Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и принципы построения энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями 11
1.1. Обзор теоретических исследований и разработок энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями 11
1.2. Определение составляющих полной мощности и показателей качества энергопотребления энергетических подсистем 16
1.3. Энергоподсистемы с односторонним потреблением электроэнергии 24
1.4. Энергоподсистемы с двухсторонним энергообменом 27
Выводы по главе 1 36
Глава 2. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем с односторонним потреблением электроэнергии в переходных и квазиустановившихся режимах работы 38
2.1. Методика исследования электромагнитных и энергетических процессов в переходных и квазиустановившихся режимах работы энергетических подсистем 38
2.2. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем с односторонним потреблением электроэнергии в переходных и квазиустановившихся режимах работы 42
2.3. Способы ограничения электромагнитных нагрузок в режимах включения энергоподсистем в питающую сеть 65
2.4. Методика выбора термисторов, применяемых для ограничения электромагнитных нагрузок в режимах включения энергоподсистем впитающую сеть 69
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Структурно-параметрический анализ энергоподсистем с двухсторонним энергообменом замкнутых систем электропривода постоянного тока .. 79
3.1. Условия работы и требования к энергоподсистемам замкнутых систем электропривода постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями ... 79
3.2. Исследование электромагнитных и энергетических процессов в энергоподсистеме замкнутой системы электропривода постоянного тока при работе в режиме движения следящего вала по гармоническому закону 85
3.3. Исследование электромагнитных и энергетических процессов в энергоподсистеме замкнутой системы электропривода постоянного тока при работе в режиме периодического реверса скорости с выходом в зону токоограничения 93
3.4. Методика выбора структуры энергоподсистемы, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них в замкнутых системах электропривода постоянного тока 103
Выводы по главе 3 109
Глава 4. Моделирование и экспериментальные исследования энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями 111
4.1. Моделирование энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями 111
4.1.1. Моделирование электротехнических устройств в современных интегрированных математических пакетах и программах 111
4.1.2. Модели измерительных схем полной мощности и ее составляющих энергетических подсистем в пакете MATLAB/Simulink и их верификация 113
4.1.3. Моделирование энергетических подсистем с термисторами... 121
4.1.4. Модели замкнутых систем электропривода постоянного тока с ШИПнабазеНУВиАВН 123
4.1.5. Моделирование замкнутой системы электропривода постоянного тока на базе неуправляемого выпрямителя в пакете MATLAB/Simulink 130
4.1.6. Моделирование замкнутой системы электропривода постоянного тока на базе активного выпрямителя напряжения в пакете MATLAB/Simulink 133
4.2. Экспериментальные исследования энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями 137
4.2.1. Экспериментальные исследования энергоподсистем с односторонним потреблением электроэнергии 137
4.2.2. Экспериментальные исследования энергоподсистем с двухсторонним энергообменом 139
4.2.3. Разработка и внедрение опытного образца низкочастотного импульсного источника питания технологических установок 150
Выводы по главе 4 152
Заключение 154
Список литературы 156
- Обзор теоретических исследований и разработок энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями
- Методика исследования электромагнитных и энергетических процессов в переходных и квазиустановившихся режимах работы энергетических подсистем
- Условия работы и требования к энергоподсистемам замкнутых систем электропривода постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями
- Модели измерительных схем полной мощности и ее составляющих энергетических подсистем в пакете MATLAB/Simulink и их верификация
Введение к работе
Широкое использование в современных электротехнических комплексах различного назначения регулируемых систем с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии требует дальнейшего совершенствования их энергетических подсистем. Энергетическая подсистема (ЭП) включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового преобразователя (ПП), нагрузки и определяет массогабаритные и динамические показатели электротехнических комплексов и систем. Полупроводниковый преобразователь является неотъемлемой частью современных систем электропитания технологических объектов, а также систем автоматизированного электропривода, и обеспечивает их электрической энергией требуемого вида и качества. Постоянное совершенствование элементной базы полупроводниковых преобразователей за счет создания и освоения промышленностью высокоэффективных силовых приборов и вычислительных устройств на базе программируемых микроконтроллеров позволило существенно расширить функции силовых устройств и активно влиять на показатели качества потребляемой ЭП электроэнергии и их электромагнитную совместимость с питающей сетью средствами самой преобразовательной техники.
