автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Параллельный активный фильтр электроэнергии, адаптированный к электроприводу переменного тока

На правах рукописи

Хабибуллин Максим Маратович

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, АДАПТИРОВАННЫЙ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 АПР 2015

Липецк-2015

005567389

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мещеряков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

Шевырёв Юрий Вадимович, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», профессор кафедры электрификации и энергоэффективности горных предприятий

Коваль Алексей Анатольевич, кандидат технических наук, ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», начальник электрического отделения ТЭЦ ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет»

Защита состоится 05 июня 2015 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская, 30, административный корпус, ауд. 601

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.stu.lipetsk.ru при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Автореферат разослан « » апреля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

В.И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется переходом промышленного сектора экономики на использование современных высокотехнологичных и энергоэффективных типов регулируемого электропривода. В результате такой тенденции доля электропривода переменного тока на основе преобразователя частоты (ПЧ) и асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АД) достигает значительного уровня. С точки зрения взаимодействия с питающей сетью система «ПЧ-АД» является одним из главных источников нелинейных искажений токов и напряжений и потребителей реактивной мощности, что оказывает негативное влияние, как на питающую сеть в целом, так и на других потребителей электроэнергии в частности, и приводит к значительным экономическим убыткам. В настоящее время наиболее эффективными устройствами компенсации нелинейных искажений и реактивной мощности являются активные фильтры электроэнергии (АФЭ). Существующие АФЭ имеют сложные силовые структуры и системы управления на основе косвенных методов определения требуемого тока, что повышает стоимость АФЭ, снижает их надежность и качество компенсации АФЭ нелинейных искажений и реактивной мощности. Поэтому разработка и исследование АФЭ, адаптированного для работы в системе «ПЧ-АД», исключающего недостатки существующих АФЭ, обеспечивающего высокое качество компенсации нелинейных искажений и реактивной мощности и повышающего электромагнитную совместимость системы «ПЧ-АД» с питающей сетью, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Начало исследований АФЭ было положено L. Gyugyi, Е.С. Strycula, Н. Akagi, Н. Kawahira. Дальнейшим изучением АФЭ занимались В.А. Лабунцов, Т. Kataoka, Р.Т. Шрейнер, Ю.К. Розанов, Е.Е. Чаплыгин, Y. Fuse, D. Nakajima, A.B. Волков, A.A. Ефимов, М.Р. Ka'zmierkowski, L. Yung-Chuang, B.H. Остриев. В настоящее время, с увеличением количества нелинейных потребителей электроэнергии, сохраняется актуальность разработки и совершенствования АФЭ.

Цель работы - разработка и исследование схемных решений, алгоритмов и системы управления параллельным активным фильтром электроэнергии для обеспечения компенсации нелинейных искажений, реактивной мощности и увеличения электромагнитной совместимости электропривода переменного тока с питающей сетью.

Идея работы заключается в создании силовой структуры параллельного активного фильтра электроэнергии на базе автономного инвертора напряжения с подключением звена постоянного тока автономного инвертора напряжения к

звену постоянного тока преобразователя частоты электропривода переменного тока и создании системы управления параллельным активным фильтром электроэнергии на основе релейного регулятора тока с расчетом полного требуемого тока системы «параллельный активный фильтр электроэнергии - ПЧ-АД» частотно-временным методом.

Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.09.03:

1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.

3. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.

4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Научная новизна:

- произведен анализ гармонического состава первичного тока системы «ПЧ-АД», отличающийся от известных учетом влияния нелинейных искажений, вносимых выпрямителем и инвертором в различных режимах работы;

- разработана принципиальная схема силовой структуры параллельного АФЭ (ПАФЭ), отличающаяся от известных подключением звена постоянного тока ПАФЭ к звену постоянного тока ПЧ и позволяющая исключить накопительную емкость, синхронизирующую индуктивность, устройство предварительного заряда накопительной емкости и систему управления предварительным зарядом накопительной емкости из структуры ПАФЭ;

