CC BY
13УДК 621.314.58
МОДЕЛИРОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ЦЕПИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
Сокут Л.Д., Муровский С.П., Акулиничев Н.М.,
Академия строительства и архитектуры, ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского» Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181, shmisser@gmail. com
Аннотация. В работе приведены результаты математического моделирования в пакете Matlab Simulink универсального полупроводникового преобразователя на IGBT-модулях, состоящего из трехфазного мостового управляемого выпрямителя, трехфазного мостового инвертора и фильтров в цепи постоянного и переменного тока; на модели проанализированы гармонические составляющие в цепях преобразования тока и напряжения и рассмотрены с помощью модели пути повышения качества электрической энергии при использовании полупроводникового преобразователя в цепях регулирования характеристик электрических машин.
Ключевые слова: моделирование, полупроводниковый преобразователь, гармонические составляющие тока и напряжения, электрические машины, электроснабжение
ВВЕДЕНИЕ
В системах электропривода и электроснабжения средней и большой мощности находят широкое применение универсальные полупроводниковые преобразователи (УПП) на IGBT-модулях [1, 2].
УПП эффективно применяются в таких устройствах с регулируемыми параметрами и режимами как:
-трехфазные электрические генераторы ветроэлектроустановок (ВЭУ) в составе ветроэлектростанций (ВЭС) [3];
-преобразователи тока и напряжения фотоэлектрических батарей (ФБ) в цепях солнечных электростанций (СЭС) [4];
-устройства безщеточного возбуждения трехфазных синхронных генераторов энергоблоков традиционных электростанций - тепловых, атомных, гидроэлектростанций [5];
-трехфазные электрические двигатели переменного тока, синхронные и асинхронные, в электроприводе насосов, компрессоров, вентиляторов, тепловых насосов [6];
-заряд и разряд аккумуляторов в цепях накопителей энергии ВЭС и СЭС [7].
При всем разнообразии управления и регулирования УПП в перечисленных устройствах, общей задачей является повышение качества электрической энергии, в частности, снижение величины и состава гармонических составляющих тока и напряжения, наличие которых приводит к ухудшению характеристик электрических машин, сетей электроснабжения, повышению потерь энергии и снижению КПД.
Возможность снижения величины и состава гармонических составляющих тока и напряжения при использовании УПП состоит в применении фильтров в цепях постоянного и переменного тока, а также в выборе оптимального способа регулирования управляемого выпрямителя (УВ) и инвертора (И), входящих в УПП [1, 2].
Рассмотрение вариантов применения фильтров и алгоритмов регулирования УВ и И при работе УПП удобно выполнить на математической модели [8, 9].
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИРУЕМОЙ СХЕМЫ
Для модели выбрана схема УПП, состоящая из управляемого мостового трехфазного выпрямителя и трехфазного мостового инвертора в цепи трехфазного асинхронного генератора(ЭГ) с фазным ротором ВЭУ (рис. 1) [10].
На рисунке 1 изображена схема включения статорной и роторной обмоток ЭГ и 1111. В составе 1111 применяются полностью управляемые полупроводниковые элементы - ЮБТ-модули.
В выбранном алгоритме управления используется схема УВ в цепи роторной обмотки ЭГ с переменным углом регулирования а для поддержания постоянной величины выпрямленного напряжения на входе И. При таком алгоритме И
работает на частоте сети с практически постоянным углом регулирования р. На выходе И применяется согласующий ТР2.
Для УВ в схеме (рис. 1) соотношение между средним значением выходного напряжения постоянного тока иБ и действующим значением входного фазного напряжения роторной обмотки и2ФЭ1, определяется выражениями (1, 2):
UB = 2,34 U2mSiCosa - AU (IB ) - AUK
(1)
Рис. 1. Схема включения статорных и роторных обмоток трехфазного асинхронного генератора с фазным ротором и полупроводниковым преобразователем в цепи роторной обмотки ЭГ - трёхфазный асинхронный генератор с фазным ротором; УВ - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ТР1 - трансформатор ВЭУ; ТР2 - согласующий
трансформатор
Fig. 1. The scheme of inclusion of the stator and rotor windings of a three-phase asynchronous generator with a phase rotor and a semiconductor Converter in the rotor winding circuit EG-three-phase asynchronous generator with a phase rotor; UV-controlled rectifier; I-inverter; TP1 - transformer wind turbine; TP2-matching transformer
Для И соотношение между средним значением входного напряжения постоянного тока Цв и действующим значением выходного фазного напряжения и1Ф согласующего ТР равно:
ив = 2,34 и^Соф + Аиг(Iи ) + Аиювт,
(2)
где: а - угол включения ЮБТ-модулей УВ; в -угол включения ЮБТ-модулей И; у - угол коммутации ЮБТ-модулей; 1В - среднее значение постоянного тока; ДЦюет - падение напряжения на ЮБТ-модулях за счет процесса коммутации тока 1В.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО УСТРОЙСТВА
Методика анализа заключается в моделировании электрической цепи с УПП в пакете моделирования МаИаЪ 81ши11пк [8, 9].
