«СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ ...»

Регулирование скорости вращения осуществляется посредством регулирования количества топлива, подаваемого в камеру сгорания турбины.

Система управления турбогенераторной установкой, поддерживающей постоянную скорость вращения, имеет обратную связь с датчика скорости вращения турбины и реализует ПИ или ПИД закон регулирования. Скорость изменения производимой мощности у данной установки достаточно велика.

Однако установка чувствительна к быстрому изменению нагрузки.

моторесурсом. Из преимуществ можно отметить крайне высокие массогабаритные показатели. Совокупность низкого моторесурса и высокой удельной мощности определила область применения газотурбинных установок. Данные установки используются для компенсации пиковой нагрузки или на газоперекачивающих станциях. В качестве источников для систем автономного электроснабжения применяются на месторождениях полезных ископаемых и на нефтедобывающих платформах.

Принцип действия ветроэнергетической установки (ВЭУ) заключается в преобразовании энергии ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса. Энергия ветроколеса посредством асинхронного или синхронного генератора преобразуется в электрическую энергию.

Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого «активного» типа (карусельного и парусного типа, Савониуса и др.), использующие силу давления ветра. Эти ветроколеса имеют очень низкий КПД (менее 20%), поэтому в настоящее время для производства энергии они не применяются.

ветроколес:

Горизонтально осевые;

Установки осевого типа используют разницу давления оказываемого на профиль крыла при набегании встречного потока. Из-за использования одного принципа оба типа ветроэнергетических установок имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

варьироваться от сотен ват до нескольких мегаватт.

Рисунок 1.6 – Устройство современных ветроэнергетических установок Основными компонентами ветроустановки, кроме собственно ветроколеса, являются башня, мультипликатор и генератор. В зависимости от мощности ветроэнергетической установки диаметр ветроколеса может составлять от одного до нескольких десятков метров, а номинальная частота его вращения от 15 до 100 об/мин. Мультипликатор (редуктор) служит для повышения числа оборотов ветроколеса и согласования с частотой вращения генератора. Ветроэнергетические электроустановки небольшой мощности могут не содержать мультипликатор [3].

В качестве преобразователей механической энергии в электроэнергию чаще всего применяются асинхронные генераторы. В последнее время все большую популярность приобретают установки с синхронными генераторами на постоянных магнитах со статическим преобразователем частоты.

Характерной особенностью ветроэнергетических электроустановок является неуправляемая максимальная мощность источника. Верхний предел мощности, получаемый от источника электрической энергии, зависит от силы ветра. Мощность ветрогенератора может быть снижена, если нет энергоэффективности и надежности электроснабжения данный вид источника электрической энергии применяют совместно с аккумуляторными батареями, позволяющими запасать электроэнергию при малом потреблении и отдавать электрическую энергию в часы пиковых нагрузок и/или при недостаточной скорости ветра.

Аккумуляторные батареи являются потребителем и источником электрической энергии с быстро меняющейся управляемой мощностью.

Наличие потребителя с управляемой, быстроменяющейся мощностью позволяет снизить влияние нагрузки с неуправляемым энергопотреблением на питающую сеть.

Системами солнечного электроснабжения называются системы, использующие в качестве тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием является применение специального приемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в другой вид энергии [5].

По методу преобразования электрической энергии можно разделить солнечные электростанции на нагревательные и фотоэлектрические.

В свою очередь нагревательные электростанции можно разделить на концентрирующие гелиоприемники и плоские солнечные коллекторы.

электростанций.[4,6] Рисунок 1.7 – Параболические концентраторы солнечного излучения Такие установки представляют собой сферические или параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель [5]. В качестве теплоносителя обычно используют воду, либо незамерзающие жидкости. Теплоноситель нагревается почти до 400°C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем, для того, чтобы обеспечить постоянство направления на Солнце.

Рисунок 1.8 – Солнечная электростанция с параболическими электростанции башенного типа (рисунок 1.9). В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник (1), сооруженный наверху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор (3).

Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара (2). Пар вращает турбину для выработки электроэнергии (4), либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482°C.

Рисунок 1.9 – Солнечная электростанция башенного типа Принцип работы фотоэлектрической станции (ФЭС) отличает от предыдущих типов электростанций, получающих электроэнергию от Солнца, тем, что они работают на прямом преобразовании солнечного энергии в электричество [6]. Это возможно за счет процесса фотоэффекта, протекающего внутри каждого элемента.

аккумуляторных батарей, зарядного устройства и инвертора. На рисунке 1. представлена структурная схема ФЭС автономного обеспечения объекта.

Представленная структура является наиболее распространенным вариантом ФЭС. Кроме этого, существуют также другие схемы:

1) наличие подключения к централизованному электроснабжению. В таком случае ФЭС служит аварийным источником питания или наоборот;

2) ФЭС работает параллельно с каким-либо другим источником питания – дизельная установка, ветрогенератор, турбогенератор и т.д.

Электростанции, использующие для производства электрической энергии солнечную радиацию, не могут изменять максимальную производимую мощность, поскольку максимальная мощность этих установок зависит от внешних факторов. Так же, как и для ветрогенераторных электроустановок, установка аккумуляторных батарей позволяет согласовать изменяющееся потребление и изменяющуюся мощность источника электрической энергии.

Ветрогенераторы и солнечные установки можно отнести к установкам с нерегулируемым объемом производимой мощности. Объем энергии, производимый данными источниками электрической энергии, зависит от внешних факторов. Для согласования потребляемой и производимой мощности данные источники электрической энергии применяют или совместно с балансирующими батареями, или совместно с регулируемым источником электрической энергии. В качестве регулируемого источника электрической энергии могут выступать дизель-генераторы, распределительные сети и другие. Балансирующие аккумуляторы позволяют запасать «излишки» энергии в моменты наименьшего потребления и возвращать энергию в момент, когда производимая источником электрической энергии мощность меньше требуемой потребителям.

Рассмотренные выше источники электрической энергии можно условно разделить на установки с управляемой производимой мощностью и с неуправляемой производимой максимальной мощностью. К установкам с управляемой мощностью можно отнести дизель-генераторы, паротурбинные установки и газотурбинные установки. Скорость регулирования производимой данными электроустановками мощности различна. Скорость управления производимой мощностью максимальна у дизель-генераторов, однако и она может достигать нескольких секунд.

1.2 Современные системы управления частотно-регулируемым Основные принципы векторного управления частотно-регулируемым приводом были разработаны в 70-х годах ХХ века [23]. На сегодняшний день частотно-регулируемый привод с векторным управлением получил широкое распространение и выпускается большей частью фирм, производящий преобразователи частоты.

Векторное управление основывается на оперировании обобщающими векторами и их проекциями на ортогональные оси. Благодаря использованию обобщающих векторов, стало возможным упростить систему уравнений приводом и производить вычисления с проекциями как со скалярными величинами. Для преобразования из проекций в векторные величины и осуществления обратных преобразований векторные системы управления Тригонометрические преобразователи позволяют преобразовать проекции обобщающих векторов из одной системы координат в другую систему координат. В качестве систем координат, как правило, выбирают системы неподвижную, связанную со статором и вращающуюся синхронно с выбранным опорным вектором. Фазовые преобразователи служат для преобразования трехфазной системы векторов в двухфазную систему и для обратного преобразования. Формулы для преобразования обобщающего вектора тока статора I1 из неподвижной системы координат во вращающуюся систему координат с осями s1 и s2 (1.2.1) [25]:

координат относительно неподвижной системы.

Обратное преобразование производится по формулам:

Формулы для преобразования из трехфазной системы координат в двухфазную:

Обратное преобразование из двухфазной системы координат в трехфазную систему:

Чаще всего вращающуюся систему координат ориентируют по вектору потокосцепления ротора. Система уравнений, описывающих состояние короткозамкнутого асинхронного электродвигателя во вращающейся со скоростью вектора потокосцепления ротора системе координат, имеют вид [25]:

Как видно из приведенных уравнений, векторная система управления позволяет раздельно управлять контуром потокосцепления и момента.

