автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование и разработка регулятора переменного тока для аэродромного светосигнального оборудования

003452Э45

На правах рукописи

МАМЕДОВ ТЕИМУР ТЕИМУРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ АЭРОДРОМНОГО СВЕТОСИГНАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.01. «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2008

003452945

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) на кафедре Электрических и Электронных аппаратов

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Розанов Юрий Константинович

Официальный оппонент - Доктор технических наук,

профессор Гуров Алексей Алексеевич

Кандидат техничесюгх наук, доцент Царенко Анатолий Иванович

Ведущее предприятие - Высоковольтный научно-исследовательский центр-

Государственное унитарное предприятие , «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина»

Защита состоится >'Л9» декабря 2008 г.

ка заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ГОУВПО МЭИ (ТУ) в аудитории Е-205 в 13 час. 00 мин, по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « J/ » OHTStSPñ 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.15 к.т.н. доц.

Рябчицкий М В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость работы. Научно-технический прогресс в области систем электроснабжения сопровождается появлением все большего числа нелинейных потребителей. Во многом это связано с развитием электронной преобразовательной техники. Практическое применение этой техники приводит к искажению формы тока и напряжения в системах электроснабжения, или, иными словами к появлению в них высших гармонических составляющих.

Наличие высших гармоник в токах системы электроснабжения сопровождается потреблением из источника питания дополнительной реактивной мощности и мощности искажения. Кроме того, несинусоидальность кривых тока и напряжения приводит к повышенному нагреву трансформаторов, конденсаторов, увеличению потерь в них, сокращению срока их службы и надежностных характеристик, что приводит к возникновению ложных срабатываний в аппаратуре управления и защиты, а, следовательно, к возникновению аварийных ситуаций в работе системы электроснабжения. С высшими гармониками также связано ухудшение процессов генерация и передачи электроэнергии, нарушение технологических процессов, а в крайних случаях порча оборудования. Указанные причины обосновывают актуальность работ по улучшению качества электроэнергии как в рамках источников электроэнергии, так и в рамках конкретных потребителей. Стоит отметить, что проблема принимает глобальный характер и решается на уровне государственных программ. В частности, на сегодняшний день развитые страны разрабатывают и принимают многочисленные программы энергосбережения, а также стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии, в которых, в том числе, ограничивается уровень гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными потребителями. В России требования к качеству электроэнергии отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах общего назначения».

Аэродромное светосигнальное оборудование (ССО) предназначено для обеспечения безопасности маневрирования воздушных судов и представляет собой систему аэродромных огней различного цвета и назначения, объединенных в независимые последовательные цепи, называемые кабельными кольцами. Регулирование интенсивности излучения аэродромных огней с высокой степенью точности является основной задачей системы электроснабжения светосигнального оборудования. На сегодняшний день, для этих целей, системы светосигнального оборудования аэродромов комплектуются однофазными регуляторами переменного напряжения тиристорного типа, которые в эксплуатации называются регуляторами яркости. Установка требуемого значекнх интенсивности излучения светосигнального оборудования обусловлена установкой тока в кабельном кольце. Регулирование и стабилизация тока осуществляется регулятором яркости за счет изменения его выходного напряжения в соответствии с заданным законом управления.

Работа тиристорного регулятора связана со значительными искажениям формы входного и выходного тока, причем несинусоидалыгссть возрастает со снижением требуемого значения тока в цепи. В связи с тем, что регуляторы однофазные и их количество и мощность различны для каждого конкретного аэродрома, подключить их так, чтобы обеспечить симметричную нагрузку на трехфазную питающую сеть аэродрома, невозможно. Возникающая несимметрия нагрузки особенно сказывается в аварийных режимах (при

заначительном количестве вышедших из строя источников света в КК), при питании ССО от дизельной электростанции или электрической сети сопоставимой с нагрузкой мощности.

При этом, современные требования к системе электроснабжения аэродромов обязывают при проектировании электрических систем учитывать факторы, которые могут привести к нарушению нормальной работы, такие, как электромагнитные возмущения, потери в электрической сети, качество снабжения энергией и т.д.

Сопоставление требований к влиянию нелинейной нагрузки на питающую сеть с одной стороны и с точки зрения требований к качеству энергии, питающей аэродромное светосигнатьное оборудование, с другой стороны определило тему данной диссертационной работы и ее актуальность.

Цель диссертационной работы - разработка принципов построения и средств технической реализации для повышения технико-экономических показателей регуляторов переменного тока, питающих аэродромное ССО (регуляторов яркости), повышение качества электроэнергии, потребляемой регулятором из сети, и, передаваемой в нагрузку.

В ходе исследования и разработки решались следующие задачи:

1. Информационный анализ известных примеров реализации регуляторов переменного тока, анализ их влития на сеть и выявление наиболее перспективных разработок с применением современных силовых электронных приборов;

2. Синтез структуры регуляторов яркости, позволяющей минимизировать или исключить искажения токов в системе электроснабжения, а также характеризующейся высокими значениями коэффициента мощности;

3. Разработка способа управления, позволяющего улучшить характеристики выходных параметров регулятор яркости в переходных и статических режимах при сохранении качества потребляемой и преобразованной энергии;

4. Выбор специализированного пакета программ компьютерною моделирования рабочих процессов и разработка компьютерных моделей предложенных, регуляторов яркости;

5. Анализ рабочих процессов и технико-экономических показателей предложенных регуляторов яркости на основе модели и сравнение полученных характеристик с характеристиками тиристорных регуляторов.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались общепринятыми в электротехнике и теории электричесхих цепей аналитическими методами, методами математического анализа (дифференциальное исчисление, матричная и векторная алгебра), методами теории автоматического управления, а также современными средствами математического моделирования с использованием специализированных прикладных программ пакета МАТЬАВ. Достоверность полученных теоретических выводов и результатов подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложены схемотехнические решения новых типов регулятороз яркости на базе многоуровневого инвертора напряжения и 12-фазного выпрямителя, позволяющие получить значения коэффициента мощности в диапазоне 0,96-0.99 и низкие гармонические искажения входных токов для широкого диапазона изменений параметров нагрузки.

2. Предложен современный принцип регулирования переменного напряжения на основе ШИМ, позволяющий обеспечить низкие гармонические искажения токов в нагрузке и обеспечить требуемые точность и быстродействие системы как в статических, так и в динамических режимах.

3. Разработала инженерная методика проектирования регуляторов яркости с улучшенными энергетическими характеристиками.

4. Разработаны адаптированные к пакету программ моделирования MATLAB компьютерные модели основных составляющих элементов предложенных регуляторов яркости, позволяющие адекватно оценить характер процессов, протекающих в системе питающая сеть - регулятор яркости - нагрузка в различных режимах.

5. На основе компьютерных и физических моделей проведено исследование влияния потерь в полупроводниковых ключевых элементах на эффективность регуляторов яркости, и показано, что предложенные регуляторы характеризуются высокими значениями КПД для всего диапазона допустимых нагрузок.

Практическая ценность работы:

В результате выполненной работы разработаны новые схемотехнические решения регуляторов яркости для питания аэродромного светосигнального оборудования, позволяющего снизить гармонические искажения входных и выходных токов регуляторов, и существенно повысить их коэффициент мощности по отношению к существующим устройствам аналогичного назначения.

Реализация результатов работы:

Полученные результаты использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА совместно с ООО «АЭРОКУРС-М» по разработке макетных образцов устройств энергоснабжения для аэродромного светосигнального оборудования.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ-2006 (Россия), СЭЭ'2006 (Украина), а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2004-2008г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы. Подана заявка на выдачу патента на изобретение № 2008112299 от 02.04.08 в ФГУ ФИПС, которая прошла формальную экспертизу.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 139 страниц и содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 94 наименования списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе рассмотрено назначение аэродромного ССО, отмечена важность надежной и исправной работы системы энергоснабжения аэродромного ССО и опасные последствия, к которым может приводить его отказ.

