автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Снижение влияния частотно-регулируемого привода переменного тока на качество электрической энергии в сетях с автономным источником

На правах рукописи

Момот Борис Александрович

-

СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО

ПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005556844

Работа выполнена в федеральном государственном

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Козярук Анатолий Евтихиевич

Официальные оппоненты:

Ефимов Александр Андреевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», кафедра электротехники и технической диагностики, профессор

Саушев Александр Васильевич - кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», кафедра электропривода и электрооборудования береговых установок, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ФГУП «ЦНИИ СЭТ», филиал «Крыловский государственный научный центр»

Защита состоится 27 июня 2014 г. в 12ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

бюджетном образовательном учреждении

высшего

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Фокин Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность:

Частотно-регулируемый привод переменного тока является основным потребителем для широкого класса систем автономного электроснабжения. Ввиду ограниченной мощности источника в сетях с автономным источником электрической энергии привод переменного тока оказывает существенное влияние на качество электрической энергии в данном виде сетей. В связи с этим разработка методов, снижающих воздействие привода на сеть с автономным источником электрической энергии, является актуальной задачей.

Степень разработанности:

Вопросами электромагнитной совместимости и энергетической эффективности частотно-регулируемого привода занимались Емельянов А.П., Ефимов А.А., Шрейнер Р.Т. и другие. В данных работах рассматривалось влияние оказываемое электроприводом на сеть и методы снижения данного влияния. Однако в данных работах не учитывались характеристики источника электрической энергии.

Устойчивость электрических сетей с автономным источником электрической энергии исследовали такие ученые как Токарев Л.Н., Куфтин Д.С. и другие. В данных работах не рассматривался вопрос повышения устойчивости системы путем изменения характеристик потребителя электрической энергии.

Вопрос снижения влияния частотно регулируемого привода большой мощности на сеть с автономным источником электрической энергии в данных работах не был рассмотрен.

Цели и задачи исследования:

Повышение качества электрической энергии и обеспечение электромагнитной совместимости между частотно-регулируемым приводом и сетью с автономным источником электрической энергии.

Для достижения обозначенной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Сравнение существующих структур частотно-регулируемого электропривода с целью оценки целесообразности их применения в сетях с автономным источником электрической энергии;

2. Разработка математических моделей частотно-регулируемого привода с преобразователем частоты различных топологий. Разработка математической модели сети с автономным источником электрической энергии;

3. Экспериментальные исследования сети автономного электроснабжения с частотно-регулируемым электроприводом, сопоставимого по мощности с источником электрической энергии;

4. Разработка рекомендаций по выбору структуры электропривода при питании от сети с автономным источником электрической энергии. Разработка методов, направленных на повышение устойчивости системы автономного электроснабжения, содержащей в своем составе частотно-регулируемый привод большой мощности.

Идея работы:

Обоснование и применение преобразователя частоты с активным выпрямителем в структуре электропривода в условиях автономной сети, что позволяет обеспечить электромагнитную совместимость между источниками электрической энергии, электроприводом и остальными потребителями, повышает коэффициент мощности привода, а также дает возможность торможения с рекуперацией энергии в питающую сеть. Модификация алгоритмов управления частотно-регулируемым приводом позволит снизить отклонения частоты в питающей сети.

Методология и методы исследований:

Математическое моделирование различных режимов работы электропривода с полупроводниковым преобразователем, а также сети электроснабжения с автономным источников электрической энергии в программном комплексе МаНаЬ БтиНпк. Экспериментальное исследование сети с автономным источником электрической энергии.

Научная новизна работы:

1. Научно обосновано применение активного выпрямителя в составе полупроводникового преобразователя частоты в системах с автономным источником электрической энергии;

2. Разработаны методики повышения устойчивости систем с автономным источником электрической энергии, содержащих в своем составе электропривод соизмеримой мощности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные методы корректировки алгоритма управления электроприводом переменного тока большой мощности позволяют снизить отклонение частоты и напряжения в электрических сетях с автономным источником электрической энергии;

2. Частотно-регулируемый электропривод с активным выпрямителем является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим обеспечивать коэффициент мощности близким к единице и коэффициент несинусоидальности напряжения в регламентируемых пределах для сети с автономным источником энергии.

