Трёхфазные выпрямители с активной коррекцией коэффициента мощности и двунаправленной передачей энергии

Актуальность проблемы. Большинство современных потребителей электрической энергии с точки зрения сети являются нелинейными нагрузками, что приводит к искажению формы потребляемого из сети тока. Кроме того, они способны генерировать или потреблять реактивную мощность. Современные международные стандарты (IEC 61 000−3, IEEE 519−1992) и национальные стандарты развитых европейских стран на качество электрической энергии содержат нормы по гармоникам потребляемого тока. В России также существует стандарт ГОСТ Р 51 317.3.2−99, который ограничивает эмиссию гармонических составляющих тока технических средств с потребляемым током в фазе не более 16 А. В этой связи с целью повышения коэффициента мощности для питания такого рода потребителей стали применяться различные фильтры и выпрямители с коррекцией коэффициента мощности.

Существует большой класс потребителей, для питания которых требуется регулируемое стабилизированное постоянное напряжение (ток) и возможность реверсирования по току (напряжению). К таким потребителям относятся электроприводы (асинхронные, синхронные, вентильные), на долю которых приходится более чем 60% всей потребляемой энергии, производимой в промышленно развитых странах, инверторы в преобразователях частоты сети 50 Гц в 60 Гц и т. д. Наиболее популярной схемой преобразователя с коррекцией коэффициента мощности, применяемой для питания такого рода устройств, стали схемы трёхфазного активного выпрямителя напряжения (АВН) и активного выпрямителя тока (АВТ). Они состоят из трёхфазного моста, собранного на IGBT транзисторах с обратными диодами и фильтров на стороне переменного тока и на стороне постоянного тока. Эти схемы имеют ряд достоинств:

— двусторонний обмен энергией с сетью;

— близкий к синусоидальному входной ток;

— возможность получения близкого к единице коэффициента мощности;

— регулирование и стабилизация напряжения (тока) на выходе;

При подключении такого преобразователя к сети параллельно с нелинейной нагрузкой, он может выступать в роли активного фильтра. Он может компенсировать неактивные составляющие полной мощности, создаваемые этой нагрузкой, а также симметрировать потребление энергии по фазам, если нагрузка несимметрична.

Однако если посмотреть на ситуацию на рынке, то можно увидеть что, несмотря на то, что спрос большой и продолжает быстро расти, в промышленных масштабах эти преобразователи выпускаются очень мало. В основном их изготавливают и применяют в своих изделиях зарубежные производители источников бесперебойного питания (ИБП) большой и средней мощности. Эти преобразователи применяются в ИБП начиная с 8 кВА. В России активные выпрямители (АВ) производят и используют в основном в качестве рекуперативного преобразователя для электропривода переменного тока большой мощности. Такие разработки в масштабах рынка единичны. Причин такому несколько.

Во-первых, особенностью такой схемы выпрямителя является сложность алгоритмов управления им. Выпущено немало работ, предлагающих различные варианты построения систем управления для таких преобразователей. Наиболее распространённой системой управления является система векторного управления с ориентацией по обобщённому вектору напряжения сети и с контуром подчинённого регулирования тока сети. Принципы функционирования и построения такого рода систем хорошо освещены в литературе [8,17,53,54,77]. Однако по-прежнему малоизученными остаются вопросы синтеза регуляторов для таких систем. В последнее время были разработаны более совершенные алгоритмы управления, более простые для реализации на микропроцессорах и позволяющие улучшить динамические характеристики преобразователя и повысить коэффициент мощности. К таким методам, например, относится метод прямого управления мощностью. Тем не менее, этот метод управления имеет недостатки: высокие требования к быстродействию микропроцессора, переменная частота коммутации, требуется наличие дорогостоящих датчиков напряжения на входе преобразователя. Вопросы синтеза систем управления, использующих такой метод управления, его разработчики почти не рассматривают.

Во-вторых, — сложность реализации алгоритмов управления на микропроцессорах. Традиционный подход к проектированию таких систем вовлекает многочисленные группы инженеров, включая группу разработки алгоритма, группу программистов, группу разработки аппаратной части, и группу реализации проекта. Процесс проектирования занимает много времени.