Система светосигнального оборудования аэродрома, представляет собой совокупность светосигнальных приборов, электротехнического оборудования и аппаратуры управления, размещенных на аэродроме по определенной схеме и предназначенных для

выполнения взлета, заключительного этапа захода на посадку, посадки и руления воздушных судов в различных условиях видимости.

Для обеспечения равномерного режима работы светосигнальных приборов в аэродромных кабельных сетях большой протяженности используют схему последовательного соединения, называемую кабельным кольцом (КК). Схема питания КК представлена на рис.1. КК представляет собой совокупность одножильных отрезков кабелей, соединяющих изолирующие трансформаторы, на выходные обмотки которых подключены источники света аэродромных огней. В этой схеме изолирующий трансформатор выполняет несколько задач. С одной стороны он согласует напряжение КК и напряжение, требуемое для нормальной работы источника света, с другой стороны - обеспечивает гальваническую развязку высокого напряжения КК и низкого напряжения на источнике света, что является одним из требований к структуре питания аэродромного ССО, а с третьей стороны -является элементом надежности КК, обеспечивающим сохранность КК при перегорании одного или нескольких источников света. Кабельное кольцо подключаются к аппаратуре, называемой в эксплуатации - регулятором яркости (РЯ), который по сути своей является многоступенчатым регулятором-стабилизатором переменного тока.

Н1 - источники света огней; Т- изолирующий трансформатор тока огней; ТС - силсвй трансформатор; ЭР -

Опасные последствия, к которым может привести отказ ССО, определяют жесткие требования к надежности электроснабжения аэродромных огней.

Высокая надежность электроснабжения ССО достигается тем, что каждая функциональная подсистема огней получает питанпе по двум или более КК (рис.2), причем огни в этих кольцах включаются через один, т.е. четные опт объединяются в одно кольцо, а нечетные в другое. В таком случае гарантируется сохранение частичной работоспособности функциональной подсистемы огней при отказе РЯ или полном отказе КК.

Отмечены технические требования, предъявляемые к регуляторам яркости. Требован^ к выхо,л;гь1М токам РЯ, обусловлены характеристиками современных галогенах ламп, Применяемых в ССО и составлято? £,,6Л, мощность РЯ при этом варьи£-;еГСЯ в диапазоне 2 -20 кВА. При этом РЯ должен сохранять работоспособность прз выходе кз строя до 30% от общего числа ламп КК и обеспечивать высокую точность регулирования тока в КК. Высокие

Рис. 1. Пришяпиалькая элеггтрячгскм схема питания кабельного гольца (КК), где:

элемент регулирующий РЯ.

Ркс. 2. Иллюстрация схе>щ соединения системы oraeä ВЦП в два независимых КК.

требования к точности регулирования обусловлены характером светотехнических и

эксплуатационных характеристик ламп, применяемых в аэродромных ССО (рис.3). В

частности, если рабочий ток в лампе выше номинального на 5% срок службы лампы

сокращается до 30% от предусмотренного значения, с другой стороны незначительное

снижение тока приводит к существенному снижению интенсивности излучения

аэродромных огней, особенно в режимах близких к номинальным. ,Фщ%

92

£

96 в/ 100 104 ток в % от нситкагъного

б)

1(8

Рис.2 Светотехнические характеристики - а), и влияние изменения тока на эксплуатационные характеристики - б), ламп накаливания, используемых в ССО.

Современные РЯ представляют собой тиристорные регуляторы переменного тока (рис.1), реализующие принципы фазового регулирования, и являются нелинейными устройствами, а, следовательно, оказывают негативное влияние на питающую сеть. Рассмотрены критерии, позволяющие количественно оценить влияние нелинейных потребителей на систему электроснабжения, из которых особо выделены коэффициент гармонических искажений, крест-фактор и коэффициент мощности. Отмечено негативное влияние гармонических искажений на коэффициент мощности. По указанным критериям проведены количественные оценки работы тиристорных РЯ и показано, что коэффициент мощности для них находится в диапазоне 0,5-0,7 для режимов близких к номинальным.

Исследована схема замещения КК, позволяющая проводить анализ совместной работы РЯ и КК. Схема замещения представляет собой последовательную активно-индуктивную ветвь. Активное сопротивление этой ветви является суммой сопротивления кабеля и всех работоспособных ламп, входящих в КК. Аналогично индуктивность КК представлена как собственная индуктивность кабеля и суммарная индуктивность изолирующих трансформаторов, находящихся в режиме холостого хода. Отмечено, что выход из строя одной лампы сопровождается одновременным снижением активного сопротивления КК и увеличением индуктивности КК, причем индуктивность полностью работоспособного КК составляет величину (порядка единиц мГн) в десятки раз меньшую, чем индуктивность КК с числом перегоревших ламп составляющих 10% и более от их общего числа (порядка сотен мГн). Такое положение вещей приводит к снижению коэффициента мощности системы РЯ-КК. Необходимость сохранять работоспособность в указанных режимах приводит к ужесточению требований к системе электроснабжения ССО в целом, выражаемом в:

- завышении мощности питающего оборудования;

- применении проводов и кабелей большего сечения;

- завышении параметров аппаратов, осуществляющим коммутацию.

В связи с этим рассмотрены различные устройства и средства, предназначенные для улучшения качества электроэнергии и компенсации реактивной мощности, включающие пассивные и активные фильтры, использование усложненных алгоритмов управления и ряд структурно-топологических решений, среди которых особо отмечены схемы многоуровнвых преобразователей, позволяющие частично или полностью исключить содержание высших гармоник и повысить коэффициент мощности. Кратко отмечены основные достоинства и недостатки существующих методов снижения гармонических искажений.

Основной вывод первой главы заключается в необходимости создания устройств, основанных на современных схемотехнических решениях, предназначенных для питания аэродромного ССО, и позволяющих снизить или исключить гармонические искажения токов в первичных питающих сетях и в КК, а также повысить коэффициент мощности, при одновременном обеспечении симметричной нагрузки на трехфазную сеть. При решении данной задачи особое внимание уделялось структурно-топологическому решению и алгоритмам системы управления, что позволит исключить необходимость использования дополнительных внешних устройств фильтрации или минимизировать ях параметры.

Во второй главе показано, что для обеспечения требуемых характеристик РЯ, целесообразно при синтезе структуры РЯ использовать схемы с двойным преобразованием энергии (выпрямитель-инвертор), что позволит осуществлять независимое управление входными и выходными параметрами регулятора.

Проведен подробный обзор существующих средств и методов выпрямления, включающих в себя схемы, построенные как на управляемых, так и на неуправляемых элементах. Отмечено, что использование управляемых выпрямителей нежелательно, из-за существенного усложнения системы управления. Далее проведен обзор существующих методов и средств инвертирования, отмечепы их положительные и отрицательные стороны.

Последующий краткий обзор существующих полупроводников приборов показал, что на сегодняшний день не существует приборов класса напряжения выше 7500В. Отличительной чертой аэродромного ССО является потребление КК низких значений тока при высоких значениях напряжений. Так, например, при том, что номинальный выходной ток регулятора составляет б,6А номинальное напряжение на выходе регулятора будет составлять порядка 3,1кВ при выходной мощности 20кВА. При форме выходного напряжения близкой к синусоидальной амплитудное значение этого напряжения составит порядка 4,4кВ. Для обеспечения требуемой динамики при широтно-импульсных методах управления максимальное выходное напряжение составит порядка 6кВ. Для гарантированно безопасной работы ключевых элементов рекомендуется использовать их на напряжения и токи, составляющие 0,5-0,6 от максимально допустимых. Таким образом, для непосредственной безопасной работы в регуляторах мощностью 20кВА необходимы ключи с максимальным допустимым напряжением порядка 10-12кВ соответственно. Данное обстоятельство определило необходимость использования многоуровневых схем преобразования.

В результате сопоставления технических характеристик существующих полупроводниковых приборов и современных схем выпрямителей и инверторов были предложены две структуры, рассчитанные на работу с КК мощностью до ЮкВА (рис.3) и до 20кВА (рис.4) соответственно. В качестве основного полупроводникового элемента использованы КЗВТ транзисторы.

