2836.Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизирова

Разработана модель транзисторного источника электроэнергии с векторной системой управления. Источник обеспечивает поддержание тока короткого замыкания на заданном уровне до отключения аварии внешними аппаратами, изменение заданной частоты напряжения в допустимых пределах и другие требуемые характеристики.

A model of transistor voltage source with vector control system has been designed. The source provides support of shortcircuit current on given level till an emergency will be disconnected by external devices, variation of voltage frequency setpoint in acceptable limits and other required characteristics.

Ключевые слова: автономный инвертор напряжения, трехфазная электросеть, векторное управление, моделирование, короткое замыкание.

Keywords: voltage source inverter, three phase power network, vector control, modeling, short-circuit.

ВВЕДЕНИЕ

В автономных электроэнергетических системах (ЭЭС) для уменьшения массы и габаритов оборудования используются генераторы с повышенной частотой вращения. Для питания потребителей электроэнергией со стандартными параметрами, например 380 В, 50 Гц, применяются преобразователи частоты (ПЧ) [1–3]. Статические преобразователи по сравнению с электромашинными имеют меньшие габариты, менее трудоемки в обслуживании, но допускают сравнительно небольшие перегрузки по току. При разработке таких преобразователей необходимо ограничивать токи короткого замыкания (КЗ) на уровне, приемлемом для обеспечения селективной работы автоматических выключателей электросети. Другая задача заключается в том, что для питания электросетей используются обычно несколько источников напряжения и их управление должно быть построено с учетом возможной синхронизации и параллельной работы. Исследо-

вания свидетельствуют, что требуемые характеристики систем обеспечиваются при векторном управлении источниками напряжения 0.

I. СХЕМА, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ

Рассматривается установка с трехфазным источником напряжения (ИН), который содержит транзисторный автономный инвертор (АИН), синусный фильтр (Lf, Cf), дроссель (Llf) и систему векторного управления (СУ). Установка содержит также пассивную нагрузку (Rl, Ll) и асинхронный двигатель в нагрузке (АД).

Схема ИН с векторной СУ и нагрузками представлена на рис. 1.

Модель ИН создана в MatLab Simulink и описана в ряде публикаций [4, 5]. В данной статье предложен алгоритм векторного управления ИН, обеспечивающий работу в режиме короткого замыкания (КЗ). Предполагается, что данная СУ с некоторой доработкой будет использована при работе с другими источниками.

СУ (рис. 1) имеет внешний контур регулирования действующего напряжения U на выходе источника. Из мгновенных значений напряжений фаз определяются действующее напряжение и фаза вектора напряжения.

Рис. 1. Схема источника напряжения и системы векторного управления

Сигнал по величине напряжения передается в ПИ-ре- гулятор, который формирует заданную активную составляющую вектора тока Iqz и ограничивает его снизу нулем, а сверху заданным уровнем (например, 130 % номинального активного тока). Сигнал по заданному активному току подается в ПИ-регулятор тока. Регулирование тока осуществляется в осях dq. В выбранной системе координат активная составляющая направлена по оси q, а реактивная по оси d. При преобразованиях Кларка-Парка из мгновенных токов формируются составляющие по осям d и q при использовании фазы вектора напряжения θ. Реактивная составляющая тока не регулируется, и соответствующая составляющая вектора напряжений управления равна нулю. Регулятор активного тока представлен ПИ-регулятором, формирующим активную составляющую вектора напряжения управления. При использовании заданной фазы θz (определяется как интеграл от заданной частоты ωz) формируется трехфазная система напряжений управления uyn.

При возникновении КЗ в цепи нагрузки блок определения КЗ формирует сигнал KZ, при наличии которого СУ переходит в режим работы поддержания заданного уровня тока КЗ. Напряжение управления формирует ПИ-регулятор тока, на вход которого поступают мгновенные значения токов in и заданная амплитуда тока, например 130 % от номинальной амплитуды.

II. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

На рис. 2 представлены токи и напряжения в рассматриваемой установке при работе АИН сначала в номинальном режиме, затем при возникновении КЗ в цепи нагрузки и последующем отключении КЗ внешними аппаратами. После отключения КЗ СУ переходит в режим поддержания заданного напряжения нагрузки.

На рис. 3 представлен фрагмент диаграммы рис. 2

взоне возникновения КЗ. Этот рисунок отображает особенность работы СУ – блокировку импульсов управления транзисторами в зоне КЗ в течение заданного времени.

