Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

Методика расчета параметров ОИН, работающего параллельно к сетью  Просмотрен 26

Основными параметрами ОИН, работающего в режиме отдачи в сеть активной мощности (ОИН с РПС) здесь являются индуктивность сопрягающего дросселя – L2 и параметры, необходимые для управления ОИН на основе программного алгоритма с ШИМ: фазовый угол, характеризующий уровень отдаваемого в сеть тока – q2(1) и параметр регулирования напряжения m2, называемый также глубиной модуляции. Найдем между этими параметрами необходимую взаимосвязь.

Предварительный алгоритм расчета

1. Исходными данными расчета являются:

– расчетная (выходная) мощность ОИН, отдаваемая в сеть (действующее значение основной гармоники): P2(1)=10кВт,

– амплитуда напряжения сети: U1m= ·U1= ·220 ≈ 312В,

– частота сети: f1=50Гц.

2. Исходные данные позволяют определить уровень тока, отдаваемого в сеть:

. (1)

3. В начальном этапе расчета используем известный из [2] факт о том, что противо-ЭДС – E2(1)m инвертора должна быть больше напряжения сети – U1m. Из этого следует неравенство E2(1)m > U1m, которое для удобства расчета запишем в следующим виде:

. (2)

где Кр – расчетный коэффициент. Согласно предварительному анализу, значение коэффициента Кр рекомендуется взять в пределах: . В данном случае возьмем среднее значение

(2a)

4. Зная параметры Е2(1)m и U1m и согласно векторной диаграмме (см. рис.2), определим фазовый угол, характеризующий уровень отдаваемого в сеть тока – q2(1) :

(3)

(3a)

5.

Взаимосвязь между параметрами E2(1)m и постоянной составляющей входного напряжения ОИН с РПС – Ud0 однозначная и жесткая. В идеальном случае (т.е. без учета времени задержки на переключение ключей, а также падений напряжения на транзисторах и диодах) равно:

, (4)

где μ2 1 – глубина модуляции (параметр регулирования противо-ЭДС). При μ2 = 1 параметр Ud0 равен E2(1)m:

(5)

6. Согласно векторной диаграмме (см. рис.2), можно определить падение напряжения на индуктивности дросселя на выходе ОИН в РПС – через известный параметр угла q2(1):

(6)

7. Используя известную взаимосвязь, определим индуктивности дросселя L2:

(7)

8. Из моделей (3) и (4) получим взаимосвязь между входным напряжением Ud0 и сетевым напряжениям через параметры, и :

(8)

Из модели (5) и (8) видно, что они дают одинаковый результат.

9. Используя (6), (7) и (8), несложно убедиться, что амплитуда отдаваемого в сеть активного тока может быть представлена следующим образом:

(9)

Произведем проверку путем подстановки полученных значений параметров Ud0, μ2 в модель (9) для двух значений Ud0=320В, μ2=1 и Ud0=353,61В, μ2=0,9:

(9а)

Вывод: результаты по п.9 дают практически полную сходимость относительно его исходного значения, заданного в п.2. Следовательно, все параметры ЧКП в этом режиме взаимоувязаны верно.

10. Определим отдаваемую в сеть активную мощность:

. (10)

11. Мощность на входе ОИН с РПС по постоянной составляющей, которая является основной гармоникой (нулевой частоты) равна:

(11)

Равенство выходной и входной мощностей ЧКП по основным гармоникам свидетельствует о выполнении критерия энергетического баланса и, следовательно, о корректно выполненных расчетах.


