CC BY
24
УДК 621.311
МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР КАК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ АВТОНОМНЫХ ТРЁХФАЗНЫХ СЕТЕЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
С.Г. Воронин, О.О. Султонов
В статье рассматриваются особенности построения автономной системы электроснабжения малой мощности, в частности, на основе альтернативных источников электроэнергии для бытовых потребителей, не предъявляющих жёстких требований к содержанию высших гармоник в фазных напряжениях. Показано, что для этих целей может быть использован трёхфазный мостовой инвертор, преобразующий постоянное напряжение от первичного источника в ступенчатое трёхфазное напряжение промышленной частоты. Доказывается, что при использовании дискретного преобразователя удаётся относительно просто решить задачу симметрирования напряжения при несимметричной нагрузке. Вопросы симметрирования решаются не за счёт преобразования выходных напряжений в векторную форму с последующей реализацией процедуры симметрирования и обратного преобразования, а путём регулирования напряжения нулевого провода трёхфазной системы относительно одной из шин источника постоянного тока. Алгоритмически и технически процедура симметрирования при этом оказывается существенно проще. Ступенчатый характер выходного напряжения при правильном выборе способа коммутации ключей не приводит к появлению содержания высших гармоник в составе фазных напряжений, превышающих допустимые нормативными документами значения.
Ключевые слова: мини ГЭС, возобновляемые источники энергии, полупроводниковый преобразователь, высшие гармоники напряжения, качество электроэнергии, несимметричная нагрузка, симметрирование напряжения, дискретная коммутация, трехфазный автономный инвертор, пропорционально- интегральный регулятор.
Одной из наиболее актуальных проблем современного электроснабжения является проблема обеспечения качества электроэнергии [1] Основная причина ухудшения качества электроэнергии широкое распространение нелинейных и несимметричных нагрузок в трёхфазной сети, создающих при своей работе токи несинусоидальной формы. Кроме того, высшие гармоники, которые можно представить в виде бесконечной суммы гармоник, частоты которых кратны основной частоте питающей сети, могут возникать и в результате несовершенства генерирующих установок. Высшие гармоники оказывают неблагоприятное влияние на работу силового электрооборудования, устройств релейной защиты и автоматики, вызывают ускоренное старение изоляции. Потери мощности в распределительной сети низкого напряжения из-за нелинейных и несимметричных нагрузок составляют до 10 процентов от средней передаваемой мощности [2].
Таким образом, важно ограничить эти факторы ухудшения качества электроэнергии. Ряд законов и стандартов, касающихся качества электроэнергии [3-9], устанавливаются путем введения ограничений на гармоники тока и несимметрию напряжения. Когда речь идет о нелинейных и несимметричных нагрузках, они создают серьезные проблемы в изолированных системах, таких как мини ГЭС, работающих в автономном режиме [10-11]. Многочисленные технические решения для понижения гармоник тока (активные фильтры) и повышения коэффициента мощности (батареи конденсаторов) уже успешно применяются на практике. [12]. В то же время значительно возросло использование возобновляемых источников энергии в качестве удаленных энергоблоков. В связи с этим, проблема несимметрии с гармоническим загрязнением стала особенно ощутимой, поскольку мини- ГЭС обеспечивают питание в равной степени как трёхфазных, так и однофазных нагрузок. Для высокой эффективности преобразования постоянного тока
408
в переменный и отслеживания пиковои мощности инвертор должен иметь низкое гармоническое искажение наряду с низкими электромагнитными помехами и высоким коэффициентом мощности. Существует несколько методов переключения для управления инвертором источника напряжения для подавления гармоник и для управления несбалансированными нагрузками [13-16]. Метод дискретной управления силовых ключей является одним них [17]. Работоспособность схемы с дискретной коммутацией может быть оценена на основе анализа уровня искажения на выходе инвертора, спектра гармоник, содержащихся в этом напряжении и сложности реализации. В этой статье основное внимание будет уделено моделированию преобразователей напряжения с дискретной коммутацией на основе трехфазного инвертора, питающего несбалансированную нагрузку. Обсуждаются различные типы топологий трехфазного инвертора и методы модуляции напряжения.
