Помощь студентам в учебе
Энергообмен в 12-и фазном компенсированном выпрямителе
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ВЛИЯНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ 8
1.1 Реактивная мощность 8
1.2 Мощность искажения 11
2 ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 14
2.1 Компенсированные выпрямители 14
2.2 Активные фильтры 18
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ В СРЕДЕ MATLAB/SIMULINK 22
3.1 Модель симметричного компенсированного выпрямителя 23
3.2 Модель параллельного активного фильтра 33
4 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 51
4.1 Гармонический анализ спектра мгновенной мощности выпрямителя .... 53
4.2 Энергетические характеристики электромагнитных процессов 61
4.3 Оценка влияния активного фильтра 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 ВЛИЯНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ 8
1.1 Реактивная мощность 8
1.2 Мощность искажения 11
2 ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 14
2.1 Компенсированные выпрямители 14
2.2 Активные фильтры 18
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ В СРЕДЕ MATLAB/SIMULINK 22
3.1 Модель симметричного компенсированного выпрямителя 23
3.2 Модель параллельного активного фильтра 33
4 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ 51
4.1 Гармонический анализ спектра мгновенной мощности выпрямителя .... 53
4.2 Энергетические характеристики электромагнитных процессов 61
4.3 Оценка влияния активного фильтра 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Во многих электрических сетях и системах вентильные преобразователи являются одним из основных видов нагрузки. Преобразователь является для сети нелинейной нагрузкой, и его работа оказывает влияние на режимы работы сети, особенно если мощности преобразователя и сети соизмеримы [1].
Специфика преобразовательных устройств силовой электроники, выполняемых на полупроводниковых управляемых вентилях, связана с ключевым (дискретным) характером работы вентилей, что предопределяет дискретизацию как процесса потребления энергии преобразователем от ее первичного источника, так и процесса передачи ее потребителю (нагрузке). Дискретное потребление энергии преобразователем от источника электроэнергии приводит к заметному обратному влиянию вентильного преобразователя на качество электроэнергии в точке подключения, последствия чего ощущают и сам преобразователь, и другие потребители, получающие питание от того же источника [2].
Вентильные преобразователи с ростом угла управления а потребляют из сети всё большую реактивную мощность, также как асинхронные двигатели, электропечи, сварочные и другие устройства. Это понижает общий коэффициент мощности в питающей сети.
Ту часть реактивной мощности, которая обусловлена введением угла сдвига а с целью регулирования выпрямленного напряжения, можно перевести из мощности индуктивного режима в мощность емкостного режима, если вместо угла запаздывания а ввести такой же угол опережения, т.е. смещать момент зажигания в вентилях не вправо, а влево от точки естественного зажигания [3].
Аналогичного эффекта можно добиться, применив определенные схемные решения для выпрямителя. Сместить момент зажигания влево можно , внеся изменения в схему выпрямителя, при котором в контур коммутации вносится дополнительное напряжение. Создание условий для коммутации тока в таких выпрямителях получило название искусственной коммутации тока. Благодаря возможностям преобразователей с искусственной коммутацией компенсировать реактивную мощность в питающей сети этот класс устройств стали именовать компенсированными преобразователями [4].
Большой вклад по созданию общей теории преобразовательных схем с искусственной коммутацией внесен «Киевским политехническим институтом» г. Киев, «Научно-исследовательским институтом по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения», г. Санкт-Петербург, «Южно¬Уральским государственным университетом», г. Челябинск, «Новосибирским государственным техническим университетом», г. Новосибирск. Исследованиями в этой области занимались Г.И. Бабат, И.Л. Каганов, И.М. Чиженко, С.Р. Глинтерник, А.В. Баев, Ю.И. Хохлов.
Компенсированные преобразователи имеют ряд достоинств, благодаря чему исследование их характеристик является весьма актуальной темой.
Помимо потребления реактивной мощности при работе вентильного преобразователя от сети соизмеримой мощности возникают дополнительные отрицательные эффекты, вызванные искажением тока, потребляемого вентильными преобразователями. Несинусоидальные токи преобразователей создают на внутреннем сопротивлении сети ограниченной мощности несинусоидальное падение напряжения, вызывая искажение кривой питающего напряжения [5].
Несинусоидальность напряжения сети оказывает неблагоприятное влияние на работу многих потребителей энергии: увеличиваются потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, повышается нагрев токоведущих частей и износ изоляции, снижается надежность работы устройств автоматики и релейной защиты, ухудшается работа связи.