Рис.4 Электрическая схема РЯ мощностью до 20кВА В основе обеих схем лежит 12-фазный выпрямитель, Г-образный ЬС-фильтр и инвертор. Различия основаны на том, что инвертор РЯ (рис.3) построен на основе трехуровневой схемы с диодной фиксацией нейтральной точки, а инвертор РЯ (рис.4) на основе пятиуровневой каскадной Н-образной схемы. В обоих случаях нагрузка (КК) подключается к РЯ через индуктивный фильтр.

Поскольку РЯ должен обеспечивать регулирование и стабилизацию выходного тока с требуемой точностью в широком диапазоне параметров КК к симметрично загружать трехфазную сеть большое внимание уделено изучению влияния реактивных элементов, входящих в состав РЯ (рис.З и ркс.4), и параметров нагрузки, на гармонический состав токов, протекающих в первичной сети и коэффициент мощности РЯ. На основе компьютерных моделей получены зависимости соэфь А'/, Л (рис.5, рис.6) от индуктивности дросселей Ь] и (см. рис.З и рис.4).

СОЭф,

\т \т \999 0,999

РПТ РНТ

Рис.5. Диаграммы изменения показателей качества потребляемого из сети тока в зависимости от индуктивности фильтров ¿1 дая РЯ мощностью до 10кВт: а) б) гармонических искажений сетевого тока; в) коэффициента мощности системы

Рис.6. Диаграммы изменения показателей качества погребляемого го сети тока в зависимости от индуктивности фильтров ¿; и ¿1 для РЯ мощностью до 20кВт: а) сояф; б) гармонических искажений сетевого тока; в) коэффициента мощности системы В результате исследования выявлены два принципиально отличающихся режима работы, характерные для обеих схем, а именно: режим прерывистого тока в дросселях (РПТ)

и режим непрерывного тока в дросселях (РНТ). Оба режима особо отмечены на рис.5 и рис.б. Для обеих схем справедливо следующее: в режиме РПТ, с ростом индуктивности дросселей, происходит уменьшение значения cos<j>i, а в режиме РНТ, с ростом индуктивности, происходит увеличение значения cos<j>i. В обоих режимах работы рост индуктивности дросселей приводит к снижению гармонических искажений токов в питающей сети и общему увеличению коэффициента мощности системы. Для обоих РЯ коэффициент мощности достигает значения 0.99 при индуктивности дросселей около 0,1 Гн и с последующим ростом индуктивности дросселей не меняется.

На основе полученных результатов моделирования разработаны методики по расчету параметров реактивных элементов, а именно: индуктивностей дросселей и емкостей конденсаторов Г-образных фильтров и индуктивности выходного фильтра.

В третьей главе рассмотрены принципы построения СУ для схем основанных на структуре выпрямитель-инвертор с Г-образными LC-фильтрами на стороне постоянного тока. Отмечено, что в таких случаях традиционно осуществляется контроль за полным вектором переменных состояния. В предлагаемых РЯ контроль полного вектора состояний приводит к появлению большого числа дополнительных элементов (в частности датчиков), но является необходимым для обеспечения безопасной и надежной работы РЯ.

Проведен краткий сравнительный анализ способов управления выходным током в силовых электронных преобразователях, по результатам которого для управления обоими РЯ был выбран метод многоуровневой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с обратной связью по току. Метод реализуется на основе сравнения опорного сигнала (низкочастотного) с несколькими несущими сигналами (высокочастотными). В этом случае структурная схема силовой части РЯ и его СУ принимает вид рис.7.

Принципы реализации СУ РЯ следующие - сигнал с выхода датчика тока нагрузки (ДТ) ¡¡ас поступает на вход компаратора, где сравнивается с сигналом задания ;'г. Сигнал задания представляет собой синусоидальный сигнал с частотой 50Гц и амплитудой, зависящей от текущего режима работы. Разница Л i между измеренным током нагрузки и сигналом задания с выхода компаратора поступает на вход регулятора. В зависимости от величины ошибки М регулятор формирует опорный сигнал Uoa, который попадает на ШИМ модулятор. ШИМ модулятор производит сравнение опорного сигнала с несущими сигналами и, в зависимости от результата сравнения, на выходе модулятора формируются логические сигналы управления ключами силовой части преобразователя. Оконечный каскад (драйвер) служит для согласования выходных параметров (мощности, тока, напряжения) модулятора с выходными параметрами ключевых элементов.

Оюночный кавквО ими иоОцттор Um Ямупяпкр

Рис.7. Структурная схема силовой части РЯ и его СУ.

Требуемая точность работы РЯ составляет ±2%, а время завершения переходного процесса при включении (или переключении со ступени на ступень) составляет Зс. Точность регулирования в данном случае распространяется на действующее значение тока в кабельном кольце. Требований к точности регулирования мгновенных значений тока не предъявляется, поскольку тепловые процессы в лампах гораздо более инертны, чем электрические. По вышеуказанным причинам, в качестве регулирующего звена может бьггь использован традиционный ПИ-регулятор, блок-схема которого представлена на рис.8.

Рис.8. Блок-схема алгоритма реализации ПИ-регулятора

Для анализа устойчивости системы и качества регулирования реальные характеристики элементов были идеализированы и заменены на линейные, что позволило получить существенно упрощенные структурные схемы РЯ и СУ. При этом сохранилась принципиальная картина процессов, происходящих в регуляторе.

На основе сделанных допущений структура регулятора была приведена к упрощенной линеаризованной структурной схеме, которая представлена на рис.9, где Кр, КI -- коэффициенты ПИ регулятора, и к - максимальное напряжение на выходе РЯ, обусловленное напряжением на накопительных конденсаторах. Л - активное сопротивление КК, Ь - индуктивность КК. '

Рис. 9. Упрошенная структурная схема регулятора На основе анализа полученных передаточных функций установлено, что стабильность системы полностью определяется выбором пропорционального коэффициента - чем больше коэффициент Кр, тем меньше запас устойчивости и выше быстродействие управления. 3 свою очередь интегральный коэффициент Х.1 оказывает влияние на точность управления в статических режимах работы - чем больше коэффициент, тем точнее управление.

Сформулированы рекомендации по выбору коэффициентов ПИ регуляторов, при этом отмечено, что окончательный выбор должен осуществляться после проведения математического моделирования.

Проверка достоверности полученных упрощенных схем была проведена на математической модели, реализованной в программе 8ипи1шк программного комплекса МАТЬАВ и физических моделях основных узлов.

На основе анализа возможных неисправностей и особенностей предложенных методов управления были разработаны алгоритмы управления, позволяющие обеспечить выполнение требуемых функций и защитить элементы РЯ от возможных аварийных ситуаций.

В четвертой главе приведены результаты математического моделирования предложенных устройств с эквивалентной нагрузкой, параметры которой рассчитаны по методике, описанной в первой главе.

В процессе моделирования решался ряд задач, а именно:

1. Анализ качества потребляемого из сети тока с точки зрения гармонических искажений и коэффициента мощности в статике, при работе РЯ как в номинальных режимах (отсутствие перегоревших ламп), так и в режимах близких к аварийным (количество перегоревших ламп от 10% до 30% от их общего числа).

2. Анализ электромагнитных процессов, протекающих в системе РЯ-КК в динамических режимах.

3. Анализ кривых выходного тока в статических и динамических режимах.

4. Анализ точности и быстродействия СУ в статических и динамических режимах.

5. Анализ помехоустойчивости СУ.

Для моделирования использовался программный комплекс МАТЬАВ, в котором были разработаны модели НЯ и модели трех типов нагрузки, соответствующие КК различным по длине и общему количеству ламп:

1. КК длиной 300м, содержащее 8 огней суммарной мощностью 1600Вт.

2. КК длиной 2500м, содержащее 64 огня суммарной мощностью 9600Вт.

3. КК длиной 5000м, содержащее 128 огней суммарной мощностью 19200Вт.