При построении ЭП остро встают вопросы выбора ее структуры и параметров элементов в зависимости от типа первичного источника питания, характера и режимов работы нагрузки. В данной работе рассматриваются различные структуры энергоподсистем, построенных на базе источников питания переменного тока с последующим преобразованием в постоянный с односторонним потреблением и двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой. Следует отметить, что исследованию таких ЭП посвящены работы Глазенко Т.А., Глинтерника СР., Герман-Галкина С.Г., Грузова B.JL, Долбни В.Т., Дрехслера Р., Жежеленко И.В., Забродина Ю.С., Зиновьева Г.С., Исхакова А.С., Лабунцова В.А., Маевского О.А., Мыцыка Г.С., Новосельцева А.В., Розанова Ю.К., Руденко B.C., Солодухо Я.Ю., Стрелкова М.Т., Супроновича Г., Тонкаля В.Е., Шрейнера Р.Т., других отечественных и зарубежных ученых. Требования, предъявляемые к современным ЭП, заставляют сочетать такие их качества, как повышенная эффективность преобразования электрической энергии и надежность функционирования. Отвечать этим требованиям невозможно без учета переходных процессов в ЭП и определения электромагнитных нагрузок, воздействующих на элементы ЭП при включении ее в питающую сеть.
При построении энергоподсистем с двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой наиболее важными являются вопросы определения структуры и параметров ЭП, обеспечивающих эффективный способ использования энергии рекуперации. В работе рассмотрены ЭП замкнутых систем электропривода постоянного тока (ЗС ЭППТ) с транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП), которые находят широкое применение в промышленном и научном приборостроении и других отраслях. Реализация в замкнутых системах электропривода эффективных тормозных режимов накладывает жесткие требования к выбору состава оборудования энергоподсистемы и определению электромагнитных нагрузок на ее элементах.
Обзор теоретических исследований и разработок энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями
Электротехнические комплексы и системы на базе полупроводниковых преобразователей электрической энергии разделяются на две подсистемы; энергетическую и информационную [1 - 4]. Основная структура, на базе которой строятся все известные схемы энергоподсистем постоянного и переменного токов, состоит из источника питания — полупроводникового преобразователя - нагрузки [1 -б]. Существенную роль при выборе структуры энергоподсистемы играет как тип источника питания, так и характер нагрузки.
Все источники электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным обычно относят такие источники, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую [5 - 8]. Непосредственное использование первичных источников электропитания затруднено тем, что их выходное напряжение не регулируемо и обладает невысокой стабильностью, а для питания электротехнических установок в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с заданным значением, для формирования которого и предназначены ЭП источников вторичного электропитания (ИВЭП) [5-8].
Нагрузка полупроводниковых преобразователей может быть как активной или активно-реактивной, так и с противо-э.д.с. Энергоподсистема с нагрузкой без противо-э.д.с., т.е. с односторонним потреблением электроэнергии, если нет необходимости в автономном источнике питания, реализуется по классической структуре: источник переменного тока - выпрямитель с силовым фильтром -нагрузка. Возможна также двухзвенная структура ЭП: источник переменного тока - выпрямитель с силовым фильтром — вторичный преобразователь -нагрузка [5 - 8]. Вопросам расчета и проектирования ЭП, построенных по такому принципу, посвящено значительное количество трудов, видное место среди которых занимают работы отечественных ученых: Бабата Г.И., Булгакова А.А., Глазенко Т.А., Глинтерника СР., Забродина Ю.С., Зиновьева ПС, Исхакова А.С., Лабунцова В.А., Маевского О.А., Поссе А.В., Размадзе Ш.М., Розанова Ю.К., Руденко B.C. и других. Инженерные методики расчета ЭП на базе выпрямителей приводятся в отечественной литературе [9 - 11]. Однако в большинстве этих работ первостепенное значение придается вопросам определения электромагнитных нагрузок на элементы выпрямителя и силового фильтра в квазиустановившемся режиме работы и сглаживания пульсаций выходного напряжения, а переходные процессы исследуются в меньшей мере. В публикациях проф. Глазенко Т.А. [12, 13] отмечена необходимость подробного исследования переходных режимов работы ЭП, особенно наиболее тяжелого - включение ЭП в питающую сеть. Выбор структуры и параметров элементов ЭП без учета электромагнитных нагрузок в течение переходных процессов может привести к выходу из строя или к существенному завышению установленных мощностей оборудования ЭП.