Как видно из рис. 3, до КЗ амплитуда тока АИН порядка 750 А. При возникновении КЗ амплитуда тока

вфазах АИН достигает 1150 А. При этом амплитуда тока в цепи нагрузки при КЗ достигает 1900 А. Существенное снижение амплитуды тока в фазах АИН при КЗ

достигается за счет блокировки импульсов управления транзисторами АИН. После снятия блокировки АИН сравнительно быстро выходит в режим работы с заданным током нагрузки (в данном случае 130 % номинального тока). При этом перерегулирование в токах фаз исключается за счет того, что при блокировке импульсов зануляется также сигнал в регуляторе тока по интегралу отклонения тока от заданного значения.

При синхронизации ИН с другими источниками обычно требуется изменение частоты выходного напряжения для согласования фаз напряжений различных источников, в том числе скачкообразное изменение. Допустимые пределы изменения частоты оговорены действующими стандартами. При наличии в нагрузке асинхронных двигателей изменение частоты может привести к нежелательным электромеханическим процессам в системе.

На рис. 4 представлены процессы в ИН и АД при скачкообразном увеличении частоты напряжений источника с 49 Гц до 51 Гц в момент времени 6 с. При указанном изменении скольжение увеличивается и АД переходит в режим разгона ротора с увеличением токов фаз, электромагнитного момента, и с некоторым снижением выходного напряжения источника.

На рис. 5, 6 представлены результаты расчетов электромагнитных процессов в системе при сбросе и набросе пассивной нагрузки 400 кВА.

Рис. 3. Фрагмент короткого замыкания в цепи нагрузки

Рис. 5. Наброс 100 % пассивной нагрузки на источник

Рис. 6. Сброс 100 % пассивной нагрузки с источника

Из рис. 5, 6 видно, что набросы и сбросы нагрузки ИН при используемой векторной системе управления происходят практически без запаздываний, без перерегулирований.

ВЫВОДЫ

1. Предложен алгоритм векторного управления транзисторным источником напряжения, обеспечивающий регулирование выходного напряжения с ограничением токов инвертора, в том числе при коротких замыканиях в нагрузке. Разработана модель тран-

зисторного источника напряжения с предложенной векторной системой управления.

2.На разработанной модели источника напряжения выполнены исследования и расчеты, подтверждающие эффективность предложенного алгоритма работы, возможность работы источника с асинхронными двигателями в нагрузке.

3.Особенностями алгоритма работы СУ являются блокировка импульсов управления транзисторами на заданный интервал времени и зануление задания по току в этом интервале. Указанные мероприятия позволяют ограничить амплитуду токов в транзисторах источника и за счет этого улучшить экономические и мас- со-габаритные характеристики оборудования.

Библиографический список

1.Zahoor W., Zaidi S.H. Synchronization and dq Current Control of Grid-Connected Voltage Source Inverter / Multi-Topic Conference (INMIC), 2014 IEEE 17th International, Karachi, 2014. P. 462–466.

2.Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, П.Н. Калачиков, А.П. Емельянов. ОАО “Силовые машины” “Электросила”. СПб., 2004. 252 с.

3.Многотактно-многоуровневый преобразователь частоты для гидроаккумулирующей электростанции / М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, Т. Нахди, М.Е. Кузин // Изв. СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. 2011.

№ 6. С. 67–78.

4.Разработка, моделирование и исследование транзисторного преобразователя для питания сети 400 В, 50 Гц / И.А. Пименова, А.С. Григорян, М.В. Пронин, А.Г. Воронцов // Известия СПбГЭТУ

“ЛЭТИ”. 2015. № 5.

5.Григорян А.С., Усс Н.А. Модели полупроводниковых преобразователей для питания электросети стандартной частоты // Сб. тр. 69-й науч.-техн. конф. проф.-преп. сост. СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

СПб., 2016.

Рассмотрены основные структуры силовой части импульсных преобразователей в составе современных систем электродвижения.

The article describes the basic structure of the power pulse converter, electric propulsion system converters as part of today's electric propulsion systems.

Ключевые слова: импульсный преобразователь, системы электродвижения.

Keywords: pulse converter, electric propulsion system.

Современные суда и корабли содержат сложные технические комплексы, в которых широко используются электроэнергетические и управляющие технические средства. Наиболее важной технической системой является энергетическая система корабля (судна), она является многофункциональной, поскольку выполняет несколько функций: генерирование, распределение, передачу и потребление электроэнергии.

