автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Системы регулирования и стабилизации переменного напряжения со звеном повышенной частоты

На правах рукописи УДК 621.314

Зиссер Ярослав Олегович

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СО ЗВЕНОМ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре, 2003

Работа выполнена в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Куделько Анатолий Романович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дынькин Борис Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Сочелев Анатолий Фёдорович

Ведущая организация:

ВНИИФТИ «Дальстандарт» (г. Хабаровск)

Защита состоится 26 декабря 2003 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета КМ 212.092.01 при ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Косомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 321-3 корп.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Комсмоль-ский-на-Амуре государственный технический университет».

Автореферат разослан 26 ноября 2003 г. Учёный секретарь диссертационного совета:

кандидат технических наук, доцент

Суздорф В. И.

з -А

2_t 2.c>y з

Общая характеристика работы

Аетуальностъ темы. Работа посвящена вопросу улучшения качества электроэнергии, который на протяжении истории существования систем электроснабжения переменного тока остается актуальным по двум основным причинам:

- Существует ряд потребителей, которым требуется более качественная электроэнергия, чем допускается стандартами их страны.

- Производители электроэнергии могут оказаться не в состоянии обеспечить стабильное напряжение даже в рамках стандарта по ряду объективных причин, среди которых основными являются: переменная несимметричная нагрузка; несоответствие оборудования электростанций, линий передач и трансформаторных подстанций современным требованиям; природные факторы (атмосферное электричество, влажность и температура воздуха).

Проблема решается применением потребителями регулирующих и стабилизирующих устройств. Промышленные и другие мощные объединенные нагрузки (от 200 кВА) наиболее страдают от искажений сетевого напряжения, причем сами вносят в эти искажения наибольший вклад. Для таких нагрузок используются трансформаторно-полупроводниковые системы регулирования и стабилизации переменного напряжения (СРиСПН). Их главные элементы - переключающие (преобразовательные) схемы и вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ). В настоящее время основными направлениями совершенствования таких систем являются снижение их массогабаритных показателей, повышение быстродействия и точности регулирования, уменьшение высших гармоник в кривой тока нагрузки, компенсация реактивной мощности нагрузки, повышение надежности.

Принципиальным решением этого комплекса задач является введение в СРиСПН звена повышенной частоты (ЗПЧ) - переключающей схемы, выходное напряжение которой имеет повышенную по сравнению с сетевой частоту и поступает на вход ВДТ.

Регулирование происходит в понижающей частоту переключающей схеме на выходе ВДТ, где напряжение повышенной частоты модулируется сигналом управления. Чем больше отношение частот модулируемого и модулирующего сигналов, тем точнее модулируемый сигнал отслеживает изменения модулирующего. Следовательно, наряду с повышением быстродействия и точности регулирования, уменьшаются размеры фильтров для подавления высших гармоник тока нагрузки.

Целью работы является разработка основ обобщенного математического описания преобразования напряжения в СРиСПН, содержащих ВДТ, работающий на повышенной частоте; разработка структур и математическое моделирование СРиСПН для исследования их статических и динамических режимов и выявления параметров, обеспечивающих в конечном итоге наилучший эконо-

мический эффект от применения СРиСПН на пр муВДёИИЗДиОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА

С-Петербург 09

ши

Основные задачи, решаемые в работе:

- создание математического описания процессов преобразования напряжения в СРиСПН с ЗПЧ и - на основе этого описания - обобщённой структуры системы;

- создание программного обеспечения для оценки и анализа качества выходного напряжения СРиСПН;

- разработка математических моделей преобразовательных модулей и систем управления ими для построения моделей ряда вариантов схем трансформа-торно-тиристорных СРиСПН с ЗПЧ, исследование процессов в этих схемах, их поведения и характеристик в различных режимах;

Методы исследований:

При исследовании СРиСПН использовались методы математического моделирования, положения теории электромагнетизма, математического анализа, методы вычислительной математики.

Научная новизна:

- создано обобщённое математическое описание процесса преобразования напряжения в СРиСПН с ЗПЧ, позволяющее строить по единому принципу схемы СРиСПН со звеном повышенной частоты и без него для регулирования и стабилизации переменного напряжения с произвольным числом фаз и широкими возможностями вариации соотношения стоимости устройства и качества формируемого им напряжения;

- установлена зависимость добавочного напряжения, формируемого на нагрузке т-фазной СРиСПН с ЗПЧ, от угла регулирования непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, входящего в состав СРиСПН (регулировочная характеристика);

- получены зависимости показателей качества формируемого напряжения на нагрузке СРиСПН с ЗПЧ от управляющих величин при различных значениях коэффициента трансформации ВДТ;

- Разработан унифицированный алгоритм численного определения регулировочной характеристики системой управления непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, входящего в состав СРиСПН;

- разработан способ обеспечения непрерывности тока в нагрузке непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией при раздельном управлении группами вентилей.

- с помощью разработанных математических моделей СРиСПН выполнено исследование установившихся режимов работы ряда вариантов СРиСПН и динамических процессов в них при работе в нестабильной сети с переменной нагрузкой. 1

Практическая значимость работы и реализация результатов работы.

Теоретические выводы и результаты проведённых исследований могут быть применены для проектирования и наладки компактных и точных регуляторов и стабилизаторов напряжения для промышленных систем электроснабжения, в часгаос*и: „

- для создания на единой теоретической основе различных вариантов структур СРиСПН с ЗПЧ;

- для предварительной оценки качества выходного напряжения СРиСПН с ЗПЧ и определения параметров их силовой части с использованием разработанного программного обеспечения;

- для создания бездроссельных непосредственных преобразователей частоты с естественной коммутацией, обеспечивающих в нагрузке непрерывный ток;

- при проектировании унифицированных самонастраивающихся систем управления СРиСПН с ЗПЧ;

- для исследования СРиСПН с ЗПЧ на созданных математических моделях с целью выявления их поведения при различных возмущающих воздействиях и определения областей допустимых режимов работы.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям: 180400 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 200400 — «Промышленная электроника».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международной научной конференции ЭЭЭ-2003 (г. Комсомольск-на-Амуре, 23 - 27 сентября 2003 г.); на 29-й и 30-й научно-технических конференциях аспирантов и студентов Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1998 - 1999 г.; на 5-й международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Бгсгест, Польша, 2001 г.).

Публикации по теме диссертации: По теме диссертации имеется 7 публикаций. Из них: 1 патент, 4 статьи, 2 публикации тезисов докладов.

Структура диссертации: Работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 119 наименований и двух приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В главе 1 рассмотрено современное состояние электроснабжения, проведён анализ основных принципов построения СРиСПН. В частности, рассмотрена работа трёх основных научных школ в России, занимающихся разработкой СРиСПН: рязанской (представители: Миловзоров В. П., Мусолин А. К.), московской (Мыцык Г. С., Розанов Ю. К.) и томской (Кобзев А. В., Михальченко Г. Я.). Разработки двух последних школ основаны на использовании промежуточного высокочастотного преобразования в канале регулирования напряжения. Рассмотрены характеристики систем, предлагаемых ведущими производителями; составлена таблица классификации СРиСПН с ЗПЧ, на основе которой по-

казаны пути решения проблем совершенствования СРиСПН; выполнен краткий обзор современных методов моделирования систем силовой электроники.

В главе выявлены основные нерешённые проблемы совершенствования СРиСПН для мощных систем электроснабжения:

1) Неудовлетворительные массогабаритные показатели. Принципиально их улучшить позволяют: а) структурны^ изменения (регулирование части потока мощности и повышение частоты работы трансформатора в составе регулятора напряжения); б) технологические изменения (интеграция силовых элементов и оптимизация системы охлаждения).

2) Использование дополнительных систем обеспечения электромагнитной совместимости с сетью. Активные фильтры и компенсаторы реактивной мощности обычно выделяются в отдельные устройства, что усложняет и удорожает всю систему электроснабжения. Принципиально улучшить эту ситуацию позволяет объединение функций стабилизатора напряжения, активного фильтра и компенсатора реактивной мощности в одной структуре.

3) Низкая скорость реакции систем на изменения сетевого напряжения. Принципиально улучшить быстродействие можно: а) алгоритмически (управление регулятором по мгновенному значению сетевого напряжения); б) технологически (применение быстродействующих датчиков и микропроцессорной системы управления).

