Магистерская_дис_Голикова_тек
advertisement
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.» Факультет Электронной техники и приборостроения Направление Информатика и вычислительная техника Кафедра Системотехника МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ Управление активным выпрямителем в преобразовательных комплексах Работу выполнила студентка группы М2-ИВЧТ-21 О.В.Голикова Руководитель работы д.т.н., проф. Ю.Б. Томашевский Допущен к защите Протокол № 12 от 24 июня 2014 г. Зав. кафедрой системотехники, д.т.н., проф. Саратов – 2014 Ю.Б. Томашевский Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А. Кафедра «Системотехника» ЗАДАНИЕ на магистерскую диссертацию студентке учебной группы М2-ИВЧТ-21 Факультета ЭТиП Голиковой Ольге Валерьевне ТЕМА РАБОТЫ Управление активным выпрямителем в преобразовательных комплексах Утверждена на заседании кафедры, протокол №6 от 28 января 2014 г. Начало проектирования «05» мая 2014 г. Представление оформленной диссертации 24 июня 2014 г. Дата защиты ___ июня 2014 г. Оценка защиты _______________ Секретарь ГЭК асс. каф. СТ Е.С. Барышникова Целевая установка и исходные данные Исследование и совершенствование современных алгоритмов управления активным выпрямителем, обеспечивающих оптимальное взаимодействие нагрузки с питающей сетью в рамках технологии «интеллектуальных сетей». Исходные данные 1. Входная питающая сеть переменного тока: - количество фаз – 1 и 3; - фазное питающее напряжение – U=311 В; - номинальная частота – 50 Гц; 2. Входной реактор - индуктивность L= 0.001 Гн. 3. Параметры цепи постоянного тока - напряжение 400 В; - выходная мощность 70 кВт; - емкость конденсатора фильтра С=0.005 Ф. № п/п Перечень чертежей, подлежащих разработке 1 Функциональная схема преобразовательного комплекса (ПК) с использованием АВ Модель однофазного АВ с замкнутой системой регулирования Модель трехфазного АВ с замкнутой системой регулирования Результаты моделирования 2 3 4 Формат Количество А1 1 А1 1 А1 1 А1 1 Научный руководитель, д.т.н., проф. ____________Ю.Б. Томашевский ( подпись) № п/п 1 2 3 4 5 Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень вопросов, подлежащих разработке) Обзор развития преобразовательных систем в рамках технологии «интеллектуальных сетей» Разработка модели однофазного выпрямителя с замкнутой системой регулирования корректора коэффициента мощности (ККМ) в среде MatLab+Simulink. Исследование однофазного выпрямителя с замкнутой системой регулирования ККМ Моделирование трехфазного выпрямителя выпрямителя с замкнутой системой регулирования ККМ в среде MatLab+Simulink. Исследование статических режимов Исследования динамических режимов Консультанты Ю.Б.Томашевский Ю.Б.Томашевский Ю.Б.Томашевский Ю.Б.Томашевский Ю.Б.Томашевский Ю.Б.Томашевский Ю.Б.Томашевский Основная рекомендуемая литература 1. Герман-Галкин С.Г. MatLab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК/ С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008.-368 с. 2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие / Г.С. Зиновьев. – Новосибирск: НГТУ, 2003. - 664 с. 3. SantiagoW. Single Phase Passive Rectification Versus Active Rectification Applied to High Power Stirling Engines/ W. Santiago, A.G. Birchenough // Third International Energy Conversion Engineering Conference sponsored by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, San Francisco, California, August 15–18, 2005. NASA/TM—2006-214045, 2006. 12 P; URL: http://gltrs.grc.nasa.gov Научный руководитель, д.т.н., проф. ____________Ю.Б. Томашевский ( подпись) Задание принял к исполнению «___» ___________ 2014 г. Студент ______________________________________________О.В.Голикова ( подпись) УТВЕРЖДАЮ К заданию на магистерскую Руководитель диссертации диссертацию д.т.н., проф. _________ Ю.Б. Томашевский « » _____________2013 г. КАЛЕНДАРНЫЙ ГРАФИК № п/п 1 2 3 4 5 7 8 9 10 Разделы, темы и их содержание Обзор технологии «интеллектуальных сетей» Обзор активного выпрямителя как энергосберегающего элемента Разработка модели однофазного выпрямителя с ККМ Описание алгоритма управления Построение векторных диаграмм тока и напряжения в зависимости от угла управления Построение эпюров тока и напряжения однофазного выпрямителя Разработка модели трехфазного выпрямителя с ККМ Построение эпюров тока и напряжения трехфазного выпрямителя Выводы по работе По плану Фактически дата объем в % дата объем в% 26.03.14 100 26.03.14 100 09.04.14 100 11.04.14 100 16.04.14 100 16.04.14 100 30.04.14 100 05.04.14 100 08.05.14 100 08.05.14 100 15.05.14 100 15.05.14 100 26.05.14 100 26.05.14 100 10.06.14 100 10.06.14 100 15.06.14 100 15.06.14 100 Отметка руководите ля о выполнени и Студент ______________________________________________О.В.