Совершенствование энергетических показателей энергоподсистем электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями

2 ИТОГИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕМАТИЧЕСКОГО

ПЛАНА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ УНИВЕРСИТЕТА, ФИНАНСИРУЕМЫХ АГЕНТСТВОМ ПО ОБРАЗОВАНИЮ, И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО КОНТРАКТАМ, ФИНАНСИРУЕМЫХ

АГЕНТСТВОМ ПО НАУКЕ, _В 2005 ГОДУ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОПОДСИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И СИСТЕМ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ П.А. Борисов, В.А. Толмачев, В.С. Томасов

Рассматриваются вопросы, связанные с решением задачи совершенствования энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями за счет выбора рациональных структур и параметров элементов их энергетических подсистем.

Введение

Широкое использование в современных электротехнических комплексах различного назначения регулируемых систем с полупроводниковыми преобразователями электрической энергии требует дальнейшего совершенствования их энергетических подсистем. Энергетическая подсистема (ЭП) включает в себя силовые цепи первичного источника питания, полупроводникового преобразователя (ПП), нагрузки и определяет массогабаритные и динамические показатели электротехнических комплексов и систем. Полупроводниковый преобразователь является неотъемлемой частью современных систем электропитания технологических объектов, а также систем автоматизированного электропривода, и обеспечивает их электрической энергией требуемого вида и качества.

Методикам расчета и проектирования энергетических подсистем различного типа уделено достаточно внимания в литературе, изданной в 80-90 гг. прошедшего столетия. Однако в связи с тем, что за последнее десятилетие ужесточились требования международных и отечественных стандартов к качеству энергопотребления ЭП, возникла необходимость пересмотра и доработки существующих методик расчета и проектирования. Задачи совершенствования энергетических показателей ЭП напрямую связаны с вопросами определения составляющих полной мощности. В теории мощности в цепях с несовпадающими формами напряжения и тока выделяются два направления: спектральное (рядов Фурье) и интегральное. Определение составляющих полной мощности на основе разложения на гармоники является сложной и трудоемкой операцией [1], поэтому спектральный метод пока не получал широкого применения. Однако в настоящее время перспективность его использования обусловлена тем, что требования международных стандартов IEC 61000-3, IEEE 519, EN 61000-3-2 жестко регламентируют уровень гармонических составляющих тока, потребляемого электротехническим устройством, вплоть до 49 гармоники. Отечественный ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) ограничивается гармониками до 40-й. При проектировании как питающих сетей, так и

электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями необходимо не только правильно учитывать и разделять все составляющие полной или кажущейся мощности, но и закладывать мероприятия по уменьшению мощностей обменного характера. Совершенствование энергетических показателей ЭП достигается за счет снижения вклада в полную мощность ее неактивных составляющих, что позволяет уменьшить загрузку оборудования и его установленные мощности и, в конечном счете, улучшить массогабаритные показатели ЭП.

При построении ЭП остро встают вопросы выбора ее структуры и параметров элементов в зависимости от типа первичного источника питания, характера и режимов работы нагрузки. В данной статье рассматриваются структуры энергоподсистем, построенных на базе источников питания переменного тока с последующим преобразованием в постоянный с односторонним потреблением и двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой с противо-э.д.с.

При построении энергоподсистем с двухсторонним обменом энергией между питающей сетью и нагрузкой наиболее важными являются вопросы определения структуры и параметров ЭП, обеспечивающих эффективный способ использования энергии рекуперации. Реализация в замкнутых системах электропривода эффективных тормозных режимов накладывает жесткие требования на выбор состава оборудования энергоподсистемы и определение электромагнитных нагрузок на ее элементах. Рассмотрены ЭП замкнутых систем электропривода постоянного тока (ЗС ЭППТ) с транзисторными широтно-импульсными преобразователями (ШИП), которые находят широкое применение в промышленном и научном приборостроении и других отраслях. Приведенная в статье методика позволяет выбирать наиболее эффективный способ использования энергии рекуперации и правильно определять структуру звена постоянного тока (ЗПТ) ЗС ЭППТ.

Энергоподсистемы с односторонним энергопотреблением

Энергетическая подсистема, построенная на базе источника питания переменного тока с последующим преобразованием в постоянный, включает в себя выпрямитель c силовым фильтром (СФ). В ЭП с односторонним энергопотреблением схема выпрямления, схема СФ и его параметры определяются исходя из требования сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. На практике широкое применение находят ЭП на базе выпрямителей с емкостными и Г-образными индуктивно-емкостными фильтрами (LC).

