ПЕРЕНОС ПАРАЗИТНОГО СПЕКТРА ТОКА РЕКУПЕРАЦИИ В ОБЛАСТЬ ВЫСШИХ ЧАСТОТ ПРИ ПРИНУДИТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕВ СЕТЬ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3-1/-8

ПЕРЕНОС ПАРАЗИТНОГО СПЕКТРА ТОКА РЕКУПЕРАЦИИ В ОБЛАСТЬ ВЫСШИХ ЧАСТОТ ПРИ ПРИНУДИТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ В СЕТЬ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Шатилов Дмитрий Андреевич, магистрант, направление подготовки 11.04.04 Электроника и наноэлектроника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: dmitriyshatilov97@gmail.com

Научный руководитель: Фролов Сергей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники и информационно-измерительной техники, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: frolovsergey7@mail.ru

Аннотация. Для современных удалённых и замкнутых систем питания высокого напряжения актуальна проблема принудительного разряда аккумуляторных батарей (АКБ) через активный выпрямитель (АВ) в сеть. При принудительном разряде применяются различные методики, которые могут отличаться как значениями тока разряда, так и законом его изменения. Целью данной работы является вывод закона ШИМ для управления АВ универсальной системы принудительного разряда АКБ в сеть, позволяющей получить возвратный в сеть ток с минимальными отклонениями от синусоидальности. В работе представлены результаты работы по получению указанного закона, позволяющего управлять степенью искажения формы синусоидальности (СИФС) при изменении параметров АКБ, тока разряда и напряжения сети. Для графоаналитической оценки степени искажения получены выражения дискретного спектра возвратного сетевого тока. Полученные результаты востребованы при проектировании узла принудительного разряда в сеть и разработке алгоритма управления АВ микроконтроллером широтно-импульсного регулятора.

Ключевые слова: принудительный разряд аккумуляторов, степень искажения синусоидальности, ток рекуперации, активный выпрямитель.

Для цитирования: Шатилов Д. А. Перенос паразитного спектра тока рекуперации в область высших частот при принудительном разряде в сеть аккумуляторных батарей высокого напряжения // Шаг в науку. -2020. - № 4. - С. 53-57.

TRANSFERRING THE PARASITIC SPECTRUM OF THE REGENERATION CURRENT TO THE REGION OF HIGHER FREQUENCIES DURING A FORCED DISCHARGE INTO THE NETWORK OF HIGH-VOLTAGE STORAGE BATTERIES

Shatilov Dmitry Andreevich, postgradaute student, training program 11.04.04 Electronics and nanoelectronics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: dmitriyshatilov97@gmail.com

Research advisor: Frolov Sergey Sergeevich, PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Industrial Electronics and Information-Measuring Technology, Orenburg State University, Orenburg e-mail: frolovsergey7@mail.ru

Abstract. For modern remote and closed high voltage power systems, the problem of forced discharge of accumulator batteries (AB) through an active rectifier (AV) into the network is urgent. Various techniques, which can differ in both the discharge current values and the law of its change, are used at forced discharge. The purpose of this work is to derive the PWM law for controlling the AV of a universal system offorced battery discharge into the network, which allows to obtain a return current to the network with minimal deviations from sinusoidal-ity. The paper presents the results of work on obtaining the specified law, which makes it possible to control the degree of distortion of the sinusoidal shape (DDSS) when changing the battery parameters, discharge current and network voltage. For a graphic-analytical assessment of the degree of distortion, expressions for the discrete spectrum of the return mains current are obtained. The obtained results are demand in the design of a forced discharge unit into the network and in the development of an algorithm for controlling an AV microcontroller of a pulse-width controller.

Key words: forced discharge of the storage batteries, the rate of distortion of the sinusoidal form, the recovery current, an active rectifier.

Cite as: Shatilov, D. A. (2020) [Transferring the parasitic spectrum of the regeneration current to the region of higher frequencies during a forced discharge into the network of high-voltage storage batteries]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 4, рр. 53-57.

Для современных удалённых и замкнутых систем питания высокого напряжения актуальна проблема принудительного разряда аккумуляторных батарей (АКБ) в сеть с возвратным током с повышенными требованиями к синусоидальности его формы [1, 7]. В системах применяются АКБ с различным суммарным ЭДС и ёмкостью1. При принудительном разряде могут применятся различные методики, отличающиеся значениями тока разряда и законом его изменения. При разработке универсальной системы принудительного разряда АКБ в сеть с широтно-импульсным управлением формой возвратного тока актуальна информация о зависимости степени искажения формы синусоидальности от амплитуды тока, напряжения батареи и количества отсчётов на период1. В работе представлены результаты работы по получению указанной зависимости.