60ms
80ms
90ms
0V
-400V
400V
 
-100A
0A
100A
0V
-400V
400V
0V
-400V
400V
a)
70ms
 
80ms
90ms
0V
-400V
400V
 
-100A
0A
100A
0V
-400V
0V
-400V
400V
60ms
70ms
80ms
90ms
400V
0V
-400V
400V
 
-100A
0A
100A
0V
-400V
0V
-400V
400V
400V
0V
-400V
400V
-100A
0A
100A
0V
-400V
0V
-400V
400V
400V
80ms
90ms
70ms
70ms
60ms
60ms
б)
в)
г)
uL(t)
e2(t)
u1(t)
i2(t)
uL(t)
e2(t)
u1(t)
i2(t)
uL(t)
uL(t)
e2(t)
e2(t)
u1(t)
i2(t)
u1(t)
Рис. 3. Результаты ИКМ на первом этапе исследования ОИН с РПС при параметрах: Ud0=320B; L2=3,54мГн; =12,84°; μ2=1; U1m=312B (f1=50Гц): а) при fт=300Гц; б) при fт=600Гц; в) при fт=900Гц; г) при fт=1500Гц.

Результаты имитационного компьютерного моделирования

i2(t)
Имитационное компьютерное моделирование (ИКМ) ОИН с РПС выполнено в рамках 2-х этапов: 1) проверка (предварительно) ожидаемых результатов при выше расчетных параметрах: Ud0=320B; L2=3,54мГн; =12,84°; μ2=1; U1m=312B (f1=50Гц), 2) коррекция (окончательно) соответствующих параметрах для получения ожидаемых результатов. Что мы ожидаем в 1-м этапе исследования? В результате ИКМ сетевое напряжение U1m и отдаваемый в сеть ток (с соответствующим приемлемым качеством искажений) должны быть в фазе. Результаты проведенного ИКМ для первого этапа представлены на рис. 3. Из них следует, что искажения отдаваемого в сеть тока сильно зависит от тактовой частоты fT. В табл. №1 и на рис. 4 подробно представлены результаты исследования влияния тактовой частоты fT на качество отдаваемого в сеть тока – КГ(i2) при ее изменении в пределах fT=150Гц÷3600Гц. Из табл.№1 видно, что наиболее приемлемое значение искажений тока оказывается при fT ≥1500Гц.

Табл. №1

Результаты исследования влияния изменения тактовой частоты – fт на искажения отдаваемого в сеть тока ОИН с РПС

 

fm [Гц]        
КГ(i2) [%] 17,7 8,4 5,5 3,29 1,67 0,84

Рис. 4. График, поясняющий влияние тактовой частоты – fт на процессы в ОИН с РПС при Ud0=320B; L2=3,54мГн; =12,84°; μ2=1; U1m=312B (f1=50Гц); I2(1)m=63A.

Проведенный анализ также показал, что отдаваемый в сеть ток – несколько опережает сетевого напряжения u1(t). Основной причиной этого является уменьшение амплитудного значения противо-ЭДС – Е2(1)m по сравнению с амплитудой сетевого напряжения – U1m (см. рис. 5).

Поскольку при ИКМ используются реальные транзисторы (IGBT) и диоды со своими падениями напряжения, а также с учетом времени задержки на переключение ключей, то амплитудное значение параметра Е2(1)m при μ2=1 меньше значения постоянной составляющей входного напряжения – Udo: Е2(1)m=308В < Udo=320B (в идеальном случае они должны быть равны Udo=Е2(1)m =320В). Векторная диаграмма, отражающая этот случай, показана на рис.5. Из неё следует, что ожидаемый режим не реализован. Следовательно, для получения ожидаемых результатов необходимо на 12В увеличить входное напряжение ОИН Udo . В результате появляется следующая взаимосвязь между Udo и Е2(1)m:

(12)

 

Рис. 5. Векторная диаграмма, полученная на основе результатов ИКМ при Ud0=320B; L2=3,54мГн; =12,84°; μ2=1; U1m=312B (f1=50Гц); fT=1500Гц.
E2(1)m0 =312B
E2(1)m =308B
UL(1)m =69B
IL2(1)m =62A
U1m =312B
θ2(1) =13°

Из моделей (2а) и (12) получим уточненную модель требуемого значения входного напряжения ОИН при РПС – Ud0 через сетевое напряжение U1m:

(13)

Результаты ИКМ данного 2-го этапа исследования (при увеличении входного напряжения по модели (13): ) представлены на рис.6, где видно, что сетевое напряжение и отдаваемый в сеть ток находятся в фазе.