- осуществлен синтез системы управления ПАФЭ на основе релейного регулятора тока (РРТ), отличающейся от известных использованием сочетания временных и частотных методов формирования полного требуемого тока системы «ПАФЭ - ПЧ-АД», возможностью устойчивой работы при несинусоидальном напряжении питающей сети и позволяющей исключить контур регулирования напряжения в звене постоянного тока ПАФЭ;

Теоретическая и практическая значимость:

- разработанная система управления позволяет ПАФЭ функционировать в нормальном режиме работы при несинусоидальном напряжении питающей сети, что повышает работоспособность ПАФЭ;

- за счет использования в САУ частотно-временного метода, разработанный ПАФЭ обеспечивает высокое быстродействие и высокую точность компенсации; достигается практически полная компенсация нелинейных искажений потребляемого тока и реактивной мощности системы «ПЧ-АД»;

- исключение накопительной емкости, синхронизирующей индуктивности, устройства предварительного заряда накопительной емкости и системы управления предварительным зарядом накопительной емкости из структуры ПАФЭ позволяет упростить конструкцию ПАФЭ.

Методология и методы исследования. Объектом проводимых исследований являлась система «ПАФЭ - ПЧ-АД». Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались положения теории электропривода, теории автоматического управления, теории мощности в силовой электронике, а также методы математического и компьютерного моделирования. Численное решение полученных математических уравнений и моделей осуществлялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ Simulink в программной среде Matlab. Для проведения экспериментальных исследований и программирования контроллера использовалась программная среда Code Composer Studio.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соответствием результатов теоретических исследований с результатами компьютерного моделирования и результатами, полученными экспериментальным путем, а так же соответствием полученных результатов с положениями теории электротехники и общей теории автоматического управления.

Реализация работы. Полученные результаты исследований использованы при разработке систем энергосберегающего асинхронного электропривода в ООО «Промэлектроника», а так же внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ) в форме лабораторных практикумов. Ожидаемый экономический эффект составил 2120 рублей на 1 кВт мощности ПЧ в год.

На защиту выносится:

- разработанная силовая структура ПАФЭ с общим звеном постоянного тока (ОЗПТ);

- разработанная система управления ПАФЭ с ОЗПТ на основе РРТ и расчета полного требуемого тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» частотно-временным методом;

- построенные компьютерные модели РРТ и ШИМ регулятора тока и сравнительный анализ полученных характеристик;

- построенная компьютерная модель системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» и анализ полученных характеристик;

- результаты экспериментальных исследований РРТ;

- результаты экспериментальных исследований системы «неуправляемый выпрямитель (HB) - ПАФЭ с ОЗПТ»;

- результаты исследования энергетических характеристик системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД».

Апробация работы. Основные положения и полученные результаты диссертации докладывались и обсуждались на IX Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Управление большими системами» (г. Липецк,

2012); на XIX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва,

2013); на XIX международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (г. Н. Новгород, 2013); на V международной научно-технической конференции «Technological Innovation for Collective Awareness Systems» (г. Лиссабон, Португалия, 2014); на XXVI международной научно-технической конференции «Power Electronics and Motion Control» (г. Анталия, Турция, 2014). Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Государственный контракт №14.В37.21.0165).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 125 наименований, и 5 приложений. Общий объем работы - 179 страниц. Основная часть изложена на 156 страницах текста, содержит 44 рисунка, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, указан объект исследований, сформулированы цель и идея работы, показано соответствие работы тематике специальности, определена научная новизна работы, представлены основные защищаемые положения, а так же результаты апробации и реализации работы.