Методы дискретной модуляции трёхфазного напряжения. Принципиальная схема базового трехфазного инвертора как источника напряжения показана на рис. 1. Входное постоянное напряжение может быть от источника постоянного тока или выпрямленного переменного напряжения. Трехфазный инвертор может быть построен путем объединения трех однофазных полумостовых инверторов [17-18]. Он состоит из шести полупроводниковых ключей с обратными диодами. Полупроводниковые ключи периодически открываются и замыкаются в нужной последовательности для получения желаемой формы выходного сигнала. Принципиально возможны три схемы стробирова-ния устройств:
1. Каждый ключ инвертора открыт на интервале 1200;
2. Каждый ключ инвертора открыт на интервале 1800;
3. Каждый ключ инвертора открыт на интервале 1500.
В этом режиме в любой момент времени открыты только два ключа, один из верхней группы, другой- из нижней. Импульсы, поступающие на затвор ключа, указывает период его проводимости и требуется шесть коммутаций за цикл. В этом случае один период напряжения на выходе инвертора разделен на шесть интервалов. Последовательность срабатывания шести ключей показана в табл. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема инвертора источника трехфазного напряжения
Таблица 1
Параметры мощности проводимости 180 градусов
№ п/п Интервал 180 степень коммутации
ключ полярность
(степень) "оп" А В С
1. 0-60 01, 05, 06 + - +
2. 60-120 02, 06, 01 + - -
3. 120-180 03, 01, 02 + + -
4. 180,240 04,02, 03, - + -
5. 240-300 03, 04, 05 - + +
6. 300-360 04, 05 06, - - +
В режиме проводимости 1800 каждый ключ работает в течение периода 1800 в течение полупериода. Полупроводниковые ключи срабатывают по порядку их номеров с интервалом 600 по три ключа на интервале [17]. Работу схемы можно понять из табл. 2.
Таблица 2
Работа в режиме проводимости 120 градусов_
Интервал 120 степень коммутации
№ ключ полярность
(степень ) "оп" А в с
1. 0-60 01, 06 + 0 -
2. 60-120 03, 06 0 + -
3. 120-180 03, 02 - + 0
4. 180,240 05, 02 - 0 +
5. 240-300 05, 04 0 - +
6. 300-360 01, 04 + - 0
В 150-градусном режиме проводимости инвертора каждый ключ проводит на интервале 150 градусов [15]. Он имеет двенадцать шагов, каждый из которых имеет продолжительность 30 градусов для завершения одного цикла выходного переменного напряжения. Это устраняет гармоники более низкого порядка в большей степени. Проводимость различных ключей приведена в табл. 3.
Таблица3
Работа в^ режиме проводимости 150 градусов_
№ интервал 150 степень коммутации
ключ полярность
(степень) "оп" А в с
1. 0-60 01, 02, 06 + - -
2. 60-120 01,02 + 0 -
3. 120-180 01, 02, 03 + + -
4. 180,240 02, 03 0 + -
5. 240-300 02, 03, 04 - + -
6. 300-360 03, 04 - + 0
7. 360-420 03,04, 05 - + +
8. 420-480 04, 05 - 0 +
9. 480-540 04, 05, 06 - - +
10. 540-600 05, 06 0 - +
11. 600-660 01, 05, 06 + - +
12. 660-720 01,06 + - 0
Моделирование инвертора как источника напряжения с использованием техники дискретной коммутации. В данном случае 1200 и 1800 дискретной коммутация сравнивается с 1500 дискретной коммутаций. Форма сигнала фазного напряжения инвертора показана на рис. 3, 4 и 5.
