автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Комплексное устройство компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой

На правах рукописи

СЛЕПЧЕНКОВ Михаил Николаевич

КОМПЛЕКСНОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ С ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ

НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород -2005

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете на кафедре "Промышленная электроника".

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Кириенко Владимир Петрович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Белов Геннадий Александрович - кандидат технических наук, доцент Блинов Илья Витальевич

Ведущая организация - ФГУП «Опытное конструкторское бюро

машиностроения им. И.И. Африкантова» (Нижний Новгород)

Защита состоится 9 декабря 2005 г. в 14 часов, в аудитории № 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в Нижегородском государственном техническом университете (603600, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан "_" ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.В.Соколов

А&бо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие многих современных отраслей производства немыслимо без применения устройств силовой преобразовательной техники. Особенно велика её роль в таких отраслях промышленности, где возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. В ряде случаев мощность выпрямительных установок достигает сотен и тысяч киловатт.

Для преобразования трёхфазного напряжения в регулируемое постоянное широко используются управляемые вентильные преобразовательные установки, построенные по мостовым схемам с числом фаз выпрямления от 6 до 24. Основным недостатком управляемых тиристорных преобразователей является снижение коэффициента мощности системы, особенно при глубоком регулировании, обусловленное фазовым сдвигом тока относительно напряжения питающей сети и, следовательно, значительным потреблением реактивной мощности.

Другой недостаток управляемых выпрямителей проявляется при рассмотрении вопроса их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Вентильные преобразователи в значительной степени искажают синусоидальную форму тока по фазам питающей сети, генерируя гармонические составляющие высшего порядка, что помимо снижения коэффициента мощности, отрицательно сказывается на оборудовании, потребляющим энергию от той же сети, и ведёт к необходимости применения фильтрующих устройств. Это, в свою очередь, приводит к дополнительным затратам и к возможности возникновения нежелательных резонансных явлений при использовании пассивных фильтров.

Таким образом, одной из главных задач силовой преобразовательной техники является повышение коэффициента мощности управляемых выпрямительных установок. При глубоком регулировании выходного напряжения для обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью следует проводить меры по компенсации реактивной мощности и мощности искажения путём использования устройств компенсации реактивной мощности и активных фильтрующих устройств, обеспечивающих синусоидальность напряжения и тока в сети согласно требованиям ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». При этом эффективность таких компенсирующих и фильтрующих устройств должна выражаться не только минимальной величиной потерь активной мощности в этих устройствах и наиболее близким к единичному значению коэффициентом мощности, но также и соответствием напряжения и тока сети нормам вышеуказанного ГОСТа.

Целью диссертационной работы является разработка комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения В системах питания с управляемыми выпрямительными установками, выполненного на базе новых технических решений и осуществляющего раздельную и одновременную коррекцию обоих составляющих коэффициента мощности таких "*"""*""'' а сдвига и

коэффициента искажения).

Для достижения поставленной цели автор решает следующие задачи:

- анализ способов и устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемыми выпрямительными установками;

- разработка новых принципов построения устройств компенсации реактивной мощности на основе использования трансформаторно-тиристорных модулей (ТТМ);

- разработка математической и компьютерной моделей трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства (ТТКУ);

- разработка математической и компьютерной моделей силового параллельного активного фильтра (СПАФ);

- создание и испытание макетов ТТКУ и СПАФ, анализ результатов испытаний макетов и сравнительный анализ экспериментальных данных с данными компьютерного моделирования.

Методы исследования. При выводе обобщённых аналитических зависимостей токов ТТКУ использованы основные положения теории линейных электрических цепей. Для построения математической модели ТТКУ применён метод структурного моделирования. При определении опорных компенсирующих токов СПАФ использованы положения теории мгновенных значений токов в синхронной системе (Ц-координат. При разработке системы управления СПАФ применён метод несвязного регулирования. Для построения дискретном математической модели СПАФ использованы алгоритмы быстрого и медленного вычисления с прогнозированием.

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен принцип комплексного подхода к решению задачи эффективной коррекции коэффициента мощности управляемых выпрямительных установок в широком диапазоне регулирования мощности на выходе, позволяющий использовать для компенсации реактивной мощности, без риска возникновений резонансных явлений, трансформаторно-тиристорное устройство, содержащее в своём составе емкостные накопители энергии и негенерирующее в питающую сеть дополнительные гармоники напряжения и тока.

2. Разработаны математические и компьютерные модели:

а) ТТКУ, содержащие взаимосвязанные структурные схемы магнитной и электрической цепей и позволяющие рассчитывать и оптимизировать параметры элементов, а также проводить полный анализ функционирования устройства в статических и динамических режимах работы;

б) СПАФ, учитывающие параметры системы электропитания и позволяющие рассчитывать и оптимизировать параметры элементов его силовой части и системы управления с целью минимизации потерь активной мощности, а также проводин полный анализ функционирования фильтра в статических и динамических режимах работы.

3. Использована стратегия несвязного регулирования для преобразования нелинейных токовых контуров системы управления СПАФ, в результате применения которой данные контура становятся линейными и их параметры рассчитываются в соответствии с классической теорией автоматического управления.

4. Разработана дискретная математическая модель СПАФ с алгоритмами быстрого и медленного вычисления с прогнозированием, адаптивная к системам управления, реализующим ШИМ, и построенным на базе быстродействующих цифровых сигнальных процессоров.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработано комплексное устройство для обеспечения электромагнитной совместимости управляемых выпрямительных установок с питающей сетью, применение которого позволяет значительно повысить коэффициент мощности таких установок. Новизна устройства подтверждена патентом России [12].

2. Разработаны программы для ЭВМ, позволяющие проводить моделирование и поиск оптимальных значений параметров силовых схем ТТКУ и СПАФ, определение оптимальных для компенсации реактивной мощности стационарных режимов работы ТТКУ и параметров системы управления СПАФ, что, в свою очередь, уменьшает затраты ресурсов на изготовление и снижает потери электроэнергии в процессе эксплуатации таких устройств.' Получены два свидетельства об официальной регистрации программ для ^ВМ [10,11].

3. Создан опытный образец трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства в ЗАО "СтромизМеритель" (Нижний Новгород).

4. Разработана замкнутая микропроцессорная система управления силового параллельного активного фильтра, реализованная на базе быстродействующего ОвР-контроллера. Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы

при создании опытного образца трансформаторно-тиристорного компенсирующею устройства в ЗАО "Стромизмеритель", а также при создании лабораторных рабочих мест для студентов НГТУ по специальности «Промышленная электроника» при проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Энергетическая электроника» и «Математическое моделирование преобразовательных устройств».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII сессии молодых ученых (Нижний Новгород, 2002), XXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2002), научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород, 2003), IX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, получен 1 патент и 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяги глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и трёх приложений. Основная часть диссертации изложена на 209 страницах и содержит 136 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, показана новизна работы, дана её общая характеристика.

В первой главе рассмотрены управляемые выпрямительные установки средней и большой мощности, применяемые в электроприводе постоянного тока, преобразователях частоты электропривода переменного тока, системах питания технологических лазеров, установках для электролиза цветных металлов, производства озона и др. Проведён критический анализ устройств и способов компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой, выявлены их недостатки.

Простейшие компенсаторы реактивной мощности, такие как нерегулируемые батареи конденсаторов (БК), регулируемые релейные или статические тиристорные компенсаторы (СТК) имеют ряд существенных недостатков. Для потребителей с изменяющейся потребностью в реактивной мощности, постоянно включенные БК неприемлемы, т. к. при этом возникают режимы недокомпенсации или перекомпенсации. Релейные компенсаторы при возможности ступенчатого регулирования величины компенсируемой реактивной мощности обладают низким быстродействием, высоким уровнем помех вследствие бросков тока в момент коммутации, что приводит к износу конденсаторов и др. СТК лишены большинства недостатков, присущих релейным компенсаторам. При дискретном регулировании тиристоры работают в режиме выключателей. При непрерывном регулировании, которое на практике применяется только для реакторов, изменения мощности достигаются изменением угла включения тиристоров. Достоинство способа - в достаточно высокой точности регулирования, благоприятном режиме работы тиристоров в цепи с реакторами, более высоком быстродействии. Недостатки связаны с наличием высших гармоник, что требует установки дополнительных фильтров, и возможностью только потреблять реактивную мощность.

