CC BY
44
УДК 621.3.011.74.005
Михайленко Владислав Володимирович, канд. техн. наук, старш. викладач кафедри теоретично! електротехшки, e-mail:VladislavMihailenko@i.ua, моб. тел.: 098-317-93-74 Срмакова Вiкторiя Володимирiвна, студентка кафедри автоматизаци енергосистем
Мельник Олексш Олександрович, студент кафедри автоматизаци електромеханiчних систем та електроприводу
Сошга Микола Володимирович, студент кафедри автоматизаци електромехашчних систем та електроприводу Нацюнальний технiчний унiверситет Укра!ни "Кшвський полггехшчний шститут", м. Ки!в, Укра!на, п-т Перемоги, 37, м. Ки!в, Укра!на, 03056
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИХ ПРОЦЕС1В У ДВАНАДЦЯТИПУЛЬСНОМУ НАП1ВПРОВ1ДНИКОВОМУ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1 З ДЕВ'ЯТИЗОННИМ РЕГУЛЮВАННЯМ ВИХ1ДНО1 НАПРУГИ
У cmammi проведено анал1з електромагнтних процеав в електричних колах з HanienpoeidHUKoeuMU комутаторами. Створено математичну модель для анал1зу перехiдних процеав у HcnienpoeidHUKoeux перетворювачах з активно-тдуктивним навантаженням. Наведено графжи, що вiдобрcжcють перехiднi процеси у електричних колах. У роботi також виконано розвиток методу багатопараметричних модулюючих функцш для зпрощення анал1зу перехiдних процеав у електричних колах з врахуванням втрат у ключевизх елементах. Розрахунок проводився у два етапи. На першому етат не враховувались втрати в ключевих елементах напiвпровiдникового перетворювача, а на другому етат втрати враховувались. Ключовi слова: електромагнiтнi процеси, вихiднi напруга та струм.
Михайленко Владислав Владимирович, канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры теоретической электротехники, e-mail:VladislavMihailenko@i.ua, моб. тел.: 098-317-93-74. Ермакова Виктория Владимировна, студентка кафедры автоматизации энергосистем
Мельник Алексей Александрович, студент кафедры автоматизации электромеханических систем и электропривода
Сопига Николай Владимирович, студент кафедры автоматизации электромеханических систем и электропривода
Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", г. Киев, Украина, п-т Перемоги, 37, г. Киев, Украина, 03056
ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВЕНАДЦАТИПУЛЬСНОМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ С ДЕВЯТИЗОННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В статье проведен анализ электроимпульсных процессов в электрических цепях с полупроводниковыми коммутаторами. Создана математическая модель для анализа переходных процессов в полупроводниковых преобразователях с активно-индуктивной нагрузкой. Приведены графики, которые показывают переходные процессы в электрических цепях. В работе также выполнено развитие метода многопараметрических модулирующих функций для упрощения анализа переходных процессов в электрических цепях с учетом потерь в ключевых элементах. Расчет проводился в два этапа. На первом этапе не учитывались потери в ключевых элементах полупроводникового преобразователя, а на втором этапе потери учитывались. Ключевые слова: электромагнитные процессы, выходные напряжение и ток.
Мyhaylenko VladislavVladimirovich, PhD in Technical Sciences, e-mail: VladislavMihailenko@i.ua Ermakova Viktoriya Vladimirovna, student of department of automation of grids
Melnyk Aleksey Aleksandrovich, student of department of automation of the electromechanics systems and electromechanic
Sopiga Nikolay VladislavVladimirovich, student of department of automation of the electromechanics systems and electromechanic
National Technical University of Ukraine "Kyiv Politechnic Institute", Kyiv, Ukraine, st/ Peremogi, 37, г. Kyev, Ukraina, 03056
STUDY ELEKTROMAGNITNYH PROCESSES IN TWELVE PULSES SEMICONDUCTOR CONVERTER WITH NINE ZONED REGULATIONS OF THE
OUTPUT VOLTAGE
The article describes an analysis of electropulses in electric circuits with semiconductor switches. A mathematical model is created for the analysis of transient processes in semiconductor converters with active and inductive load. The graphs are presented that show transient processes in electrical circuits. The paper also describes a
development of the method of multiparameter modulating functions to simplify the analysis of transient processes in electrical circuits taking into account losses in the key elements. The use of the metod of multiparameter modulating functions, which implemented in the MathCAD application pack, simplifies the analysis of transient processes and optimization of the parameters of semiconductor converters in the electrical circuits of which occur processes of charging and discharging of the capacitive storage of electric energy which variable initial conditions. This approach also allows reducing the instability of modes in the process load and modes of power the losses in the key elements of the semiconductor converter were not taken into account, and at the second stage the losses were taken into account.