Проведенный анализ показал, что изменение структуры систем и алгоритмов их управления приводит к новым техническим решениям, исследование которых приводится в последующих главах.

Глава 2 работы посвящена теоретическому анализу работы СРиСПН с ЗПЧ, структура которой представлена на рис. I.

Сигнал управления регулятором

Система

Сигнал прямой связи по управления Сигнал, задающий тре-

сетевому напряжению буемое значение напря-

жения 1#„

Рис. 1. Структура системы регулирования и стабилизации переменного напряжения со звеном повышенной частоты

СРиСПН с ЗПЧ содержит входной повышающий частоту непосредственный преобразователь частоты с искусственной коммутацией (НПЧИ), понижающий ВДТ и выходной понижающий частоту непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией (НГТЧЕ).

Регулирование напряжения и„ производится в НПЧЕ изменением углов отпирания его тиристоров. Напряжение на нагрузке и„ складывается из сетевого напряжения и выходного (добавочного) напряжения НПЧЕ «да:

и, = Ис + «аов- (1)

Для описания процесса преобразования напряжения в НПЧИ рассматривается процесс формирования выходного напряжения т-фазным (т > 2) нулевым преобразователем с искусственной коммутацией (рис. 2), который является структурным элементом НПЧИ. Ключи А"; Кт замыкаются поочерёдно циклически.

"I о-

К3.

«г о-—

• Кт

Ц. о--'

Ц.

О

-о

Рис. 2. Схема нулевого т-фазного преобразователя

Угол сдвига между фазами входного напряжения и}, щ,..., и„:

. (2)

171

Закон формирования выходного напряжения можно записать следующим образом:

К = ис» 5Ш(<9 - кА<р), при кАа < в < (к + 1)Да, (3)

где" ис т - амплитуда сетевого напряжения, к - целое число, Дог- длительность замкнутого состояния ключа, 6= 2тф, I — время.

В главе сформулированы четыре основных свойства кривой выходного напряжения нулевого тя-фазного преобразователя. Для этого использован коэффициент, характеризующий отношение частоты первой гармоники выходного напряжения (далее - частоты выходного напряжения) и частоты входного напряжения преобразователя:

(4)

Свойство 1 — Частота:

&<р

Отношение определяет частоту выходного напряжения:

откуда с уч&гом (2):

При Да = А<р схема работает в режиме выпрямителя (рис. 3,а). При этом к/= 0 и/, - 0. Поскольку преобразователь предназначен для повышения частоты, то его рабочий режим будет при k/Z 1, когда Д(з/Аа> 2.

Свойство 2- Период повторения формы:

Форма выходного напряжения повторяется через период jAcp (/' > 1 - целое число), если выполняется равенство:

- Множество значений jf определяет набор частот выходного напряжения преобразователя, при которых период повторения его формы равен jA<p. В частности, если kf кратен числу фаз т, форма выходного напряжения повторяется через угол А<р (рис. 3,г). Это обстоятельство позволяет сформировать для всех входных фаз добавочное напряжение одной формы.

Свойство 3 - Многофазность:

Из m-фазного входного напряжения с помощью т, преобразователей можно сформировать тв фаз выходного напряжения, если nv ~ mim, - целое число. В каждый момент времени сумма напряжений этих фаз будет равна 0. Тогда на основе (3) выражение для каждой /„-той фазы выходного напряжения примет вид:

и,((<) =Ucm sin(6> + £Д а - (к - nj, )Д <р), при к&а <в<(к + 1)&а, (9)

где 0 < i < ] - доля интервала Да, на которую может быть сдвинута система выходных фаз, /»= 0,1,..., т,— \.

Для т - 6 возможно 6-, 3-, 2- и 1-фазное выходное напряжение. Случай т.= 1, также как и случай т = 1, является вырожденным, так как невозможно дальнейшее преобразование этого напряжения.

(jftn +j)Aa,

где, у/а 0 - целое число.

После преобразования с учетом (6), получим:

(7)

к f = т.

(8)

Свойство 4 - Фазные подсистемы:

Если т-фазное входное напряжение делится на М /ялгфазных подсистем, т

тм =т7. 1 < М<т, то в соответствии со свойством 3 из каждой такой подла

системы можно сформировать М «„-фазных подсистем выходного напряжения,

ты м

где т.—— = -—Г7. п9 %М

Для т = 6 возможна одна 6-фазная, две 3-фазных (рис. 4,а), три 2-фазных (рис. 4,6) и шесть 1-фазных подсистем выходного напряжения. В случае М= т образуется М однофазных подсистем входного напряжения, и, следовательно, т вырожденных преобразователей. Верхний индекс в скобках на рис. 4 - номер подсистемы.

Общая структура СРиСПН, основанная на рассмотренных свойствах выходного напряжения элементарных преобразователей, имеет вид на рис. 5.

НПЧИ содержит М преобразователей т^-фазных подсистем П^, каждый из которых содержит те от^-фазных преобразователей. Выходное напряжение НПЧИ подается на Мя„-фазный ВДТ.

НПЧЕ содержит М преобразователей т.-фазных подсистем П«, каждый из которых содержит тит,-фазных преобразователей.

При нечётном тм с помощью мостовой схемы /я.-фазного преобразователя в составе НПЧИ может быть получено напряжение, эквивалентное выходному напряжению нулевой схемы 2/я«-фазного преобразователя. В этом случае, согласно свойству 3, к исходному набору нечетных значений т, формально добавляется набор четных - удвоенных.

"с т т т "»

тм НПЧИ т. а. ВДТ ит/кТ НПЧЕ ты

с П«1

£

Щ/ т. т. тИ

п«2 У* П«2

Мт, г

с

тм т. т.

У- п«д/

£

Рис. 5 Система регулирования и стабилизации переменного напряжения со звеном повышенной частоты

Рис. 3. Выходное фазное напряжение 6-фазного нулевого преобразователя при различных Д а

«) б)

Рис. 4. Две 3-фазных (а) и три 2-фазиых (б) подсистемы выходного напряжения

В особом случае при М=т НПЧИ отсутствует, и система принимает вид на рис. 6, где каждый П„с НПЧЕ представляет собой т-фазный преобразователь.

«с т о ■'

вдт|г и',к* НПЧЕ

т

П«1

п„д

Ппс1И

т К —у—О

Рис. 6. Система регулирования и стабилизации переменного напряжения с естественной коммутацией

Далее «„-фазное выходное напряжение и„ преобразователя П„с НПЧИ понижается вольтодобавочным трансформатором до и, = «„ / кТ, где кТ - коэффициент трансформации ВДТ.

Для описания процесса регулирования напряжения в НПЧЕ рассматривается формирование выходного напряжения т-фазным (т > 2) нулевым преобразователем с естественной коммутацией (рис. 7), работающим в режиме выпрямителя, с источником постоянного напряжения Е, включённым согласно последовательно с нахрузкой. Значение Е больше наибольшего значения и*.

Угол регулирования а, ха- . , ,/С,

и ".»т л——/—

растеризующий момент замыкания ключа <>й фазы, изменяется в пределах интервала регулирова-

".(0)

Л/1

К.

Е

-СХ

ния, где напряжение /,-й фазы и](п ¿_ больше напряжения (¿, - 1)-й:

Рис. 7. т„-фазный нулевой преобразователь и' > и* с естественной коммутацией и источником посто-

«('.) «('.-О- янного напряжения в цепи нагрузки

Для системы без с ЗПЧ регулировочная характеристика напряжения идоб имеет вид:

«> = • ~ ('. -Щ (Ю)

при -^-(я- + Др)+2л/<а<^-(я--Др)+2я/, где /-номер интервала регулирования.

Регулировочная характеристика напряжения для системы с ЗПЧ: и г

ет

кТ ¿¿'Да

+ + - Ар) + £Д« + + ' зш^^ЦДог - Д<о)|

»-('.<.>♦«¿♦"-1 / д \ /д„\

яп *(Да - Др) + + + — -аЦ— -

»-»„(К.)*«* 1 \ 2 ^ 2 у

-я и,|

дч>) + £лог + + 5ш[^=-(да - д(р) - -у-]

при 0 < а < Да внутри интервала (лДа; (и + 1)Да), 0 <, п £ ЬкреА}. /,) -1, где г.) - первое целое значение Л на /-м интервале регулирования г>й фазы, МкД '•) ~ число интервалов Да, составляющих этот интервал регулирования, &к~пр — число интервалов Да, составляющих наименьший интервал проводимости, определяется как целая часть выражения:

ДАш = пв|1+ —

* Я

Мл^Да- средняя длина интервала проводимости ключа.

