Исследование влияния полупроводниковых преобразователей на питающую сеть на основе математических моделей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

УДК 621.314.57 В. Н. ГОРЮНОВ

К. В. ХАЦЕВСКИЙ А. А. ШАГАРОВ Д. А. ШАГАРОВ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ______________________________________________

В статье выполнены исследования влияния источников вторичного питания на питающую сеть с помощью созданных в программном комплексе МаІЬаЬ имитационных моделей. Получены осциллограммы токов и напряжений на элементах схемы, диаграммы спектрального состава сетевого тока.

Ключевые слова: качество электроэнергии, электромагнитная совместимость, математическая модель, источник вторичного питания.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14S37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

1. Постановка задачи. Полупроводниковые преобразователи, используемые в различных технологических установках и устройствах, имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, следовательно, потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. Протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения. Деформация синусоиды напряжения приводит к увеличению потерь, а в крайних ситуациях даже к нарушениям работы машин и оборудования.

Частным случаем использования полупроводниковых преобразователей являются источники питания установок элекролитно-плазменной обработки (ЭПО). Основным отличием электролитно-плазменной обработки от общеизвестных электрохимических процессов является использование высоких напряжений (от 200 В до 800 В).

Электролизер для проведения процесса электролитно-плазменной обработки представляет собой сложную электрическую частотно-зависимую нагрузку для источника питания, изменяющуюся во времени и содержащую участки вольтамперной характеристики с отрицательным динамическим сопротивлением. Для практической реализации ЭПО требуются соответствующие источники питания, являющихся составной частью установки, к которым предъявляются специфические требования, направленные на достижение требуемых характеристик получаемых покрытий.

Разработка современных технологических источников питания требует не только анализа влияния

нагрузки на работу источника, но и анализа влияния источника питания на питающую сеть. Использование современных средств моделирования позволяет повысить эффективность подобного анализа, так как процесс формирования уравнений, описывающих электромагнитные процессы в системах силовой электроники, формализован, и соответствующие алгоритмы в совокупности с численными методами интегрирования и сервисными функциями (математические модели) реализованы в виде стандартных сред моделирования [1].

В данной статье будет смоделировано влияние источника питания, для проведения процесса ЭПО алюминия, на питающую сеть с помощью пакета прикладных программ МаНаЬ. Анализ проводился как для чисто активной нагрузки, так и для модельной нагрузки, построенной по литературным данным [2].

2. Моделирование работы источника питания. На рис. 1 представлена электрическая схема источника питания для ПЭО. Принцип работы источника питания, показанного на рис. 1, состоит в следующем. При включении транзистора УТ1, ток в дросселе Ь1 начинает линейно нарастать, пока от системы управления не поступит сигнал на запирание УТ1. При выключении транзистора УТ1 энергия из дросселя Ь1 через диод Ут передается в конденсатор С1 выходного фильтра и нагрузку ZH. При этом в процессе размыкания транзистора УТ1 на дросселе наводится значительная по величине ЭДС, направленная согласно с напряжением диодного моста 3. В результате напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на дросселе Ь1 и источника питания (диодный мост 3) и больше последнего. Регулирование величины напряжения на нагрузке производится на основе широтно-

223

Рис. 1. Имитационная модель источника питания установки ЭПО в среде МаНаЬ

єюг (огО гоЫ яинюза иіяньлун ииюіліо

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

На

1‘Ъ-

—* УС сннх 1 КП 2 &и ГИ t-''ген ФИ ^ упр

,

Рис. 2. Структурная схема широтно-импульсной системы управления повышающего регулятора

Рис. 3. Модель широтно-импульсного повышающего регулятора:

1 — устройство синхронизации; 2 — задатчик порогового значения; 3 — компаратор; 4 — формирователь выходных импульсов

импульсной модуляции. При этом входной ЬфСф-фильтр обеспечивает потребление непрерывного тока из питающей сети [3]. Особенность схемы заключается в том, что начальные включения транзистора VT1 синхронизируются с моментами естественной коммутации вентилей катодной (VD1, VD3, VD5) и анодной (VD2, VD4, VD6) групп выпрямительного моста 3.

На рис. 2 представлена структурная схема системы управления. Система управления содержит устройство синхронизации (УС), компаратор (КП), генератор прямоугольных импульсов (ГП), формирователь выходных импульсов (ФИ). Принцип работы системы управления заключается в следующем. Устройство синхронизации (УС) отслеживает моменты естественной коммутации силовых диодов выпрямительного моста, сравнивая фазные напряжения вторичной обмотки силового трехфазного трансформатора (рис. 1) ua, ub, uc. В случае равенства фазных напряжений, что соответствует моменту естественного отпирания диодов анодной и катодной групп, УС выдает запускающий синхроимпульс Ucuhx длительностью 120 электрических градусов. Сформированный синхроимпульс подается на вход 1 компаратора (КП). Компаратор, в результате сравнения сигнала, поступившего на вход 1 с некоторым пороговым значением Unop (вход 2), формирует сигнал ошибки DU, который запускает генератор прямоугольных импульсов (ГИ). В результате чего прямоугольные импульсы, формируемые блоком ГИ UreH, поступают на формирователь выходных импульсов (ФИ), представляющий собой драйверное устройство, содержащее все необходимые элементы для управления затвором IGBT транзистора. ФИ обеспечивает необходимые уровни согласования токовых и потенциальных сигналов, длительностей фронтов и задержек, а также необходимые уровни защиты