Первые два варианта КК исследовались при совместной работе с РЯ мощностью до

10кВт (рис.3), третье КК при работе с РЯ мощностью до 20кВг (рис.4). Далее по тексту рассматриваемые случаи обозначаются как РЯ1600, РЯ9600 и РЯ19200 соответственно по суммарной номинальной мощности огней КК.

Полученные результаты моделирования показали, что гармонические искажения сетевых токов в любых режимах работы не превышают 18%, а в номинальных режимах лежат в диапазоне 10-12%. На рис.10-11 приведены диаграммы установившихся токов фазы А трехфазной питающей сети при работе РЯ1600, РЯ9600 и РЯ19200 в режимах 100% и 1% яркости свечения огней (6.6А и 2.8А соответственно) с полностью работоспособным КК и с КК содержащим 30% перегоревших ламп. На диаграммах указаны амплитуда первой гармоники тока 1ш и его полные гармонические искажения К\. Токи в фазах В и С не показаны, поскольку их форма н величина аналогичны току фазы А.

Из данных, полученных в процессе моделирования можно выделить следующие основные моменты:

1) Коэффициент мощности предлагаемых регуляторов практические не зависит от состояния КК и находится в диапазоне 0.96-0.99. Значение коэффициента мощности для тиристорного РЯ значительно ниже для любого рабочего режима и требует внесения в схему дополнительных фильтрующих устройств.

2) Угол фч между токами и напряжениями соответствующих фаз первичного источника не превышает 13 - 14 градусов (в худшем случае) при работе РЯ нового типа. В тиристорных регуляторах этот угол может достигать 60 и более градусов.

4 2 -г

3,51 3^2 3,53 3£4 3*5 3,56 3£Т Ь с /Д,А 100% яркость 4 44*. 4М 443 4А4 4Л5 4М 4ЛТ % с 1Л,А 1% яркость

в -5 Чд/ \АГ УУ ЧУ №15.*5Н \А/

"а 4К 3152 ¿53 ¿Я «5 Д55 437 4 с С11'А 100% ярмаеть ¿4 (41 иг и> Ш Ш <« иг (с ^,/д.Д 1% ягтасть

5 ■ 1 Г 1 Г 1 Г1т**шл \ 1 X/ \Тпв.ип 10 ■10 ГЮ'ГГ »X

"3,; а;; р V! № V! " V « «! «! « М «! И «Г !: Рис.10. Диаграммы тока ¡л фазы А в установившихся режимахв при работе РЯ с КК не содержащим перегоревших ламп: а) РЯ1600, 6) РЯ9600, в) РЯ1920С ЮШяртапь , 1,,А 1% яркость

0

'V 15) 152 3^3 3,34 3,55 3.5П ¿57 (с 3/,,А ' пжщжат. ¿4 и|ШМ)и1и5ии7 11 -Я/4,Д 1% щзелсть

{ ткмгдек 0 Х/ч/Х^л^

1И 3,13 4« 3,55 3155 3^7 «с /,,Л »ЮКдриевть ч < 4Л1 4А2 4.43 444 4.45 446 447 (с яркость

тшисггх °45 Я5( 3,52 ¿53 3,И 455 15в 157 1С 10 ■10 ■ч ЛУ\А/Х) 4 44) 443 445 1« 447 1С

Рис.11. Диаграммы тока ¡л фазы А в установившихся режимах при работе РЯ с КК содержащим 30% перегоревших ламп: а) РЯ1600. б) РЯ9600, в) РЯ19200

3) Для предлагаемых РЯ крест-фактор практически равен л/2 ,что соответствует синусоидальному сигналу, а для тиристорного регулятора он варьируется в широком диапазоне от до »10.

4) В отличие от тиристорных РЯ, предложенные РЯ обеспечивают симметричную нагрузку на трехфазную сеть независимо от их количества на конкретном аэродроме и не требуют принятия каких либо мер для симметрирования.

В таблице 1 сведены результаты вычисления коэффициента мощности для тиристорного регулятора и предлагаемых регуляторов при различных режимах работы.

----г Сост.КК (кол.раб. ламп) Фаза А Фаза В Фаза С л, СО $¡¡>1 X

ТипРЯ яркости 1ш, А К,, % ¡¡и, А к,,% А Кь % чи гр

РЯ1600 100% 100% 4.47 12.48 4.48 ! ¡2.45 4.48 12.47 3.8 0.997 0.989

90% 4.04 12.61 4.05 12.57 4.04 12.60 3.8 0.997 0.989

70% 3.18 13.21 3.19 13.16 3.18 13.21 3.9 0.997 0.988

1% 100% 1.97 14.78 2.98 14.74 1.97 14.78 4.5 0.996 0.985

90% 1.84 15.16 1.85 15.12 1.84 15.17 4.7 0.996 0.985

70% 1.60 16.19 1.60 16.14 1.60 16.21 5.1 0.996 0.983

РЯ9600 100% 100% 22.56 11.19 22.63 11.85 22.58 11.88 6.55 0.993 0.986

1_ 50% 20.42 12.17 20.48 12.11 20.43 12.15 6.25 0.994 0.986

70% 16.16 12.80 16.21 12.72 16.14 12.80 5.75 0.994 0.986

1% 100% * Г С 4 1 *? ¿о 1.ЧО 1 г лп 1 / П АЛ / .-тт К С« 4.5 л ппс 0.984

90% 6.72 16.09 6.75 16.02 6.72 16.11 4.5 0.996 0.983

70% 5.46 17.45 5.48 17.36 5.45 17.49 4.5 0.996 0.981

РЯ 19200 100% 100% 44.бР 9.79 44.69 9.76 44.65 9.77 8.8 0.988 0.983

90% 40.19 9.89 40.27 9.85 40.21 9.88 8.7 0.988 0.983

70% 28.27 10.12 28.33 10.08 28.23 10.14 8.6 0.988 0.982

100% 10.50 11.15 10.56 11.30 11.46 11.25 12 0.988 0.981

1% 90% 9.55 11.43 9.61 11.60 9.50 11.55 12.6 0.975 0.968

70% 8.49 11.64 8.49 11.62 8.45 11.74 13.1 0.973 0.966

Тирист. 100% 100% 36.7 ' 63.3 - - - - 35 1082 0.69

90% 36.5 ! 36.0 - - - - 49 0.66 0,62

70% 36.3 ! 0.8 1 - ! - 61 П).48 0.48

РЯ 100% 15.3 1 125.9 - - - - 62 0.47 0.29

1% 90% 15.4 ! 73.5 - - - - 70 0.34 0.27

70% 15.5 1 40.0 - 4 - - - 77 0.22 Г 0.2

Характер изменения выходных токов РЯ и их спектральные составы значительно зависят от индуктивности нагрузки и частоты модуляции системы управления. На рис.12 представлены диаграммы выходных токов в установившемся режиме при работе РЯ с КК, не содержащим перегоревших ламп, в режиме 100% и 1% яркости горения огней. Диаграммы выходных токов в установившемся режиме при работе РЯ с КК при содержании в КК 30% перегоревших ламп представлены на рис. 13. Гармонические искажения выходных токов РЯ вызваны модуляцией на частоте 1000Гц, они возрастают с уменьшением рабочей яркости и снижаются с увеличением числа перегоревших ламп в КК. Основным критерием при выборе частоты модуляции являлся КПД РЯ, поскольку коммутационные потери в электронных приборах высокого класса напряжения составляют значительные величины, а в разработанных РЯ являются определяющими.

Точность регулирования и стабилизации выходного тока является высокой и токовая ошибка по действующему значению составляет сотые доли процента, но следует отметить, что на практике достичь такой точности не удастся в силу ограниченной точности оцифровки сигнала. Точность регулирования и стабилизации в реальной системе будет составлять порядка 2%.