Для структурно-параметрического анализ таких ЭП используется методика, основанная на операторном методе совместно с методом гармонического анализа. Полная система выражений для анализа электромагнитных и энергетических процессов в ЭП на базе выпрямителей с ^ и LC-фильтрами приведена в [2]. Расчет производится по спектральному составу сетевого тока с использованием преобразований Фурье и Эйлера и позволяет определить полную мощность 3 и ее составляющие: активную Р, реактивную Q (сдвига), искажения Т, несимметрии Н, коэффициент полезного действия

(к.п. д.) ЭП и энергетические коэффициенты: КМОщНОСТИ = Р / 3, КСдВИГА = Р /д/Р^+О2, искажения синусоидальности кривой сетевого тока или

К ГАРМОНИК = Т /^[PГ+Q = ЛЕ ()2 /1ХЕМБ и други^ а также мощность в нагрузке и

\к =2

возможные значения токов и напряжений схемы. Численные расчеты производятся в пакете MathCAD, при этом спектры ограничиваются гармониками по 40-ю, согласно ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95). По результатам расчетов в [2] получены диаграммы зависимостей электромагнитных нагрузок, установленных мощностей и энергетических показателей от основных параметров схем ЭП.

В ходе анализа ЭП с С-фильтрами отмечено, что они имеют низкие энергетические показатели, связанные с характерной особенностью - наличием «отсечки» тока, потребляемого из сети. При малых значениях коэффициента пульсаций по 1-й гармонике КП1 напряжения на нагрузке в ЭП с С-фильтром основной вклад в полную мощность вносится мощностью искажения Т. Для улучшения энергетических показателей данных ЭП требуются методы с компенсацией мощности искажения (активная коррекция), которые отличаются от методов компенсации реактивной мощности.

Наилучшие энергетические показатели в ЭП с Г-образными ЬС-фильтрами достигаются при форме сетевого тока, близкой к прямоугольной. Требуемая форма тока в однофазной ЭП с Г-образным ЬС-фильтром может быть обеспечена при выполнении условия [2]

Ьф > 3ЯН /аи,

где в)и = 2п  /и - угловая частота напряжения питающей сети, /и - частота напряжения питающей сети, ЯН - активное сопротивление нагрузки, Ьф - индуктивность ЬС-фильтра. При выполнении условия (1) обеспечиваются следующие энергетические показатели: коэффициент мощности ~ 0,9, коэффициент искажения синусоидальности кривой сетевого тока ~ 0,48. Для трехфазной ЭП с Г-образным ЬС-фильтром получено условие [2]

Ьф > 0,1Ян/©и,

при выполнении которого: коэффициент мощности ~ 0,95, коэффициент искажения синусоидальности кривой сетевого тока ~ 0,32.

Однако даже наилучшие энергетические показатели указанных ЭП не отвечают в большинстве случаев требования стандартов, что заставляет разработчиков отказываться от простых выпрямительных схем на входе полупроводниковых преобразователей различных типов, а также регулируемых электроприводов на базе управляемых выпрямителей.

Явления искажения обязаны своим происхождением элементам электрической цепи, имеющим несинусоидальную форму напряжения, и компенсировать их можно, внося искажающие воздействия в форму кривых напряжений и токов преобразовательного устройства. Использование пассивных Г- и Т-образных силовых фильтров одновременно на стороне переменного и постоянного токов позволяет деформировать форму выпрямляемого напряжения, влияя тем самым на спектральный состав потребляемого электротехническим устройством тока и саму мощность искажения, и обеспечить улучшение энергетических показателей ЭП [2]. Однако такие методы обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, в переходных процессах, вызванных включением в питающую сеть или изменением нагрузки, значительный вклад в сетевой ток вносится реактивной составляющей, что приводит к ухудшению энергетической эффективности ЭП, существенной загрузке оборудования и завышению его установленных мощностей. Во-вторых, выбор параметров пассивных фильтров производится исходя из номинальной мощности нагрузки, поэтому улучшение энергетических показателей достигается только в небольшом диапазоне мощностей около номинальной.

