Помощь студентам в учебе
Разработка функциональных узлов высокоэффективного трехфазного корректора коэффициента мощности
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ 9
1.1 Понятие о потреблении энергии из электросети 9
1.2 Актуальность использования корректоров коэффициента
мощности 13
1.3 Виды, устройство и принцип работы корректоров коэффициента
мощности 20
2 РАЗРАБОТКА ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА
КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 33
2.1 Принципы построения 33
2.2 Структурная схема высокоэффективного трехфазного ККМ 40
3 СХЕМОТЕХНИКА РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ
ККМ 42
3.1 Схемотехника систем датчиков тока и напряжения 42
3.2 Схемотехника выпрямительного модуля 46
3.3 Схемотехника схемы управления 53
3.4 Схемотехника служебного источника питания 57
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ В СИМУЛЯТОРЕ
LTSPICE 62
4.1 Моделирование систем датчиков тока и напряжения 62
4.2 Моделирование сигналов управления коммутируемыми
выпрямителями 66
4.3 Моделирование коммутируемых выпрямителей 69
4.4 Моделирование управляемых преобразователей 71
4.5 Моделирование работы устройства 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ 9
1.1 Понятие о потреблении энергии из электросети 9
1.2 Актуальность использования корректоров коэффициента
мощности 13
1.3 Виды, устройство и принцип работы корректоров коэффициента
мощности 20
2 РАЗРАБОТКА ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА
КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 33
2.1 Принципы построения 33
2.2 Структурная схема высокоэффективного трехфазного ККМ 40
3 СХЕМОТЕХНИКА РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ
ККМ 42
3.1 Схемотехника систем датчиков тока и напряжения 42
3.2 Схемотехника выпрямительного модуля 46
3.3 Схемотехника схемы управления 53
3.4 Схемотехника служебного источника питания 57
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ В СИМУЛЯТОРЕ
LTSPICE 62
4.1 Моделирование систем датчиков тока и напряжения 62
4.2 Моделирование сигналов управления коммутируемыми
выпрямителями 66
4.3 Моделирование коммутируемых выпрямителей 69
4.4 Моделирование управляемых преобразователей 71
4.5 Моделирование работы устройства 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 84
ПРИЛОЖЕНИЯ 90
ПРИЛОЖЕНИЕ А 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 100
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ 9
1.1 Понятие о потреблении энергии из электросети 9
1.2 Актуальность использования корректоров коэффициента
мощности 13
1.3 Виды, устройство и принцип работы корректоров коэффициента
мощности 20
2 РАЗРАБОТКА ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА
КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 33
2.1 Принципы построения 33
2.2 Структурная схема высокоэффективного трехфазного ККМ 40
3 СХЕМОТЕХНИКА РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ
ККМ 42
3.1 Схемотехника систем датчиков тока и напряжения 42
3.2 Схемотехника выпрямительного модуля 46
3.3 Схемотехника схемы управления 53
3.4 Схемотехника служебного источника питания 57
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ В СИМУЛЯТОРЕ
LTSPICE 62
4.1 Моделирование систем датчиков тока и напряжения 62
4.2 Моделирование сигналов управления коммутируемыми
выпрямителями 66
4.3 Моделирование коммутируемых выпрямителей 69
4.4 Моделирование управляемых преобразователей 71
4.5 Моделирование работы устройства 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КОРРЕКТОРОВ КОЭФФИЦИЕНТА
МОЩНОСТИ 9
1.1 Понятие о потреблении энергии из электросети 9
1.2 Актуальность использования корректоров коэффициента
мощности 13
1.3 Виды, устройство и принцип работы корректоров коэффициента
мощности 20
2 РАЗРАБОТКА ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА
КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 33
2.1 Принципы построения 33
2.2 Структурная схема высокоэффективного трехфазного ККМ 40
3 СХЕМОТЕХНИКА РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ
ККМ 42
3.1 Схемотехника систем датчиков тока и напряжения 42
3.2 Схемотехника выпрямительного модуля 46
3.3 Схемотехника схемы управления 53
3.4 Схемотехника служебного источника питания 57
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОЭФФЕКТИВНОГО ТРЕХФАЗНОГО КОРРЕКТОРА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ В СИМУЛЯТОРЕ
LTSPICE 62
4.1 Моделирование систем датчиков тока и напряжения 62
4.2 Моделирование сигналов управления коммутируемыми
выпрямителями 66
4.3 Моделирование коммутируемых выпрямителей 69
4.4 Моделирование управляемых преобразователей 71
4.5 Моделирование работы устройства 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 84
ПРИЛОЖЕНИЯ 90
ПРИЛОЖЕНИЕ А 90
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 100
В современном мире человек не может обойтись без электронной техники. Электронные устройства применяются как во всех видах промышленности, так и для хозяйственных нужд. При этом основой работы всех электронных устройств является их электропитание. От качества электропитания зависит как эффективность и долговечность работы устройства, так и работоспособность всей электросети. Одним из главных критериев качественного электропитания является обеспечение равномерного отбора энергии электроустройством из сети. Неравномерный отбор приводит к перегреву устройства, возгоранию изоляции и появлению электромагнитных помех, одним словом, к выходу устройства из строя. Неравномерный отбор является следствием искажений двух видов: фазовых и нелинейных [1].
