Исследование четырехфазного компенсированного преобразователя с двойной частотой напряжения на конденсаторах

Актуальность проблемы: Сегодня мировые запасы первичных энергетических ресурсов в значительной степени исчерпаны, и цены на них резко вырастают. Для решения этих вопросов ведется активный поиск, и разрабатываются источники альтернативный энергии. Другим важным направлением решения указанной проблемы является снижение потерь и повышение качества электрической энергии в электрических сетях энергоемких производств. В настоящее время это направление является одним из важнейших в политике энергосбережения.

Современные тенденции развития технологий требуют использования систем электроснабжения на основе устройств силовой преобразовательной техники (СПТ). Большой шаг, сделанный в последние годы в области создания новых классов электронных приборов, таких структур как GTO, ЕТО, IGCT тиристоры и IGBT транзисторы, определяет направление совершенствования СПТ. Создаются системы электроснабжения с мощными выпрямителями на основе указанных приборов. Улучшаются уже известные способы повышения электромагнитной совместимости СПТ с питающей сетью за счет новых схемных решений, алгоритмов и способов управления на базе современных силовых вентилей. Например, на базе выше указанных силовых приборов, с помощью программируемых микроконтроллеров создаются FACTS-Flexible Alternating Current Transmission System (гибких линий электропередачи), которые обеспечивают регулирование напряжения, баланс реактивной мощности в нужном месте и нужное время, что позволяет увеличивать пропускную способность линии электропередач. Однако наряду с хорошей управляемостью процессами такие силовые приборы пока еще имеют ряд недостатков, связанных со сложностью как схемных решений, наладкой и эксплуатацией, так и достаточно высокими экономическими затратами.

Поэтому по-прежнему остается актуальной задача создания простых как в использовании, так и в эксплуатации, но вместе с тем и эффективных устройств СПТ, использующих принципы полезного применения естественных физических свойств индуктивно-емкостных схем. Это позволяет проектировать максимально надежные системы электроснабжения на основе неуправляемых устройств СПТ, удовлетворяющие всем современным требованиям по энергосбережению.

Для питания маломощных потребителей постоянного тока, используют трехфазные нулевые и мостовые схемы выпрямления. Для питания нагрузки большей мощности строятся шести-, двенадцати-, и более фазные преобразователи. Причем при больших токах (сотни и тысячи ампер) и малых напряжениях (ниже 300 В) преимущество имеют нулевые схемы преобразования. Разработаны высокоэффективные нулевые многофазные схемы компенсированных преобразователей (КП) с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах. Но в таких преобразователях за счет наличия трехфазного уравнительного реактора увеличивается установленная мощность преобразовательной установки примерно 25−30% .

Альтернативным решением является использование четырехфазного КП с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах. На базе четырехфазного КП можно построить многофазный КП для питания нагрузок большей мощности. Двенадцатифазный КП, состоящий из трех четырехфазных КП, имеет меньшую установленную мощность трансформаторного оборудования, по сравнению с преобразователем на основе двух шестифазных КП с двойной частотой напряжения на конденсаторах, так как отсутствует трехфазный уравнительный реактор.

Все выше сказанное говорит об актуальности задачи исследования электромагнитных процессов и характеристик четырехфазного компенсированного преобразователя с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование свойств и анализ характеристик четырехфазного КП, а также подтверждение целесообразности построения на его основе многофазных преобразователей.

Идея работы. Заключается в применении принципа одноступенчатой искусственной коммутации вентилей в преобразователе с фазностью преобразования, некратной фазности питающей сети.

Методы исследования. При анализе статических электромагнитных процессов применен кусочно-припасовочный метод (метод кусочно-линейной аппроксимации) в схемах с силовыми полупроводниковыми приборами. При оценке спектрального состава токов использован метод гармонического анализа. Компьютерное моделирование осуществлялось в среде MATLAB/SIMULINK с применением численных методов интегрирования Рунге-Кутта. При исследованиях использована общая теория электрических и магнитных цепей, а также элементы математического анализа.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• схемные решения четырехфазных КП с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах;

• пути построения многофазных КП на основе четырехфазного преобразователя;

• теория квазиустановившихся электромагнитных процессов в системе электроснабжения с четырехфазным КП;

• результаты теоретического анализа, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований электромагнитных процессов и характеристик четырехфазного КП.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием метода кусочно-линейной аппроксимации при общепринятых допущениях в математической модели, а также удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с компьютерным моделированием в пакетах MATLAB/SIMULINK и экспериментальными данными. Научное значение работы:

• впервые выполнено аналитическое исследование квазиустановившихся электромагнитных процессов в четырехфазном КП;

• впервые разработана компьютерная модель системы электроснабжения с четырехфазным КП в пакете MATLAB/ SIMULINK;

• проведенными исследованиями обоснованы преимущества четырехфазных КП в виде расширения области работы с опережающим углом сдвига фаз, улучшения формы напряжения на конденсаторах, снижения установленной мощности трансформаторного оборудования компенсирующего устройства. Практическое значение работы:

• предложены новые энергоэффективные схемы четырехфазных КП с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах;

• показаны пути построения двенадцатифазных КП с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах, с улучшенными массогабаритными показателями;

• с помощью компьютерной модели, реализованной в пакете MATLAB/SIMULINK, рассчитаны все необходимые для проектирования исследованных КП характеристики;

• разработана и реализована физическая модель КП, с помощью которой подтверждены теоретические выводы.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы, ^ оформленные в виде отдельных разделов, компьютерные модели в пакете.