Принцип управления системой представлен следующим образом. Пусть требуемое (задающее) напряжение на нагрузке изменяется по синусоидальному закону с амплитудой 1/„ „ и фазой сру относительно сетевого напряжения ис{в) = ися 5т(0):

К{в)=и,т5ш{в + <р,).

Тогда добавочное напряжение, требуемое для компенсации возникающих отклонений сетевого напряжения, определяется на основе формулы (1) как разность между требуемым напряжением на нагрузке и сетевым напряжением:

Тиристоры НПЧЕ вюпоча- » ются в моменты #(/,',) пересечения кривой приведённого добавочного напряжения

= иш{в)1иса и кривой приведенной регулировочной характеристики выходного напряжения НПЧЕ

и'^Лв) =

(рис. 8).

= инт + <рК)-ися бШ) .

(12)

"«„(/.'. + 2, в)

Рис. 8 Формирование углов отпирания ключей П„, НПЧЕ

Для оценки качества формируемого на нагрузке напряжения и^ф) применяются следующие показатели:

а) Относительная ошибка формирования действующего значения напряжения на нагрузке:

U.

100%, (13)

где гц = - управляющая величина, U„ и U^ - соответственно требуемое

cm

и формируемое действующие значения напряжения на нагрузке.

б) Ошибка формирования фазы напряжения на нагрузке:

( \ I ( М 180°

л

где (р„чф){гиж) - фаза первой гармоники формируемого напряжения на нагрузке и„т.

в) Коэффициент гармоник напряжения на нагрузке (коэффициент искажения синусоидальности):

-1

(15)

где и„цф) - действующее значение первой гармоники формируемого напряжения на нагрузке.

Эти показатели точности формирования напряжения при одних и тех же гц и (рк будут изменяться в зависимости от коэффициента трансформации ВДТ кг. Чем меньше кг тем больше диапазон регулирования, стабилизации и компенсации реактивной мощности, но больше искажения напряжения на нагрузке. Поэтому задача определения кг является вариационной задачей оптимизации и формулируется так: при заданных наибольших допустимых значениях коэффициента гармоник кг ¿ю„, относительной ошибки % ^ формирования действующего значения и ошибки до„ формирования фазы напряжения на нагрузке найти такое значение кт > 0, которое обеспечивало бы наибольшие диапазоны (ги ,„„; гц щ») или (0 ; <рК») изменения управляющих величин соответственно ги (при условии: гишв < 1 < гитах) или <рк (при условии: <ркт1Х < я 12).

Показано, что задача не имеет конечного аналитического решения, а её численное решение каким-либо методом оптимизации требует многократного интегрирования кривых напряжения сложной формы на каждом шаге для нахождения всех показателей качества. В этом случае целесообразной представляется оценка коэффициента трансформации ВДТ по предварительно рассчитанным кривым каждого из показателей качества в зависимости от ги или д>К

для различных значений кт. Такие кривые для СРиСПН различной структуры, работающих в режимах стабилизатора и компенсатора реактивной мощности, описаны и приведены в главе 5.

Для реализации предложенного алгоритма управления системой необходимо, чтобы система управления НПЧЕ формировала регулировочную характеристику в соответствии с формулами (10) или (11). Если на вход НПЧЕ поступает напряжение сложной формы (в том числе синусоидальной), то его регулировочная характеристика также имеет сложную форму, которую можно получить цифро-аналоговым преобразованием из ряда предварительно рассчитанных дискретных значений. В связи с этим предложен алгоритм численного определения регулировочной характеристики цифровой системой управления НПЧЕ. Система управления, использующая этот алгоритм, подстраивается к форме входного напряжения НПЧЕ и способна обеспечить максимально точное формирование выходного напряжения в рамках предложенного способа управления НПЧЕ. Описание и блок-схема алгоритма приведены в главе 2.4 работы.

В главе 3 предложен способ устранения прерывания тока нагрузки НПЧЕ при раздельном управлении группами вентилей, основанный на естественной коммутации тока между группами.

При приближении тока нагрузки к нулю на проводящий вентиль и встречно-параллельный ему в момент /ли) подается длинный отпирающий импульс, названный подготовительным, который подготавливает встречно-параллельный вентиль к проводящему состоянию (вентили 3,4 и 3',4' на рис. 10, 11). Импульс снимается в момент когда в нагрузке появляется ток противоположного направления. Подача управляющих импульсов на остальные вентили на время подготовительного импульса прекращается.

<

г» 3 гз 3 25 2 Гг г Гз- 2 и •I

3 26 3 гг г ?6' 2

Рис. 10. Схема трехфазного мостового НПЧЕ

Для правильного формирования кривой выходного напряжения интервал ((под ; '<*) не должен превышать полупериода входного напряжения. Исходя из максимального значения тока нагрузки ¡н определяемого за последний полупериод, и отношения частот / и/в выходного и входного напряжения НПЧЕ, значение тока нагрузки в момент /лл> задаётся следующим образом:

К^ =(0.3 + 0,

Рис. 11. Естественная коммутация тока между мостами НПЧЕ

Применение способа обеспечивает непрерывность тока нагрузки НПЧЕ без введения уравнительных реакторов.

Глава 4 посвящена вопросам моделирования СРиСПН в среде схемотехнического моделирования. Рассматривается построение модели запираемого тиристора, модели систем управления тиристорами, находящимися в составе НПЧИ и НПЧЕ, модель схемы переключения групп вентилей НПЧЕ и модели трансформаторов.

Физические процессы в запираемом тиристоре представлены функциональной моделью, отражающей его основные коммутирующие свойства.

Главным элементом схемы замещения тиристора, выделенной пунктирным прямоугольником на рис. 12, является ключ, управляемый током Б, который имеет параметры: ток замыкания 1„ ток размыкания ¡р, сопротивление в замкнутом и разомкнутом состояниях Я, и Яр. Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), играет роль повторителя напряжения и введён для развязки выхода канала управления тиристором и управляющего электрода УЭ.

Диод О предназначен для исключения отпирания тиристора в случае, когда при отрицательном (обратном) напряжении иА на УЭ подаётся отпирающий импульс. Параметры элементов схемы замещения задаются на основе паспортных данных силового тиристора. В используемой модели приняты характерные значения: 13 = 10 мА; 1Р =100 мА; Я, = 10"3 Ом; Яр = 10® Ом.

Канал управления встречно-параллельными тиристорами НПЧИ имеет один вход для управляющего напряжения, которое задаёт моменты включения и выключения тиристора, и один выход для последовательности отпирающих и запирающих импульсов, поступающих на тиристоры.

Канал управления парой встречно-параллельных тиристоров НПЧЕ имеет

Рис. 12. Схема замещения запираемого тиристора

два входа: вход для разности коммутируемого напряжения и напряжения предыдущей фазы и вход для напряжения управления по закону (12). Последовательность отпирающих импульсов поступает на пару тиристоров с двух соответствующих выходов.

В главе 5 представлен ряд вариантов наиболее практически значимых СРиСПН и результаты их исследования с помощью математического и схемотехнического моделирования.

Результаты моделирования однофазного варианта СРиСПН с ЗПЧ показали высокую степень соответствия существующим результатам экспериментального исследования системы, в которой понижающий частоту преобразователь имеет вентили с искусственной коммутацией.

Вариант силовой схемы трёхфазной СРиСПН с ЗПЧ приведён на рис. 13.

На основе принципов, изложенных в главе 3, составлены две программы-модели формирования напряжения на нагрузке систем с ЗПЧ (рис. 5) и без ЗПЧ (рис. 6) и расчёта показателей качества этого напряжения (13)-(15). В программах реализован разработанный алгоритм формирования добавочного напряжения, который позволяет для произвольно заданного момента времени за число шагов, равное числу входных фаз т, найти номер фазы г„ напряжения и\, которая в этот момент должна быть подключена к нагрузке.