Во многих системах рекуперация энергии разряжаемых АКБ или от двигателей в генераторном режиме при торможении - происходит через инвертор, ведомый сетью, либо однофазный2, либо трёхфазный [3, 5]. В более современных системах электропривода для обеспечения двунаправленного потока энергии - в режимах выпрямления и инвертирования - используются активные выпрямители [4] (АВ), пример которого представлен блоком 5 рисунка 1. Применение в АВ полностью управляемых вентилей - транзисторов IGBT или MOSFET - позволяет с помощью широтно-импульсного способа управления сформировать ток с близкой к синусоидальной форме, синфазный или противофазный сетевому напряжению. При этом основная доля энергии гармоник, отличных от первой, группируется в области высших частот, около основной частоты управляющего ШИМ-сигнала [4].

'vUl

Нанял

' ^3 i—— Ї—'-1 , ,

С и нх р О.Н Ü .]■ IVpy L1 мъ г и

пни

Ши р ОЛЇ *ч> и w пу л ь с н ы и

широтно-импульсныи

регулятор

r-ıı-.ryvm.-FüJ^

Пв'^т(ив ЛИНИИ* irujjf/jfjtCiTfjirn

Рисунок 1. Многоступенчатая система рекуперации энергии аккумулятора при принудительном разряде

В работе решается задача разработки метода широтно-импульсного управления процессом пока с помощью однофазный преобразователь, удовлетворяющего следующим требованиям [6]:

- закон изменения коэффициента заполнения D в течение периода сетевого напряжения должен быть таким, чтобы форма огибающей тока была непрерывной и гармонической;

- сдвиг фаз между первой гармоникой разрядного тока и сетевым ЭДС - 180°;

- в законе модуляции должна быть возмож-

ность управления величиной тока разряда.

При реализации разрабатываемого метода целесообразнее применить многоступенчатую систему рекуперации с гальванической развязкой (трансформатор схемы рисунка 1). Дополнительные блоки - инвертор 2, импульсный повышающий трансформатор 3 и высокочастотный управляемый выпрямитель [2] 4 - позволят регулировать и стабилизировать напряжение питания Ub ведомого инвертора 5 при различных степенях заряженности АКБ. Как показали дальнейшие расчётные эксперименты

1 Пат. 2601439 РФ. Преобразователь для заряда и разряда аккумуляторных батарей / Шичков Л. П., Людин В. Б., Мохова О. П.

2015.

2

П. м. 103427 РФ. Зарядно-разрядное устройство для аккумуляторных батарей / Мишин В. Н., Бубнов О. В., Ракитин Г. А.

и др. 2010.

в программе MathCad, подстраивая разность между питанием Ub и амплитудой сетевого напряжения Um возможно уменьшать коэффициент гармоник тока рекуперации - тока катушки iL через L1.

Получение закона широтно-импульсной модуляции. Выведем выражения для изменений тока катушки в течении одно го /-го периода ШИМ-сигнала.

Выражения нарастания тока Δί+ (открыты ключи 51 и S4) таковы:

- при положительной полуволне

о иь - Um srn(xe ) . ( !)

Ijji T j-i

- при от+ицотольной ПОлуВОВНЄ

е о- Ub +Um°—Xi)D Δ оТ (20

L т

Величина Um = —2 -Ul в (В и (2) - амплитуда сетевого напряжения. Выражения спада тока Δΐ- i (открыта S и S°) дій omеих полвволн одинаково>)

И 0=+о-ит^ (В(_Ве)· Tp . (3)

Теперь суммарное изменение тооа AÎl і катушки о mеченит о-ге іео=иодд

- при положительной полуволне

- е-ои πолвжиоemьной ово^н е

Считая, что ток катушки лзменяется тнюке по синуеовдольнову зеки) (то прооовофазе с ЭДС)

- при положительной полу волне

НГ ■ Тп · fc' COs(x/) + и п S-Q)

Ие

(= 0,

N

е

- г,

(8)

- пеос отрицптельной шлувотне

нг ■ Т= -fc- СОs(xo) + Цт sm(ei)

Иь ’

ое

i = N,...,N -1, (9)

2

где

N - количество ШИМ-импульсов на период се-тевогонапряжения.

Однако диоономерносто (8 - (9) имеют некото-рый недочёт. Расчётный эксперимент в ограмме MathCad показал, что с помощью (Я) и (Г) величи--ы Δ iL дкя дерсой не компенсируются изменениями тика второ T четверги, приращания Δ). третьей и ся номгенсируются аналогичными величинами четвёртой четверти. Указанный недостаток приво-аия н игінженшо гармоаиееск+ И формы среднего тока катушки в точках пеиихода через но ль = п.-зам, либо разрывам первого рода. Для устранения +сиаженея скоррекшууем соот+ишения (8) и (9), решив уе=ВН Є ШУЯ

Аг

н,\

N

i-Г

Ai'

н,|

3· N

i-Г

= Δ'η,|

3· N

+i

(

i = 0,.

N

- Г.