Все емкостные компенсаторы реактивной мощности критичны к гармоническим искажениям тока. Перегрузка конденсаторов' высшими гармониками может быть исключена, если они включены последовательно с выпрямительной установкой (компенсационные выпрямители). Впервые на возможность осуществления компенсационного режима работы выпрямителей указал Г. И. Бабат, а практическое применение этот способ получил благодаря работам И. Л. Каганова, И. М. Чиженко, А. С. Немировского и других учёных. К их основным недостаткам, помимо зачастую невысокого значения коэффициента эффективности использования конденсаторов и существенных потерь в реакторах, можно отнести и ограниченное значение критического угла регулирования, при превышении которого резко снижается величина генерируемой выпрямителем реактивной мощности и нарушается устойчивость работы самой схемы

выпрямления.

Вопросу улучшения гармонического состава тока, потребляемого выпрямительными установками, должно уделяться самое серьёзное внимание. Связано это с весьма вредным влиянием, которое оказывают высшие гармонические тока на работу электрооборудования и питающей сети. Широко распространённым способом компенсации мощности искажения является применение пассивных фильтрующих устройств. Пассивные настроенные фильтры могут вызвать резонансные явления в системе, которые, в свою очередь, могут привести к дополнительным искажениям синусоидальности тока и напряжения. Наличие большого количества пассивных элементов увеличивает потери в фильтре и в системе электропитания в целом. С увеличением количества компенсируемых гармоник растут массогабаритные показатели и затраты на изготовление фильтра.

Одним из перспективных решений повышения коэффициента мощности при преобразовании переменного тока в постоянный является использование вместо тиристорного выпрямителя с фазовым управлением - активного, выполненного на полностью управляемых силовых переключающих элементах. Вопросам исследования и разработки активных выпрямителей напряжения и тока уделяется значительное внимание в нашей стране (Г.С. Зиновьев, Р.Т. Шрсйнер, А. А. Ефимов, А.И. Калыгин и др.) и за рубежом (.Н. Ака£1, А. ЫаЬае, М. 1йп<1§геп, Л-. БиаЛе и др.). Замена активными выпрямителями функционирующих выпрямительных установок с невыработанным ресурсом зачастую является экономически нецелесообразной.

Автором предлагается использование в этих случаях нового эффективного комплексного устройства, состоящего из двух автономных устройств: ТТКУ, предназначенного для компенсации реактивной мощности, и СПАФ, компенсирующего мощность искажения (рис. 1).

Принцип компенсации реактивной мощности с помощью ТТКУ основан на изменении амплитуды и фазы напряжения на батарее конденсаторов каждой фазы путём изменения напряжения на вторичной обмотке вспомогательного трансформатора (ВТ), которое, в свою очередь, определяется тем, какое напряжение через определённые тиристорные ключи (ТК) прикладывается к его первичной обмотке. Изменение напряжения на БК как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения относительно некоторого значения, определяемого режимом работы ТТКУ с условным названием «Закоротка», приводит к изменению значения генерируемой ТТКУ в сеть реактивной мощности.

Основной принцип СПАФ, выполняющего в данном комплексном устройстве роль компенсатора мощности искажения, заключается в генерировании им в питающую сеть тока, в гармоническом составе которого отсутствует основная составляющая (с частотой напряжения питающей сети), а все высшие гармоники этого тока равны по амплитуде, но противоположны по фазе высшим гармоническим тока выпрямительной нагрузки, вследствие чего форма сетевого тока стремится к синусоидальной.

А В С

ш

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию и разработке трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства. В главе подробно рассмотрены принципы функционирования устройства, получены обобщённые аналитические зависимости для токов ТТКУ в стационарных режимах его работы, предложена методика расчёта параметров вспомогательного трансформатора и емкости конденсаторных батарей, разработан принцип построения системы управления, а также методом структурного моделирования составлена математическая модель ТТКУ.

При исследовании и разработке ТТКУ полагается, что СПАФ, в соответствии со своим функциональным назначением, компенсирует большинство высших гармонических составляющих тока нагрузки. Таким образом, система фазовых токов нагрузки рассматривается как симметричная и сбалансированная трёхфазная система синусоидальных токов, сдвинутых по фазе относительно фазных напряжений питающей сети на угол ф и являющихся суммой токов выпрямительной нагрузки и токов, 1енерируемых СПАФ. Трёхфазная система напряжений питающей сети также рассматривается как симметричная и сбалансированная.

Для получения аналитических зависимостей токов ТТКУ используется обобщённая схема замещения электрической цепи ТТКУ, справедливая для всех стационарных как полнофазных, так и неполнофазных режимов работы с учётом сопротивления фаз питающей сети и сетевого трансформатора (рис. 2).

Рис. 2 Обобщённая схема замещения ТТКУв стационарных режимах работы На рисунке приняты следующие обозначения: У а, ЦЬ, Цс - источники ЭДС, представляющие симметричную и сбалансированную систему синусоидальных питающих напряжений; (ЗаЦа, ДЬЦЬ, £сЦс - источники ЭДС, моделирующие фазовые напряжения вторичной обмотки ВТ; ¿а, {5с - комплексные коэффициенты, учитывающие коэффициент трансформации и фазовый угол напряжения на вторичной обмотке ВТ в заданном режиме работы устройства; 1ва, 1вЬ, 1вс - источники тока, моделирующие размагничивающие токи по фазам первичной обмотки ВТ; Гна, ГнЬ, Гнс - источники тока, моделирующие трёхфазную симметричную сбалансированную систему синусоидальных токов нагрузки (сдвинутых относительно фазового напряжения питающей сети на угол <р); Хек - сопротивление КБ одной фазы ТТКУ; 7л - комплексное сопротивление, являющееся суммой комплексных сопротивлений фазы линии электропередачи и активно-индуктивного сопротивления фазы СТ, приведённого ко вторичной обмотке. Аналитические выражения для токов ТТКУ в фазе А имеют вид:

ни +<1- +2Д2+Л,)) _

Суьс + +(1 - -I

3

2*

, - а/.

а = з ¿с. + бгсгСк + гсгСк( гл{ + 2 л, + лг + л,)+ + £'(3 + 2(Л4 +л,) + л2 +л} +л,л4 -Л2Л3).

Комплексные е^ь. ¿ьс и скалярные Я/, Л?, Х3, Л4, к/, к>, к3, к4 коэффициенты, используемые в (1), вычисляются по предложенной автором методике, изложенной в диссертационной работе. Для полнофазных режимов работы ТТКУ определение этих коэффициентов возможно непосредственно по векторной диаграмме напряжений. В неполнофазных режимах необходимо сначала определить магнитные потоки в стержнях магнитопровода вспомогательного трансформатора, а затем перейти, с учётом коэффициента трансформации, от магнитных потоков к напряжениям на его вторичных обмотках. Получены значения комплексных и скалярных коэффициентов для всех возможных 12 полнофазных и 139 неполнофазных режимов работы ТТКУ.

При составлении математической модели ТТКУ в качестве математического аппарата использован метод структурного моделирования.

С учётом ряда общепринятых допущений составлены магнитная схема замещения вспомогательного трансформатора и электрическая схема замещения ТТКУ (рис. 3). На рис.4 представлена структурная схема электрической цепи фазы А вспомогательного трансформатора, составленная по системе уравнений (2), записанных в операторной форме по законам Кирхгофа:

= и„{р)~ рЬ.Л.Ар)-рь.,.,1„{р)-р*.,<г>.{р)-*.,/.,(/>);

= Р^.^/.ДР)- рн-.,Ф.(р) - *.,/.,(р); (2)

- и.,(Р) = и^ + /»¿„„/„(/О + Р1.,.,1.АР)+ Р">.,Ф.(Р) + *.,1.ЛР)-

В главе также рассмотрены основные принципы построения алгоритма системы управления ТТКУ. Критерием выбора оптимального режима для компенсации реактивной мощности с помощью ТТКУ в разрабатываемой системе управления является минимальное значение отклонения по реактивной мощности.