С использованием моделей элементов преобразовательных схем, описанных в главе 4, составлены и отлажены модели принципиальных силовых схем СРиСПН для исследования переходных процессов в них.

Система на рис. 13 исследована с параметрами:

Сетевое фазное напряжение: ие - исши, = 220 В;

Сетевая частота:/■« 50 Гц;

Отношение повышенной частоты к сетевой: к/= 9;

Последовательная активно-индуктивная нагрузка: Л„ = 1 Ом; — 1,84 мГн; ап^^^-кЗО".

Я,

Диаграммы напряжения и тока её нагрузки в установившемся режиме при отсутствии отклонений сетевого напряжения (гу = 1) представлены на рис. 14, а графики показателей качества формируемого напряжения - на рис. 15.

Рис. 14. Форма напряжения и тока нагрузки СРиСПН при отсутствии отклонений сетевого напряжения (коэффициент трансформации ВДТ кт~ 17,3)

Для исследования переходных процессов в СРиСПН при запуске, переключении нагрузок и изменениях сетевого напряжения составлена схема испытания моделей СРиСПН, которая моделирует сеть с переменными нагрузками.

Сеть представлена идеальными источниками с напряжением Ес и активным сопротивлением Яс и нагружена на СРиСПН с симметричной ЯЬ-нагруз-кой г„ и на две симметричные ИЬ-нагрузки г„х и 2Л. Напряжение Ес и сопротивления нагрузок подбираются так, чтобы при подключённом гн сетевое напряжение 1/с было повышенным (11с = (1 + ), при подключённых :,и:,1- номинальным (ис = и„ мм), а при подключённых :„, :„\ и - пониженным

(с/с=(г - д;)«/„ тм). принято а;=д;=дс.

Параметры рассматриваемой системы (рис. 14) и схемы её испытания в переходном режиме рассчитаны и приведены ниже:

Дс = 15%; Л„, = 0,8959 Ом, ¿„, = 0,1666 мГн,

Не = 0,15 Ом; £, = 281,9 В; К„2 = 0,6622 Ом, Л„2 = 0,1231 мГн;

Для моделирования нелинейности ВДТ используется основная кривая намагничивания

листовой электротехнической холоднокатанной стали марки 3413;

»1 = 98, и>2 = 10 - числа витков первичной и вторичной обмоток ВДТ;

/ = 0,5 м - длина средней линии фазного стержня ВДТ;

5 = 0,003 м2 - площадь поперечного сечения стержня ВДТ.

Рис. 15. Графики показателей качества формируемого напряжения при работе СРиСПН в режиме регулятора-стабилизатора (а) и в режиме компенсатора реактивной мощности (б). Значения кг поделены на -Уз.

*

В результате исследования системы получены подробные временные диаграммы переходных процессов в системе, работающей в режиме стабилизатора, при её запуске с неблагоприятными начальными условиями, а также при переключениях сетевых нагрузок, которые вызывают Перепады сетевого напряжения.

Установлено, что:

• размеры магнитопровода ВДТ и число витков его обмоток необходимо рассчитывать, исходя из значения размаха магнитного потока в его стержнях;

• целесообразно, во избежание бросков тока в первичной обмотке ВДТ и перегрузки вентилей НПЧИ, запускать систему на холостом ходу, то есть подавать управление сначала на вентили НПЧИ, а затем, через 1-2 секунды, - на вентили НПЧЕ;

• при значениях тв > 6 в случае невысоких требований к точности формируемого напряжения на нагрузке возможно применение линейной аппроксимации регулировочной характеристики выходного напряжения НПЧЕ, что упрощает систему управления;

• система обладает способностью компенсировать реактивную мощность даже при отсутствии специального фазового сдвига управляющего сигнала.

Основные результаты работы

1) Разработано математическое описание процесса преобразования напряжения в НПЧИ, основанное на геометрических свойствах кривой его выходного напряжения. На основе этого описания предложена обобщённая структура СРиСПН с ЗПЧ и, как частный случай, структура СРиСПН без ЗПЧ, содержащей вентили только с естественной коммутацией.

2) Получена регулировочная характеристика выходного напряжения нулевого /и-фазного преобразователя с естественной коммутацией и источником постоянного напряжения в цепи нагрузки, питаемого напряжением сложной формы с выхода ВДТ. Предложен способ управления НПЧЕ по мгновенному значению напряжения сети.

3) Разработан алгоритм численного определения системой управления НПЧЕ регулировочной характеристики его выходного напряжения. Использование алгоритма позволяет системе управления НПЧЕ подстроиться к форме его входного напряжения и таким образом быть унифицированной для применения в любом варианте СРиСПН в рамках предложенных структур.

4) Предложен способ устранения прерывания тока в нагрузке НПЧЕ при раздельном управлении группами его вентилей, основанный на естественной коммутации тока между группами.

5) Разработано программное обеспечение для расчёта показателей качества формируемого напряжения на нагрузке систем регулирования и стабилизации переменного напряжения при их работе- в режиме регуляторов-стабилизаторов напряжения и в режиме компенсаторов реактивной мощности. Получаемые при помощи программного обеспечения зависимости пока-

зателей качества от управляющих величин позволяют по допустимым искажениям напряжения или по допустимой точности его формирования определять необходимый коэффициент трансформации ВДТ и соответствующий ему диапазон стабилизации или компенсации.

6) В стандартной среде схемотехнического моделирования созданы модели элементов преобразовательных схем, входящих в состав СРиСПН с ЗПЧ (модель запираемого тиристора, модели каналов управления вентилями в составе НПЧИ и НПЧЕ, модель системы управления группами вентилей, модели трансформаторов), позволяющие строить модели любых вариантов СРиСПН в рамках предложенных структур.

7) Разработаны 6 вариантов структур СРиСПН с ЗПЧ и их математические модели, позволяющие исследовать работу систем в различных режимах.

8) Для одного из вариантов трёхфазной СРиСПН с ЗПЧ на построенной модели проведено исследование динамических режимов работы системы, в результате которого выработаны рекомендации по проектированию и наладке систем.

9) Результаты математического моделирования однофазного варианта СРиСПН с ЗПЧ соответствуют существующим результатам экспериментального исследования системы, в которой понижающий частоту преобразователь имеет вентили с искусственной коммутацией.

10) Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям: 180400 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 200400 - «Промышленная электроника».

Публикации по теме диссертации

1. Пат. 2166830 РФ, МКИ Н 02 М 5/22, G 05 F 1/30. Двенадцатиподдиапазон-ный широтно-импульсный преобразователь трёхфазного напряжения / Климат В. С., Куделько А. Р., Симоненко И. Г., Зиссер Я. О. (Россия). - № 99116405/09; Заявлено 29.07.1999; Опубл. 10.05.2001. Бюл. № 13 (П ч.).

2. Зиссер Я. О., Климаш В. С. Влияние межфазного обмена энергией в тири-сторных преобразователях на форму тока нагрузки // Материалы научно-технической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 13-24 апр. 1998 г.): В 2 ч. Ч. 2. / Редкол.: А. И. Евстигнеев (отв. ред.) и др. -Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1999. - С. 127-128.

3. Зиссер Я. О., Шибеко Р. В. Трёхфазный тиристорный стабилизатор // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: Материалы 29-й науч-но-тех-нической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 12-24 апр. 1999 г.): В 2 ч. Ч. 1. / Редкол.: А. И. Евстигнеев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1999.-С. 47.

4. A. R. Kudelko, V. S. Klimash, Y. О. Zisser, 1. G. Simonenko. Principles of design of automatic three-phase voltage stabilization systems and reactive power com-

pensation for industrial applications // Russian Technical News Letter: Tokyo, 2001, No. 2, p. 34-35.

5. Anatoliy Kudelko, Vladimir Klimash, Yaroslav Zisser, Irina Simonenko. Principles of design and analysis of thee-phase voltage stabilization systems 0.4 kV // Proceedings of the 5th international conference on unconventional electromechanical and electrical systems. Vol. 3: Szczecin, 2001, p. 787-792.

6. Зиссер Я. О. Принцип построения систем регулирования и стабилизации т-фазного напряжения со звено повышенной частоты. // Сборник трудов МНК ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» / ГОУВПО «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» — Комсомольск-на-Амуре, 2003.