В литературе [9 - 11] при расчете выпрямителя с нагрузкой, начинающейся с емкостного элемента, предлагают пользоваться расчетными моделями, в которых основным параметром режима работы выпрямителя является угол отсечки тока. В публикации проф. Исхакова А.С. [14] отмечено, что данные методики приближенны и в промежуточном случае, когда не выполняется ряд условий, ни одна из моделей не является адекватной. При этом, согласно приведенным в [11] рекомендациям, либо необходимо изменять емкость выходного конденсатора так, чтобы сделать модель адекватной, либо, не ожидая высокой точности расчета по полученным данным, выполнять макет и по результатам его испытаний уточнять требования к выбранным элементам выпрямителя. Очевидно, что данные рекомендации не всегда приемлемы для разработчика.
Достаточно полный обзор по состоянию дел с теорией энергетических процессов в вентильных преобразователях проделан в монографии [15] проф. Зиновьева Г.С. В ней указывается, что "первые труды по развитию интегрального метода в теории мощности были опубликованы еще в 20-х гг. 20 века. Спектральная теория мощности при произвольных формах напряжения и тока, опубликованная в 1927 г. К. Будеану, появилась позднее. Затем интегральные представления были распространены и на несинусоидальные процессы. Здесь концептуальной явилась работа С. Фризе, использовавшего конструктивный содержательный подход, по сути дела дающий возможность использования аппарата векторной алгебры в функциональных пространствах. Это направление и было в дальнейшем развито прежде всего в работах К. Кваде, И. Розенцвейга, Т.Е. Пухова. Но только второе рождение преобразовательной техники, вызванное созданием тиристора в 1957 г., возродило интерес к теории мощности вообще при произвольных формах напряжения и тока и ее интегральному направлению в особенности. В СССР этому возрождению способствовал О.А. Маевский со своими сотрудниками, а также коллектив, руководимый А.А. Крогерисом". Начиная с 60-х годов, видное место в разработке теории мощности занимают труды отечественных и зарубежных ученых: Дрехслера Р., Жежеленко И.В., Зиновьева Г.С, Новосельцева А.В., Обухова С.Г., Солодухо Я.Ю., Стрелкова М.Т., Супроновича Г., Тонкаля В.Е.
Обзор литературных источников показывает, что решение задач обеспечения необходимых энергетических показателей и минимизации массогабаритных показателей ЭП сводится к определению полной мощности ЭП и ее составляющих. При проектировании систем с полупроводниковыми преобразователями необходимо не только правильно учитывать и разделять все составляющие полной или кажущейся мощности, но и закладывать мероприятия по уменьшению мощностей обменного характера. В монографии [15] отмечено, что в изданной на сегодняшний день литературе вопросы, связанные с выделением и определением составляющих полной мощности и показателей качества энергопотребления, решены не в полной мере. Это в первую очередь вызвано как незавершенностью общей теории мощности, так и отсутствию фундаментальной системы уравнений, описывающих в общем случае энергопроцессы в несимметричной системе с искаженными формами напряжений и токов. Итогом указанного состояния дел с теорией энергетических процессов в вентильных преобразователях стала ситуация, когда устройство преобразования электрической энергии не может быть непосредственно охарактеризовано энергетическими соотношениями общего вида, что обычно необходимо на этапе проектирования, а должно быть подвергнуто трудоемкому расчету во временной и частотной областях [15].
Наиболее полно вопросы определения энергетических показателей выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой в квазистатическом режиме работы исследованы в трудах проф. Маевского О.А. Вопросам определения энергетических показателей выпрямителей с емкостными фильтрами не уделено достаточно внимания в литературе. Определению коэффициента мощности однофазного бестрансформаторного выпрямителя с емкостным фильтром посвящена статья проф. Исхакова А.С. [14]. Однако для инженерных расчетов указанный в ней подход мало эффективен, так как не позволяет прямо определить зависимость коэффициента мощности от параметров схемы и в методике не учитывается сопротивление источника.