С точки зрения возможностей формирования входных и выходных токов и напряжений с требуемыми показателями качества более перспективно и эффективно применение схем ЭП с активной коррекцией энергетических показателей.

Энергоподсистемы с двухсторонним энергопотреблением

Преобразователи, обеспечивающие двухстороннее энергопотребление, т. е. возможность работы в 4 квадрантах комплексной плоскости на стороне переменного тока, носят в отечественной литературе [3] название активных преобразователей (АП). В

англоязычной литературе используется обобщенный термин преобразователь переменного/постоянного тока соответствующий терминологии стандарта МЭК 60050-551 (AC/DC Converter). Управляемые силовые модули, на базе которых строится преобразователь, могут иметь разное исполнение, обеспечивая полную управляемость им в режиме потребления нагрузкой энергии и (или) рекуперации энергии в сеть.

На сегодняшний день ведущими зарубежными и отечественными производителями устройств преобразовательной техники налажен серийный выпуск активных выпрямителей напряжения (АВН) для систем электропривода средней и большой мощности. Например, АВН мощностью от 2,2 до 1500 кВт выпускаются зарубежной фирмой VACON.

Активный выпрямитель напряжения [3] представляет собой автономный инвертор напряжения, выполненный на силовых ключах с обратными диодами и обращенный на сторону переменного тока. В режиме рекуперации энергия возвращается в сеть через инвертор рекуперации (ИР). Неуправляемый выпрямитель (НУВ) структурно входит в состав АВН, и выпрямление осуществляется через обратные диоды. Для обмена реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник, между сетью переменного тока и АВН используется конденсатор СФ ЗПТ. В принципе работы АВН заложен импульсный повышающий напряжение регулятор, поэтому он обязательно содержит в своем составе токоограничивающий дроссель, устанавливаемый на стороне переменного тока.

Расчет и проектирование ЭП на базе АВН должны осуществляться с учетом электромагнитных нагрузок, воздействующих на элементы ЭП при включении в питающую сеть. Эффект повышения в таких схемах достигается за счет кратковременного (относительно периода питающей сети) закорачивания цепи источника через токоограничи-вающий дроссель, накопления за этот момент времени энергии в дросселе и ее последующей отдачи в конденсатор СФ. В принципе работы схем повышающего типа не заложена возможность длительного (в течение периода питающей сети) отключения цепи нагрузки от цепи источника питания. При пуске ток заряда конденсатора СФ протекает через НУВ, структурно входящий в схему АВН, в результате при пуске наблюдаются процессы, аналогичные традиционным выпрямителям [2].

В качестве систем с двухсторонним энергопотреблением чаще всего выступают электроприводы постоянного или переменного токов. Широкое использование систем электропривода постоянного тока малой и средней мощности, построенных на базе ШИП, заставляет обратить особое внимание на вопросы выбора состава оборудования энергоподсистемы и определения электромагнитных нагрузок на ее элементах. Наиболее массовое практическое применение в регулируемых электроприводах получили двухзвенные преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока. В современных системах электропривода постоянного тока энергетическая подсистема, если нет необходимости в автономном источнике питания, включает в себя: силовые цепи сети переменного тока, НУВ или АВН, СФ, тормозную цепь (ТЦ), силовой каскад транзисторного ШИП, ДПТ.

Различные условия работы производственных механизмов обусловливают различные режимы работы электроприводов. Предельные динамические возможности электропривода определяются параметрами энергетической подсистемы, так как информационная подсистема не может обеспечить требуемые моменты, скорости и ускорения двигателя, если они не заложены в ЭП. Для ЭП ЗС ЭППТ решающими факторами при выборе их структуры и расчете параметров элементов являются обеспечение надежной коммутации силовых ключей ШИП и прием энергии рекуперации вращающихся частей электропривода [4].

При торможении электропривода кинетическая энергия, которой обладают вращающиеся массы привода в начальный момент торможения, превращается в электри-

ческую энергию и возвращается в звено постоянного тока. Избыточную энергию необходимо аккумулировать или преобразовывать в другую форму. Принципиально существует три возможности:

• аккумулирование (запас) энергии в конденсаторе силового фильтра;

• использование тормозной цепи, состоящей из прерывателя и тормозного сопротивления (преобразование энергии в тепло);

• рекуперация (возврат) энергии в сеть посредством инвертора рекуперации (использование электрической энергии другим пользователем).

