении активной мощности нагрузки, меняется величи плеча на индуктивное. на токовлГсной последовательности, путем отключения емкостей
Рассмотрим симметрирование переменной нагрузки отключением емкостей. Тогда из условия симметрирования /2 = 0 можно записать: (1.14) Введем обозначения относительно изменения мощности нагрузки и симметрирующей батареи конденсаторов: ничивается только сопротивлением сети, к которому подключена батарея. При переключении емкости в индуктивное плечо для изменения уровня мощности на одну и ту же величину ток включения в схеме с дросселем-делителем при прочих равных условиях на 20-30% меньше, чем в схеме Штейнметца. Это объясняется тем, что ступень в схеме с дросселем-делителем состоит из двух частей, которые включаются на линейное напря ;rrr:r включаются п льно постоянно вклю ченной емкости. Ток включения в этом случае описывается уравнением макс= і Г1. (1.18) лем.; zzzz: z в схеме с дроссе Управляемые симметрирующие устройства по схеме Штейнметца и схеме с дросселем-делителем устана ыхся на стороне низшего напряже ния при питании инду ж м пл ы ыш х печей от трехфазного тактного) нагрева со значительным изменением потребляемой мощности в процессе нагрева при времени цикла не менее нескольких минут.
Для компенсации реактивной мощности, снижения несимметрии и не синусоидальности в системе тягового электроснабжения железных дорог применяются установки поперечной емкостной компенсации (КУ) [40]. Схема двухступенчатой КУ показана на рисунке 1.8.
Устройство поперечной емкостной компенсации в тяговой сети перетока 27,5 кВ содержит однофазные конденсаторные батареи C1 и C2, подключенные к шинам через вакуумные выключатели В11 и В21, реакторы L1 и L2 для недопущения резонансных явлений, демпфирующие резисторы R1 и R2 с шунтирующим их вакуумными выключателями В12 и В22.
Демпфирующие резисторы R1 и R2 необходимы для снижения бросков тока и напряжения при коммутации КУ, так как без демпфирования броски напряжения и тока достигают опасных для конденсаторов С1 и С2 величин: соответственно 1,4 Uном и 4 Iном. л.Уменьшение средних потерь мощности вPсети при включении нерегу тяговой подстанции равно: dPH = 2Rn\jj) , (1.19) где Rn - собственное узловое сопротивление узла п, к которому под-ключена КУ; U - напряжение узла n; S - среднее значение обобщенной нагрузи в трехфазной сети, которая компенсируется однофазной КУ.
В ю ее время для симметрирования однофазных нагрузок широко применяйся силовые управляемые вентили, с помощью которых можно Компенсация несимметрии напряжений и токов, или активная филь мые искажения находятся в противофазе с имеющимися и компенсируют их
Схемы активных фильтров напряжения и тока обычно выполняют на базе инверторов напряжения с ШИМ [42]. Совместное использование активного фильтра напряжения и тока позволяет улучшить качество электроснабжения и устранить обратное влияние нелинейного потребителя на питающую
Система управления регулируемого симметрирующего устройства и принцип его действия
Способ управления симметрирующим устройством основан на анализе вычисленных токов обратной последовательности по соотношениям 2.7-2.9 и определения текущего варианта из таблицы 2.1 [56]. Далее в зависимости от соотношений токов обратной последовательности происходит потребление токов из фазы (фаз) с положительным знаком и отдача в фазу (фазы) с отрицательным знаком для генерации компенсирующих токов с противоположенными фазами к токам обратной последовательности [118].
Подробно рассмотрим первый вариант (остальные варианты подобны первому). В этом варианте происходит потребление тока обратной последовательности из фаз A и B и отдача в фазу C. Сумма модулей токов обратных последовательностей фаз A и B равна модулю тока обратной последовательности фазы C. Во время этого промежутка времени транзистор в «отрицательной» ветви моста фазы C (транзистор 6 на Рис. 2.3) открыт и ток из дросселя с зазором течет в фазу C. Чтобы цепь была замкнута (протекал ток), необходимо открыть транзисторы в «положительной» ветви моста фаз A и B (вентили 1 и 2 на рис. 2.3). Но одновременно открыть вентили фаз A и B нельзя – произойдет короткое замыкание [61]. Следовательно, надо открыть сначала один, а потом другой. Поэтому необходимо правильно определить время открывания и закрывания этих транзисторов [56]. Переключение транзисторов осуществляется по пропорциональному закону: где 1А2,1В2 - токи обратной последовательности фаз A и B за промежуток времени ТА + Aв, BА, Тв - время нахождения в открытом состоянии тран Так как к выводам постоянного тока подключен дроссель с зазором, соответствующие действующим значениям токов на блоки ис точники сигналов соответствующих токам обратной последовательности; ведены на рисунке полняющий вычисление абсол ы знания величины сигнал а; 15 - ос циллограф (показания приведен на рисунке 2.6); 16-18 - блоки, реализую щиеИлогическое отрицание; 19-21,блоки, вычисляющие произведение те 28-30 - блоки, сравнивающие текущие значения входных сигналов; 31-36 ке 2.3; блоки реализующие логическое отрицание; 37-48 – блоки реализующие логическое сложение; 49-54 – блоки реализующие логическое умножение; 55-60 – блоки вывода сигналов для транзисторов №1-6, изображенных на рисун-осциллограф (показания приведены на рисунке 2.7).