В первой главе проведен анализ российских и международных стандартов качества электроэнергии, по результатам которого было определено, что наиболее проблемными показателями качества электроэнергии (ПКЭ) с точки зрения влияния на потребителей электроэнергии, питающую сеть, возможности

коррекции и поддержания в требуемом диапазоне, являются ПКЭ несинусоидальности токов и напряжений. Проведен анализ нелинейных потребителей электроэнергии в системе электроснабжения, по результатам которого было определено, что основным источником нелинейных искажений является регулируемый асинхронный электропривод переменного тока на основе двухзвен-ного ПЧ. Определены основные причины возникновения нелинейных искажений первичного тока ПЧ. Проведен анализ основных методов и устройств коррекции ПКЭ. Согласно проведенному обзору литературных источников, по тематике АФЭ, определены основные типы и структуры АФЭ и проанализированы их характеристики и области применения. В результате проведенного анализа было определено, что наиболее эффективными устройствами компенсации нелинейных искажений тока и реактивной мощности, являются ПАФЭ. Произведен анализ основных параметров силовой структуры и системы управления ПАФЭ, по результатам которого была определена возможность объединения звена постоянного тока автономного инвертора напряжения (АИН) ПАФЭ и звена постоянного тока ПЧ, и упрощения структуры ПАФЭ путем исключения накопительной емкости и синхронизирующей индуктивности из структуры ПАФЭ. Определена возможность совершенствования системы управления ПАФЭ путем разработки способа управления, сочетающего в себе преимущества частотного и временного методов управления. На основании проведенных исследований сформулированы задачи работы:

- разработка силовой структуры ПАФЭ с ОЗПТ;

- разработка системы управления ПАФЭ с ОЗПТ на основе РРТ, и расчет полного требуемого тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» частотно-временным методом;

- компьютерное моделирование РРТ и ШИМ регулятора тока и сравнительный анализ полученных характеристик;

- компьютерное моделирование системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» и анализ полученных характеристик;

- экспериментальные исследования РРТ;

- экспериментальные исследования системы «НВ - ПАФЭ с ОЗПТ»;

- исследование энергетических характеристик системы «ПАФЭ с ОЗПТ -ПЧ-АД».

Во второй главе проведен математический анализ влияния выпрямителя на питающую сеть. Определены зависимости гармонического состава первичного тока выпрямителя от его характеристик и характеристик нагрузки. Определены зависимости для канонических и неканонических гармоник неуправляемого и управляемого выпрямителей. Рассмотрена работа выпрямителя в ре-

жиме прерывистых, непрерывных и гранично-непрерывных токов. Определены энергетические характеристики выпрямителя. Проведен математический анализ влияния автономного инвертора напряжения (АИН) на питающую сеть. Определен гармонический состав АИН в зависимости от его структуры и способа управления. Определено, что все гармоники, субгармоники и интергармоники, возникающие в процессе работы АИН с ШИМ управлением, образуют единый гармонический спектр, в котором, относительно гармоник основной группы с частотами veo и Ш, формируются дополнительные боковые гармоники с частотами (va + Ю) и (veo — kí2). Определены энергетические характеристики АИН. Проведен математический анализ влияния ПЧ на питающую сеть со стороны выпрямителя и АИН. В результате исследования составных частей двухзвенно-го ПЧ было определено, что основным источником нелинейных искажений ПЧ является выпрямитель, а основным источником субгармоник и интергармоник ПЧ является АИН. При этом, полный спектр гармонических составляющих, потребляемых ПЧ из питающей сети, определяется выражением:

Fv = (pBk ± l)f. ± (Рик ± l)f„ ± kf„IH4, (1)

где к = 1, 2, 3... - кратность группы гармоник, рв, ри - пульсность выпрямителя и инвертора, fB, f„, 5ШИМ - основная частота выпрямителя, АИН и ШИМ.

Для адаптации ПАФЭ к ПЧ была разработана силовая структура ПАФЭ с ОЗПТ между АИН ПАФЭ и АИН ПЧ. Для определения требуемой емкости конденсаторной батареи Cd ПЧ для ПАФЭ с ОЗПТ, был произведен расчет требуемой емкости конденсаторной батареи Сф классического ПАФЭ: %

(S„ + Ps)dt

C<tl=2AUd(AUd+2Ud)' (2)

где S„- мощность искажения, вызывающая изменение напряжения в звене постоянного тока ПАФЭ, Т - период сетевого напряжения, Р£ - полные потери на АИН ПАФЭ, Ud- напряжение на конденсаторе.