Рис. 3 Схема замещения электрической цепи ТТКУ

Рис. 4 Структурная схема электрической цепи одной фазы вспомогательного трансформатора ТТКУ

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке и исследованию силового параллельного активного фильтра. Составлены математические модели для СПАФ с емкостным и индуктивным накопителем энергии.

При рассмотрении вопроса об эффективности использования емкостного или индуктивного накопителя в цепи постоянного тока СПАФ выяснено, что СПАФ с емкостным накопителем имеет меньшие потери как В пассивных, Гак' и активных элементах, меньшие значения коммутационных токов транзисторов, а также более простую' конфигурацию согласующего фильтра. Это в совокупности и предопределило его выбор в качестве устройства компенсации мощности искажения в составе разрабатываемого комплексного компенсирующего устройства. Однако, учитывая возрастающий интерес к сверхпроводящим индуктивностям, в главе также приводятся математическая модель силовой части и принципы построения системы управления СПАФ с индуктивным накопителем энергии.

Функциональная схема подключения СПАФ с емкостным накопителем к выпрямительной нагрузке представлена на рис. 5. СПАФ состоит из силового преобразователя на ЮВТ-транзисторах УТ с обратными диодами УО, конденсатора С в цепи постоянного тока и согласующего Л/-/фильтра. На рисунке приняты обозначения: ит, и/,,, и„ и исф иЬ[, ис/~ фазные напряжения питающей сети и выходные напряжения силового преобразователя, ¡а/, ¡ь/. 'с/ и и<ус - выходные токи СПАФ и напряжение на конденсаторе, соответственно.

• .... 41'> • .ч" . - - . >

Драйверы ЮВТ

Г

и*

На

Рис. 5 Функциональная схема подключения СПАФ

Математическая модель СПАФ с емкостным накопителем в синхронной системе сЦ-координат выглядит следующим образом: Л

Ь,—»V = и„ - Я,!« + -

>(3)

«4, = Л«*?

где/, и - функции переключения.

В процессе разработки системы управления СПАФ решена проблема развязки контуров регулирования в <к]- координатах и составлена ей развёрнутая структурная схема.

Для реализации системы управления СПАФ на ОвР-контроллере, имеющим определённую собственную тактовую частоту обработки сигналов, составлена дискретная математическая модель СПАФ в синхронной системе <Ц-координат с реализацией алгоритмов быстрого и медленного вычисления. К классической ШИМ с треугольным

несущим сигналом наиболее приспособлен алгоритм медленного вычисления. Это объясняется тем, что период дискретизации опорного сигнала составляет Тс * 100+500 мкс, а для аналого-цифрового преобразования сигналов обратной связи по току и напряжению, определения опорных токов и вычисления опорных напряжений современным ОЯР-контроллерам требуется несколько десятков микросекунд, что составляет уже значительную часть от Тс.

Система управления, реализованная по алгоритму медленного вычисления, соответствует системе второго порядка с задержкой в один интервал дискретизации между вычислением опорного значения напряжения на выходе преобразователя и фактическим использованием этого значения при формировании управляющих сигналов. Самым простым способом решения данной проблемы является использование предсказаний измеряемых значений токов фильтра вместо фактических измеряемых значений. Предсказание тока в момент дискретизации {к} основывается на измеренном его значении в ¡к-1} момент, экстраполированном с помощью известного значения напряжения на выходе инвертора в течение интервала [к-1, к], т.е. и/{к-1), а также предварительно рассчитанных значений падения напряжения на активном сопротивлении фильтра и напряжения питающей сети. Уравнения системы (4) представляют собой систему векторного управления СПАФ с реализацией алгоритма медленного вычисления с прогнозированием:

Значения индуктивности согласующего ЯЬ-фильтра и емкости конденсатора в цепи постоянного тока СПАФ влияют на динамические характеристики фильтра, а также на качество компенсации высших гармонических тока в установившихся режимах его работы. В главе представлена методика определения минимального значения индуктивности ИЬ-фильтра (¿д//л>)> обеспечивающей заданный максимальный диапазон отклонения фактического тока фильтра от его опорного значения, а также минимального значения

ёмкости конденсатора, обеспечивающего заданный максимальный диапазон отклонения фактического напряжения на конденсаторе от его среднего опорного напряжения. Оптимальные величины ¿у и С как с точки зрения наилучшего значения коэффициента гармонических искажений скомпенсированного тока питающей сети, так и качества переходного процесса уточняются по результатам моделирования СПАФ с емкостным накопителем в четвёртой главе настоящей диссертации.

В четвертой главе диссертационной работы разрабатываются компьютерные модели ТТКУ и СПАФ, а также анализируются полученные при их моделировании результаты. В качестве конкретного технологического объекта, содержащего выпрямительную нагрузку, рассматривается система питания озоногенератора, загрузка по мощности которого регулируется углом управления мостового выпрямителя.

В программном комплексе МаЙаЬ+БтиНпк на основе структурных схем, полученных в результате составления математических моделей ТТКУ и СПАФ, разработаны модели указанных устройств. Моделирование работы ТТКУ проводилось в нолном диапазоне загрузки озоногенератора по мощности (Ь) от 10 % до 100% с шагом в 5%. На рис.6 представлены результаты моделирования стационарных режимов работы ТТКУ, а именно: а) зависимости реактивной мощности от загрузки озоногенератора: 1 - потребляемой без компенсатора, 2 - потребляемой с ТТКУ и 3 - скомпенсированной с помощью ТТКУ; б) зависимости коэффициента мощности Км от загрузки озоногенератора: I - без компенсатора, 2-е ТТКУ и 3 - со статическим компенсатором реактивной мощности.

Анализ показывает, что часть реакшвной мощности, потребляемой системой питания озоногенератора, остаётся нескомпенсированной и при этом её наибольшая величина составляет всего 5 % от максимального значения. В диапазоне изменения Ь от 10% до 50% среднее значение отклонения Км с ТТКУ от Км без компенсатора АКм'/ составляет 0.78, а в области I от 50 % до 100 % - АКм 'ц = 0.38. Если рассматривать отклонение Км с ТТКУ от Км со статическим компенсатором АКм", то для вышеуказанных диапазонов АКм" = 0.23 и АКм "и = 0.08.

Моделирование установившихся и переходных режимов работы СПАФ также проводилось при различных значениях загрузки озоногенератора по мощности. На рис. 7 представлены некоторые результаты для установившихся режимов работы СПАФ, а именно зависимости от загрузки озоногенератора коэффициента гармонических искажений Кт фазового тока нагрузки Д и скомпенсированного тока питающей сети при различных частотах коммутации СПАФ (/5н) для индуктивности согласующего фильтра Ь/= 0.3 мГн (рис. 7,а), а также тока 15 при различных значениях индуктивности ¿у для /¡¡у = 12.8 кГц (рис. 7,6).

С увеличением /$г при неизменном значении происходит повышение К^, причём, чем меньше Ц, тем существеннее различие в Кги на разных частотах, особенно в области малых значений Ь, т.е. при- глубоком регулировании управляемого выпрямителя. С уменьшением £/ относительно значения Lf = 0 56 Гн. рассчитанного по предложенной автором в третьей главе методике, при неизменном значении имеет место увеличение

К,и, причём наиболее существенно различие в проявляется в области средних значений Ь. Однако, при £/ < 0.3 мГн наблюдается тенденция к снижению Кп из-за увеличения степени рассогласования между фактическим и опорным токами СПАФ. Таким образом, в качестве оптимального значения в результате моделирования выбрано Ь/= 0.3 мГн. 2 10»

13 10*

I 10»

3 104

°10 23 Ж « » М И Ю И 100

1,н а)

<5, »4 - 1

3

2 \___ --ч

Ки

-/ — —— -------

\ \И1 3 -----

-----

°10 » » « » Я » Ю » 100

Рис б Результаты моделирования стационарных режимов работы ТТКУ

повившихся режимов работы СПАФ б)

В пяюй гЛяве диссертации приводится описание макетов ТТКУ и СПЛФ, а шкже результаты их испытаний.

