Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Параллельная работа статических преобразователей энергии. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
С. А. ХАРИТОНОВ, А. В. САПСАЛЕВ
ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА
СТАТИЧЕСКИХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЭНЕРГИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2022
1
УДК 621.314.5(075.8)
Х 207
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А. Г. Гарганеев
канд. техн. наук, доцент А. В. Удовиченко
Работа подготовлена кафедрой электроники и электротехники
для магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям:
Радиотехника – 11.03.01, Электроника и наноэлектроника – 11.03.04,
Нанотехнологии и микросистемная техника – 28.03.01,
Инфокоммуникационные технологии и системы связи – 11.03.02,
Конструирование и технология электронных средств – 11.03.03
Харитонов С. А.
Х 207 Параллельная работа статических преобразователей энер-
гии: учебное пособие / С. А. Харитонов, А. В. Сапсалев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2022. – 128 с.
ISBN 978-5-7782-4654-6
В предложенном учебном пособии рассматриваются теоретические
вопросы согласования параллельной работы статических преобразователей энергии, работающих как в выпрямительном, так и в инверторном режиме.
Детально рассмотрено понятие результирующего вектора трехфазных электрических цепей. Показано, что достигнуть высокой точности
распределения токов между параллельно работающими статическими
преобразователями энергии на общую нагрузку без соответствующего
выбора параметров довольно сложно.
Приведены различные примеры синтеза корректирующих устройств
при построении систем управления параллельно работающими статическими преобразователями энергии – выпрямителями и инверторами.
УДК 621.314.5(075.8)
ISBN 978-5-7782-4654-6 © Харитонов С. А., Сапсалев А. В., 2022
© Новосибирский государственный
технический университет, 2022
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................................. 4
1. Общие положения ................................................................................................ 5
2. Параллельная работа выпрямителей ................................................................ 14
2.1. Параллельная работа неуправляемых выпрямителей ............................... 14
2.2. Параллельная работа управляемых выпрямителей ................................... 27
3. Результирующий вектор трехфазной электрической цепи ............................ 47
4. Трехфазные инверторы напряжения ................................................................ 66
5. Векторное управление трехфазным инвертором напряжения ...................... 77
6. Параллельная работа трехфазных инверторов напряжения
с генераторами ................................................................................................. 103
7. Параллельная работа трехфазных инверторов напряжения
на общую нагрузку .......................................................................................... 108
8. Векторное управление однофазным
9. Параллельная работа однофазных инверторов напряжения
на общую нагрузку .......................................................................................... 123
Библиографический список ................................................................................ 126
инвертором напряжения .................... 112
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее пособие охватывает раздел курса «Силовая электроника», посвященный анализу и синтезу параллельно работающих статических преобразователей. Оно включает в себя сведения по способам
построения функциональных схем параллельно работающих статических преобразователей (СП) и их синтеза.
При параллельной работе управляемых выпрямителей (УВ) возникает необходимость построить такой способ регулирования, при кото
ром обеспечивается инвариантность (независимость) коэффициентов
усиления по отношению к напряжению U. Система управления выполняется по схеме подчиненного регулирования с внутренним контуром
отрицательной обратной связи по току вентильного комплекта и внешним контуром отрицательной обратной связи по напряжению. Контур
напряжения является более «медленным» по отношению к контуру
тока, это позволяет
сный характер работы УВ. Такое построение системы автоматического
регулирования упрощает процесс ее настройки и позволяет управлять
током выпрямителя.
Учебное пособие предназначено в первую очередь для самостоятельной работы магистрантов и аспирантов и может быть использовано
преподавателями при проведении практических занятий по указанному
разделу курса
рассматривать процессы в нем, не учитывая импуль-
.
-
4
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При построении систем электроснабжения, каналов генерирования
электрической энергии, а также отдельных преобразовательных
устройств используется параллельное включение статических преобразователей. Это обусловлено тем, что параллельная работа позволяет решить следующие задачи при проектировании систем:
увеличить мощность в динамических режимах и режимах пере-
грузки;
повысить надежность функционирования, обеспечив избыточ-
ность для
мены отказавшего источника без внешних воздействий;
источников электропитания с хорошо изученными характеристиками и
типоразмерами;
зического размещения преобразователей энергии и возможности распределения тепла, если одно
объеме рассеивает слишком много тепловой энергии.