Большой вклад в решение проблем, связанных с регулированием потоков мощности и увеличением показателей качества передаваемой мощности в высоковольтных системах электроснабжения внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.К. Розанов, Г.С. Зиновьев, О.А. Маевский, В.С. Моин, Ю.И. Колобов, И.И. Карташев, И.В. Жежеленко, H. Akagi, E.H. Watanabe, N.G. Hingorani и др. Однако, тема сопряжения генерируемых мощностей ВЭУ с конечным потребителем в низковольтных электрических сетях изучена недостаточно.
На сегодняшний день активные фильтрокомпенсирующие устройства — достаточно эффективное решение задачи устранения высших гармоник, регулирования уровня реактивной мощности, улучшения коэффициента мощности, балансирования нагрузки и т. д. [19, 20].
Для управления активными фильтрокомпенсирующими устройствами предложено значительное количество математических методов. Одной из наиболее распространенных теорий, применяемых для управления активными фильтрами, является теория мгновенной мощности, предложенная в [21]. Эта теория очень эффективна в разработке контроллеров для активных фильтров на основе устройств силовой электроники.
Теория мгновенной мощности получила развитие с появлением новых микропроцессорных систем с использованием современной элементной базы. Аппарат мгновенной мощности применяется в системах контроля качества преобразования энергии.
Теория мгновенной активной и реактивной мощности или просто p-q теория основана на совокупности мгновенных значений активной и реактивной мощностей, определенных во временной области. Мгновенная мощность формируется произведением сигналов напряжения и тока, которые могут быть легко измерены для любого преобразователя. В p-qтеории нет ограничений на форму сигналов напряжения или тока, и она может быть применена как к трехфазной трехпроводной системе, так и к трехфазной четырехпроводной системе, содержащей нейтральный провод. Таким образом, значения мощности, рассчитанные посредством p-qтеории справедливы не только для установившегося режима, но и для переходных процессов [21].
Исследование энергопроцессов методами p-qтеории в компенсированных выпрямителях при их параллельном включении с активными фильтрами представляет определенный интерес.
Цель работы - исследование энергообмена в двенадцатифазном компенсированном выпрямителе с позиции теории мгновенной мощности при помощи компьютерного моделирования. Исследование взаимного влияния активного фильтра и компенсированного выпрямителя.
Работа содержит четыре главы. Объем работы 72 листа, библиографический список содержит 25 источников.
В первой главе описываются энергетические показатели выпрямителей, рассматривается влияние выпрямителей на питающую сеть.
Во второй главе предложен вариант снижения негативного воздействия преобразователей на питающую сеть. Для уменьшения реактивной мощности применяются компенсированные преобразователи, для компенсации гармонических токов - параллельный активный фильтр.
Третья глава включает описание компьютерной модели двенадцатифазного компенсированного выпрямителя с параллельным активным фильтром. В ходе описания схемы активного фильтра разъясняются основные положения теории мгновенной мощности.
Четвертая содержит полученные в результате моделирования данные и выводы о характере энергообмена. Дается оценка влияния параллельного активного фильтра на электромагнитные процессы в компенсированном преобразователе.
Специфика преобразовательных устройств силовой электроники, выполняемых на полупроводниковых управляемых вентилях, связана с ключевым (дискретным) характером работы вентилей, что предопределяет дискретизацию как процесса потребления энергии преобразователем от ее первичного источника, так и процесса передачи ее потребителю (нагрузке). Дискретное потребление энергии преобразователем от источника электроэнергии приводит к заметному обратному влиянию вентильного преобразователя на качество электроэнергии в точке подключения, последствия чего ощущают и сам преобразователь, и другие потребители, получающие питание от того же источника [2].
Вентильные преобразователи с ростом угла управления а потребляют из сети всё большую реактивную мощность, также как асинхронные двигатели, электропечи, сварочные и другие устройства. Это понижает общий коэффициент мощности в питающей сети.
Ту часть реактивной мощности, которая обусловлена введением угла сдвига а с целью регулирования выпрямленного напряжения, можно перевести из мощности индуктивного режима в мощность емкостного режима, если вместо угла запаздывания а ввести такой же угол опережения, т.е. смещать момент зажигания в вентилях не вправо, а влево от точки естественного зажигания [3].