Величины рекуперируемой энергии в емкость СФ и электромагнитных нагрузок на элементы ЭП, а также их зависимости от параметров системы электропривода и режима ее работы определяются по методике, использующей диаграмму нагрузки электропривода [4]. Наиболее тяжелым режимом работы ЗС ЭППТ с ШИП, при котором электромагнитные нагрузки максимальны, является режим периодического реверса

скорости с выходом в зону ограничения тока якоря на заданном уровне I о. Для данного режима работы кинетическая энергия вращающихся частей электропривода на интервале рекуперации определяется, согласно [2], как

Wрек =

где Wmax = JZQ2XX /2, UБ = ceО, 1КЗ = UБ /гЯ, Оу - величина скорости в установившемся режиме, Js - приведенный момент инерции двигателя с нагрузкой, гЯ - сопротивление обмотки якоря, cE - конструктивный коэффициент. С учетом того, что эта энергия за время рекуперации рассеивается в якорной цепи машины и заряжает емкость СФ, т.е. является суммой двух составляющих, получим формулу для определения величины энергии, запасаемой в емкости СФ [2]:

Wc = Iо

где ICT - ток, обусловленный статическим моментом нагрузки. Энергия, потребляемая из звена постоянного тока за времена интервалов разгона tp, движения с установившейся скоростью ty и торможения tT, т.е. за время ТП = tT + tp + ty [2], равна

[ 10 + 10 0у (0у + 21 о) + 2i ( Тп 2°у7о О +1 )]

[--=--1--=-=--+ 21 ст (---^——)(оу + Ict )]

— 1 о + Ict

W n =-----,

где = ПДПТ  ПшиП, ПДПТ - к.п.д. ДПТ, цШИП - к.п.д. ШИП, ТМ - электромеханическая постоянная времени. Полученные зависимости (4) и (5) позволяют соотнести энергию Wс с потребляемой из сети электрической энергией W п за время ТП при заданных параметрах нагрузки и режима работы и дают возможность сравнивать эффективность различных способов использования энергии рекуперации при заданных требованиях к энергетическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам системы электропривода в целом.

Исходя из электромеханических (низкочастотных) процессов в ЭП ЗС ЭППТ, когда ТЦ и АВН не используются, напряжение на конденсаторе СФ в конце интервала рекуперации определяется согласно [2]:

Uc max =>/ Wc •

где величина напряжения на конденсаторе СФ в начале интервала рекуперации U с оу, т.е. на интервале движения с установившейся скоростью, определяется по формуле [2]

U с оу =V 1 -

На основании выражений (6) и (7) можно установить соотношение для определения емкости конденсатора СФ из условия ограничения напряжения на нем на заданном уровне U c max зад в режиме рекуперации [2]:

Сф1 =

Из условия минимально допустимого снижения напряжения на конденсаторе СФ Uс min на интервале разгона при заданном уровне токоограничения I о емкость СФ выбирается [2] следующим образом:

СФ2 = 2I о /[тя

На основании найденных соотношений (4)-(9) формулируется методика выбора параметров дискретно функционирующей тормозной цепи ЗПТ в ЗС ЭППТ с ШИП. Применение ТЦ целесообразно при СФ1 > СФ2, что позволяет снизить величину емкости конденсатора СФ до значения СФ2 и его установленную мощность. Выбор параметров ТЦ производится из условия ограничения напряжения на конденсаторе СФ на заданном уровне U с max зад в режиме рекуперации. Время включения тормозной цепи t0 определяется из равенства [2]

при величине емкости СФ, равной СФ 2, где

Wc

Выражение (11) определяет энергию, аккумулируемую в конденсаторе СФ, за время от начала рекуперации до момента достижения напряжения на емкости СФ заданного уровня U с max зад. Энергия и рассеиваемая мощность в ТЦ [2] равны

W ТЦ = ГяСф 2

PЦ = Wm /

где

tpЕк = tm

Сопротивление тормозного резистора выбирается согласно [2]:

Rm = UCmax зад / ,

при этом действующее значение тока в ТЦ определяется как [2]

Im rms =jPm / Rm .