Голикова ( подпись) АВТОРЕФЕРАТ Структура и объем диссертации: работа включает в себя введение, 3 главы основного материала, заключение, список использованной литературы. Объем работы составляет 45 страниц, 23 иллюстраций, 1 таблицы. Список использованной литературы содержит 20 наименований. МОДЕЛЬ, АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ, УПРАВЛЕНИЕ, ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СЕТЬ. Базовой схемой выпрямитель, в реализации современной интеллектуальных реализацией которого сетей может является служить преобразователь с коррекцией коэффициента мощности. Поэтому актуальным является разработка более совершенных алгоритмов управления, позволяющих улучшить динамические характеристики преобразователя и обеспечить оптимальное взаимодействие нагрузки с питающей сетью в рамках технологии «интеллектуальных сетей». Цель работы Исследование управления и усовершенствование активным взаимодействие выпрямителем, нагрузки с питающей современных алгоритмов обеспечивающих сетью в оптимальное рамках технологии «интеллектуальных сетей». Научная новизна работы: разработана электромагнитных компьютерная процессов с модель системой, АВН для построенной исследования на принципе оптимального управления; предложены алгоритмы управления, позволяющие компенсировать негативное влияние несимметрии и несинусоидальности напряжений сети. исследованы динамические характеристики усовершенствованенным алгоритмом управления; АВН с получена оценка качества АВН при различных алгоритмах управления преобразователем. Практическая ценность диссертации заключается в следующем: применение разработанного регулятора тока АВН позволяет устранить проблемы с устойчивостью системы управления при ее высоком быстродействии и минимальных потерях энергии в динамических режимах; результаты работы позволяют оценить влияние параметров сети, силовой схемы и управления преобразователем на коэффициент мощности преобразователя и пульсации на стороне постоянного тока при различных способах управления корректором коэффициента мощности (ККМ); разработана система управления АВН с компенсацией негативного влияния несимметрии и несинусоидальности напряжений сети. Пояснительная записка к магистерской диссертации состоит из трёх глав, заключения, списка использованных источников и приложений. В главе 1 приведен обзор технологии Smart Grid, охарактеризован активный выпрямитель как основной энергосберегающий компонент построения интеллектуальной сети. Показана эффективность использования корректора коэффициента мощности в преобразователях переменного тока. В главе 2 описана разработанная модель однофазного преобразователя переменного тока с замкнутой системой регулирования с ККМ, на основе которой в среде Matlab+Simulink осуществлено моделирование статических режимов. В главе 3 разработана модель и проведен анализ работы трехфазного активного выпрямителя с замкнутой системой регулирования ККМ. В заключении изложены основные результаты магистерской диссертации. В списке использованных источников указаны 20 наименований литературных источников, использованных при написании магистерской диссертации. АННОТАЦИЯ Магистерская диссертация посвящена разработке замкнутой системы управления однофазным и трехфазным активным выпрямителем с ККМ, обеспечивающей режим работы с заданным коэффициентом мощности. THE SUMMARY Master's thesis is devoted to the development of a closed system for singlephase and three-phase rectifier with active PFC ensures operation with the specified power factor. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 11 ГЛАВА 1 ОБЗОР РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В РАМКАХ ТЕХНОЛОГИИ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ» ................... 13 1.1 Технология SMART GRID ................................................................................. 13 1.2 Активный выпрямитель как основной энергосберегающий элемент ........... 16 1.3 Выбор инструмента исследования Matlab ........................................................ 22 ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ ........................................... 25 2.1 Модель однофазного выпрямителя на IGBT-транзисторах с ККМ ............... 25 2.1 Модель однофазного выпрямителя на IGBT-транзисторах с ККМ ............... 35 с дополнительным источником питания DC .......................................................... 35 ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ С ККМ .......................... 38 3.1 Модель трехфазного активного выпрямителя с замкнутой системой регулирования ККМ ............................................................................................ 38 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 42 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................... 