Основное содержание диссертации

В первой главе проанализировано современное состояние источников вторичного электропитания и регуляторов качества электроэнергии (РКЭ) и намечены пути их совершенствования.

Большинство современных источников вторичного электропитания строится по бестрансформаторной схеме с преобразованием мощности на повышенной частоте, чем обеспечиваются высокие массогабаритные показатели и КПД устройства. Однако такие ключевые источники вторичного электропитания (КИВЭП) помимо активной мощности потребляют реактивную мощность и генерируют мощность искажений. Это является следствием несинусоидального потребляемого тока, не синфазного питающему напряжению.

Искаженная форма кривой тока по отношению к кривой напряжения приводит к существенному снижению основного энергетического показателя КИВЭП – коэффициента мощности. Кроме того, несинусоидальный характер тока, потребляемого КИВЭП, ухудшает режим работы СЭС, основные показатели качества электроэнергии (ПКЭ) и оказывает влияние на работу других электроприемников. Это значительно снижает эффективность применения КИВЭП.

В качестве примеров приведены фактически измеренные значения ПКЭ в одном из офисных зданий г. Краснодара и их сравнение с требованиями ГОСТ 13109-97. На основе анализа приведенных данных сделан вывод, что во многих реальных ситуациях ПКЭ выходят за установленные пределы.

Проанализированы технико-экономические показатели КИВЭП, причины и следствия их снижения и пути их улучшения. Сделан вывод, что улучшение показателей КИВЭП целесообразно вести в направлении коррекции коэффициента мощности и разработки "прозрачного" преобразователя, потребляющего из сети ток, повторяющий по форме напряжение питания. Более того, необходимы КИВЭП, которые не только корректируют собственный коэффициент мощности, но и уменьшают искажения в СЭС. Такой подход позволяет решить вопросы энергосбережения, улучшения электромагнитной обстановки и помехоустойчивости (исключение высших гармоник тока в сети) и экономии материальных средств на этапе введения в строй новых СЭС.

Критерием для оценки искажений, вносимых КИВЭП, выбран коэффициент мощности , определяемый активной мощностью, потребляемой из сети, и величиной искажений потребляемого тока.

Проанализированы принципы построения и схемы современных и перспективных регуляторов качества электроэнергии (РКЭ). Для силовой части РКЭ мощностью около 10 кВт выбрана однокаскадная полумостовая схема коррекции коэффициента мощности и компенсации мощности искажений с пониженной вдвое (по сравнению с двухкаскадной схемой) загрузкой силовых элементов.

В качестве элементной базы для силовой части разрабатываемого РКЭ рекомендуется полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET); биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); быстро восстанавливаемые диоды серии EMCONTM или высоковольтные диоды с барьером Шоттки.

В качестве принципа управления силовыми ключами (вентилями) выбрана следящая широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Во второй главе разработана математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС.

Сформулированы цель и задачи математического моделирования, основные особенности рассматриваемого объекта моделирования, требования к разрабатываемой математической модели. Сделан вывод, что для данной работы наиболее подходят принципы моделирования, основанные на упрощенном аналитическом описании электромагнитных процессов с учётом целей моделирования и специфики схемы конкретного объекта при использовании численных методов, применяемых в пакетах программ MathCad, MathLab и т.п.

Проанализированы методы моделирования электромагнитных процессов в силовых полупроводниковых преобразователях электроэнергии (далее - преобразователях), основанные на упрощенном аналитическом описании, с точки зрения их применимости для моделирования подсистемы преобразования электроэнергии (силовой части) разрабатываемого устройства (РКЭ). Сделан вывод, что для этого в наибольшей степени подходит метод усреднённого пространства состояний.

В данной работе рассматривается преобразователь, работающий в составе локальной СЭС (фрагмента однофазной СЭС общего назначения). Параметры СЭС влияют на работу РКЭ и наоборот, параметры РКЭ оказывают влияние на работу СЭС. Поэтому для наиболее полной оценки электромагнитных процессов рассмотрена схема локальной СЭС и параметры её элементов; произведена классификация факторов, влияющих на режимы работы РКЭ; и детально (до числовых значений) проанализировано влияние параметров элементов СЭС.

