CC BY
20
УДК 621 314.632
М. В. ПЕТРОВА, Е. М. МАРТЬЯНОВ, А. С. ХОХЛОВ
ВОПРОСЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ОДНОФАЗНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ ПАССИВНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ
Рассмотрен однофазный инвертор напряжения в виде транзисторного моста с обратными диодами, в диагональ постоянного тока которого включен накопительный конденсатор, а диагональ переменного тока подключена к сети параллельно нагрузке через дроссель. Для расширения диапазона регулирования пассивных составляющих мгновенной мощности и повышения надежности работы компенсатора обмотка дросселя выполняется секционированной.
Наиболее распространенными устройствами компенсации являются батареи конденсаторов, подключаемые параллельно нагрузке и обеспечивающие требуемые нагрузкой пассивные составляющие мгновенной мощности на месте потребления, без загрузки сети соответствующей составляющей тока. Недостатки таких устройств связаны с требованиями регулирования величины емкости конденсаторной батареи.
Другой разновидностью компенсаторов являются устройства, выполняемые на основе мостовых схем инверторов напряжения на двухоперационных ключах с обратными диодами и накопительной емкостью в диагонали моста постоянного тока. Такое устройство [2] было предложено в виде последовательного соединения с нагрузкой для формирования в ней синусоидального тока. Это соединение имеет весьма ограниченную область применения, так как нарушает режим естественного для данной нагрузки способа потребления электроэнергии. Подключение же такого устройства параллельно нагрузке, а следовательно, и параллельно источнику питания, делает его достаточно универсальным, так как он не нарушает режим естественного потребления тока нагрузки, а может разгрузить источник питания от реактивных токов, а также токов высших гармоник, что и требуется для повышения эффективности потребления электроэнергии, то есть повышения коэффициента мощности источника питания.
Недостатком существующей схемы компенсатора на основе инвертора напряжения является склонность его к постепенному снижению среднего значения напряжения накопительного конденсатора, что в конечном счете приводит к срыву процесса разряда-заряда его и нарушению условий генерирования тока компенсации Жф, требуемых формы и величины. Это объясняется тем, что для обеспечения устойчивости процессов разряда-заряда конденсатора колебательный контур из дросселя и конденсатора с вносимыми в него активными сопротивлениями полупроводниковых приборов,
дросселя и проводов должен иметь высокую добротность, что для силовых устройств, к которым относится рассматриваемый компенсатор, добиться довольно сложно.
Рассматриваемое устройство (рис.1) ослабляет недостатки и повышает надежность работы компенсатора за счет устранения возможности срыва процесса разряда-заряда накопительного конденсатора при скачках тока нагрузки и, как следствие, расширяет диапазон регулирования тока компенсации. Упрощенная схема предлагаемого построения компенсатора приведена на рис.1, где
1, 2, 3, 4 - транзисторы компенсатора, соединенные по мостовой схеме и обеспечивающие его инверторный режим;
5,6, 7, 8 - обратные диоды, также образующие мостовую схему, через них происходит заряд конденсатора 9;
9- накопительный конденсатор;
10- дроссель (индуктивность), который в отличие от прототипа выполняется секционированным, то есть вся обмотка состоит из двух секций и имеет вывод посредине;
11- ключ, который подключает либо одну, либо обе секций обмотки дросселя в работу в схеме компенсатора, причем это осуществляется в моменты перехода тока компенсации через нуль;
12- система управления компенсатором, которая содержит узел формирования импульсов управления транзисторами 1 -4, узел задания тока компенсации и тока нагрузки, узел управления ключом 11;
13,14, 15 - датчики тока компенсации, нагрузки и сетевого тока;
16- датчик напряжения питания;
17- нагрузка.
На рис.2 приведены временные диаграммы изменения основных координат компенсатора для случая «неискажающей» форму тока нагрузки. Кривые рис.2,а показывают ток нагрузки ^,0), отстающий от напряжения сети ес на угол <р, и его составляющие: ia(t) - активную, совпадающую по фазе с напряжением сети, и ip(t) - реактивную, сдвинутую от ес на угол тс/2. Основное назначение компенсатора - сформировать ток Жф^рО;). Тогда реактивная составляющая тока нагрузки не будет потребляться из сети, а будет производиться в месте потребления, а сеть(источник питания) оказывается разгруженной от неё. Это и позволяет повысить эффективность потребления электроэнергии, так как в линии электропередачи будут снижены потери на величину, определяемую реактивными токами.
Потери мощности в линии определяются выражением
где И, 1а, Ip - действующие значения соответственно тока нагрузки и его активной и реактивной составляющих;
АРя, АР;п, &Р - общие потери мощности в линии (сети электроснабжения) и их составляющие от активного и реактивного токов;
Я., - общее активное сопротивление сети электроснабжения от источника питания ес до точки потребления электроэнергии нагрузкой.