Степень достоверности и апробация результатов, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основана на удовлетворительной сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: НПО «Аврора» «Корабельные системы управления и обработки информации» (ноябрь 2013 г.), Международной научно-практической конференции «Стратегические коммуникации и теоретические знания» (ноябрь 2013 г.), IX международная научно-техническая конференция г. Омск (декабрь 2013 г.), конференция молодых ученых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (апрель 2012 г).

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Обоснование целесообразности использования структуры электропривода с активным выпрямителем напряжения в системах с автономными источником электрической энергии;

2. Разработка методов управления частотно-регулируемым приводом, снижающих влияние резкого изменения нагрузки электропривода на систему электроснабжения с автономным источником.

Реализация результатов работы:

Рекомендации по структуре и составу оборудования электропривода в условиях автономной системы использованы при разработке системы электродвижения в «Крыловском Государственном Научно-исследовательском центре». Метод повышения устойчивости автономной системы был реализован на проекте морского буксира 745 «Виктор Конецкий».

Личный вклад автора:

Определение и постановка задачи. Исследование структуры приводов, питающихся от автономных систем электроснабжения. Теоретическое обоснование энергоэффективности частотно-регулируемого электропривода с активным выпрямителем. Разработка

алгоритмов управления приводом, повышающих устойчивость системы с автономными источниками электрической энергии.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы в том числе 2 печатные работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 95 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 84 наименований и одно приложение. Общий объем диссертации 151 страница.

Основное содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 приведены характеристики системы электроснабжения с автономным источником энергии. Рассмотрена проблема влияния электропривода сопоставимой мощности на сеть автономного электроснабжения. Предложены алгоритмы управления, позволяющие снизить влияние резкого изменения нагрузки электропривода на сеть автономного электроснабжения.

В главе 2 рассмотрены проблемы электромагнитной совместимости и регулирования коэффициента мощности. Выполнен анализ существующих технических средств, направленных на повышение качества электроэнергии. Представлены рекомендации по выбору топологии схемы электропривода в условиях работы от автономного источника электрической энергии

В главе 3 приведены результаты моделирования различных топологий преобразователей частоты при питании от сети с источником электрической энергии конечной мощности. Приведены результаты моделирования работы автономной системы с электроприводом при питании от дизель-генератора.

В главе 4 приведены результаты экспериментального исследования работы частотно-регулируемого привода при питании от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами. Даны рекомендации по выбору структурной схемы полупроводникового преобразователя частоты и модификации алгоритмов управления частотно-регулируемым приводом.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Разработанные методы корректировки алгоритма управления электроприводом переменного тока большой мощности позволяют снизить отклонение частоты и напряжения в электрических сетях с автономным источником электрической энергии.

Автономное электроснабжение - это совокупность средств обеспечивающих питание потребителей электрической энергии независимо от централизованной системы электроснабжения. Автономное электроснабжение применяется в случаях, когда подключение к централизованным сетям экономически не оправдано (удаленные районы) или технически сложно реализуемо (различные виды транспорта).

Характерной особенностью систем автономного электроснабжения является ограниченная мощность источника. Мощность источника практически равна суммарной максимальной мощности потребителей.

Развитие алгоритмов управления современным частотно-регулируемым электроприводом идет по пути увеличения быстродействия по контуру момента. Современный привод способен отрабатывать изменение момента за время порядка нескольких миллисекунд.

Рисунок 1 - Результат моделирования потребления активной и реактивной мощности частотно-регулируемым приводом при ступенчатом изменении

задания момента.

На рисунке 1 приведен график потребления мощности частотно-регулируемым приводом с векторным алгоритмом управления при

ступенчатом изменении задания по контуру момента с 0 до номинального значения и с номинального значения до 0. При увеличении и снижении задания происходит резкое изменение потребляемой мощности.