При моделировании силовой части разрабатываемого РКЭ предполагаются следующие основные допущения:

1. Незначительные пульсации входного тока и выходного напряжения.

2. Время переключения диодов и транзисторов пренебрежительно мала.

3. Идеальный источник питания, соединительные провода РКЭ не имеют потерь.

4. Цепи постоянного и переменного тока содержат только линейные элементы.

5. За период ШИМ напряжение сети представляется квазипостоянным, изменение его среднего значения незначительно относительно пульсаций.

На основе метода усредненного пространства состояний разработана математическая модель силовой схемы РКЭ в составе СЭС (Рис.1). Используя законы электротехники записаны системы уравнений в матричной форме для двух состояний ключевого элемента РКЭ (на интервале "замкнуто" длительностью , когда происходит накопление электроэнергии в дросселе и расход энергии из конденсатора в нагрузку; и на интервале "разомкнуто" длительностью , когда происходит рекуперация электроэнергии из дросселя в конденсатор и её расход в нагрузку; при этом + = ; эти интервалы времени определяются полярностью входного фазного напряжения и состояниями полностью управляемых вентилей).

Рис.1 Схема локальной СЭС с активным однокаскадным РКЭ

Получена осредненная система уравнений состояния в матричной форме:

, (1)

где

;

; ; ;

- коэффициент заполнения импульсов ШИМ.

В этой системе уравнений нестационарной при переключениях силовой схемы является только матрица как функция коэффициента заполнения σ. Полученная система уравнений не является линейной, поскольку в выражения входят произведения переменных вектора возмущений и коэффициента заполнения. Рассматриваемая система записана относительно мгновенных значений всех входящих в нее переменных, хотя для практических целей целесообразно иметь две системы уравнений – по основе и по пульсации, причем .

Система уравнений для модели измерений в матричной форме имеет вид:

, (2)

где С – матрица измерения состояния системы;

D – матрица влияния со стороны возмущающих воздействий;

; .

Объединяя уравнения состояния (1) и уравнения модели измерения (2) в одну систему получим математическую модель СЭС с РКЭ:

. (3)

Получено выражение, связывающее закон изменения входного тока РКЭ и коэффициент заполнения для произвольной формы входного тока.

, (4)

. (5)

Сформулированы потенциальные условия коррекции коэффициента мощности и компенсации мощности искажений рассматриваемой силовой схемы:

• в общем виде в силовой схеме РКЭ может быть сформирована произвольная форма входного тока;

• условие получения заданной (желаемой) формы входного тока РКЭ совпадает с условием получения стабильного выходного напряжения;

• в случае синусоидальной формы входного тока имеется возможность изменения фазового сдвига кривой тока относительно кривой напряжения.

• режим работы преобразователя следует выбирать так, чтобы выходное напряжение всегда было выше амплитудного значения входного напряжения;

Из первого уравнения системы (3) получен оператор вектора состояния силовой части при определенном законе управления , напряжении питания , токе нагрузки:

; (6)

; , (7)

где I – единичная матрица; - вектор возмущающих воздействий.

Отсюда получена матричная передаточная функция силовой части РКЭ:

; . (8)

В установившемся режиме силовая часть РКЭ представляет собой матрицу К пропорциональных звеньев, связывающую вход и выход силовой части РКЭ:

; . (9)

Получены аналитические выражения коэффициентов передачи силовой части РКЭ , , , и их зависимости от значений мощности нагрузки и от коэффициента заполнения  . Их анализ позволяет сделать следующие выводы:

• коэффициенты передачи силовой схемы РКЭ , , , являются нелинейными функциями и зависят от нагрузки и коэффициента заполнения;

• коэффициенты , и имеют экстремумы, что ограничивает регулирующие свойства РКЭ, т.к. область изменений должна быть на монотонном участке.

