WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

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

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

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

– завышении мощности питающего оборудования;

– применении проводов и кабелей большего сечения;

– завышении параметров аппаратов, осуществляющим коммутацию.

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

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

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

Проведен подробный обзор существующих средств и методов выпрямления, включающих в себя схемы, построенные как на управляемых, так и на неуправляемых элементах. Отмечено, что использование управляемых выпрямителей нежелательно, из-за существенного усложнения системы управления. Далее проведен обзор существующих методов и средств инвертирования, отмечены их положительные и отрицательные стороны. Последующий краткий обзор существующих полупроводников приборов показал, что на сегодняшний день не существует приборов класса напряжения выше 7500В. Отличительной чертой аэродромного ССО является потребление КК низких значений тока при высоких значениях напряжений. Так, например, при том, что номинальный выходной ток регулятора составляет 6,6А номинальное напряжение на выходе регулятора будет составлять порядка 3,1кВ при выходной мощности 20кВА. При форме выходного напряжения близкой к синусоидальной амплитудное значение этого напряжения составит порядка 4,4кВ. Для обеспечения требуемой динамики при широтно-импульсных методах управления максимальное выходное напряжение составит порядка 6кВ. Для гарантированно безопасной работы ключевых элементов рекомендуется использовать их на напряжения и токи, составляющие 0,5–0,6 от максимально допустимых. Таким образом, для непосредственной безопасной работы в регуляторах мощностью 20кВА необходимы ключи с максимальным допустимым напряжением порядка 10–12кВ соответственно. Данное обстоятельство определило необходимость использования многоуровневых схем преобразования.

В результате сопоставления технических характеристик существующих полупроводниковых приборов и современных схем выпрямителей и инверторов были предложены две структуры, рассчитанные на работу с КК мощностью до 10кВА (рис.3) и до 20кВА (рис.4) соответственно. В качестве основного полупроводникового элемента использованы IGBT транзисторы.

Рис.3 Электрическая схема РЯ мощностью до 10кВА

Рис.4 Электрическая схема РЯ мощностью до 20кВА

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

Поскольку РЯ должен обеспечивать регулирование и стабилизацию выходного тока с требуемой точностью в широком диапазоне параметров КК и симметрично загружать трехфазную сеть большое внимание уделено изучению влияния реактивных элементов, входящих в состав РЯ (рис.3 и рис.4), и параметров нагрузки, на гармонический состав токов, протекающих в первичной сети и коэффициент мощности РЯ. На основе компьютерных моделей получены зависимости cos1, KI, (рис.5, рис.6) от индуктивности дросселей L1 и L2 (см. рис.3 и рис.4).

Рис.5. Диаграммы изменения показателей качества потребляемого из сети тока в зависимости от индуктивности фильтров L1 для РЯ мощностью до 10кВт:

а) cos; б) гармонических искажений сетевого тока; в) коэффициента мощности системы

Рис.6. Диаграммы изменения показателей качества потребляемого из сети тока в зависимости от индуктивности фильтров L1 и L2 для РЯ мощностью до 20кВт:

а) cos; б) гармонических искажений сетевого тока; в) коэффициента мощности системы

В результате исследования выявлены два принципиально отличающихся режима работы, характерные для обеих схем, а именно: режим прерывистого тока в дросселях (РПТ) и режим непрерывного тока в дросселях (РНТ). Оба режима особо отмечены на рис.5 и рис.6. Для обеих схем справедливо следующее: в режиме РПТ, с ростом индуктивности дросселей, происходит уменьшение значения cos1, а в режиме РНТ, с ростом индуктивности, происходит увеличение значения cos1. В обоих режимах работы рост индуктивности дросселей приводит к снижению гармонических искажений токов в питающей сети и общему увеличению коэффициента мощности системы. Для обоих РЯ коэффициент мощности достигает значения 0.99 при индуктивности дросселей около 0,1 Гн и с последующим ростом индуктивности дросселей не меняется.

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

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

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

Принципы реализации СУ РЯ следующие - сигнал с выхода датчика тока нагрузки (ДТ) iКК поступает на вход компаратора, где сравнивается с сигналом задания ir. Сигнал задания представляет собой синусоидальный сигнал с частотой 50Гц и амплитудой, зависящей от текущего режима работы. Разница i между измеренным током нагрузки и сигналом задания с выхода компаратора поступает на вход регулятора. В зависимости от величины ошибки i регулятор формирует опорный сигнал U0П, который попадает на ШИМ модулятор. ШИМ модулятор производит сравнение опорного сигнала с несущими сигналами и, в зависимости от результата сравнения, на выходе модулятора формируются логические сигналы управления ключами силовой части преобразователя. Оконечный каскад (драйвер) служит для согласования выходных параметров (мощности, тока, напряжения) модулятора с выходными параметрами ключевых элементов.

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

Требуемая точность работы РЯ составляет ±2%, а время завершения переходного процесса при включении (или переключении со ступени на ступень) составляет 3с. Точность регулирования в данном случае распространяется на действующее значение тока в кабельном кольце. Требований к точности регулирования мгновенных значений тока не предъявляется, поскольку тепловые процессы в лампах гораздо более инертны, чем электрические. По вышеуказанным причинам, в качестве регулирующего звена может быть использован традиционный ПИ-регулятор, блок-схема которого представлена на рис.8.

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

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

На основе сделанных допущений структура регулятора была приведена к упрощенной линеаризованной структурной схеме, которая представлена на рис.9, где
KP, KI – коэффициенты ПИ регулятора, UK – максимальное напряжение на выходе РЯ, обусловленное напряжением на накопительных конденсаторах, R – активное сопротивление КК, L – индуктивность КК.

Рис. 9. Упрощенная структурная схема регулятора

На основе анализа полученных передаточных функций установлено, что стабильность системы полностью определяется выбором пропорционального коэффициента – чем больше коэффициент KP, тем меньше запас устойчивости и выше быстродействие управления. В свою очередь интегральный коэффициент KI оказывает влияние на точность управления в статических режимах работы - чем больше коэффициент, тем точнее управление.

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

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

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

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

В процессе моделирования решался ряд задач, а именно:

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

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

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

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

5. Анализ помехоустойчивости СУ.

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

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

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

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

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

Полученные результаты моделирования показали, что гармонические искажения сетевых токов в любых режимах работы не превышают 18%, а в номинальных режимах лежат в диапазоне 10-12%. На рис.10-11 приведены диаграммы установившихся токов фазы А трехфазной питающей сети при работе РЯ1600, РЯ9600 и РЯ19200 в режимах 100% и 1% яркости свечения огней (6.6А и 2.8А соответственно) с полностью работоспособным КК и с КК содержащим 30% перегоревших ламп. На диаграммах указаны амплитуда первой гармоники тока I1M и его полные гармонические искажения KI. Токи в фазах В и С не показаны, поскольку их форма и величина аналогичны току фазы А.

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

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»