(

(10)

Получен следующий результат решения:

- оэффициенты заполнения для первой (i = 0,

..., N/4-1) и третьей четвертей (i = N/2, ..., 3 -N/4-1) вычисляются с помощью прежних соотношений (8) и (9);

И о Ят ■ иіиΤ)η ·3) (6)

Поставим условие, чтобы величина измунения (6- в теыении кыыд жс )-но оориода ШИМ снгнала

И( о 0°) · н о тп а 3 и · fc- oaS (ЯИ=с ■ti)τ

оТпа· И -И( · <=as(e'i )

(7)

- L1 ■ Im ■ fc ■ COS

Di =-

^

-Um sin(xi)

Ub

II N

-рД 5; ■' ’2

(11)

совпадало с величиной AiL. (4) и (5). Решая поставленную задачу, определили закономерность для ко- - для четвёртой четверти

эффициентазаполнения на i-м шаге

И1 ■ Im ■ fc ■ COS

Di =■

3Ν-i-1

2 JJ

- Um sin(xi)

Ub

x

3N

1 4

, N -1.

(12)

Таким образом, получили закономерности (8), (9), (11) и (12) для формирования ШИМ-сигнала для каждой четверти гармонического напряжения.

Результаты численного моделирования в программе MathCad показывают возможность коррект-

ного формирования кривой тока (рисунок 2).

При расчёте спектра то ка, формируемого с помощью закономерностей (1) - (12) воспользовашсь свойствами интегрального преобразования Фурье -суперпозиции (линейности), смещения во времени, первообразной, а также соотнпшениями между спектральными функциями непериодичеакого и периодического сигналов. В результате получены функции для амплитуд и фаз кривой iL рисунка 2

h,n = 2 ■ f о ·| S (и ■ 2 ■ π ■ fc) (13)

ψη = arg(S (2 π ■λ) 1 (14)

Рисунок 2. Выходной ток при широтно-импульсивном регуліфовании

где

- ]ω

S(ω) = S + {ω)- S + {ω) ■ e 2' fc,

У(<я) - спектральная плотность первой полуволны кривой iL.

(15)

Рисунок 3. Амплитудный спектр тока

Качественный анализ диаграммы амплитудного спектра рисунка 3, а также аналогичных диаграмм при различных соотношениях между амплитудой сетевого напряжения U , постоянного напряжения питания Ub, амплитудой огибающей минимумов тока катушки Im и индуктивности L1 подтверждает, что основная доля энергии паразитного спектра концентрируется вокруг частоты управляющего

ШИМ-сигнала. Номера ближайших к сетевой частоте f паразитных гармоник - n = 3,5. Увеличивая разность (Ub - Um), возможно добиться уровня третьей гармоники не более 2% относительно первой.

Из результатов работы следует, что используя закономерности (1) - (12) и варьируя соотношение N между частотой управляющего ШИМ-сигнала и частотой сети f возможно получить форму раз-

рядного тока, близкую к гармонической, основная энергия спектра искажений которого приходится на область частот, либо удобную для фильтрации, либо с значительно меньшим влиянием на работу

оборудования в той же сети. Полученная зависимость позволит управлять и степенью искажения формы синусоидальности возвратного тока при изменении параметров АКБ и тока разряда.

Литература

1. Константинов Г. Г., Киселев В. И., Фам Конг Тао. Техническое совершенствование автономного зарядно-разрядного электротехнического комплекса аккумуляторных батарей подводных аппаратов // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2018. - Т 22, № 3(134). - С. 154-171.

2. Кошеленко Б. Б., Немыкина О. В., Фащенко С. Е. Влияние преобразователей частоты на качество электроэнергии при рекуперации // Сборник научных трудов Sworld. - Иваново, 2013. - Т 16, № 4. -С. 62-67.

3. Савченко А. В. Разработка корабельной автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей дизель-электрических подводных аппаратов: автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук: 05.13.06 // Научно-производственное объединение «Аврора». - СПб., 2007. - 16 с.

4. Чаплыгин Е. Е., Нгуен Хоанг Ан. Спектральное моделирование корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника, 2004. - № 3(15). - С. 23-28.

5. Чёрная М. М. Исследование и разработка энергопреобразующей аппаратуры высоковольтных систем электропитания космических аппаратов: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук // Томский государственный университет управления и радиоэлектроники (ТУСУР). - Томск, 2017. - 142 с.

6. Чёрная М. М. Системы электропитания космических аппаратов с модулем зарядно-разрядного устройства // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР. Томский государственный университет управления и радиоэлектроники. - Томск, 2018. - Т 1. - № 2. - С. 163-166.

7. Шичков Л. П., Людин В. П., Мохова О. П. Автоматизированный зарядно-разрядный тиристорный преобразователь для электротехнологий регенерации аккумуляторных батарей // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. - 2013. - № 14(19). - С. 105-109.

Статья поступила в редакцию: 15.05.2020; принята в печать: 15.12.2020.

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.