Н ЗЛО «Стромизмеритель» (Пижмий Новгород) был изготовлен и испытан максг ТГКУ, фотофафия которого иредегавлена на рис. 8. Испытания проводились во всех возможных нолнофазных и нсмолнофазных режимах работы В 1абл. I приведены некоторые результаты испытаний в полнофазных стационарных режимах В сюлбце «Расчётные значения» указаны значения выходных линейных напряжений [ТКУ, полученные в результате работы программы, описанной в четвёртой главе диссертации.

Таблица I Результаты испытаний ТТКУ в полнофазных стационарных режимах

№ рсж. № включенных ТК Измеренные входные напряжения, В Выходные линейные напряжения

Расчётные значения, В Измеренные значения, В

-2 1,3,5, 17, 18 89 87 89 82 82 82 83 82 82

-I 8, 10, 12, 13, 14 88 89 87 85 85 85 86 86 85

0 13, 14, 17, 18 87 87 86 87 87 87 87 87 87

Макет СПАФ с емкостным накопителем, фотография которого представлена на рис. 9, изготовлен в лаборатории кафедры «Промышленная электроника» HI ТУ. Система управления макета, реализованная в программном комплексе MATLAB+Simulink с использованием приложения Real-Time Workshop для работы с внешними сигналами в реальном масштабе времени, строится на основе модели СПАФ с емкостным накопителем, описанной в четвёртой главе диссертации.

Рис 8 Фотография макета ТТКУ Рис 9 Фотография макета СПАФ

Рис. 10 Результаты испытаний макета СПАФ На рис. 10 представлены осциллограммы, снятые с помощью платы ввода-вывода РС1-1711 (АсК-атесЬ) и датчиков тока и напряжения, с использованием программного пакета ЬаЬ\^е\у 7.0. Анализ показывает, что с помощью СПАФ происходит частичная компенсация высших гармоник тока нагрузки, вследствие чего форма тока питающей сети приближена к синусоидальной. При этом следует отметить, что система управления макетом СПАФ полностью идентична системе управления, построенной на основе дискретной модели СПАФ и применённой в компьютерной модели в четвёртой главе диссертации, что позволяет сделать вывод о правильном алгоритме её построения и выборе параметров регуляторов.

В приложениях приведены базы данных по скалярным и комплексным коэффициентам в полнофазных и неполнофазных режимах работы ТТКУ, а также протокол испытаний макета ТТКУ и перечень элементов инвертора макета СПАФ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ На основании проведённых исследований получены следующие результаты:

1. 11редложены принципы построения комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемой выпрямительной нафузкой на основе использования ТТКУ и СПАФ, обеспечивающие эффективную, коррекцию коэффициента мощности в широком диапазоне регулирования напряжения на нагрузке. Новизна устройства подтверждена патентом России [12].

2. Получены аналитические зависимости для токов ТТКУ во всех возможных

Г' ' > '

стационарных режимах его работы. Предложена методика определения комплексных и скалярных коэффициентов, входящих в их состав, для 139 неполнофазных режимов.

3. Разработаны математические и компьютерные модели, учитывающие параметры реальной системы электропитания и позволяющие проводить расчёт и оптимизацию параметров элементов силовых частей и систем управления СПАФ и ТТКУ, а также полный анализ функционирования данных устройств в статических и динамических режимах работы. Получены два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ [10,11].

4. В результате моделирования ТТКУ и СПАФ в широком диапазоне регулирования выпрямителем выяснено, что:

- среднее значение коэффициента сдвига при использовании ТТКУ составляет 0.970.98 и наибольшее значение нескомпенсированной мощности не превышает 5 % от максимальной реактивной мощности, потребляемой выпрямительной нагрузкой;

- среднее значение коэффициента гармонических искажений при использовании СПАФ с частотой коммутации преобразователя 12.8 кГц составляет 0.97.

5. Обоснована эффективность использования синхронной системы (^-координат при составлении математической и компьютерной моделей СПАФ как системы координат, позволяющей существенно упростить контура регулирования и с высокой точностью определять во временной области значения опорных компенсирующих токов.

6 Разработан принцип построения системы управления ТТКУ, основанный на вычислении значений реактивной мощности в системе ар-координат и позволяющий определять оптимальный для компенсации реактивной мощности режим работы ТТКУ.

7. Предложена методика определения оптимальных значений индуктивности согласующего ЯЬ-фильтра и ёмкости конденсатора в цепи постоянного тока СПАФ с учётом максимальных диапазонов изменения тока фильтра и напряжения на конденсаторе, что позволяет уменьшить затраты на изготовление таких устройств и снизить потери электроэнергии в процессе их эксплуатации.

8 Разработана дискретная математическая модель СПАФ с реализацией алгоритмов быстрого и медленного вычисления, адаптивная к ШИМ на базе ОвР-контроллеров

9. Созданы макеты ТТКУ и СПАФ, результаты испытаний которых подтверждают правильность результатов проведённых теоретических исследований данных устройств.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Туманов И.М., Корженков М.Г., Голиков ВА., Слепченков М.Н. Бесконтактные тиристорные установки для питания индукционных печей /Материалы XVII научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики". Нижний Новгород, 1999, с. 47-49.

1. Корженков М.Г., Голиков В А, Слепченков М.Н Электроснабжение индукционных печей на основе бесконтактных тиристорных модулей /Материалы V международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Москва, 1999 г., т. 1,с. 198-201

3. Корженков М.Г., Голиков В.А., Слепченков М.Н. Микропроцессорная система управления тиристорным модулем. /Материалы V международной научно-технической

конференции студентов и аспирантов. Москва, 1999 г., т.1, с. 197-198.

4. Туманов И.М., Слепченков М.Н., Ким А.К. Способ стабилизации и регулирования напряжения на зажимах технологических элекгроприёмников постоянного тока и устройство для его осуществления /Материалы IX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Москва, 2003 г., с. 60-61.

5. Туманов И.М., Слепченков М.Н. Широкодиапазонное регулирование напряжения на озоногенераторе с использованием установки на базе трансформаторно-тиристорных модулей /Материалы IX международной научно-технической конференции студентов к аспирантов. Москва, 2003 г., т.1, с. 289-290.

6. Туманов И.М., Слепченков М.Н. Система питания электроустановок для производства озона на основе использования трансформаторно-тиристорных модулей/ Труды Академии электротехнических наук Чувашской республики. Чебоксары, 2003 г., с. 6975.

7. Слепченков М.Н., Чивенков А.И. Математическая модель трехфазного силового параллельного активного фильтра по току в (Ц-координатах/ Труды международной научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость и электромагнитная безопасность». Санкт-Петербург, 2004 г., с. 67-71.

8. Чивенков А.И., Слепченков М.Н., Ларионов К.В. Аналитическая модель для разработки контроллеров трёхфазных силовых параллельных активных фильтров по напряжению/ Труды Нижегородского государственного технического университета «Электрооборудование промышленных установок». Нижний Новгород, 2005 г., с. 67-72.

9. Кириенко В.П., Чивенков А.И., Слепченков М.Н. Математическая модель трёхфазного силового параллельного активного фильтра/ Труды Нижегородского государственного технического университета «Электрооборудование промышленных установок». Нижний Новгород, 2005 г., с. 63-67.

10. Параллельный активный фильтр высших гармонических составляющих тока по фазам питающей сети. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2004611831 РФ/ М.Н. Слепченков, К.В. Ларионов. М.:Роспатенг, Реестр программ для ЭВМ, 9 августа 2004 г.

11. Трансформаторно-тиристорный модуль с активно-индуктивной нагрузкой. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610183 РФ/ М.Н. Слепченков, Д.В. Гребенников, А.А. Кралин. М.:Роспатент, Реестр программ для ЭВМ, 18 января 2005 г.