При разработке современных систем электропривода ограничения на динамику накладываются, исходя из характеристик исполнительного механизма. Испытания и наладка алгоритмов управления приводами часто производится на стендах при питании от сетей централизованного электроснабжения. При разработке алгоритмов управления приводами не учитываются характеристики сети с автономным источником электрической энергии, в части реакции на резкое изменение потребляемой мощности.

Источниками электрической энергии в автономных системах могут быть: дизель-генераторы, паро-турбогенераторы, установки на топливных элементах, солнечные батареи, ветряные генераторы, электрические машины в режиме рекуперирования энергии и др.

В качестве источников электрической энергии в системах автономного электроснабжения наибольшее распространение получили дизель-генераторы. При моделировании работы электрической сети в качестве источника рассматривалась дизельная электростанция. Методы стабилизации частоты и напряжения основаны на общих зависимостях и могут быть применены в сетях с любым типом автономных источников электрической энергии.

Мощность, производимая автономным источником электрической энергии, не может изменяться мгновенно. Одним из параметров, характеризующих работу источника, является динамическая характеристика приема нагрузки. Переходные процессы характеризуются временем стабилизации и величиной отклонения напряжения и частоты от установленных ГОСТ Р 54149-2010 на качество электрической энергии. Было произведено математическое моделирование изменение частоты в сети с автономным источником электрической энергии при изменении нагрузки. Модель состояла из модели дизель-генераторной установки, модели коммутирующего элемента и модели нагрузки. Параметры модели дизель-генератора: число пар полюсов - 3, номинальная мощность 1 500 кВт, полная мощность 1 870 кВА. Мощность нагрузки 1200 кВт. На рисунке 2 приведен график частоты в сети автономного электроснабжения при ступенчатом изменении потребляемой мощности.

Гц

. ПГц ------------------

\ —-—— ъ С

Рисунок 2 - График изменения частоты в сети с автономным источником электрической энергии при резком изменении нагрузки.

Из графика на рис 2 следует, что при резком увеличении нагрузки происходит провал частоты, обусловленный разной скоростью набора мощности для потребителя и источника электрической энергии. Во время переходных процессов частота в сети с автономным источником электрической энергии снижается существенно ниже регламентируемых ГОСТ-ом на качество электрической энергии значений.

Существует несколько способов обеспечение согласования скорости изменения мощности в системе электроснабжения с автономным источником электрической энергии:

1. Увеличение скорости набора мощности источником электрической энергии. Данный метод предполагает внесение конструктивных изменений в часть узлов генераторной установки, а также изменение настроек алгоритма управления. Однако внесение изменений в конструкцию источника электрической энергии не всегда возможно, а изменение настроек регулятора обычно не приводит к увеличению быстродействия, поскольку настройки регуляторов, осуществляемые производителем, близки к оптимальным;

2. Установка оборудования с управляемым и быстро изменяющимся потреблением. Одним из примеров потребителя с регулируемой потребляемой мощностью является установка аккумуляторных батарей. Данный вид оборудования способен при недостаточной мощности генераторной установки отдавать мощность, а при избытке мощности забирать ее из сети. Ограничение данного способа регулирования связано с массогабаритными характеристиками аккумуляторных батарей;

3. Модификация алгоритмов управления приводом с целью ограничения скорости изменения потребляемой мощности. В значительной части систем автономного электроснабжения электропривод является основным потребителем. В этом случае

показатели качества электрической энергии определяются характеристиками источника и электропривода.

Данные методы не противоречат друг другу и могут быть применены в комплексе. Первые два метода имеют существенные ограничения и зачастую на практике неприменимы.

В рамках работы было предложено несколько способов модификации алгоритма управления частотно-регулируемым электроприводом. Каждый из предложенных методов предназначен для определенного этапа внедрения и обладает своими преимуществами и недостатками.

Первый способ: введение в алгоритм управления модифицированного задатчика интенсивности, сглаживающего изменение задания на скорость вращения вала привода с учетом характеристики автономного источника электрической энергии. Применение данного способа позволит решить проблему резкого изменения мощности, потребляемой ПЧ при быстром изменении задания.