Рис. 12. Диаграммы тока КК в установившихся режимах при рабо те РЯ с КК не содержащим перегоревших ламп: а) РЯ1600,5) РЯ9600. в) РЯ192С0

Рис 13. Диаграммы тока КК в установившихся режимах при работе РЯ с КК содержащим 30% перегоревших ламп: а) РЯ1600, б) РЯ9600, в) РЯ19200 Исследование динамических режимов показало, что быстродействие СУ является достаточным и даже избыточным, поскольку' тепловые процессы в лампах накаливания протекают гораздо дольше электромагнитных. На рис Л 4 представлены кривые тока задания и фактического тока нагрузки для КК, содержащего 30% перегоревших ламп, при включении РЯ1600 в режим 100% яркости, переходе из режима 100% в режим 1% яркости, и переходе из режима 1% в режим 100% яркости.

Поскольку на практике сопротивление холодной лампы в разы меньше сопротивления лампы, находящейся в номинальном рабочем режиме (при подключении холодной лампы накаливания к сети возникают токи перегрузки, примерно в 8 раз превышающие номинальный, которые спадают примерно за 150мс), было проведено отдельное моделирование работы РЯ при активном сопротивлении нагрузки на порядок меньше

номинального. Полученные результаты не приводятся, поскольку переходный процесс завершался быстрее, чем процессы, представленные на рис.14, а по точности в статике не уступал им. Таким образом, предложенная СУ ведет себя адекватно во всем диапазоне изменения нагрузки и не теряет работоспособности з пусковых режимах.

Рис.14 Кривые тока задания (гладкая) и реального тока нагрузки(с пульсациями) для РЯ!600 при работе с КК, содержащим 30% перегоревших ламп: а) включение на 100% яркость, б) переключение со 100% на 1% яркость, в) переключение с 1 % на 100% яркость.

В целях ориентировочной опенки эффективности предложенных РЯ была разработана модель расчета потерь в полупроводниковых приборах, учитывающая потери проводимости в диодах, потери проводимости в транзисторах и коммутационные потери в транзисторах, которые для приборов высокого класса напряжения являются определяющими.

На рис.15 отражены данные расчета полных потерь для ключей и Б2 (рис.3), проведенных для транзисторов 1ХЕ1.40Ж00 фирмы КУБ. Отличительная особенность данных транзисторов заключается в том, что при высоком классе напряжения 4000В они рассчитаны на работу с относительно низким поминальным током до 40А. Для транзисторов 84 и 83 (рис.3) графики потерь выглядят аналогично.

Рассчитанные по предложенной методике суммарные потери в ключах РЯ9600 и РЯ19200 составляют порядка 164Вт и 225Вт соответственно и практически не зависят от мощности, передаваемой в нагрузку.

Графики, отражающие зависимость КПД РЯ от мощности, передаваемой в нагрузку, для РЯ9600 и РЯ19200 представлены на рис.16. Зависимости рассчитаны с допущением, что КПД трансформатора является постоянным и равным 0,96 и потери в приборах также являются неизменными.

и

п $

•)С.

к 10 5

Ч о.

.05 Ш ?.0Й 1055 107 1М75 1.08 1М5 (с

|.(И 10» 105 10Ю 1.07 ».075 1.08 1085 ?с ,111 чиекянжчиоои. .11.

'«И 1055 1.06 1065 «7 1075 МВ 1085 1С °105 1035 1.06 1065 107 »075 10в 1085 «г

а»

№09 ИМ 0.04 ПАЯ «0.

доДлкдкхцноапь

нааювзчамм

«И7ВП>

</»75 «и

я!

1 [■ средняя модность

лопирь н* шагом/ив

1....... Рш-Х7Вт

аг ши

ли аог *} с'

Е^.В*

сов&кя мощность

НЯ

а« о.ов о.» сим 0.02

1ГК 10ЯЯ ЛОГ 1075 1С8 1085

средняя мощность папнрьюяьшптаиив 3.7Вт

'«5 1055 10в 1064 107 1Л75 108 1085 (С ^ $55 1И5 106 1065 107 1075 10» «с

1.1» 1055 10» 10Ю 107 1075 10« ».085 «с

1.05 1055 Ш 1065 Ш 1ЙЧ й» ШГТс

Рис. 15. Результаты расчета мощности потерь транзисторов («арки 1ХЕЬ40Ы400) 81 и в2 в РЯ9600 (рис.3): Токи, протекающие через приборы а) б) Б2; Потери проводимости в транзисторах в) Б1 г) Б2; Энер[ т коммутационных потерь при включении транзисторов д) Б1 е) Б2; Энергия коммутационных потерь при выключении транзисторов ж) в! з) Б2; Полные потери в транзисторах и) Б1 к) в2;

Рис.16. Зависимости КПД РЯ ст мощности, передаваемой в нагрузку

В диапазоне мощностей, составляющем 30-100% от номинальной КПД обоих типов РЯ превышает 0,9. В области мощностей, составляющих 10-30% от номинальной, КПД начинает снижаться, но не опускается ниже 0,8. Дальнейшее уменьшение мощности, передаваемой в нагрузку, сопровождается резким снижением КПД, но работа в этом диапазоне мощностей возможна только в случае выхода из строя значительного числа ламп в КК, то есть в режиме близком к аварийному, который может не учитываться при оценке общей эффективности РЯ.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе:

1. Созданы схемотехнические решения новых видов РЯ с улучшенными технико-экономическими показателями на базе 12-фазного выпрямителя и многоуровневого инвертора, который позволяет снизить гармонические искажения токов, потребляемых из питающей сети до 10-15%, и токов, передаваемых в нагрузку, до 10-20% а также обеспечить коэффициент мощности в районе 0,96-0,98 для любого режима работы, включая предаварийные режимы, характеризующиеся высокой индуктивной составляющей сопротивления КК.

2. Исследовано влияние параметров Г-образного ¿С-фильтра на токи питающей сети, на их гармонические искажения и коэффициент мощности. Разработаны рекомендации по подбору параметров реактивных элементов, входящих в состав РЯ, позволяющие минимизировать массо-габаритные показатели этих устройств.

3. Разработан современный принцип управления РЯ на основе ШИМ с обратной связью по току, позволяющий обеспечить высокое качество регулирования и стабилизации тока нагрузки, а также заданное качество выходного тока при воздействии помех и изменении параметров КК в широком диапазоне.

4. В программном комплексе MATLAB разработаны математические модели РЯ, его СУ и эквивалента нагрузки, соответствующего различным состояниям КК, которые позволили оценить эффективность работы РЯ в статических и динамических режимах, а также обеспечить корректировку параметров силовой части регулятора На основе модели были изучены быстродействие и точность регулирования СУ.

Основные положения диссертационной работы изложены в печатных трудах:

1. Розанов Ю.К., Мамедов Т.Т. Регуляторы яркости с улучшенными энергетическими характеристиками для питания аэродромного светосигнального оборудования // Электротехника. - 2008. - №6. - С. 52-58.

2. Мамедов Т.Т., Григорьев В.А. Повышение коэффициент мощности в энергоснабжении аэродромного светосигнального оборудования // XI-я международная конференция «Электромеханика, эдекгротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ -2006: Тез. докл. - Алушта, 2006,- С. 217-218.

3. Розанов Ю.К, Мамедов Т.Т. Регулятор тока для аэродромного светосигнального оборудования // Техническая электродинамика - 2006, Часта 5. - Тематический выпуск сентябрь 2006. - С. 60-61.

Подписано в печать^./С'. 0$Г. Ззк.ЛЦ Тир. /¿Ю П.п, /,Д0 Полиграфический центр МЗИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д. 13

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. АЭРОДРОМНОЕ СВЕТОСИГНАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СИСТЕМУ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 Аэродромное светосигнальное оборудование, современные преобразователи, используемые для его питания, и требования, предъявляемые к этим преобразователям.

1.2 Критерии оценки искажений, вносимых нелинейной нагрузкой в систему электроснабжения, и их влияние на работу электротехнических устройств.

1.3 Оценка работы кабельного кольца с тиристорным регулятором яркости и его влияния на систему электроснабжения.

1.3 а Влияние тиристорных регуляторов яркости на систему электроснабжения.

1.36 Схема замещения кабельного кольца и его влияние на систему электроснабжения.

1.4. Методы и средства уменьшения влияния нелинейных нагрузок на систему электроснабжения.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ РЕГУЛЯТОРА ЯРКОСТИ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.