Key words: electromagnetic processes, output voltage and current.
Вступ
Тенденцп якюного перетворення електрично'1' енерги, а також устхи у розвитку натвпровщниково'1' техшки дозволяють використовувати в перетворювальних установках ланку високо'1 частоти з частотою переключення вентилiв значно бшьшо! вщ частоти змшно! напруги промислово'1' мережа У роботах [1-10] показана доцшьшсть використання структур напiвпровiдникових перетворювачiв (НПП) з однократною модуляцieю при побудовi систем вторинного електропостачання для комплекав дiагностики електромеханiчних пристро'1'в iз рiзноманiтним видом вхщно'1" енергп. У данш роботi проведено аналiз аспекту використання liei ж структури НПП в якост ланки високо'1' частоти, що стосуеться побудови й аналiзу перетворювачiв для електромеханiчних комплексiв iз широтно-iмпульсним регулюванням (Ш1Р) постшно'1" напруги при чотиризонному керуванш.
Основний матер1ал
Метою роботи е використання методу багатопараметричних функцш з використанням пакету MATHCAD для аналiзу електромагнiтних процеав в електричних колах з натвпровщниковими комутаторами.
Узагальнена структурна схема перетворювача показана на рис. 1.
На структурнш схемi позначенi: СМ1 i СМ2 - блоки силових модуляторiв фазних i лiнiйних напруг вщповщно; ВВ1 i ВВ2 - високочастотш випрямлячi фазних i лiнiйних напруг; СК - система керування i Н - навантаження, яке мае активно-шдуктивний характер . Кожний з блоюв СМ мае у своему складi випрямлячi та iнвертори випрямлено'' напруги (1ВН), навантаженi на узгоджувальш трансформатори (Т).
Таким чином кожен силовий модулятор мае в своему складi N 1ВН, де N - це число iнверторiв.
Створення математично'' моделi перетворювача передбачае розробку математичного забезпечення, спроможного провести аналiз його електромагнiтних процесiв вiдносно енергл, яка генеруеться, з урахуванням характеру навантаження, енергп, яка при цьому споживаеться, а також енергп, яка перетворюеться в окремих ланках i в окремих елементах перетворювача.
При складанш математично'1 моделi перетворювача iз комп'ютерною орiентацiею використаемо метод багатопараметрчних модулюючих функцiй [2], який передбачае
попередне представления алгоршмчного рiвняння перетворювача. При цьому приймаемо такi припущення: вхiдна енергетична мережа симетрична i 11 внутрiшнiй опiр дорiвнюе нулю, транзистори i дiоди 1ВН представляються iдеальними ключами, узгоджувальнi трансформатори не мають втрат, а навантаження перетворювача мае е^валентний активно-iндуктивний характер.
Дана структура дозволяе реалзувати багатоканальний спосiб перетворення параметрiв електромагттно! енергй мереж, при якому в СМ здiйсиюеться розгалужена модуляця миттевих значень. попередньо випрямлених фазних напруг и\(¡, t) , частоти ©1 трифазно! енергетично! мереж вщповщними еквiвалеитними модулюючими впливами у (ар, t) , частоти ш2.