В зависимости от нагрузочной характеристики изменение задания на одно и то же значение на низких оборотах и на высоких оборотах вызовет разное изменение потребления мощности для систем с разной характеристикой нагрузки. Динамические изменения потребляемой приводом мощности, помимо статической характеристики, определяются моментом инерции привода и исполнительного механизма, а также настройкой регуляторов. Пиковую мощность, потребляемую приводом в динамике, можно оценить по следующей формуле:

Ртр = (Мст(ш3) о)3 ■ /с, (1)

где Мст - статический момент нагрузки, ш3 - заданная частота вращения, сот - текущая частота вращения, ] - суммарный момент инерции, I - время,

к - коэффициент, учитывающий перерегулирование. Ряд источников электрической энергии имеют характерные особенности скорости изменения производимой мощности. Данные особенности необходимо учитывать при разработке задатчика интенсивности. Например, современные дизельные электростанции

используют дизельные двигатели с турбонагнетателем. Турбонагнетатель начинает работать при производстве более половины номинальной мощности. Без запуска турбонагнетателя дальнейшее увеличение мощности дизельного двигателя невозможно. На запуск турбогенератора требуется время порядка нескольких секунд.

Исходя из характеристик дизель-генератора можно разделить характеристики задатчика на три области: при малых скоростях вращения изменение задания может быть отработано достаточно быстро; в зоне, близкой к номинальной частоте вращения привода, задание должно меняться плавно; в зоне запуска турбонаддува необходимо реализовать временную задержку.

Недостатки модифицированного задатчика интенсивности: не стабилизирует частоту в сети при изменении момента нагрузки; не решает проблему резкого изменения потребляемой мощности при переходе привода в генераторный режим. Для работы предложенного метода приходится вносить значительную временную задержку, учитывающую наиболее тяжелые условия. При работе нескольких источников электрической энергии на единые шины скорость набора мощности будет практически равна суммарной скорости набора мощности всех источников. В случае работы одного источника скорость набора мощности будет в несколько раз меньшей, чем в случае параллельной работы нескольких источников. Ввиду необходимости согласования скорости изменения мощности во всех режимах работы, в том числе и в случае работы от одного источника электрической энергии, необходимо настраивать задатчик на наиболее неблагоприятные условия. Решение не является оптимальным с точки зрения быстродействия.

Настройка, блока сглаживающего изменение частоты, не защищает сеть от раскачивания системы в случае резкого изменения нагрузки, поскольку при резком возрастании момента нагрузки снижается скорость вращения привода и регулятор старается компенсировать снижение мощности - увеличивая потребляемый ток. Данный процесс приводит к сильному снижению частоты и выходу за пределы рамок установленных ГОСТ. При резком снижении момента наблюдается обратный процесс, приводящий к увеличению частоты сети.

Однако способ является наиболее простым - для его реализации требуется внесение небольших изменений в программу обработки сигнала цифрового задатчика.

Применение данного способа корректировки задания позволило снизить отклонения частоты в сети с автономным источником электрической энергии на морском буксире 745 проекта «Виктор Конецкий».

Вторым путем решения проблемы несогласованности скорости изменения мощности, является ограничение скорости изменения тока. Ограничение скорости изменения тока, потребляемого преобразователем частоты, не позволит при изменении задания или набросе нагрузки резко изменить нагрузку на автономный источник электрической энергии. Такой способ также решает проблему заброса частоты при переходе привода в генераторный режим. На рисунке 3 приведена измененная структура векторного алгоритма управления асинхронным приводом.

Рисунок 3 - Блок-схема векторного алгоритма управления асинхронным приводом с блоком ограничения скорости изменения тока.

Модифицированный векторный алгоритм управления содержит блок, ограничивающий скорость изменения тока на входе ПЧ регулятора. Данный блок отслеживает изменение активной и реактивной составляющей тока и пропорционально ограничивает изменение каждой из составляющей.