управляемого транзистора при опасных уровнях напряжения насыщения (токовая перегрузка или короткое замыкание) и недостаточном напряжении на затворе. Таким образом, система управления формирует прямоугольные управляющие импульсы требуемой длительности (10— 190 мкс), которые через выходной порт ФИ системы управления Uynp подаются на затвор силового транзистора VT1 в течение 120 электрических градусов. Частота следования управляющих импульсов — 5 кГц. Необходимо отметить, что введение синхронизации в систему управления позволяет уменьшить потери в силовом транзисторе VT1 и поддерживать коэффициент сдвига, представляющий собой сдвиг первой гармоники первичного тока относительно кривой первичного напряжения, на уровне порядка единицы в процессе регулирования выходного напряжения, что рекомендовано в работах [3, 4].

В электрической схеме источника питания (рис. 1) широтно-импульсная система управления показана в виде блока Control System, схема которой представлена на рис. 3. Приведенная модель силовой части источника и широтно-импульсной системы управления позволяет реализовать требуемый алгоритм управления источником питания, представленный выше.

3. Результаты моделирования. В качестве нагрузки при моделировании источника питания использовались: активное сопротивление и последовательнопараллельная схема замещения электролизера при ПЭО алюминия (модельная нагрузка), представленная на рис. 1 [2]. Значения сопротивлений и емкости выбирались для характерных моментов обработки: начало (1-я минута) и окончание (60-я минута). Значение полного комплексного сопротивления модельной нагрузки оценивалось на частоте преобразования 5 кГц. Условия, при которых проводилось мо-

Варианты нагрузки источника

Моделируемый момент времени обработки, мин 1 60

Активная нагрузка Ян1 = 50 Ом RHi = 200 Ом

Модельная нагрузка RHi= 10 Ом, ЯН2= 58 Ом Сн =0,38 мкФ Zri = 56е--'28' Ом RHi = 11 Ом, RH2 = 324 Ом Сн= 0,24 мкФ Zh2= 127е-'62' Ом

Таблица 2

Временные параметры работы силового транзистора

Режим работы источника Стабилизированный Импульсный

Длительность открытого состояния силового транзистора та, мкс 10-190 50- 190

Период переключения силового транзистора Тпер, мкс 200

Рис. 4. График входного тока 1ф (а), входного напряжения и диаграммы их спектрального анализа

для модельной нагрузки г1й=127е~)в2°Ом в импульсном режиме

Рис. 5. График входного тока 1ф (а), входного напряжения [ (б) и диаграммы их спектрального анализа для активной нагрузки Яі1=200 Ом в импульсном режиме

б

а

б

а

делирование для импульсного и стабилизированного режимов работы источника питания, сведены в табл. 1 и 2 [5].

В результате моделирования были получены графики входного тока 1ф и входного напряжения иф, а также диаграммы спектрального анализа гармонического состава, при работе модели источника питания на активную и модельную нагрузки в импульсном и стабилизированном режимах.

На рис. 4а, б и рис. 5а, б представлены графики для импульсного режима работы на модельную и активную нагрузки, на рис. 6а, б и рис. 7а, б — графики для стабилизированном режима работы. Оценивание гармонического состава тока и напряжения

будем проводить на основании анализа суммарного гармонического искажения — Total Harmonic Distortion (THD) [6].

Из полученных графиков видно, что характер нагрузки и режим работы источника питания незначительно влияют на формы кривых тока и напряжения, что видно из величин коэффициента THD. В кривых тока и напряжения присутствуют 3-я, 5-я, 7-я, 9-я, 11-я, 13-я, 17-я, 19-я гармоники.

Исходя из условий работы источника питания (табл. 1, 2) моделирование в обоих режимах проводилось при различных скважностях импульсов Q. Полученные результаты представлены в табл. 3 и 4. Из полученных результатов видно, что при стабили-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013

Рис. 6. График входного тока 1ф (а) и напряжения Ц (б) и диаграммы их спектрального анализа для активной нагрузки П .=200 Ом в стабилизированном режиме

Рис. 7. График входного тока ф (а) и напряжения иф (б) и диаграммы их спектрального анализа для модельной нагрузки ^ї2=127е-і62 в стабилизированном режиме