Верификация результатов исследований

В современных интегрированных пакетах MathCAD, OrCAD/Pspice, MATLAB/Simulink реализованы модели энергоподсистем с односторонним энергопотреблением, а также модели ЗС ЭППТ с ШИП. Модель ЗС ЭППТ с ШИП (рис. 1), реализованная в пакете MATLAB/Simulink, включает отдельные модели элементов ЭП: источника питания, сетевого трансформатора, вентильного блока НУВ или АВН, ШИП, ДПТ, и информационной подсистемы: системы управления ШИП, состоящей из блока регуляторов и формирователя сигналов управления ключами ШИП по соответствующему алгоритму, системы управления АВН и ТЦ, блока измерений полной мощности и ее составляющих и показателей качества энергопотребления ЭП, а также блока измерения мощности на вторичной стороне трансформатора. Система управления и регулирования АВН является двухконтурной с внешним контуром регулирования напряжения ЗПТ на базе пропорционально-интегрального регулятора и внутренним подчиненным контуром регулирования сетевых токов [2].

Рис. 1. Модель ЗС ЭППТ с ШИП на базе трехфазного АВН

Установлено, что применение АВН в ЗС ЭППТ с ШИП позволяет снизить емкость конденсатора СФ ЗПТ и его установленную мощность, стабилизировать напряжение в ЗПТ и регулировать его с заданной динамикой, обеспечить рекуперацию энергии в сеть, тем самым повышая энергетическую эффективность системы электропривода, улучшить показатели качества энергопотребления ЭП. Однако таким системам присущи следующие особенности и недостатки: при использовании сетевого трансформатора его габаритную мощность потребуется выбирать завышенной относительно ЭП на базе НУВ или ограничивать на заданном уровне сетевой ток, что снизит динамические качества ЗС ЭППТ; должно быть гарантировано, что энергия может быть возвращена в питающую сеть, т.е. необходимо дополнительно учитывать характер сети электроснабжения; к.п.д. системы снизится из-за потерь в коммутирующем оборудовании АВН [2].

Экспериментальные исследования ЭП ЗС ЭППТ проводились на лабораторном комплексе «Прецизионный приборный электропривод с улучшенными энергетическими показателями и компьютерным управлением» и на опытных образцах ЗС ЭППТ квантово-оптических систем различного назначения, разработанных на кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем (ЭТиПЭМС) СПб ГУ ИТМО по госбюджетным и хоздоговорным НИР. Экспериментальные исследования ЭП с односторонним энергопотреблением и ЗС ЭППТ подтвердили справедливость полученных теоретических положений, доказали адекватность моделей.

Заключение

В статье освещены вопросы, связанные с решением задачи совершенствования энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями за счет выбора рациональных структур и параметров элементов их энергоподсистем. Проведен краткий структурно-параметрический анализ энергоподсистем с односторонним потреблением электроэнергии. Предложена методика выбора структуры ЭП, расчета параметров ее элементов и электромагнитных нагрузок на них в ЗС ЭППТ с ШИП. Установлены расчетные соотношения, позволяющие

определить целесообразность использования АВН в ЭП ЗС ЭППТ в зависимости от уровня ограничения тока якоря, величины рекуперируемой энергии вращающихся частей электропривода и циклограммы его работы.

Обоснованность и достоверность результатов исследований базируется на использовании известных положений теории энергетических процессов в вентильных преобразователях и теории электропривода, подтверждается моделированием систем в современных интегрированных пакетах MathCAD, MATLAB/Simulink, OrCAD/PSpice, сравнением с данными из литературных источников, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Разработанные математические модели позволяют определять составляющие полной мощности, показатели качества энергопотребления ЭП, структуру и параметры ЭП ЗС ЭППТ на базе неуправляемого выпрямителя и АВН.

Результаты работы нашли практическое применение при проектировании кванто-во-оптических систем нового поколения на базе рассмотренных ЗС ЭППТ на кафедре ЭТиПЭМС СПб ГУ ИТМО.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках единого заказ-наряда на 2005 год.

Литература

1. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. / Пер. с польск. под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 136 с., ил.

2. Борисов П. А. Совершенствование энергетических показателей электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями. Дисс. канд. техн. наук. СПб, 2005.

3. Ефимов А. А., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р. Т. Шрейнера. Ново-уральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с., ил.

4. Томасов В.С., Синицын В. А., Борисов П. А. Исследование электромагнитных процессов в энергетическом канале замкнутой системы электропривода постоянного тока. // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 11. С. 9-16.