Недостатки:

1. ограничение скорости изменения тока можно задать только после испытаний источника электрической энергии и отстраивать ограничения придется по наиболее тяжелым режимам работы;

2. внесение изменений в программу преобразователя частоты после получения характеристик источника электрической энергии не всегда возможно, а также не позволяет создать программу

для преобразователя частоты независимую от параметров источника электрической энергии.

Данный способ, является более трудоемким и требует внесения изменений в программу преобразователя частоты, что не всегда желательно и возможно.

Третий способ - ограничение скорости набора мощности по частоте питающей сети. Выходное значение с регуляторов тока подается на ограничитель мощности, следящий за частотой питающей сети, в случае снижения частоты до значений, близких к регламентируемым ГОСТом значениям (47,5 Гц), включается ограничение изменения задания на уровень тока. Такое ограничение позволяет избежать провала частоты, при этом на регуляторы автономного источника электрической энергии приходит максимально допустимое рассогласование.

Рисунок 4 - Блок схема векторного алгоритма управления асинхронным приводом с блоком слежения за частотой сети.

Максимальное рассогласование задания и текущей частоты сети приводит к большему воздействию на первичный двигатель автономной электростанции, что снижает время отработки возмущения. На рисунке 4 приведена измененная структура векторного алгоритма управления асинхронным приводом с блоком ограничения скорости изменения тока по частоте сети. При частоте сети от 47,5 до 52,5 Гц блок не ограничивает скорость изменения тока. При выходе за пределы указанных значений блок не позволяет изменяться значению потребляемого тока до нормализации частоты сети.

Данный способ является самым трудоемким и требует значительных изменений, вносимых в код программы преобразователя частоты. В некоторых случаях может потребоваться установка

дополнительных датчиков. Однако данный способ обладает наибольшей универсальностью и является наиболее быстрым из предложенных способов.

Рисунок 5 - Внешний вид модели системы автономного электроснабжения с системой регулирования скорости изменения нагрузки.

Эффективность данного метода была проверена путем математического моделирования процесса резкого изменения потребляемого тока в сети с автономным источником электрической энергии. Математическое моделирование осуществлялось в программном пакете МаЙаЬ 8тиНпк. Внешний вид модели приведен на рисунке 5. Параметры модели дизель-генератора: число пар полюсов - 3, номинальная мощность 1 500 кВт, полная мощность 1 870 кВА. Мощность нагрузки 1200 кВт.

Частота, Гц

f Ги !

-

|

Рисунок 6 - Результат моделирования изменения частоты питания в автономной сети при питании электропривода большой мощности с ограничением потребления мощности по частоте сети.

На рисунке 2 и рисунке 6 видно, что при ограничении скорости изменения тока, исходя из частоты сети, переходные процессы протекаю быстрее, а уровень частоты не снижается ниже отметки, регламентированного ГОСТ.

Эффективность первого способа модификации алгоритма управления была подтверждена практическими испытаниями полученными на морском буксире проекта 745 «Виктор Конецкий». Об эффективности второго и третьего способа регулирования свидетельствуют результаты математического моделирования в программе МаОаЬ.

2. Частотно-регулируемый электропривод с активным выпрямителем является индивидуальным комплексным энергосберегающим оборудованием, позволяющим обеспечивать коэффициент мощности близким к единице и коэффициент несинусоидальности напряжения в регламентированных пределах для сети с автономным источником энергии.

Электропривод переменного тока является основным потребителем электрической энергии для большей части сетей с автономным источником электрической энергии. Поэтому вопрос энергетической эффективности и электромагнитной совместимости между приводом и сетью с автономным источником является актуальным.

Соизмеримая мощность источника и потребителей электрической энергии обуславливает высокое влияние искажения кривой формы тока на форму напряжения. Применения электропривода с преобразователем частоты, построенным по схеме: неуправляемый диодный выпрямитель - автономный инвертор - приводит к сильному искажению формы кривой напряжения. На рисунке 7 показана диаграмма гармонического анализа напряжения на выходе автономного генератора при питании преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем. Данный график получен в результате моделирования сети автономного электроснабжения. Модель состоит из модели синхронного генератора, модели неуправляемого 6-ти пульсного выпрямителя и модели нагрузки выпрямителя. Из приведенных на рисунке 7 данных следует, что при наличии неуправляемого выпрямителя в сети с автономным источником электрической энергии,

форма кривой напряжения сильно искажена и не соответствует требованиям ГОСТ на качество электрической энергии.