Методика исследования электромагнитных и энергетических процессов в переходных и квазиустановившихся режимах работы энергетических подсистем
В общем случае выбор схемы основывается с точки зрения технико-экономических соображений. Однако, построенные по схемам (рис. 1.6, 1.7) полупроводниковые преобразователи, при использовании незапираемых тиристоров в цепи выпрямителя, обладают всеми недостатками тиристорных преобразователей с импульсно-фазовым управлением.
При построении энергоподсистемы на базе так называемого активного выпрямителя тока (АВТ) [38], в принципе работы которого заложен импульсный понижающий регулятор, возможно ее применение в низковольтных установках. Однако применение АВТ оправдано, когда требуется работа при мало меняющейся нагрузке и невысоком быстродействии регулирования. Скорость изменения мощности в нагрузке при этом ограничена постоянной времени входной цепи. Поэтому для систем регулируемого электропривода, в которых требуется обеспечивать высокую динамику, применение АВТ мало приемлемо. АВН, в принципе, обладает более высоким быстродействием, так как ток источника э.д.с. может изменяться быстро и синхронно с колебаниями мощности нагрузки. Однако по этой же причине в АВН более быстро развиваются аварийные процессы, поэтому построение устройств защиты здесь требует особого внимания [58 - 60].
Построение ЭП на базе бестрансформаторных понижающе-повышающих регуляторов переменного напряжения (БРПН) на ключах переменного тока эффективно исходя из возможности реализации широкого диапазона регулирования напряжения в звене постоянного тока, повторно-кратковременного режима работы, обеспечения хороших динамических и энергетических показателей [61]. Однако существенными недостатками таких преобразователей принято считать: увеличенное число ключевых элементов и связанные с этим увеличенные коммутационные потери [34]. Увеличивается стоимость ЭП, т.к. схема требует дополнительных силовых ключей и драйверов к ним. Поэтому в настоящее время такие решения не находят широкого применения.
На сегодняшний день ведущие зарубежные и отечественные производители устройств преобразовательной техники идут по пути создания АВН для систем электропривода средней и большой мощности. АВН мощностью от 2,2 до 1500 кВт выпускаются зарубежной фирмой VACON [62]. Серийного выпуска преобразователей, построенных по схемам АВТ и БРПН, в настоящее время нет.
В качестве систем с двухсторонним энергопотреблением чаще всего выступают электропривода постоянного или переменного токов. На сегодняшний день возрастает тенденция использования машин переменного тока, однако двигатели постоянного тока (ДПТ) до сих пор находят широкое применение в системах электропривода. Широкое использование систем электропривода постоянного тока малой и средней мощности, построенных на базе ШИП, заставляет обратить особое внимание на вопросы выбора состава оборудования энергоподсистемы и определения электромагнитных нагрузок на ее элементах [16 - 19].
ЭП системы электропривода включает в себя силовые цепи источника питания, полупроводникового и электромеханического преобразователей и осуществляет двухсторонний обмен энергией между источником питания и электрической машиной посредством коммутации силовых ключей ПП. Информационная подсистема системы электропривода включает в себя устройство управления ПП с информационно-измерительной частью и осуществляет реализацию заданного алгоритма регулирования координат электропривода [1 - 3]. Наиболее массовое практическое применение в регулируемых электроприводах получили двухзвенные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока [62, 63]. В современных системах электропривода постоянного тока энергетическая подсистема (рис. 1.8), если нет необходимости в автономном источнике питания, включает в себя: силовые цепи сети переменного тока, выпрямитель (диодный или на управляемых ключах), силовой фильтр, тормозную цепь, силовой каскад ШИП, ДПТ.
В настоящее время основой построения унифицированных систем автоматизированного электропривода в отечественной и зарубежной практике служит структура подчиненного регулирования [64], содержащая ряд замкнутых контуров последовательно охватывающих друг друга. Структура подчиненного регулирования кроме удобства построения унифицированных систем на ее основе привлекает своей простотой и однозначностью соотношений для расчета параметров регуляторов из условия обеспечения заданных динамических качеств. Поэтому при исследовании электромагнитных процессов в ЭП будем рассматривать только системы электропривода постоянного тока, построенные по структуре подчиненного регулирования, в которой электрическая цепь машины является объектом для подчиненного контура регулирования тока, а механическая часть - объектом для контура регулирования скорости вращения.