На основе ИКМ также получены следующие необходимые параметры для дальнейшего расчета однофазного малоискажающего выпрямителя (ОМИВ):

1) значение потребляемого тока из ОМИВ (входной ток ОИН с РПС) –

Id0=31,1A;

2) значение требуемого выходного напряжения ОМИВ (входное напряжение ОИН с РПС) – Ud0=332В;

3) значение выходной мощности ОМИВ (входная мощность ОИН с РПС):

Pd0= Ud0·Id0=332·31,1=10325,2Вт.

4) значение выходной мощности ОИН с РПС:

P2(1)= U1(1)·I2(1)=220,62·46,7=10302,83Вт

5) взаимосвязь между входной и выходной мощностей ОИН с РПС:

Pd0=1,0022· P2(1)

I2(1) =46,7A
КГ(i2)=3,39%
80ms
100ms
110ms
0V
-350V
350V
 
-100A
-50A
0A
50A
100A
iL2
u1(t)
Рис. 6. Результаты ИКМ рабочих процессов (сетевого напряжения и тока, отдаваемого в сеть) в ОИН с РПС при Ud0=332B; L2=3,54мГн; =12,84°; μ2=1; U1m=312B (f1=50Гц).  
0A
-40A
80A
Id0 =31,1A
Ud0 =332B
Pd0 =10325,2Bт
U1(1) =220,62B
P2(1) =10302,83Вт

Методика уточнённого расчета параметров однофазного малоискажающего выпрямителя (ОМИВ)

1) Из выше указанного расчета ОИН с РПС уже известна выходная мощность ОМИВ, которая равна:

.

2) Определим сопротивление нагрузки ОМИВ для проведения ИКМ:

3) Задаем (действующее) значение входного напряжения ОМИВ (здесь напряжение на вторичной обмотке трансформатора с коэффициентом трансформации KTV=1, который используется только для гальванической развязки) такое же, как и сетевое напряжение:

4) Для упрощения расчета здесь также условно задаём значение индуктивности таким же, как у ОИН с РПС, равным L=3,54мГн.

5) Угол q2(1) найдем по известной методике [2]:

(7)

 

6) На основе проведенного ИКМ и с учетом падения напряжения в транзисторах, в диодах и времени задержки переключения ключей по системе управления получена несколько уточненная следующая взаимосвязь между параметрами μ и θ2(1):

, (8)

. (8а)

 

 
0V
-400V
400V
-400V
0V
400V
 
0A
-200A
200A
200ms
220ms
240ms
0V
500V
0V
-400V
400V
u1(t)
i1(t)
uL(t)
e2(t)
uC(t)
Pиc. 7. Осциллограммы рабочих процессов в ОМИВ при P1≈11кВт; Pd0≈10кВт; U1m=312B; f1=50Гц; fT=1500Гц; Cd=2000мкф; Rd=10,68ом; L=3,54мГн; µ=0,898; θ=-13,27°: u1(t) – сетевое напряжение; i1(t) – потребляемый из сети ток; uL(t) – напряжение на дросселе; e2(t) – противо ЭДС; uC(t) – напряжение на буферном конденсаторе.