Рис.1. Устройство однофазного компенсатора
На рис.2,6 показаны кривые изменения напряжения на накопительном конденсаторе иСК(0 и модули ЭДС сети \ес\ в стационарном режиме формирования нужного значения тока компенсации Жф (рис.2,в). На рис.2,г приведена кривая изменения ЭДС самоиндукции дросселя 10 eL(t), которая определяется положением ключа 11:
если ключ в положении «а», то ток !К(0, протекает по первой секции дросселя 10
-если ключ в положении «б», то ток протекает по обеим секциям дросселя 10, которые включены согласно, при этом 61(1) определяется выражением
к со=% и)+% ю=+ъ А=г, ^
Все координаты компенсатора ¡К(1), иСК(1), состоят и
средних значений («гладких составляющих») UCK0(t),eL0(t) и пере-
менных величин
№
Средние значения изменяются с частотой сети ^=1/Тс , где Тс - период изменения напряжения питания сети ec(t); а переменные составляющие изменяются с чаой коммутации транзисторов 1 - 4 компенсатора (частотой переключения) f ь 1/Тп , где Тп - период коммутации транзисторов.
т
ГпсЛ, ЭяЙпроМвтпШЕ ПР01КССИ л СКМС ри^Т
На этом периоде коммутации у транзисторов есть интервал открытого состояния еТп и интервал закрытого состояния (1-е)Тп , где s=tjtn - относительная продолжительность открытого состояния (скважность) транзисторов Изменение скважности s и позволяет формировать ток компенсации ЛК(0 нужных величины и формы.
Компенсатор по схеме рис. 1 работает следующим образом.
После включения компенсатора в сеть происходит начальный заряд накопительной емкости 9 через обе секции дросселя 10 (переключатель 11 в положении «б») и обратные диоды 5 - 8 до напряжения близкого к двойному значению амплитудного напряжения ЭДС сети есф (этот процесс на рис.2 не показан).
В зависимости от характера нагрузки 17, т.е. от величины и формы потребляемого тока iH(t), система управления 12 с помощью датчиков тока 13, 14,15 и датчика напряжения 16 вырабатывает заданное значение тока компенсации ЛКоф, отклонение от которого на допустимую величину АЛИоп контролируется регулятором тока в системе управления 12. Процесс разряда конденсатора 9 в стационарном режиме начинается с момента времени на рис.2, угловая оценка которого соответствует значению в1=соТс/2=л/2, где со-2п£с -угловая частота изменения напряжения питания; 0ЛсоЬ угловое измерение текущего времени.
В этот момент соответствующая пара транзисторов 1 -4 или 2-3 открывается, и на интервале времени еТп начинает нарастать ток ЛК(0 (рис.2,в). При отклонении его от заданного значения ЛК0(0 на допустимую величину транзисторы закрываются, и на интервале (Ге)Тп ток начинает уменьшаться, стремясь к отрицательному установившемуся значению. При отклонении от ЛКо(0 в отрицательную сторону на допустимую величину А1Иоп пара транзисторов вновь включается, и ток начинает нарастать. Далее такие процессы повторяются с частотой & и изменяющейся скважностью s.
При положительной полуволне тока 1К$), когда он идет из компенсатора в сеть, напряжение на конденсаторе 9 иСКф уменьшается (разряд конденсатора), а при отрицательной полуволне 1К$), когда он идет из сети в конденсатор (заряд конденсатора), напряжение иСКф увеличивается. Изменение всех координат компенсатора (рис.1) подчиняется уравнениям
_ н д. Т>
где - и - суммарное активное сопротивление, через которое
замыкается ток коммутации ЛК; гк - сопротивление дросселя;
£ гпп - суммарное сопротивление полупроводниковых приборов; 76 Вестник УлГТУ 1/2001
L = L: +LK— индуктивность сети и дросселя.
Находя решения уравнений (5) и выделяя из них средние значения (гладкие составляющие), получаем ¿.{^НЛ, 5И1(й*-л72),
SLJtiW,
(6)
= ™ [Ltit = вш(лГ - Я).