Управление режимами работы двигателями гребной электрической установки (ГЭУ) осуществляется полупроводниковыми преобразователями, существенно влияющими на качество электроэнергии на шинах судовых энергетических систем.

Степень и характер влияния качества электроэнергии на работу электротехнических систем определяется характеристиками и свойствами преобразовательных устройств. Достижения в области микроэлектроники, непрерывное совершенствование силовых полупроводниковых приборов и средств реализации импульсно-модуляционных методов преобразования позволяют повысить скорость управления энергетическим потоком и на этой основе улучшить ЭМС, снизить загрузку питающих сетей неактивными составляющими мощности.

Наиболее перспективной возможностью обеспечения энергосбережения и повышения экономичности

использования электрической энергии в полупроводниковых преобразователях является повышение качества энергопотребления за счет использования топологий многоуровневого преобразования, связанных с новыми стратегиями управления (например, релейно-вектор- ного) при реализации силовых схем полупроводниковых преобразователей с учетом современной элементной базы.

В настоящее время существует большое количество схем преобразователей напряжения, к каждой из которых применимо множество законов и способов управления. Выбор в пользу той или иной схемы и того или иного закона определяется в зависимости от требований улучшения гармонического состава и других показателей качества в одноуровневых преобразователях. Этого можно добиться путем применения более сложных законов управления (синусоидальная ШИМ, про- странственно-векторная модуляция, преобразователи с обратной связью). Расширение диапазона регулирования, допустимых мощностей нагрузки и напряжений, а также повышение показателей качества питания (в первую очередь гармонического состава) достигается внедрением дополнительной амплитудной модуляции выходного напряжения преобразователей, что связано с внедрением многоуровневых преобразователей напряжения [2].

В то же время многоуровневые преобразователи позволяют улучшить энергетические показатели выходного напряжения, что достигается усложнением схемы и конструкции преобразователя, его первичного источника, а также алгоритмов управления. Вместе с этим растет и установленная мощность преобразователя в целом (хотя установленная мощность отдельных элементов уменьшается).

В зависимости от числа уровней базовых векторов напряжения трехфазной системы, которое мы можем

Рис. 5. N-уровневый преобразователь на базе одноуровневых инверторов напряжения

Применение многоуровневых инверторов напряжения в современных системах электродвижения является эффективным решением задач, связанных с увеличением диапазона регулирования напряжения, плавности

ибыстродействия регулирования, а также улучшения энергетических показателей качества электромагнитных процессов, таких как КПД преобразователя, его массогабаритных показателей, гармонического состава

иформы выходного напряжения.

Библиографический список

1.Донской Н., Иванов А. Многоуровневые автономные инверторы для электроприводаиэнергетики// Силоваяэлектроника. 2008. №1.

2.Subrata Mondal, Bimal Bose. Space Vector Pulse Width Modulation of Three-Level Inverter Extending Operation into Overmodulation Region // IEEE Transactions on Power Electronics. March 2003. Vol. 18. No. 2.

3.Пьей Пьо Тун. Совершенствование импульсных преобразователей в составе автономных систем электропитания электротехнических комплексов: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2014. 24 с.

Рассмотрены основные энергетические показателя многоуровневых полупроводниковых преобразователей в составе судовых электроэнергетических систем.

In present article main energy performances are considered of multilevel convertors as a part of electric power systems.

Ключевые слова: многоуровневый преобразователь, коэффициент мощности, коэффициент искажений.

Keywords: multilevel converter, power coeffi-cient, distortion coefficient.

Основной частью каждой из рассматриваемых схем преобразователей является вентильный блок, состоящий из полностью (не полностью) управляемых вентилей (транзисторов, тиристоров) и неуправляемых вентилей (диодов). Будем считать, что в схемах используются полностью управляемые вентили (IGBT-транзисторы, GTO, IGCT-тиристоры), а также включенные с ними обратные диоды. Также диоды в некоторых схемах используются для построения питающих преобразователь выпрямителей или создания нейтрали в мостовых схемах. Расчет установленной мощности полностью управляемых вентилей производится по формуле [1]

где nув – число управляемых вентилей; Ub max – максимальное обратное напряжение на вентиле (падение напряжения на закрытом вентиле); Ia max – максимальное значение анодного тока.