дов источников в большинстве случаев невозможно. Это обусловлено
тем, что каждый источник имеет свою величину выходного сопротивления, свою схему стабилизации выходного напряжения. В конечном
счете приведет это к неравномерной нагрузке по току источников, и желаемая задача, стоящая перед параллельным включением, решена не будет.
чении двух источников постоянного напряжения с различными ЭДС
защиты от одиночных отказов или возможность «горячей» за-
уменьшить риски разработки за счет использования проверенных
улучшить тепловой режим за счет дополнительной гибкости фи-
более мощное устройство в ограниченном
Обеспечить параллельную работу путем простого соединения выхо-
На рис. 1 в качестве примера показано, как при параллельном вклю-
5
E
E
Е
Е
I
I2I
I
I
холостого хода
ниями
R
вых1
R
,
различаться токи источников
ство токов источников
RR
и
вых1 вых 2
E
и
1
вых2
, а также различными выходными сопротивле-
2
при заданном напряжении на нагрузке
I
I
и
. Очевидно, что примерное равен-
1
2
II
можно обеспечить только при
12
.
U
будут
н
12
E
Добиться равенства токов, например, в двух параллельно работающих преобразователях постоянного напряжения, можно также, если
один из них работает в режиме источника напряжения, и обеспечивает
UE
н 1
, а второй – в режиме источника тока и обеспечивает
II
12
(рис. 2). Однако в этом случае второй преобразователь должен иметь
возможность изменять свой ток при изменении тока в нагрузке.
U
1
2
1
Рис. 1. Внешние характеристики двух
источников постоянного напряжения, включенных на параллельную
работу
U
UЕ
н 1
I
12
Рис. 2. Внешние характеристики ис-
точников напряжения и тока
При включении на параллельную работу источников переменного
тока задача по равномерному распределению токов усложняется, так
как необходимо предварительно выравнивать амплитуды ЭДС холо-
E
стого хода
E
и
1
, а также их синфазную работу, т. е. совпадение их
2
по частоте и по фазе. Кроме этого должны быть равны активная и реактивная составляющие выходных сопротивлений источников.
В случае параллельной работы многофазных источников переменного тока при несимметричной нелинейной нагрузке задача равномерного распределения тока между источниками становится еще более
сложной.
6
В общем случае различают два способа равномерного распределе-
E
E
ния тока между параллельно работающими источниками, а именно параметрический способ и способ, использующий обратные связи по току
и напряжению источников и нагрузки.
В первом способе на стадии проектирования с заданной точностью
обеспечивается примерное равенство ЭДС холостого хода и выходных
сопротивлений источников при условии синфазной работы
и
1
2
Причем эти условия должны выполняться с учетом технологического
разброса параметров и их изменения при внешних климатических и других воздействиях. Этот способ, как правило, используется при включении на параллельную работу источников на базе нерегулируемых преобразователей (неуправляемые выпрямители, инверторы напряжения и
тока без широтно-импульсного регулирования и без широтно-импульсной модуляции) или источников относительно небольшой мощности.
Этот способ применяют также, если не предъявляются высокие требования к точности распределения токов между источниками или когда
существуют ограничения на возможности измерения токов и напряжений, т. е. когда нет физической возможности ввести обратные связи.
Во втором способе используются известные свойства обратных связей влиять на величины токов и напряжений, а также на величину и характер выходного сопротивления источника питания. Это позволяет по
необходимости реализовать с помощью управляемых преобразователей
регулируемые источники напряжения и тока.
Существует несколько вариантов реализации такого способа, рассмотрим три из них, наиболее часто применяемые [1]. Приведенные далее структурные схемы различных вариантов параллельной работы статических преобразователей являются общими для систем как постоянного, так и переменного тока.
Первый вариант реализации параллельной работы предполагает
наличие общего для источников узла управления. В англоязычной
литературе этот вариант построения называется Centralized Control
(рис. 3).
Здесь каждый из преобразователей охвачен отрицательной обратной связью по выходному току, в состав контуров обратной связи вхо-
дят датчики тока
РТ РТ
торы тока
1
ДТ
ДТ ,
–
1
. Общий узел управления обозначен как цен-
N
схемы сравнения
N
СС СС
1
и регуля-
N
тральный контроллер и включает в свой состав задатчик напряжения
.