Современные системы векторного управления выполняются по регулирования потокосцепления ротора двигателя содержит внутренний контур регулирования составляющей тока статора is1. В качестве регулятора потокосцепления также использует ПИ-регулятор (1.2.1). Канал содержит внутренний контур регулирования составляющей тока статора is2 и контур регулирования скорости вращения привода. В качестве регуляторов, как правило, используются ПИ-регуляторы.

Рисунок 1.2.1 – Структурная схема электропривода с векторным Векторные системы управления электроприводом получили свое широкое распространение благодаря способности обеспечивать достаточно высокие энергетические характеристики и быстродействие во всем диапазоне частот работы привода. К недостаткам векторного управления можно отнести необходимость настройки большого числа ПИ-регуляторов, в условиях меняющихся параметров асинхронного двигателя, настроить регуляторы на заданные критерии качества регулирования бывает затруднительно. [45] 1.2.2 Пространственно-векторная модуляция Пространственно-векторное управление является развитием системы векторного управления электроприводом. Система пространственновекторной модуляции заменяет ШИМ модуляцию в классическом векторном управлении [46, 63]. Отличие заключается в способе формирования напряжения на выходе автономного инвертора.

может принимать 6 значений U1, U2,…U6 и две нулевые позиции (рисунок 1.2.2). В нулевых позициях все ключи инвертора подключены к верхней или нижней шине инвертора. Требуемый вектор напряжения на выходе инвертора может формироваться путем поочередного включения пары смежных векторов:

где t1 – время действия вектора U1, t2 – время действия вектора U2.

Рисунок 1.2.2 – Формирование вектора напряжения на выходе инвертора Регулирование амплитуды вектора напряжения на выходе инвертора осуществляется путем включения одного из нулевых положений на время t0.

Общее время цикла составляет:

Время цикла определяет частоту переключения силовых коммутаторов инверторной схемы. На рисунке 1.2.3 показаны положения ключей инвертора, а на рисунке 1.2.4 приведен график во временной области, пространственного вектора напряжения в секторе 1.

Рисунок 1.2.3 – Состояние ключей инвертора для векторов U1 и U Рисунок 1.2.4 – График переключения ключей инвертора в секторе Вектора U0 – U7 на рисунке1.2.2 имеют следующие проекции на оси и Заданный вектор напряжения в секторе 1 формируется согласно формуле:

В общем случае для любых смежных векторов можно написать:

Решив систему уравнений (2.4.5) относительно t1 и t2, получим значения времени включения каждого из смежных векторов:

Угловое положение заданного вектора напряжения находится по проекциям:

Вычисленный угол определяет номера смежных векторов. Для вычисления угла используют уравнения, описывающие состояние двигателя.

Во вращающейся со скоростью вектора потокосцепления статора системе координат уравнения статорной и роторной цепей асинхронного двигателя имеют вид:

Исходя из общепринятого допущения о пренебрежимо малом активном сопротивлении статора приравняем его в уравнениях к нулю. После обозначения =,система уравнений примет вид:

трехфазной машины:

Из (1.2.15) следует:

Приняв Ks = Kr, учитывая, что проекция вектора потокосцепления статора на ось 2 равна нулю, получим:

Решив уравнение (1.2.19) относительно sm и взяв производную, получим [17]:

Подставив (1.2.20) в (1.2.13), получим:

Можно предложить следующий алгоритм вычисления проекций заданного вектора напряжения [37]:

где k – коэффициент, p – число пар полюсов, 0 – задание на частоту вращения, 0sm – задание номинального магнитного потока двигателя, M0 – задание на момент, полученный с регулятора скорости вращения, T – шаг счета. [38] Структурная схема системы управления с пространственно-векторной модуляцией представлена на рисунке 1.2.5. В блоке вычисления вектора напряжения определяются проекции вектора напряжения на оси 1, 2 по формулам (1.2.21).

Рисунок 1.2.5 – Функциональная схема привода с пространственновекторной модуляцией Direct Torque Control или сокращенно DTC) [65] был предложен японскими преобразователей частоты, использующих DTC алгоритм управления, является фирма ABB. По информации фирмы-изготовителя, привод отрабатывает 100% скачок задания момента за 1-2 мс, а также обеспечивает точность поддержания скорости на уровне 10% скольжения АД без использования датчика скорости и 0,01% - с использованием датчика скорости [71].

На рисунке 1.2.6 приведена диаграмма возможных положений вектора напряжения на выходе автономного инвертора.

Рисунок 1.2.6 – Расположение векторов потокосцеплений и напряжений в неподвижной системе координат Момент, развиваемый машиной переменного тока пропорционален векторному произведению переменных состояния [71]:

произведению модулей потокосцеплений и синусу угла между ними.

модуль потокосцепления ротора изменяется медленно. При рассмотрении отрезка времени, соответствующего периоду коммутации, модуль потокосцепления ротора можно принять постоянным. Управление электромагнитным моментом двигателя осуществляется в основном путем изменения угла между потокосцеплением статора и ротора, путем выбора вектора напряжения, вызывающего такое изменение положения относительно r, которое обеспечивает необходимый знак приращения электромагнитного момента и одновременно – необходимый знак приращения модуля потокосцепления.

Для каждого из шести секторов характерен определенный набор векторов напряжения для всех возможных комбинаций требуемых знаков изменения модуля потокосцепления и момента. Функциональная схема электропривода с прямым управлением момента показана на рисунке1.13.

Рисунок 1.2.7 – Функциональная схема электропривода с прямым максимально возможного переключения силовых ключей. На каждом шаге ключей инвертора.

переключений. Входными параметрами для таблицы служат текущее потокосцепления ротора.

Таблица 1.1 – Таблица выбора вектора напряжения Регуляторы потокосцепления и момента реализуют петлю гистерезиса.

Если текущее значение момента отличается от задания более чем на заданную петлей гистерезиса величину – происходит изменение выхода регулятора [72]. На рисунке 1.14 представлены возможные характеристики релейных регуляторов, по оси Х текущая ошибка, по оси С выходное значение регулятора:

Рисунок 1.2.8 – Статические характеристики используемых регуляторов регулятор потокосцепления строится на основе двухпозиционного релейного звена с гистерезисным допуском (рисунок 1.2.8, б).

После определения требуемого сектора напряжения на выходе автономного инвертора по таблице переключения (таблица 1.2) находят сигнал, соответствующий заданному положению вектора, и по нему производят переключение силовых ключей.

Таблица 1.2 – Таблица переключения транзисторов На рисунке 1.2.9 приведена схема инвертора, на которой обозначение силовых ключей соответствует таблице 1.2.

определяется по формуле:

статора на оси и.

Угол поворота вектора потокосцепления статора определяет номер углового сектора:

Для определения скорости вращения привода в бездатчиковой системе электропривода применяют наблюдатели координат.

Текущее состояние асинхронного двигателя определяется решением системы уравнений двигателя:

где: L Ls, K s, Ts. Для определения параметров роторной цепи используются те же зависимости.

Характеристики привода с прямым управлением моментом определяются гистерезисными регуляторами, реализующими скользящий максимально быстро изменять уровень потребляемой мощности, что благоприятно сказывается на быстродействии системы, однако быстрое изменение мощности привода может негативно сказываться на питающей сети.

Современный привод способен отрабатывать изменение момента за время порядка нескольких миллисекунд [2]. На рисунке 1.3.1 приведен график потребления мощности частотно-регулируемым приводом с векторным алгоритмом управления при ступенчатом изменении задания по контуру момента до номинального значения и снижению до 0. Из графика следует, что при увеличении задания и снижении задания происходит резкое изменение потребляемой мощности.