43 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к интенсивно развивающемуся в последнее десятилетие во всем мире направлению научнотехнологического инновационного преобразования электроэнергетики на базе новой концепции, получившей за рубежом и ставшее уже практически общепринятым название Smart Grid, интерпретированное в различных переводах, в основном как «интеллектуальная (умная) сеть (энергосистема)». Для России идеи Smart Grid особенно актуальны, так как инфраструктура энергетики сильно изношена. Базовой выпрямитель, схемой в реализации современной интеллектуальных реализацией которого сетей может является служить преобразователь с коррекцией коэффициента мощности. Они используются , для питания различных потребителей и образуют два класса, называемых активным выпрямителем напряжения (АВН) и активным выпрямителем тока (АВТ). Оба класса схем состоят из моста, собранного на IGBT транзисторах с обратными диодами и фильтров на стороне переменного и постоянного токов. Эти схемы имеют ряд достоинств: - двусторонний обмен энергией с сетью; - близкий к синусоидальному входной ток; - возможность получения близкого к единице коэффициента мощности; - регулирование и стабилизация напряжения (тока) на выходе. Однако, несмотря на большой спрос, в промышленных масштабах эти преобразователи выпускаются очень мало. Одной из причин этого является сложность алгоритмов управления этими преобразователями. Наиболее распространённой системой управления является система векторного управления с ориентацией по обобщённому вектору напряжения сети и с контуром подчинённого регулирования тока сети. Принципы функционирования и построения такого рода систем хорошо освещены в литературе. Однако по-прежнему малоизученными остаются вопросы синтеза регуляторов для таких систем в указанной области энергетики. Поэтому актуальным является разработка более совершенных алгоритмов управления, позволяющих улучшить динамические характеристики преобразователя и обеспечить оптимальное взаимодействие нагрузки с питающей сетью в рамках технологии «интеллектуальных сетей». ГЛАВА 1 ОБЗОР РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В РАМКАХ ТЕХНОЛОГИИ «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ» 1.1 Технология SMART GRID В современном мире актуальными являются вопросы сокращения потерь электроэнергии и расходов на электричество, уменьшения оплаты за коммунальные услуги, улучшения экологической ситуации и т.д. Помочь в решении этих проблем могут "интеллектуальные" сети Smart Grid. Технология SMART (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) подразумевает самодиагностику, анализ и отчет. Она создана для повышения надежности работы оборудования, возможности контролировать его на расстоянии. Наименование технологии является аббревиатурой, составленной из первых букв английских слов, называющих соответствующие критерии качества целей: S (specific) – каждая цель должна быть описана как четкий, конкретный результат; M (measurable) – цель должна быть измеримой с помощью конкретных индикаторов и стандартных процедур измерения; A (assignable) – цель должна быть неслучайной, обоснованной, доказанной, жизненно необходимой для человека или организации; R (realistic) – цель должна быть реалистичной, в принципе достижимой; T (time related) – цель должна быть четко определена во времени, должны быть конкретные сроки (и контрольные точки) ее достижения. Smart Grid трактуется сегодня как концепция инновационного энергосберегающего преобразования электроэнергетики. В России традиционно приоритет в энергетическом секторе отдавался наращиванию генерирующих мощностей. Внимание вопросам энергосбережения и энергоэффективности стало уделяться совсем недавно. Российская Федерация занимает третье место в мире по объему потребляемых энергоресурсов, но ее энергетическая инфраструктура нуждается в модернизации. Во многом эту проблему можно преодолеть, модернизировав инфраструктуру за счет внедрения в энергосети современных технологий Smart Grid. Smart Grids – это, по сути, основное условие устойчивого развития наиболее энергоемких объектов и регионов России в будущем [18]. Под «интеллектуальной сетью» в России понимается комплекс электрооборудования (воздушные линии передачи, трансформаторы, выключатели и т.д.), подключенный к генерирующим источникам и потребителям. При этом используются новые принципы, технологии передачи и управления процессом. Таким образом, предполагается объединение на технологическом уровне электрических сетей, потребителей и производителей электроэнергии в единую автоматизированную систему. Система с активно-адаптивной сетью будет обладать новыми свойствами - самодиагностикой и самовосстановлением (например, в случае обледенения проводов). В автоматическом режиме она способна выявить самые «слабые» участки сети и изменять ее работу для предотвращения возникновения технологических нарушений. «Умные» электрические сети позволят резервировать мощности на случай нештатных ситуаций в энергосистеме, а также накапливать избыток электроэнергии, используя его в часы пиковых нагрузок [20]. На технологическом же уровне при внедрении Smart Grid происходит объединение электрических сетей, потребителей и производителей электричества в единую автоматизированную систему, которая в реальном времени позволяет отслеживать и контролировать режимы работы всех участников процесса. Еще один плюс новой системы - двусторонняя связь с потребителем электроэнергии. Технология Smart Grid действует через систему "интеллектуальных" счетчиков, установленных на предприятиях и в жилых помещениях. Они передают информацию о потреблении энергии, что позволяет скорректировать использование электроприборов во времени и распределить электричество в зависимости от потребности. В свою очередь, все это позволит потребителю значительно