12. Патент России №2253890, кл. 7Н02М5/12, <305Р1/253. Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током и устройство для его осуществления /Туманов ИМ., Субботин КЛО., Слепченков М.Н., Бочкарёв В.В., Купреенко ДА. //Бюллетень № 16, 2005 г.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: часть расчётов [1,2], новые схемные решения [12,6], математические модели [4,7,8,9] и алгоритмы программ [3,5,10,11].

Л06О

Подписано в печать 27.10.05. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная, Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 683.

Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ С ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ.

1.1 Области применения в промышленности трёхфазных мостовых выпрямителей средней и большой мощности.

1.1.1 Электропривод постоянного тока.

1.1.2 Преобразователи частоты в электроприводе переменного тока.

1.1.3 Системы питания технологических лазеров.

1.1.4 Установки для электролиза цветных металлов.

1.1.5 Установки для производства озона.

1.2 Коэффициент мощности выпрямителей.

1.3 Устройства и способы компенсации реактивной мощности и мощности искажения. Их недостатки.

1.4 Принципы построения разрабатываемого комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой.

1.4.1 Компенсация реактивной мощности с помощью трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства.

1.4.2 Компенсация мощности искажения с помощью силовых параллельных активных фильтров.

1.4.3 Диапазон компенсируемых мощностей разрабатываемого комплексного устройства.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОЕ

КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО.

2.1 Принцип действия ТТКУ.

2.2 Вывод обобщённых аналитических зависимостей для токов ТТКУ в стационарных режимах его работы.

2.3 Методика определения параметров элементов ТТКУ.

2.4 Система управления ТТКУ.

2.5 Математическая модель ТТКУ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. СИЛОВОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР.

3.1 Методы определения опорных компенсирующих токов устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажения.

3.1.1 Теория мгновенной мощности в стационарной системе аР-координат.

3.1.2 Теория мгновенных значений токов в синхронной системе dq-координат.

3.2 Силовой параллельный активный фильтр по току.

3.2.1 Математическая модель СПАФ по току.

3.2.2 Разработка принципов построения системы управления СПАФ по току.

3.3 Силовой параллельный активный фильтр по напряжению.

3.3.1 Математическая модель СПАФ по напряжению.

3.3.2 Разработка принципов построения системы управления СПАФ по напряжению.

3.4 Дискретная математическая модель СПАФ по напряжению.

3.5 Методика определения параметров элементов СПАФ по напряжению.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО УСТРОЙСТВА КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И МОЩНОСТИ ИСКАЖЕНИЯ.

4.1 Моделирование ТТКУ.

4.1.1 Модель ТТКУ в программном комплексе

MATLAB+SIMULINK.

4.1.2 Анализ результатов моделирования ТТКУ.

4.2 Моделирование СПАФ по напряжению.

4.2.1 Модель СПАФ по напряжению в программном комплексе MATLAB+SIMULINK.

4.2.2 Анализ результатов моделирования СПАФ по напряжению.

4.2.2.1 Анализ результатов моделирования установившихся режимов работы СПАФН.

4.2.2.2 Анализ результатов моделирования переходных режимов работы СПАФН.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА. И ТЕСТИРОВАНИЕ МАКЕТОВ ТРАНСФОРМАТОРНО-ТИРИСТОРНОГО МОДУЛЯ И СИЛОВОГО ПАРАЛЛЕЛЬНОГО АКТИВНОГО ФИЛЬТРА ПО НАПРЯЖЕНИЮ. 176 5.1 Макет трансформаторно-тиристорного модуля.

5.1.1 Описание макета ТТМ.

5.1.2 Результаты тестирования макета ТТМ.

5.2 Макет силового параллельного активного фильтра по напряжению.

5.2.1 Описание макета СПАФН.

5.2.2 Результаты тестирования макета СПАФН.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работы

Развитие многих современных отраслей производства немыслимо без применения устройств силовой преобразовательной техники. Особенно велика её роль в таких отраслях промышленности, где возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. В ряде случаев мощность выпрямительных установок достигает сотен и тысяч киловатт.

Для преобразования трёхфазного напряжения в регулируемое постоянное широко используются управляемые вентильные преобразовательные установки, построенные по мостовым схемам с числом фаз выпрямления от 6 до 24. Основным недостатком управляемых тиристорных преобразователей является снижение коэффициента мощности системы, особенно при глубоком регулировании, обусловленное фазовым сдвигом тока относительно напряжения питающей сети и, следовательно, значительным потреблением реактивной мощности.

Другой недостаток управляемых выпрямителей проявляется при рассмотрении вопроса их электромагнитной совместимости с питающей сетью. Вентильные преобразователи в значительной степени искажают синусоидальную форму тока по фазам питающей сети, генерируя гармонические составляющие высшего порядка, что помимо снижения коэффициента мощности, отрицательно сказывается на оборудовании, потребляющим энергию от той же сети, и ведёт к необходимости применения фильтрующих устройств. Это, в свою очередь, приводит к дополнительным затратам и к возможности возникновения нежелательных резонансных явлений при использовании пассивных фильтров.

Таким образом, одной из главных задач силовой преобразовательной техники является повышение коэффициента мощности управляемых выпрямительных установок. При глубоком регулировании выходного напряжения для обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью следует проводить меры по компенсации реактивной мощности и мощности искажения путём использования устройств компенсации реактивной мощности и активных фильтрующих устройств, обеспечивающих синусоидальность напряжения и тока в сети согласно требованиям ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». При этом эффективность таких компенсирующих и фильтрующих устройств должна выражаться не только минимальной величиной потерь активной мощности в этих устройствах и 5 наиболее близким к единичному значению коэффициентом мощности, но также и соответствием напряжения и тока сети нормам вышеуказанного ГОСТа.

Цель работы

Разработка комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с управляемыми выпрямительными установками, выполненного на базе новых технических решений и осуществляющего раздельную и одновременную коррекцию обоих составляющих коэффициента мощности таких установок (коэффициента сдвига и коэффициента искажения).

Для достижения поставленной цели автор решает следующие задачи:

• анализ способов и устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой;

• разработка новых принципов построения устройств компенсации реактивной мощности на основе использования трансформаторно-тиристорных модулей (ТТМ);

• разработка математической и компьютерной моделей трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства (ТТКУ);

• разработка математической и компьютерной моделей силового параллельного активного фильтра (СПАФ);

• создание и испытание макетов ТТКУ и СПАФ, анализ результатов испытаний макетов и сравнительный анализ экспериментальных данных с данными компьютерного моделирования.

Методы исследования

При выводе обобщённых аналитических зависимостей токов трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства в стационарных режимах его работы были использованы основные положения теории линейных электрических цепей. Для построения математической модели трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства использован метод структурного моделирования. При разработке принципов построения системы управления трансформаторно-тиристорным компенсирующим устройством использованы положения теории мгновенной мощности в стационарной системе оф-координат. Для определения опорных компенсирующих токов силового параллельного активного фильтра использованы положения теории мгновенных значений токов в синхронной системе dq-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети. При разработке системы управления силового параллельного активного фильтра использован метод несвязного регулирования. Для построения дискретной математической модели силового параллельного активного фильтра использованы алгоритмы быстрого и медленного вычисления с прогнозированием.

Научная новизна

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен принцип комплексного подхода к решению задачи эффективной коррекции коэффициента мощности выпрямительных установок в широком диапазоне регулирования мощности на выходе выпрямителей, позволяющий использовать для компенсации реактивной мощности, без риска возникновений резонансных явлений, трансформаторно-тиристорное устройство, содержащее в своём составе емкостные накопители энергии и негенерирующее в питающую сеть дополнительные гармоники напряжения и тока.

2. Разработаны математические и компьютерные модели: а) трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства, содержащие взаимосвязанные структурные схемы магнитной и электрической цепей и позволяющие рассчитывать оптимизировать параметры элементов, а также проводить полный анализ функционирования устройства в статических и динамических режимах работы; б) силового параллельного активного фильтра, учитывающие параметры реальной системы электропитания и позволяющие проводить расчёт и оптимизацию параметров элементов его силовой части и системы управления с целью минимизации потерь активной мощности, а также проводить полный анализ функционирования фильтра в статических и динамических режимах работы.