Исходя из проведенного расчета, следует, что емкость конденсатора ПЧ линейно зависит от компенсируемой мощности нелинейной нагрузки. В процессе работы ПАФЭ с ОЗПТ, в зависимости от состояния ключей АИН ПЧ и АИН ПАФЭ, возможны два предельных режима работы конденсаторной батареи Cd. В первом режиме требуемая емкость конденсаторной батареи Cd уменьшится по сравнению с расчетной емкостью Сф. Во втором режиме требуемая емкость конденсаторной батареи Cd возрастет. Однако, емкость конденсаторной батареи Cd в звене постоянного тока ПЧ обычно выбирается исходя из

мощности АИН ПЧ и, как правило, составляет не менее 100 мкФ на 1 кВт мощности ПЧ и имеет запас порядка 20%, кроме того, в системе «ПЧ-АД», мощность ПЧ подбирают на одну или несколько ступеней выше номинальной мощности используемого АД, и, в большинстве случаев, АД общепромышленных механизмов работают лишь с частичной загрузкой, когда момент на валу АД составляет менее 50% от номинального момента. При этом основные меры по обеспечению электромагнитной совместимости направлены не на полную компенсацию нелинейных искажений и реактивной мощности системы «ПЧ-АД», а на их снижение до допустимого уровня. Таким образом, емкости звена постоянного тока Сй ПЧ в большинстве случаев использования ПАФЭ с ОЗГГГ будет достаточно для осуществления компенсации гармонических составляющих тока и реактивной мощности системы «ПЧ-АД» до приемлемого уровня. В случаях же недостаточной емкости конденсатора Са возможна установка дополнительного конденсатора в звено постоянного тока АИН ПАФЭ аналогично классическому ПАФЭ. При этом величина дополнительной емкости конденсатора АИН ПАФЭ будет меньше величины емкости конденсатора Сф классического ПАФЭ. Также был произведен расчет величины синхронизирующей индуктивности классического ПАФЭ для каждой фазы ПАФЭ:

где ис- действующее фазное напряжение, ий- среднее напряжение на конденсаторе, амплитуда несущего сигнала, £2 — частота несущего сигнала.

Однако, в разработанной структуре ПАФЭ с ОЗПТ, из-за объединения звена постоянного тока АИН ПАФЭ и АИН ПЧ, ЭДС самоиндукции синхронизирующей индуктивности Ьф, возникающей при переключении ключей АИН

ПАФЭ, становится недостаточно для заряда конденсаторной батареи Са звена постоянного тока до уровня напряжения, превышающего средневыпрямленное напряжение мостового выпрямителя. Поэтому для функционирования разработанного ПАФЭ необходимо обеспечить согласование уровня напряжения в звене постоянного тока и уровня напряжения в питающей сети таким образом, чтобы ПАФЭ

мог не только потреблять мощность из питающей сети, но и отдавать ее обратно в сеть. Согласование уровней напряжений осуществляется при помощи согласующего трансформатора. Исходя из величины потерь напряжения на трансформаторе, необходимо обеспечить на 15-20% больше чем и2т, чтобы иметь запас по напряжению в звене постоянного тока. При этом, если первичную и вторичную обмотки согласующего трансформатора рассмат-

ривать как две индуктивно-связанные и встречно включенные катушки индуктивности, ТО ВОЗМОЖНО ИСКЛЮЧИТЬ синхронизирующую индуктивность ЬфИЗ

структуры ПАФЭ путем сведения ее индуктивности к индуктивности рассеяния Ls согласующего трансформатора. Определение индуктивности рассеяния обмоток согласующего трансформатора Ls, приведенную к фазе вторичной обмотки, произведем на основе выражения:

L = ÎTP «k -Çd--= l + L =L +L filf (4)

со, Ь(р-1)21Д,вЛ^Вт 2 ' 2 '(jjJ W

где kL - схемы выпрямителя, s - число стержней трансформатора, Bm - амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, р - число чередующихся секций обмоток, Е2 - ЭДС вторичной обмотки трансформатора, U, - напряжение первичной обмотки трансформатора.