Фазовыми искажениями называется явление, при котором синусоидальный сигнал тока смещается относительно синусоидального сигнала напряжения по фазе. Это происходит при наличии индуктивной или емкостной нагрузки устройства.
Нелинейные искажения представляют собой изменение формы потребляемого тока.
Величина, характеризующая влияние фазовых и нелинейных искажений на отбор электроэнергии из сети, называется коэффициентом мощности [2].
Коэффициент мощности - это отношение активной мощности к полной
мощности [3, с. 135]. Данный параметр определяет полезную долю энергии сети, перешедшую в нагрузку. Или, другими словами, наличие реактивной
составляющей в потребляемом токе различных электрических устройств. Коэффициент мощности обозначается символом Л или cos( р).
Активная мощность - полезная или реальная мощность. Именно эта величина приводит в движение оборудование и выполняет полезную работу. Единица измерения - Вт (Ватт).
Реактивная мощность - мощность, необходимая устройствам с наличием индуктивных или емкостных элементов в нагрузке. Единица измерения - ВАр (Вольт-Ампер реактивный).
Полная мощность - скалярное произведение активной и реактивной мощностей. Единица измерения - ВА (Вольт-Ампер).
Взаимосвязь всех видов мощностей представлена формулой (1):
(1)
где $ - полная мощность, ВА;
Р - полезная мощность, Вт;
Q - реактивная мощность, ВАр.
Коэффициент мощности определяется по формуле (2):
(2)
В подавляющем большинстве случаев напряжение питания имеет синусоидальный вид. Для обеспечения равномерного синусоидального отбора электроэнергии из сети применяются корректоры коэффициента мощности (ККМ).
Корректор коэффициента мощности - это устройство, осуществляющее процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам [4].
Различают пассивные и активные схемы коррекции коэффициента мощности. Пассивные схемы в качестве основных элементов преобразования содержат только ёмкость и индуктивность. Активные схемы кроме элементов пассивных схем содержат еще и ключевые элементы (в общем случае, транзисторы) [5].Существующие схемы коррекции для трехфазных цепей имеют ряд недостатков такие, как большие потери энергии на ключевых элементах, появление силовых токов в нейтральном проводе цепи.
Цель данной работы: разработать новый высокоэффективный трехфазный корректор коэффициента мощности.
Вышеуказанная цель будет достигнута решением следующих задач:
1) исследование основных понятий и принципов работы корректоров коэффициента мощности;
2) анализ существующих корректоров коэффициента мощности и выявление их преимуществ и недостатков;
3) разработка принципов работы нового корректора коэффициента мощности и построение его структурной схемы;
4) построение имитационных моделей отдельных функциональных узлов разрабатываемого устройства;
5) построение имитационной модели всего разрабатываемого устройства.
Фазовыми искажениями называется явление, при котором синусоидальный сигнал тока смещается относительно синусоидального сигнала напряжения по фазе. Это происходит при наличии индуктивной или емкостной нагрузки устройства.
Нелинейные искажения представляют собой изменение формы потребляемого тока.
Величина, характеризующая влияние фазовых и нелинейных искажений на отбор электроэнергии из сети, называется коэффициентом мощности [2].
Коэффициент мощности - это отношение активной мощности к полной
мощности [3, с. 135]. Данный параметр определяет полезную долю энергии сети, перешедшую в нагрузку. Или, другими словами, наличие реактивной
составляющей в потребляемом токе различных электрических устройств. Коэффициент мощности обозначается символом Л или cos( р).
Активная мощность - полезная или реальная мощность. Именно эта величина приводит в движение оборудование и выполняет полезную работу. Единица измерения - Вт (Ватт).