О 0.02 0.04 О.Об 0.08 0.1
01Тзе1=0
Рис. 3. Форма сигнала фазного напряжения при 1200
О 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0ffset=0
Рис. 4. Форма сигнала фазного напряжения при 180°
О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Рис. 5. Форма сигнала фазного напряжения при 1500
Результаты моделирования MATLAB. Моделирование инвертора трехфазного источника напряжения с использованием метода селективного подавления гармоник осуществляется с помощью MATLAB/Simulink. Описан макет схем инвертора трехфазного источника напряжения. Питание постоянного тока для инвертора трехфазного источника напряжения осуществляется от регулируемого источника питания. Аппаратные компоненты инвертора с трехфазным источником напряжения состоят из силовой цепи, схемы драйвера, схемы защиты и схемы управления. В трехфазном инверторе источника напряжения в качестве переключателя используется полупроводниковый полевой транзистор (IGBT). Схема управления состоит из блока микроконтроллера и схемы драйвера. Блок микроконтроллера используется для генерации импульсов затвора для ключа инвертора через схему драйвера. Проект прошел экспериментальную проверку и получены результаты по коммутации импульсных, фазных и линейных напряжений. На рис. 6 показана общая блок-схема оборудования. Блок-схема состоит из регулируемого источника питания, инвертора трехфазного источника напряжения, контроллер и схемы драйвера. Входное питание инвертора - 24В постоянного тока от источника питания с двойной регулировкой. В инверторе используются переключатели IGBT. Схема драйвера используется для управления IGBT.
Силовое напряжение постоянного тока подаётся на вход трехфазного инвертора, а на выход подключается трехфазная нагрузка. Управляющие сигналы, которые генерируются контроллером, подаются в качестве входных сигналов для стробирующих сигналов ключей через схему драйвера. Драйвер используется для управления ключами инвертора. Выходное напряжение переменного тока генерируется на выходной стороне инвертора трехфазного источника напряжения через трехфазную нагрузку, соединенную звездой, с методом подавления гармоник. Форма выходного сигнала и общее гармоническое искажение (ОГИ) измеряются с помощью цифрового запоминающего осциллографа и гармонического анализатора. Последний анализирует содержание высших гармоник с помощью быстрое преобразование Фурье (БПФ). Содержание высших гармоник для каждого метода управления ключами показан на рис. 7, 8 и 9. На рис. 7 показаны результаты анализа для метода 1200- дискретной коммутации.
На рис. 8 показан анализ БПФ для инвертора с трехфазным источником напряжения со 1800- дискретной коммутацией.
Рис. 6. Общая структурная схема оборудования: ДН- датчик напряжения нулевой точки относительно шины «минус» источника питания; ЗЧ- задатчик частоты коммутации ключей; РИ-распределитель импульсов управления ключами; ФН- формирователь заданного значения напряжения общей точки; ДРТ- дискретный регулятор тока
Рипйат егЛа I (50Нг) = 13.23 , ТНО= 31.10%
Рис. 7. Анализ БПФ для трехфазного напряжения 1200 дискретной коммутация
РипйатеШа! (50Нг) = 15.28 , ТНО= 31.08%
Рис. 8. Анализ БПФ для трехфазного напряжения 1800 дискретной коммутация
На рис. 9 представлен анализ БПФ для трехфазного напряжения со 1500 дискретной коммутация.
В табл. 4 показаны результаты сравнения между методом дискретной коммутации для инвертора с трехфазным источником напряжения и избирательным подавлением гармоник для инвертора с трехфазным источником напряжения для различных способов коммутации. Из сравнения видно, что метод 1500 дискретной коммутация с точки зрения отношения величины действующего значения первой гармоники к действующему значению полного выходного напряжения (кв) лучше, чем 1200 и 1800 дискретной коммутация.