Таким образом, разработанная структура ПАФЭ отличается от существующих полным отсутствием либо частичным снижением емкости конденсатора ПАФЭ и отсутствием синхронизирующей индуктивности ПАФЭ. Кроме того, преимуществом разработанной силовой структуры ПАФЭ с ОЗПТ является отсутствие устройства предварительного заряда накопительной емкости ПАФЭ.

В третьей главе проведен сравнительный анализ методов управления ПАФЭ. Определены основные элементы системы управления ПАФЭ и сформулированы требования к разрабатываемой системе управления ПАФЭ. Произведен анализ работы РРТ как средства формирования и поддержания выходного тока ПАФЭ, по результатам которого было определено, что для решения поставленных задач оптимально использование двухпозиционного РРТ с симметричной зоной гистерезиса без зоны нечувствительности (рисунок 1). Произведен расчет требуемой ширины зоны гистерезиса РРТ по условию максимально допустимой частоты коммутации ключей АИН ПАФЭ. Графики регулирования заданного тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» в автоколебательном режиме представлены на рисунке 2. Разработана система управления ПАФЭ с ОЗПТ на основе расчета полного требуемого тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» методом баланса полной мгновенной мощности и коррекции напряжения питающей сети при помощи быстрого преобразования Фурье (частотно-временной метод), а так же формированием и поддержанием выходного тока ПАФЭ при помощи РРТ. Алгоритм работы и структурная схема разработанной системы управления ПАФЭ с ОЗПТ представлены на рисунках 3 и 4. Выведено уравнение определения полного требуемого тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ -ПЧ-АД» на основе частотно-временного метода:

iaS(l)(t) = Iciknpsin(«']t)'

'ibi(i)W = Idknpsin(ro1t + 120o); Cs(i)(t) = Idknpsin(a>1t -120°),

где Id - ток на выходе выпрямителя ПЧ, knp- коэффициент преобразования:

к -Л

Кпр- 3

. ио,

(6)

где кдр- коэффициент суммарных потерь, кц- коэффициент схемы, ип) -действующее значение первой гармоники фазного напряжения питающей сети.

Mt>

¿Ж

Начало

¡-ЛН»

Г!

3

Измерение

>Ф(1)

Рисунок 1 - Статическая характеристика двухпозиционного РРТ

¿шг

иа(1),иь(1),ис(1)[

/Выделение основной гармоники мгновенного! напряжения питающей сети при помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ):

"а»)

Определение амплитудного значения полного требуемого тока системы «ПАФЭ -ПЧ-АД» на основе баланса мощности

I системы «питающая сеть - ПАФЭ - ПЧ-АД»: I

X

Вычисление мгновенного полного \ требуемого тока системы «ПАФЭ - ПЧ-АД»

Сг<иО).'ьад(').Свд(1) У

Релейный регулятор тока

т

Формирование управляющих сигналов . на силовые ключи инвертора "ayPWM.UcyO)

Z

Конец

J

Рисунок 2 - Графики регулирования заданного тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД»

Разработаны компьютерные модели РРТ и ШИМ регулятора тока и проведены их исследования и анализ. Из сравнения полученных характеристик

Рисунок 3 - Алгоритм работы системы управления ПАФЭ с ОЗПТ

компьютерных моделей PPT и ШИМ регулятора тока следует, что лучшими характеристиками быстродействия и динамической устойчивости обладает РРТ.

Разработана компьютерная модель системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД», и проведены ее исследования и анализ в различных режимах работы. Принципиальная схема разработанного ПАФЭ с ОЗПТ представлена на рисунке 5.

ПЧ

Рисунок 5 - Принципиальная схема ПАФЭ с ОЗПТ Графики мгновенных значений рассчитанной основной гармоники напряжения питающей сети и первичного тока системы «ПЧ-АД» представлены на рисунке 6 а. Графики мгновенных значений рассчитанной основной гар-

МОНИКИ напряжения питающей сети и первичного тока системы «ПАФЭ с ОЗГТТ - ПЧ-АД» представлены на рисунке 6 б. Полученные графики подтверждают высокую эффективность компенсации нелинейных искажений первичного тока и реактивной мощности системы «ПЧ-АД» при помощи разработанного ПАФЭ с ОЗПТ.