На рисунке 2 изображена собранная модель электрической схемы УПП в цепи роторной обмотки трехфазного асинхронного ЭГ с фазным ротором.
Рис. 2. Модель полупроводникового устройства в программной среде Matlab Simulink Rice. 2. Model of semiconductor device in Matlab Simulink software environment
В данной модели блок Powergui необходим для работы компонентов Sim Power System, он задаёт начальные значения всех блоков и инициирует запуск моделирования. ШИМ - генератор управляет инвертором УПП, опираясь на напряжение сети ЭС.
Величина максимальных значений напряжения и частоты тока в цепи ротора ЭГ зависят от значения скольжения si и определяются выражениями (3, 4) [6]:
и2Ф1 - фазное напряжение на обмотке ротора ЭГ при частоте ^и
Smax - максимальное скольжение ЭГ;
f - частота напряжения на обмотке статора
ЭГ.
U2Фi U2Ф0 ' f2s
f s
= s„
• fl.
(3)
(4)
где: П2Ф0 - фазное напряжение на обмотке неподвижного ротора ЭГ,
В модели принимаем несколько ступеней регулирования скольжения Si - 0,2; 0,3 и 0,4 от максимальной частоты тока в обмотке неподвижного ротора - / (принято /1 = 50 Гц).
В табл. 1 представлены величины фазного напряжения и2Ф на обмотке ротора ЭГ, частота тока роторной обмотки и углы включения
выпрямителя а в зависимости от ступени регулирования скольжения si.
Таблица 1. Величины фазного напряжения П2ф на обмотке ротора ЭГ, частота тока роторной обмотки f2Si и углы включения выпрямителя ai в зависимости от ступени регулирования скольжения si
Table 1. The values of the phase voltage U2& on the rotor winding EG, the frequency of the rotor winding current f2Si and the angles of the rectifier AI depending on the stage of slip control si
Ступень f2Si, Гц и2Фi, В Cosai ai, град.
0,2f2Smax 10 897 0,846 32
0,3f2Smax 15 1345 0,564 55
0,4f2Smax 20 1794 0,423 65
На рис. 3, 4 и 5 представлены графики напряжения и силы тока на входе и выходе УВ и на выходе инвертора при углах аI включения УВ 32, 55 и 65 градусов соответственно.
Рис. 3. Графики напряжения и тока при угле включения УВ а = 32° Fig. 3. Graphs of voltage and current at the angle of inclusion of UV а = 32°
Рис. 4. Графики напряжения и тока при угле включения УВ а = 55 Rice. 4. Graphs of voltage and current at the angle of inclusion of UV а = 55
5°
=
Рис. 5. Графики напряжения и тока при угле включения УВ а = 65 Rice. 5. Graphs of voltage and current at the angle of inclusion of UV а = 65
5°
=
Расчёт гармонических составляющих произведён с помощью средств МаНаЪ 81ши11пк и блока Рowergu1. На рисунках 6, 7 и 8 представлены результаты расчёта для напряжений и токов на входе
и выходе УПП. Показаны номера гармонических составляющих до девятой включительно и их величина, в процентном соотношении, от основной частоты (50 Гц).
