Исследование трехфазного активного выпрямителя напряжения

УДК 621.314

Брылина О.Г., Гельман М.В.

Исследование трехфазного активного выпрямителя напряжения

Статья посвящена исследованию активного выпрямителя напряжения (АВН). Приведена его принципиальная схема и виртуальная модель. Показаны временные диаграммы работы АВН в выпрямительном и инверторном режиме. Проведен спектральный анализ осциллограмм напряжения и тока сети.

Ключевые слова активный выпрямитель напряжения, виртуальная модель, выпрямительный и инверторный режим, временные диаграммы, спектральный анализ.

Трехфазные активные выпрямители напряжения (АВН) относятся к сравнительно новому классу преобразователей, которые могут работать в выпрямительном и инверторном режиме, передавая энергию из сети переменного тока в цепь постоянного и обратно, то есть меняя направление потока мощности. При этом изменяется направление тока при неизменной полярности напряжения [1, 2].

В этих преобразователях улучшен гармонический состав тока, потребляемого из сети, а также имеется возможность получения желаемого значения коэффициента мощности, в том числе близкого к единице.

АВН могут применяться, по крайней мере, в трех случаях [1-4]:

1) для получения стабильного постоянного напряжения от сети переменного с возможностью рекуперации энергии;

2) в качестве первого звена в двухзвенных преобразователях для питания двигателей постоянного тока с возможностью регулирования скорости и рекуперативного торможения;

3) в качестве первого звена в двухзвенных преобразователях для питания асинхронных двигателей с возможностью регулирования скорости и рекуперативного торможения.

Для исследования схем силовой электроники широко применяется имитационное моделирование с помощью комплекса программ Matlab+Simulink [5-7].

На кафедре электропривода и автоматизации ЮУрГУ (НИУ) в развитие существующего комплекса виртуальных лабораторных работ [8, 9] поставлены новые работы для магистров, изучающих специальные разделы курса «Силовая электроника», в частности поставлена работа по изучению трехфазного АВН.

Цель работы - исследование энергетических показателей и характеристик АВН, а также влияния изменения параметров схемы на энергетические показатели и качество напряжения сети. Поэтому в исследуемом АВН отсутствует обратная связь по выпрямленному напряжению и входные токи задаются от независимого источника трехфазного синусоидального напряжения.

Принципиальная схема и виртуальная модель для исследования АВН показана на рис. 1. В ее состав входят следующие блоки:

- сеть (Set) - блок, имитирующий работу источника трехфазного синусоидального напряжения;

- сетевой фильтр СФ (F) - обеспечивает защиту сети от ШИМ сигнала;

- индуктивный накопитель ИН (IN) - блок, имитирующий активно-индуктивное сопротивление реактора в цепи переменного тока;

- система управления СУ (SU) обеспечивает логику работы транзисторов вентильного блока ВБ (WB(kom)) активного выпрямителя напряжения в выпрямительном и инверторном режиме;

- вентильный блок ВБ (WB(kom)) - содержит вентильный блок (WB) в комплекте с блоком коммутационных потерь, позволяющим учесть коммутационные потери в транзисторах;

- фильтр (Cd) и нагрузка Rd+E, представляющая собой противо-ЭДС с внутренним активным сопротивлением (Rd, PEDS);

- датчики тока ДТ и напряжения (Datch I2, Dat_idi2, Dat_idi3, Dat U_AB) позволяют измерять токи и напряжение в схеме и передавать их значения на осциллограф;

- блок измерительных преобразователей (BIP) позволяет определять мгновенные, средние и действующие величины токов и напряжений в схеме (uAb, uA, iA, iv, uv, id, idl, udl, Ud, Id, Ulin, ), мощности (Pd, P1, Q, S), действующие значения первых гармоник тока и напряжения (I1(1), Ulin(l)) и коэффициенты гармоник (Ki, Ku), энергетические показатели схемы (n, х, cos ф);

- осциллографы (Scopel, Scope2) - блоки, позволяющие наблюдать осциллограммы токов и напряжений (uAB, uA, iv, uv, id, idl, ud), а также мощностей (Pd, Pl, Q, S);

- дисплей (Display) - блок, предназначенный для цифрового отображения числа включений одного транзистора (n_kom) и значений напряжений и токов, снимаемых с блока BIP;

- графопостроители (Ud = f(Id); KPD = f(Id)) - блоки, предназначенные для построения внешних характеристик Ud = f(Id), а также зависимостей n = f(Id) в автоматическом режиме.

Временные диаграммы, иллюстрирующие процессы, происходящие в АВН в выпрямительном и инверторном режиме, приведены на рис. 2 и 3 соответственно. Из осциллограмм наглядно видна синусоидальность напряжений сети и потребляемого тока. Видно, что в выпрямительном режиме потребляемый ток находится в фазе с фазным напряжением, а в инвертор-ном - в противофазе.