В-третьих, — сложность тестирования и отладки микропроцессорных систем управления этим преобразователем. Для отладки такой системы в реальном времени требуется наличие силовой схемы преобразователя. Небольшая ошибка в программе или в схеме может привести к выходу из строя силовой части преобразователя.

В конечном итоге эти сложности проектирования сказываются на цене преобразователя.

Целью работы является исследование и усовершенствование современных алгоритмов управления активным выпрямителем.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

— Исследованы динамические характеристики АВН и АВТ с векторной системой управления.

— Исследованы динамические и статические характеристики АВН с системой прямого управления мощностью АВН.

— Разработан аналитический метод проектирования матриц переключения ключей систем прямого управления мощностью АВН.

— Исследовано влияние неидеальности напряжений сети на показатели качества АВН при различных алгоритмах управления преобразователем. Методика исследований базируется на общих положениях теории цепей, теории автоматического управления. В работе используются прямое решение интегро-дифференциальных уравнений, спектральные методы анализа вентильных преобразователей («метод переключающих функций»), метод усредненной составляющей (метод основной гармоники), Matlab/Simulink, VisSim. Основные вычисления реализованы в базисе MathCad. Проводились эксперименты на макете АВН полной мощностью 1,5 кВА.

Достоверность научных результатов обеспечена сочетанием различных методов математического моделирования, компьютерным моделированием и воспроизведением основных зависимостей на физической модели (макете) устройства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработан нечёткий регулятор напряжения АВН, исследованы динамические характеристики системы управления АВН с этим регулятором, получены его параметры.

— Разработан регулятор тока векторной системы управления АВТ, работающий на принципе оптимального управления, исследовано влияние параметров регулятора на динамические характеристики преобразователя. Разработана система прямого управления мощностью АВН, замыкающаяся по квадрату напряжения на стороне постоянного тока.

— Предложена адаптивная таблица переключения ключей для метода прямого управления мощностью АВН.

— Разработана быстродействующая спектральная модель АВН для случая систем прямого управления мощностью.

— Найдены алгоритмы управления, позволяющие компенсировать негативное влияние несимметрии и несинусоидальности напряжений сети.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— Применение оптимального регулятора тока АВТ позволяет устранить проблемы с устойчивостью САУ АВТ при высоком быстродействии САУ и минимальных затратах энергии в динамических режимах АВТ.

— Разработанный нечёткий регулятор напряжения позволяет снизить перерегулирование переходных процессов на нагрузке АВН на 5−10% по сравнению с ПИ регулятором при времени переходных процессов меньшем на 510%, уменьшить провал напряжения при набросе нагрузки более чем на.

30%, ограничить пусковой ток, и при этом данный регулятор не нуждается в дополнительной настройке при изменении параметров силовой схемы.

— С помощью спектральной модели АВН с системой прямого управления мощностью выявлены матрицы переключения ключей, обеспечивающие минимальные потери в силовых ключах и наилучший гармонический состав сетевых токов.

— Предложенная адаптивная матрица переключения ключей для метода прямого управления мощностью АВН позволяет повысить быстродействие САУ АВН, а также снизить пульсации выходного тока и, следовательно, габариты фильтра.

— Разработана векторная система управления АВН с компенсацией негативного влияния несимметрии и несинусоидальности напряжений сети.

На защиту выносится:

— Методика синтеза векторной САУ АВН с нечётким регулятором напряжения;

Методика синтеза векторной САУ АВТ с регулятором тока, основанном на принципе оптимального управления;

— Результаты сравнения матриц переключения ключей системы прямого управления мощностью АВН по динамическим характеристикам, гармоническому составу сетевых токов и потерям в силовых ключах.

— Результаты анализа работы трехфазных ККМ при несимметрии сети и различных способах управления, рекомендации по выбору способа управления и его реализация в системах управления АВН.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2006 и 2007 г. г.

Публикации: по результатам работы опубликовано 5 работ: 3 статьи и 2 публикации тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 194 стр. текста, 27 таблиц и 99 рисунков.

Список литературы

содержит 90 наименований на 9 страницах.