Зависимости КПД от величины нагрузки и коэффициента передачи для разных значений мощности нагрузки Р_н приведены на рис.2.

На рис.3 приведены зависимости коэффициента заполнения для разных значений мощности нагрузки на интервале полупериода питающего напряжения.

Рис.2 Зависимости коэффициента Рис.3 Временные зависимости коэффи-

полезного действия от коэффи- циента заполнения для разных зна-

циента передачи по напряжению чений мощности нагрузки

Анализ полученных кривых показывает следующее:

• снижение питающего напряжения и рост мощности нагрузки определяют предельный режим работы устройства с точки зрения обеспечения коррекции коэффициента мощности и компенсации мощности искажений;

• снижение напряжения питания РКЭ (увеличение коэффициента передачи силовой схемы) приводит к снижению КПД при любых нагрузках;

• рост мощности нагрузки снижает КПД тем быстрее, чем больше отдаваемая мощность.

Проведен анализ составляющих потерь мощности в РКЭ и их долевой вклад в снижение КПД РКЭ.

Исследование силовой части РКЭ, выполненное численными методами по приведенным формулам, дало возможность:

• оценить энергетическую загрузку полупроводниковых вентилей и определить требования к охлаждению силовых элементов;

• произвести выбор силовых элементов по предельным режимам работы;

• определить номинальные значения параметров дросселя и конденсатора.

Проанализированы кривые медленных составляющих (средних значений на интервале ШИМ) для режимов минимальной и максимальной нагрузки.

Полученные зависимости для потерь мощности в РКЭ и в СЭС на активном сопротивлении петли «фаза-нуль» в зависимости от мощности нагрузки позволяют сформулировать требование к питающей сети и произвести выбор сечения проводов, исходя из отклонений питающего напряжения и мощности нагрузки.

Проведена количественная оценка загрузки активных и пассивных элементов силовой части РКЭ. Численный анализ РКЭ был проведен в диапазоне нагрузок 0,1...7,0 кВт при напряжении питающей сети в пределах 180...240 В.

Окончательное уточнение параметров силовой части РКЭ проводится на этапе синтеза системы управления с целью обеспечения требуемого соотношения между частотой задающего сигнала, резонансной частотой фильтра и частотой широтно-импульсной модуляции: . Нестационарный характер переключений в силовой схеме РКЭ приводит к тому, что резонансная частота фильтра РКЭ является функцией коэффициента заполнения, что определяет итерационный характер расчета реактивных элементов.

В третьей главе разработана система управления РКЭ, позволяющая стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке; поддерживать заданную форму тока, потребляемого из СЭС, и компенсировать высшие гармоники тока, имеющиеся в СЭС.

Проанализированы задачи, которые должна решать система управления (СУ) разрабатываемого РКЭ. Рассмотрены типовые схемы СУ интегрального исполнения (контроллеров). Проанализированы известные методы и узлы систем управления РКЭ. Сделан вывод, что улучшить характеристики контроллеров позволяет использование модальной стратегии управления, которая подразумевает использование обратной связи по состоянию и предполагает воздействие на собственные значения матрицы объекта (изменение мод) или на коэффициенты при степенях производных характеристического уравнения.

Требуемая динамика преобразователя достигается расположение полюсов, а инвариантность к возмущениям со стороны нагрузки - расположением нулей передаточной функции системы в требуемых точках комплексной плоскости. Контроль токов в дросселях и напряжений на конденсаторах является необходимым условием обеспечения требуемых показателей качества выходного напряжения РКЭ.

Проведён анализ силовой части РКЭ как объекта управления с учётом отклонений и возмущений. Разработана соответствующая структурная схема (рис.4).

Импульсная система с широтно-импульсным преобразователем (ШИП) приведена к линейной непрерывной модели, что даёт возможность дальнейшие исследования силовой части РКЭ проводить соответствующими методами. Релейное регулирование предполагает задание достаточно малой зоны переключений по отношению к значениям сигнала задания и сигнала обратной связи.

