Full Text

Введение В настоящее время полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются неотъемлемой частью электротехнических комплексов и систем на объектах водного транспорта [1-3]. Работа полупроводниковых преобразователей в судовой электроэнергетической системе (СЭЭС) зависит от режимов эксплуатации судна [4, 5] и от взаимного влияния преобразователей, судовой электростанции и потребителей электроэнергии [6-10]. Степень взаимного влияния в основном определяется типом и соотношением мощностей преобразователей, генераторных агрегатов и других потребителей электрической энергии. Влияние изменения параметров напряжения источника электроэнергии заключается не только в снижении надежности и эффективности работы, но и в изменении параметров выходного напряжения преобразователя [11-13]. Особенно для серийно выпускаемых устройств, которые разрабатываются для работы при стабильных параметрах электрической энергии. Помимо этого на данный момент ведутся разработка и внедрение на объекты водного транспорта энергосберегающих решений СЭЭС на основе дизель-генераторов переменной частоты вращения [14-16]. Данные системы позволяют перевести режим работы электростанции в наиболее экономичный по расходу топлива во всем диапазоне изменения нагрузок [17, 18]. Главной особенностью предложенных систем является изменение частоты напряжения на выходных клеммах генератора. Таким образом, обеспечение требуемого качества электрической энергии [19-21] и эффективной работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии при изменении параметров источника электрической энергии было и остается актуальной задачей. Несмотря на разнообразие технических решений, большинство разработанных устройств предназначено для применения в промышленных сетях и не учитывает особенности работы в СЭЭС. Недостатком непосредственных преобразователей частоты (НПЧ) [22], которые разрабатываются для систем с постоянной частотой напряжения, является зависимость параметров выходного напряжения от изменения амплитуды и частоты напряжения источника электроэнергии. Устранение указанных недостатков возможно путем применения бестрансформаторного непосредственного преобразователя частоты (БТНПЧ) [23], который формирует выходное напряжение с заданными параметрами напряжения и обеспечивает подключение выходных зажимов к наиболее подходящему напряжению питающей сети вне зависимости от вариации ее параметров (амплитуды, частоты и формы кривой напряжения). Целью данной работы является анализ параметров выходного напряжения БТНПЧ при изменении параметров источника электроэнергии. 1. Методы и материалы Источник питания для БТНПЧ имеет трехфазную систему напряжений с выведенной нулевой точкой. Эта система позволяет иметь три прямых фазных напряжения UА0, UВ0, UС0 и соответствующие обратные фазные напряжения U0А, U0В, U0С, а также три прямых линейных напряжений UАВ, UВС, UСА и соответствующие обратные линейные напряжения UВА, UСВ, UАС. Из этих напряжений можно создать систему двенадцати напряжений, имеющих фазовый сдвиг 30о. Имитационная модель БТНПЧ представлена на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема имитационной модели БТНПЧ Элементы 1 (Uз) и 2 (fз) являются блоками задания амплитуды и частоты эталонного синусоидального напряжения, а элемент 3 (Start) совместно с элементом 5 (Logical Operator1) осуществляет ввод в работу БТНПЧ. Элементы L1, L2, L3 и N являются входными клеммами БТНПЧ, а на клеммах T1 и T2 формируется выходное напряжение. Формирование эталонной формы выходного напряжения осуществляется с помощью блоков 4 (Divide1, Divide2, Sine1 и Abs1) и 6 (Constant1, Integrator1 и Transport Delay1) совместно с компаратором 7. Компаратор 7 формирует единичный сигнал в моменты, когда текущее время, формируемое блоком 6, превышает значение времени, соответствующее заданной частоте эталонного сигнала. Формирование выходного напряжения на выходе БТНПЧ осуществляет блок 10 (рис. 2). Блок 11 (Counter1, Transport Delay1, Compare To Constant1 и Compare To Constant2) совместно с RS-триггером 12 (S-R Flip-Flop1) и полупроводниковыми вентилями VT1-VT28 осуществляет формирование положительного и отрицательного полупериода выходного напряжения. Полупроводниковые вентили, входящие