Алгоритмiчне рiвняння перетворювача записано у публшацп [2]:
1 (N=4 3 N=5 3 Л
uн(t) = XX и11 ^ t^ (^ t) (^ t) У1 (t) + XX и12 ( ^2 ( t) V2 ( ], t) V2 (t)
Т ^ п=1 ¡=1 п=1 у =1
де: i = 1, 2, 3 i у = 1, 2, 3 - номера фазних i лшшних напруг енергетично! мереж вiдповiдно;
кТ - коефiцiент трансформацп трансформаторiв;
Ув1(¡Л) i Ув2() - модулюючi функцii, якi спiвпадають за часом з фазними i лiнiйними напругами;
ип(^) i и12() - миттевi значення лшшних напруг;
у^) i v2(t) - е^валентш модулюючi впливи ВВ1 i ВВ2.;
п = 1, 2, 3, ..., N - номери зон регулювання вихщно! напруги;
N - кшьюсть 1ВН в кожному СМ;
( -1)2ж
УА^ t) = ^БП
эт
©-ф-
- модулюючi функцп, якi спiвпадають за часом
з положеням вщповщних фазних напруг мережi живлення;
УваСЛ t) = 81Вп
эт
©-ф+
ж
6
(( -1)2ж
- модулюючi функцп, якi спiвпадають за часом з
V у.
положеням вщповщних лшшних напруг мереж живлення;
(
u0l(¡, t) = Ет ет
ш1t -ф-
( - 1)2ж
Л
- миттевi значення вхщних фазних напруг мереж
живлення, и02(у, t) = Ет эт
ж (у -1) 2ж
©^-ф + --6 3
- миттевi значення вхiдних фазних напруг
мережi живлення, Ет - амплiтудне значення фазно! напруги;
©1 = 2ж/1 i ф - вiдповiдно кругова частота i початкова фаза напруги живлення; ^(¡, t) - множина е^валентних модулюючих впливiв ]-х СМ, у 2(у, t) - множина е^валентних модулюючих впливiв ]-х СМ.
Струм на навантаженш перетворювача знайдемо, як реакцiю одноконтурного КЬ-ланцюга на дiю напруги ин^)
¡н^) R + L-
)
'н Л
= uн(t),
(2)
де: R i L - вщповщно активний опiр i iндуктивнiсть навантаження. Ршення (2) вiдносно струму навантаження визначимо числовим методом за допомогою
функцп оёеэо1уе математичного процесора МАТнСАО
¡н(/) = odesolve (7, к, р,), (3)
де: t - час; к - часовий штервал; р - кшьюсть точок на часовому штерваль Дiаграми струму навантаження в координатах вихщно! напруги перетворювача, побудоваш за (3) для дев'ятизонного регулювання представленi на рис. 2.
и, 1>у
¡нО ) инО )
Рис. 2. Дiаграми струму та напруги навантаження
Фазш струми ¡^(¡^) знаходимо з виразу
N=4
X гн0Bl(i>tМО'^)Vl (I) ¡<»(¡,0 = -
кт
а лiнiйнi струми ¡12( ],{) знаходимо з виразу виду
N=5
X ¡н (t) VА2 ( ^2 ( )v 2 (I)
¡12 ( j,t) = -к-
кт
Фазнi струми /02(/^) знаходимо з стввщношень
(4)
(5)
¡02 (1, t) = ¡12 (1, t) " ¡12 (3, t) ; ¡02 (2, t) = ¡12 (2, t) " ¡12 (1, t) ; ¡02 (3, t) = ¡12 (3, t) " ¡12 (2, t) •
(6)
Вхiднi фазш струми енергетично'1' мереж у кожнш ¡-й фазi знаходимо з виразу:
¡0(¡, t) = ¡01<Л ^^) + ¡02 t). (7)
Дiаграми вхщних фазних струмiв перетворювача в координатах напруг енергетично'1 мереж1, побудованi за (7), представлен на рис. 3.
им(1, (),' ¡0 (1, ()
и м(2, г) ¡0(2, /)
и01(3, ') ¡0(3, / )
и1(1,/)
¡0 (21) и0(2, ?)