юа т во

70

£ 60

20 10 О

Рисунок 7 - Разложение в ряд Фурье формы кривой напряжения, полученной при моделировании работы преобразователя частоты в сети автономного

электроснабжения.

Одним из наиболее распространенных способов решения проблемы электромагнитной совместимости является применение в составе преобразователя частоты выпрямительных схем повышенной пульсности. Чаще всего применяется 12-ти пульсная схема. Выпрямительная часть преобразователя частоты, построенная по 12-ти пульсной схеме, включает в себя - трансформатор с двумя комплектами вторичных обмоток, подключенных по схеме звезда и треугольник к двум комплектам неуправляемых выпрямителей. Трансформатор на входе выпрямителя за счет большой индуктивности и повышения пульсности схемы снижает искажения формы кривой тока.

К недостаткам привода переменного тока с 12-ти пульсным выпрямителем можно отнести: существенное увеличение стоимости в сравнении с 6-ти пульсным неуправляемым выпрямителем; большие габариты и масса; низкий коэффициент мощности при нагрузке, отличной от номинальной; невозможность рекуперации энергии в сеть; уровень искажения кривой тока достигает 20%.

Одним из путей обеспечения электромагнитной совместимости между преобразователем частоты и сетью автономного электроснабжения является установка пассивных и активных фильтров. Однако установка фильтров приводит дополнительным потерям энергии, связанные с преобразованием мощности искажений в тепловую энергию. Пассивные фильтры обладают большими массогабаритными

Порядок гармоники

показателями. Применение активных фильтров существенно удорожает преобразователь частоты.

Одним из наиболее перспективных способов обеспечения электромагнитной совместимости между автономным источником электрической энергии и частотно-регулируемым приводом, а также повышения энергетической эффективности привода, является изменение структуры ПЧ и замена в его составе неуправляемого выпрямителя на активный выпрямитель.

100

<ю — во

I ™

"га" 00 50

I <0 <

30 20 10

° 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Порядок гармоники

Рисунок 8 - Разложение в ряд Фурье кривой тока, полученной при моделировании работы преобразователя частоты с 12-ти пульсным

100 90 ВО

~ 70

о

га 60 || 50 | 40 < 30 20 10 О

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Порядок гармоники

Рисунок 9 - Разложение в ряд Фурье кривой тока, полученной при моделировании работы преобразователя частоты с активным выпрямителем.

За счет применения в структуре преобразователя частоты полностью управляемых силовых коммутаторов, преобразователь частоты с активным выпрямителем может изменять форму потребляемого тока. Для формирования кривой тока активный

выпрямителем.

тип= 4.эг%

л—.___I_____I___I _____I.

выпрямитель использует широтную модуляцию. Ток, потребляемый активным выпрямителем, содержит искажения на частоте модуляции, уровень искажения зависит от частоты переключения силовых ключей, индуктивности входных реакторов и величины потребляемого тока. Заявленный производителями уровень искажений формы кривой тока, потребляемого активным выпрямителем, не превышает 5 %, что подтверждается результатами компьютерного моделирования и практическими данными. Как видно на рисунке 8 и рисунке 9 при использовании в составе ПЧ активного выпрямителя уровень искажений формы кривой тока значительно ниже.

При наличии в сети потребителей потребляющих ток искаженной формы, активный выпрямитель может работать как активный фильтр. В этом случае форма тока будет зависеть от искажений, вносимых в сеть другим оборудованием.

Таблица 1 - Параметры различных схем выпрямления.