Рисунок 1.3.1 – Потребления активной и реактивной мощности частотнорегулируемым приводом при ступенчатом изменении задания момента При разработке современных систем электропривода ограничения на динамику накладываются, исходя из характеристик исполнительного механизма. Испытания и наладка алгоритмов управления приводами часто производится на стендах при питании от сетей централизованного электроснабжения [84]. При разработке алгоритмов управления приводами электрической энергии в части реакции на резкое изменение потребляемой мощности.

Мощность, производимая автономным источником электрической характеризующих работу источника, является динамическая характеристика приема нагрузки. При питании от автономной электростанции с изменением тока потребления меняется момент на валу генератора, что в свою очередь приводит к изменению скорости вращения вала первичного двигателя, частоты и напряжения в сети автономного электроснабжения. Для сохранения постоянства частоты и напряжения, система управления регулирования с обратной связью по амплитуде напряжения и частоты сети.

В качестве регуляторов как правило используют ПИ и ПИД регуляторы [41].

Исполнительным устройством контура регулирования уровня напряжения в сети является управляемый выпрямитель. Исполнительным устройством контура регулирования частоты питающей сети является актюаторный электрической энергии.

Существует несколько способов обеспечение согласования по скорости изменения мощности в системе электроснабжения с автономным источником электрической энергии:

конструктивных изменений в часть узлов генераторной установки (например:

изменение конструкции турбонагнетателей), а так же изменение настроек алгоритма управления. Однако внесение изменений в конструкцию источника электрической энергии не всегда возможно, а изменение настроек поскольку настройки регуляторов, осуществляемые производителем, близки к оптимальным;

установка оборудования с управляемым и быстро изменяющимся аккумуляторных батарей [61]. Данный вид оборудования способен при недостаточной мощности генераторной установки отдавать мощность, а при избытке мощности забирать ее из сети [43, 44]. Ограничение данного способа регулирования связано с массогабаритными характеристиками аккумуляторных батарей экономической нецелесообразностью запасания электрической энергии при большой мощности потребителей;

значительной части систем автономного электроснабжения электропривод является основным потребителем. В этом случае показатели качества электрической энергии определяются характеристиками источника и электропривода.

Данные методы не противоречат друг другу и могут быть применены в комплексе. Первые два метода имеют существенные ограничения и зачастую на практике неприменимы.

В рамках работы было предложено несколько способов модификации алгоритма управления частотно-регулируемым электроприводом. Каждый, из предложенных методов, предназначен для определенного этапа внедрения и обладает своими преимуществами и недостатками.

сглаживающего изменение задания на скорость вращения вала привода с учетом характеристики автономного источника электрической энергии.

Применение данного способа позволит решить проблему резкого изменения мощности, потребляемой ПЧ при быстром изменении задания.

кубическую зависимость потребляемой приводом мощности от частоты вращения.

Изменение задания на одно и то же значение на низких оборотах и на больших оборотах вызовет разное изменение потребления мощности для систем с разной характеристикой нагрузки. Динамические изменения потребляемой приводом мощности, помимо статической характеристики, определяется моментом инерции привода и исполнительного механизма, а так же настройкой регуляторов. Пиковая мощность, потребляемая приводом при переходном процессе, с учетом запаса на перерегулирование изменение мощности, можно оценить по следующей формуле:

где Mст – статический момент нагрузки;

– заданная частота вращения;

– текущая частота вращения;

J – суммарный момент инерции;

k – коэффициент, учитывающий перерегулирование.

Если принять постоянной скорость изменения частоты вращения привода, формула примет вид:

где t – время разгона (торможения).

особенности необходимо учитывать при разработке фильтра. Например, современные дизельные электростанции используют дизельные двигатели с работать при производстве более половины номинальной мощности. Без запуска турбонагнетателя дальнейшее увеличение мощности дизельного двигателя невозможно. На запуск турбогенератора требуется время порядка нескольких секунд.

Исходя из характеристик дизель-генератора можно разделить характеристики задатчика на три области: при малых скоростях вращения изменение задания может быть отработано достаточно быстро; в зоне, близкой к номинальной частоте вращения привода, задание должно меняться плавно; в зоне запуска турбонаддува необходимо реализовать временную задержку.

Трудности при реализации данного способа связаны с тем, что характеристики нагрузки и источника электрической энергии обычно представлены спектром характеристик и могут достаточно сильно меняться под воздействием внешних факторов.

Недостатки сглаживающего блока: не стабилизирует частоту в сети при изменении момента нагрузки; не решает проблему резкого изменения потребляемой мощности при переходе привода в генераторный режим. Для работы предложенного метода приходится вносить значительную временную задержку, учитывающую наиболее тяжелые условия. При работе нескольких источников электрической энергии на единые шины скорость набора мощности будет практически равна суммарной скорости набора мощности всех источников. В случае работы одного источника скорость набора мощности будет в несколько раз меньшей. Соответственно в зависимости от количества работающих в параллель источников будет зависеть характеристика источника. В виду необходимости обеспечения безопасной работы, в том числе и в случае работы от одного источника электрической энергии, необходимо настраивать задатчик на наиболее неблагоприятные условия. Решение не является оптимальным с точки зрения быстродействия.

частоты не защищает сеть от раскачивания системы в случае резкого изменения нагрузки, поскольку при резком возрастании момента нагрузки снижается скорость вращения привода и пропорциональный регулятор старается компенсировать снижение мощности – увеличивая потребляемый ток. Регулятор скорости вращения, как правило, настраивается на близкий к техническому оптимуму переходной процесс – время регулирования изменения потребляемой приводом мощности составляет порядка нескольких миллисекунд, что несравнимо больше скорости набора мощности для большинства источников электрической энергии. Данные процессы приводят к сильному снижению частоты и выходу за пределы рамок установленных ГОСТ на качество электрической энергии. При резком снижении момента наблюдается обратный процесс, приводящий к увеличению частоты сети.

Однако способ является наиболее простым - для его реализации требуется внесение небольших изменений в программу обработки сигнала цифрового задатчика. Современные преобразователи частоты обладают микропроцессорной системой управления, поставляемой с уже «прошитой»

управляющей программой. Способ является единственно возможным, если по ряду причин нет возможности внесения блока ограничения мощности в программу преобразователя частоты.

Применение данного способа корректировки задания позволило снизить отклонения частоты в сети с автономным источником электрической энергии на морском буксире 745 проекта «Виктор Конецкий».

Вторым путем решения проблемы несогласованности скорости изменения мощности, является ограничение скорости изменения тока.

Ограничение скорости изменения тока, потребляемого преобразователем частоты, не позволит при изменении задания или набросе нагрузки резко изменить нагрузку на автономный источник электрической энергии. Такой способ также решает проблему заброса частоты при переходе привода в структура векторного алгоритма управления асинхронного привода.

Модифицированный векторный алгоритм управления содержит блок, ограничивающий скорость изменения тока на входе ПЧ регулятора. Данный блок отслеживает изменение активной и реактивной составляющей тока и пропорционально ограничивает изменение каждой из составляющей.

Рисунок 1.3.2 – Блок схема векторного алгоритма управления асинхронным приводом с блоком ограничения скорости изменения тока Недостатки:

ограничение скорости изменения тока можно задать только после испытаний источника электрической энергии и отстраивать ограничения придется по наиболее тяжелым режимам работы;

внесение изменений в программу преобразователя частоты после получения характеристик источника электрической энергии не всегда возможно, а также не позволяет написать универсальную программу для преобразователя частоты независимую от параметров источника электрической энергии.

Данный способ, является более трудоемким и требует внесения изменений в программу преобразователя частоты, что не всегда желательно и возможно.