MATLAB/SIMULINK, а так же физические модели внедрены в учебный процесс ЮУрГУ в курсах «Основы энергосберегающей энергетической электроники», «Системы электроснабжения на основе устройств силовой преобразовательной техники».

Апробация работы. Основные теоретические положения, результаты и выводов диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях ЮУрГУ, научно-технической конференции «Российская школа по проблемам науки и технологий», посвященной 60-летию Победы (Миасс, 2005).

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 печатных трудов.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. И Содержит 125 стр. основного текста, 47 иллюстраций, 9 стр. списка.

4.3 Выводы по главе.

1. Разработанная модель в пакете MATLAB/SIMULINK позволяет:

• исследовать электромагнитные процессы в установившихся и переходных режимах работы четырехфазного КП;

• определять и анализировать составляющие полной мощности и показатели качества электроэнергии;

• определять действующие значения токов и напряжений;

• выполнять спектральный анализ любого интересующего тока и напряжения преобразователя.

2. Результаты моделирования в среде MATLAB/SIMULINK и экспериментальные исследования совпадают с результатами, полученными аналитическим путем.

3. Полученные осциллограммы и характеристики в SIMULINK и физической модели подтверждают, что четырехфазный КП может работать в трех режимах: потребления реактивной мощности, без потребления реактивной мощности и генерирования реактивной мощности.

4. Результаты измерения полной мощности и её составляющих в каждой фазе трехфазной сети четырехфазного КП показывают симметричное распределение нагрузки по фазам, что является положительным свойством четырехфазного КП.

5. Приведенный спектральный анализ линейного напряжения трехфазной сети говорит о том, что требования по ЭМС в четырехфазном варианте КП могут быть удовлетворены при относительно малой мощности нагрузки. При питании мощных нагрузок целесообразны двенадцатифаз-ные КП, построенные на основе трех четырехфазных КП.

Заключение

.

В диссертационной работе представлено новое решение актуальной научно-технической задачи — исследование работы четырехфазного КП с двойной частотой напряжения на конденсаторах. При этом получены следующие основные результаты:

1. Анализ современного состояния проблемы создания энергоэффективных КП подтвердил необходимость исследования четырехфазного КП с двойной частотой напряжения на коммутирующих конденсаторах.

2. Предложены новые схемы КП с двойной частотой напряжения на конденсаторах для питания широкого круга потребителей постоянного тока, обладающие высокими показателями электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой и выгодными массо-габаритными показателями.

3. Предложен новый способ построения двенадцатифазных КП с двойной частотой напряжения на конденсаторах.

4. Анализ электромагнитных процессов и характеристик, показал, что четырехфазный КП может работать в трех режимах: потребления реактивной мощности, без потребления реактивной мощности и генерирования реактивной мощности.

5. В диодном исполнении четырехфазный КП имеет более широкую область работы с опережающим углом сдвига фаз (до появления режима с повторной проводимостью вентилей), чем известные преобразователи с той же частотой напряжения на конденсаторах. Кроме того, форма кривой напряжения на конденсаторе близка к синусоиде, что улучшает условия работы коммутирующих конденсаторов.

6. Проведенный анализ показал, что сетевые токи фаз А, В, С четырехфазного КП имеют одинаковые действующие значения и равномерное распределение полной мощности и её составляющих по фазам, несмотря на различие формы кривых токов. Указанные различия приводят к особому поведению гармоник нечетнократных трём, образующих симметричные системы токов обратного и прямого следования фаз. Показано, что в двенадцатифазном КП формы кривых сетевых токов полностью симметрируются и устраняются гармоники кратные трём.

7. Разработана компьютерная модель в пакете MATLAB/SIMULNK, позволяющая исследовать статические и динамические режимы работы рассматриваемых преобразователей, а также определить показатели электромагнитной совместимости.

8. Эксперименты, проведенные на разработанной и выполненной физической модели, подтвердили теоретические исследования и показали возможность эффективной компенсации реактивной мощности, потребляемой преобразователем.

9. Результаты теоретических исследований приняты к внедрению в учебный процесс ЮУрГУ в курсах «Основы энергосберегающей энергетической электроники» и «Системы электроснабжения на основе устройств силовой преобразовательной техники».