Ssir.ples per cycle = 1447
DC component = 101.4
F'jndam.ental = 64.52 peak: (45.62 rm.s)
THD = 30.2 64
Samples per cycle DC component F'jndam.ental THD
1447
8.348e+04
5 . 312 e+04 peak (3.756e+04 rms ) 32 3.91%
0 Hz (DC)
50 Hz (Fnd;
100 Hz (h 2)
150 Hz (ИЗ)
200 Hz (h4)
250 Hz (h5)
300 Hz (n6)
350 Hz (h7)
400 Hz (h3)
450 Hz (h9)
157.21% 100.00% 43.37% 33.31% 24.98% 13.33% 16.66% 14.28% 12.43% 11.10%
UA1
30.0° 180.2° 180.3° 130.4° 130.3° 130.6° 180.8° 130.3° 131.0° 131.1°
Samples per cycle = 1447
DC component - 2.184
Fundamental =5 63 peak (3 33.1 rms)
THD = 32.70%
0 Hz 50 Hz 100 Hz 150 Hz 2 00 Hz 2 30 Hz 300 Hz 350 Hz 400 Hz 450 Hz
(DC) : (Fnd): (h2} : (ИЗ) (h4> (hSJ (n6) (h7) (h3) (h9)
IA1
157. , 15% 30, . 0
100. , 00% 134, .1
52 . . 41% 135. .4
30. . 67% 130. .3
23. , 33% 137, .1
22 . ,16% 204, .4
13. , 42% 133, .3
17. , 08% 137, . Э
14. .53% 212 . . 6
16. , 63% 210, .2
Samples per cycle = 1447 DC component - 2.425
Fundamental = 43.2 5 peak (34.12 rms)
THD = 13.43%
0 Hz (DC)
50 Hz (Fnd
100 Hz (h2)
150 Hz (h3)
200 Hz (h4)
250 Hz (h5>
300 Hz (h6)
350 Hz (h7)
400 Hz (h3)
450 Hz (h3)
0.33% 100.00%
4.31% 4.34% 6.33% 3.4 3% 3. 35% 7.51% 1.33% 7.03%
UA2
270.0° -3.5° -6 123 43 -13 42
205.4°
213 . 43 .
0 Hz (DC)
50 Hz (Fnd:
100 Hz (n2)
150 Hz (h3)
200 Hz (h4)
250 Hz (h5)
300 Hz (h6)
350 Hz (n7)
400 Hz (h8)
450 Hz (M)
5 . 03% 100.00%
IA2
41%
21% 40% 47% 21% 98% 35% 45%
30.0° -33.1° 16.3° 41.5° 7.4° -26.3° 3.4° 53. 6° 25.7° -5. 3°
Рис. 6. Результаты определения гармоник при угле включения УВ а = 32° Fig. 6. Results of determination of harmonics at the angle of inclusion of UV а = 32°
5amples per cycle DC component Fundamental THD
0 Hz (DC)
50 Hz (Fnd)
100 Hz (h2)
150 Hz (h3)
200 Hz fn4)
250 Hz (n5)
300 Hz (n6)
350 Hz (n7)
400 Hz ( -13 )
450 Hz (h3)
2764 227.6
144.4 peak (102.1 rm.s) 80.20%
157.57% 100.00% 43.34% 33.23% 24.36% 13 .37% 16.64% 14.26% 12 .43% 11.03%
UA1
5amples per cycle DC component Fundamental THD
30. 130. 130. 130. 180 . 180 . 180. 180. 180. 180.
2764 14 . 63
657.7 peak (465.1 rm.s) 113.31%
5amples per cycle DC component Fundamental THD
0 Hz (DC)
50 Hz (Fnd)
100 Hz (h2)
150 Hz (h3)
200 Hz (n4)
250 Hz (n5)
300 Hz (n6)
350 Hz (n7)
400 Hz ( -13 )
450 Hz (h3)
2764
1 . 364e+05
1.203e405 peak (3.541e+04 rm.s) 652.30%
Samples per cycle DC component F jindajf.e nt a 1 THD
154.23% 100.00% 52.33% 33.56% 28 .2-3% 21.24% 13.6 6% 17.73% 11.52% 12.40%
IA1
30.0° 181.1° 181.8° 188.2° 130.3° 173.4° 137.0° 173.0° 171.2° 137.3°
2764 4.072
5 6.22 peak (33.75 rm.s) 20.41%
0 Hz (DC) 2 22% 30 0
50 Hz (Fnd : 100 00% -10 7
100 Hz (h2) 8 33% 65 4
150 Hz (h3) 4 40% 12 6 6
200 Hz (h4) 2 11% -83 6
250 Hz (n5) 4 33% 40 4
300 Hz (n6) 11 61% 245 3
350 Hz (П7) 12 72% 171 6
400 Hz (n3) 7 53% 3 6 1
450 Hz (-13) 12 65% -23 2
0 Hz (DC)
50 Hz (Fnd
100 Hz (h2)
150 Hz (h3)
200 Hz (h4)
250 Hz (h5)
300 Hz (he)
350 Hz (n7)
400 Hz (h8)
450 Hz (h3)
UA2
IA2
7.24% 100.00% 13.71% 7.33% 2 . 34% 4.36% 1.66% 4.56% 4.05% 2 .75%
30. -35.