Третий способ – ограничение скорости набора мощности по частоте питающей сети. Выходное значение с регуляторов тока подается на ограничитель мощности, следящий за частотой питающей сети, в случае снижения частоты до значений, близких к регламентируемым ГОСТом значениям (47,5 Гц) [13, 14], включается ограничение изменения задания на уровень тока. Такое ограничение позволяет избежать провала частоты, при этом на регуляторы автономного источника электрической энергии приходит максимальное допустимое рассогласование. Максимальное рассогласование задания и текущей частоты сети приводит к большему воздействию на первичный двигатель автономной электростанции, что снижает время отработки возмущения. На рисунке 1.3.3 приведена измененная структура векторного алгоритма управления асинхронного привода с блоком ограничения скорости изменения тока по частоте сети. При частоте сети от 47,5 до 52,5 Гц блок не ограничивает скорость изменения тока. При выходе за пределы указанных значений блок не позволяет изменяться значению потребляемого тока до нормализации частоты сети.

Рисунок 1.3.3 – Блок схема векторного алгоритма управления асинхронным приводом с блоком слежения за частотой сети Данный способ является самым трудоемким и требует значительных изменений, вносимых в код программы преобразователя частоты. В некоторых случаях может потребоваться установка дополнительных датчиков. Однако данный способ обладает наибольшей универсальностью и является наиболее быстрым из предложенных способов.

электроснабжения и рассмотрены особенности различных источников электрической энергии. Автономные источники можно разделить на источники с регулируемой производимой мощностью и с условно нерегулируемой производимой мощностью. В случае применения источников с условно нерегулируемой производимой мощностью необходимо установка дополнительного источника, производящего энергию в случае, когда мощность автономного источника меньше потребляемой в системе электроснабжения мощности. Чаще всего одним из таких источников служит блок аккумуляторных батарей. Недостатком данного способа является высокая стоимость аккумуляторных батарей.

регулируемой производимой мощностью. Если для возобновляемых источников электрической энергии регулировать производимую мощность экономически не целесообразно, то в системах с регулируемым источником требуется время для того, чтобы генератор смог изменить производимую мощность. Продолжительность данных процессов зависит от характеристики источника и, как правило, составляет время от нескольких секунд до нескольких десятков секунд.

Скорость изменения мощности частотно-регулируемым приводом отличается от скорости изменения мощности производимой источником в автономной системе. Рассмотренные системы управления, а именно – векторная, векторная с пространственно-векторной модуляцией, векторная с прямым управлением моментом, способны изменять потребляемую приводом мощность на номинальное значение за время, порядка нескольких десятков микросекунд. Разница в потреблении и производстве мощности приводит к отклонению частоты и напряжения в питающей сети от значений регламентируемых ГОСТ на качество электрической энергии.

быстроизменяющейся нагрузки на систему автономного электроснабжения.

В случае применения источников с условно неуправляемой мощностью возможно использование аккумуляторных батарей уже установленных в системе. Однако в наиболее распространенном случае использования автономных источников с регулируемой производимой мощностью экономически не целесообразно устанавливать аккумуляторные батареи. Для согласования мощности потребителей и источника в наиболее распространенном классе автономных систем было предложено несколько способов модификации алгоритма управления частотно-регулируемым приводом. Оценка эффективности предложенных методов приведена в последующих главах.

ГЛАВА 2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

МЕЖДУ СЕТЬЮ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

И ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ

Близкая мощность источника и потребителей электрической энергии обуславливает высокое влияние искажения кривой формы тока на форму напряжения. В настоящее время в системах частотно-регулируемого электропривода применяют двухзвенный преобразователь частоты [33].

Вопрос электромагнитной совместимости неуправляемого выпрямителя достаточно широко изучен [34,35, 40, 42], однако требовалось оценить влияние неуправляемого выпрямителя на форму напряжения в сети. Степень влияния 6-ти пульсного выпрямителя зависит от характеристики сети. Была построена модель сети автономного электроснабжения с выпрямителем сопоставимой мощности. Описание модели автономной, используемое в данной работе приведено в главе 3.1. На рисунке 2.1.1 приведен результат разложения в ряд Фурье кривой напряжения. Из диаграмм следует, что при наличии неуправляемого выпрямителя в сети с автономным источником электрической энергии, без принятия дополнительных мер, форма кривой напряжения сильно искажена и не соответствует требованиям ГОСТ на качество электрической энергии [14].

Рисунок 2.1.1 – Разложение в ряд Фурье формы кривой напряжения, полученной при моделировании работы преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем в сети автономного электроснабжения Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что при отсутствии фильтров применение электропривода с преобразователем частоты, построенным по схеме: неуправляемый диодный выпрямитель – автономный инвертор – невозможно, из-за высокого коэффициента искажения формы кривой тока. Форму кривой тока, потребляемой неуправляемым выпрямителем, можно улучшить установкой дросселей на входе неуправляемого выпрямителя, однако требуемые габариты и стоимость дросселей делают данное решение экономически не целесообразным.

2.2 Структура преобразователя частоты с 12-ти пульсным Одним из наиболее распространенных способов решения проблемы электромагнитной совместимости является применение в составе преобразователя частоты выпрямительных схем повышенной пульсности [50]. Чаще всего применяется 12-ти пульсная схема.

Выпрямительная часть схемы состоит из двух 6-ти пульсных выпрямителей, соединенных с питающей сетью посредством трансформатора с двумя комплектами вторичных обмоток. Первая из вторичных обмоток подключается по схеме звезда, вторая по схеме треугольник. За счет разных схем подключения образуется сдвиг на 30 электрических градусов.

Коэффициент трансформации вторичных обмоток подбирается таким образом, чтобы напряжение на выходе выпрямителей было равным.

Трансформатор на входе выпрямителя за счет большой индуктивности и повышения пульсности схемы снижает искажения формы кривой тока, поэтому установка дросселей, сглаживающих форму тока, не требуется. Ток, потребляемый 12-ти пульсной, схемой не содержит 5 и 7 гармоники. [27] Выходы выпрямителей соединяют в параллель, такое соединение позволяет повысить максимально возможный ток [26], или последовательно, что приводит к двухкратному увеличению напряжения на выходе выпрямительной схемы. Одна из возможных схем 12-ти пульсной схемы приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 – Схема 12-ти пульсного выпрямителя с параллельным В зависимости от необходимости регулирования напряжения на выходе в 12-ти пульсной схеме применяют как управляемые тиристорные выпрямители, так и неуправляемые диодные выпрямители [16].

Регулированием угла отпирания тиристоров можно регулировать уровень напряжения, однако при угле отпирания отличным от 0 происходит дополнительное ухудшение формы потребляемого тока. При использовании выпрямителя в составе двухзвенного преобразователя частоты есть возможность регулирования уровня напряжения, подаваемого на двигатель, за счет ШИМ, поэтому возможность регулирования уровня напряжения путем изменения угла отпирания силовых ключей практически не осуществлять рекуперацию энергии в питающую сеть, целесообразно применять неуправляемые выпрямители. Использование управляемого выпрямителя снижает КПД системы и повышает уровень искажений формы кривой тока, потребляемой 12-ти пульсным выпрямителем.

Схема с 12-ти пульсным тиристорным выпрямителем позволяет осуществлять рекуперацию энергии из привода в питающую сеть в режиме рекуперативного торможения. Однако при рекуперации форма тока будет сильно искажена. При необходимости работы с рекуперацией энергии применяют активный выпрямитель или устанавливают блоки рекуперации.

выпрямителем можно отнести: существенное увеличение стоимости в сравнении с неуправляемым выпрямителем; большие габариты и масса;

низкий коэффициент мощности при нагрузке, отличной от номинальной;

невозможность рекуперации энергии в сеть; уровень искажения кривой тока достигает 20% [20], что в случае близкой мощности источника и потребителя приводит к увеличению уровня искажений формы кривой напряжения до электрической энергии.