снизить расходы на электроэнергию [12]. Smart Grid позволяет регулировать спрос, сдвигая его по времени. Вместо того, чтобы использовать всю энергию в дневное время, мы можем запускать целый ряд устройств: посудомоечные и стиральные машины, сушилки, зарядные устройства для электромобилей, - в часы минимальной нагрузки (как правило, ночью) [5]. Использование "умных" сетей позволяет не только значительно сократить потери, но и: более эффективно использовать имеющуюся энергию; интегрировать и распределять энергию из альтернативных источников; в автоматическом режиме диагностировать и устранять возникающие проблемы; поставлять электричество в необходимом количестве; сократить затраты энергоресурсов (например, в США при введении Smart Gride потребление нефти может уменьшиться на 6.2 барреля в сутки); сократить выбросы в атмосферу углекислого газа. В общем случае под Smart Grid принято понимать набор программноаппаратных средств (ПАС), которые способствуют повышению эффективности передачи электроэнергии. Под эффективностью понимают [10]: децентрализацию функций генерации и управления потоками электроэнергии и информации в энергетической системе; снижение затрат на организацию системы передачи электроэнергии; оперативное устранение неисправностей; возможность передачи электроэнергии и информации в двух направлениях, что является важным условием для концепции распределенной энергетики и использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Энергосистема на основе SMART Grid объединяет две подсистемы: подсистема передачи электроэнергии; подсистема обмена информацией. Таким образом, помимо традиционных линий передачи вводятся информационные связи, объединяющие всех участников рынка электроэнергии. Примерный состав участников рынка и связи между ними на примере энергосистемы США представлены на рис. 1. Рис. 1 Концептуальная модель энергосистемы На схеме под «рынком» следует понимать рынок электроэнергии; под «передачей» – область действия магистральных сетей; под «дистрибуцией» – область распределительных сетей. 1.2 Активный выпрямитель как основной энергосберегающий элемент Оптимальная передача потоков мощности в сетях становится возможной с применением устройств силовой электроники (преобразователей параметров электроэнергии),которые не только делают энергосистему более гибкой в управлении и устойчиво, но и позволяют снизить потери электроэнергии [1]. Охарактеризуем использование выпрямительных устройств для построения Smart Grid. В настоящее время до двух третей электрической энергии, вырабатываемой электрическими станциями, потребляется в преобразованном виде [11]. Выпрямитель – это преобразователь энергии переменного напряжения (тока) в постоянное. Принцип электронного силового выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентильных приборов проводить однонаправленный ток [7]. Процессы при выпрямлении определяются: видом вентильного прибора и способом его управления; характером нагрузки на стороне постоянного тока(напряжения); техническими характеристиками источника энергии переменного тока (напряжения). Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые – на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентилей проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток[2]. Процесс управления выпрямителем приводит к повышению коэффициентов несинусоидальности как тока, так и напряжения[14]. Возникают следующие проблемы: искажение формы питающего напряжения; падение напряжения в распределительной сети; резонансные явления на частотах высших гармоник; снижение электрического КПД нагрузок; завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок; Для устранения перечисленных недостатков рекомендуется использованию активный выпрямитель. Данные преобразователи комплектуются полностью управляемыми вентилями с обратными диодами. Форму тока приближают к синусоидальной с ре- гулируемой начальной фазой, что и обеспечивает желаемый результат (форму кривой тока и коэффициент мощности). При помощи коррекции коэффициента мощности возможно организовать потребляемый ток сети, совпадающий по форме и фазе с напряжением, и обеспечить заданный уровень постоянного напряжения на конденсаторе. А так же, в электроприводе за счет связи инвертора-выпрямителя с питающей сетью, возможна обратная рекуперация энергии, получаемая при работе привода в генераторном режиме [13,19]. В России согласно ГОСТ Р 54149-2010 несинусоидальность напряжения характеризуется суммарным коэффициентом гармонических составляющих напряжения напряжения KU % , и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения K U (n ) % . Таблица 1 Значения суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения K U % , в процентах 0,38 8,0 Нормально допустимое значение при Uном , кВ 6-25 35 110 - 220 5,0 4,0 2,0 Предельно допустимое значение при Uном , кВ 0,38 6-25 35 110 -220 12,0 8,0 6,0 3,0 1.2.2 Корректор коэффициента мощности Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис. 2)[9]. Рис.2 Токи мощность, потребляемые источником питания без коррекции Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 3). Рис.3 Токи