На рис. 4 изображены осциллограммы и спектральный состав напряжения сети uAB и тока iA, потребляемого из сети (в выпрямительном режиме).

АВН

А I В « С «

ЛТ«

ДТ И ИН

¡1 ДТ1П и

-Е3=г

сл _]_

РЕРБ

«Я

р.ав иик, ии, иитк«

В60.00| 1 ио Щ ю

ра

1

т

ТЯ!

тати]

Сип

о

га

б

Рис. 1. Принципиальная схема (а) и виртуальная модель (б) для исследования активного выпрямителя напряжения

Рис. 2. Осциллограммы процессов АВН, работающего в выпрямительном режиме

Рис. 3. Осциллограммы процессов АВН, работающего в инверторном режиме

а

ПАВ,

——I—+—I—+

к

I

, I

x

1 ч

I г

500

0,16 0,164 0,168 0,172 0,178 a ¡A, A

A / 1 \

1 1 1 1 1 N - -

0,162 0,166 0,17 0,174 0,178 В

0,2

0,15

ОД

0,4 03 ОД 0,1 0

Амплитура гармоник, в отн. един.

.J___

,19 À

012 34 5678 9

/, кГц

Лмплитура гармоник, в отн. един.

! 1

!

1 !

m»

01 2345 6 789

/, кГц

Рис. 4. Осциллограмма и спектральный состав напряжения сети uAB

Исследования приведены для случая формирования фазных токов с помощью релейной обратной связи. При формировании токов с помощью ШИМ были получены аналогичные результаты по энергетическим показателям и содержанию гармоник в токе и напряжении сети. Как видно из рис. 4, доля гармоник в токе и напряжении сети составляет доли процента.

Выводы

1. Проведенные эксперименты подтверждают, что главное достоинство АВН - это возможность рекуперации энергии и высокий коэффициент мощности в выпрямительном и инверторном режимах (х ~ 1).

2. АВН мало влияет на качество напряжения питающей сети.

3. Малые динамические потери в ЮВТ транзисторах нового поколения позволяют существенно повысить КПД АВН (до 97-98%) и уменьшить габариты индуктивного накопителя, сетевого фильтра и выходного конденсатора за счет повышения частоты импульсной модуляции.

4. Моделирование позволило оптимизировать параметры элементов АВН.

5. По внешнему виду осциллограмм и результатам спектрального анализа можно наглядно судить о высокой синусоидальности тока, потребляемого из сети и малых искажениях синусоидальности сетевого напряжения.

Список литературы

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 672 с.

2. Siemens simovert masterdrives AFE catalogue. 2005. 117 p.

3. Гельман М.В., Дудкин М.М., Преображенский К.А. Преобразовательная техника: учеб. пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. 424 с.

4. Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Шишков А.Н. Вентильный электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения // Электротехника. 2013. № 3. С. 37-43.

5. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2007. 300 с.

6. Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование механотронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008. 368 c.

7. Совместное применение физического и виртуального моделирования при изучении устройств преобразовательной техники / М.В. Гельман, Р.З. Хусаинов, М.М. Дудкин, О.Г. Терещина // Изв. вузов. Электромеханика. 2007. Вып. 5. С. 62-65.

8. Гельман, М.В., Брылина О.Г., Дудкин М.М. Комплекс виртуальных лабораторных работ по преобразовательной технике // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. Вып. 18 / под ред. Радионова А.А. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С. 41-49.

9. Брылина О.Г., Гельман М.В. Исследование двухзвен-ных преобразователей частоты // Электротехнические системы и комплексы: междунар. сб. науч. трудов. Вып. 21. / под ред. Корнилова Г.П., Пановой Е.А. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. С. 270 - 278.

Information in English

Study of Three-Phase Active Rectifier

Brylina O.G., Gelman M.V.

An active voltage rectifier is considered in this article. The block diagram and virtual model of the active voltage rectifier are given. Time characteristics of active voltage rectifier operation for the rectifier and inverter mode are given. Spectral analysis of voltage and current oscillograms is made.

Keywords: active voltage rectifier, virtual model, rectifier and inverter mode, timing diagrams, spectral analysis.

References

1. Zinovyev G.S. Osnovy silovoi elektroniki [Fundamentals of power electronics]. Novosibirsk: Publishing house of NGTU, 2004. 672 p.

2. Siemens simovert masterdrives AFE catalogue. 2005. 117 p.

3. Gelman M.V., Dudkin M.M., Preobrazhenskii K.A.Preobrazovatelnaya tehnika [Converting equipment]: a tutorial. Chelyabinsk: Publishing house of SUSU, 2009. 424 p.