 

Табл. №2

Результаты исследования влияния индуктивности дросселя – L на искажения потребляемого ОМИВ из сети тока и на параметры θ1(1) , µ

при: U1m=312B; f1=50Гц; fT=1500Гц; Cd=2000мкф; Rd=10,68ом; Pd0≈10кВт; φ1(1) ≈0°

 

L[мГн] θ1(1)[°] µ КГ(i)[%]
-7,59 0,88 11,4
-11,31 0,89 7,6
-14,93 0,9 5,6
-18,43 0,92 4,6
-21,79 0,94 3,9
-25,01 0,96 3,4
-28,06 0,99 3,2

 

Рис.8. Графическое представление информации в табл.2  

 


Табл. №3

Результаты ИКМ процессов в ОМИВ при изменении ёмкости конденсатора – Сd (для U1m=312B; f1=50Гц; fT=1500Гц; L=3,54мГн; θ=-13,27; µ=0,898; Rd=10,68ом)

 

Cd[µF] Ud0[B] ΔUd[B] ΔUd[%] φ1(1)[ °] КГ(i)[%] I1[A] I1(1)m[A] I1(1)[A]
40,8 22,9 70,6 99,3 70,2
7,1 8,25 57,3 80,8 57,1
16,3 -2,3 6,47 52,9 74,6 52,7
13,1 -7,34 5,43 51,2 72,3 51,1
10,6 -10,8 4,8 50,4 71,1 50,2
9,8 -13,4 4,4 49,9 70,3 49,7
7,8 -15,2 4,1 49,7 69,9 49,4

 

Рис.9. Графическое представление информации в табл.№3.

На рис.10 представлены осциллограммы рабочих процессов в имитаторе, иллюстрирующие его функциональную характеристику. Из них и из табл. 4, в частности, следует, что потребляемый ОМИВ из сети ток несколько больше,

 

0s
40ms
80ms
120ms
160ms
200ms
240ms
280ms
320ms
360ms
-400V
0V
400V
 
0A
-400A
400A
0V
600V
uC(t)
u1(t)
i2(t)
i1(t)
320ms
340ms
360ms
-400V
0V
400V
 
-200A
0A
200A
0V
400V
uC(t)
200V
u1(t)
i1(t)
i2(t)
Ud0=328В
I1=46,37В
I2=44,91В
б)
а)
Рис. 10. Осциллограммы, поясняющие рабочие процессы в имитаторе: а) – процессы от 0 s : – напряжение на буферном конденсаторе; – сетевое напряжение; – потребляемый из сети ток; – отдаваемый в сеть ток; б) – процессы в установившемся режиме.
ΔUd =4,9%
КГ(i1)=4,31% ; КГ(i2)=3,32% ;  


чем отдаваемый в неё ОИН ток. Эта разница определяет собой КПД имитатора (ηСП=0,968).

Табл. №4

Параметры исследуемого имитатора: напряжение сети U1(1)=220B с частотой f1=50Гц; тактовая частота ШИМ для (ОМИВ и ОИН с РПС) – fT =1500Гц; индуктивность сопрягающих дросселей – L1 = L2=3,54 мГн; емкость буферного конденсатора СБ=3800мкФ

 

Параметры Значение
Для ОМИВ   
Фазовый угол – θ1(1) [грд.] -13,27
Глубина модуляции – μ1 0,89
Действующее значение (полного) потребляемого от сети тока – I1 [A] 46,37
Амплитудное значение (основной гармоники) этого тока – I1(1)m [A] 65,49
Действующее значение (основной гармоники) этого тока – I1(1) [A] 46,31
Коэффициент гармоник потребляемого тока – КГ(i1) [%] 4,31
Постоянная составляющая напряжения на буферном конденсаторе – UСБ [В]  
Постоянная составляющая максимального значения тока через конденсатора – ICБ [A] 30,39
Потери в одном и 4-х транзисторах ОМИВ [Вт] 5,69/22,76
Потери в одном и 4-х диодов ОМИВ [Вт] 34,57/138,28
Суммарные потери в ключевых элементах ОМИВ [Вт] 161,06
Входная мощность ОМИВ – P1(1) [кВт] 10,05
Выходная мощность ОМИВ – Рdo [кВт] 9,97
Для ОИН с РПС   
Фазовый угол – θ2(1) [грд.] 12,84
Глубина модуляции – μ2  
Действующее значение (полного) отдаваемого в сеть тока – I2 [A] 44,91
Амплитудное значение (основной гармоники) этого тока – I2(1)m [A] 63,49
Действующее значение (основной гармоники) этого тока – I2(1) [A] 44,89
Коэффициент гармоник этого тока – КГ(i2) [%] 3,32
Потери в одном и 4-х транзисторах ОИН [Вт] 33,16/132,64
Потери в одном и 4-х диодов ОИН [Вт] 4,11/16,44
Суммарные потери в ключевых элементах ОИH [Вт] 149,08
Выходное напряжение ОИН в РПС – U2(1) [В] 216,7
Выходная мощность ОИН в РПС – Р2(1) [кВт] 9,73
КПД «спарки» ηСП=9,73 / 10.05=0,968 0,968