2.3 Применение активных и пассивных фильтров Альтернативой 12-ти пульсной схеме выпрямления в составе преобразователя частоты является установка пассивных и активных фильтров на распределительных шинах.

Трехфазные гармонические фильтры являются шунтирующими элементами, используемыми для уменьшения искажения напряжения [8]. Для достижения приемлемого уровня искажений, как правило, включают несколько пассивных фильтров параллельно.

Принцип действия пассивных фильтров основан на явлении резонанса напряжений. Величину индуктивности и емкости элементов подбирают таким образом, что бы на частотах, соответствующих одной из канонических гармоник, их суммарное сопротивление стремилось к нулю [3]. Основной характеристикой пассивных фильтров является добротность, выражающая отношение активного сопротивления фильтра к полному сопротивлению фильра. [19] В промышленности нашли применение две структуры трехфазных фильтров. Первый тип фильтров настраивается на одну частоту пропускания.

Второй тип фильтров настраивается на две близкие частоты. [21, 24] Частотная характеристика первого типа фильтров приведена на рисунке 2.3.1. Как видно из графика – сопротивление фильтра на частоте5-ой гармоники минимальное.

Рисунок 2.3.1 – Частотная характеристика фильтра 5-ой гармоники Схема одночастотной фильтро-компенсирующей установки приведена на рисунке 2.3.2, а).

Рисунок 2.3.2 – Схемы фильтро-компенсирующих устройств:

а) настраиваемые на одну частоту пропускания, б) на две частоты Частотная характеристика фильтро-компенсирующего устройства, настраиваемого на две резонансные частоты, при двух частотах имеет минимальное сопротивление (рисунок 2.3.3). Схема для данного вида фильтров приведена на рисунке 2.3.2, б).

Рисунок 2.3.3 – Частотная характеристика двухчастотной фильтрокомпенсирующей установки В пассивных фильтро-компенсирующих установках как правило устанавливаю конденсаторы большой емкости, что обуславливает большие стационарных объектах, где массо-габаритные характеристики не так важны. [29] Альтернативой пассивным фильтрам является активный фильтр.

Активный фильтр гармоник - устройство, использующее, по меньшей мере, один статический преобразователь для компенсации гармонических составляющих тока и напряжения сети. Этот обобщающий термин по существу охватывает большое количество систем, отличающихся:

по числу используемых преобразователей и их режиму работы;

по их типу (источник тока или напряжения);

напряжения);

по возможности соединения с пассивными элементами (или же с пассивными фильтрами).

Принцип работы активного фильтра показан на рисунке2.3.4.

Рисунок 2.3.4 – Схема поясняющая принцип работы активного фильтра При условии, что фильтр способен генерировать в любой момент времени ток, в котором гармоники имеют такую же амплитуду как и у тока нагрузки, но противоположную фазу, то в соответствии с законом Кирхгофа, в точке А обеспечивается синусоидальность формы кривой тока источника.

Комбинация «нелинейная нагрузка + активный фильтр гармоник» образует нагрузку, в которой ток и напряжения связаны посредством коэффициента k, значение которого зависит от параметров нелинейной нагрузки и активного фильтра. [51] Таким образом, активный фильтр гармоник шунтирующего типа образует источник тока, при этом значение генерируемого тока не зависит от сопротивления электрической сети. Фильтр обладает следующими параметрами:

ширина частотного спектра, в котором гарантируется подавление большинства гармонических составляющих тока нагрузки, в статистических режимах работы. Обычно достаточным является диапазон частот от 2 до 23 гармоники;

компенсации гармоник как в установившемся, так и в переходном режиме (несколько долей мс);

максимальная мощность высших гармоник, которые активный фильтр способен скорректировать.

Правильный подбор этих трех параметров обеспечивает эффективность самоадаптации и отсутствии риска взаимодействия с сопротивлением электрической сети. Также необходимо отметить, что присоединение активного фильтра шунтирующего типа не влияет на фазовые сдвиги между основными гармониками тока и напряжения и не изменяет значение коэффициента мощности сети.

Компенсация реактивной мощности сети не является основной функцией активного фильтра, но при компенсации гармонических составляющих генерируемый реактивный ток должен соответствовать величине компенсируемой реактивной мощности.

К недостаткам активного фильтра относятся: дополнительные потери энергии [7], связанные с преобразованием мощности искажений в тепловую энергию, высокая стоимость активных фильтров, большие массогабаритные показатели пассивных фильтров.

2.4 Применение частотно-регулируемого привода с активным электромагнитной совместимости между автономным источником электрической энергии и частотно-регулируемым приводом, а также повышения энергетической эффективности привода, является изменение структуры ПЧ и замена в его составе неуправляемого выпрямителя на активный выпрямитель.

электрической энергии, выполненный на полностью управляемых силовых коммутаторах, преобразующий переменное трехфазное напряжение в постоянное. Особенностью активного выпрямителя в сравнении с выпрямителем, выполненным на не полностью управляемых силовых коммутаторах, является возможность осуществлять рекуперацию энергии в сеть, с близким к единице коэффициентом мощности, во всех режимах работы. [47] Активный выпрямитель обладает следующими преимуществами:

потребление энергии с коэффициентом мощности близким возможность рекуперации энергии в сеть в размере 100% потребляемой энергии с формой тока, близкой к синусоиде;

активного выпрямителя;

для работы активного выпрямителя требуется конденсатор меньшей емкости в звене постоянного тока.

Из недостатков активного выпрямителя можно отметить: Потери в полупроводниковых ключах. [48] Функциональная схема активного выпрямителя представлена на рисунке 2.4.1.

Рисунок 2.4.1 – Функциональная схема системы с активным выпрямителем выпрямителей. [49] В публикациях на русском языке их принято называть активными выпрямителями напряжения и тока, что не совсем верно. В публикациях на английском языке топологии получили название «buck» и «boost» выпрямители, что можно перевести как «повышающий» и «понижающий» выпрямитель. Активный выпрямитель напряжения соответствует понятию «boost», а активный выпрямитель тока соответствует понятию «buck». [55, 56] В рамках данной работы было принято решение придерживаться принятой в публикациях на русском языке терминологии.

На настоящий момент распространение получили только активные выпрямители напряжения. [60] Причиной этому стало то, что активный выпрямитель тока не позволяет производить рекуперацию энергии без применения дополнительных рекуперирующих модулей. [66] Структура активного выпрямителя напряжения и активного выпрямителя тока представлены на рисунке 2.4.2.

Рисунок 2.4.2 – Различные структуры активного выпрямителя а) активный выпрямитель напряжения (boost) б) активный выпрямитель тока (buck) В рамках данной диссертации будет рассмотрен только активный выпрямитель напряжения, поскольку активный выпрямитель тока не нашел широкого применения в составе преобразователя частоты из-за невозможности осуществления режима рекуперации. [67] Существует несколько вариантов построение преобразователя частоты, содержащего в своем составе активный выпрямитель напряжения.

Наибольшее распространение получила схема, представленная на рисунке 2.4.3. [64] Рисунок 2.4.3 – Структура преобразователя частоты с индивидуальным В ряде случаев оказывается более рациональным применение активного выпрямителя для группы автономных инверторов, как показано на рисунке 2.4.4. [70] Рисунок 2.4.4 – Группа преобразователей частоты с единым активным Силовая часть схемы активного выпрямителя напряжения состоит из полупроводникового коммутатора. На входе устанавливаются реакторы, служащие для снижения искажений формы кривой тока и повышения напряжения на выходе активного выпрямителя. В звене постоянного тока устанавливается сглаживающий фильтр для снижения колебаний напряжения выпрямителя представлена на рисунке2.4.5. [78] Рисунок 2.4.5 – Силовая часть схемы активного выпрямителя Для описания режимов работы активного выпрямителя достаточно описать работу одной фазы активного выпрямителя. На рисунке 2.4. приведена схема замещения одной фазы активного выпрямителя. [83] Рисунок 2.4.6 – Эквивалентная схема для одной из фаз активного где ul – фазное напряжение сети;

ue – напряжение, эквивалентное напряжению в звене постоянного тока;

iL – ток потребляемый из сети;

R – сопротивление реакторов на входе активного выпрямителя;

L – индуктивность реакторов на входе активного выпрямителя.

ue обозначает напряжение в звене постоянного тока, приведенное через силовой коммутатор. При работе активного выпрямителя напряжения система управления с помощью инвертора формирует ток Il требуемой формы. Формируя ток Il синусоидальной формы синфазно фазному напряжению можно получить близкий к единице коэффициент мощности. [73] Возможно два режима работы активного выпрямителя:

1) в режиме выпрямителя;

2) в режиме рекуперации энергии.