Рис.4 Структурная схема силовой части РКЭ как объекта управления

Матричное уравнение линеаризованной модели силовой части РКЭ имеет следующий вид (выражение в скобках характеризует установившийся режим):

, (10)

где ;=.

Здесь обозначены: - матрица коэффициентов передачи ШИП;

- матрица управления РКЭ, причем=;

- сигнал ошибки регулирования по входу ШИП.

Определены схема построения системы контроля и звенья системы управления, обеспечивающие достижение требований к характеристикам РКЭ. Проведен выбор контролируемых параметров. Определены параметры регулятора (звена замкнутого цикла) и корректора (звена разомкнутого цикла). Определены их рабочие точки и диапазоны изменения параметров. Рассмотрены условия обеспечения требуемой внешней характеристики РКЭ и его инвариантности к возмущениям.

Синтезированная структурная схема СУ РКЭ (вместе с его силовой частью и системой контроля) показана на рис.5. СУ РКЭ является алгоритмическим устройством, которое производит управление силовыми транзисторами РКЭ на основе информации о полярности входного сигнала (КЗ – компаратор знака в распределителе импульсов РИ) и о значении коэффициента заполнения на выходе компаратора. Описана работа схемы, сформулированы требования к её элементам.

Рис.5 Структурная схема системы управления и силовой части РКЭ

Проведён анализ адаптивных методов управления, как наиболее перспективных для решения проблемы регулирования качества электроэнергии.

Разработана идеология построения адаптивной системы управления (АдСУ), проиллюстрированная на рис.6, где ООК – объектно-ориентированный контроллер; СОК – системно-ориентированный контроллер; ТОП – точка общего присоединения.

Рис.6 Структурная схема РКЭ в составе СЭС

В качестве критерия, характеризующего степень искажения, принят коэффициент формы кривой питающего напряжения в точке подключения РКЭ к сети.

Описан процесс адаптивной настройки. Подстройка первой гармоники на выходе адаптивного фильтра осуществляется по сигналу рассогласования выходного напряжения РКЭ, а подстройка высших гармоник - по рассогласованию коэффициента формы на k-м шаге адаптивного процесса. Описан итеративный процесс градиентного поиска в АдСУ по методу наименьших квадратов Уидроу-Хоффа.

Синтезирована структурная схема системы компенсации мощности искажений и коррекции коэффициента мощности, использующей АдСУ (рис.7).

Рис.7 Адаптивная система компенсации мощности искажений и коррекции коэффициента мощности

На выходе адаптивного фильтра АФ в k-тые моменты времени формируется ведущий сигнал , который образует широтно-модулированную последовательность импульсов на k-ом интервале импульсной модуляции. При этом следящий источник тока (СИТ) потребляет из СЭС такой ток, чтобы форма кривой напряжения в точке подключения РКЭ к СЭС имела минимальные отклонения от синусоиды и соответствовала =1,111, а выходное напряжение РКЭ соответствовало заданному. Таким образом, на выходе АФ формируется ведущий сигнал, позволяющий получить закон ШИМ, обеспечивающий минимальную ошибку на нагрузке (закон ШИМ адаптируется к нагрузке и к СЭС). Скорость настройки и сходимость процесса адаптации определяется значениями матрицы и особенностями СИТ.

Проведено численное моделирование работы АдСУ для случая соизмеримых мощностей источника и потребителей (25 кВА).

Получены кривые переходного процесса адаптации для разных значений коэффициентов сходимости. Характер переходных процессов, их скорость и статическая ошибка адаптации зависят от коэффициентов сходимости неявным образом: при некоторых значениях наблюдается апериодический процесс в канале регулирования коэффициента формы, в то время как в канале регулирования выходного напряжения РКЭ переходный процесс отличается перерегулированием.

При настроенном канале регулирования выходного напряжения время регулирования коэффициента формы в точке подключения РКЭ может быть менее 40 шагов, что соответствует 20 с.