2.1 Методы и средства выпрямления.

2.2 Методы и средства инвертирования.

2.3 Элементная база силовых полупроводниковых преобразователей.

2.4 Построение силовой схемы РЯ.

2.5 Определение параметров силового трансформатора РЯ.

2.6 Определение параметров реактивных элементов силовой части преобразователя и определение их влияния на токи в питающей сети.

2.6.а Индуктивность и емкость Г-образных фильтров выпрямителей.

2.6.6 Индуктивность выходного фильтра^/.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛЯТОРОМ ЯРКОСТИ.

3.1 Выбор контролируемых параметров.

3.2 Методы управления током в электронных преобразователях.

3.2.а Токовое управление на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

3.2.6 Управление током методом прогнозирования.

3.2.в «Гистерезисное» (релейное) управление.

3.2.г Адаптивные методы управления.

3.3 Многоуровневая ШИМ и влияние частоты модуляции на потери в полупроводниковых приборах РЯ.

3.4 Разработка структуры и анализ системы управления РЯ с использованием синхронного регулятора.

3.5. Определение методов аппаратной реализации СУ и разработка алгоритмов ее реализации.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В СИСТЕМЕ РЯ-КК, И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЯ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ И ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ.

4.1 Исследование и анализ работы РЯ в статических и динамических режимах.

4.2 Сравнение показателей качества потребляемой электроэнергии исследуемого РЯ с тиристорными регуляторами на основе компьютерной модели.

4.3 Оценка потерь в ключевых элементах РЯ.

4.4. Физическое моделирование основных узлов РЯ.

Выводы по главе 4.

Энергоснабжение в современном мире становится одним из важнейших факторов, определяющих интенсивность развития мирового сообщества. На сегодняшний день наиболее удобной для потребления и преобразования формой энергии является электрическая, что определяет большое внимание к качеству электроэнергии. При этом происходит ужесточение требований к влиянию потребителей — как предприятий, так и персональных пользователей - на систему электроснабжения.

Обоснование актуальности темы диссертации

Научно-технический прогресс в области систем электроснабжения в настоящее время сопровождается появлением все большего числа нелинейных потребителей. Во многом это связано с развитием электронной преобразовательной техники. Такое положение вещей приводит к искажению формы тока и напряжения в системах электроснабжения, или, иными словами к появлению в них высших гармонических составляющих.

Наличие высших гармоник в токах системы электроснабжения сопровождается потреблением из источника питания дополнительной реактивной мощности и мощности искажения. Кроме того, несинусоидальность кривых тока и напряжения приводит к повышенному нагреву трансформаторов, конденсаторов и увеличению потерь в них, а также может приводить к возникновению ложных срабатываний в аппаратуре управления и защите, а, следовательно, к возникновению аварийных ситуаций в работе системы электроснабжения. С высшими гармониками также связано ухудшение процессов генерации и передачи электроэнергии, нарушение технологических процессов, а в крайних случаях порча оборудования. Указанные причины обосновывают актуальность работ по улучшению качества электроэнергии как в рамках источников электроэнергии, так и в рамках конкретных потребителей. Стоит отметить, что проблема принимает глобальный характер и решается на уровне государственных программ. В частности, на сегодняшний день развитые страны разрабатывают и принимают многочисленные программы энергосбережения, а также стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии, в которых, в том числе, ограничивается уровень гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными потребителями. В России требования к качеству электроэнергии отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах общего назначения» [6].

Аэродромное светосигнальное оборудование (ССО), по сути являющееся ламповым кольцом, предназначено для обеспечения безопасности маневрирования воздушных судов, является частным примером нелинейного потребителя. Регулирование интенсивности излучения аэродромных огней с высокой степенью точности является основной задачей системы электроснабжения светосигнального оборудования. На сегодняшний день, для этих целей, системы светосигнального оборудования аэродромов комплектуются однофазными регуляторами переменного напряжения тиристорного типа, которые в эксплуатации называются регуляторами яркости [1]. Установка требуемого значения интенсивности излучения светосигнального оборудования обусловлена установкой тока в кабельном кольце. Регулирование и стабилизация тока осуществляется регулятором яркости за счет изменения его выходного напряжения в соответствии с заданным законом управления.

Работа тиристорного регулятора переменного тока связана со значительными искажениями формы входных и выходных токов, причем несинусоидальность растет со снижением требуемого значения тока в цепи. Кроме того, количество регуляторов яркости различно для каждого конкретного аэродрома, но, как правило, подключить их так, чтобы обеспечить симметричную нагрузку на трехфазную сеть, питающую аэродром не удается. Влияние несимметрии нагрузки особенно сказывается в аварийных режимах, когда питание светосигнального оборудования осуществляется от дизельной электростанции.

При этом, современные требования к системе электроснабжения аэродромов требуют при проектировании электрических систем учитывать факторы, которые могут привести к нарушению нормальной работы, такие, как электромагнитные возмущения, потери в электрической сети, качество снабжения энергией и т.д. [4].

Сопоставление требований к влиянию нелинейной нагрузки на питающую сеть с одной стороны и с точки зрения требований к качеству энергии, питающей аэродромное светосигнальное оборудование, с другой стороны определило тему данной диссертационной работы и ее актуальность.

Цель диссертационной работы — разработка принципов построения и средств технической реализации для повышения технико-экономических показателей регуляторов-стабилизаторов переменного тока, питающих аэродромное светосигнальное оборудование, повышение качества электроэнергии потребляемой и преобразованной регулятором.

В ходе исследования и разработки решались следующие задачи:

1. Информационный анализ известных примеров реализации регуляторов переменного тока, анализ их влияния на сеть и выявление наиболее перспективных разработок с применением современных силовых электронных приборов;

2. Синтез структуры регулятора, позволяющей минимизировать или исключить негативное влияние нелинейной нагрузки на систему энергоснабжения, а также обеспечить высокий коэффициент мощности;

3. Разработка способа управления, позволяющего улучшить характеристики силового регулятора в переходных и статических режимах при сохранении качества потребляемой и преобразованной энергии;

4. Выбор специализированного пакета программ компьютерного моделирования рабочих процессов и разработка компьютерных моделей в среде выбранного пакета программ;

5. Анализ рабочих процессов в созданной модели разрабатываемого регулятора переменного тока и сравнение полученных характеристик с характеристиками тиристорных регуляторов;

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались общепринятыми в электротехнике и теории электрических цепей аналитическими методами, методами математического анализа (дифференциальное исчисление, матричная и векторная алгебра), методами теории автоматического управления, а также современными средствами математического моделирования с использованием специализированных прикладных программ пакета MATLAB. Достоверность полученных теоретических выводов и результатов подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложены схемотехнические решения новых типов регуляторов яркости на базе многоуровневого инвертора напряжения и 12-фазного выпрямителя, позволяющие получить значения коэффициента мощности в диапазоне 0,96-0,98 и низкие гармонические искажения входных токов для широкого диапазона изменений параметров нагрузки.

2. Предложен принцип построения системы управления, позволяющий обеспечить низкие гармонические искажения токов в нагрузке и обеспечить требуемые точность и быстродействие системы как в статических, так и в динамических режимах, и разработаны алгоритмы его реализации.

3. Разработана инженерная методика проектирования регуляторов яркости с улучшенными энергетическими характеристиками.

4. Разработаны адаптированные к пакету программ моделирования MATLAB компьютерные модели основных составляющих элементов, позволяющие адекватно оценить характер процессов, протекающих в системе питающая сеть — регулятор яркости — нагрузка в различных режимах.

5. На основе компьютерных и физических моделей проведено исследование влияния потерь в ключевых элементах преобразователя на общую эффективность системы регулятор яркости - нагрузка, и показано, что предложенные регуляторы характеризуются высокими значениями КПД для всего диапазона допустимых нагрузок.

Практическая ценность работы:

В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение регулятора переменного напряжения для питания аэродромного светосигнального оборудования, позволяющего снизить гармонические искажения в токах, потребляемых из сети и протекающих в нагрузке, и существенно повысить коэффициент мощности по отношению к существующим устройствам аналогичного назначения.