В четвертой главе произведены экспериментальные исследования РРТ. Полученные результаты подтверждают устойчивость работы РРТ при изменениях нагрузки и при изменении ширины гистерезиса РРТ и подтверждают результаты теоретических расчетов и результаты компьютерного моделирования РРТ. Произведены экспериментальные исследования однофазной системы «НВ с активно-индуктивной нагрузкой - ПАФЭ с ОЗПТ».

Рисунок 6 - Графики мгновенных значений основной гармоники напряжения питающей сети и тока системы: а - «ПЧ-АД», б - «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД»

Графики мгновенных значений напряжения питающей сети и первичного тока системы «НВ выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой» представлены на рисунке 7 а. Графики мгновенных значений напряжения питающей сети и первичного тока системы «НВ с активно-индуктивной нагрузкой - ПАФЭ с ОЗПТ» представлены на рисунке 7 б. Полученные результаты подтверждают эффективность компенсации нелинейных искажений токов и реактивной мощности системы «НВ с активно-индуктивной нагрузкой» при помощи разработанного ПАФЭ с ОЗПТ, а так же подтверждают результаты теоретических расчетов и результаты компьютерного моделирования.

Произведена оценка энергетических показателей и гармонического состава системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД». На рисунке 8 представлены графики потребляемой реактивной мощности (рисунок 8 а) и коэффициентов мощности (рисунок 8 б) системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» (С^.совф,.^)) и системы «ПЧ-АД» ((2Н, сое Фн (г)).

Рисунок 7 - Графики мгновенных значений напряжения питающей сети и первичного тока системы: а - «НВ», б - «НВ - ПАФЭ с ОЗПТ»

<10

О.ГВАр] '

..................|....................

II П : Л

1, [сек]

0.2

0.4

0.6

0.8

Рисунок 8 - Сравнительный анализ графиков: а - реактивной мощности, б - коэффициентов мощности

Из полученных графиков следует, что использование ПАФЭ с ОЗПТ позволило снизить потребление реактивной мощности и повысить коэффициент мощности системы «ПЧ-АД», приблизив его к единице.

На рисунке 9 представлены графики спектрального состава первичного тока системы «ПЧ-АД» (рисунок 9 а) и системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» (рисунок 9 б). Из полученных графиков следует, что использование ПАФЭ с ОЗПТ позволило снизить в десятки раз (с 63,09 % до 2,43 %) суммарный коэффициент гармонических составляющих первичного тока (Кл) системы «ПЧ-АД». При этом, в процессе оценки энергетических показателей системы «ПАФЭ с ОЗПТ -ПЧ-АД» было определено, что использование ПАФЭ с ОЗПТ приводит к незначительному снижению КПД системы «ПЧ-АД» (на 1-2%). Суммарный экономический эффект от использования ПАФЭ с ОЗПТ в системе «ПЧ-АД» составит более 2120 руб. на 1 кВт мощности ПЧ в год.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40

а б

Рисунок 9 - Спектральный анализ первичного тока системы: а - «ПЧ-АД», б - «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований была решена актуальная задача, заключающаяся в разработке силовой структуры и системы управления ПАФЭ с ОЗПТ и анализе системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД». Полученные материалы диссертации позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработана силовая структура ПАФЭ с ОЗПТ, которая позволяет исключить из структуры ПАФЭ накопительную емкость, синхронизирующую индуктивность и устройство предварительного заряда накопительной емкости.

2. Разработана система управления ПАФЭ с ОЗПТ на основе РРТ и расчета полного требуемого тока системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» частотно-временным методом с помощью баланса мощности и быстрого преобразования Фурье. Данная система управления ПАФЭ обладает высоким быстродействием и точностью, возможностью устойчивой работы при несинусоидальном напряжении питающей сети, а так же позволяет исключить из системы управления ПАФЭ контур регулирования напряжения в звене постоянного тока ПАФЭ и систему управления предварительным зарядом накопительной емкости ПАФЭ.

3. Разработаны компьютерные модели и проведен сравнительный анализ характеристик РРТ и ШИМ регулятора тока. Результаты компьютерного моделирования позволяют заключить, что РРТ обладает большей стабильностью выходных характеристик по сравнению с ШИМ регулятором тока (стабильный участок РРТ: ООм < R|oa<n < 600м; стабильный участок ШИМ регулятора тока: 0 Ом < R|oad] < 20 Ом) и большей устойчивостью к изменению несущей частоты.

4. Разработана компьютерная модель и произведен анализ полученных характеристик системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД». Результаты компьютерного моделирования позволяют заключить, что ПАФЭ с ОЗПТ способен компенси-

ровать нелинейные искажения первичного тока и реактивную мощность системы «ПЧ-АД», как в статических, так и в динамических режимах работы, и подтверждают расчетные характеристики разработанного ПАФЭ с ОЗГГГ.

5. Проведены экспериментальные исследования РРТ. Полученные результаты подтверждают стабильность характеристик РРТ в широком диапазоне изменения нагрузки (от RH= 2 Ом до RH= 20 Ом), и изменения ширины зоны гистерезиса РРТ (от Н = 0,01 А до Н = 0,1 А), а так же подтверждают результаты теоретических расчетов и результаты компьютерного моделирования.

6. Проведены экспериментальные исследования системы «HB - ПАФЭ с ОЗПТ». Из полученных результатов следует, что применение ПАФЭ с ОЗПТ позволяет снизить суммарный коэффициент гармонических составляющих первичного тока системы «HB с активно-индуктивной нагрузкой» с Ki = 45% до Ki = 8% и повысить коэффициент мощности системы «HB с активно-индуктивной нагрузкой» (coscp ~ 1). Полученные результаты соответствуют теоретическим расчетам и подтверждают результаты компьютерного моделирования.

7. Проведены исследования энергетических характеристик системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД». Данные исследования подтверждают высокую эффективность ПАФЭ с ОЗПТ при компенсации нелинейных искажений первичного тока и реактивной мощности, потребляемых системой «ПЧ-АД». Использование ПАФЭ с ОЗПТ позволяет снизить суммарный коэффициент гармонических составляющих первичного тока системы «ПЧ-АД» более чем на порядок (с Ki = 63,09 % до Ki = 2,43 %) и повысить коэффициент мощности системы «ПЧ-АД» с cos<p = 0,4 -0,75 до значений, близких к единице (coscp = 1). При этом КПД системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» лишь незначительно снижается (на 1-2%) по сравнению с КПД системы «ПЧ-АД». Суммарный экономический эффект от использования ПАФЭ с ОЗПТ в системе «ПЧ-АД» составит более 2120 рублей на 1 кВт мощности ПЧ в год.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Мещеряков, В.Н. Система управления параллельным активным фильтро-компенсирующим устройством на базе релейного регулятора тока в трехфазных электрических сетях / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Электротехнические комплексы и системы управления. Воронеж. - 2012. — №2. — С. 49-54.

2. Мещеряков, В.Н. Компенсация гармоннческих искажений и реактивной мощности в однофазных электрических сетях посредством параллельного активного фильтра электроэнергии на базе релейного регулятора тока / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Известия высших учебных за-

ведений. Электромеханика. Новочеркасск. - 2013. - №4. _ с. 54-57.

3. Meshcheryakov, V.N. The practical implementation of relay control of current as main part in system of active filter of electric power / V.N. Meshcheryakov, M.M. Khabibullin // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». Челябинск. - 2013. - №2. - С. 25-31.

4. Мещеряков, В.Н. Активный фильтр электроэнергии с ОЗПТ и системой управления на основе релейного регулятора тока / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М. - 2014. - №7. - С. 26-33.

5. Мещеряков, В.Н. Компенсация высших гармоник тока и напряжения на основе активного фильтра с релейным регулированием в сетях питания радиотехнических устройств и компьютерных систем / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Материалы XIX международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ-2013. - Н. Новгород: Изд-во НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2013. - 2 с.