Увеличение значений коэффициентов сходимости в значительной степени ускоряет процесс настройки, но увеличивает ошибки регулирования и колебательность переходного процесса.

В данных режимах обеспечивает КПД РКЭ не хуже 0,92.

В четвёртой главе приведены материалы численного и физического моделирования работы РКЭ.

Разработаны методика и алгоритм численного моделирования работы РКЭ.

В результате моделирования РКЭ получены следующие результаты:

1. Исследование зависимости значений параметров РКЭ от характеристик питающей сети (для разных типов силовых трансформаторов).

Расчеты показали, что при мощностях 500…3300 Вт в сетях с высоким значением полного сопротивления цепи «фаза-нуль» (это характерно для сетей, питающихся от силовых трансформаторов мощностью до 100 кВА) суммарная индуктивность входной цепи отличается более чем на 30% от расчетного значения; при нагрузке мощностью 7,2 кВт (питание от трансформатора 630 кВА) - на 50%. В последнем случае рассматривался вариант удаленной установки РКЭ.

2. Расчеты зависимости коэффициентов передачи объектно-ориентированного контроллера (ООК) от нагрузки для разных значений сопротивлений петли «фаза-нуль» и нагрузки показали, что при малых нагрузках (до 500 Вт) мощность силового трансформатора не имеет практического значения: собственные частоты и коэффициенты передачи ООК примерно совпадают, (расхождения не превышают 3…5%) как для режима стабилизированного источника напряжения, так и для источника тока. С ростом мощности нагрузки собственная частота системы по отношению к собственной частоте РКЭ снижается и расчет параметров коэффициентов передачи без учета параметров СЭС может привести к ошибочным результатам: коэффициенты передачи отличаются более чем в два раза. Это особенно заметно для мощностей нагрузки свыше 4,2 кВт при малой мощности силового трансформатора (25 кВА).

С ростом мощности трансформатора разница между рассчитанными значениями для коэффициентов передачи ООК нивелируется, т.к. мощность нагрузки существенно меньше мощности трансформатора. Расхождения между коэффициентами передачи контроллера, определенными с учетом параметров СЭС и без учета таковых, примерно одинаковы для всех видов полиномов.

3. Для полученных значений коэффициентов ООК проведена оценка процессов преобразования в установившемся режиме с использованием системы PSpice 5.1.

А) Рассогласование между ведущим сигналом и выходным напряжением (статическая ошибка регулирования) при всех формах полиномов в режиме стабилизированного источника напряжения составляет менее 4% в диапазоне до 4,2 кВт. При мощности выше 4,5 кВт статическая ошибка возрастает до 5,5% независимо от параметров электрической сети и коэффициентов полинома стандартной формы. При этом уровень пульсаций выходного напряжения не превышает 5% в диапазоне мощностей нагрузки до 4,5 кВт и 8% при мощности нагрузки 7,1 кВт.

Б) Получены формы выходного напряжения и входного тока для режима источника напряжения при мощности нагрузки соответственно 500 Вт и 4,2 кВт. В этом режиме форма выходного напряжения практически не зависит от формы сетевого напряжения; но форма тока отличается от гармонической, хотя и достаточно близко повторяет ее.

В) Наивысшая частота переключений вентилей при следящей асинхронной ШИМ наблюдается при использовании в качестве полинома стандартной формы полинома Бесселя; наименьшая - биноминального полинома. С ростом мощности преобразования частота переключений увеличивается для всех форм полиномов.

Г) Исследования влияния ширины зоны переключений показали следующее.

Уменьшение порогового напряжения практически не изменяет значения коэффициентов передачи ООК, но снижает коэффициент пульсаций и значительно увеличивает частоту переключений силовых вентилей и, как следствие, динамические потери в силовой схеме (на переключение в вентилях и на перемагничивание в дросселе РКЭ). Это особенно сказывается при мощностях нагрузки более 2,5 кВт.