Для неуправляемых вентилей (диодов) установленную мощность будем оценивать аналогично [1]:

Другой важной частью схем преобразователей являются конденсаторы, которые служат для деления напряжения источника постоянного тока и для фильтрации выходного напряжения выпрямителей, питающих Н-мостовые схемы. Конденсатор в цепи постоянного тока характеризуется запасенной энергией при заданном уровне и частоте пульсаций напряжения [1]:

Источником постоянного напряжения, питающего преобразователь, обычно служит выпрямитель, который обычно имеет на входе трансформатор (в том числе и многообмоточный). Установленная мощность трансформатора определяется как полусумма мощностей каждой обмотки [1]:

где U11, I11 – действующие напряжение и ток первичной обмотки; U2j, I2j – действующие значения напряжения и тока j-й вторичной обмотки; J – число вторичных обмоток.

Определение установленной мощности будет производиться исходя из заданного амплитудного значения фазного напряжения на выходе преобразователей (обозначим его Ub max) и амплитудного значения фазного тока нагрузки (Ia max). Способ управления для всех преобразователей– синусоидальная ШИМ, индекс модуляции m = 1. Обмотки трехфазной нагрузки соединены в «звезду».

Активная мощность равна среднему значению мгновенной мощности за период питающего напряжения

и определяет количество электромагнитной энергии, необратимо преобразующейся в другие формы энергии [1, 2, 3, 4]. Активная мощность характеризует полезную работу в нагрузке, включая полезную мощность и мощность потерь в установке.

Полная, или кажущаяся, мощность всегда больше фактически передаваемой нагрузке активной мощности из-за существования неактивных составляющих мощности, которые, не создавая полезного эффекта, приводят в то же время к увеличению потерь в питающей сети. Известны три неактивные составляющие полной мощности: реактивная мощность, или мощность сдвига, мощность искажения и мощность несимметрии.

Реактивную мощность или мощность сдвига, связывают со сдвигом по фазе основной гармоники тока относительно напряжения питающей сети. Вследствие сдвига основной гармоники тока появляется реактивная составляющая тока, которая не участвует в передаче активной мощности нагрузке, так как среднее значение мгновенной мощности за период, обусловленное этой составляющей тока, равно нулю.

Мощность искажения обусловлена высшими гармониками тока. Среднее значение мгновенной мощности, связанной с этими гармониками, за период также равно нулю, однако и они вызывают дополнительные потери энергии в сети.

Мощность несимметрии учитывает дополнительные потери энергии, связанные с неравномерным распределением тока по фазам многофазной цепи. В однофазных и многофазных симметричных системах мощность неcсимметрии равна нулю.

В общем случае полная мощность связана со своими составляющими известным выражением вида [2, 3]

В симметричной системе полная мощность связана со своими составляющими соотношением

Случаю трехфазной сети с симметричной синусоидальной системой напряжений соответствует предпосылка о наличии питающей сети переменного тока бесконечно большой мощности, что позволяет получить необходимую для практики точность расчетов в случаях, когда мощность вентильного преобразователя невелика в сравнении с мощностью сети. В трехфазной сети с симметричной системой напряжений и с симметричной (равномерной) нагрузкой фаз полная мощность и ее составляющие определяются выражениями [1]

где Uф – действующее значение напряжения фазы; Iф – действующее значение тока фазы. При равномерной нагрузке независимо от способа ее соединения («звездой» или «треугольником»),

где Uл – действующее значение линейного напряжения; Iл – действующее значение линейного тока. Поэтому вместо формулы (7) часто используют следующую:

Мощность искажения может быть определена из формулы

Определив полную мощность энергоподсистемы S и ее составляющие P, Q и T, можно определить основные показатели качества энергопотребления: Кмощности – коэффициент мощности, Ксдвига – коэффициент сдвига,

Кискажения – коэффициент искажения, Кгармоник – коэффициент гармоник или КTHD, Кнесимметрии – коэффициент несимметрии.

Коэффициент мощности электротехнического комплекса характеризует способность этого комплекса потреблять электрическую энергию первичного источника питания.

Коэффициент сдвига характеризует обмен энергией между приемником и источником, обусловленный способностью реактивных элементов электротехнического комплекса накапливать и отдавать энергию.

Коэффициент несимметрии характеризует степень несимметрии системы и определяется из равенства

В симметричной системе коэффициент несимметрии равен единице.

Коэффициент искажения характеризует обмен энергией между источником и приемником, обусловленный высшими гармоническими составляющими тока.

Рис. 1. Подсистема «Measurements»

Показатели качества электроэнергии на выходе реверсивного многоуровневого преобразователя

Рис. 2. Зависимость коэффициента гармоник преобразователя от индекса модуляции при управлении с синусоидальной ШИМ

Коэффициент гармоник характеризует соотношение между энергией, обусловленной высшими гармониками тока, и энергией, обусловленной основной (первой) гармоникой тока.