Аналогичного эффекта можно добиться, применив определенные схемные решения для выпрямителя. Сместить момент зажигания влево можно , внеся изменения в схему выпрямителя, при котором в контур коммутации вносится дополнительное напряжение. Создание условий для коммутации тока в таких выпрямителях получило название искусственной коммутации тока. Благодаря возможностям преобразователей с искусственной коммутацией компенсировать реактивную мощность в питающей сети этот класс устройств стали именовать компенсированными преобразователями [4].
Большой вклад по созданию общей теории преобразовательных схем с искусственной коммутацией внесен «Киевским политехническим институтом» г. Киев, «Научно-исследовательским институтом по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения», г. Санкт-Петербург, «Южно¬Уральским государственным университетом», г. Челябинск, «Новосибирским государственным техническим университетом», г. Новосибирск. Исследованиями в этой области занимались Г.И. Бабат, И.Л. Каганов, И.М. Чиженко, С.Р. Глинтерник, А.В. Баев, Ю.И. Хохлов.
Компенсированные преобразователи имеют ряд достоинств, благодаря чему исследование их характеристик является весьма актуальной темой.
Помимо потребления реактивной мощности при работе вентильного преобразователя от сети соизмеримой мощности возникают дополнительные отрицательные эффекты, вызванные искажением тока, потребляемого вентильными преобразователями. Несинусоидальные токи преобразователей создают на внутреннем сопротивлении сети ограниченной мощности несинусоидальное падение напряжения, вызывая искажение кривой питающего напряжения [5].
Несинусоидальность напряжения сети оказывает неблагоприятное влияние на работу многих потребителей энергии: увеличиваются потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, повышается нагрев токоведущих частей и износ изоляции, снижается надежность работы устройств автоматики и релейной защиты, ухудшается работа связи.
Большой вклад в решение проблем, связанных с регулированием потоков мощности и увеличением показателей качества передаваемой мощности в высоковольтных системах электроснабжения внесли отечественные и зарубежные ученые: Ю.К. Розанов, Г.С. Зиновьев, О.А. Маевский, В.С. Моин, Ю.И. Колобов, И.И. Карташев, И.В. Жежеленко, H. Akagi, E.H. Watanabe, N.G. Hingorani и др. Однако, тема сопряжения генерируемых мощностей ВЭУ с конечным потребителем в низковольтных электрических сетях изучена недостаточно.
На сегодняшний день активные фильтрокомпенсирующие устройства — достаточно эффективное решение задачи устранения высших гармоник, регулирования уровня реактивной мощности, улучшения коэффициента мощности, балансирования нагрузки и т. д. [19, 20].
Для управления активными фильтрокомпенсирующими устройствами предложено значительное количество математических методов. Одной из наиболее распространенных теорий, применяемых для управления активными фильтрами, является теория мгновенной мощности, предложенная в [21]. Эта теория очень эффективна в разработке контроллеров для активных фильтров на основе устройств силовой электроники.
Теория мгновенной мощности получила развитие с появлением новых микропроцессорных систем с использованием современной элементной базы. Аппарат мгновенной мощности применяется в системах контроля качества преобразования энергии.
Теория мгновенной активной и реактивной мощности или просто p-q теория основана на совокупности мгновенных значений активной и реактивной мощностей, определенных во временной области. Мгновенная мощность формируется произведением сигналов напряжения и тока, которые могут быть легко измерены для любого преобразователя. В p-qтеории нет ограничений на форму сигналов напряжения или тока, и она может быть применена как к трехфазной трехпроводной системе, так и к трехфазной четырехпроводной системе, содержащей нейтральный провод. Таким образом, значения мощности, рассчитанные посредством p-qтеории справедливы не только для установившегося режима, но и для переходных процессов [21].
Исследование энергопроцессов методами p-qтеории в компенсированных выпрямителях при их параллельном включении с активными фильтрами представляет определенный интерес.
Цель работы - исследование энергообмена в двенадцатифазном компенсированном выпрямителе с позиции теории мгновенной мощности при помощи компьютерного моделирования. Исследование взаимного влияния активного фильтра и компенсированного выпрямителя.
Работа содержит четыре главы. Объем работы 72 листа, библиографический список содержит 25 источников.
В первой главе описываются энергетические показатели выпрямителей, рассматривается влияние выпрямителей на питающую сеть.
Во второй главе предложен вариант снижения негативного воздействия преобразователей на питающую сеть. Для уменьшения реактивной мощности применяются компенсированные преобразователи, для компенсации гармонических токов - параллельный активный фильтр.