в анодную и катодную подгруппы, осуществляют коммутацию нагрузки в соответствии с работой блоков 8 и 9. Рис. 2. Структурная схема имитационной модели блока 10 БТНПЧ Блок измерения напряжений 8 (см. рис. 1) состоит из двенадцати измерителей напряжения Voltage Measurement1-Voltage Measurement12, двенадцати блоков вычитания Add1-Add12 и двенадцати блоков модуля Abs1-Abs12. Данный блок формирует сигналы ΔU1, ΔU2, … ΔU12 модуля отклонений мгновенных напряжений входных напряжений от заданного эталонного напряжения uЭ в соответствии с выражением: (1) где - модули отклонения напряжения; - напряжения, формируемые на входах блока 8; - эталонное напряжение; - прямые фазные напряжения; - обратные фазные напряжения; - прямые линейные напряжения; - обратные линейные напряжения. Блок формирования управляющих импульсов 9 (см. рис. 1) формирует импульсы управления на вентили силовой части БТНПЧ на основе напряжений и состоит из двенадцати элементов логического «И» A1-A12 и одиннадцати блоков выбора наименьшего напряжения (БВНН) V1-V11 [23]. При этом формирование импульсов управления происходит в соответствии с выражением: (2) где Y1-Y12 - управляющие импульсы на вентили преобразователя; - сигнал с первого выхода БВНН; - сигнал со второго выхода БВНН; n - порядковый номер блока БВНН, n = 1…11; - прямые фазные напряжения; - обратные фазные напряжения; - прямые линейные напряжения; - обратные линейные напряжения. Блоки V1-V11 осуществляют выбор предпочтительного напряжения для использования в формировании выходного напряжения и формируют управляющие импульсы на управляющие вентили БТНПЧ. Каждый блок V1-V12 состоит из элементов Product1, Product2, Relation Operator1 - Relation Operator3, Logical Operator1, Sum1, S-R Flip-Flop1. Формирование выходных сигналов Q1, Q2 и outC осуществляется на основании сигналов на первом InA и втором InB входах блока в соответствии с выражением: (3) где - сигналы соответственно на входе InA и InB; - сигналы на выходах блока БВНН outC соответственно. При этом на первом входе блока БВНН V1 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V2 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V3 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V4 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V5 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V6 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V7 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V8 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V9 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V10 присутствует сигнал , а на втором входе - . На первом входе блока БВНН V11 присутствует сигнал , а на втором входе - . Таким образом, при формировании выходного напряжения с заданными параметрами в любой момент времени обеспечивается подключение выходных зажимов к наиболее подходящему напряжению питающей сети вне зависимости от вариации её параметров (амплитуды, частоты, формы кривой напряжения), что обеспечивает расширение функциональных возможностей НПЧ. 2. Входные параметры модели Исследование и анализ выходного напряжения Uвых осуществляются в соответствии со структурной схемой, предложенной в работе [24]. Входные параметры имитационной модели БТНПЧ Наименование параметра Обозна-чение Значение параметра Единица измерения Частота напряжения источника электроэнергии fист 1-60 Гц Амплитуда линейного напряжения источника электроэнергии Umист 14,14-2610,2 В Значение линейного напряжения источника электроэнергии Uист 10-1845,7 В Заданная амплитуда выходного напряжения БТНПЧ Umзад 122,6-565,7 В Заданное значение частоты выходного напряжения fзад 1-60 Гц Время начала формирования выходного напряжения tнач 0,042 с Мощность нагрузки на выходе БТНПЧ (при cosφ = 1) Pн 4 кВт 3. Результаты исследования На рис. 3 представлены выходные характеристики БТНПЧ. Значение частоты выходного напряжения fвых вычислялось с помощью блоков измерения Fourier и Frequency и настраивалось относительно заданной частоты выходного напряжения fзад. Относительное отклонение частоты выходного напряжения δfвых определялось по формуле (4) где и - соответственно максимальное и минимальное значения частоты выходного напряжения при и . Среднеквадратическое значение напряжения Uвых вычислялось