Коэффициент гармоник (несинусоидальности) то-

ка [2, 3]

где Iв.г – действующее значение высших гармоник тока, I1 – действующее значение первой гармоники тока. Аналогично определяется и коэффициент гармоник напряжения (Кг.н). В среде MATLAB/Simulink для этого используется стандартный блок THD (Total Harmonic Distortion).

Коэффициент искажения тока [2, 3]

где I – действующее значение тока. Аналогично определяется и коэффициент искажения напряжения (Ки.н). Для его определения пользуемся арифметическим методом, находя с помощью стандартных блоков библиотеки SimPowerSystems действующие значения тока нагрузки (блок RMS) и первой гармоники (с помощью блока Fourier) [2]. Коэффициент искажения тока для всех преобразователей приблизительно равен 1.

На рис. 1 представлена разработанная подсистема

«Measurements».

Показатели качества электроэнергии на выходе реверсивного многоуровневого преобразователя, полученные в результате моделирования, приведены в таблице.

Зависимость коэффициента гармоник преобразователя от индекса модуляции при управлении с синусоидальной ШИМ представлена на рис. 2.

Зависимость Kr = f (m) (см. рис. 2) показывает, что с уменьшением входного сигнала коэффициент гармоник (Kr) увеличивается.

Библиографический список

1.Михеев К.Е., Томасов В.С. Анализ энергетических показателей многоуровневых преобразователейсистемэлектропривода // НаучнотехническийвестникНИУИТМО. 2002. Вып. 1 (77). С. 46–52.

2.Boit C. Investigation and Comparison of Multi-Level Converters for Medium Voltage Applications. Berlin: Technische Universität. 2007.

3.Bimal Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. Berlin: Technische Universität, 2007.

4.Пьей Пьо Тун. Совершенствование импульсных преобразователей в составе автономных систем электропитания электротехнических комплексов: дис. … канд. техн. наук. СПб., 2014.

В докладе рассмотрены различные схемы преобразователей частоты по критерию минимизации потерь энергии. Уделено внимание способам улучшения качества входных энергетических параметров преобразователя. Проведен сравнительный анализ формы выходного напряжения при пространственно-векторном и широтно-им- пульсном способах модуляции.

This article examines the various frequency converter circuit according to the criterion of minimizing energy losses. Attention is given to ways of improving the quality of the input power inverter parameters. A comparative analysis of the output voltage form with space-vector and a pulse width modulation method.

Ключевые слова: высоковольтные преобразователи частоты, формировние коммутационой функции, качество выходного напряжения инверотора.

Keywords: medium voltage frequency converter, selection of switching functions, quality of the output voltage of the inverter.

ВВЕДЕНИЕ

Многоуровневые преобразователи частоты (ПЧ) сегодня широко распространены в различных отраслях промышленности. В первую очередь они нашли применение в тех системах, где требуется глубокое управление высоковольтным электродвигателем. Несмотря на то, что многоуровневые ПЧ используются уже достаточно длительное время и обладают рядом бесспорных преимуществ, они все же имеют и недостатки. Одним из основных путей улучшения характеристик многоуровневых ПЧ является выбор оптимальной структуры силовой схемы преобразователя. На качество энергетических параметров также оказывает влияние и выбор способа управления полупроводниковыми приборами инверторной и выпрямительной частей силовой схемы преобразователя.

ВЫБОР СХЕМЫ

Классические высоковольтные многоуровневые ПЧ построены по схеме, включающей в себя многообмоточный трансформатор и последовательно соединенные в фазах силовые ячейки, так называемые H-мосты (рис. 1). Подобная схема предполагает изготовление для каждого высоковольтного ПЧ уникального многообмоточного трансформатора, который ухудшает не только массогабаритные показатели ПЧ. Для обеспечения синусоидальности входного тока необходимо сдвигать фазное напряжение вторичных обмоток относительно друг друга, что усложняет структуру самого трансформатора. Стоимость его может составлять значительную часть от общей стоимости преобразователя, при этом производители чаще всего требует предоплату за изготовление оборудования. Кроме того, многообмоточный трансформатор увеличивает время изготовления и может даже привести к срыву сроков поставки ПЧ.

Вот почему мировые производители сегодня стремятся упростить этот узел либо же полностью от него отказаться [1].

Рис. 1. Классические высоковольтные многоуровневые ПЧ