Рис. 3. Дiаграми вхiдних струмiв ¡-х фаз мереж в координатах фазних напруг
Таким чином, наведен результати дослщжень показують ефектившсть подання математично'1' моделi перетворювача вщносно напруги навантаження, струму навантаження i
I
I
crpyMiB, що споживаються з вхщно! мереж узагальнюючими функцiями багатопараметричного виду. OKpiM наведених спiввiдношень i дiаграм розроблена модель дозволяе аналiзyвати форми напруг i стрyмiв на виходi окремих СМ, а також i'x елементах у процесi зонного регулювання вихщно'1 напруги перетворювача.
Для того, щоб знайти амплiтyднi значення стрyмiв через силовi транзистори 1ВН, достатньо проаналiзyвати струми i1T(P, j, t) первинних обмоток узгоджувальних трансформаторiв, котрi знаходяться в колах протшання стрyмiв через силовi транзистори.
Висновки
У данш роботi було виконано аналiз електромагнiтних процесiв в електричних колах з натвпровщниковими комутаторами. Використовуючи метод багатопараметричних модулюючих фyнкцiй було знайдено струм i напругу навантаження, а також вхщт струми перетворювача. У робот розвинуто метод багатопараметричних функцш в частинi розробки ново! математично! моделi з багатозонним регулюванням вихщно'1 напруги та визначення модулюючих функцш для аналiзy за пщсистемними складовими структури електричних кiл з натвпровщниковими комутаторами. Таким чином у данш робот було виконано аналiз електромагштних процесiв в електричних колах з натвпровщниковими комутаторами. Використовуючи метод багатопараметричних модулюючих функцш було знайдено струм i напругу навантаження, а також вхщш струми перетворювача. У робот розвинуто метод багатопараметричних функцш в частиш розробки ново! математично'1' моделi з багатозонним регулюванням вихщно! напруги та визначення модулюючих функцш для аналiзy за пщсистемними складовими структури електричних кш з натвпровщниковими комутаторами.
Використання методу багатопараметричних модулюючих функцш у електричних колах змшно! структури е доцшьним, якщо в 1'х ланках е не бшьше трьох незалежних реактивних елементв. Даннi розрахунюв порiвняно з даними експериментiв не вiдрiзняеться бiльше нiж на 1 %. Пщтверджено доцiльнiсть використання програмного пакету MATHCAD для аналiзy електромагштних процеав та оптимiзацii параметрiв натвпровщникових перетворювачiв. Такий пiдхiд дозволяе зменшити нестабiльнiсть режимiв у технологiчномy навантаженш та режимiв споживання електроенергл вщ мережi електроживлення.
Список використаноТ лггератури:
1. Макаренко М. П. Системный анал1з електромагштних процеав у нашвпроввдникових перетворювачах електроенергп модуляцшного типу / М. П Макаренко, В.1. Сенько, М. М. Юрченко - К. : НАН Украни, 1ЕД, 2005. - 241 с.
2. Макаренко М. П. Анал1з електромагштних процеав у перетворювачах з багатозонним регулюванням вихщно! напруги функциями багатопараметричного виду / М. П. Макаренко, В. В. Михайленко // Техн. електродинамша. Тем. вип. "Силова електрошка та енергоефектившсть". - 2002. - Ч. 1. - С. 19-22.
3. Макаренко М.П. Деяш аспекти комп'ютерного анал1зу нашвпроввдникових перетворювач1в електроенергп з багаторозгалуженими структурами / М.П. Макаренко, В.В. Михайленко // Техн. електродинам1ка. Тем. вип. "Силова електрошка та енергоефектившсть". - 2004. - Ч. 1. - С. 112-115.
4. Макаренко М.П. Деяш аспекти системного анал1зу електромагштних процес1в у натвпровщникових перетворювачах електроенерги / М.П. Макаренко, В.В. Михайленко // Вестн. НТУ "Харьковский политехнический институт". "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". - 2005. -Вып. 45. - С. 384-385.
5. Shakweh Y. Assessment of medium voltage PWM VSI topologies for multi-megawatt variable speed drives applications / Y. Shakweh, E. A. Lewis // Proc. IEEE-PESC'99 Conf. - 1999. - P.590-595.
6. Wheeler P. W. The Technology and Potential of Matrix Converters / P. W. Wheeler, J. C. Clare, L. Empringham, M. Bland // Power Electronics Europe. - 2001, № 5. - P. 25-28.