4. Usynin Yu. S., Grigoryev M.A., Shishkov A.N. Ventilnyi

elektroprivod s sinhronnoi reaktivnoi mashinoi nezavisimogo vozbuzhdeniya [Rectifier electric drive with induction reluctance separately exited motor]. Electrical engineering. 2013. No.3, pp. 37-43.

5. German-Galkin S.G. Silovaya elektronika: laboratornye raboty na PK [Power electronics: laboratory works for PC]. Saint Petersburg: KORONA print, 2007. 300 p.

6. German-Galkin S.G. Matlab & Simulink. Proektirovanie mehanotronnyh sistem na PK [Computer-aided design of mecha-tronic systems]. Saint Petersburg: KORONA-Vek, 2008. 368 p.

7. Gelman M.V., Khusainov R.Z., Dudkin M.M., Tereschina O.G. Sovmestnoye primeneniye fizicheskogo i virtualnogo modelirovaniya pri izuchenii ustroistv preobrazovatelnoi tehniki [Application of physical and virtual

modeling in the study of converting devices]. Proceedings of universities. Electrical engineering. 2007, issue 5, pp. 62-65.

8. Gelman M.V., Brylina O.G., Dudkin M.M. Kompleks virtualnyh laboratornyh rabot po preobrazovatelnoi tehnike [Virtual laboratory works on converting equipment]. Electrical systems and complexes: Interuniversity collection of scientific papers. Issue 18. Ed. Radionov A.A. Magnitogorsk: MSTU, 2010, pp. 41-49.

9. Brylina O.G., Gelman M.V. Issledovanie dvuhzvennyh preobrazovatelei chastoty [Study of two-section converters]. Electrical systems and complexes: International collection of scientific papers. Issue 21. Ed. Kornilov G.P., Panova E.A. Magnitogorsk: Publishing house of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2013, pp. 270-278.

УДК 62-83: 621.313

Косматов В.И., Зиновьев А.М., Кочергин Г.Г., Карпова У.В.

Структурная схема и динамика электропривода с энергосберегающим

АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ

КООРДИНАТ

В работе рассматривается математическое описание электромеханических и электромагнитных процессов в переходных режимах электропривода на основе энергосберегающего асинхронного двигателя (ЭАД) с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Математическое описание выполнено методом пространственных векторов с использованием теории определителей. Составлена структурная схема электропривода, произведены расчеты переходных процессов, получены осциллограммы зависимостей скорости и электромагнитного момента ЭАД при прямом пуске и набросе нагрузки.

Ключевые слова: компенсированный, асинхронный, двигатель, метод пространственных векторов, определители, структурная схема, математическая модель, осциллограммы.

Применение электропривода с энергосберегающим асинхронным двигателем обеспечивает экономию электрической энергии, снижение потерь и увеличение в целом энергетического КПД. Динамические режимы таких электроприводов изучены недостаточно, в связи с чем в работе предлагается рассматривать переходные процессы в таких электроприводах методами пространственных векторов с моделированием в среде МЛТЬЛБ 81шиИпк.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и дополнительной компенсационной обмоткой на статоре (рис. 1) рассматривается как система взаимосвязанных обмоток, причем взаимное положение этих обмоток в пространстве при вращении ротора непрерывно меняется. В [1] дано математическое описание электромагнитных процессов традиционных и компенсированных двигателей в стационарных режимах. Там же приводится схема замещения компенсированного двигателя и векторные диаграммы.

Рис. 1. Система магнитосвязанных обмоток компенсированного двигателя

Для асинхронного двигателя с компенсационной обмоткой на статоре справедливы уравнения для мгновенных значений напряжений, токов и потокосцепле-

ний для трех обмоток вида:

U ы = ЯАЛ +-

dt

0 = RJ2a +

0 = Ri

3 ?

dt (d¥

dt C

1 с

TT" \ .dt.

( 03A

^ = (l- + a„ к

0,5l j,„

> тф 1B

0,5L а

> тф 1С

0,5L J

тф

+ L

0,5l J , +0,5l J

> тф 3B > тф з,

2п

тф [i2a COS 02 + ^ COS(02 + у) +

2п

+ i2C cos(02 y)];

^2a =^тф + L2a )i,_ 0,5l. +L

тф (i2b + i2c ) +

2n

тф [iiA COS 02+ iib cos(02 y) +

2n

+ iic cos(02+y) + ^.cos 02 +

2n 2n

+ i ,cos(0, —) + i ,cos(0, +—)];

3B V 2 3 ' 3C V 2 3

^3A = ^тф + L2a )i

0,5L i

тф

0,5L i

тф 3

0,5Lmфi1A

0,5Lmфi1B

+ 2n

+ Lmi [i2a cos 02+ i2b cos(02+y) +

+ i2c cos(02

2n

+

+

3