Full Text

Введение. Качество электроэнергии имеет важное значение в режимах работы электрооборудования. Ухудшение качества электроэнергии из-за кратковременных (провалы, скачки напряжения и т.д.) и длительных (гармонические искажения, несимметрия напряжения, отклонение частоты и напряжения от номинальных значений и т.д.) возмущений приводит к изменению работы систем управления, к возникновению резонансных явлений и сокращению срока службы электрических машин, к неисправностям пускозащитной аппаратуры и другим негативным последствиям [1-10]. Изменение скорости вращения приводного двигателя, сбои в работе систем регулирования частоты вращения, подключение и отключение нагрузки соизмеримой мощности и другие нарушения баланса между генерируемой и потребляемой мощностью приводят к отклонению амплитуды и частоты напряжения от номинальных параметров [1, 4, 10]. Такие нарушения в работе систем электроснабжения оказывают большое влияние на функционирование систем управления полупроводниковых преобразователей, которые синхронизируются с сетевым напряжением. Для обеспечения нормального режима работы управляемых выпрямителей необходимо производить открытие полупроводниковых вентилей в определенные моменты времени. При этом управляющие сигналы, выработанные системой управления преобразователя, представляют собой сигнал постоянный формы или импульсы различной амплитуды или длительности [11]. Изменение фазы управляющего сигнала относительно определенной точки синусоидального напряжения приводит к изменению момента открытия вентиля, и тем самым происходит регулирование выходных параметров преобразователя [12]. Преобразование управляющего сигнала в угол управления α, отсчитываемый от момента естественной коммутации или от момента подачи предыдущего импульса, и распределение коммутирующих импульсов по управляющим электродам происходят в фазосмещающем устройстве (ФСУ), которое является основным узлом системы управления [11-14]. В судовых электроэнергетических системах, в которых происходят периодические изменения генерируемой и потребляемой электроэнергии, предельное отклонение частоты не должно превышать ±2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю и ±10 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю [4, 10, 15-17]. В таких системах применяемые ФСУ обладают такими недостатками, как невозможность плавного изменения угла управления и погрешность задания угла управления при нестабильности частоты питающего напряжения [18]. Для устранения данного недостатка было разработано цифровое фазосмещающее устройство (ЦФСУ) с коррекцией кода в зависимости от частоты напряжения и заданного угла управления [19]. Однако недостатком вышеописанного ЦФСУ является невысокая разрешающая способность по времени, равная периоду питающей сети, что приводит к снижению точности регулирования угла управления. Для устранения данного недостатка была разработана имитационная модель ЦФСУ. Устройство, выполненное на основе предложенной модели, позволяет сократить время коррекции угла управления, за счет добавления второго суммирующего счетчика, RS-триггера и логического элемента ИЛИ, обеспечивающих измерение длительности положительного полупериода и поочередную запись кодов длительности положительного и отрицательного полупериода питающего напряжения сети. Данная структура позволяет улучшить динамические характеристики ЦФСУ и повысить точность регулирования угла управления. 1. Методы и материалы. Блок-схема имитационной модели на основе трехфазного мостового выпрямителя (рис. 1) состоит из блоков источника трехфазного напряжения ИН1 и ИН2 и блоков синхронизации УС1 и УС2, блоки ПП1 и ПП2 представляют собой трехфазную мостовую схему выпрямления с несимметричным управлением. Рис. 1. Блок-схема имитационной модели для исследования относительного среднего выпрямленного напряжения при использовании ЦФСУ с повышенным разрешением по времени и ЦФСУ-прототипа Значение угла управления α поступает на вход блоков СУ1, СУ2 и идеального выпрямителя ИП1, а задание частоты f1 и f2 и амплитуды U1 и U2 трехфазного напряжения осуществляется в блоках источников напряжения ИН1 и ИН2. Блок ИП1 представляет собой трехфазный неуправляемый выпрямитель, на выходе которого формируется среднее