Реактивная мощность - мощность, необходимая устройствам с наличием индуктивных или емкостных элементов в нагрузке. Единица измерения - ВАр (Вольт-Ампер реактивный).
Полная мощность - скалярное произведение активной и реактивной мощностей. Единица измерения - ВА (Вольт-Ампер).
Взаимосвязь всех видов мощностей представлена формулой (1):
(1)
где $ - полная мощность, ВА;
Р - полезная мощность, Вт;
Q - реактивная мощность, ВАр.
Коэффициент мощности определяется по формуле (2):
(2)
В подавляющем большинстве случаев напряжение питания имеет синусоидальный вид. Для обеспечения равномерного синусоидального отбора электроэнергии из сети применяются корректоры коэффициента мощности (ККМ).
Корректор коэффициента мощности - это устройство, осуществляющее процесс приведения потребления конечного устройства, обладающего низким коэффициентом мощности при питании от силовой сети переменного тока, к состоянию, при котором коэффициент мощности соответствует принятым стандартам [4].
Различают пассивные и активные схемы коррекции коэффициента мощности. Пассивные схемы в качестве основных элементов преобразования содержат только ёмкость и индуктивность. Активные схемы кроме элементов пассивных схем содержат еще и ключевые элементы (в общем случае, транзисторы) [5].Существующие схемы коррекции для трехфазных цепей имеют ряд недостатков такие, как большие потери энергии на ключевых элементах, появление силовых токов в нейтральном проводе цепи.
Цель данной работы: разработать новый высокоэффективный трехфазный корректор коэффициента мощности.
Вышеуказанная цель будет достигнута решением следующих задач:
1) исследование основных понятий и принципов работы корректоров коэффициента мощности;
2) анализ существующих корректоров коэффициента мощности и выявление их преимуществ и недостатков;
3) разработка принципов работы нового корректора коэффициента мощности и построение его структурной схемы;
4) построение имитационных моделей отдельных функциональных узлов разрабатываемого устройства;
5) построение имитационной модели всего разрабатываемого устройства.
В результате проделанной работы были исследованы основные понятия и принципы работы корректоров коэффициента мощности. Был проведен анализ существующих схем коррекции коэффициента мощности, где были выделены их преимущества и недостатки. Были рассмотрены и смоделированы средствами Simulink схемы активных и пассивных однофазных и трехфазных корректоров коэффициента мощности. Далее в связи с недостатками существующих корректоров коэффициента мощности была предложена разработка нового высокоэффективного трехфазного корректора коэффициента мощности с описанием его принципов работы и построением структурной схемы.
Новый корректор коэффициента мощности обладает следующими преимуществами:
1) обеспечивает близкий к гармоническому закон потребления электрического тока в фазах питающей сети;
2) обеспечивает отсутствие силовых токов в проводе нейтрали;
3) обеспечивает снижение нагрузки на ключевой элемент за счет прохождения потока электрической мощности через дополнительные преобразователи существенно меньшего, чем через основной силовой трехфазный выпрямитель;
4) обеспечивает гальваническую развязку между цепью питания нагрузки и цепью потребления энергии из электросети.
После этого была предложена схемотехника разрабатываемого устройства и проведено моделирование каждого функционального узла системы в симуляторе LTSpice. В результате моделирования работы устройства произведено сравнение расчетных и нормированных значений гармонических составляющих тока потребления, которое показало, что расчетные значения не превышают нормированных. Таким образом, моделирование подтвердило изначальные принципы построения и заявленную цель.
Новый корректор коэффициента мощности обладает следующими преимуществами:
1) обеспечивает близкий к гармоническому закон потребления электрического тока в фазах питающей сети;
2) обеспечивает отсутствие силовых токов в проводе нейтрали;
3) обеспечивает снижение нагрузки на ключевой элемент за счет прохождения потока электрической мощности через дополнительные преобразователи существенно меньшего, чем через основной силовой трехфазный выпрямитель;
4) обеспечивает гальваническую развязку между цепью питания нагрузки и цепью потребления энергии из электросети.
После этого была предложена схемотехника разрабатываемого устройства и проведено моделирование каждого функционального узла системы в симуляторе LTSpice. В результате моделирования работы устройства произведено сравнение расчетных и нормированных значений гармонических составляющих тока потребления, которое показало, что расчетные значения не превышают нормированных. Таким образом, моделирование подтвердило изначальные принципы построения и заявленную цель.