Таблица 3

Стабилизированный режим

б

а

б

а

THD Іф/Щ

Q 0,05 0,2 0,4 0,5 0,7 0,95

¿Н1 = 56е^28Ом 13,99/3,62 5,17/7,66 2,91/11,63 2,41/10,93 1,28/6,05 1,97/0,28

ZH2= 127е--іб2Ом 27,14/2,79 5,88/8,61 3,91/11,34 3,67/12,40 1,76/12,10 2,13/1

RH1=50 Ом 10,65/3,6 5,38/7,57 2,99/10,57 2,25/9,43 1,04/6,05 1,96/0,23

RH1= 200 Ом 21,71/2,98 5,93/8,36 4,21/11,53 2,73/12,6 1,67/11 2,05/0,64

Таблица 4

Импульсный режим

THD Іф/иф

Q 0,5 0,6 0,8 0,95

¿н1 = 56е--'28Ом 2,67 / 12,34 1,9 / 11,66 1,04 / 4,08 2,0 / 0,41

ZH2= 127е--і62Ом 3,99 / 12,32 3,32 / 13 1,79 / 9,86 2,17 / 1,26

RH1 = 50Ом 2,35 / 12,33 1,93 / 11,25 0,97 / 4,25 2,0 / 0,37

RH1 = 200Ом 3,92 / 12,33 3,22 / 12,98 1,62 / 9,83 2,15 / 1,17

зированном и импульсном режимах работы, на модельную и активную нагрузки, величина искажений вносимых источником питания в кривую тока уменьшается с увеличением скважности импульсов, но приближаясь в 0=1 коэффициент ТИЭ незначительно возрастает.

В то же время величина искажений, вносимых источником питания в кривую напряжения, сначала увеличивается с увеличением скважности импульсов, а потом стремительно уменьшается. При этом диапазон скважности О, на котором ТИЭ возрастает, тем

больше, чем больше величина нагрузки источника питания.

Библиографический список

1. Черных, И. В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / И. В. Черных. — М. : ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. — 496 с.

2. Parfenov, E. V. Freguency response studies for the plasma electrolytic oxidation process / E. V. Parfenov, A. L. Yerokhin,

A Matthews // Surface and Coatings Technology. — 2007. — Vol. 201. - P. 661-670.

3. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск : НГТУ, — 2003.

4. Зиновьев, Г. С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей / Г. С. Зиновьев. — Новосибирск : НГТУ, 1990. — 220 с.

5. Математическое моделирование процессов в источнике питания для электролитно-плазменной обработки / Д. М. Лазарев [и др] // Вестник УГАТУ. — 2008. — № 2. — С. 131 — 141.

6. Герман-Галкин, С. Г. Модельное исследование основных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей. Моделирование устройств силовой электроники / С. Г. Герман-Галкин // Силовая электроника. — 2008. — № 1.— С. 92 — 99.

ГОРЮНОВ Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий ка-

федрой «Электроснабжение промышленных предприятий», декан энергетического института. ХАЦЕВСКИЙ Константин Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». ШАГАРОВ Александр Анатольевич, аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».

ШАГАРОВ Дмитрий Анатольевич, магистрант группы РЗА-512.

Адрес для переписки: хку-ро81@гашЫег.т

Статья поступила в редакцию 15.01.2013 г.

© В. Н. Горюнов, К. В. Хацевский, А. А. Шагаров,

Д А. Шагаров

УДК 621.301.1 а. д. ЭРНСТ

П. Н. МАТВИЕНКО Т. П. МАТВИЕНКО

Омский государственный технический университет

Филиал ОАО «МРСК Сибири» — «Омскэнерго»

ВОПРОСЫ КОМПЕНСАЦИИ ЕМКОСТНОГО ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТЯХ 6-10 КВ

ЭНЕРГОЕМКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ______________________________

Статья посвящена вопросу компенсации емкостных токов в системах промышленного электроснабжения энергоемких предприятий. Выявлено различие законов изменения и предложены формулы нелинейной экстраполяции для расчета емкостного тока замыкания на землю, ориентированные на минимальное по термической стойкости сечения кабельных линий для кабелей с бумажной изоляцией и современных кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена. На примере энергоемкого предприятия показано, что при выборе степени расстройки компенсации необходим учет емкости электродвигателей, трансформаторов и присоединений.

Ключевые слова: емкостный ток, кабель из сшитого полиэтилена, емкость присоединений, надежность электроснабжения.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г.

Экономичность работы энергоемких предприятий в большой степени зависит от надежности развитых кабельных сетей. Однофазные замыкания на землю являются преобладающим видом повреждений в распределительных сетях промышленных предприятий с изолированной нейтралью. При замыкании на землю возникают емкостные токи, определяемые электрической емкостью всей электрически связанной сети Сх

!с=3(оСхи. (1)

Влияние на электрическую емкость в первую очередь оказывают кабельные линии. При большом числе трансформаторов, высоковольтных двигателей, шинных конструкций, коммутационных аппаратов, распределительных пунктов и других элементов в сетях энергоемких предприятий их емкость может быть соизмерима с емкостью распределительной сети, что не учитывается в современной практике расчетов и нет оценок реальной доли этих элементов в общем токе замыкания на землю. Заниженное же расчетное значение тока может привести к непра-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

227