3. Использована стратегия несвязного регулирования для преобразования нелинейных токовых контуров системы управления СПАФ, в результате применения которой данные контура становятся линейными и их параметры рассчитываются в соответствии с классической теорий автоматического управления.

4. Разработана дискретная математическая модель СПАФ с алгоритмами быстрого и медленного вычисления с прогнозированием, адаптивная к системам управления, реализующим ШИМ, и построенным на базе быстродействующих цифровых сигнальных процессоров.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработано комплексное устройство для обеспечения электромагнитной совместимости выпрямительных установок с питающей сетью, применение которого позволяет повысить значение коэффициента мощности таких установок до предельно возможного. Новизна устройства подтверждена патентом России №2253890, кл. 7Н02М5/12, G05F1/253. Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в системах питания электроустановок постоянным током и устройство для его осуществления /Туманов И.М., Слепченков М.Н. и др. //Бюллетень № 16, 2005 г.

2. Разработаны программы для ЭВМ, позволяющие проводить моделирование и поиск оптимальных значений параметров силовых схем ТТКУ и СПАФ, определение оптимальных для компенсации реактивной мощности стационарных режимов работы ТТКУ, и параметров системы управления СПАФ, что, в свою очередь, позволяет уменьшить затраты ресурсов на изготовление и снизить потери электроэнергии в процессе эксплуатации таких устройств. Получено два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ:

• Параллельный активный фильтр высших гармонических составляющих тока по фазам питающей сети. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2004611831 РФ/ М.Н. Слепченков, К.В. Ларионов. М.:Роспатент, Реестр программ для ЭВМ, 9 августа 2004 г.

• Трансформаторно-тиристорный модуль с активно-индуктивной нагрузкой. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610183 РФ/ М.Н. Слепченков, Д.В. Гребенников, А.А. Кралин. М.:Роспатент, Реестр программ для ЭВМ, 18 января 2005 г.

3. Создан опытный образец трансформаторно-тиристорного компенсирующего устройства в ЗАО "Стромизмеритель".

4. Разработана замкнутая микропроцессорная система управления силового параллельного активного фильтра, реализованная на базе быстродействующего DSP-контроллера.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, использованы: при создании действующего макета трансформаторно-тиристорного модуля в ЗАО "Стромизмеритель" (Нижний Новгород); работа 8 выполнена по х/д №2000/1439, заключенного между НГТУ и ЗАО "Стромизмерител ь"; при создании лабораторных рабочих мест на кафедре «Промышленная электроника» НГТУ для проведения лабораторных занятий со студентами по дисциплинам «Энергетическая электроника» и «Математическое моделирование систем»

Апробация работы.

Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены на VII сессии молодых ученых (Нижний Новгород,

2002), XXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, 2002), научно-техническом форуме «Будущее технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород,

2003), IX международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2004).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 12 работ. В том числе получены: патент России на изобретение № 2253890 и два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2004611831 и № 2005610183.

ВЫВОДЫ

1. Разработан макет трансформаторно-тиристорного модуля, который может быть использован не только для исследования разрабатываемого устройства компенсации реактивной мощности, но также для разработки других устройств, построенных на основе ТТМ, предназначенных для стабилизации тока, мелкоступенчатого и широкодиапазонного регулирования напряжения, а также симметрирования нагрузки по фазам питающей сети. Макет может быть использован и для исследования динамических режимов работы вышеуказанных устройств.

2. Результаты тестирования ТТМ показали практически полное их совпадение с результатами теоретических исследований и, в частности, компьютерного моделирования, как в полнофазных, так и неполнофазных режимах работы, что позволяет говорить о достоверности разработанной автором математической и, построенной на её основе, компьютерной моделей ТТМ.

3. Разработан макет трёхфазного силового параллельного активного фильтра по напряжению (СПАФН), позволяющий проводить исследования в области компенсации высших гармоник тока по фазам питающей сети, при использовании различных типов трёхфазной нелинейной нагрузки.

4. Результаты тестирования макета СПАФН с использованием системы управления, разработанной на основе предложенных автором дискретной модели и методики определения компенсирующих токов фильтра, доказывают достоверность предложенных аналитической и компьютерной моделей, а также вышеуказанной методики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведённых исследований получены следующие результаты:

1. Предложены принципы построения комплексного устройства компенсации реактивной мощности и мощности искажения в системах питания с выпрямительной нагрузкой на основе использования ТТКУ и СПАФ, обеспечивающие эффективную коррекцию коэффициента мощности в широком диапазоне регулирования напряжения указанной нагрузки. Новизна устройства подтверждена патентом России.

2. Получены аналитические зависимости для токов ТТКУ во всех возможных стационарных режимах его работы. Предложена методика определения комплексных и скалярных коэффициентов, входящих в их состав, для 139 неполнофазных режимов.

3. Разработаны математические и компьютерные модели, учитывающие параметры реальной системы электропитания и позволяющие проводить расчёт и оптимизацию параметров элементов силовых частей и систем управления СПАФ и ТТКУ, а также полный анализ функционирования данных устройств в статических и динамических режимах работы. Получены два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

4. В результате моделирования ТТКУ и СПАФ в широком диапазоне регулирования выпрямителем выяснено, что:

• среднее значение коэффициента сдвига при использовании ТТКУ составляет 0.97—0.98 и наибольшее значение нескомпенсированной мощности не превышает 5 % от максимальной реактивной мощности, потребляемой выпрямительной нагрузкой;

• среднее значение коэффициента гармонических искажений при использовании СПАФ с частотой коммутации преобразователя 12.8 кГц составляет 0.97.

5. Обоснована эффективность использования синхронной системы dq-координат при составлении математической и компьютерной моделей СПАФ, как системы координат, позволяющей существенно упростить контура регулирования и с высокой точностью определять во временной

200 области значения опорных компенсирующих токов.

6. Разработан принцип построения системы управления ТТКУ, основанный на вычислении значений реактивной мощности в системе оф-координат, и позволяющий определять оптимальный для компенсации реактивной мощности режим работы ТТКУ.

7. Предложена методика определения оптимальных значений индуктивности согласующего RL-фильтра и ёмкости конденсатора в цепи постоянного тока СПАФ с учётом максимальных диапазонов изменения тока фильтра и напряжения на конденсаторе, что позволяет уменьшить затраты на изготовление таких устройств и снизить потери электроэнергии в процессе их эксплуатации.

8. Разработана дискретная математическая модель СПАФ с реализацией алгоритмов быстрого и медленного вычисления, адаптивная к ШИМ на базе DSP-контроллеров.

9. Созданы макеты ТТКУ и СПАФ, результаты испытаний которых подтверждают правильность результатов проведённых теоретических исследований данных устройств.

1. Алтунин Б.Ю. Макромоделирование тиристорных переключающих устройств силовых преобразовательных трансформаторов. Н.Новгород: НГТУ, 1998.108 с.

2. Алтунин Б.Ю., Блинов И.В., Кралин А.А., Панкова Н.Г. Электротехнические расчёты в системе компьютерной математики MATLAB SIMULINK: Учеб. пособие; НГТУ. Н.Новгород, 2005. 102 с.

3. Аптер Э.М., Жемеров Г.Г. Мощные управляемые выпрямители для электроприводов постоянного тока. М.: Энергия, 1975.

4. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973. 632 с.

5. Белов Г.А. Динамика импульсных преобразователей. ЧувГУ. Чебоксары, 2003.

6. Белов Г. А., Алексеев А.А., Нестеров А.В. Расчет процессов в широтно-импульсном корректоре коэффициента мощности // Электричество. 2004. №9. С. 48 — 56.

7. Блинов И.В., Махин Ю.И. Источники питания повышенной частоты для промышленных озонаторов. // Информационный листок № 11-025-03. Нижегородский ЦНТИ. 2003.

8. Блинов И.В., Ларионов Н.Б., Махин Ю.И., Имитационная математическая модель преобразовательного агрегата: Сб. трудов / УАИ. Уфа, 2003. С. 37-41.