7
(ЗН), две схемы сравнения
N
N
СС
а также делитель выходного сигнала
1н
и
СС
, регулятор напряжения
2н
РН
на количество параллельно
н
РН
н
включенных преобразователей N. Обязательными элементами такой
системы являются датчики тока (
ДТ
) и напряжения (
н
ДН
) нагрузки.
н
На рис. 3 нагрузка обозначена в виде сосредоточенного блока.
ДТ
1
1
СС
1
ДТ
ДТ
i
н
N
н
u
н
Нагрузка
ДН
н
СП
СП
i
РТ
СП
1
i
СП
1
N
,
РТ
СС
i
1
з
N
N
СС
РН
н
2н
Центральный контроллер
СС
u
з
ЗН
1н
Рис. 3. Функциональная схема системы из N параллельных статических
преобразователей (СП) с общим узлом управления
Управление в этом варианте построено по принципу подчиненного
регулирования. Внешний контур стабилизации напряжения на нагрузке
обеспечивается с помощью регулятора напряжения
нал задания для него (
u
) формируется с помощью блока ЗН. Внутрен-
з
РН
, при этом сиг-
н
ний контур по току нагрузки формируется с помощью регуляторов тока
РТ РТ
(
1
) отдельных статических преобразователей, при этом сигнал
N
8
задания для них формируется с помощью
N
шением в N раз. При астатических регуляторах тока
СС
с последующим умень-
2н
РТ РТ
1
такой
N
принцип управления позволяет реализовать следующее соотношение
между токами статических преобразователей и нагрузки:
i
i
СП
н
.
i
Данный вариант построения системы позволяет обеспечить заданную точность распределения токов между отдельными статическими
преобразователями путем выбора соответствующей структуры регуля-
РТ РТ
торов
1
. К недостаткам можно отнести наличие общего узла
N
управления – центрального контроллера и необходимость информационной связи между отдельными статическими преобразователями для
передачи сигнала задания на ток (
), что потенциально снижает надеж-
i
з
ность системы.
Возможность использования такой структуры построения параллельной работы ограничивается необходимостью измерения тока
нагрузки. Это означает, что способы подключения нагрузки или соединения статических преобразователей должны позволять устанавливать
датчик тока нагрузки.
Второй вариант реализации параллельной работы предполагает
наличие ведущего (master) и ведомых (slave) статических преобразователей (рис. 4). В англоязычной литературе этот вариант построения
называется Master Slave Control.
На рис. 4 функцию ведущего (master) преобразователя выполняет
СП
, все остальные являются ведомыми (slave). Поскольку структура
1
системы управления у каждого статического преобразователя, как правило, при микропроцессорной реализации идентична, ведущим преобразователем может быть назначен любой из них, более того, он может
переназначаться и в ходе функционирования системы. Обозначение
элементов на функциональной схеме аналогично обозначению в предыдущем варианте построения
Ведущий преобразователь – мастер (
системы.
СП
) имеет двухконтурную си-
1
стему управления, построенную по принципу подчиненного регулирования. Вследствие того, что внешний контур замкнут отрицательной обрат-
u
ной связью по напряжению на общей шине (
), при соответствующем
н
9
Ведущий статический
N
преобразователь (Master)
СП
1
РТ
ДТ
i
СП
1
1
1
ДН
н
СС
i
зМ
РН
н
1
СС
u
з
ЗН
н
u
н
i
н
Ведомый статический
преобразователь (Slave)
СП
N
ДТ
N
i
зS
СС
N
К другим ведомым статическим
преобразователям
РТ
i
СП
N
Нагрузка
Рис. 4. Функциональная схема системы из N параллельных статических
преобразователей (СП), построенная по принципу использования веду щего и ведомых преобразователей
выборе параметров регулятора
порционально сигналу задания
РН
напряжение на нагрузке будет про-
н
. Таким образом, назначение ведущего
u
з
преобразователя (мастера) – задание параметров напряжения на нагрузке.
Внутренний контур регулирования замкнут отрицательной обратной свя-
зью по собственному току преобразователя
РТ
ток
раметров регулятора
i будет пропорционален сигналу
1
СП
1
i и благодаря выбору па-
СП
1
i
зМ
Таким образом, его величина всегда будет на заданном уровне и при
необходимости ограничивается максимально допустимой величиной
СП
тока
(
I
1
), причем величина этого тока должна удовлетворять
СП
1max
.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]