Увеличение ширины зоны переключений приводит к появлению искажений вида «ступенька» при переходе кривой напряжения через нуль. Это объясняется тем, что в момент переключения диагоналей силовой схемы (смена полярности входного напряжения) силовой транзистор выключен. Ошибка регулирования по току может достигать 5…10% от амплитудного значения входного тока.

Экспериментально установлено, что для рассматриваемых значений мощностей (500 Вт…7,2 кВт) приемлемым (с точки зрения пульсаций и частоты переключений) является диапазон порогового напряжения от 30 мВ до 120 мВ.

Д) Значение амплитуды ведущего сигнала выбрано из условия реализуемости на обычной элементной базе. Моделирование в PSpice показало, что наиболее приемлемым значением сигнала задания является уровень 3…6 В. В этом случае диапазон изменения сигналов ошибки и обратной связи составляет 7 В и аналоговые устройства ООК работают в линейном режиме.

Численное моделирование проводится при значении порогового напряжения 50 мВ и при амплитуде ведущего сигнала для режима источника тока – 5 В.

Е) Исследование динамических характеристик показало, что с ростом мощности нагрузки колебательные свойства силовой части РКЭ (без обратной связи) изменяются незначительно в сторону снижения частоты собственных колебаний. Аналогичная тенденция наблюдается и при увеличении сопротивления петли «фаза-нуль». Это позволяет сделать вывод, что влияние мощности нагрузки и сопротивления петли «фаза-нуль» гораздо существеннее на значение коэффициентов передачи ООК, чем на колебательные и инерционные свойства силовой части РКЭ.

Рассмотрен режим следящего источника тока с инжекцией в питающую сеть высших гармоник потребляемого тока таким образом, чтобы обеспечить: минимальные искажения кривой выходного напряжения; коэффициент мощности, близкий к единице; компенсацию мощности искажений.

Сформулированы задачи на экспериментальные исследования физической модели РКЭ. Описана экспериментальная установка (система контроля, преобразовательный модуль, аппаратное и алгоритмическое сопряжение модуля с ЭВМ).

Рассмотрен вариант построения системы контроля параметров РКЭ. Предложена схемотехническая реализация и программно-алгоритмическая поддержка системы контроля параметров РКЭ на аналоговой элементной базе.

Разработана схема преобразовательного модуля с подключенными измерительными приборами и контрольными точками. Устройство выполнено на основе блочно-модульной конструкции. Изготовленный преобразовательный модуль позволяет исследовать процессы преобразования электроэнергии при различных величинах нагрузки, напряжениях питания и формы ведущего сигнала.

Разработаны функциональные схемы и алгоритмы работы узлов системы управления преобразователем на базе ЭВМ. Изготовленные устройства формируют импульсные последовательности независимо от центрального процессора.

Осуществлена программно-аппаратная стыковка преобразовательного модуля с компьютером класса IBM. Аналоговая информация транслируется в реальном масштабе времени через устройства ввода-вывода, установленные в слоты материнской платы компьютера. Ошибка ввода-вывода информации не превышает 0,7% при времени обработки менее 20 мкс (в реальном масштабе времени).

Рассмотрены вопросы схемотехнической реализации некоторых основных узлов РКЭ, в частности - драйверов (устройств согласования системы управления и силовой части), управляющих силовыми транзисторами.

Разработанные схемы драйверов используются в действующих макетах активных РКЭ. Первый вариант драйвера работает на два параллельно соединенных транзистора MOSFET SPW47N60S5 (фирмы "Infineon Technologies"), второй вариант – на два силовых транзистора IGBT BUP314D (фирмы "Siemens") в схеме РКЭ мощностью 1,5 кВт.

Регулятор качества электроэнергии на IGBT непрерывно устойчиво проработал в течение 75 часов при частоте модуляции не выше 15..22 кГц. РКЭ устойчиво работал при мощности 2100 Вт (=210...225 В,=375 В). При более высоких значениях мощности (2200...2800 Вт) наблюдались сбои в работе РКЭ (в первую очередь - за счет неоптимального режима выключения силовых транзисторов).