7. Зиссер Я. О. Способ устранения прерывания тока в нагрузке непосредственных преобразователей частоты с естественной коммутацией при раздельном управлении их вентильными группами. // Сборник трудов МНК ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» / ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» - Комсомольск-на-Амуре, 2003.

Подписано к печати 21.11.2003. Печать офсетная. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая Усл. печ. л. 1,40. Уч.-изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 17559.

Полиграфическая лаборатория государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

»21207

2i2 o7

Список используемых сокращений.

Введение.

1. Современные проблемы обеспечения качества электроэнергии и пути их решения.] ]

1.1.Современные проблемы обеспечения качества электроснабжения.

1.2.Системы и способы регулирования и стабилизации переменного напряжения и пути их совершенствования.

1.3.Современные подходы к моделированию и исследованию систем преобразования параметров электроэнергии.

2. Теоретические основы СРиСПН с ЗПЧ.

2.1.Структура системы и принцип регулирования напряжения.

2.2.Процесс преобразования напряжения в СРиСПН с ЗПЧ.

2.2.1. Преобразование напряжения в НПЧИ.

2.2.2. Преобразование напряжения в НПЧЕ и регулировочная характеристика добавочного напряжения.

2.3.Формирование системой добавочного напряжения и оптимизация качества напряжения на нагрузке.

2.3.1. Принцип формирования добавочного напряжения.

2.3.2. Оценка точности формирования напряжения на нагрузке.

2.3.3. Определение коэффициента трансформации ВДТ.

2.4.Алгоритм численного определения регулировочной характеристики системой управления НПЧЕ.

3. Способ устранения прерывания тока в нагрузке НПЧЕ между ин тервалами работы вентильных групп.

4. Построение моделей элементов преобразовательных схем.

4.1 .Модель запираемого тиристора.

4.2.Моделирование систем управления преобразовательными блоками.

4.2.1. Модель канала управления вентилем НПЧИ.

4.2.2. Модель канала управления вентилем НПЧЕ.

4.2.3. Моделирование переключения управления между группами встречнопараллельных вентилей НПЧЕ.

4.3.Моделирование трансформаторов.

4.3.1. Особенности моделирования трансформаторов в среде Electronics Workbench 5.12.

4.3.2. Модели трансформаторов различной конфигурации.

5. Моделирование и исследование СРиСПН с ЗГГЧ.

5.1 .Исследование показателей качества напряжения на нагрузке СРиСПН в установившемся режиме.

5.2.Исследование динамических процессов в СРиСПН.

Актуальность темы. Работа посвящена вопросу улучшения качества и стабильности электроэнергии, который на протяжении истории существования сети переменного тока остаётся актуальным по двум основным причинам:

- Существует ряд потребителей, которым требуется более качественная электроэнергия, чем допускается стандартами их страны.

- Производители электроэнергии могут оказаться не в состоянии обеспечить стабильное напряжение даже в рамках стандарта по ряду объективных причин, среди которых выделяются три основные: 1) переменная несимметричная нагрузка; 2) несоответствие оборудования электростанций, линий передач и трансформаторных подстанций современным требованиям; 3) природные явления (атмосферное электричество, влажность).

Проблема решается применением на стороне потребителя регулирующих и стабилизирующих устройств. Промышленные и другие мощные объединённые нагрузки (от 200 кВ-А) наиболее страдают от искажений сетевого напряжения, причём сами вносят в эти искажения наибольший вклад. Для таких нагрузок используются тиристорные системы регулирования и стабилизации переменного напряжения (СРиСПН). Их главные элементы - переключающие (преобразовательные) схемы и вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ). В настоящее время основными направлениями совершенствования таких систем являются снижение массогабаритных показателей, повышение быстродействия и точности регулирования, уменьшение высших гармоник тока нагрузки, компенсация реактивной мощности нагрузки, повышение надёжности.

Принципиальным решением этого комплекса задач является введение в СРиСПН звена повышенной частоты (ЗПЧ) - переключающей схемы, выходное напряжение которой имеет повышенную по сравнению с сетевой частоту и поступает на вход ВДТ.

Повышение рабочей частоты ВДТ при той же мощности позволяет снизить его размеры и вес.

Регулирование происходит в понижающей частоту переключающей схеме на выходе ВДТ, где напряжение повышенной частоты модулируется сигналом управления. Чем больше разность частот модулируемого и модулирующего сигналов, тем точнее модулируемый сигнал отслеживает изменения модулирующего. Следовательно, наряду с повышением быстродействия и точности регулирования уменьшаются размеры фильтров для подавления высших гармоник тока нагрузки.

Целью работы является разработка основ обобщённого математического описания преобразования напряжения в СРиСПН, содержащих ВДТ, работающий на повышенной частоте; разработка структур и математическое моделирование СРиСПН для исследования их статических и динамических режимов и выявления параметров, обеспечивающих в конечном итоге наилучший экономический эффект от применения СРиСПН на предприятиях.

Основные задачи, решаемые в работе:

- создание математического описания процессов преобразования напряжения в СРиСПН с ЗПЧ и - на основе этого описания - обобщённой структуры системы;

- создание программного обеспечения для оценки и анализа качества выходного напряжения СРиСПН;

- разработка математических моделей преобразовательных модулей и систем управления ими для построения моделей ряда вариантов схем трансформатор-но-тиристорных СРиСПН с ЗПЧ, исследование процессов в этих схемах, их поведения и характеристик в различных режимах;

Методы исследований. При исследовании СРиСПН использовались методы математического моделирования, положения теории электромагнетизма, математического анализа, методы вычислительной математики.

Научная новизна:

- создано обобщённое математическое описание процесса преобразования напряжения в СРиСПН с ЗПЧ, позволяющее строить по единому принципу схемы СРиСПН со звеном повышенной частоты и без него для регулирования и стабилизации переменного напряжения с произвольным числом фаз и широкими возможностями вариации соотношения стоимости устройства и качества формируемого им напряжения;

- установлена зависимость добавочного напряжения, формируемого на нагрузке w-фазной СРиСПН с ЗПЧ, от угла регулирования непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, входящего в состав СРиСПН (регулировочная характеристика);

- получены зависимости показателей качества формируемого напряжения на нагрузке СРиСПН с ЗПЧ от управляющих величин при различных значениях коэффициента трансформации ВДТ;

- Разработан унифицированный алгоритм численного определения регулировочной характеристики системой управления непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, входящего в состав СРиСПН;

- разработан способ обеспечения непрерывности тока в нагрузке непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией при раздельном управлении группами вентилей.

- с помощью разработанных математических моделей СРиСПН выполнено исследование установившихся режимов работы ряда вариантов СРиСПН и динамических процессов в них при работе в нестабильной сети с переменной нагрузкой.

Практическая значимость работы:

Теоретические выводы и результаты проведённых исследований могут быть применены для проектирования и наладки компактных и точных регуляторов и стабилизаторов напряжения для промышленных систем электроснабжения, в частности:

- для создания на единой теоретической основе различных вариантов структур СРиСПН с ЗПЧ;

- для предварительной оценки качества выходного напряжения СРиСПН с ЗПЧ и определения параметров их силовой части с использованием разработанного программного обеспечения;

- для создания бездроссельных непосредственных преобразователей частоты с естественной коммутацией, обеспечивающих в нагрузке непрерывный ток;

- при проектировании унифицированных самонастраивающихся систем управления СРиСПН с ЗПЧ;

- для исследования СРиСПН с ЗПЧ на созданных математических моделях с целью выявления их поведения при различных возмущающих воздействиях и определения областей допустимых режимов работы.

Апробация работы:

Материалы диссертационной работы докладывались на международной научной конференции ЭЭЭ-2003 (г. Комсомольск-на-Амуре, 23 - 27 сентября 2003 г.); на 29-й и 30-й научно-технических конференциях аспирантов и студентов Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1998 -1999 г.; на 5-й международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам (Szczecin, Польша, 2001 г.).

Структура работы: Работа состоит из введения пяти глав, списка литературы и двух приложений.

В главе 1 рассмотрено современное состояние электроснабжения, проведён анализ основных принципов построения СРиСПН. В частности рассмотрена работа трёх основных научных школ в России, занимающихся разработкой СРиСПН: рязанской, московской и томской. Разработки последних двух основаны на использовании промежуточного высокочастотного преобразования в канале регулирования напряжения. Рассмотрены характеристики систем, предлагаемых ведущими производителями, определены проблемы совершенствования СРиСПН и на основе предложенной классификации СРиСПН с ЗПЧ показаны пути их решения, выполнен краткий обзор современных методов моделирования систем силовой электроники.