31. 33. 26.
2 . 12 6 . 64. 11. -61.
Рис. 7. Результаты определения гармоник при угле включения УВ а = 55° Fig. 7. Results of determination of harmonics at the angle of inclusion of UV а = 55°
Samples per cycle = 4733
DC component = 403.1
Fundamental = 255.1 peak (180.4 rms)
IHD = 30.12%
Samples per cycle = 4733 DC component = 3.375e405
Fundamental = 2.115e+05 peak (1.435e+05
IHD = 52 3.34%
0 Hz (DC) 153 02% 30 0
50 Hz (Fnd): 100 00% 130 5
100 Hz (h2) 43 30% 130 3
150 Hz (h3> 33 25% 130 3
200 Hz (h4) 24 34% 130 3
250 Hz (h5) 13 35% 130 3
300 Hz (h6) 16 62% 130 3
350 Hz (h7) 14 25% 130 3
400 Hz (h3) 12 47% 130 4
450 Hz (h9) 11 03% 130 4
UA1
0 Hz (DC) 153 62% 30 0
50 Hz (Fnd : 100 00% 181 0
100 Hz (n2) 43 71% 181 1
150 Hz (h3) 33 45% 181 5
200 Hz (n4) 27 20% 173 0
250 Hz (n 5) 13 35% ISO 0
300 Hz (h6) 17 36% 180 2
350 Hz (n7) 12 46% 181 4
400 Hz (n3) 14 37% 134 3
450 Hz (h9) 10 24% 172 5
IA1
Samples per cycle DC component Fundamental IHD
4733 20 . 32
632.3 peak (432.3 rrr.s) 135.14%
0 Hz (DC) 3 05% 30 0
50 Hz (Fnd): 100 00% -11 3
100 Hz (12) 5 44% 0 7
150 Hz (-13) 4 67% 133 4
200 Hz (n4) 11 ■35% 125 6
250 Hz (15) 3 77% 35 7
300 Hz (-16) 12 33% 213 3
350 Hz (n7) 6 00% -42 3
400 Hz (13) 3 2 3% 13 1
450 Hz (13) 21 21% 165 7
UA2
Samples per cycle = 4733 DC component = 5.434
Fundamental = 53.72 peak (41.52 rms)
IHD = 20.02%
0 Hz 50 Hz 100 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 300 Hz 350 Hz 400 Hz 450 Hz
(DC) :
(Fnd):
(i2) :
(h3)
(h4>
(h5)
(h6>
(h7>
(n3)
(h3)
3 . .36% 30 . . 0
100, ,00% -36, ,1
3 . . 10% 11. . 3
5 . . 05% 62 . . 3
3, ,23% 42 , , 3
6 . . 35% 21. . 3
3 . . 60% 32 . . 4
1, , 36% -24, ,5
2 . .53% -2 . . 5
5 . . 64% 66 . . 3
IA2
Рис. 8. Результаты определения гармоник при угле включения УВ а = 65° Fig. 8. Results of determination of harmonics at the angle of inclusion of UV а = 65°
ВЫВОДЫ
По результатам моделирования процессов можно сделать следующие выводы:
1. На выходе УПП присутствует широкий спектр гармонических составляющих, для подавления которых необходимо применять активные или пассивные фильтры. Гармонические составляющие тока и напряжения возникают как в питающей сети на входе УПП, так на его выходе. Вторая и третья гармонические составляющие оказывают наибольший негативный эффект на синусоидальную форму тока питающей сети.
2. Возможности регулирования УВ и качество выпрямленного напряжения напрямую зависят от блока управления. При выборе блока управления необходимо учитывать диапазон изменения напряжения на входе УВ и соответственно диапазон изменения углов регулирования а,, для поддержания постоянной величины выпрямленного напряжения.
3. Так как с увеличением углов регулирования а, УВ возрастает объем гармонических составляющих на входе и выходе УПП, выбор фильтров следует производить при максимальных значениях углов а,.
4. В дальнейшем необходимо проанализировать с помощью модели влияние углов
регулирования И в случае изменения величины выпрямленного напряжения УВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Онищенко Г.Б., Соснин О.М. Силовая электроника. Силовые полупроводниковые преобразователи для электропривода и электроснабжения:учебное пособие/М. - Инфра, 2018. - 122 с.