Выводы по 4-й главе.

1. Анализ следящих методов управления показал, что при несимметрии напряжений сети лучшим по критерию максимума коэффициента мощности является метод, при котором фазные токи повторяют по форме фазные напряжения, за исключением нулевой последовательности. Лучшим по критерию минимума пульсаций является метод, при котором фазные токи содержат обратную последовательность, противофазную обратной последовательности напряжений. Разница между коэффициентами мощности в обоих этих методах мала, поэтому последний метод можно считать оптимальным по обоим показателям.

2. Несинусоидальность напряжений сети так же, как и несимметрия, приводит к снижению коэффициента мощности и появлению низкочастотных пульсаций в токе В большей степени это проявляется при использовании программных методов управления АВН без дополнительных компенсирующих обратных связей.

3. Анализ следящих методов управления при наличии канонических низкочастотных гармоник напряжения сети показал, что наилучшим по критерию максимума коэффициента мощности является метод, при котором фазные токи повторяют по форме фазные напряжения. Наилучшим по критерию минимума пульсаций является метод, при котором фазные токи содержат гармоники, противофазные гармоникам напряжений сети. Наилучшим по критерию оптимальной передачи энергии является метод управления, при котором фазные токи повторяют по форме фазные напряжения сети. Метод управления АВН, при котором фазные токи синусоидальны, почти не уступает первому методу по коэффициенту пульсаций, а второму — по коэффициенту мощности, и его можно считать лучшим по обоим показателям.

4. Предложена замкнутая система подчиненного регулирования АВН, позволяющая поддерживать значение коэффициента мощности близким к единице и стабилизировать напряжение на нагрузке с минимальными пульсациями как при идеальных напряжениях сети, так и при наличии несимметрии и искажений.

Заключение

.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Определены зависимости коэффициента гармоник сетевых токов и основных параметров переходных процессов сетевого тока и напряжения на нагрузке: длительности, перерегулирования и амплитуды броска тока, — от параметров силовой схемы. Даны рекомендации по выбору элементов силовой схемы АВН.

2. Разработан нечёткий регулятор напряжения АВН, позволяющий повысить быстродействие системы управления АВН, улучшить её робаст-ность и снизить пусковые токи.

3. Разработана система управления АВТ, основанная на принципе модального управления с оптимальным регулятором, осуществляющим решение уравнения Риккарти в режиме реального времени и обеспечивающим высокую динамическую точность переходных процессов при минимальных затратах энергии на управление.

4. Разработан аналитический метод расчёта производных мгновенной мощности для систем ПУМ АВН, позволяющий упростить анализ существующих и разработку новых матриц переключения ключей. С помощью данного метода определены условия срывов слежения и границы рабочего режима этих систем.

5. Проведено сравнение матриц переключения ключей системы прямого управления мощностью (ПУМ) АВН по гармоническому составу сетевых токов и потерям в силовых ключах. Выявлены наилучшие и наихудшие матрицы по этим критериям.

6. Предложена матрица переключения ключей для системы ПУМ АВН, на вход которой поступает дополнительный сигнал, информирующий о степени рассогласования между заданным и реальным значением активной составляющей мгновенной мощности. Полученная матрица позволяет повысить быстродействие системы управления, при этом в установившемся режиме она обеспечивает то же значение КПД и коэффициента гармоник, что и известные матрицы.

7. При несимметрии напряжений сети лучшим по критерию минимума пульсаций напряжения на нагрузке и максимума коэффициента мощности является метод, при котором фазные токи содержат обратную последовательность, пропорциональную и противофазную обратной последовательности напряжений сети.

8. При наличии канонических низкочастотных гармоник напряжения сети среди следящих методов наилучшим по критерию максимума коэффициента мощности и минимума пульсаций напряжения на нагрузке является метод управления АВН, при котором фазные токи синусоидальны.

9. Разработана замкнутая система подчиненного регулирования АВН, позволяющая поддерживать значение коэффициента мощности близким к единице и стабилизировать напряжение на нагрузке с минимальными пульсациями как при идеальных напряжениях сети, так и при наличии несимметрии и искажений.