Диаграммы токов и напряжений при работе в прямом и обратном направлении представлены на рисунках 2.4.7 – 2.4.9. [69] Рисунок 2.4.7 – Фазовая диаграмма активного выпрямителя при работе в Рисунок 2.4.8 – Фазовая диаграмма активного выпрямителя при работе в режиме выпрямления при формировании тока синфазно напряжению Рисунок 2.4.9 – Фазовые диаграммы для активного выпрямителя при работе в определяются потерями в реакторах, коммутационными потерями, потерями на сопротивлениях силовых ключей, а также другими тепловыми потерями [30]. Балансы мощности для активного выпрямителя, работающего в режиме генерации и рекуперации, представлены на рисунке 2.4.10.

Рисунок 2.4.10 – Баланс мощности активного выпрямителя [82] Формирования потребляемого тока происходит благодаря управлению переключением силовыми ключами коммутатора. На управляющие входы силовой схемы подается сигнал, модулирующий ток заданной формы. [10] В простейшем случае, силовая часть активного выпрямителя содержит шесть коммутирующих элементов. Силовой коммутатор, содержащий в своем составе шесть ключей, может находиться в одном из 8 состояниях.

Восемь состояний силовой схемы коммутатора приведены на рисунке 2.4.11.

Рисунок 2.4.11 – Возможные состояния силовой части активного Каждое, из представленных на рисунке 2.4.11, состояний соответствует одному из положений вектора напряжения активного выпрямителя (рисунок 2.4.12).

Рисунок 2.4.12 – Представление вектора напряжения на входе активного Рисунок 2.4.13 – а) эквивалентная схема активного выпрямителя б) графики Напряжение сети, подаваемое на вход активного выпрямителя напряжения, можно описать уравнениями приведенными ниже [80].

выпрямителя, описаны в уравнениях [80]:

где uAN, uBN, uCN – мгновенное значение фазного напряжения сети;

iAN, iBN, iCN – мгновенное значение тока, потребляемого из сети;

Im – амплитудное значение тока, потребляемого из сети;

– частота сети в радианах в секунду;

При переходе от неподвижной системы координат к вращающейся с частотой сети () и ориентации оси d по вектору напряжения, уравнение напряжения примет вид, представленный приведенными ниже формулами:

где – проекция вектора напряжения сети на ось ;

– проекция вектора напряжения сети на ось ;

– проекция вектора напряжения сети на ось d, в системе координат вращающейся с частотой сети;

– проекция вектора напряжения сети на ось q, в системе координат, вращающейся с частотой сети;

напряжение формируется по формуле, представленной ниже [77].

принимающая значение 0 и 1;

Фазное напряжение можно описать формулами, представленными ниже.

Исходя из возможных значений Sa, Sb, Sc, получаем, что Uan может принимать значения: 0·UDC, ±1/3 UDC, ±2/3 UDC.

Исходя из баланса напряжений, можно написать [59]:

– падение напряжения на входных дросселях;

тока;

– активное сопротивление входных дросселей;

– индуктивность входных дросселей.

Также, исходя из суммы токов, можно написать уравнение для токов [57].

С – мкость конденсатора в звене постоянного тока;

линеаризованную блок схему активного выпрямителя (рисунок 2.4.14).

Рисунок 2.4.14 – Блок-схема активного выпрямителя напряжения [18] На сегодняшний день существуют две основные системы управления активным выпрямителем: система векторного управления с линейными гистерезисными регуляторами.

Векторные системы управления оперируют проекциями векторов на ортогональные оси. За счет перехода от мгновенных значений к векторным величинам и их проекциям удается упростить систему управления активным выпрямителем. Переход от мгновенных значений осуществляется за счет применения тригонометрических преобразователей, переводящих текущие значения напряжения в проекции на ортогональные оси. [54] Один из возможных способов реализации векторной системы управления АВН представлен на рисунке 2.4.15.

ПКТ ДФН

Блок ориентации (на схеме БО) вычисляет амплитуду вектора сетевых напряжений U, значение ориентирующих координатных функций cos k и sin k, скорость вращения k и угловое положение k системы координат, исходя из данных, полученных с блока датчиков фазных напряжений (на схеме ДФН).

Полученные с датчиков тока (на схеме ДТa, ДТb, ДТc) сетевые токи поступают в блок преобразования координат токов (на схеме ПКТ). Блок преобразования координат вычисляет проекции сетевых токов на оси вращающейся системы координат.

Внешний контур регулирования реализует закон пропорциональноинтегрального регулирования. Текущее значение выпрямленного напряжения u d поступает с датчика напряжения в звене постоянного тока (на схеме ДВН), задание уровня напряжения обозначено как u d.

взаимозависимыми контурами. В качестве регуляторов в данных контурах также используются пропорционально-интегральные регуляторы. Контур регулирования напряжения формирует задание на потребляемый активным выпрямителем ток ix, данный ток является заданием для первого из подчиненных контуров. Рассчитанная проекция вектора сетевого тока активного выпрямителя на ось x является сигналом обратной связи для данного контура. Задание для второго контура регулирования формируется, исходя из требуемого значения сетевого коэффициента мощности и как правило равно нулю. Сигналом обратной связи для данного контура регулирования является рассчитанная проекция сетевого тока на ось y. Регуляторы токов формируют на выходе желаемое значение вектора входного напряжения коммутатора. Проекции данного вектора поступают на вход преобразователя координат напряжений (на схеме ПКН).

Блок преобразования координат напряжений реализует преобразование проекций вектора напряжений из ортогональной, вращающейся с частотой сети системы координат, в трехфазную неподвижную систему координат.

Значения требуемого фазного напряжения поступают на вход блока широтно-импульсной модуляции (на схеме БШИМ). Блок широтноимпульсной модуляции формирует сигналы управления ключами инвертора.

Приведенный выше векторный алгоритм управления обладает наилучшими энергетическими показателями, однако в ряде случаев необходимо максимальное быстродействие активного выпрямителя. В таких случаях применяют релейно-векторное управление. [18] пропорциональный регулятор, поэтому проще в настройке. Как показано на рисунке 2.4.16 в качестве регуляторов тока применяются гистерезисные дискретные регуляторы. [75] Рисунок 2.4.16 – Структурная схема АВН с релейно-векторным алгоритмом Применение гистерезисных регуляторов является как преимуществом, так и недостатком данного алгоритма управления. Применение дискретных регуляторов позволяет добиться максимального быстродействия [28], но делает непостоянной частоту переключения силовых ключей, что несколько снижает энергетические характеристики активного выпрямителя.

Работу регуляторов тока можно описать с помощью формул приведенных ниже:

где – проекция ошибки по току на ось ;

– амплитуда, на которую должен быть изменен потребляемый ток;

– угол вектора тока, на который должен быть изменен потребляемый ток;

– проекции на оси и задания на потребляемый активным выпрямителем ток, формируется регулятором напряжения;

– проекция на оси и тока, потребляемого активным выпрямителем.

На рисунке 2.4.17 приведено пояснение работы регуляторов.