Реализация результатов работы:

Полученные результаты использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА совместно с ООО «Аэрокурс-М» по разработке макетных образцов регуляторов яркости для аэродромного светосигнального оборудования.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ-2006 (Россия), СЭЭ'2006 (Украина), а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2004-2008г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы. Подана заявка на выдачу патента на изобретение № 2008112299 от 02.04.08 в ФГУП ФИПС, которая прошла формальную экспертизу.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 139 страниц и содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 94 наименования списка литературы.

Выводы по главе 4

В программе Simulink программного комплекса Matlab созданы математические модели регулятора яркости нового типа и тиристорного регулятора яркости. Модель регулятора нового типа содержит идеальный источник напряжения, двенаддатифазный выпрямитель, пятиуровневый инвертор и эквивалентную нагрузку в виде активно-индуктивной ветви.

Получены данные моделирования работы регулятора нового типа в различных режимах, которые показывают, что входные токи регулятора характеризуются низким содержанием 3, 5, 7 и 9 гармоник, представляющих наибольшие сложности при фильтрации. Полный коэффициент гармонических искажений во всех случаях находится в диапазоне 13-17%.

Система управления регулятором при моделировании подтвердила свою эффективность и обеспечила требуемую точность и быстродействие во всех исследованных режимах.

В процессе моделирования проводилось сравнение работы регулятора нового типа и тиристорного регулятора яркости. Согласно полученным результатам коэффициент мощности регулятора нового типа во всех режимах находится в диапазоне 0,96-0,98, для тиристорного регулятора значение коэффициента мощности значительно зависит от текущего состояния кабельного кольца и режима яркости и без фильтрующих устройств находится в пределах 0,2-0,7.

Разработана модель расчета потерь в ключевых элементах РЯ. На основе этой модели произведено исследование эффективности предложенных РЯ, которое показало, что, во всем диапазоне возможных нагрузок, РЯ характеризуется высокими значениями КПД в номинальных режимах достигающих значений 0,94-0,95. Физическое моделирование основных узлов РЯ подтвердило верность принятых в работе допущений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Созданы схемотехнические решения новых видов РЯ с улучшенными технико-экономическими показателями на базе 12-фазного выпрямителя и многоуровневого инвертора, который позволяет снизить гармонические искажения токов, потребляемых из питающей сети до 10-15%, и токов, передаваемых в нагрузку, до 10-20% а также обеспечить коэффициент мощности в районе 0,96-0,98 для любого режима работы, включая предаварийные режимы, характеризующиеся высокой индуктивной составляющей сопротивления КК.

2. Разработан современный принцип управления РЯ на основе ШИМ с обратной связью по току, позволяющий обеспечить высокое качество регулирования и стабилизации тока нагрузки, а также заданное качество выходного тока при воздействии помех и изменении параметров КК в широком диапазоне.

3. Исследовано влияние параметров /"-образного LC-фильтра на токи питающей сети, на их гармонические искажения и коэффициент мощности. Разработаны инженерная методика проектирования регуляторов яркости и рекомендации по подбору параметров реактивных элементов, входящих в состав РЯ, позволяющие минимизировать массо-габаритные показатели этих устройств.

4. Созданы и исследованы физические модели основных узлов регулятора яркости.

5. В программном комплексе MATLAB разработаны математические модели РЯ, его СУ и эквивалента нагрузки, соответствующего различным состояниям КК, которые позволили оценить эффективность работы РЯ в статических и динамических режимах, а также обеспечить корректировку параметров силовой части регулятора. Кроме того, на основе модели были изучены быстродействие, точность регулирования и помехоустойчивость СУ.

1. Электросветосигнальное оборудование аэродромов /Фрид Ю.В., Величко Ю.К., Козлов В.Д. и др. -М.: Транспорт, 1988.-318с..

2. Ю.Г. Басов.: Светосигнальные устройства. -М.: Транспорт. 1993.-309 с.

3. ИКАО Международные стандарты и Рекомендуемая практика. Приложение 14 к Конвенции о международной гражданской авиации. Аэродромы. Том 1. Проектирование и эксплуатация аэродромов. Издание четвертое. Июль 2004 года.

4. ИКАО Руководство по проектированию аэродромов. Часть 5. Электрические системы.

5. Авиационные правила. Часть 139. Сертификация аэродромов. Том II. Сертификационные требования к аэродромам.

6. ГОСТ 13109-97 Качество электрической энергии. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Издание официальное.

7. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке: Пер. с чешек. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

8. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии —М.: Энергоатомиздат, 1985.-224 с.

9. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабженгия промпредприятий. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 272 с.

10. Redl R., Tenti P., Van Wyk J.D. Power electronics' polluting effects // Spectrum IEEE.- 1997.-№5.-P. 32-39.

11. П.Суднова B.B. Качество электрической энергии. — M.: Энергосервис, 2000,-80с.

12. Semiconductors and New Power Supply Systems for Energy Saving in Japan. -Toshiba Corporation Semiconductors Company. 1999

13. Mohan N., Underland Т. M., Robbins W. P. Power Electronics Converters, application and design.- New York: John Wiley and Sons, 1995.- 820 p.

14. Справочник по преобразовательной технике. Под редакцией Н.М.Чиженко «Техника», 1978г., 447с. С ил.

15. Skvarenina Т. Power Electronics Handbook Boca Raton: CRC Press, 2002.664 p.

16. J.D. Irwin, ed., The Industrial Electronics Handbook, CRC/IEEE Press, 1996.

17. J. Kassakian, M. Schlecht, and G. Verghese, Principles of Power Electronics, Addison Wesley, 1992.

18. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники— М.: Энергоатомиздат, 1992.-296 с.

19. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. М.: Энергоатомиздат, 1987

20. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания.— М.: Энергоатомиздат, 1990.-420 с.

21. Источники вторичного электропитания /В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др.; Под редакцией Ю.И. Конева. — 2-е изд., перераб. И доп.- М.Ж Радио и связь, 1990. -280 е.: ил.

22. Сергиенко А.Б.: Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов.2-е изд.- СПб.: Питер, 2007. 751с.: ил.

23. Воронин П. А.: Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом Додэка-ХХ1, 2001. -384 с.

24. Бальян Р.Х. «Трансформаторы для радиоэлектроники» М., Советское радио, 1971г., 720стр.

25. Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: Учебник для ВУЗов. В 3-х томах. Том 1. Изд. 4 М.: Изд-во СПБ Питер, 2004 - 463 с.+

26. Гринберг Р.П. Разработка регулятора пассивных фильтров для систем электроснабжения; Дис.к.т.н.-М.,-2005. 154с.

27. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности. // Практическая силовая электроника. — 2002. №6. — С.8-15

28. Мустафа Г.М., Кутейникова А.Ю., Розанов Ю.К., Иванов И.В. Применение гибридных фильтров для улучшения качества электроэнергии. Электричество, 1995, №10.

29. S. Buso, L. Malesani, P. Mattavelli, and R. Veronese «Design and fully digital control of parallel active filters for thyristor rectifiers» // in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 1997, pp. 1360-1367.