6. Мещеряков, В.Н. Оптимизация системы управления параллельным активным фильтром электроэнергии для компенсации нелинейных искажений в трехфазных электрических сетях / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Материалы XIX международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - M.: Изд-во МЭИ.-2013.-4 с.

7. Мещеряков, В.Н. Система управления параллельным активным филь-трокомпенсирующим устройством на базе релейного регулятора тока в трехфазных электрических сетях / В.Н. Мещеряков, М.М. Хабибуллин // Сборник тезисов докладов 9-й Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Управление большими системами. - Липецк: Изд-во ЛГТУ. - 2012. - С.173-176.

8. Мещеряков, В.Н. Активный фильтр высших гармоник адаптированный к электроприводу переменного тока / В.Н. Мещеряков, Д.В. Безденежных, М.М. Хабибуллин // Сборник тезисов докладов 9-й Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Управление большими системами. - Липецк: Изд-во ЛГТУ. - 2012. - С. 164-167.

9. Meshcheryakov, V.N. Active power filter with relay current regulator and common DC link for compensation of harmonic distortion in power grids / V.N. Meshcheryakov, M.M. Khabibullin, I.S. Pavlov, S.Valtchev // IFIP Advances in Information and Communication Technology. Technological Innovation for Collective Awareness Systems. 5th IFIP WG 5.5/SOCOLNET Doctoral Conference on Computing, Electrical and Industrial Systems DoCEIS 2014. Lisbon. - 2014. - C. 427-434.

10. Meshcheryakov, V.N. Active Power Filter with Common DC Link for Compensation of Harmonic Distortion in Power Grids / V.N. Meshcheryakov, M.M. Khabibullin, V.V. Pikalov, S.Valtchev // 16th Int. Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition (PEMC 2014). Antalya. - 2014. - С. 1586-1590.

11. Пат. 128031 ПМ Российская Федерация, МПК H02J3/00. Устройство компенсации гармонических токов и реактивной мощности / Мещеряков В.Н., Хабибуллин М.М., Безденежных Д.В., Мещерякова О.В. (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ФГБО ВПО ЛГТУ) (RU) - №2012133757/07; завял. 07.08.2012; опубл. 10.05.2013, Бюл. № 13. - 2 с.

12. Пат. 2514439 Российская Федерация, МПК H02J3/01. Устройство компенсации высших гармоник, адаптированное к электроприводу переменного тока / Мещеряков В.Н., Безденежных Д.В., Хабибуллин М.М., Мещерякова О.В. (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образов, учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ФГБО ВПО ЛГТУ) (RU) -№2012133840/07; завял. 07.08.2012; опубл. 27.04.2014, Бюл. № 5. - 10 с.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1], [3], [5], [6], [7] проведен анализ ПКЭ несинусоидальности напряжения согласно отечественным и зарубежным стандартам, определены основные причины, влияющие на ПКЭ несинусоидальности токов и напряжений, разработана система управления ПАФЭ на основе расчета баланса мгновенной мощности и формирования выходного тока ПАФЭ при помощи РРТ для трехфазной системы, произведено компьютерное моделирование системы «ПАФЭ — нелинейная нагрузка»; в [2] разработана система управления ПАФЭ на основе расчета баланса мгновенной мощности и формирования выходного тока ПАФЭ при помощи РРТ для однофазной системы, произведено компьютерное моделирование системы «ПАФЭ - нелинейная нагрузка»; в [4], [9] разработана система управления ПАФЭ частотно-временного типа на основе метода мгновенной мощности и коррекции напряжения питающей сети при помощи преобразования Фурье, представлены результаты экспериментального моделирования РРТ; в [8] разработана силовая структура ПАФЭ с ОЗПТ; в [10] представлены результаты компьютерного моделирования системы «ПАФЭ с ОЗПТ - ПЧ-АД» и результаты экспериментального исследования системы «ПАФЭ с ОЗПТ — HB с активно-индуктивной нагрузкой».

Подписано в печать 30.03.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 200. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.