значение выпрямленного напряжения в соответствии с его регулировочной характеристикой. Блок измерителя И1 формирует относительное отклонение среднего выпрямленного напряжения при изменении частоты напряжения сети [18]. Имитационная модель одного канала системы управления с ЦФСУ с повышенной разрешающей способностью по времени в составе блока СУ1 и СУ2 представлена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема ЦФСУ с повышенным разрешением по времени Напряжение синусоидальной формы поступает с выхода блока УС1 на вход формирователя прямоугольных импульсов, представленный блоком Relay1. Прямоугольный импульс с выхода Relay1 поступает на второй вход логических элементов «И» Logical Operator3 и Logical Operator2 (через логический элемент «НЕ» Logical Operator1), на первые входы которых приходят импульсы стабильной частоты с элемента Pulse Generator1. Во время положительной полуволны напряжения вычитающий счетчик (Intergtator3, Gain 4, Sum4, Abs1, Sum5, Gain5) формирует линейный опорный код Коп. Формирование фазы импульса коммутации обеспечивает элемент Relational Operator2, который генерирует прямоугольной формы сигнал при соблюдении неравенства двух значений сигналов: спадающего сигнала с выхода вычитающего счетчика и сигнала с выхода блока памяти. Далее этот сигнал поступает на выходной формирователь импульсов (Transport Delay3, Sum6, Relay4, Product3), который по фронту входного сигнала формирует импульс (длительность импульса задается в элементе Transport Delay3), который поступает на управляющий электрод вентиля трехфазного мостового выпрямителя. Первый и второй формирователи коротких импульсов работают аналогично выходному формирователю, однако их выходные сигналы служат для сброса значения суммирующих сигналов на выходе вычитающих и суммирующих счетчиков. Формирование сигнала, пропорционального половине периода напряжения синхронизирующего напряжения, обеспечивают суммирующие счетчики, состоящие из элементов Integrator1, Integrator2, Gain1, Gain2. Итоговое значение сигнала с выхода суммирующих счетчиков поступает через регистр памяти Register1 и элементы Product1, Product2, Sum3 на вход блока памяти 2-D Lookup Table1, в который записывается код (рис. 3) в зависимости от необходимого угла управления α и текущего кода Коп в функции от частоты напряжения сети. Обновление корректирующего кода обеспечивают элементы Product1, Product2, Sum3 и их связи и RS-Trigger1. Формирование сигналов с выхода счетчика отрицательной полуволны напряжения обеспечивается при подаче прямоугольного импульса на вход «S» элемента RS-Trigger1, а отрицательного - на вход «R». Рис. 3. Область эталонного кода в блоке памяти цифрового фазосмещающего устройства 2. Результаты исследования. Формирование линейно-возрастающего опорного кода Коп для ЦФСУ-прототипа и ЦФСУ с повышенным разрешением по времени проиллюстрировано на рис. 4. а б Рис. 4. Формирование опорного кода ЦФСУ-прототипа (а) и ЦФСУ с повышенным разрешением по времени (б) Опорный код Коп приведен в виде весового кода. Частота напряжения линейно изменялась от 45 Гц, что соответствовало опорному коду 110, до 80 Гц (Коп равен 50). При использовании двух типов ЦФСУ с изменением частоты напряжения наклон опорного кода Коп остается постоянным и зависит от частоты следования импульсов опорного генератора, а изменяется только максимальное значение Коп, которое соответствует половине периода питающего напряжения. Формирование кода завершается в момент перехода напряжения синусоидальной формы через нулевое значение. При использовании ЦФСУ-прототипа обновление опорного кода Коп происходит за период синусоидального напряжения в соответствии с характеристикой 1 (рис. 4, а). В ЦФСУ с повышенным разрешением по времени (рис. 4, б) за счет использования двух счетчиков код Коп обновляется каждый полупериод напряжения (характеристика 2 и 3). Таким образом, использование двух линейно-возрастающих функций, одна из которых формируется при отрицательном полупериоде, а вторая - при положительном, позволяет сократить период обновления кода Коп, что приводит к более плавному регулированию моментов формирования импульсов управления при изменении частоты напряжения и угла управления. Анализ динамических и статических свойств