помощью блока RMS, в который заносились значения fзад. а б в Рис. 3. Пространства выходных параметров напряжения БТНПЧ: а - пространство частоты выходного напряжения fвых; б - пространство относительного отклонения частоты выходного напряжения δfвых; в - пространство среднеквадратического значения выходного напряжения Uвых Анализ выходных характеристик, представленных на рис. 3, позволяет сделать вывод, что частота напряжения на выходе БТНПЧ fвых соответствует значению заданной частоты fзад и поддерживается на данном значение вне зависимости от частоты источника электроэнергии fист. Относительное отклонение частоты δfвых не превышает 0,25 %. Максимальное значение δfвых = 0,24 % наблюдается при fзад = 5 Гц и fист = 1 Гц. При этом частота выходного напряжения может обеспечиваться как ниже, так и выше частоты источника электроэнергии. Формирование выходного напряжения (см. рис. 3, в) обеспечивается в диапазоне значений входного напряжения 0,11·Uист ≤ Uвых < Uист. Зависимости Uвых(Uзад) и Uвых(Uист) в этом же диапазоне напряжений имеют практически линейный характер. При 0 ≤ Uзад < 0,11Uист формируется напряжение Uвых = 0,11Uист. Максимальное значение Uвых не может быть выше напряжения источника электроэнергии Uист, что характерно для непосредственных преобразователей частоты. Определение влияния изменения частоты и амплитуды напряжения источника электроэнергии (fист и Uист) на значение амплитуды первой гармоники выходного напряжения Um1вых и коэффициента гармонических искажений KU (рис. 4-6) проводилось с использованием быстрого преобразования Фурье, реализованного в блоке Powergui. а б Рис. 4. Выходные параметры БТНПЧ при изменении частоты источника электроэнергии: а - амплитуда первой гармоники, б - коэффициент нелинейных искажений В первом случае (см. рис. 4) проводились измерения выходных параметров при изменении частоты источника электроэнергии fист при различных заданных параметрах выходного напряжения БТНПЧ: Umзад = 122,6 В, Umзад = 212,1 В, Umзад = 327 В, Umзад = 424,26 В и Umзад = 565,7 В и fзад = 20 Гц, fзад = 30 Гц, fзад = 40 Гц, fзад = 50 Гц и fзад = 60 Гц. Изменение амплитуды выходного напряжения БТНПЧ Um1вых практически не зависит не только от значения fист (см. рис. 4), но и заданной частоты fзад (влияние параметра fзад наиболее подробно рассмотрено в работе [24]). При этом разброс величины коэффициента KU при изменении fист происходит в области значений от 1 до 30 Гц на исследуемых частотах и при значении Umзад = 122,6 В. В других случаях разброс величины KU практически незначителен. В точках 1 и 2 (см. рис. 6, а, б) наблюдается резкое отклонение величин Um1вых и KU, что связано с моментами начала формирования выходного напряжения и соотношением fист и fзад [25]. Минимальные значения KU наблюдается при формировании выходного напряжения синфазно с одними из фазных или линейных синусоид напряжений сети (точка 2, см. рис. 6, б). Так, чем больше эталонная синусоида совпадает с одной из синусоид входного напряжения, тем меньше амплитуда высших гармоник и, соответственно, ниже значение KU. При этом в диапазоне 0,58Uист ≤ Uвых < Uист значение коэффициента KU не превышает 20 %. Во втором случае, проводились измерения выходных параметров при изменении амплитуды источника напряжения Umист (см. рис. 5). Измерения проводились при параметрах Umзад аналогичных первому случаю. При изменении заданной частоты fзад (см. рис. 5, а, б) соответствующим значениям 20, 30, 40, 50 и 60 Гц и при постоянной частоте напряжения источника fист = 50 Гц влияние изменения частот fзад и fист на амплитуду Um1вых незначительно. При этом вид характеристик, изображенных на рис. 5, в, г (fзад = 50 Гц, fист = 20…60 Гц), практически не отличаются от характеристик при fист = const. Однако при fист= const разброс величин Um1вых и KU выше, чем при fзад = const. Точки 1 (fзад = 30 Гц, fист = 10 Гц, Umзад = 122,6 В, Uист=400 В, см. рис. 6, а), 2 (fзад = 60 Гц, fист = 20 Гц, Umзад = 122,6 В, Uист = 400 В, см. рис. 6, б), 3 (fзад= 60 Гц, fист= 50 Гц, Umзад = 565,7 В, Uист= 350 В, см. рис. 6, в), 4 (fзад= 50 Гц, fист= 50 Гц, Umзад = 122,6 В, Uист = 350 В, см. рис. 6, г), 5 (fзад= 50 Гц, fист= 50 Гц, Umзад = 565,7 В, Uист=350 В, см. рис. 6, д) и 6 (fзад = 50 Гц, fист = 60 