2. Бурков А.Т. Электроника и преобразовательная техника. В 2 томах. Издательство: М.: УМЦ ЖДТ, 2015. - 480+307с.
3. Акулиничев Н.М., Сокут Л.Д. Типы электрических генераторов и схемные решения ветроэлектроустановок // «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность -2017»: материалы научно-практической конференции с международным участием, Севастополь 11-17 сентября 2017 г. / Севастополь: СевГУ, 2017 - С. 40 - 47.
4. Бекиров Э.А., Сокут Л.Д. Основные этапы расчета параметров солнечной электростанции. 18.ТАЕЕ Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2013. - № 17(39) - С. 29-35.
5. Техническая эксплуатация электрических станций и сетей. Правила: - утв. М-вом энергетики Рос. Федерации 19.06.03: - М.: ЭНАС, 2003. - 628 с.
6. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. -832 с., ил.
7. Сокут Л.Д. Перспективы развития систем электроснабжения за счет подключения ветровых и солнечных электростанций с накопителями энергии
в общую энергосистему. /Л.Д. Сокут, А.С. Муровская // Строительство и техногенная безопасность. - 2017. - № 59. - С. 113-121.
8. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб: КОРОНА Принт, 2001. - 320 с.
9. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЬАВ. Sim Power Systems & Simulink. - М.: ДМК Пресс,2007. -288 с, ил.
10. Неисчерпаемая энергия. Кн.1.Ветроэлектрогенераторы / В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев.- Учебник.-Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т, Севастополь: Севаст. нац.техн.ун-т, 2003.- 400 с.
REFERENCES
1. Onishchenko GB, Sosnin OM Power electronics. Power semiconductor converters for electric drive and power supply: a manual / M. - Infra, 2018. -122 p.
2. Burkov A.T. Electronics and converter technology. In 2 volumes. Publisher: M .: UMTS ZhDT, 2015. - 480 + 307s.
3. Akulinichev NM, Sokut L.D. Types of electric generators and circuit solutions for wind power plants // "Environmental, industrial and energy security - 2017": materials of the scientific and practical conference with international participation, Sevastopol September 11-17,
2017 / Sevastopol: SevGU, 2017 - P. 40 - 47.
4. Bekirov EA, Sokut L.D. The main stages of calculating the parameters of a solar power plant. ISJAEE International Scientific Journal "Alternative Energy and Ecology", 2013. - No. 17 (39) - P. 29-35.
5. Technical operation of power plants and networks. Rules: - ut. Ministry of Energy Ros. Federation of 19.06.03: - Moscow: ENAS, 2003. - 628 p.
6. Woldek A.I. Electric cars. Textbook for high school students. tech. training. institutions. - 3rd ed., Pererab. - L .: Energia, 1978. - 832 p., Ill.
7. Sokut L.D. Prospects for the development of power supply systems through the connection of wind and solar power stations with energy storage in the common energy system. /L.D. Sokut, A.S. Murovskaya // Building and technogenic security. - 2017. - No. 59. -P. 113-121.
8. Herman-Galkin SG Computer simulation of semiconductor systems in MATLAB 6.0: Study Guide. - St. Petersburg: CROWN Print, 2001. - 320 p.
9. Chernykh I.V. Modeling of electrical devices in MATLAV. Sim Power Systems & Simulink. - Moscow: DMK Press, 2007. - 288 s, ill.
10. Inexhaustible energy. Kh.1. Wind power generators / B.C. Krivtsov, A.M. Oleinikov, A.I. Yakovlev.- Textbook .- Kharkov: National. aerospace. University of Kharkov. aviats. in-t, Sevastopol: Sevast. National Technical University, 2003.- 400 p.
MODELING UNIVERSAL SEMICONDUCTOR CONVERTER CIRCUIT OF THE ELECTRICAL
MACHINERY MEDIUM AND HIGH POWER
Sokut L.D., Murovskiy S.P., Akulinichev N.M.
Summary. The paper presents the results of mathematical modeling in Matlab Simulink universal semiconductor Converter on IGBT-modules, consisting of a three-phase bridge controlled rectifier, three phase bridge inverter and a filter circuit for AC and DC; on the model of analyzed harmonic components in the circuits convert the voltage and current and is reviewed using models of ways to improve the quality of electrical energy semiconductor Converter circuits-regulation characteristics of the electric machines.
Key words: modeling, semiconductor Converter, harmonic components of current and voltage, electric machines, power supply