представленных типов ЦФСУ проведен с использованием зависимостей относительного отклонения среднего выпрямленного напряжения δUd от угла управления α и частоты источника напряжения ИН1 f1. Величина потребляемой мощности активных нагрузок для блоков выпрямителей ПП1, ПП2 и ИП1 равна 4 кВт. Выходное напряжение источников напряжения ИН1 и ИН2 принималась 400 В, а частота напряжения источника ИН2 соответствовала 50 Гц. Исследование проводилось для следующих случаев: 1) при изменении частоты напряжения f1 и фиксированном угле управления α, равном 30° (рис. 5, а); 2) при изменении частоты напряжения f1 и фиксированном угле управления α, равном 60° (рис. 5, б); 3) при изменении частоты напряжения f1 и фиксированном угле управления α, равном 120° (рис. 5, в); 4) при изменении угла управления α в диапазоне от 0 до 180° и фиксированной частоте напряжения от 45 до 55 Гц (рис. 6). а б в г Рис. 5. Динамические характеристики при использовании различных типов ЦФСУ: а - зависимость δUd(t) при угле управления 30°; б - зависимость δUd(t) при угле управления 60°; в - зависимость δUd(t) при угле управления 120°; г - зависимость частоты напряжения f1 от времени t Рис. 6. Зависимость δUd от угла управления α при использовании ЦФСУ с повышенным разрешением по времени Анализ полученных результатов в ходе исследования позволяет сделать вывод, что благодаря использованию в системе управления выпрямителя ЦФСУ с повышенным разрешением по времени (сплошная линия) возможно уменьшить максимальное значение относительного отклонения среднего выпрямленного напряжения по сравнению с ЦФСУ-прототипом (пунктирная линия) при различном задании угла управления α и изменении частоты напряжения f1 (характеристики 1-6, см. рис. 5). При этом с увеличением значения угла управления α происходит характерное увеличение значения δUd для исследуемых моделей ЦФСУ. Скорость изменения частоты напряжения f1 практически не влияет на амплитуду δUd. При значениях угла управления, равных 30°, 60° и 120°, максимальные значения δUd наблюдаются на характеристиках 1, 2 и 6 и равны 0,017, -0,03 и 0,09 соответственно. В установившемся режиме максимальные значения δUd наблюдаются при уменьшении частоты напряжения (характеристики 4-6) и колеблются в пределах значений от -0,008 до 0,008 для α = 30°, от -0,022 до 0,014 для α = 60° и от -0,01 до 0,075 для α = 120°. Из характеристик (см. рис. 6) следует, что в диапазоне угла управления 0-140° величина δUd изменяется от -0,03 до 0,054. При этом значении α меньше 145°, величина δUd не превышает значения по модулю 0,056, при дальнейшем увеличении угла управления наблюдается увеличение значения δUd до 0,15. Наибольшие значения δUd находятся при частоте напряжения, равной 45 и 49 Гц, а каждая характеристика носит знакопеременных характер. В работе [18] при использовании дискретного фазосмещающего устройства без коррекции угла управления δUd превышает 0,5 по модулю, при использовании ЦФСУ-прототипа δUd находится в пределах от -0,052 до 0,053. Предложенное ЦФСУ за счет увеличения разрешающей способности в два раза позволяет уменьшить относительное отклонение среднего выпрямленного напряжения по сравнению с ЦФСУ-прототипом. Таким образом, данное устройство целесообразно применять в автономных системах электроснабжения с целью стабилизации выходных параметров преобразователя с нестабильной частотой сети. Выводы. Результаты моделирования показывают, что система управления с ЦФСУ с повышенным разрешением по времени обеспечивает высокую стабильность заданного угла управления в зависимости от частоты питающего напряжения. Вид характеристик относительного среднего выпрямленного напряжения определяется структурой полупроводникового преобразователя и системы управления в целом. Так, при использовании трехфазной мостовой схемы с несимметричным управлением статические и динамические характеристики предложенного ЦФСУ практические совпадают по форме, но имеют меньшие значения отклонения по сравнению с ЦФСУ-прототипом. Результаты исследования учтены при разработке цифрового фазосмещающего устройства с повышенной разрешающей способностью по времени [20].

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 - 39

PDF (Russian) - 19

Refbacks

• There are currently no refbacks.