Вторая глава работы посвящена теоретическому анализу работы СРиСПН с ЗПЧ. Приведено математическое описание процесса преобразования напряжения в НПЧИ, основанное на геометрических свойствах кривой напряжения. Предложена обобщённая структура системы с ЗПЧ и без ЗПЧ. Рассмотрено преобразование напряжения повышенной частоты сложной формы в НПЧЕ, выведена регулировочная характеристика выпрямленного напряжения, на основе которой предложено оптимальное управление системой по мгновенному значению сетевого напряжения. Определены показатели качества формируемого напряжения на нагрузке. Предложен алгоритм численного определения регулировочной характеристики цифровой системой управления НПЧЕ.

В главе 2 предложен способ устранения прерывания тока нагрузки НПЧЕ при раздельном управлении группами вентилей, основанный на естественной коммутации тока между группами.

Глава 4 посвящена вопросам моделирования СРиСПН в программе схемотехнического моделирования Electronics Workbench 5.12. Рассматривается построение модели запираемого тиристора, модели систем управления тиристорами, находящимися в составе НПЧИ и НПЧЕ, модель схемы переключения групп вентилей НПЧЕ и модели трансформаторов.

В главе 5 изложены основные результаты моделирования СРиСПН. Для моделирования формирования напряжения на нагрузке систем и расчёта показателей качества этого напряжения в математической программе MathCAD 200 li Professional составлены две программы: одна программа - для систем с ЗПЧ, другая - для систем без ЗПЧ. Рассчитаны зависимости показателей качества напряжения от управляющих величин для четырёх значений коэффициента трансформации ВДТ при работе систем в режиме регулятора-стабилизатора напряжения и в режиме компенсатора реактивной мощности. Составлена схема испытания моделей СРиСПН в динамических режимах. Для одного из вариантов СРиСПН с ЗПЧ приведены результаты исследования динамических процессов, проведённого на разработанной модели.

Публикации:

1: Пат. 2166830 РФ, МКИ Н 02 М 5/22, G 05 F 1/30. Двенадцатиподдиапазонный широтно-импульсный преобразователь трёхфазного напряжения / Климаш В. С., Куделько А. Р., Симоненко И. Г., Зиссер Я. О. (Россия). - № 99116405/09; Заявлено 29.07.1999; Опубл. 10.05.2001. Бюл. № 13 (И ч.).

2. Зиссер Я. О., Климаш В. С. Влияние межфазного обмена энергией в тиристор-ных преобразователях на форму тока нагрузки // Материалы научно-технической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 13-24 апр. 1998 г.): В 2 ч. Ч. 2. / Редкол.: А. И. Евстигнеев (отв. ред.) и др. -Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1999. - С. 127-128.

3. Зиссер Я. О., Шибеко Р. В. Трёхфазный тиристорный стабилизатор // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: Материалы 29-й научно-технической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 12-24 апр. 1999 г.): В 2 ч. Ч. 1. / Редкол.: А. И. Евстигнеев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1999. - С. 47.

4. A. R. Kudelko, Y. S. Klimash, Y. О. Zisser, I. G. Simonenko. Principles of design of automatic three-phase voltage stabilization systems and reactive power compensation for industrial applications // Russian Technical News Letter: Tokyo, 2001, No. 2, p. 34-35.

5. Anatoliy Kudelko, Vladimir Klimash, Yaroslav Zisser, Irina Simonenko. Principles of design and analysis of thee-phase voltage stabilization systems 0.4 kV // Proceedings of the 5th international conference on unconventional electromechanical and

• electrical systems. Vol. 3: Szczecin, 2001, p. 787-792.

6. Зиссер Я. О. Принцип построения систем регулирования и стабилизации т-фазного напряжения со звено повышенной частоты. // Сборник трудов МНК ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» / ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» - Комсомольск-на-Амуре, 2003.

7. Зиссер Я. О. Способ устранения прерывания тока в нагрузке непосредственных преобразователей частоты с естественной коммутацией при раздельном управлении их вентильными группами. // Сборник трудов МНК ЭЭЭ-2003 «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» / ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» - Комсомольск-на-Амуре, 2003.

11 результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям: 180400 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и 200400 - «Промышленная электроника».

Таким образом, в проведённой работе предложен, разработан и на математических моделях исследован новый класс СРиСПН с принципиально улучшенными характеристиками. В СРиСПН с ЗПЧ для стабилизации напряжения с любым числом фаз используется один ВДТ, который может быть однофазным. Решена проблема совмещения в одной системе стабилизатора напряжения, компенсатора реактивной мощности и активного фильтра при общем снижении её массо-габаритных показателей. Использование классических преобразовательных схем в СРиСПН позволяет создавать компактные мощные устройства на основе существующих интегральных силовых модулей.

130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Проведён сравнительный анализ и предложена классификация СРиСПН с ЗПЧ, позволившая выявить проблемы совершенствования СРиСПН и пути их решения.

2) Разработано математическое описание процесса преобразования напряжения в НПЧИ, основанное на геометрических свойствах кривой его выходного напряжения. На основе этого описания предложена обобщённая структура СРиСПН с ЗПЧ и, как частный случай, структура СРиСПН без ЗПЧ, содержащей вентили только с естественной коммутацией.

3) Получена регулировочная характеристика выходного напряжения нулевого т-фазного преобразователя с естественной коммутацией и источником постоянного напряжения в цепи нагрузки, питаемого напряжением сложной формы с выхода ВДТ. Предложен способ управления НПЧЕ по мгновенному значению напряжения сети.

4) Разработан алгоритм численного определения системой управления НПЧЕ регулировочной характеристики его выходного напряжения. Использование алгоритма позволяет системе управления НПЧЕ подстроиться к форме его входного напряжения и таким образом быть унифицированной для применения в любом варианте СРиСПН в рамках предложенных структур.

5) Предложен способ устранения прерывания тока в нагрузке НПЧЕ при раздельном управлении группами его вентилей, основанный на естественной коммутации тока между группами.

6) Разработано программное обеспечение для расчёта показателей качества формируемого напряжения на нагрузке систем регулирования и стабилизации переменного напряжения при их работе в режиме регуляторов-стабилизаторов напряжения и в режиме компенсаторов реактивной мощности. Получаемые при помощи программного обеспечения зависимости показателей качества от управляющих величин позволяют по допустимым искажениям напряжения или по допустимой точности его формирования определять необходимый коэффициент трансформации ВДТ и соответствующий ему диапазон стабилизации или компенсации.

7) В среде схемотехнического моделирования созданы модели элементов преобразовательных схем, входящих в состав СРиСПН с ЗПЧ (модель запираемого тиристора, модели каналов управления вентилями в составе НПЧИ и НПЧЕ, модель системы управления группами вентилей, модели трансформаторов), позволяющие строить модели любых вариантов СРиСПН в рамках предложенных структур.

8) Разработаны 6 вариантов структур СРиСПН с ЗПЧ и их математические модели, позволяющие исследовать работу систем в различных режимах.

9) Для одного из вариантов трёхфазной СРиСПН с ЗПЧ на построенной модели проведено исследование динамических режимов работы системы, в результате которого выработаны рекомендации по проектированию и наладке систем.

10)Результаты математического моделирования однофазного варианта СРиСПН с ЗПЧ соответствуют существующим результатам экспериментального исследования системы, в которой понижающий частоту преобразователь имеет вентили с искусственной коммутацией.

1. Аполонский С. М., Вилесов Д. В., Воршевский А. А. Электромагнитная совместимость в системах электроснабжения // Электричество. 1991, № 4, с. 4-6.

2. Барский В. А. Раздельное управление реверсивными тиристорными преобразователями. -М.: Энергия, 1973. 112 с.

3. Белкин А.К., Костюкова Т.П., Рогинская Л.Э. Тиристорные преобразователи частоты. М.: Энергоатомиздат, 2000. - 263 с.

4. Бизиков В. А. и др. Управление непосредственными преобразователями частоты / Бизиков В. А., Обухов С. Г., Чаплыгин Е. Е. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 128 с.