9. Борисов Б.П., Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Шидловский А.К. Повышение эффективности использования электрэнергии в системах .- Киев: Наукова Думка, 1990.

10. Булатов О.Г., Поляков В.Д. Мощные источники питания для технологических С02 лазеров// Электротехника. 1994. № 10. С. 23-27.

11. Булатов О.Г., Иванов B.C., Поляков В.Д., Силантьев Ю.А., Царенко А.И. Рациональная структура источников питания мощных лазерных технологических установок// Электротехника. 1987. № 11. С. 24-26.

12. Вагин Г.Я., Туманов И.М. и др. Установки для регулирования и стабилизации напряжения на промышленных предприятиях. Учебное пособие. Н. Новгород, 1989.

13. ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".

14. Глинтерник С.Р. Электромагнитные процессы и режимы мощных статических преобразователей. Л.: Изд-во «Наука», 1970.

15. Глинтерник С.Р. Тиристорные преобразователи со статическими компенсирующими устройствами. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 240 с.

16. Демирчян К.С., Бутырин П.А, Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Высшая школа, 1988. 335 с.

17. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке. -М.: Энергоатомиздат, 1985, -- 112 с.

18. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб: Питер, 2002. 528 с.

19. Дьяконов В., Круглов В. Matlab. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб: Питер, 2002.448 с.

20. Жежеленко И.В. и др. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях. Киев: Техника, 1981. 160 с.

21. Жежеленко И.В. и др. Эффективные режимы работы электротехнологических установок. Киев: Наукова думка, 1987. 183 с.

22. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. М.: Энергоиздат, 1981. 198 с.

23. Зиновьев Г.С. Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажений и мощности несимметрии на базе инверторов напряжения. Современные задачи преобразовательной техники. — Киев: ИЭД, АН УССР, 1975 Часть 2, с. 247-253.

24. Иванушкин В.А., Сарапулов С.Ф., Шымчак П. Структурное моделирование электромеханических систем и их элементов. -Щецин, 2000. 310с.

25. Нейман JI.P., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Ленинград: Энергоиздат, 1975. 752 с.

26. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи, ч. III, М.-Л., Госэнергоиздат, 1956.

27. Карташев И.И., Зуев Э.Н. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Издательство МЭИ, 2001 г.

28. Кириенко В.П. Работа трёхфазного мостового преобразователя с симметричными триодными тиристорами в инверторном режиме// Электротехника. 1981. №3. С.13-15.

29. Кириенко В.П. Современные приводы манипуляторов и промышленных роботов. Учебное пособие. Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 1997. 130 с.

30. Кириенко В.П., Ваняев В.В., Шахов А.В. Широкодиапазонный стабилизатор переменного напряжения/ Труды III Международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу. Нижний Новгород: «Вектор-ТиС», 2001. С. 118-119.

31. Кириенко В.П., Чивенков А.И., Слепченков М.Н. Математическая модель трёхфазного силового параллельного активного фильтра по току/ Труды Международной научно-технической конференции «ЭМС-2004». Санкт-Петербург, 2004.

32. Кириенко В.П. Прорыв инвертора в мостовом преобразователе с симметричными тиристорами //Преобразовательная техника. 1979. №8. с.16 -18.

33. Кириенко В.П., Шевчук С.Н. Преобразователь с симметричными триодными тиристорами, включёнными по трёхфазной мостовой схеме// Электротехника. 1980. №3. С. 45 48.

34. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1973. - 832с.

35. Костюкова Т.П., Рогинская Л.Э. Электромагнитные процессы в системе тиристорный регулятор напряжения высоковольтный трансформатор — озонатор /Электротехника. 2000, №3.

36. Минцис М.Я. Автоматическое регулирование алюминиевых электролизеров. — М.: Металлургия, 1971. 88 с.

37. Никулин А.Д., Родштейн Л.С., Сальников В.Г., Бобков В.А. Тиристорная преобразовательная техника в цветной металлургии.- М.: Металлургия, 1983. 127 с.

38. Орлов И.Н. и др. Электротехнический справочник (издание 7-е, исправленное и дополненное). М.: Энергоатомиздат, 1986.

39. Орловский А.В., Чиженко И.М., Немировский А.С. Использование ртутно-выпрямительных установок для генерирования реактивной мощности// Промышленная энергетика. 1956. № 4.

40. Патент России №2113753, кл. H02J3/12, 3/18, Н02М5/257. Способ стабилизации и регулирования параметров электроэнергии в трехфазных электросетях и устройство для его осуществления /И.М.Туманов и др. //Бюллетень №17,1998.

41. Петров Г.Н. Электрические машины. М.: Энергия, 1974. 240 с.

42. Платонов А.А., Апальков И.Ю. Бесконтактные установки для повышения качества электроэнергии /Нижний Новгород: актуальные проблемы электроэнергетики. 1993. С. 24-25.

43. Размадзе Ш.М. Преобразовательные схемы и системы. М.: МЭИ, 1967. 527 с.

44. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление.— М.: Наука, 1978.

45. Справочник по преобразовательной технике. /Чиженко И.М., Андриенко П.Д., Баран И.А. и др. Киев: Техника, 1978. - 448 с.

46. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. /Авринский Р.Б., Вершинина С.В., Гамазин С.И. и др. М.: Энергия, кн.1, 1973. -519 с.

47. Суднова В.В. Качество электрической энергии. М.: Энергосервис, 2000 г.

48. Супрунович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 136 с.

49. Туманов И.М., Алтунин Б.Ю. Тиристорные и тиристорно-контактные установки для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии. Нижний Новгород: НГТУ, 1993. 223 е.

50. Туманов И.М., Бычков Е.В. Расчет преобразовательных устройств на ПЭВМ в стационарных и переходных режимах работы с использованием матрично-топологических методов. Нижний Новгород: НГТУ, 1993. 111 с.

51. Туманов И.М., Голиков В.А., Корженков М.Г., Слепченков М.Н. Тиристорные модули силовой электроники для питания печей индукционного нагрева /Нижний Новгород: электрооборудование промышленных установок. 1998. С. 70-79.

52. Туманов И.М., Евстигеева Т.А. Тиристорные установки для повышения качества электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1994. 236 с.

53. Туманов И.М., Федоров О.В., Лазарев А.А. Опыт промышленной эксплуатации бесконтактных и тиристорно-контактных установок для повышения качества электроэнергии. М.: Высшая школа, 1979. 57 с.

54. Фишлер А.Я., Урманов Р.Н. Преобразовательные трансформаторы. М.: Энергия, 1974. 224 с.

55. Фишлер Я.Л., Урманов Р.А, Песиряева Л.М. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок. М.:Энергоатомиздат, 1988, 320 стр.

56. Флоренцев С.Н. Современные и перспективные приборы силовой электроники. Труды IV Международной конференции по автоматизированному электроприводу. Часть I. Магнитогорск, 2004, с.38 - 51.

57. Хамудханов М.З., Палванов В.Г. Компенсационные выпрямители. Изд-во «Фан» УзССР, 1973. 192 с.

58. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985. 400 с.

59. Чивенков А.И., Слепченков М.Н., Ларионов К.В. Аналитическая модель для разработки контроллеров трёхфазных силовых параллельных активных фильтров по напряжению/ Нижний Новгород: электрооборудование промышленных установок. 2005. С. 67-72.

60. Чиженко И.М., Бойко B.C. Исследование двухмостового полупроводникового компенсационного выпрямителя, Вестник Киевского политехнического института, серия электроэнергетики, 1970, №7.

61. Чиженко И.М. Исследование компенсационных преобразователей, Автореф. докт. дисс., Киев, 1963.

62. Чуа Л.О., Мин Л.П. Машинный анализ электронных схем: алгоритмы и вычислительные методы. Пер. с англ. М.: Энергия, 1980. 640 с.

63. Шидловский А.К., Кузнецов Б.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. Киев.: Наукова думка, 1985.

64. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А. Активный фильтр как элемент энергосберегающих систем электропривода// Электричество. 2000. №3. С. 46-54

65. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А., Калыгин А.И. Математическое описание и алгоритмы ШИМ активных выпрямителей тока// Электротехника. 2000. №10. С. 42-48.

66. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А., Зиновьев Г.С. Прогнозирующее релейно-векторное управление активным выпрямителем напряжения// Электротехника. 2001. №12. С. 47-52.

67. А. М. Vilathgamuwa, S. R. Wall, R. D. Jackson, Variable structure control of voltage sourced reversible rectifiers, IEE Proc-Electr. Power Appl., vol. 143. no.l, pp. 18-24, January 1996.

68. A. Sikorski, An AC/DC converter with current vector modulator, Electrical Power Quality and Utilisation, vol. 6, no. 1, pp. 29-40, July 2000, (in Polish)

69. B. Andersen, T. Holmgaard, J. G. Nielsen, F. Blaabjerg, Active three-phase rectifier with only one current sensor in the dc-link, in proc. PEDS Conf., pp. 69-74, 1999.

70. В. Н. Kwon, J. Н. Youm, J. W. Lim, A line-voltage-sensorless synchronous rectifier, IEEE Trans, on Power Electronics, vol. 14, no. 5, pp. 966-972, September 1999.

71. В. T. Ooi, J. C. Salmon, J. W. Dixon, A. B. Kulkarni, A 3-phase controlled current PWM converter with leading power factor, in proc. IEEE-IAS Conf., pp. 1008-1014, 1985.

72. C.K.Duffey, Ray P. Stratford, "Update of Harmonic Standard IEEE-519: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems", IEEE Trans. Ind.Appli.,vol.25, no.6,nov/dec., 1989.

73. D. N. Zmood, D. G. Holmes, Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady state error, in proc. IEEE-PESC Conf., pp. 11851190,1999.

74. D. Zhou, D. Rouaud, Regulation and design issues of a PWM three-phase rectifier, in proc. IEEE-IECON Conf., pp. 485-489, 1999.

75. F. Silva, Sliding-mode control of boost-type unity-power-factor PWM rectifiers., IEEE Trans, on Ind. Electronics, vol. 46, no.3, pp. 594-603, June 1999.

76. G. D. Marques, J. F. Silva, Direct voltage control of a PWM AC/DC voltage converter, in proc. EPE Conf., Trondheim, pp. 3.222-3.227, 1997.

77. G. Escobar, R. Ortega, A. J van der Schaft, A saturated output feedback controller for the three phase voltage sourced reversible boost type rectifier, in proc. IEEE-IECON Conf., pp. 685-690, 1998.

78. H. Akagi, "New Trends in Active Filters for Power Conditioning", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No. 6, November/December 1996, pp.1312-1322

79. H. Akagi, Y. Kanazawa and A. Nabae, "Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 20, No

80. H. S. Song, H. Q. Park, K. Nam, An instantaneous phase angle detection algorithm under unbalanced line voltage condition , in proc. IEEE-PESC Conf., pp.l-5, 1999.

81. H.Akagi, A. Nabae, and S. Atoh, "Control strategy of active power filters using multiple voltage-source PWM converters," IEEE Trans. Ind. Appl.,vol. IA-22, no.3, pp. 460, 1986.

82. J. L. Duarte, A. Van Zwam, C. Wijnands, A. Vandenput, Reference frames fit for controlling PWM rectifiers, IEEE Trans, on Ind. Electronics, vol. 46, no. 3, pp. 628630, 1999.

83. J. Svensson, M. Lindgren, Vector current controlled grid connected voltage source converter influence of non-linearities on the performance., in proc. IEEE-PESC Conf. pp.531-537, 1998.

84. J. W. Choi, S. K. Sul, Fast current controller in 3-phase AC/DC boost converter using d-q axis cross-coupling, pp. 177-182

85. K. S. Park, S. C. Ahn, D. S. Hyun, S. Y. Choe, New control scheme for 3-phase PWM AC/DC converter without phase angle detection under unbalanced input voltage conditions, in proc. IEEE-APEC Conf., pp.501-505, 2000.

86. Komatsugi K., Imura T. /Harmonic current compensator composed of static power converter. IEEE Power electronics specialist conference (PESC)'86, pp.283-290

87. Malesani L., Rossetto L. /Active filter for reactive power and harmonics compensation. — IEEE Power electronics specialist conference (PESC)'86, pp. 321330.

88. M. Bojrup, P. Karlsson, M. Alakula and Lars Gertmar, "A Multiple Rotating Integrator Controller for Active Filters", EPE 99 Conference Proceedings, Lausanne, Switzerland, September 1999.

89. P. Barrass, M. Cade, PWM rectifier using indirect voltage sensing, IEE Proc.-Electr. Power Appl., vol. 146, no. 5, pp. 539-544, September 1999.

90. P. Vardelho, Analysis of control methods for active power filters and voltage type reversible rectifiers in unbalance and non-sinusoidal conditions, in proc. Electrimacs Conf., pp. 11.95-103, 1999.

91. P.J.M. Smidt, J. L. Duarte, An unity power factor converter without current measurement, in proc. EPE Conf., Sevilla, pp. 3.275-3.280, 1995.

92. R. Barlik, M. Nowak, Three-phase PWM rectifier with power factor correction, in proc. EPN.2000, Zielona Gora, pp.57-80, 2000. (in Polish)

93. S. Bhowmik, A. van Zyl, R. Spee, J.H.R. Enslin, Sensorless current control for active rectifiers, in proc. IEEE-IAS Conf., pp. 898-905, 1996.

94. T. Ohnuki, O. Miyashida, P. Lataire, G. Maggetto, A three-phase PWM rectifier without voltage sensors, in proc. EPE Conf., Trondheim, pp. 2.881-2.886, 1997.

95. V. Blasko, Adaptive filtering for selective elimination of higher harmonics from line currents of a voltage source converter, inproc. IEEE-IAS Conf., pp. 1222-1228, 1998.

96. V. Blasko, V. Kaura, .A new mathematical model and control of a three-phase AC-DC voltage source converter., IEEE Trans, on Power Electronics, vol. 12, no. 1, pp. 116-122, January 1997.

97. V.Blasko, V.Kaura: "A Novel Control to Actively Damp Resonance in Input LC Filter of a Three Phase Voltage Source Converter", APEC '96 Conf. Proc., pp. 545-551

98. Y. Sato, T. Ishizuka, K. Nezu, T. Kataoka, A new control strategy for voltage-type -P WM rectifier to realize zero steady-state control error in input current, IEEE Trans, on Ind. Application, vol. 34, no. 3, pp.480-485, May/June 1998.

99. Базы данных по стационарным полнофазным и неполнофазным режимам работы ТТКУ

100. Перечень элементов платы преобразователя макета СПАФН.

101. Поз. обозначение Наименование Кол-во Примечание1. Конденсаторы

102. С1 Jamicon SK 25 В - 470 мкФ 1

103. С2 К10-17 -М1500 0,1 мкФ 1

104. СЗ К10-17 — Н90 0,47 мкФ 1

105. С4.С6 К73-17 63 В - 1 мкФ ±20% 3

106. С7 Jamicon SK 25 В - 47 мкФ 1

107. С8, С9 Jamicon SK 160 В - 470 мкФ 21. DA1 Микросхема IR21363J 1

108. DA2 Микросхема КР142ЕН8Б 1

109. Ml Электровентилятор 12 В, 0,28 А 1•

110. РМ1 Модуль силовой SEMIKRON SKiiPl 1NAB063T1 11. Резисторы

111. R1 С2-ЗЗН 0,125 - 1 кОм ±5% 1

112. R2 С2-ЗЗН 0,25 - 1 Ом ±5% 20 параллельно R=0,05 Ом

113. R3.R8 С2-ЗЗН 0,25 - 33 Ом ±5% 61. VD1. .VD3 Диод КД212Б 31. ХР1 Вилка трехполюсная 11. ХР2 Вилка СН053-60-23-В 1

114. Протокол испытаний макета трансформаторно-тиристорного модуля.