мощность, потребляемые источником питания с коррекцией Коэффициент мощности (Power Factor PF) - параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае - источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагруз- кой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети[3]. В общем случае коэффициент мощности - это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид: I2эфф=I 20+I21эфф +SI2nэфф, где I2nэфф - постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I21эфф - основная гармоника, а под знаком суммы - младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид: I2эфф=I 20+(I21эфф(P) +I21эфф(Q))+SI 2nэфф. Активная мощность - это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке: P=UIcosφ, где U и I - действующие=эффективные=среднеквадратичные значения напряжения и тока, а φ- сдвиг фаз между ними Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока : Q=UIsinφ, где U и I - действующие=эффективные=среднеквадратичные значения напряжения и тока, а φ- сдвиг фаз между ними Полная мощность: S=P*Q определение для коэффициента мощности: PF=P/S=cosφ Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг). Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение - единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 - хорошее значение; 0,9 - удовлетворительное; 0,8 - неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой) [19]. Активная коррекция коэффициента мощности Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям: 1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к сину- соидальной и - «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети. 2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот. 3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от ве- личины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот. Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» . Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 4 [24]. Рис.4 Упрощенная схема «преобразователя с повышением» Еще одно достоинство этой схемы - более простая реализации защиты от перенапряжений. 1.3 Выбор инструмента исследования Matlab Компьютерное моделирование в настоящее время является основным инструментом исследования, которое позволяет просчитать различные режимы работы электротехнического устройства и предсказать его поведение в аварийных режимах работы. Оно сочетает в себе малые затраты на проведение научных исследований и высокую эффективность. В настоящее время создано множество программ для компьютерного моделирования систем управления, электрических цепей и электротехнических устройств ,например :Scilab,Simulink,VisSim, Matlab .Данные программы позволяют осуществить моделирование при построении моделей систему правления с обратной связб, так же эти паеты содержат библиотеку блоков, которые представляют собой модели элементов структурной электротехнических устройств. Так же существуют специализированные пакеты для исследования элетрических схем. Где упрощен процесс построения математической модели, т.е. существует набор готовых моделей блоков электротехнических устройств для построения нужной схемы. Среди таких программ наиболеьшее распространение получили PSpice( DesignLab, OrCad), MicroCap WorkBench. В пакете VisSim каждый блок представляет собой символ специфической математической функции, библиотека содержит более 90 блоков для исследования линейных и нелинейных, непрерывных и дискретных систем. Библиотека разделена на категории с описанием своего содержимого. С помощью PSpice возможно моделирование широкого спектра схем – от источников питания до высокочастотных систем и небольших микросхем. PSpice позволяет просматривать результаты смешанного аналого-цифрового моделирования в одном окне с общей осью времени, моделировать проекты сложные проекты со смешанными сигналами, находится в интеграции с Matlab Simulink. В данном пакете возможно провести анализ по постоянному и переменному току, переходных процессов, Фурье-анализ, параметрический, методом Монте-Карло. База данного пакета довольно устаревшая. Для изучения и анализа несложных схем привлекательным является пакет Electronics Workbench.Главными достоинствами этой программы являются богатая библиотека электронных схем, виртуальные измерительные приборы. В отличии от других программ моделирования измерительные приборы изображаются максимально несколькими электронными реалистично. Но одновременная блоками невозможна, как и работа с определение коэффициента мощности, для необходимо вычислить активную и реактивную мощности. Система Matlab представляет собой язык программирования высокого уровня. Для удобства пользования вся система Matlab поделена на разделы, оформленные в виде пакетов программ [2]. Данный программный продукт позволяет моделировать сложные схемы силовой электроники и систему управления ими, а так ж охватывает задачи математического моделирования во всех областях науки и техники. Пакет Simulink вместе с пакетом расширения SimPowerSystems являются основой для изучения, исследования и моделирования устройств силовой электроники и электромеханических устройств. Данные пакеты содержат обширную библиотеку блоков, средства визуализации результатов очень наглядны. Matlab Simulink позволяет исследователю при отсутствии элемента в библиотеке самостоятельно разработать его модель. Он позволяет моделировать, сочетая методы структурного и имитационного моделирования. Matlab дает пользователю возможность решать задачи компьютерного моделирования сложных электротехнических схем эффективно. а результаты исследования использовать при разработке новых устройств. ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ 2.1 Модель однофазного выпрямителя на IGBT-транзисторах с ККМ С технологическим продвижением в электронике и новыми разработками в средствах управления стали широко использоваться МОП и IGBT транзисторы для высокой мощности и быстрой коммутации. В представленной ниже схеме исправление коэффициента мощности выполняется управления переключениями транзисторов в путем комбинационной последовательности. Модель однофазного преобразователя переменного тока с ККМ в среде Matlab+Simulink представлена на рис.5. Рис.5 Модель однофазного преобразователя переменного тока с ККМ В схеме преобразователя есть напряжение генератора переменного тока (Uвх) с последовательно включенным сопротивление Rвх и индуктивностью (Lвх). Наличие генератора индуктивности создает фазовый сдвиг тока по отношению к источнику на выходе (Uвых),вызывая уменьшение коэффициента мощности до значений меньше 1. Чтобы сохранить коэффициент мощности (χ) близким к единице, в схеме реализуется исправление данного коэффициента. Для активного полного управляемого мостового выпрямителя на базе транзисторов исправление χ достигается путем управления переключениями IGBT [8]. Импульсы управления представлены для разных значений амплитуды Ulim на рис. 6. Рис. 6 Управляющие импульсы при Ulim=0.5 Рис. 7 Управляющие импульсы при Ulim=0.8 Рис.8 Эпюры напряжения и тока на IGBT-транзисторах при Ulim=0.5 Основными модулями модели являются [4,6]: .Транзисторы (Диоды) IGBT/Diode 1 - IGBT/Diode 4 IGBT- транзисторы, шунтированные обратными диодами Основные параметры Internal resistance Ron- внутренние динамическое сопротивление диода в открытом состоянии в Ом. Snubber resistance Rs и Snubber capacitance Cs – сопротивление и ёмкость цепей формирования (демпфирующих цепей). Рис.9 Окно задания параметров IGBT/Diode. 2 . Основным модулем для реализации замкнутой системы регулирования ККМ является релейный блок Relay, интерфейсное окно которого показано на рис. 10. Рис. 10 Окно задания параметров Relay Назначение релейного блока Relay: Реализует релейную нелинейность. Параметры: 1. Switch on point - Порог включения. Значение, при котором происходит включение реле. 2. Switch off point - Порог выключения. Значение, при котором происходит выключение реле. 3. Output when on - Величина выходного сигнала во включенном состоянии. 4. Output when off - Величина выходного сигнала в выключенном состоянии. Выходной сигнал блока может принимать два значения. Одно из них соответствует включенному состоянию реле, второе - выключенному. Переход их одного состояния в другое происходит скачком при достижении входным сигналом порога включения или выключения реле. В том случае если пороги включения и выключения реле имеют разные значения, то блок реализует релейную характеристику с гистерезисом. При этом значение порога включения должно быть больше, чем значение порога выключения. Напряжение на выходе блока Relay исследуемой схемы представлено на нижнем эпюре рис. 11. Рис.11 Эпюры напряжений замкнутой системы управления ККМ 2.2 Алгоритм управления преобразователем переменного тока с ККМ Основная схема управления коррекции коэффициента мощности ,которая синхронизирует работу IGBT-транзисторов и формирует текущий ток, следует за током генератора и ограничивается полосой допуска, где фактический ток Iвх и опорный сигнал Iвх* входят в границы полосы допуска, которые устанавливаются в блоке Relay. Для получения текущего опорного сигнала в среде моделирования Iвх может использоваться и масштабироваться постоянным коэффициентом усиления К. Частота переключения MOSFETs зависит от скорости текущих изменений от верхнего до более низкого предела и наоборот, а так же от значения индуктивности Lвх. Кроме того частота переключения не остаётся постоянной, а варьируется вдоль формы тока[15]. Рассмотри алгоритм управления работой IGBT-транзисторами. Как упомянуто прежде, топология с ККМ будет прежде всего использовать схему переключения, чтобы следовать за опорным током (Iвх *) сигнал, увеличиваясь и уменьшая фактический текущий ток генератора переменного тока. Когда ключи-транзисторы IGBT2/IGBT3, включены, Vвых будет равно –Vdc, таким образом напряжение по индуктору генератора переменного тока будет суммой напряжения генератора переменного тока (Vвх) плюс dc напряжение на шине (Vdc). Это будет достаточным потенциалом напряжения, чтобы противодействовать большому значению индуктивности тока генератора и создать увеличение тока генератора, текущего до верхнего допуска, текущего из системы управления полосы допуска . Когда верхний допуск был достигнут, текущий ток генератора уменьшается, ключи выключаются. Далее электрический ток идет через ключи IGBT/IGBT1, заряжая dc, через конденсатор Cdc. Когда ток генератора достигнет текущее значение нижней границы полосы допуска, транзисторы IGBT2/IGBT3 включатся, чтобы запустить цикл снова[15,16]. 