Последовательность работы схемы следующая: с блоков 1-3 на блоки 4-6 подаются сигналы, соответствующие токам на - , нагрузке и в блоках 4-6 сигнал, производится вычисление токов обратной последовательности для каждой из фаз согласно выражениям [2.7-2.9]. Рассмотрим одну из последовательностей преобразования входных сигналов. На выходе блока 4 вычисленный соответствующий мгновенному значению тока обратной последовательности в фазе A подается на блок 12, который возвращает модуль входного сигнала, далее вместе с сигналом блока 7 поступающего в блок 19. В то же самое время сигнал с блока 12 подается на блок 30. На выходе блока 19 модуль сигнала соответствующего мгновенному значению тока обратной последовательности в фазе A перемножается с пилообразным сигналом и получается сигнал, соответствующий мгновенному значению тока обратной последовательности в фазе A, промодулированный пилообразным сигналом. Аналогично блок 13 возвращает модуль сигнала с блока 5. В блоке 28 происходит сравнение сигнала с блока 19 и с блока 13. С блока 28 сигнал попадает в блоки 33, 36, 40, 46. Блоки 33, 36 возвращают результат операции логического отрицания, после этого сигнал направляется в блоки 41, 47. Блоки 40, 41, 46, 47 возвращают результат операции логического умножения, далее эти сигналы направляются в блоки 50, 51, 53, 54, на выходе которых получаются сигналы соответствующие результату операции логическое сложение, которые поступают в блоки 56, 57, 59, 60 выходы блока управления. Представленной последовательности трансформации входного сигнала соответствуют последовательности: 2 (5-13) – 55, 57, 58, 60 (49, 51, 52, 54) и 3 (6-14) – 55, 56, 58, 59 (49, 50, 52, 53). В то же самое время на блок 9 поступает сигнал с блока 4, в котором производиться операция сравнения с нулем, результат направляется в блоки 16, 26, 27. В блоке 16 производится операция логического отрицания и результат направляется в блоки 23, 24. После операции логического умножения в блоке 23 сигнал направляется в блоки 43, 48, 50. Аналогичны последовательности: блок 24 – блоки 44, 45, 51; блок 26 – блоки 37, 42, 53 и блок 27 – блоки 38, 39, 54. Результаты выполнения операции логического умножения блоками 37-39, 42-45, 48 направляются в блоки 49-54 для выполнения операции логическое сложение, результат поступает на выходы блока управления 55-60. Аналогичны последовательности преобразования сигналов: 2 (5-10)-49-54 и 3 (6-11)-49-54. Сигналы, соответствующие мгновенным значениям токов на нагрузке, поступают с блоков 1-3 в блоки 4-6, где преобразуются в сигналы соответствующие мгновенным значениям токов обратной последовательности. Что поясняют рисунки 2.5 и 2.6 с осциллограммами с блоков 8 и 15, иллюстрирующие сигналы соответствующие токам на нагрузке (рис. 2.5) и вычисленным сигналам соответствующим токам обратной последовательности (рис. 2.6).
Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемого симметрирующего устройства с активно-емкостной нагрузкой
Модель трехфазного мостового полупроводникового преобразователя с GTO-тиристорами изображена на рисунке 3.9. Схемотехническая модель характеризуется высокой точностью исполнения в силу задания всех парамет-тиристоров в соответствии с реальными полупроводниковыми прибора-[79]. Различия в выполнении моделей с IGBT-транзисторами и GTO-тиристорами заключаются в меньшей доступной частоте коммутации у GTO-тиристоров (до 1кГц). Время выполнения модели полупроводникового преобразователя с GTO-тиристорами довольно длительное по причине подробного специфицирования параметров приборов. никового преобразователя с
Модель трехфазного мостового полупроводникового преобразователя с наиболее часто встречающимися IGBT-транзисторами, с допустимым обрат IGBT-транзистор которого пе 3.10. напряжением 15-20 В, представлена на рисунке снабжен встроенным обратным диодом, обратное напря ение с реходит на последовательный диод [80]. В связи с этим последовательный диод в модели выбирается с той же частотой коммутации и рабочим током, что и у IGBT-транзистора. Для диодов (на рисунке 3.10 блоки Diode 1-7) и IGBT-транзисторов с обратными диодами (на рисунке 3.10 блоки IGBT/Diode 1-7) задаются параметры реальных приборов, в том числе значение падения напряжения в прямом направлении. Для ускорения процесса моделирования можно оставить параметры по умолчанию для IGBT-транзисторов с обрат н и диода и.
Схемотехническая модель трехфазного мостового полупроводникового преобразователя с IGBT-транзисторами со встроенными обратными диодами, последовательными диодами и тормозным
Модель трехфазного мостового полупроводникового преобразователя с возможностью задания параметров всех приборов приведена на рисунке 3.11. Процессы, происходящие в реальном полупроводниковом преобразователе, наиболее полно находят отражение в данной схемотехнической модели. Параметры блоков заданы по спецификациям приборов, подобранных для экспериментального исследования регулируемого симметрирующего устройства. Подробное специфицирование приборов усложняет протекающие в модели преобразователя переходные процессы, в связи с чем время моделирования увеличивается. В данной схемотехнической модели был принят минимальный шаг расчета для получения точных результатов [81]. Рисунок 3.11 – Схемотехническая модель трехфазного мостового полупроводникового преобразователя с IGBT-транзисторами, обратными диодами, последовательными диодами и тормозным блоком 3.2 Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемо Ран« «„» „,„. „to ,«ю„ ОВ-. линии и кабели большой длинны, обладающие конструк-тивной емкостью, достигающей 1 мкФ/км; - источники питания, в том числе бесперебойного (фильтрующие конденсаторы установленные после выпрямительного моста, емкость которых достигает 1000 мкФ); - ртутные лампы высокого давления и люминесцентные лампы (до 10 мкФ); - фильтры подавления электромагнитных помех с входной емкостью 0,47..Д 10 мкФ [82]. торн=апряжения на нагузке. Векторная диагамма по ка
Большой интерес представляют осциллограммы тока и напряжения на 3 15 приведены осциллограммы напряжения тока ток альное частота ко max вившемся режиме на идеальном ключе составляет Ummax = 450 В, макси-обратное напряжение 0o6pmax =-3B0 в, максимальный Рисунок 3.15 - Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) идеального ключа ратное напряжение равное прямому (рисунок 3.8). Максимальное прямое за динамических потерь при комбольше чем на«льном ключе обр max че /тах = 2,74 А. Время выключения транзистора составляет tBbIKJ1 = м 6 с, Рисунок 3.16 - Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) IGBT транзистора
На рисунке 3.17 изображены осциллограммы напряжения и тока на первом GrO-тиристоре анодной группы конвертора (рис. 3.9). Максимальное на идеальном ключе и:—исторе и составляет -тиристоре больше чем р симальное обратное напряжение так же больше чем на идеальном ключе и на /Є Г-транзисторе f/o6pmax =-1100 В, максимальный ток меньше чем на идеальном ключе иrтранзисторе t: і торат= чения и выкл = ЗОбГ6 с. Рисунок 3.17 – Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) GTO-тиристора о и в с ие На первом
На рисунке 1 приложения А приведены результаты гармонического анализа тока GrO-тиристора с помощью программы Matlab (Коммерческая лицензия №726128). Из рисунка 1 следует, что в исследуемом сигнале поми-частоты 900 Гц, обусловленной ШИМ тока, присутствуют нулевая, первая гармоники. прямым напряжением и составляет /юaY = 2,66 А. Напряжение t/nfin -37В В с транзистора с _Ь обратного диода падает на включён вательно последовательно диод (рисунок 3.19в). Максимальный ток на последо ьном диоде составляет /тах = 2,64 А. Частота коммутации силовых ди одов составляет до 500 кГц. анализа програ в ис Matlab и частота
Выбор и расчет драйверов для управления транзисторами
Для вычисления токов обратной последовательности необходимы точные и актуальные измерения тока. Измерениям подвергаются ток в фазе A нагрузки, ток в фазе B равен нулю (однофазная нагрузка), ток в фазе C равен току в фазе A с противоположенным знаком. К датчикам предъявляются требования по быстродействию и точности, так как от этого зависит выработка точных и актуальных управляющих сигналов на силовые вентили. При измерении тока необходима гальваническая развязка силовой цепи и измерительной цепи, так как потенциал проводника изменяется в пределах ± 311 В [109].