Различные условия работы производственных механизмов обуславливают различные режимы работы электроприводов. На первом этапе проектирования основной задачей является выбор мощности электродвигателя, исходя из обеспечения заданного режима работы, при соблюдении нормального теплового режима и допустимой механической перегрузки двигателя [65]. Предельные динамические возможности электропривода определяются параметрами энергетической подсистемы, так как информационная подсистема не может обеспечить требуемые моменты, скорости и ускорения двигателя, если они не заложены в энергетической подсистеме [66]. Для ЭП ЗС ЭППТ решающими факторами при выборе их структуры и расчете параметров элементов являются обеспечение надёжной коммутации силовых ключей ШИП и приём энергии рекуперации вращающихся частей электропривода [16 - 22].
Условия работы и требования к энергоподсистемам замкнутых систем электропривода постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями
При проектировании энергоподсистем устройств электропитания схема СФ и его параметры определяются исходя из требования сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. Для систем электропривода постоянного тока с ШИП требование сглаживания пульсаций в выпрямленном напряжении не является определяющим. Решающими факторами при расчете и выборе параметров силового фильтра являются [16 - 19]:
прием энергии рекуперации вращающихся частей машины в типовых режимах работы замкнутой системы электропривода.
обеспечение надёжной коммутации силовых ключей ШИП; Последний фактор определяет минимальное значение емкости конденсатора СФ, который обеспечивает в моменты коммутации тока в ШИП отсутствие опасных перенапряжений на силовых ключах. Величина минимального значения емкости конденсатора СФ определяется по известным методикам [1, 2]. Пульсации напряжения на конденсаторе СФ являются функцией относительной продолжительности включения цепи нагрузки в цепь источника питания и достигают максимума при у = 0,5 [2]:
Следует учитывать, что при использовании несимметричного поочередного "через Тк" закона коммутации ШИП ток якоря пульсирует с удвоенной частотой fK [2]. При торможении электропривода кинетическая энергия, которой обладают вращающиеся массы привода в начальный момент торможения, превращается в электрическую энергию и возвращается в звено постоянного тока. Избыточную энергию необходимо аккумулировать или преобразовывать в другую форму. Принципиально существует четыре возможности [63]: 1. аккумулирование (запас) энергии в конденсаторе силового фильтра; 2. использование тормозной цепи состоящей из прерывателя и тормозного сопротивления (преобразование энергии в тепло); 3. рекуперация (возврат) энергии в сеть посредством инвертора рекуперации (использование электрической энергии другим пользователем); 4. обмен энергией при многоосевом исполнении (использование энергии другими подключенными двигателями). Последний способ не применяется широко на практике и в данной работе не рассматривается. При использовании любого из перечисленных способов должны удовлетворяться все требования к конденсатору СФ, что обуславливается как наличием постоянной составляющей напряжения питания транзисторного ШИП, так и переменной составляющей: высокочастотной с частотой тока питания ШИП, обусловленной коммутационными процессами; низкочастотной, обусловленной электромеханическими процессами в системе [16-22]. Известно [93], что при эксплуатации конденсатора необходимо выполнять во всех режимах работы следующие условия: - сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать допустимого напряжения; - амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности; Помимо указанных требований важно обеспечить нормальный тепловой режим конденсатора СФ, так как его несоблюдение является одной из основных причин отказов конденсаторов [94 - 96]. В схему замещения реального конденсатора входят включенные последовательно: идеальный конденсатор, эквивалентная индуктивность LESL и эквивалентное сопротивление гш, потери мощности в котором определяют все внутренние потери в конденсаторе и его тепловой режим [93]. В случае сложного спектрального состава тока, протекающего через конденсатор, для каждой гармоники rESR принимает свое значение и для вычисления полной мощности потерь необходимо суммировать потери от каждой гармоники: где IU)RMS " действующее значение / -ой гармоники тока, rESR{i) - величина эквивалентного сопротивления для f-ой гармоники. Допустимая мощность потерь определяется допустимой температурой нагрева конденсатора и его тепловым сопротивлением. Ведущие зарубежные производители конденсаторов обычно указывают в технических данных на конденсатор величину rESR при температуре 20С и частоте тока 100 Гц (120 Гц). Для определения величины rESR ПРИ другой рабочей температуре и на другой частоте вводится коэффициент пересчета kr=rESR(Thtf)/rESR(20C, ЮОГц), величина которого определяется из таблиц технических данных [94 - 96]. Допустимое действующее значение і-ой гармоники тока находится из формулы (3.3) при максимальной рабочей температуре, при этом все остальные гармоники тока полагаются равными нулю, и обычно также приводится в технических условиях производителей (в англоязычной терминологии maximum ripple current). За базовое берется допустимое действующее значение тока с частотой 100 Гц (120 Гц) и приводятся таблицы величин коэффициентов пересчета по температуре и для гармоник других частот [94 - 96]. Таким образом, при выборе конденсатора целесообразно оценивать допустимое действующее значение тока, протекающего через него, а не только допустимую амплитуду пульсаций напряжения, как это принято в отечественных технических условиях [93].