Третья глава включает описание компьютерной модели двенадцатифазного компенсированного выпрямителя с параллельным активным фильтром. В ходе описания схемы активного фильтра разъясняются основные положения теории мгновенной мощности.
Четвертая содержит полученные в результате моделирования данные и выводы о характере энергообмена. Дается оценка влияния параллельного активного фильтра на электромагнитные процессы в компенсированном преобразователе.
Основные результаты магистерской работы заключается в следующем:
1) Разработана математическая модель двенадцатифазного компенсированного выпрямителя с параллельным активным фильтром, которая позволяет проводить анализ электромагнитных процессов, протекающих в ней, с одновременной оценкой их энергетических характеристик;
2) Выполнен анализ энергоообмена между различными элементами 12-и фазного компенсированного выпрямителя с использованием теории мгновенной мощности;
3) Получен спектр мгновенной мощности, в различных частях компенсированного выпрямителя, и выявлены основные пути энергообмена;
4) Оценено влияние активного фильтра на электромагнитные процессы в компенсированном выпрямителе и их энергетические характеристики;
5) Показано, что с помощью параллельной работы компенсированного выпрямителя и активного фильтра возможно повысить качество электроэнергии в СЭС.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что параллельные активные фильтры позволяют производить компенсацию гармоник тока вместе с коррекцией коэффициента мощности. Но для компенсации реактивной мощности требуется большая емкость конденсаторных батарей активного фильтра, что снижает эконмический эффект от их использования. В то же время конденсаторные батареи компенсированного выпрямителя используются значительно эффективней и при той же емкости позволяют получить больший коэффициент мощности.
Совместная работа компенсированного выпрямителя и параллельного активного фильтра позволяет осуществить компенсацию реактивной мощности и мощности искажения. Причем компенсированный выпрямитель позволяет эффективно устранить большую часть реактивной мощности, снизив тем самым установленную мощность и стоимость активного фильтра.
В работе показано, что теория мгновенной мощности является подходящим инструментом для анализа энергообмена в трехфазных нелинейных системах и для управления активными фильтрами. При создании соответствующих законов управления, гибридная схема работы выпрямителя с параллельным и последовательным фильтрами может служить не только для фильтрации мощности искажений, но и для векторного регулирования самого выпрямителя.
Исследование спектра мгновенной мощности выпрямителя может быть полезным при дальнейшем изучении свойств компенсированных выпрямителей, создании систем управления режимами работы выпрямителей и активных фильтров.
1) Разработана математическая модель двенадцатифазного компенсированного выпрямителя с параллельным активным фильтром, которая позволяет проводить анализ электромагнитных процессов, протекающих в ней, с одновременной оценкой их энергетических характеристик;
2) Выполнен анализ энергоообмена между различными элементами 12-и фазного компенсированного выпрямителя с использованием теории мгновенной мощности;
3) Получен спектр мгновенной мощности, в различных частях компенсированного выпрямителя, и выявлены основные пути энергообмена;
4) Оценено влияние активного фильтра на электромагнитные процессы в компенсированном выпрямителе и их энергетические характеристики;
5) Показано, что с помощью параллельной работы компенсированного выпрямителя и активного фильтра возможно повысить качество электроэнергии в СЭС.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что параллельные активные фильтры позволяют производить компенсацию гармоник тока вместе с коррекцией коэффициента мощности. Но для компенсации реактивной мощности требуется большая емкость конденсаторных батарей активного фильтра, что снижает эконмический эффект от их использования. В то же время конденсаторные батареи компенсированного выпрямителя используются значительно эффективней и при той же емкости позволяют получить больший коэффициент мощности.
Совместная работа компенсированного выпрямителя и параллельного активного фильтра позволяет осуществить компенсацию реактивной мощности и мощности искажения. Причем компенсированный выпрямитель позволяет эффективно устранить большую часть реактивной мощности, снизив тем самым установленную мощность и стоимость активного фильтра.
В работе показано, что теория мгновенной мощности является подходящим инструментом для анализа энергообмена в трехфазных нелинейных системах и для управления активными фильтрами. При создании соответствующих законов управления, гибридная схема работы выпрямителя с параллельным и последовательным фильтрами может служить не только для фильтрации мощности искажений, но и для векторного регулирования самого выпрямителя.
Исследование спектра мгновенной мощности выпрямителя может быть полезным при дальнейшем изучении свойств компенсированных выпрямителей, создании систем управления режимами работы выпрямителей и активных фильтров.