Существуют следующие приборы для измерения тока: 1) изолированный усилитель (оптопара); 2) датчик Холла, 3) трансформатор тока. Рассматриваются изолированный усилитель и датчик на эффекте Холла, так как погрешность трансформатор тока очень большая. Сравнение основных параметров изолированных усилителей и датчиков на эффекте Холла представлено в таблице 4.1 [110]. Из таблицы 4.1 следует, что по сравнению с изолированными усилителями датчики на эффекте Холла более точны при нагреве и при калибровке. Максимальная частота измерений с использованием датчика на эффекте Холла без обратной связи ниже, чем у изолированных усилителей, но все равно выше чем принятая частота измерений. Таким образом, целесообразно выбрать датчик тока на эффекте Холла без обратной связи с усилительной схемой, поддерживающей калибровку сигнала.
Датчики на эффекте Холла включается в цепь последовательно с нагрузкой и симметрирующим устройством. Токовый шунт с подключённым датчиком на эффекте Холла встраивается в цепь в месте присоединения нагрузки и симметрирующего устройства к сети. К выходу датчика через усилительную схему подключается аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера.
В качестве датчика тока можно выбрать ACS712ELC-30A производства Allegro, с основными характеристиками: напряжение питания 5 В, измерения ±30 А, выходная чувствительность 66 мВ/А [111]. Для увеличения разрешения и повышения чувствительности при измерении малых токов потребуется использование операционного усилителя.
Элементы цепи измерения подвержены отклонению параметров от указанных под влиянием температуры и протекающего через них тока а так же технологических особенностей изготовления. Но существует возможность произвести точную калибровку датчиков в установившемся режиме работы. В конкретном случае наличие магнитных полей и небольшая нелинейность элементов будут оказывать основное влияние на погрешность измерений [112].
Дроссель с зазором является самым габаритным и массивным элементом симметрирующего устройства. Выбирая величину индуктивности накопительного элемента выше, чем минимально требуемая, увеличиваются геометрические размеры дросселя и его стоимость. Но при выборе величины индуктивности меньшей расчетной ухудшится работа устройства.
Для нормальной работы транзисторов с односторонней проводимостью, индуктивность дросселя с зазором должна подбираться такой, чтобы во всех режимах работы симметрирующего устройства ток через индуктивный накопительный элемент имел положительную величину [113].
Электромагнитные процессы в индуктивном накопительном элементе , Ток вnTzuzzz :.е составляющие;постоянную и пе дуктивном накопительном элементе /д, пропорциональна току обратной по -jzzzzr,::: zrндукти и в 105 установившемся режиме имеет переменный характер, следовательно, ток в дросселе с зазором тоже будет иметь переменный характер. Для увеличения КПД устройства используется ШИМ тока, при которой индуктивному накопительному элементу, во время переключения фаз так же переключаются. При схемотехническом моделировании в программе Matlab (Коммер с зазором (рисунок 3.23а).,r;:z:i:7::ы а минималь ные значения равны нулю. напряжений примерно равны друг другу и составляют (0,40,5) Ulm, а средние значения -(0,250,3) Ulm. Через индуктивный накопительный элемент наряду с переменным то-высокой частоты, протекает составляющая тока с частотой перем ейного напряжения равной 300 Гц. Среднее значение (постоянная ляющая) этого напряжения
При применении широтно-импульсной модуляцией тока в общем случае могут возникать комбинированные гармоники и эффект наличия нулевого провода. Вместе с переменными составляющими присутствует комбинированная составляющая, с частотой равной их сумме (300 и 12600 Гц). Так как амплитуда напряжения несущей частоты намного больше амплитуды напряжения частоты 6, то амплитуда напряжения комбинированной часто-такая же, как у напряжения, изменяющегося с несущей частотой. Согласно приведённым выше рассуждениям, ток в индуктивном элементе равен:
С учетом особенностей работы дросселя рассмотрим методику расчета индуктивного накопительного элемента согласно [116]. Примем, что при расчете индуктивного накопительного элемента известны электромагнитные параметры (индуктивность, ток, напряжения). Как уже отмечалось, выбор индуктивности производится исходя из условия обеспечения положительного значения величины переменной составляющей тока в дросселе, либо по заданному коэффициенту высших гармоник и мощности устройства.