2.3 Построение зависимостей коэффициента нелинейных искажения THD от Rвх и Lвх Для расчета THD использовалась программа листинг которой приведен ниже: %Листинг 1 UU(1:20)=simout.signals.values(100650,:); %Первая гармоника s=0; for k=2:20; s=s+UU(k)^2; end THD=sqrt(s)/UU(1) Параметры схемы: L=30Ом С=0,5мФ Rвх=0,02Ом Lвх=0,5мГн K=1/200 Рис.12 зависимость коэффициента THD от значения 1/R при 40 гармониках Рис.13 Зависимость коэффициента THD от значения 1/R при бесконечном числе гармоник Значение индуктивности входных дросселей определяется, исходя из желаемого значения искажений входного тока выпрямителя. Результаты моделирования показывают возможность получения в установившемся режиме искажений входного тока выпрямителя менее 9% и коэффициента мощности близкого к 1 при принятых в модели параметрах. Рис.14 Зависимость коэффициента искажения сетевого тока от величины индуктивности входного дросселя Зависимость коэффициента мощности от номиналов индуктивностей сетевых дросселей представлена на рис.15. Рис.16 Зависимость коэффициента мощности выпрямителя χ от величины коэффициента усиления К при значении Lвх=0,5мГн Зависимость коэффициента мощности выпрямителя χ от индуктивности входного дросселя и при параметрах схемы: L=2,5 Ом С=0,005Ф Rвх=0,02Ом K=1/200 Таким образом, преимуществом предложенного способа управления является обес-печение высокого коэффициента мощности в широком диапазоне регулирования выходных параметров выпрямителя. Результаты моделирования в среде Matlab+Simulink показали работоспособность следящей системы управления по компонентам обобщенного вектора тока в синхронных координатах при различных индуктивностях входного фильтра. Выпрямитель устойчиво работает в условиях неидеальной сети, быстро и без срывов выходит на новый режим работы, определяемый системой управления. Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя с помощью системы управления АВН параметрами основной гармоники его переменного напряжения на транзисторах, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иначе говоря, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности χ. Рассмотрим режимы работы данного выпрямителя при управлении путем изменения фазового сдвига тока γ и напряжения в блоке Sine Wave. Рис.17 Векторная диаграмма тока напряжения при фазовм сдвиге γ от 30°до 90° . 2.1 Модель однофазного выпрямителя на IGBT-транзисторах с ККМ с дополнительным источником питания DC Режимы работы выпрямителя и управление вектором тока в 2-м и 3-м квадрантах рассмотрим на схеме однофазного преобразователя переменного тока с ККМ без учета активного сопротивления дросселей с дополнительным источником питания DC Voltage Source. Рис.18 Модель однофазного преобразователя переменного тока с ККМ дополнительным источником питания DC . Рис.19 Векторная диаграмма тока напряжения при фазовом сдвиге γ от 90° до 150°. Из диаграмм на рисунке видно, что чем меньше фазовый сдвиг γ в Sine Wave, тем меньше угол между векторами тока и напряжения. В зависимости от этого получаем разные режимы работы выпрямителя: индуктивный, емкостной, что делает возможным использование выпрямителя как генератора реактивной мощности различного характера. Рассмотри рисунок 22 подробнее : а- выпрямительный режим; b-режим генерации реактивной мощности емкостного характера; с-режим генерации реактивной мощности индуктивного характера; d,f-режим генерации активной мощности емкостного характера; e,g-режим генерации активной мощности индуктивного характера; h- инверторный режим. ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ С ККМ 3.1 Модель трехфазного активного выпрямителя с замкнутой системой регулирования ККМ Среди трехфазных преобразователей с ККМ наиболее распространенным является выпрямитель на базе трехфазного инвертора, т.е. активный выпрямитель, функционирующий как в инверторном, так и выпрямительном режимах [28]. Модель трехфазного преобразователя переменного тока с замкнутой системой регулирования ККМ в среде Matlab+Simulink представлена на рис.23. Рис. 20 Модель трехфазного преобразователя переменного тока с ККМ. Система управления должны решать задачи: регулирование с максимальным быстродействием и стабилизация выходного напряжения преобразователя, обеспечение близкой к синусоидальной формы токов сети и коэффициента мощности, близкого к единице, как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертирования [15,26]. Рассмотрим алгоритм управления ключами V1-V6 для γ=180° представленный ниже на рис. 21: V1 V2 V3 V4 V5 V6 V1,V4,V5 V1,V4,V6 V1,V3,V6 V2,V3,V6 V2,V3,V5 V2,V4,V5 Рис. 21 Схема алгоритма управления IGBT-транзисторами. Покажем импульсы управления ключами в схеме на рисунке 22 : Рис.22 Импульсы управления IGBT-транзисторами по алгоритму Благодаря использованию в составе выпрямителя полностью управляемых трехфазного управляемого вентилей (IGBT-транзисторов) и реализованному алгоритму управления