Гц, Umзад = 122,6 В, Uист = 350 В, см. рис. 6, е) иллюстрируют форму выходного напряжения в отдельных случаях, изображенных на рис. 3-5. а б в г Рис. 5. Выходные параметры БТНПЧ при изменении амплитуды напряжения источника электроэнергии: а, в - амплитуда первой гармоники при изменении заданной частоты и частоты источника электроэнергии; б, г - коэффициент нелинейных искажений при изменении заданной частоты и частоты источника электроэнергии а б Рис. 6. Форма выходного напряжения в точках 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г), 5 (д) и 6 (е) в г д е Рис. 6. Окончание На рис. 7 изображены зависимости Um1вых(Umист) и KU(Umист) относительно амплитуды заданного напряжения Umзад. В диапазоне значений Umист/Umзад от 0 до 1 наблюдается линейная зависимость Um1вых(Umист) на исследуемых значениях fзад и fист. а б Рис. 7. Выходные параметры БТНПЧ относительно амплитуды заданного напряжения: а - амплитуда первой гармоники выходного напряжения; б - коэффициент нелинейных искажений выходного напряжения Формирование выходного напряжения БТНПЧ в диапазоне 0,5<Umист/Umзад<2,2 является наиболее эффективным с точки зрения уменьшения генерации гармонических искажений, так, значение коэффициента KU, не превышает 25 %. При этом значительное увеличение KU и уменьшение Um1вых происходят при Umист/Umзад > 3,5. Необходимо отметить, что амплитуда выходного напряжения БТНПЧ не может быть больше амплитуды напряжения источника электроэнергии (см. рис. 3), несмотря на то, что в некоторых случаях значение амплитуды первой гармоники Um1вых выше амплитуды напряжения Umист (см. рис. 6 и 7). 4. Обобщение результатов. Анализ полученных результатов (см. рис. 3-7) и результатов работ [24, 25] позволяет сделать следующие выводы: - частота fвых определяется только значением fзад и не зависит от частоты источника электроэнергии fист. Относительное отклонение частоты δfвых не превышает 0,25 %. Изменение амплитуды Um1вых также практически не зависит от значений fист и fзад; - формирование заданного выходного напряжения обеспечивается в диапазоне значений входного напряжения 0,11Uист ≤ Uвых < Uист. При 0 ≤ Uзад < 0,11Uист формируется напряжение Uвых = 0,11U1Л, а при Uзад > Uист - Uвых ≈ Uист; - в диапазоне значений 0,5 < Umист/Umзад < 2,2 значение KU не превышает 25 %. Вид характеристик Um1вых(Umист) при fист = const практически не отличается от характеристик при fзад = const; - качество выходного напряжения во многом определяется отношением Umист/Umзад и моментами начала формирования выходного напряжения tнач относительно одной из синусоид источника электроэнергии. Минимальные значения KU наблюдается при формировании выходного напряжения с одной из наиболее подходящей синусоид входного напряжения. Заключение Результаты исследований имитационной модели БТНПЧ показали, что предложенное устройство в любой момент времени обеспечивает подключение выходных зажимов к наиболее подходящему эталонному сигналу входного напряжения U1-U12 вне зависимости от параметров напряжения источника электроэнергии. Установлено, что формирование заданного выходного напряжения обеспечивается в диапазоне от 11 до 100 % амплитуды линейного напряжения источника, при этом коэффициент нелинейных искажений не превышает 25 %. Частота выходного напряжения может обеспечиваться как ниже, так и выше частоты напряжения источника. В случае, когда заданные выходные параметры напряжения и параметры напряжения сети синусоидальной формы совпадают и при синфазном формировании выходного напряжения с одной из синусоид входного напряжения, преобразователь позволяет сформировать практически синусоидальную форму выходного напряжения. Бестрансформаторный непосредственный преобразователь частоты может быть использован для питания частотно-управляемых электроприводов переменного тока в автономных энергоустановках с переменной частотой вращения привода генератора для получения выходного напряжения стабильной частоты.

About the authors

V. G Sugakov

Volga State University of Water Transport

N. S Varlamov

Volga State University of Water Transport

Yu. S Malyshev

Volga State University of Water Transport

References

Statistics

Views

Abstract - 28

PDF (Russian) - 9

Refbacks

• There are currently no refbacks.