Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями

Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями

В.Г. Титов, А.С. Плехов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов

Приоритетом энергетической стратегии является энергосбережение при электропотреблении. Актуальны мероприятия по уменьшению потерь активной мощности в системе электроснабжения, включая узлы нагрузки предприятий, увеличению ее пропускной способности за счет генерации реактивной мощности компенсационными выпрямителями, синхронными двигателями, применению возбудителей с компенсационными выпрямителями [1-5]. Для этого целесообразно использовать активные компенсационные выпрямители/инверторы (АКВ) [5-7] в двухзвенных преобразователях частоты (ДПЧ) регулируемых электроприводов переменного тока. Добавление функции компенсации неактивных составляющих потребляемой мощности увеличивает стоимость преобразователей, однако эффект энергосбережения позволяет быстро окупить их удорожание [8].

Выбор каналов управления зависит от схемного решения ДПЧ, которое определяется диапазоном регулирования скорости и момента приводного двигателя, требованиями к быстродействию и точности привода. Авторами предложены технические решения содержащие:

- АКВ с искусственной коммутацией всех ключевых приборов и автономный инвертор тока с управляемой частотой коммутации вентилей;

- АКВ с искусственной коммутацией всех вентилей и автономный инвертор тока с широтно-импульсной модуляцией на интервалах проводимости ключей;

- АКВ с естественной и искусственной коммутацией вентилей соответственно анодной и катодной групп мостовой схемы и автономный инвертор тока с управляемой частотой коммутации вентилей.

Принципиальная схема ДПЧ с АКВ, в котором реализуются все три способа управления приведена на рис.1.

Рис. 1. - Принципиальная схема двухзвенного преобразователя частоты с компенсационным преобразователем

В силовой цепи преобразователя последовательно включены АКВ на полностью управляемых вентилях УS1-УSб, являющийся активным выпрямителем тока, сглаживающий реактор в цепи выпрямленного тока Ь , автономный инвертор тока на тиристорах У87..У812 и выходной фильтр С4-Сб. Силовые полупроводниковые переключающие элементы выпрямителя и инвертора, обладают полной управляемостью и односторонней проводимостью тока. Напряжение и ток конденсаторов малой емкости С1-С3, включенных на входе компенсационного преобразователя, используются в качестве информационных параметров системы управления потоками реактивной мощности между узлом нагрузки и компенсационным выпрямителем, построенной на основе обработки векторных сигналов По и 1с. В свою очередь, потоки реактивной мощности зависят от режима управления вентилями компенсационного выпрямителя [9,10].

АКВ по предложенным схемам позволяют управлять как активной мощностью на выходе, так и реактивной мощностью, генерируемой преобразователями в целях обеспечения электромагнитной совместимости. Поэтому актуальной является задача использования резервов установленной мощности АКВ для осуществления указанных функций.

Однако, при синтезе алгоритмов формировании сигналов аи, ае, следует соблюдать баланс между потребляемой и генерируемой мощностью и установленной мощностью компенсационного преобразователя.

При неизменной величине напряжения сети

ь 1 т

где В1 — 111г и^/Щ на скеме рис. 1, значение выпрямленного напряжения ил как и действующее значение 17ун в узле нагрузки, то есть, на входе

преобразователя, полностью определяются углами управления аи и ае,

поскольку игм и связаны известными соотношениями:

.

От взаимного расположения и величины векторов 11а и зависит и вектор тока, потребляемого преобразователем из сети с первой гармоникой £ .

Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов токов, притекающих к емкостным элементам С1-С3 со стороны сети и со стороны активного выпрямителя. Варьируя с помощью системы управления компенсационным преобразователем параметрами основной гармоники переменного тока через емкостные элементы С1-С3 можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, либо "опережающим", либо "отстающим" коэффициентом мощности.

Приведенные соображения иллюстрируют векторные диаграммы на рис.2, которые содержат векторы падения напряжений на эквивалентных активных и реактивных элементах источника питания 2Э. Эти элементы эквиваленты совокупным параметрам индуктивных сопротивлений

рассеяния, активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток трансформатора и линий (токопровода): Х1, Я1; Х'2, Я'2; Хл, Ял.

Из приведенных диаграмм следует, что управляя током 1(щ -потребляемым АКВ из сети, можно изменять как коэффициент мощности в узле нагрузки, так и напряжение в этом узле иу.н..