В силу указанных причин крайне важной становится задача определения величины возможных пульсаций напряжения на конденсаторе СФ в типовых режимах работы системы электропривода и зависимости их от различных параметров, как исполнительной машины постоянного тока, так и всей ЭП системы электропривода в целом. Располагая областью допустимых пульсаций в функции частоты токовых воздействий, можно определить значения емкости конденсатора СФ и его номинального напряжения, обеспечивающие надёжную работу.
При окончательном построении схемы силовой цепи следует иметь в виду, что для значительных емкостей СФ ток заряда в момент включения источника питания может превысить значение допустимой для выбранного типа конденсатора величины. В этом случае в составе ЭП необходимо использовать цепь запуска, термистор или применять другие способы ограничения пускового тока.
Если по условиям работы замкнутой системы электропривода с заданными параметрами исполнительного двигателя удельные показатели конденсатора окажутся столь значительны, что практическая реализация такого фильтра будет не приемлема, то параллельно конденсатору устанавливается дискретно функционирующая тормозная цепь. В состав этой цепи входит измерительное устройство с пороговым элементом и силовой транзистор с балластным сопротивлением в цепи коллектора. При превышении напряжения на конденсаторе некоторого наперед заданного уровня, как правило, равного величине его номинального напряжения, силовой транзистор включается, и балластное сопротивление принимает энергию рекуперации вращающихся частей машины. Несмотря на некоторое снижение к.п.д. всего устройства, за счет рассеяния энергии рекуперации в балластном сопротивлении, постановка такой цепи в большинстве практических случаев более эффективна, чем увеличение батареи конденсаторов фильтра [63]. В каждом конкретном случае необходимо учитывать все факторы, оказывающие влияние на выбор параметров элементов силового фильтра.
Модели измерительных схем полной мощности и ее составляющих энергетических подсистем в пакете MATLAB/Simulink и их верификация
Моделирование энергетических подсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями может производиться: 1. По аналитическим выражениям или с привлечением методов расчета электрических цепей с дискретно изменяющимися параметрами [67], в том числе метода пространства состояний и базиса коммутационных разрывных функций, в современных интегрированных пакетах математического программирования MathCAD, MATLAB; 2. На схемотехнических моделях в пакетах OrCAD/PSpice, WorkBench; 3. На структурно-имитационных моделях в пакете MATLAB/Simulink с применением приложения SymPower Systems; Пример моделирования энергетической подсистемы в пакете MathCAD по аналитическим выражениям, полученным в главе 2 и описывающим электромагнитные процессы в ней, приведены в Приложении 1. Для моделирования энергетической подсистемы с привлечением метода пространства состояний необходима ее полная математическая модель, т.е. система дифференциальных уравнений, полностью описывающая процессы в ней. В связи с тем, что современные электротехнические устройства являются сложными многомерными и нелинейными объектами, составление их полной математической модели зачастую затруднительно. Также при моделировании электротехнических устройств с замкнутой системой управления и регулирования необходимо дополнительно учитывать алгоритмы работы информационной подсистемы. На систему управления помимо основных задач регулирования и управления, могут быть возложены задачи защиты, диагностики и выдачи информации о состоянии энергетической подсистемы. В этом случае систему управления эффективно проектировать на базе микроконтроллера. На микроконтроллере возможна реализация цифровых фильтров и цифровых регуляторов. Однако при реализации цифровых фильтров и регуляторов необходимо учитывать ошибки, возникающие вследствие конечной разрядности АЦП и конечной разрядности операционного устройства, приводящие к округлению результатов арифметических операций. Для оценки величины ошибки, возникающей в реальных дискретных системах управления, эффективным способом является моделирование системы с учетом алгоритма регулирования, реализованного на микроконтроллере с сохранением той же последовательности и разрядности вычислений [67]. Поэтому довольно часто моделирование ЭП производится на схемотехнических моделях (OrCAD, Workbench) или на структурно-имитационных моделях (MATLAB/Simulink).