Fundamental (50Hz) = 14.76 , THD= 16.27%
О 2 4 6 3 10 12 14 16 1В 20 Harmonic order
Рис. 9. Анализ БПФ для трехфазного напряжения 150° дискретной коммутация
Таблица 4
Сравнение результатов_
№ Параметр Способ коммутации
1200 1500 1800
1 Hz 50 50 50
2 kB 0,954 0,979 0,955
Симметрирование напряжения на выходе полупроводникового преобразователя при несимметричных нагрузках в последние несколько лет вызывает повышенный интерес учёных в связи с её актуальностью и решается, как правило, с использованием преобразований сигналов из трехмерной системы координат в двухмерную [19-25]. При этом требуется использование системы датчиков токов и напряжений (по крайней мере по два на каждый параметр) и отказ любого из них может привести к нарушению алгоритма симметрирования. В электрических сетях бытовых сельских потребителей весьма вероятны перегрузки по фазным токам и короткие замыкания, что может привести к повреждениям датчиков тока. В [23] приведены некоторые недостатки традиционные методы управления с точки зрения завышенного объёма используемых вычислительных операций. Что также приводит к снижению надёжности таких систем.
Можно решать вопросы симметрирования напряжений без преобразований координат с использованием только одного датчика напряжения нулевого провода относительно одной из шин инвертора [17]. Структурная схема такого метода показана на рис. 6. Здесь система управление ключами инвертора разделена на две группы. Первый G1-G6, предназначенная для управления силовыми ключами трёхфазного инвертора, поступает на эти ключи, а вторая ^7, G8) поступает на ключи дополнительной четвёртой стойки для регулирования напряжения нулевого провода относительно шины на уровне либо 0,33^, либо 0.66^ [17].
Заключение. В результате проведённых исследований в среде «MatLab» можно сделать следующее выводы:
1. Использование дискретной коммутации ключей трёхфазного инвертора может обеспечить выходное напряжение с содержанием высших гармоник, хотя и большим, чем при синусоидальной широтно- импульсной модуляции, однако удовлетворяющим требованиям к качеству электроэнергии для бытовых потребителей.
2. Особенно хороший результат в этом плане получим при 180 и 150 градусной коммутации, обеспечивающих отношение действующего значения первой гармоники к действующему значению полного фазного напряжения 0,955 и 0,979 соответственно.
3. В случае дискретной коммутации вопросы симметрирования фазных напряжений при несимметричной нагрузке решаются значительно проще, чем при синусоидальной широтно- импульсной модуляции. Для этого достаточно с помощью замкнутой системы регулировать напряжение нулевого провода относительно шины источника постоянного тока га каждом такте коммутации.
Список литературы
1. Жежеленко И.В. «Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий 2-е изд.». М.: Энергоатомиздат, 1984. 160 с.
2. IEC 61000-2-8:2002 Electromagnetic compatibility (EMC) — Part 2—8: Environment — Voltage dips, short interruptions on public electric power supply system with statistical measurement results. 2002.
3. Yunwei L., Vilathgamuwa D.M., Chiang, L.P. Microgrid power quality enhancement using a three-phase four-wire grid-interfacing compensator // IEEE Trans. Power Electron. 2005. Vol. 19. No. 1. P. 1707-1719.
4. Thomas S.Key, Senior Member, IEEE, and Jih-Sheng Lai, Senior Member. IEEE-Comparison of Standards and Power Supply Design Options for Limiting Harmonic Distortion in Power Systems // IEEE tkansactions on industry applications. 1993. Vol. 29. Ko. 1. 1993.
5. Thomas S. Key Jih-Sheng Lai IEEE and International Harmonic Standards Impact on Power Electronic Equipment Design // Power Electronics Applications Center 1052 1 Research Drive, Suite 400 Knoxville, Tennessee 37932 Virginia Power Electronics Center 661 Whittemore Hall Blacksburg, Virginia 24061-01 11.
6. Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 1-7: General - Power factor in singlephase systems under non-sinusoidal conditions. IEC TR 61000-1-7:2016 © IEC 2016.
7. Electromagnetic compatibility - Part 1 -8: General - Phase angles of harmonic current emissions and voltages in the public supply networks - Future expectations IEC TR 610001-8:2019 © IEC 2019.
8. Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 2-2: Environment - Compatibility levels for lowfrequency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017 +AMD2:2018 CSV © IEC 2018.
9. Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 3-2: Limits - Limits for harmonic current emissions (equipment input current <16 A per phase) IEC 61000-3-2:2018+AMD1:2020 CSV © IEC 2020.
10. Аминов Д., Косимов Б., Султонов О. Разработка погружного гидрогенератора как возобновляемого источника электроэнергии для малых рек // Международная российская конференция по автоматизации 2020 (РусАвтоКон). Сочи, 2020. С. 10791084. DOI: 10.1109 / РусАвтоКон49822.2020.9208214.
11. Воронин С.Г., Давлатов А.М., Султонов О.О., Косимов Б.И., Гулов Д.Ю. Автоматизированные малые ГЭС как основа электрических сетей горных регионов Таджикистана // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Энергетика. 2019. 19. С. 100-107. DOI: 10.14529 / power190311.
12. Kavita Dewangan1, Prof. Pawan C. Tapre2 «Harmonic Reduction by Using Shunt Hybrid Power Filter». 1SSTC (SSGI), Junwani, Bhilai and 490001, India 2Prof. of SSTC (SSGI), Junwani, Bhilai and 490001, India ISSN (e). 2014. 2250 - 3005. Vol, 04 Issue.
13. Ali Mehri, Daryoosh Nazarpour. Harmonic Compensation and Load Balancing Using Cascaded H-bridge Multilevel Inverter in High Voltage Systems // International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). 2013. Vol. 3. Issue 2. P. 637-643.
14. Sasaki H., Machida T. A new method to eliminate ac harmonic currents by magnetic compensation—Consideration on basic design // IEEE Trans. Power App. Syst., 1971. Vol. 90. No. 5. P. 2009-2019.
15. Abhishek M. Patel THD Comparison for 180, 120 & 150 Degree Conduction Mode of Three Phase Inverter // International Journal for Scientific Research & Development, 2018. Vol. 6. Issue 03. 2321-0613.
16. Rioual P., Pouliquen H., Louis H.P. Control of a PWM rectifier in the unbalanced state by robust voltage regulation // in Proc. 5th Eur. Conf. Power Electron. Appl., 1993. Sep. 13-16. Vol. 4. P. 8-14.
17. Воронин С., Султонов О., Гулов Д. Балансировка напряжения на выходе трехфазного полупроводникового преобразователя // Российский семинар IEEE по энергетике и автоматизации металлургической промышленности: исследования и практика, 2019. С. 94-98. DOI: 10.1109 / PEAMI.2019.8915374.
18. Воронин С.Г., Коробатов Д.В., Кузнецов В.В. Запунный, П. Шабуров. Векторное управление приводом клапана» // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергия». 2004. Вып. 5 - №4 (33). С. 11-15.
19. Song H.S., Nam K. Dual current control scheme for PWM converter under unbalanced input voltage conditions // IEEE Trans. Ind. Electron., 1999. Vol. 46. No. 5. P. 953-959.
20. Reef Aboelsaud, Ibrahim A., Garganeev A.G. Voltage Control of Autonomous Power Supply Systems Based on PID Controller Under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions, 2019.
21. Hsu P., Behnke M. A three-phase synchronous frame controller for unbalanced load // Power Electronics Specialists Conference, 1998. PESC 98 Record. 29th Annual IEEE, Vol. 2. 1998. P. 1369-1374.
22. Mohair M., Golshannavaz S., Nazarpour D., Aminifar F. Design of an Asymmetrical Three-phase Inverter for Load Balancing and Power Factor Correction Based on Power Analysis // Journal of Electrical Engineering & Technology. 2011. Vol. 6, No. 3. P. 293-301.
23. Xuan HoaThi Pham, ToiThanh Le, Hieu Tran Trong. Control Power Sharing of Parallel Inverters in Microgrid with Consideration of Line Impedance Effect // American Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2019. Vol. 8. No. 5. P. 127-144. DOI: 10.11648/ j.epes.20190805.15.