Получены осциллограммы тока и напряжения РКЭ. Кривая тока имеет высокочастотную пульсацию (на уровне 3...8 %) и искажения за счет снижения частоты ШИМ до значения 18 кГц (период тактовой частоты ШИМ составляет 55 мкс).

Применение транзисторов MOSFET SPW47N60S5 позволило получить мощность до 3,5 кВт. Частота преобразования достигала 45 кГц, что вызвало дополнительный разогрев вентилей за счет динамических потерь на переключение. Испытания такого РКЭ проходили в течение 48 часов в тяжелом тепловом режиме, когда температура корпусов транзисторов составляла примерно 70...80^ОС.

Форма кривой тока достаточно точно повторяет форму входного напряжения РКЭ (рис.8) для обоих типов вентилей, т.е. задача коррекции коэффициента мощности в физической модели РКЭ решается успешно.

При исследовании работы РКЭ в диапазоне изменения мощностей от 0,5 до 3,5 кВт установлено, что внешняя характеристика является достаточно жесткой, и обеспечивается стабилизация выходного напряжения не хуже 4%.

Получены зависимости КПД РКЭ, нестабильности и коэффициента пульсаций выходного напряжения РКЭ от мощности нагрузки.

С ростом выходной мощности РКЭ до 3,5 кВт его КПД снижается до значения 0,85: рабочая температура теплоотводящих радиаторов для такой мощности составляет примерно 70^ОС.

Сложность построения генератора ведущего сигнала с высоким уровнем гармоник (выше 4) не позволила в полной мере оценить количественную и качественную сторону инжекции высших гармоник в питающую сеть.

Подключение к точке общего подключения РКЭ в режиме коррекции коэффициента мощности только для нагрузки РКЭ практически не изменяет ПКЭ в этой точке. В режиме инжекции из РКЭ в СЭС высших гармонических составляющих (режиме компенсации мощности искажений) (рис.9) коэффициент несинусоидальности в точке общего присоединения снижается с 4,32% до (3,55…3,7)%. Ограниченное число гармонических составляющих, генерируемых в сеть, не позволило лучше сгладить (компенсировать) искажения тока в СЭС.

Рис.8 Кривые напряжения и тока Рис.9 Форма входного тока РКЭ в

РКЭ на МОSFET режиме компенсации мощности искажений

Исследование АдСУ проводились при порядке АФ, равном 5. Расчеты проводились ручным вводом в цифровой генератор синусоиды значений коэффициентов гармонических составляющих. Одновременно режим адаптации и следящее управление не реализовывались из-за сложности получения реального режима времени в одной программе ЭВМ.

На основе полученного опыта сформулирована методика по разработке РКЭ.

Основные результаты диссертационной работы

1. Показано, что применение комбинированного регулятора качества энергии позволит повысить эффективность работы ключевых источников вторичного электропитания. Такой подход позволяет решить вопросы повышения качества электроэнергии, энергосбережения, улучшения электромагнитной обстановки и помехоустойчивости.

2. На основе метода усреднённого пространства состояний разработана математическая модель силовой части РКЭ в составе однофазной локальной СЭС. В результате анализа полученной модели:

- дана оценка энергетических процессов протекающих в силовой части регулятора;

- получены основные характеристики, позволяющие определить предельные режимы работы РКЭ;

- даны рекомендации по выбору силовых элементов и номинальных значений конденсатора и дросселя силовой части РКЭ.

3. Разработана идеология построения адаптивной системы управления как наиболее перспективной для решения задач эффективного управления режимами работы СЭС в части регулирования качества электроэнергии.