Следовательно, среднее за период несущей частоты значение ЭДС самоиндукции дросселя 10 ею находится в фазе с напряжением источника питания ес, а среднее значение переменной составляющей напряжения А иСКО на накопительном конденсаторе 9 - в противофазе с ес(в). Выражение для текущего значения тока ЛК0(в) в инверторном режиме компенсатора (разряд конденсатора 9) можно записать так:
чР ~,
Гг
СП
Выражение для текущего значения тока ЛК0(в) в выпрямительном режиме
компенсатора (заряд конденсатора 9) записывается так:
'.г
= еа(в))-и„ (в)
CS)
Где -
Из выражений (7) и (8) следует, что в инверторном режиме, когда ток iK0 идет из конденсатора в сеть через транзисторы 1-4, абсолютное значение \UCK(6)\ должно быть больше суммарного значения \ес+ею\, а в выпрямительном режиме, когда ток iKO идет в конденсатор 9 через обратные диоды, сумма ЭДС \ec+eLo\ должна быть больше, чем абсолютное значение напряжения на конденсаторе | UCK (в) |. Так как значение ес(0) не может быть изменео, то для получения желаемого соотношения между \UCK(6)\ и
kc+e/.d целесообразно изменять значение ец,: в инверторном режиме его делать меньше, чем в выпрямительном. Таким образом, в инверторном режиме, когда eL0 препятствует формированию тока iK(0), его значение следует сделать малым, а в выпрямительном режиме, когда eL0 способствует протеканию тока iK(6), его следует сделать большим. Это достигается путем изготовления дросселя 10 двухсекционным (двухобмоточным) и переключением согласно включенных секций с помощью ключа 11, который переключает дроссель с одной обмотки на две последовательно включенные в зависимости от направления тока гК(в). Устройство позволяет устра-77 Вестник УлГТУ 1/2001
нить основной недостаток существующих схем компенсатора с однообмоточным дросселем, заключающийся в том, что часто возникают ситуации при включении и выключении нагрузок, когда имеет место условие
\ичи*0 ^'вл'и^;. " (9)
При этом срывается процесс заряда конденсатора 9, и компенсатор перестает выполнять свою функцию - генерировать ток компенсации
При правильно выполненной системе управления и возникновении условия (9) должен начаться такой процесс: конденсатор 9 должен быть разряжен практически до нуля путем надлежащего управления парами транзисторов 1-2 и 3-4 (которые в нормальном режиме так не включаются), далее производится начальный заряд конденсатора до максимального напряжения и последующее управление парами транзисторов 1 -4 и 2-3 для обеспечения нормального режима компенсации. Однако такая процедура сопровождается появлением интервала времени с потерей компенсации тока ip(0) и соответствующими дополнительными потерями в сети электроснабжения Д Р„ .рл
Таким образом, предлагаемая модернизация позволит повысить надежность работы компенсатора и расширить диапазон регулирования тока компенсатора
Щ в).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Лабунцов В. А., Чжан Дайжун. Однофазные полупроводниковые компенсаторы пассивных составляющих мгновенной мощности // Электричество. 1993. №12. С. 20-32.
2.А.с. 1128350. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменный / Зиновьев Г. С., Коновалов А. П., Красиков Н. А // Открытия. Изобретения. 1984. №45.
Петрова Марина Валерьевна, кандидат технических наук, окончила энергетический факультет УлПИ, доцент кафедры кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Имеет статьи и доклады по вопросам компенсации реактивной мощности и высших гармоник в электрических сетях.
Мартьянов Евгений Михайлович, аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Окончил Ульяновский государственный технический университет.
Хохлов Алексей Сергеевич, аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» УлГТУ. Окончил Ульяновский государственный технический университет.
УДК 621.83 И. Н. БЕЛОВ
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ВЗАИМОНАГРУЖЕНИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА С МАШИНАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
На основании обобщенных уравнений Парка-Горева изложена модель
управления электромеханическим взаимонагружением, выполненная в системе подвижных координат [с/ - i] и позволяющая рассчитывать регуляторы локальных систем управления качеством динамического нагружения.
Испытательные стенды на базе машин переменного тока, работающих с взаимным нагружением, обладают по сравнению со стендами постоянного тока более широким диапазоном рабочих скоростей и мощностей [1], однако управление машинами переменного тока осложнено рядом обстоятельств: -момент двигателя (или генератора) определяется произведением двух обобщенных векторов электромагнитных переменных статора и ротора; -ток (потскосцепление) в каждой фазе определяется не только параметрами машины и прикладываемым к этой фазе напряжением, но и значениями токов (потокосцеплений) в других фазах статора и ротора.
Рассмотрим возможность получения модели процесса взаимонагружения в стендах переменного тока, позволяющей в некоторой степени ослабить влияние указанных обстоятельств при построении системы управления стендом.
Учитывая, что механическая часть стенда остается такой же, как и для машин постоянного тока [1], рассмотрим только электрическую часть, обеспечивающую создание нагружающих электромагнитных моментов. Полагаем, что в общем случае используется электромеханическое устройство компенсации потерь (УКП), которое обеспечивает постоянство средней скорости вращения испытуемой трансмиссии (со0 = const). В качестве синхронного генератора рассматриваем неявнополюсную машину без демпферных обмоток. Соответствующие уравнения синхронной машины в координатах | d, - q\ имеют вид [2]:
