Многомодульные однофазные преобразовательные сети

УДК 621.314.58

Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева МНОГОМОДУЛЬНЫЕ ОДНОФАЗНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

Рассмотрена организация оперативно перестраиваемых

преобразовательных сетей. Приведены результаты исследования переходных процессов при включении/отключении модулей и при набросе/сбросе нагрузки.

Преобразовательная сеть, однофазный инверторный модуль, переходные процессы

Y.M. Golembiovskiy, O.V. Timofeeva THE MULTIMODULE SINGLE-PHASE TRANSFORMING NETS

The problem of organization of the efficiently convertible transforming net is described. Researches of transient processes when turning on/off the modules and load surge/reset was done.

The transforming net, single-phase inverter module, transient processes

Концепция оперативно перестраиваемых преобразовательных сетей (ОППС) впервые сформулирована в [1, 2] применительно к трехфазным потребителям электроэнергии. Такие сети представляют группу из n универсальных преобразовательных модулей, питающихся от своих индивидуальных источников напряжения и работающих на общую нагрузку. Свойство универсальности означает, что каждый из модулей может работать в одном из режимов: 1) генерации активной мощности; 2) компенсации

избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов, возникающих при сбросе нагрузки (если модули строятся на основе инверторов тока), либо режима проведения реактивных токов нагрузки (если модули строятся на основе инверторов напряжения); 3) режим резерва.

Такая многофункциональность модулей позволяет оперативно адаптировать структуру сети к изменяющимся параметрам нагрузки с целью минимизации потерь электроэнергии в ОППС и экономии ресурса работоспособности модулей. Кроме того, существенно сокращаются затраты на резервирование, если таковое требуется для повышения надежности системы электроснабжения.

Концепция перестраиваемых сетей развивалась применительно к 3-фазным системам. При этом существует большое количество однофазных потребителей, таких как индукционные печи, устройства для термообработки металлов, устройства питания электронной аппаратуры, сварочные агрегаты, источники бесперебойного питания, электродвигатели и многие другие. Для одних видов нагрузки, потребляющих энергию от источников постоянного напряжения, получаемого после выпрямления инверторного напряжения, чисто прямоугольная форма сигнала, генерируемого однофазным преобразовательным модулем, является наиболее удобной, т.к. пульсации напряжения на входе фильтра невелики, что существенно уменьшает массо-габаритные показатели фильтрующих элементов.

Для нагрузок другого типа (резистивные нагревательные и осветительные элементы, индукционные печи, реле, электромагниты) прямоугольная (без нулевой паузы) форма генерируемого напряжения является вполне допустимой, поскольку такого рода нагрузка либо совершенно безразлична к роду тока, либо сама обладает фильтрующими свойствами вследствие наличия индуктивной составляющей нагрузки.

Наконец существуют нагрузки, которые требуют чисто синусоидальной формы питающего напряжения (сельсины, поворотные трансформаторы и др.). Как указывается в [3], синусоидальная форма выходного напряжения наиболее универсальна, т.к. обеспечивает эффективную работу всех видов нагрузок переменного тока, а иногда становится целесообразной и для нагрузок постоянного тока, т.к. обеспечивает коммутацию силовых ключей и диодов при токе, близком к нулю, уменьшая высокочастотные пульсации, радиопомехи и, следовательно, массу и габаритные размеры фильтрующих узлов в инверторе, потребителе и линии связи. При синусоидальной форме напряжения передача энергии на значительные расстояния по обычным проводным линиям не вызывает искажения формы напряжения.

Изложенные соображения позволяют выделить два класса однофазных ОППС: 1) формирующие на нагрузке чисто прямоугольное напряжение. Назовем такие сети сетями первого типа (ОППС 1); 2) генерирующие напряжение многоуровневой (многоступенчатой) аппроксимирующей синусоиду формы с коэффициентом гармоник, зависящим от количества уровней, их амплитуд и длительности. Будем называть такие сети сетям второго типа (ОППС2).

На рис. 1 представлена обобщенная структура ОППС. Каждый модуль включает управляемый выпрямитель УВ со своим блоком управления БУВ, фильтр и однофазный инверторный мост с блоком управления БУИ. Модули работают параллельно и синфазно. Синхронизация обеспечивается тактированием от общего тактового генератора ТГ. Систему управления целесообразно строить как двухуровневую. Оставляя в стороне вопросы практической реализации системы управления, сформулируем основные задачи, которые она должна решать.

Рис. 1. Структура ОППС

Управление рассматриваемой сетью не требует изменения функций модулей, поэтому задача оперативного управления сводится к включению либо отключению отдельных модулей в зависимости от величины и характера нагрузки. Для этой цели микроконтроллер верхнего уровня (МК) опрашивает датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН) нагрузки и, располагая информацией о номинальных мощностях модулей, рассчитывает требуемый состав инверторов и выдает блокам управления выпрямителям (БУВ) и инверторам (БУИ) приказ на включение либо отключение выбранного для этой цели модуля.

Другой задачей системы управления является обеспечение равномерной загрузки модулей, пропорциональной их номинальным значениям. С этой целью МК верхнего уровня отслеживает значения токов инверторов и выдает значения уставок блокам управления выпрямителями для корректировки их углов управления.

На рис. 2 представлен фрагмент ОППС1, включающий 3 инвертора, работающих на общую нагрузку. Важным аспектом исследования является установление характера переходных процессов, возникающих при включении/выключении модулей и при набросе/сбросе нагрузки.

На рис. 4 приведены осциллограммы токов инверторов и напряжения на нагрузке при мгновенном включении и отключении одного из модулей, полученные с использованием системы моделирования PSIM Demo. Кривые показывают, что никаких неблагоприятных переходных процессов не возникает. Токи перераспределяются между всеми работающими модулями, а напряжение на нагрузке остается неизменным.

Рис. 2. Фрагмент ОППС1

и

coo 400 2X0 ООО -2X0 -4 00 -в .00

15

1000 5X0 ООО -5.00 -1000 -15.00

Ю

10.00 5.00 ООО -5X0 -10.00 -15.00

VP1

100 00 --- -------- ------- ------- -------- ------- ------- ------- -------- ------- ------- -------- ------- ------- ------- --------

50.00 ....... ..................................... .......... ......................... ........... ........................ ............

0.00 ........................ ..........................................................................................................-

-50.00 ....................... .............................................................................. .............................

-100 00 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

30.00 40 00 50 00 вооо 70 00

Time

Рис. 3. Процессы включения и отключения модуля

14

10.00

5.00 0.00 -5.00

-10.00

и

10.00

5.00 0.00 •5.00

-10.00

16

10.00

5.00 0.00 -5.00

-10.00

VP1

100.00 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

50 00 ............ .......................... .......................... ..................... ........................... ..........................

0 00 .................................................................................................................................................

•50.00 ________________ ... ______________________ . . ____________________ . . ................... .......................... ...............

•100.00 1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

30.00 40 00 50.00 60.00 70.00

Time

Рис. 4. Процессы отключения и подключения двойной нагрузки

Процесс сброса и наброса двойной нагрузки иллюстрирует рис. 4, из которого также следует, что никаких неблагоприятных процессов, которые приводили бы к искажению формы напряжения на нагрузке или к непропорциональному перераспределению токов между модулями, не происходит.

ЛИТЕРАТУРА

1. Г олембиовский Ю.М. Алгоритм оперативной оптимизации структуры перестраиваемого тиристорного комплекса / Ю.М. Голембиовский, С.Б. Пятибратов // 84

Системы управления производственными процессами: межвуз. сб. науч. тр. / НИИ. Новочеркасск, 1989. С.44-49.

2. Кантер И.И. Система централизованного электроснабжения на базе параллельно работающих преобразователей частоты / И.И. Кантер, Ю.Б. Томашевский, Ю.М. Голембиовский // Электричество. 1991. №1. С. 39-47.

3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С. Моин. М.: Энергоатомиздат, 1986. 347 с.

Г олембиовский Юрий Мичиславович -доктор технических наук, профессор кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Тимофеева Олеся Владимировна -ассистент кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 08.11.10, принята к опубликованию 22.11.10