Рис. 2. - Векторные диаграммы токов и напряжений элементов схемы узла нагрузки с компенсационным преобразователем в режимах генерации: а) реактивная мощность индуктивного характера; б) полностью скомпенсированная реактивная мощность; в) реактивная мощность емкостного характера.

Согласно предложенным методам управления компенсационными преобразователями авторами были разработаны имитационные модели преобразователей в пакете МЛТЬЛВ БтиНпк.

В ходе исследования модели АКВ с раздельным управлением вентилей анодной и катодной групп были получены значения токов в сети при разных углах управления преобразователем. По этим данным рассчитаны гармонические искажения тока в питающей сети, а так же активные и реактивные составляющие потребляемой преобразователем мощности (рис.3). Использованием метода спектрального моделирования с применением метода множественной регрессии, получены математические выражения составляющих полной мощности активного компенсационного преобразователя.

у = а0 + а1*х1 + а2*Х2 + а3*Х1*Х2 + а4*Х12 + а5*Х22 ,

где Х1 - угол управления компенсационным преобразователем ае ; Х2 - угол управления компенсационным преобразователем аи ;

У

Р'

а

г~г *

Рис. 3. - Коэффициент мощности и составляющие полной мощности в о. е. при разных углах управления преобразователем, где Р*- активная мощность в о.е., Р*- реактивная мощность в о.е., Т*- мощность искажения в о.е.

Коэффициенты регрессии приведены в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты математических зависимостей составляющих мощностей

Р*= а*= т*=

ао 9.5939е-001 3.6890е-002 2.4027е-001

а1 -2.1659е-004 -6.9505е-003 3.8454е-003

а2 -1.3010е-003 9.2340е-003 4.3031е-003

аз 3.4385е-005 -3.0093е-006 -7.5451е-006

а4 -3.5789е-005 9.8183е-006 1.9220е-007

а5 -4.1419е-005 -2.7432е-005 -3.5358е-006

При этом установленная мощность АКВ определяется:

S = V P2 + Q2 + T2 .

Вычислительные задачи авторами решены при использовании итерационных алгоритмов.

Литература:

1. Чивенков, А.И. Расширение функциональных возможностей инвертора напряжения систем интеграции возобновляемых источников энергии и промышленной сети [Электронный ресурс] / А.И. Чивенков, В.И. Гребенщиков, А.П. Антропов, Е.А. Михайличенко // «Инженерный вестник Дона», 2013. №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1564 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. Рус.

2. Кочкин В.И., Применение гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока в энергосистемах/ Кочкин В.И., Шакарян Ю.Г//.-М.: ТОРУС ПРЕСС, 2011.- 312с.: ил.

3. Кондратьева Н.П. Инновационные энергосберегающие электроустановки для предприятий АПК Удмуртской Республики. [Электронный ресурс] / Н.П.Кондратьева, С.И.Юран, И.Р.Владыкин, Е.А. Козырева, И.В.Решетникова, В.А.Баженов, В.М.Литвинова //«Инженерный вестник Дона», 2013. №2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1632 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. Рус.

4. Zheng W., A Current-Source-Converter-Based High-Power High-Speed PMSM Drive With 420-Hz Switching Frequency/ Zheng Wang, Bin Wu, Dewei Xu, Navid Reza Zargari // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 59, NO. 7, JULY 2012 pp 2970-2981

5. Зайцев А.И. Применение компенсационных преобразователей в целях энергосбережения / А. И. Зайцев, А. С. Плехов // Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж, 2010. №4(20). с.38-44.

6.Плехов А.С. Применение компенсационных выпрямителей для питания системы возбуждения синхронных двигателей / Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж, 2008. №3(11). с.36-36.

7.Титов В.Г. Возможности применения компенсационных преобразователей в звене постоянного тока электроприводов на основе автономного инвертора тока / В.Г. Титов, А.И. Зайцев, А.С. Плехов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 4, с.23-35.

8.Плехов А.С. Энергосберегающие полупроводниковые источники реактивной мощности / А. С. Плехов, В.Г. Титов, Б.Ю. Алтунин, А.О. Кашканов // Промышленная энергетика. - 2012. - № 5. - С. 47-51.

9.Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.

10.Salo M. A New Control System With a Control Delay Compensation for a Current-Source Active Power Filter / Salo M, Tuusa H. // IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 52, no. 6, december 2005 pp 1616-1624.