Пакет MATLAB является в настоящее время наиболее эффективным инструментом в решении не только задач моделирования, но и комплексного исследования процессов в устройствах силовой электроники при различных режимах работы [102 - 104]. В главе 1 отмечалось, что результатом незавершенности теории энергетических процессов в вентильных преобразователях стала ситуация, когда устройство преобразования электрической энергии не может быть непосредственно охарактеризовано энергетическими соотношениями общего вида, что обьино необходимо на этапе проектирования, а должно быть подвергнуто трудоемкому расчету во временной и частотной областях [15]. Пакет MATLAB/Simulink с приложением SymPower Systems позволяет при исследовании электромагнитных и энергетических процессов в ЭП использовать как интегральный метод определения их энергетических показателей, так и спектральный метод расчета. Таким образом, пакет позволяет быстро и эффективно решить задачу нахождения составляющих полной мощности энергоподсистемы [105 - 107]. Для анализа гармонического состава токов и напряжений схем в пакете используется стандартный блок Powergui. При моделировании в пакете MATLAB/Simulink с использованием SimPowerSy stems электромагнитных процессов в энергоподсистеме содержащей трансформатор, важное значение имеет правильное определение параметров его схемы замещения. В SimPowerSystems используется Т - образная схема замещения трансформатора, параметры которой следует определять исходя из паспортных данных трансформатора. По паспортным данным, режимам короткого замыкания и холостого хода трансформатора рассчитываются параметры его реальной и приведенной схем, а также параметры намагничивающего контура [108].
В пакете MATLAB/Simulink с применением приложения SymPower Systems разработан ряд моделей ЭП, измерительных схем полной мощности и ее составляющих для однофазных (рис. 4.1), трехфазных симметричных и несимметричных ЭП, вычислитель показателей качества энергопотребления ЭП [105 - 107]. Для измерения активной и реактивной мощностей в трехфазной системе без нейтрального провода как при симметричном, так и при несимметричном режимах эффективнее всего использовать способ двух ваттметров [23 - 29], для измерения реактивной мощности можно использовать два варметра. Сумма показаний двух ваттметров (варметров) при этом определяет активную (реактивную) мощность всей системы независимо от того звездой или треугольником соединена нагрузка. В соответствии с указанным способом в пакете MATLAB/Simulink была разработана измерительная схема [106] активной и реактивной мощностей трехфазных трехпроводных энергоподсистем (рис. 4.2). Для измерения активной и реактивной мощности в схеме используется стандартный блок Active&Reactive Power, входящий в раздел SimPowerSystems\ ExtraLibrary\Measurements.
Для измерения полной мощности и мощности искажения трехфазной симметричной системы разработана измерительная схема Symmetric Three-Phase Power Measurement (рис, 4.3), в соответствии с формулами (1.9) и (1.21) [106].
Измерительные схемы (рис. 4.2) и (рис. 4.3) могут применяться независимо от способа соединения нагрузки, так на рис. 4.4 приведен пример трехфазной симметричной системы (схема соединений звезда-звезда). При моделировании использовались параметры силового трансформатора серии ТСЗ, ТСЗН номинальной мощностью 25 кВА. Остальные числовые параметры при моделировании были взяты следующими: действующее значение линейного напряжения источника U л — 6,3 (кВ), частота питающей сети 50 (Гц), действующее значение линейного напряжения на вторичной стороне трансформатора U2JI = 0,38 (кВ), сопротивление нагрузки в каждой фазе 8 (Ом).