4. Синтезирована комбинированная система управления РКЭ, позволяющая:

- стабилизировать напряжение на значительно изменяющейся нелинейной нагрузке;

- обеспечивать заданную форму тока потребляемого из СЭС;

- компенсировать высшие гармоники тока имеющиеся в СЭС;

5. Получены результаты численного моделирования РКЭ для токов и напряжений в режимах следящего источника тока и стабилизированного источника напряжения. Рассмотрен режим следящего источника тока с инжекцией в питающую сеть высших гармоник потребляемого тока таким образом, чтобы обеспечить:

- минимальные искажения кривой выходного напряжения;

- коэффициент мощности близкий к единице;

- компенсацию мощности искажений.

6. Разработана структурная схема преобразовательного модуля, выбраны контрольные точки для подключения измерительных приборов.

6. Осуществлена программно – аппаратная стыковка изготовленного преобразовательного модуля с персональным компьютером класса IBM. Выработаны практические рекомендации схемотехнической реализации основных узлов РКЭ.

7. Разработанный регулятор качества электроэнергии (РКЭ) можно рекомендовать для применения в локальных системах электроснабжения (СЭС) для высококачественного электропитания нелинейных потребителей, мощность которых значительно изменяется в диапазоне от 5 до 10 кВт.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих печатных работах:

1. Корчагин А.В., Терешков В.В., Пономаренко Т.З. Синтез и моделирование регулятора для устройств повышения качества электроэнергии. // Матер. междунар. науч. конф. "Информационные технологии", ч.2. Таганрог, ТРТУ, 2002, с.45…46.

2. Корчагин А.В., Терешков В.В., Аванесов В.М. Критерии для оценки влияния ключевых источников вторичного электропитания на показатели качества электроэнергии. // Матер. междун. науч. конф. «Моделирование как инструмент решения технических и гуманитарных проблем», часть 2, Таганрог, ТРТУ, 2002, с.70…74.

3. Корчагин А.В., Терешков В.В., Аванесов В.М., Пономаренко Т.З. Быстродействующий измеритель отклонения промышленной частоты. - "Промышленная энергетика", 2002, №10, с. 41…44.

4. Корчагин А.В., Терешков В.В., Аванесов В.М. О влиянии источников вторичного электропитания на показатели качества электроэнергии. - "Промышленная энергетика", 2003, №2, с.41…45.

5. Корчагин А.В., Терешков В.В., Аванесов В.М. О влиянии ключевых источников вторичного электропитания на работу электрических сетей и электрооборудования. // Матер. междун. науч. конф. «Динамика процессов в природе, обществе и технике: информационные аспекты», часть 2, Таганрог, ТРТУ, 2003, с.72…76.

6. Корчагин А.В., Терешков В.В., Аванесов В.М. Драйверы для управления силовыми транзисторами статических преобразователей систем электроснабжения. // Матер. междун. науч. конф. «Системный подход в науках о природе, человеке и технике», часть 4, г. Таганрог, ТРТУ, 2003, с.83…90.

7. Корчагин А.В. Анализ метрологического обеспечения контроля качества электрической энергии. // Матер. междун. науч. конф. «Анализ и синтез как методы научного познания», часть 2, г. Таганрог, ТРТУ, 2004, с.18…23.

8. Корчагин А.В. Факторы, влияющие на работу корректора коэффициента мощности в электрических цепях общего назначения. // Мат. IV междун. науч. – практ. конф. «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», часть 2, г. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2004, с.25…30.

9. Корчагин А.В., Аванесов В.М., Терешков В.В. Формирование математической модели силовой части корректора коэффициента мощности. // Матер. V междунар. науч. конф. "Методы и алгоритмы прикладной математики… ", часть 3, г. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2005, с.4…9.

10. Корчагин А.В. Адаптивное управление активным регулятором качества электроэнергии //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Прил. к №2, 2006, с.80…86.

Корчагин Александр Владимирович

РЕГУЛЯТОР КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ОДНОФАЗНЫХ

ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Автореферат

Подписано в печать 29.08.2006.

Формат 60х84/16.Бумага писчая. Ризография.

Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 787.

_______________________________________

Редакционно-издательский центр АМТ.