5. Быков Ю. М., Шароян Т. А. Анализ тока, потребляемого непосредственным преобразователем частоты // Электричество, 1991, № 2, с. 59-62.

6. Ворфоломеев Г. Н., Мятеж С. В., Щуров Н. И. Теоретические основы преобразования трёхфазной системы токов в девятифазную // Электричество, 2000, №11, с. 41-43.

7. Головкин П. И. Энергосистема и потребители электрической энергии. М.:1. Энергия, 1979, 368 с.

8. Грабовецкий Г. В. Применение переключающих функций для анализа электромагнитных процессов в силовых цепях вентильных преобразователей частоты // Электричество, 1973, № 6, с. 42-46.

9. Джус Н. И. Оценка законов вентильного регулирования // Электротехника, 1998, № 4, с. 46-47.

10. Ю.Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -400 с.

11. П.Дьяконов В. П., Пеньков А. А. Расчёт регулировочной характеристики транзисторных преобразователей напряжения с резонансным контуром в системе MathCAD 7.0 Pro // Электротехника, 1999, № 4, с. 58-62.

12. Дьяконов П. П. MathCAD 2000: Учебный курс. СПб.: Питер, 2000. - 586 с.

13. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпред-приятий. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.

14. Железко Ю. С. Стратегия снижения потерь и повышения качества электроэнергии в электрических сетях // Электричество, 1992, № 5, с. 6-12.

15. П.Зиновьев Г. С., Левин Е. Ю., Обухов А. Е., Попов В. И. Повышающепонижающие регуляторы переменного напряжения и непосредственные преобразователи частоты // Электротехника, 2000, № 11, с. 16-20.

16. Ивакин В. И., Худяков В. В. Синтез фильтров высших гармоник для промышленных предприятий и энергосистем // Электротехника, 1997, № 3, с. 40-44.

17. Иванов В. С., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиз-дат, 1987.-336 с.

18. Изосимов Д. Б., Рыбкин С. Е. Улучшение качества энергопотребления полупроводниковых преобразователей с ШИМ // Электричество, 1996, № 4, с. 4855.

19. Карташов Р. П., Кумин А. К., Чехей Э. М. Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией. Киев: Техника, 1979.

20. Карташов Р. П. Зонное регулирование многофазных напряжений. В кн.: Проблемы технической электродинамики, вып. 57. Киев: Наукова думка, 1976.

21. Кобзев А. В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии. Новосибирск: Наука, 1979. - 304 с.

22. Кобзев А. В., Михальченко Г. Я. Характеристики преобразования параметров электрической энергии в системах с многозонной импульсной модуляцией // Электричество, 1986, № 5, с. 38-42.

23. Кобзев А. В., Михальченко Г. Я., Музыченко Н. М. Модуляционные источники питания РЭА. Томск: Радио и связь, 1990.

24. Кобзев А. В., Михальченко Г. Я., Семенов В. Д. Исполнительные органы сетевых стабилизаторов переменного напряжения на базе высокочастотных воль-тодобавочных трансформаторов // Электричество, 1979, № 10, с. 59-62.

25. Лабунцов В. А., Чаплыгин Е. Е. Компенсаторы неактивной мощности на вентилях с естественной коммутацией // Электричество, 1996, № 9, с. 55-59.

26. Липковский К. А. Трансформаторно-ключевые исполнительные структуры преобразователей переменного напряжения. Киев: Наукова думка, 1983. -216 с.

27. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1978. 320 с.

28. Майер В. Я., Расамуэлина Д. Расчёт комплексных показателей качества электроэнергии в трёхфазных системах // Электричество, 1994, № 4, с. 1-6.

29. Миловзоров В. П., Мусолин А. К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.

30. Милях А. Н., Карташов Р. П. Преобразование параметров переменных токов и напряжений в ключевых схемах. В кн.: Проблемы технической электродинамики. Киев: Наукова думка, 1971, вып. 29, с. 3-9.

31. Михальченко Г. Я., Семенов В. Д. Модуляционные ключевые преобразователи электрической энергии // Электричество, 1992, № 10, с. 42-50.

32. Морозов А. С. Методы высокочастотного формирования синусоидального напряжения. В кн.: Магнитно-полупроводниковые и электромашинные элементы автоматики. Межвуз. сб. научных трудов. Рязань: Ряз. радиотехнич. ин-т, 1979, вып. 9, с. 72-77.

33. Мыцык Г. С., Михеев В. В., Фридман П. М. Многоканальное построение преобразователей с промежуточным высокочастотным преобразованием // Электричество, 1992, № 4, с. 22-31.

34. Плис А. И. и др. MATHCAD 2000: Математический практикум для экономистов и инженеров / Плис А. И., Сливина Н. А. М.: Финансы и статистика, 2000. - 655 с.

35. Полупроводниковые преобразователи модуляционного типа с промежуточным звеном повышенной частоты. / Тонкаль В. Е., Мельничук JI. П., Новосельцев А. В., Дыхненко Ю. И. Киев: Наукова думка, 1981.

36. Птицына Е. В. Влияние на электрическую сеть электротехнологических уста. новок с питанием током сложной формы // Электротехника, 2001, № 8, с. 1116.

37. Юрченко Н. Н. Киев: ИЭДД987. - 56 с.

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

39. Розанов Ю. К., РябчинскийМ. В. Современные методы улучшения качества электроэнергии (аналитический обзор) // Электротехника, 1998, № 3, с. 10-17.

40. Розанов Ю. К., Рябчинский М. В., Кваснюк А. А. Современные методы регу-лйрования качества электроэнергии средствами силовой электроники // Электротехника, 1999, № 4, с. 28-32.

41. Розанов Ю. К., Рябчинский М. В., Кваснюк А. А., Гринберг Р. П. Силовая электроника и качество электроэнергии // Электротехника, 2002, №1, с. 16-23.

42. Русин Ю. С. Об условии соразмерности трансформаторов и дросселей // Изв. вузов. Энергетика, 1976, № 3.

43. Русин Ю. С., Горский А. Н., Розанов Ю. К. Исследование зависимости объёмов электромагнитных элементов от частоты // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника, 1983, № 10.

44. Способы управления непосредственными преобразователями частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией / Под ред. Крогериса А. Ф.1. Рига: Зинатне, 1976.

45. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. /Кобзев А. В., Лебедев Ю. М., Михальченко Г. Я. и др. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 152 с.

46. Характеристики преобразовательных схем с регулирующими органами в звене высокой частоты / Кобзев А. В., Коновалов Б. И., Михальченко Г. Я., Тараскин А. В. В кн.: Современные задачи преобразовательной техники. - Киев: Нау-кова думка, 1975, вып. 3.

47. Тараскин А. В. Разработка и исследование регуляторов переменного напряжения с промежуточным звеном повышенной частоты. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Томск: ТПИ, 1975.

48. Херхагер М., Патролль X. Mathcad 2000. Полное руководство: Пер. с нем. -• Киев: Ирина: BHV, 2000. -414 с.

49. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: У О РАН, 2000. - 654 с.

50. А. С. 548928 (СССР). Способ управления регулятором переменного напряжения с вольтодобавочным звеном высокой частоты / Кобзев А. В., Михальченко Г. Я. Опубл. в Б. И., 1977, № 8.

51. А. С. 589681 (СССР). Регулятор переменного напряжения со звеном высокой частоты / Кобзев А. В., Михальченко Г. Я. Опубл. в Б. И., 1978, № 3.

52. А. С. 692033 (СССР). Способ регулирования напряжения / Кобзев А. В., Михальченко Г. Я. Опубл. в Б. И., 1979, № 38.

53. А. С. 754635 (СССР). Регулятор напряжения с высокочастотным преобразованием / Земан С. К., Кобзев А. В., Шпак Ю. М. Опубл. в Б. И., 1980, № 29.

54. А. С. 760336 (СССР). Способ управления регулятором напряжения / Кобзев А. В'., Михальченко Г. Я., Семенов В. Д. Опубл. в Б. И., 1980, № 32.

55. А. С. 935892 (СССР). Стабилизатор переменного напряжения / Кобзев А. В., Лебедев Ю. М., Семенов В. Д. Опубл. в Б. И., 1982, № 22.

56. А. С. 935898 (СССР). Стабилизатор переменного напряжения / Кобзев А. В., Михальченко Г. Я., Семенов В. Д. Опубл. в Б. И., 1982, № 22.