7. Gyugyi L. Static Power Frequency Changers / L. Gyugyi, B. R. Pelly - New York, NY: Wiley. - 1976. -442 p.
8. Sinha G. A four level inverter based drive with a passive front end / G. Sinha, T.A. Lipo // Proc. IEEE-PESC'99 Conf. - 1999. - P.590-595.
9. Pena R. A doubly-fed induction generator using back-to- back PWM converters supplying an isolated load from a variable speed wind turbine / Pena R., Clare J. C., Asher G. M. // Proc. IEE. - 1996. - Part B, Vol. 143, № 5. -P. 380-387.
10. Holmer L. Analysis, design and implementation of the space-vector modular for forced-commutated cycloconverters / L. Holmer, D. Borojevic // IEE Proceedings-B. - 1992, - Vol. 139, №2. - P.103-113.
References:
1. Makarenko, M.P., Senko, V.I., Yurchenko, М.М. (2005), Sistemtiy analiz electromagnitnyh procesiv u napivprovidnykovyh peretvoruvachah electroenergii modulaciynogo typu [System analysis of the electromagnetic processes in semiconductor converter of the electric powers inflexion type], National academy of the sciences of the Ukraine, Institute of electrodinamiks Publ., Kyjv, Ukraine, 241 p.
2. Makarenko, M.P. Mihaylenko, V.V. (2002), "Analiz electromagnitnyh procesiv u peretvoruvachah z bagatozonnym reguljuvannjam vuhidnoji naprugy funkciyamy bagatoparametruchnogo vydu" ["The Analysis of the electromagnetic processes in converter with much zoned regulations of the output voltage function multivariable type"], Technicheskaia electrodinamika. Silova electronika i energoefectivnist. Thematic vypusk. Publ., Kyjv, Ukraine, Part 1, P. 19-22.
3. Makarenko, M.P., Mihaylenko, V.V. (2004), "Deyaki aspecty kompyuternogo analizu napivprovidnykovyh peretvoruvachiv electroenergii z bagatorozgaludgenymy structuramy" ["Some aspects of the computer analysis of the semiconductor converters to electroenergy with much furcated structure"], Technicheskaia electrodinamika. Silova electronika i energoefectivnist. Thematic vypusk Publ., Kyjv, Ukraine, Part 1, P. 112-115.
4. Makarenko, M.P., Mihaylenko, V.V. (2005), "Deyaki aspecty systemnogo analizu electromagnitnyh procesiv u napivprovidnykovyh peretvoruvachah electroenergii" ["Some aspects of the system analysis of the electromagnetic processes in semiconductor converter of the electroenergy"], Herald national technical "Harikovskiy pollytechnic institute". "Problems automated electrodrive. Theory and practice" Publ., Kharkov, Ukraine, Vol. 45, P. 384-385.
5. Shakweh, Y., Lewis, E.A. (1999), "Assessment of medium voltage PWM VSI topologies for multi-megawatt variable speed drives applications", Proc. IEEE-PESC99 Conf. Publ., London, England, P.590-595.
6. Wheeler, P. W., Clare, J.C., Empringham L., Bland M. (2001), "The Technology and Potential of Matrix Converters", Power Electronics Europe Publ., London, England, № 5, P. 25-28.
7. Gyugyi, L., Pelly, B. R. (1976), Static Power Frequency Changers, NY. Wiley, New York, 442 p.
8. Sinha, G. A, , Lipo, T.A. (1999), "A four level inverter based drive with a passive front end", Proc. IEEE-PESC 99 Conf., P. 590-595.
9. Pena, R., Clare, J. C., Asher, G. M. (1996), "A doubly-fed induction generator using back-to- back PWM converters supplying an isolated load from a variable speed wind turbine", Proc. IEE., Part B, Vol. 143, № 5, pp. 380387.
10. Holmer, L., Borojevic, B. D. (1992), "Analysis, design and implementation of the space-vector modular for forced-commutated cycloconverterlmer", IEE Proceedings, Vol. 139, № 2, P.103-113.
Поступила в редакцию 19.12 2014 г.