Рисунок 2.4.17 – Регулирование тока: а) ошибка регулирования тока;

б) выбор комбинации включения ключей силового коммутатора [79] На рисунке 2.4.17 показана область допустимого отклонения тока (ДО).

Гистерезис регулятора позволяет не производить переключение ключей силового коммутатора в случае, если задание и текущее значение потребляемых токов отличается менее, чем на задаваемое в настройках регулятора значение.

Регулятор напряжения на выходе активного выпрямителя реализует пропорционально-интегральный закон регулирования. Передаточная функция активного выпрямителя с релейно-векторным законом управления, приведена ниже [18]:

где – время квантования контура регулирования тока – пропорциональный коэффициент усиления Передаточная функция пропорционально-интегрального регулятора при настройке на технический оптимум:

В результате линеаризации модель активного выпрямителя с релейновекторным алгоритмом управления примет вид, приведенный на рисунке 2.4.18. [18] Рисунок 2.4.18 – Линеаризованная модель активного выпрямителя с релейновекторным алгоритмом управления [18] Как видно из рисунка 2.4.18 настройка данного алгоритма управления проще, чем настройка векторного алгоритма управления, содержащего три пропорционально-интегральных регулятора.

Работа активного выпрямителя с релейно-векторным законом управления показана на рисунке 2.4.19. Из диаграммы токов видно, что релейно-векторный закон управления обеспечивает близкий к единице коэффициент мощности в выпрямительном режиме работы, а также при рекуперации энергии в питающую сеть.

Рисунок 2.4.19 – Графики тока и напряжения активного выпрямителя при переходе из выпрямительного режима в режим рекуперации энергии Главным недостатком релейно-векторного закона управления активным выпрямителем, в сравнении с векторным алгоритмом управления, являются более низкие энергетические показатели работы [52]. В настоящее время ведутся работы над построением системы управления активным выпрямителем с релейными регуляторами и стабилизированной частотой переключения ключей силового коммутатора. Результаты моделирования работы активного выпрямителя с релейно-векторными алгоритмами со стабилизированной частотой переключения близки к результатам моделирования работы активного выпрямителя с векторным алгоритмом управления.

Основным недостатком использования активного выпрямителя в сравнении с неуправляемым выпрямителем являются: большая стоимость, большие потери на силовых ключах (и как следствие более дорогая система охлаждения), большие массогабаритные размеры входных дросселей и сложная система управления. Однако суммарное снижение КПД выпрямительной части схемы не столь значительно. Режим работы силового коммутатора активного выпрямителя схож с режимом работы силового коммутатора в автономном инверторе напряжения. Потери в силовых ключах автономного инвертора и активного выпрямителя, при преобразовании одного количества энергии, примерно равны и могут быть приняты равными. КПД силовой части автономного инвертора напряжения составляет не менее 95%. На потери активной мощности в индуктивности на входе активного выпрямителя влияет величина их сопротивления и амплитуда тока, потребляемого активным выпрямителем. При проектировании активного выпрямителя сечение провода катушек индуктивности, как правило, выбирается таким образом, что бы потери не оказывали влияния на работу активного выпрямителя. Для оценки потери мощности можно принять активное сопротивление входной индуктивности равной сопротивлению вторичной обмотки трансформатора. С учетом того, что КПД трансформатора более 99%, потери в индуктивности активного выпрямителя будут пренебрежительно малы. Суммарный КПД активного выпрямителя можно оценить как 95%, что подтверждается данными полученными от производителя. [76] Большая часть систем автономного электроснабжения не позволяет производить рекуперацию энергии в питающую сеть. Использование источников электрической энергии с медленно меняющимся объемом производимой мощности и отсутствие в системе возможности запасать энергию приводит к тому, что энергию, накопленную в приводе, приходится сбрасывать на тормозных резисторах. При переходе основного потребителя из режима потребления в режим производства электрической энергии приводит к избытку электрической энергии в системе, которая в данной ситуации будет приводить к переходу генераторов в двигательный режим.

обратной мощности, не допускающей переход генератора в двигательный режим. Причиной для данного ограничения является защита первичного двигателя источника электрической энергии.

электрической энергии не представляется возможным и для балансировки нагрузки уже установлены балансирующие аккумуляторы, есть возможность запасать энергию. И для данного класса автономных систем режим рекуперирования позволяет существенно повысить энергетическую эффективность привода переменного тока.

совместимости между приводом переменного тока и питающей сетью только управляемая 12-ти пульсная схема выпрямления и активный выпрямитель позволяют возвращать энергию в сеть. Недостатком 12-ти пульсной схемы является то, что при рекуперировании энергии в сеть форма тока будет сильно искажена. Активный выпрямитель лишен данного недостатка и форма тока рекуперируемого в сеть будет близка к форме тока, потребляемого активным выпрямителем в режиме выпрямления.

преобразователя частоты являются:

возможность применения в сетях с точки зрения уровня вносимого искажения;

КПД системы при использовании данного вида выпрямителей;

массогабаритные характеристики выпрямительной части.

выпрямителя большой мощности в сетях с автономным источником энергии не представляется возможным ввиду сильного искажения формы кривой напряжения. Необходимо применять дополнительные меры для обеспечения электромагнитной совместимости неуправляемого выпрямителя и сети с автономным источником электрической энергии.

Таблица 2.1 – Параметры различных схем выпрямления 12-ти пульсная неуправляемым выпрямителем и питающей сетью можно применять активные и пассивные фильтры, снижающие искажение формы кривой тока, потребляемой неуправляемым выпрямителем.

Данный подход обладает несколькими недостатками, что позволяет говорить о неоптимальности данного решения. Применение пассивных фильтров значительно снижает КПД системы, поскольку данный вид устройств преобразует мощность искажений в тепловую энергию. Еще одним существенным недостатком пассивных фильтров являются их большие размеры и масса. В случае использования системы автономного электроснабжения чаще всего оказывается экономически не обосновано применение тяжелых и громоздких пассивных фильтров. Активные фильтры имеют меньшие габариты, меньшую массу и больше подходят для применения в сети с автономным источником электрической энергии. Среди недостатков использования активного фильтра можно отметить: высокую стоимость, необходимость установки конденсатора большой емкости, а так электрической энергии. Установка активного фильтра так же приводит к увеличению массы и габаритов системы, хотя и в меньшей степени, чем пассивных фильтров.

Применение 12-ти пульсной схемы выпрямления в условиях питания от автономного источника электрической энергии не является рациональным, ввиду высоких искажений формы кривой тока (10-20%). Для автономных источников уровень гармоник тока в 20% приводит к снижению показателей качества электрической энергии и выходу значений искажения формы кривой напряжения за пределы, регламентируемые ГОСТ на качество электрической энергии. Применение активного фильтра приводит к снижению КПД преобразователя, увеличению стоимости и габаритов преобразователя частоты.

Среди приведенных методов обеспечения электромагнитной совместимости и повышения энергетической эффективности электропривода переменного тока при питании от автономного источника введение активного выпрямителя в структуру преобразователя частоты является наиболее эффективным, поскольку обеспечивает наилучшую электромагнитную совместимость и наименьшие массогабаритные показатели системы. В случае возможности обеспечения режима рекуперации в системе использование активного выпрямителя позволяет осуществлять двухсторонний обмен энергии с коэффициентом близким к единице во всех режимах работы.

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1. модель системы электроснабжения с автономным источником электрической энергии;

2. модель частотно-регулируемого привода, выполненного по схеме неуправляемый выпрямитель-автономный инвертор с векторной системой управления;

3. модель частотно-регулируемого привода с алгоритмом прямого управления моментом (DTC) и активным выпрямителем;

4. модель частотно-регулируемого привода с spacevector алгоритмом управления и активным выпрямителем;

5. модель частотно-регулируемого привода с 12-ти пульсной схемой выпрямления;

6. модель системы автономного электроснабжения с системой регулирования потребляемой мощности.