24. Dementyev Yu.N., Bragin A.D., Kojain N.V., Udut L.S. Control System with Sinusoidal PWM Three-Phase Inverter with a Frequency Scalar Control of Induction Motor // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications.
25. Харитонов С.А., Берестов В.М. Анализ синусоидальной ШИМ на натуральном образце (методический аспект) // Техническая электродинамика. Спецвыпуск: Силовая электроника и энергоэффективность. Часть 2. Киев, 2002. С. 31-37.
Воронин Сергей Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, sosnovka. voronin@ yandex.ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральского государственного университет,
Султонов Оламафруз Олимович, аспирант, olam. c89@mail. ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральского государственного университет
BRIDGE INVERTER AS A VOLTAGE CONVERTER FOR A UTONOMOUS THREE-PHASE
LOW POWER NETWORKS
S.G. Voronin, O.S. Olamafruz
The article discusses the features of building an autonomous low-power power supply system, in particular, based on alternative sources of electricity for household consumers that do not impose strict requirements on the content of higher harmonics in phase voltages. It is shown that for these purposes a three-phase bridge inverter can be used, which converts a constant voltage from a primary source into a three-phase step voltage of an industrial frequency. It is proved that when using a discrete converter, it is relatively easy to solve the problem of the voltage balancing with an unbalanced load. Balancing issues are solved not by converting the output voltages into a vector form with the subsequent implementation of the balancing and reverse conversion procedure, but by regulating the neutral wire three-phase voltage system relative to one of the DC buses. Algorithmically and technically, the balancing procedure turns out to be much simpler. The stepped nature of the output voltage, with the correct choice of the switching method of the keys, does not lead to the appearance of the content of higher harmonics in the composition of phase voltages that exceed the values allowed by the regulatory documents.
Key words: mini HPP, higher voltage harmonics, power quality, unbalanced load, voltage balancing, renewable energy sources, discrete commutation, three-phase autonomous inverter, semiconductor converter, proportional-integral controller.
Voronin Sergey Grigorievich, doctor of technical sciences, professor, sosnovka.voro-nin@yandex. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University,
Olamafruz Olimovich Sultonov, postgraduate, olam.c89@mail.ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University
УДК 681.515
ПОВЫШЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ С МОДАЛЬНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ И УЧЕТОМ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Н.С. Сластихин
В статье обсуждаются синтез и исследование электромеханической системы с модальным регулятором, удовлетворяющей заданным динамическим показателям при условии увеличения жесткости механической характеристики. Описан двухмассовый электромеханический объект управления. Приведен способ расчета параметров модального регулятора по условию достижения динамических показателей системы. Выполнено исследование математической модели синтезированной системы с модальным регулятором при воздействии момента сопротивления на механическую часть объекта управления.
Ключевые слова: модальный регулятор, жесткость характеристики, обратная связь, электромеханическая система.
Современные регулируемые электроприводы даже в линейном приближении представляют собой сложные объекты управления, которым трудно придать желаемые динамические и статические показатели движения рабочего органа. К таким электроприводам можно отнести приводы с большим количеством взаимосвязанных координат, с многомассовой подвижной частью, со многими входами и выходами [1].
При повышении требований к электроприводу, что почти всегда связано с необходимостью увеличения его быстродействия, упругость начинает влиять на работу установки. В системе возникают колебания, что приводит к повышенному износу, а иногда и поломке деталей, влияет на качество продукции и производительность механизма [2].
Одним из наиболее перспективных методов синтеза регуляторов, используемых в системах автоматизации, является модальное управление, позволяющее повысить быстродействия и устранить колебания при наличии упругости в кинематических связях [3].
В работе [4] рассмотрена возможность реализации системы модального управления двухмассовым электромеханическим объектом с упругой связью, определены коэффициенты обратных связей по переменным состояния объекта с учетом достижения заданной жесткости механической характеристики. Исследование графиков переходных процессов по скорости второй массы показало достижение желаемого значения жесткости.