Тип выпрямительной схемы КПД Коэффициент мощности Коэффициент искажения кривой тока

6-ти иульсный с активным фильтром 0,93 ~1 4-5%

12-ти пульсная схема 0,95 0,97< 10-20 %

Активный выпрямитель 0,95 ~1 4-5%

С целью сравнения различных топологий полупроводниковых преобразователей частоты был произведен анализ характеристик различных схем выпрямления. Полученные результаты приведены в таблице 1. Как видно из данных, активный выпрямитель обладает высоким КПД при высоком коэффициенте мощности и низких искажениях формы потребляемого тока. Применение активного выпрямителя в составе преобразователя частоты обеспечивает электромагнитную совместимость между приводом переменного тока и сетью с автономным источником электрической энергии. Высокий коэффициент мощности и возможность производить рекуперацию энергии в питающую сеть повышают энергетическую эффективность привода.

Применение 12-ти пульсной схемы выпрямления в условиях питания от автономного источника электрической энергии не является

рациональным, ввиду высоких искажений формы кривой тока (10-20 %), что для ряда источников приводит к снижению показателей качества электрической энергии и выходу значения коэффициента несинусоидальности напряжения за пределы, регламентируемые ГОСТ на качество электрической энергии. Применение активного фильтра приводит к незначительному снижению КПД преобразователя, габариты и стоимость преобразователя частоты могут быть меньше чем у 12-ти пульсной схемы.

Среди приведенных методов обеспечения электромагнитной совместимости и повышения энергетической эффективности электропривода переменного тока при питании от автономного источника введение активного выпрямителя в структуру преобразователя частоты является наиболее эффективным, поскольку обеспечивает наилучшую электромагнитную совместимость и наименьшие массогабаритные показатели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение актуальной научно-технической задачи снижения влияния частотно-регулируемого привода соизмеримой мощности на систему автономного электроснабжения.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований были сделаны выводы о влиянии частотно-регулируемого привода мощностью, соизмеримой с мощностью автономного источника, на сеть автономного электроснабжения. Электропривод является причиной искажения формы кривой напряжения. Резкое изменение мощности, потребляемой приводом переменного тока, приводит к отклонению частоты и напряжения в сети на значения превышающие пределы, установленные ГОСТ на качество электрической энергии;

2. Предложены методы, позволяющие снизить влияние частотно-регулируемого привода на частоту и напряжение сети автономного электроснабжения. Математическое моделирование сети автономного электроснабжения с электроприводом соизмеримой

мощности показало эффективность метода дискретного ограничения скорости изменения тока преобразователя по частоте сети. Результаты экспериментального исследования показали эффективность предложенного модифицированного задатчика интенсивности;

3. Результаты математического моделирования показали снижение влияние на сеть автономного электроснабжения частотно-регулируемого привода при использовании в составе преобразователя частоты активного выпрямителя. В результате сравнения энергетической эффективности различных топологий электропривода переменного тока, при работе от автономного источника электрической энергии, были сделаны выводы о целесообразности использования преобразователя частоты с активным выпрямителем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Момот, Б. А. Моделирование и сравнение работы асинхронного электропривода с высокодинамичными алгоритмами управления / Б.А. Момот, B.C. Горбик // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - №1. - С. 375-380. Личный вклад: построение моделей асинхронного привода с высокодинамичными алгоритмами управления.

2. Момот, Б.А. Сравнение различных схем выпрямления в составе электроприводов переменного тока / Б.А. Момот, B.C. Горбик // Естественные и технические науки. - 2014. - №1. - С. 153-155. Личный вклад: построение моделей частотно-регулируемого привода с различными топологиями выпрямительной части схемы.

В других изданиях:

3. Момот, Б.А. Исследование ЭМС асинхронного электропривода с DTC алгоритмом управления при питании инвертора от активного выпрямителя с питающей сетью / Горбик B.C., Момот Б.А. // IX международная научно-техническая конференция: матер, конф. -Омск,- 2013.-С. 332-341. Личный вклад: построение модели частотно-регулируемого привода с активным выпрямителем, использующий DTC алгоритмом управления.

4. Момот, Б.А. Анализ алгоритмов управления активным выпрямителем напряжения / Б.А. Момот // Международная заочная Научно-практическая конференция: матер, конф. - СПб.- 2013.- С. 216218.

/

РИЦ Горного университета. 25.04.2014. 3.355. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2