57. А. С. 1251257 (СССР). Способ преобразования трёхфазного напряжения одной частоты в трёхфазное напряжение другой частоты / Рутманис. Л. А. Открытия. Изобретения. - 1986, № 30.

58. А. С. 1418871 (СССР). Способ перевода одномостового вентильного преобразователя из инверторного режима работы в выпрямительный / Асанбаев Ю. А., Безносиков О. Б., Бородулин М. Ю. Открытия. Изобретения. - 1988, № 31.

59. А. С. 1422332 (СССР). Преобразователь напряжения со звеном повышенной частоты / Кобзев А. В., Земан С. К., Кошевец В. Ф. Открытия. Изобретения. -1988, №33.

60. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость.

61. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Госстандарт, 1998.

62. Akagi and Н. Fujita, "A new power line conditioner for harmonic compensation in power systems," IEEE Trans. Power Delivery, vol. 10, pp. 1570-1575, July 1995.

63. Arrilliaga, J., D. A. Bradley, and P. S. Bodger, Power System Harmonics, Chichester . West Sussex. ; New York : Wiley, с 1985. xii, 336 p.

64. Eiarton, Thomas H., Rectifiers, Cycloconverters, and AC Controllers, Oxford : Clarendon Press ; New York : Oxford University Press, 1994. xxv, 687 p.

65. Bose, Bimal K, (editor), Modern Power Electronics, Evolution, Technology, and Application, New York : Institute of Electrical and Electronics Engineers ; Piscata-way, NJ : IEEE Press, cl992. x, 597 p.

66. Chrysiss, George, High Frequency Switching Power Supplies: Theory and Design, 2nd ed., New York : McGraw-Hill, с 1989. xiv, 287 p.

67. Clark, James W., AC Power Conditioners, Academic Press, Harcourt Brace Jovano-vich, 1989, 208 p.

68. Col. W. T. McLyman, Transformer and Inductor Design Handbook, 2nd ed., Marcel Dekker, New York, 1993.

69. D. Vincenti, H. Jin, and P. Ziogas, "Design, implementation of a 25 kVA three-phase PWM AC line conditioner," IEEE Trans. Power Electron., vol. 9, pp. 384-389, July 1994.

70. Dugan R.C., McGranaghan M.F., Beaty H.W. Electrical Power Systems Quality. McGraw-Hill, 1996. 265 p.

71. E. Steeper andR. P. Stratford, "Reactive compensation, harmonic suppression for industrial power systems using thyristor converters," IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 12, pp. 232-254, May/June 1976.

72. Eckert, Jeffery K. (editor), Filters and Power Conditioning, Gainesville, Va. : Interference Control Technologies, с 1988. 1 v. (various pagings).

73. Erickson, Robert W. and Dragan Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, 2nd ed.; Norwell, Mass. : Kluwer Academic, c2001; xxi, 883 p.

74. G. Venkataramanan and В. K. Johnson, "A Pulse Width Modulated Power Lineifor Custom Power Applications," ШЕЕ Transactions on Power Delivery, July 1996.

75. G. Venkataramanan et al., "AC-AC Power Converters for Distribution Control," NSF Symposium on Electric Power Systems Infrastructure 1994, pp. 159-162, 1994.

76. H. Akagi, "Trends in active power line conditioners," IEEE Trans. Power Electron., vol. 9, pp. 263-268, May 1994.

77. H. Akagi, "Trends in active power line conditioners," in Proc. IEEE ffiCON'92,1992, pp. 19-24.

78. J. W. Clark, AC Power Conditioners-Design, Applications. San Diego, CA: Academic, 1990.

79. K. Johnson and G. Venkataramanan, "A Hybrid Solid State Phase Shifter Using PWM AC-AC Converters," IEEE Transactions on Power Delivery, Oct 1998

80. Kang, P.N. Enjeti and I.J. Pitel, "Analysis and Design of Electronic Transformers for Electric Power Distribution System," Conference Record of the IEEEIAS Annual Meeting 1997, pp. 1689-1694, 1997.

81. Krein, Philip Т., Elements of Power Electronics/, New York : Oxford University Press, 1998. xviii, 766 p.

82. L. Willems, "Current compensation in three-phase power systems," Eur. Trans.

83. Elect. Power Eng., vol. 3, no. 1, pp. 61-66, Jan./Feb. 1993.

84. L. Willems, "The compensation of nonactive currents for three-phase power systems in sinusoidal steady state," Elect. Mach. Power Syst., vol. 21, pp. 663-670, Oct.1993.

85. Lee, R., L. Wilson, and С. E. Carter, Transformers and Circuits, 3rd edition, Wiley, 1988. 480p.

86. Lee, Yim-Shu, Computer-Aided Analysis and Design of Switch-Mode Power Supplies, New York : M. Dekker, с 1993. xiii, 522 p.

87. Lilienstein, Fred M., Magnetics Engineering Fundamentals and Computer-Aided Design, Van Nostrand and Reihold, 1993. 468 p.

88. Madhav D. Manjrekar, Rick Kieferndorf, Giri Venkataramanan, "Power Electronic Transformers for Utility Applications," IEEE Industrial Applications Society Annual Meeting, Rome, Italy, October 8-12, 2000.

89. McLyman, C. W. Т., Transformer and Inductor Design Handbook, Revised 2nd Edition, Marcel Dekker, Inc., 1988. 432p.

90. Mohan, Ned, Tore M. Undeland, William P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 2nd edition, Wiley, 1995. 802p.

91. P.D. Ziogas, D. Vincenti and G. Joos, "A Practical PWM AC Controller Topology," Conference Record of the ШЕЕ-LAS Annual Meeting 1992, pp. 880-887, 1992.

92. Paice, Derek A., Power Electronic Converter Harmonics, Multipulse Methods for Clean Power, IEEE Press, 1995. 224 p.

93. R. Fisher and R. Hoft, "Three-phase power line conditioner for harmonic compensation, power-factor correction," in Conf. Rec. IEEE-LAS Annu. Meeting, 1987, pp. 803-807.

94. R. Raju, S. S. Venkata, R. A. Kagalwala, and V. V. Sastry, "An active power quality conditioner for reactive power, harmonics compensation" in Proc. IEEE PESC'95, 1995, pp. 209-214.

95. Rajagopalan, Venkatachari, Computer-Aided Analyisis of Power Electronics Systems, New York : Dekker, с 1987. xi, 541 p.

96. Rombaut, C. and G. Seguier, Power Electronic Converters AC/AC Conversion, McGraw-Hill, 1987. 340p.

97. Ronan, S. D. Sudhoff, S. F. Glover and D. L. Galloway, "Application of Power Electronics to the Distribution Transformer," Conference Record of APEC 2000, New Orleans, February, 2000, pp. 861-867.

98. S. A. Moran and M. B. Brennen, "Active power line conditioner with fundamental negative sequence compensation," U.S. Patent 5 384 696, Jan. 1995.

99. S. M. Williams and R. G. Hoft, "Adaptive frequency domain control of PWM switched power line conditioner," IEEE Trans. Power Electron., vol. 6, pp. 665-670, Oct. 1991.

100. S. Srinivasan and G. Venkataramanan, "Comparative Evaluation of PWM AC-AC Converters," IEEE PESC Record, Atlanta, GA, June 1995.

101. S. Sudhoff, "Solid State Transformer," US Patent #5943229, 1999.

102. Study of PWM AC-AC Converters for Custom Power, EPRI TR-105601, Project 3389-17, Final Report, 1996.

103. Т. Moran, P. D. Ziogas, and G. Joos, "Analysis, design of a novel 3-phase solid-state power factor compensator, harmonic suppressor system," IEEE Trans. Ind. Ap-plicat., vol. 25, pp. 609-619, July/Aug. 1989.

104. Traister, R., Voltage Regulation Circuit Manual, Academic Press, Harcourt Brace Jovanovich, 1989, 152p.

105. W. M. Grady, M. J. Samotyj, and A. H. Noyola, "Survey of active power line conditioning methodologies," IEEE Trans. Power Delivery, vol. 5, pp. 1536-1542, July 1990.

106. Wood, Peter., Switching Power Converters, New York : Van Nostrand Reinhold Co., cl981. xiv, 446 p.