3.1 Модель системы электроснабжения с автономным источником Целью моделирования была проверка степени влияния быстрого изменения потребляемой мощности на частоту сети с автономным источником электрической энергии.

В качестве источника электрической энергии для системы автономного электроснабжения была выбрана дизельная электростанция.

электроснабжения с одним дизель-генератором и одним главным потребителем, близким по мощности к номинальной мощности источника, и потребителем, чья мощность, относительно мощности источника, незначительна. Данная схема модели позволяет выявить влияние быстрого изменения нагрузки на частоту в сети без дополнительного увеличения сложности модели.

При моделировании были сделаны следующие допущения:

подключение к шинам основного потребителя осуществляется мгновенно;

модель дизельного двигателя линеаризована и не учитывает зависимость механической мощности на валу от температуры и объема потребляемого воздуха.

Внешний вид модели сети автономного электроснабжения с дизельной электростанцией приведен на рисунке 3.1.1. Модель состоит из следующих блоков:

1. блока дизельного двигателя и регулятора возбуждения;

2. блока синхронного генератора;

3. двух блоков активной нагрузки;

4. коммутирующего блока;

Рисунок 3.1.1 – Модель сети электроснабжения с автономным источником возбуждением состоит из нескольких подблоков. Внешний вид внутренней структуры блока дизельного двигателя и системы управления возбуждением приведен на рисунке 3.1.2. Блок состоит из подблока регулирования напряжения, подблока дизельного двигателя и вспомогательных блоков.

Рисунок 3.1.2 – Модель дизельной электростанции Внешний вид блока дизельного двигателя приведен на рисунке 3.1.3.

Модель состоит из модели системы управления дизелем, модели актюаторного механизма и модели двигателя. Система управления приводом с помощью актюаторного механизма регулирует подачу топлива в цилиндры двигателя. Модель привода реализует задержку при изменении подачи топлива и реализует снижение или увеличение момента привода в зависимости от знака изменения количества подаваемого в цилиндры топлива. Каждое из звеньев модели системы управления реализовано линеаризованной функцией [11]. Система регулирования скорости вращения привода имеет настройки близкие, к настройкам на технический оптимум [53].

Рисунок 3.1.3 – Модель дизельного двигателя рисунке 3.1.4. Система управления возбуждением состоит из следующих блоков: блок выделения действующего значения напряжения, блока низкочастотного фильтра, блока компенсации временной задержки, блока главного регулятора, блока регулируемого выпрямителя и блока демпфированной обратной связи. Настройки регулятора близки к настройкам на технический оптимум.

Рисунок 3.1.4 – Модель системы управления возбуждением синхронного Блок, эмулирующий синхронную машину, представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих состояние электрической машины. Схема замещения синхронной машины, по которой проводился расчет, приведена на рисунке 3.1.5. [12] Рисунок 3.1.5 – Схема замещения синхронной машины описывается следующей системой уравнений [62]:

где Ud – проекция обобщенного вектора напряжения на ось d, приложенного к обмоткам статора;

приложенного к обмоткам статора;

Rs – активное сопротивление обмоток статора;

id – проекция тока статора на ось d;

iq – проекция тока статора на ось q;

– проекция магнитного потока на ось d;

– скорость вращения ротора в радианах;

U’fd – проекция на ось d приведенного к статору напряжения возбуждения;

R’fd – приведенное к статору активное сопротивление обмотки возбуждения ротора по оси d;

i’fd – проекция на ось d приведенного к статору тока в обмотке возбуждения;

– проекция на ось d приведенного к статору магнитного потока обмоток возбуждения;

U’kd – проекция на ось d приведенного к статору напряжения демпфирующей обмотки;

R’kd – приведенное к статору активное сопротивление демпфирующей обмотки ротора по оси d;

i’kd – проекция на ось d приведенного к статору тока в демпфирующей обмотке;

– проекция на ось d приведенного к статору магнитного потока демпфирующей обмотки;

U’kq1,2 – проекция на ось q приведенных к статору напряжений демпфирующих обмоток 1, 2;

демпфирующих обмоток ротора по оси q;

i’kq1,2 – проекция на ось q приведенного к статору тока в демпфирующих обмотках;

– проекция на ось q приведенного к статору магнитного потока демпфирующих обмоток;

Ld – индуктивность обмотки статора по оси d;

Lq – индуктивность обмотки статора по оси q;

Lmd – магнитосцепление статора по оси d;

Lmq – магнитосцепление статора по оси q;

оси d приведенное к статору;

L’kd – индуктивность демпфирующей обмотки ротора по оси d приведенное к статору;

L’kq1,2 – индуктивность демпфирующих обмоток ротора по оси q приведенное к статору;

Расчеты проводились для синхронной машины со следующими параметрами: число пар полюсов - 3, номинальная мощность - 1 500 кВт, полная мощность - 1 870 кВА. Параметры модели в программе Matlab в относительных единицах (pu): Rs – 0.0036, Xd – 1.56,Xd' – 0.296, Xd'' –0.177, Xq – 1.06, Xq – 0.177, Xl – 0.052.

В результате моделирования был получен график изменения частоты в сети с автономным источником электрической энергии при ступенчатом изменении нагрузки (рисунок 3.1.6).

Рисунок 3.1.6 – График изменения частоты, в сети с автономным источником электрической энергии, при резком изменении нагрузки Полученные результаты моделирования подтвердили необходимость принятия мер, направленных на снижение влияния резкого изменения нагрузки на сеть автономного электроснабжения. Из графика изменения частоты видно, что при быстром увеличении нагрузки в сети происходит снижение частоты до значений ниже регламентируемых ГОСТ на качество электрической энергии.

Отклонение частоты и напряжения от номинальных значений может приводить к ложным срабатываниям автоматики, что может повлечь существенный материальный ущерб. Снижение частоты сети в результате быстрого изменения нагрузки приводит сильным вибрациям дизельгенераторной установки и сокращению срока службы.

3.2 Моделирование скорости изменения потребляемой мощности Цели моделирования: проверить скорость набора мощности для современного частотно-регулируемого привода при ступенчатом изменении задания. Результаты моделирования покажут – способен ли частотнорегулируемый привод, в результате быстрого набора мощности, оказывать такое же влияние на сеть, что и активная нагрузка.

Внешний вид модели приведен на рисунке 3.2.2. Модель состоит из следующих блоков: блока источника электрической энергии, блоков задания скорости вращения и момента нагрузки, блока асинхронного частотнорегулируемого привода и блоков измерений.

Блок источника электрической энергии представляет собой источник бесконечной мощности с последовательно включенными индуктивными и активными сопротивлениями. Изменение активного и реактивного источника позволяет задать характеристики источника.

Рисунок 3.2.2 – Модель частотно-регулируемого привода Блок привода состоит из группы подблоков, его внутренняя структура приведена на рисунке 3.2.3. В состав блока привода входят следующие подблоки: подблок неуправляемого выпрямителя; подблок тормозных резисторов; подблок трехфазного автономного инвертора; подблок ненаблюдаемых координат; подблок расчета состояния асинхронного двигателя; подблоки измерения.

Подблок неуправляемого выпрямителя осуществляет преобразование переменного трехфазного напряжения в постоянное. В качестве силовых коммутаторов были выбраны диоды. Подблок неуправляемого выпрямителя соответствует неуправляемому выпрямителю по схеме Ларионова.

Рисунок 3.2.3 – Модель частотно-регулируемого привода Внешний вид модели подблока тормозных резисторов приведен на рисунке 3.2.4. Модель состоит из блоков измерения, схемы управления, силового ключа, диода, тормозного резистора и конденсатора. Система управления тормозным резистором контролирует напряжение в звене постоянного тока. В случае превышения напряжением порогового значения отрывается силовой ключ, и напряжение звена постоянного тока прикладывается к тормозному резистору.