 

РВ
СГ
АД
 
 
ЧКП-2
ЧКП-1
ГС
СБ
L2
L1
Сеть
Q1
Q2
Потребители
Рис.9. Пример структурно-функциональной схемы энергосберегающих испытаний на основе использования ЭИН переменного тока: АД – асинхронный двигатель, СГ – синхронный генератор с регулятором возбуждения, ЧКП-1 – инвертор, работающий параллельно с сетью, ЧКП-2 – малоискажающий выпрямитель, L1, L2 – сопрягающие дроссели, СБ – буферный конденсатор, ГС – генерирующая станция.

Заключение

1. Потенциальные сферы применения 4-квадрантных преобразователей (ЧКП), обладающих свойством обратимости достаточно многообразны. Между тем, информационно-методического обеспечения (ИМО) для их разработки, включая расчетный этап параметрической оптимизации, в публикациях на доступном инженерном уровне или мало, или фактически нет. В представленной работе на конкретном примере электронного имитатора нагрузки (ЭИН) переменного тока сделан реальный шаг в направлении решения этой проблемы.

2. Показано, что рассмотренная структура ЭИН двух последовательно включенных ЧКП может использоваться при испытаниях в энергосберегающем режиме как самих ЧКП, так и электромеханических преобразователей в двигательном и генераторном режимах.

3. В качестве средства решения создания ИМО использованы имитационное компьютерное моделирование и уже ранее полученные параметрические взаимосвязи для ЧКП, работающего в двух режимах – в режиме малоискажающего однофазного выпрямителя и в режиме отдачи в сеть активной мощности.

4. В состав ИМО для системного проектирования ЭИН входят: процедура согласования параметров управления одним ЧКП-1, который отдаёт в сеть заданную при испытаниях мощность, с параметрами другого ЧКП-2, который потребляет из сети эту же мощность с учётом потерь в двух ЧКП.

5. Получены рекомендации по выбору ёмкости буферного конденсатора на выходе ЧКП-2 и индуктивностей сопрягающих дросселей на его входе и на выходе ЧКП-1.

Литература

1. Берилов А.В., Грузков Д.С., Обрадович. О подходе к синтезу имитационных нагрузочных устройств. Вестник МЭИ, №3, 2007. – с.27÷32.

2. Мыцык Г.С., Хлаинг Мин У. Параметрические взаимосвязи в однофазном малоискажающем выпрямителе на базе однофазного инвертора напряжения. Электричество, 2015, №9. – С.48-55.

3. Горякин Д.В., Мыцык Г.С. Исследование режимов работы трехфазной мостовой инверторной схемы. Электричество, 2012, №5. – С.23-31.

4. Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. – М.: Энергия, 1968. – 96 с.

 

Примечание: материал статьи опубликован в статье: G.S.Mytsyk, Myo Min Thant and Hlaing Min Oo. “Informational and Methodological Support for Construction of AC Load Electronic Simulators” // 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Moscow, Russia, 2018, pp.1-6.

Предыдущая статья:Функциональные свойства простейшей «спарки» – базовой для ЭИН структуры Следующая статья:– наука, изучающая объективные законы развития конкретно-исторического.. Педагогика
page speed (0.1444 sec, direct)