их работой, входной ток трехфазного преобразователя переменного тока имеет практически синусоидальную форму при фазовом сдвиге по отношению к первой гармонике равном нулю. Также обеспечивается коэффициент мощности равный единице[14]. Рис.23 Эпюр напряжения и тока при C=0.005 Ф, R=7.5 Ом, L=0.5мГн Рассчитаем коэффициент искажений с помощью выше представленной программы для данных рис.23: THD=4.35%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. На основе проведенного обзора автоматизированных систем управления технологическим процессом нагрева показана эффективность использования тиристорного преобразователя переменного напряжения как исполнительного устройства в системах нагрева. Использование ПИДрегулятора в нагревательных системах снижает расход энергии потребляемой нагревателями. 2. Разработана модель тиристорного преобразователя переменного напряжения для системы управления процессом нагрева, на основе которой в среде Matlab+Simulink осуществлено моделирование статических и динамических режимов. 3. Проведены исследования работы трехфазного тиристорного преобразователя переменного напряжения с замкнутой системой регулирования в режиме стабилизации тока с контролем его в одной фазе. 4. Результаты диссертации рекомендуется к практическому использованию для окончательного выбора параметров системы управления и трехфазного преобразователя переменного напряжения на тиристорах в нагревательных системах нового поколения. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Зайцев А.И. Регулируемый электропривод и его роль в энергосбережении / А.И. Зайцев, Ю.С. Лядов //Электротехнические комплексы и системы управления: науч. информационно-аналитический журнал – Воронеж, 2006. – № 2. – с. 35–37. 2. Hoppler R. A team of drives/ R. Hoppler, U. Maier, D. Ryf, L. Blahous //ABB Review, 2008. - №3. – P. 30-34. 3. Dixon J.W. Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phase reactifier / J.W. Dixon, B.-T. Ooi // IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1988. - V. 35.- № 4.-P. 508-515. 4. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин.- СПб.: Изд-во Учитель и ученик, КОРОНА, 2002. – 304 с. 5. Шакарян Ю. Г., Технологическая платформа Smart Grid (основные средства)/ Ю. Г. Шакарян, Н. Л. Новиков // Энергоэксперт, 2009. -№ 4. 6. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0/ С.Г. Герман-Галкин: Учебное пособие.- СПб.:КОРОНА принт, 2001.-320 с. 7. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие / Г.С. Зиновьев. – Новосибирск: НГТУ, 2003. - 664 с. 8. Kolar J. W. Status of the Techniques of Three phase Rectifier Systems with Low Effects on the Mains./ J. W. Kolar, H.Ertl // Vienna University, INTELEC, June 6-9,1999. 9. J. W. Kolar, "Three-phase PFC rectifier and ac-ac converter systems - Part I, Tutorial" / Kolar J. W,. T. Friedli, and M. Hartmann, // presented at 26th IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition A PEC ' I I ,Mar. 6- 10 , 2011 . 10. Томашевский, Ю.Б. От ветра, воды и солнца / Ю.Б. Томашевский, М.Н.Тимофеев, О.В. Голикова // Инновации+Паблисити.-2012.-№2.-с.28-29. 11. Томашевский, Ю.Б. Пути улучшения энергетических показателей многоканального электропривода / Ю.Б. Томашевский, О.В.Голикова // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24:сб.тр.XXIV междунар. науч.конф. / СГТУ. - Саратов,2011.-с.55-57. 12. Кобец Б.Б. Smart Grid в электроэнергетике /Б.Б. Кобец, И.О. Волкова // Энергетическая политика,2009.- №6.-с.54-56. 13. Кондратьев Д.Е. Управление трёхфазным активным выпрямителем при искажениях напряжений сети/ Д.Е.Кондратьев, С.Г.Обухов // Электричество,2007. - №6. – с. 21-32. 14. Кондратьев Д.Е. Моделирование активного выпрямителя в пакете MATLAB/Simulink./ Д.Е Кондратьев.//Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Двенадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов., - М.: МЭИ, 2006. – т.1, - с. 270-272. 15. Andersen, В. Active three-phase rectifier with only one current sensor in the dc-link/ В.Andersen, J.Holmgaard, G.Nielsen, F.Blaabjerg //PEDS Conf.-1999P.69-74. 16. Malinowski, M. Sensorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifiers// докторская диссертация / Mariusz Malinowski.- Warsaw, Poland,2001 17. Гринкевич Д.Я. Микроэлектропривод постоянного тока с повышающим DC-DC преобразователем./ Д.Я. Гринкевич, Г.М. Симаков, А.В. Троицкий.// Тем. Випуск. Силова електроніка та енергоефективність.- 2003.Ч.2.- с.92-97. 18. Электроэнергетика России 2030: Целевое видение / Под общ. ред.Б.Ф. Вайнзихера. – М.: Альпина Бизнес Бук, 2008. 19. Овчинников Д.А., Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности // Д.А. Овчинников, М.Ю. Кастров, А.В. Лукин, Г.М. Малышков- Практическая силовая электроника. – Вып. 6. 2002. – С. 12-39. 20. Дорофеев В.В. Активно-адаптивная сеть- новое качество ЕЭС России/В.В.Дорофеев ,А.А. Макаров //Энергоэксперт, 2009.-№4.-с.28-31. Магистерская диссертация выполнена мной самостоятельно. Все использованные в работе материалы и концепции из опубликованной научной литературы и других источников имеют ссылки на них. «__» июня 2014 г. _________________________ О.В.Голикова