30. Z.Pan, Fang Z. Peng, S. Wang "Power Factor Correction Using a Series Active Filter" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.20, No.l, January 2005, pp. 148-153

31. Akagi H., Tsukamot Y., Nabae A. "Analysis and design of an active power filter using quad-series voltage source PWM converters// IEEE/IAS 23-th Annual Meet., Pittsburgh (Pennselvania), Oct. 1988. p.867 873

32. Akagi H. "Trends in Active Power Line Conditioners" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 9, No.3, May 1994, pp. 263-268

33. Sewan Choi, Bang Sup Lee, Prasad N. Enjeti «New 24-Pulse Diode Rectifier Systems for Utility Interface of High-Power AC Motor Drives «//IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, No. 2, March/April 1997, pp.531-541

34. David J. Perreault, John G. Kassakian "Effects of Firing Angle Imbalance on 12-Pulse Rectifiers with Interphase Transformers" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 10, No.3, May 1995, pp. 257-262

35. S.B.Dewan "Optimum input and output filters for single-phase rectifier power supply" // IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-17, No.3, pp.282-288, May/June 1981

36. A.W.Kelly, W.F.Yadusky "Rectifier Design for Minimum Line-Current Harmonics and Maximum Power Factor" // IEEE transactions on Power Electronics, Vol.7, No.2, April 1992

37. R. Greul, S.D. Round, J.W.Kolar "The Delta-Rectifier: Analysis, Control and Operation // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.21, No.6, November 2006, pp. 1637-1648

38. FJ. Mendes de Seixas, Ivo Barbi "A 12kW Three-Phase Low THD Rectifier With High-Frequency Isolation and Regulated DC Output" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.19, No.2, March 2004, pp.371-377

39. YJang, M.M. Jovanovic "A Comparitive Study of Single-Switch Three Phase High-Power-Factor Rectifiers" // IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No.6, November/December 1998, pp.1327-1334

40. D.M. Saied, H.I. Zynal, Minimizing Current Distortion of a Three-Phase Bridge Rectifier Based on Line Injection Technique // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.21, No.6, November 2006, pp. 1754-1761

41. Yahya Shakweh, Eric A Lewis» Assessment Of Medium Voltage PWM VSI Topologies For Multi-Megawatt Variable Speed Drive Applications» //ALSTOM Drives & Controls Rugby, CV21 1BU. U.K

42. Ralph Teichmann, Steffen Bernet «А Comparison of Three-Level Converters Versus Two-Level Converters for Low-Voltage Drives, Traction, and Utility Applications» // IEEE Transactions On Industry Applications, VOL. 41, NO. 3, 2005, p.855-865

43. Gerardo Ceglia, Victor Guzman, Carlos Sanchez, Fernando Ibanez, Julio Walter, Maria I. Gimenez «А New Simplified Multilevel Inverter Topology for DC-AC Conversion» // IEEE Transactions On Power Electronics, Vol.21, No.5, September 2006.

44. Hirofumi Akagi, Takeshi Sawae, Akira Nabae "130kHz 7.5kW Current Source Inverters Using Static Induction Transistors . for Induction Heating Applications" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 3, No. 3, July 1988, pp. 303-309

45. A. Chen, Lei Hu, L. Cheng, X. He "A Multilevel Converter Topology With Fault-Tolerant Ability" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.20, No.2, March 2005, pp.405-415

46. Gui-Jia Su "Multilevel DC-Link Inverter" // IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No.3, May/June 2005, pp.848-854

47. T. Kawabata, N. Sashida, Y. Yamamoto, K. Ogasawara, Y. Yamasaki "Parallel Processing Inverter System" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.6, No.3, July 1991, pp.442-450

48. А.М. Trzynadlowski, N. Patriciu, F. Blaabjerg, J.K. Pedersen "A Hybrid, Current-Source/Voltage-Source Power Inverter Circuit" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.16, No.6, November 2001, pp.866-871

49. K.Ogata, Modern Control Engineering, 3rd ed., Prentice-Hall International, 1997.

50. W.S. Levine, ed., The Control Handbook, CRC/IEEE Press, 1996.

51. Теория автоматического управления. Под ред. А.В. Нетушила. Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. И перераб. М.: Высшая школа, 1976. - 400 с.

52. Мустафа Г.М., Ковалев Ф.И., Сравнительный анализ трех способов управления импульсными следящими инверторами // Электричество.-1989. №2. - с.29-37.

53. Marian P. Kazmierkowski, Luigi Malesani «Guest Editorial Special Section on PWM Converter Current Control» // IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.45, No.5, June 1998.

54. Simone Buso, Luigi Malesani, Paolo Mattavelli «Comparison of Current Control Techniques for Active Filter Applications» // IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 45, No. 5, October 1998

55. D. G. Holmes and D. A. Martin «Implementation of direct digital predictive current controller for single and three phase voltage source inverters» // in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, 1996, pp. 906-913.

56. A.Kawamura, R. G. Hoft «Instantaneous feedback controlled PWM inverters with adaptive hysteresis» // IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-20, pp. 769-775, July/Aug. 1984.

57. C.Chiarelli, L. Malesani, S. Pirondini, P. Tomasin «Singlephase, three-level, constant frequency current hysteresis control for UPS applications» // in Proc. European Conf. Power Electronics and Applications, Brighton, U.K., Sept. 1993, pp. 180-185.

58. L. Malesani, P. Tenti «А novel hysteresis control method for current controlled VSI PWM inverters with constant modulation frequency» // IEEE Transactions On Industrial Applications., vol. 26, pp. 88-92, Jan./Feb. 1990.

59. D.Casini, M. Marchesoni, L.Puglisi "Sliding Mode Multilevel Control for Improved Performances in Power Conditioning Systems" // IEEE Transactions on Power Electronics. Vol.10, No.4, July 1995

60. L.Malesani, P.Mattavelli, P.Tomasin "High-Performance Hysteresis Modulation Technique for Active Filters" // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.12, No.5, September 1997

61. S. Fukuda, R. Imamura, "Application of a sinusoidal internal model to current control of three-phase utility-interface converters", IEEE Trans, on Industrial Electronics, vol.52, no.2, pp. 420-426, April 2005.

62. K.Zhou, D.Wang, K.S. Low "Periodic errors elimination in CVCF PWM DC/AC converter systems: Repetitive control approach" // IEE Proc.=Control Theory Appl., Vol.147, No.6, November 2000, pp.694-700

63. LUCEBIT Светосигнальное оборудование Руководство по эксплуатации РЯ CCR.

64. Transcon Регулятор TCR.2.04-30 Установка обслуживание - сервис

65. ADB Constant Current Regulators controlled by Thyristors Type TCR 5000 4-7,5-10-15-20-25-30-25kW Instruction Manual74.6SF50 Thyristor Controlled Constant Current Regulator 40A, Commissioning and Maintenance Manual/ Siemens

66. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник СПб: Питер, 2001.— 480 с.

67. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник.- СПб: Питер, 2002.— 448 с.

68. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab-М.: Корона Принт, 2001 320 с.

69. Герман-Галкин С.Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб.: Корона принт, 2001. - 320с.

70. Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А., Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. СПб.: Корона принт, 2003. - 256 е., ил.

71. РГерман-Галкин С.Г., Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. СПб.: Учитель и ученик, Корона принт, 2002. - 304 е., ил.

72. Дьяконов В .П. Matlab 6/6.1/6.5 Simulink 4.5 в математике и моделированиию. М.: 2003.-214 с.

73. Т.А. Meynard, М. Fadel, N. Aouda «Modeling of Multilevel Converters» // IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.44, No.3, June 1997.

74. Выготский M. Я. Справочник по высшей математике.- M.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.— 620 с.

75. Справочник по высшей математике /А.А. Гусак, Г. М. Гусак, Е.А. Бричикова. -7-е изд. -Мн. : ТетраСистемс, 2006.-640с.85. www.semikron.com

76. F.Z. Peng "A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing" // IEEE Transactions On Industry Applications, Vol.37, No.2, March/April 2001

77. J. Rodriguez, J. Lai, F. Z. Peng "Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications" // IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.49, No.4, August 2002.88.http://elmech.mpei.ac.ru89. www.Infineon.com90. www.mitsubishi.com

78. Ситников В.Ф., Рябчицкий M.B., Смирнов М.И. Выбор силовыхполупроводниковых ключей для преобразователей в электроэнергетике //

79. Электротехника. 2007. -№4. - С.35-40

80. Скороход Ю.Ю. Сравнительный анализ потерь мощности в высоковольтных статических преобразователях / Электронный научный журнал «Исследовано в России» http://zhurnal.ape.relarn.rii/articles/2007/l 32.pdf. с.1451-1460

81. Волин M.JI. Паразитные связи и наводки / Издание второе исправленное и дополненное, М.: Издательство «Советское Радио», 1965, 232с.

82. Tim Williams EMC for Product Designers Third Edition / Newness 2003,