Синтез управляюших воздействий в непосредственных преобразователях электрической энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез управляющих воздействий в непосредственных преобразователях электрической энергии

Прошин Иван Александрович,

доктор технических наук, профессор,

Богомолов Сергей Михайлович,

соискатель

Пензенская государственная технологическая академия

1. Математическая модель непосредственных преобразователей энергии

Процедура непосредственного преобразования электрической энергии n - фазного вентильного преобразователя при раздельном управлении (рис. 1) в соответствии с предлагаемым подходом [1 - 5] может быть задана в матричной форме системой уравнений:

или , (1)

где

,

- векторы выходного напряжения частоты и гармонического колебания с дискретно управляемой фазой частоты , соответственно;

- управляемая переключающая матрица непосредственного преобразователя электроэнергии (НПЭ); - амплитуда входного напряжения; - число входных фаз, количество выходных фаз; - время.

Рис. 1. Обобщённая структура непосредственного преобразователя электрической энергии.

2. Управление непосредственным преобразователем энергии

Управление НПЭ в соответствии с предложенным математическим описанием (1) состоит в формировании режимов управления заданием изменения во времени двух систем переключающих функций и . Переключающая функция определяет фазовое положение полуволны входного синусоидального напряжения на полупериоде выходного. Назовём её переключающей функцией фазы. Она принимает целые значения в диапазоне от 0 до , где - эквивалентное (приведённое) количество фаз входного напряжения НПЭ, участвующих в формировании одной фазы выходного напряжения. Переключающая функция соответствует коэффициенту преобразования амплитуды. Назовём её переключающей функцией амплитуды.

В соответствии с математической моделью (1) при моделировании технических систем управления с НПЭ последние представляются структурной схемой из последовательно соединённых модулятора и преобразователя числа фаз. Модулятор имеет постоянную структуру, соответствующую минимальному числу состояний, которое задаётся с помощью диагональной переключающей матрицы размерности , где - число выходных фаз.

Особенности алгоритмов и законов управления НПЭ при традиционном подходе определяются системой коммутационных функций при ; , где число входных фаз, из которых формируется выходное напряжение каждой фазы, количество выходных фаз. При этом требуется задание двухуровневых переключающих функций .

В соответствии с предложенной ММ законы управления преобразователя числа фаз НПЭ, задаются системой из многоступенчатых переключающих функций фазы при , что обеспечивает сокращение объема управляющих сигналов в НПЭ до минимума, равного количеству выходных фаз .

При моделировании режимов непрерывных токов переключающие функции не равны нулю. В режиме прерывистых токов в периоды времени отсутствия токов в нагрузке соответствующие функции равны нулю.

При использовании полностью управляемых полупроводниковых элементов моменты включения и выключения переключающих функций заданы. При использовании в НПЭ тиристоров с естественной коммутацией моменты отключения переключающих функций соответствуют переходам тока в нагрузке через ноль и определяются численными методами (деления отрезка пополам, хорд и т.д.) решения уравнений, описывающих моделируемую систему.

Переключающие функции задают фазовое положение входного синусоидального напряжения в периоде выходного напряжения. Функции на периоде выходного напряжения изменяются циклически с заданным циклом переключения , принимая целые значения от 0 до . Начальная фаза единственного гармонического колебания, моделирующего выходное напряжение НПЭ, изменяется с дискретностью .

При моделировании систем управления с фазоимпульсным способом регулирования напряжения НПЭ, переключающая функция постоянна. В соответствии с задаваемой величиной выходного напряжения изменяется переключающая функция .

В -фазных преобразователях переменного тока в постоянный, работающих в режиме непрерывного тока, величина напряжения на выходе определяется законом изменения переключающей функции и изменением угла включения . При использовании в этих системах тиристоров с естественной коммутацией обеспечивается задание кривых выходного напряжения при положительном выходном токе НПЭ положительного типа, а при отрицательном выходном токе - отрицательного типа.

Изменение при управлении и моделировании систем с НПЭ, выполненных на полностью управляемых элементах, позволяет задавать и исследовать режимы преобразования напряжения, частоты, количества фаз, фазового угла и управления реактивной мощностью, потребляемой или генерируемой НПЭ при формировании выходного напряжения НПЭ любым способом.

С помощью задания переключающих функций и обеспечивается моделирование всех возможных способов регулирования выходного напряжения НПЭ (широтно-импульсное регулирование (ШИР), способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ), способ сочетания ШИР и ШИМ, способ слежения за эталонным синусоидальным напряжением и т.д.).

3. Моделирование непосредственных преобразователей энергии с однократной модуляцией

Задание переключающих функций для НПЭ с однократной модуляцией определяется его характерной особенностью, состоящей в постоянстве шага переключения тиристоров НПЭ. Управление выходными координатами таких систем обеспечивается заданием цикла переключения и количества фаз входного напряжения, участвующих в формировании каждой фазы выходного напряжения.

Мгновенное значение фазы входного гармонического колебания в момент коммутации изменяется на величину дискретности изменения начальной фазы . Если принять, что полный период входного напряжения образуется шагами, то дискретность каждого шага составит рад. Следовательно дискретности изменения начальной фазы будет соответствовать количество шагов .

Пусть цикл переключения, определяющий продолжительность включения каждой фазы, задается числом шагов . Тогда за каждый цикл коммутации, начальная фаза единственного гармонического колебания, моделирующего выходное напряжение НПЭ, изменится на величину, соответствующую при положительной дискретности начальной фазы разности . При отрицательном это изменение начальной фазы определяется суммой . Таким образом, изменение начальной фазы за одно включение входного напряжения каждой фазы в единицах количества шагов составит . Общее количество шагов на периоде входного напряжения равно . Так как каждая входная фаза включается на шагов, а количество входных фаз , то повторное включение каждой фазы, производится с периодичностью в шагов.

Следовательно, после повторных включений начальная фаза гармонического колебания, действующего на выходе НПЭ, будет соответствовать фазе гармонического колебания в начальный момент времени. Период выходного напряжения НПЭ при этом составит

.

Отсюда .

Таким образом, количество шагов в цикле переключения переключающей функции начальной фазы с дискретностью , соответствующее количеству шагов на периоде входного -фазного напряжения, при известных входной и выходной частотах НПЭ, можно определить из выражения

.

При известных значениях выходной частоты и коэффициента преобразования частоты определяются формулами

При и шаге в один электрический градус для выражения (1), (2) принимают вид

; .

В выражениях для знак плюс соответствует увеличению начальной фазы гармонического колебания (прямой порядок чередования фаз), а знак минус - её уменьшению (обратный порядок чередования фаз). В формулах для выходной частоты наоборот, положительной дискретности начальной фазы отвечает знак минус, отрицательной - знак плюс.

Уменьшение шага до 0,1 эл. град. и соответственно увеличение до 3600 позволяет уменьшить дискретность и увеличить точность задания частоты. Действительно, для и выражения для и примут вид:

; .

Относительная погрешность задания и плавность регулирования частоты определяются выражениями:

; .

За время каждого включенного состояния переключающего элемента, определяемого значением , фаза входного напряжения НПЭ с ОМ изменяется на величину рад. Количество включений за период выходного напряжения НПЭ при этом составит . Для , последнее выражение принимает вид .

В табл. 1 приведены значения параметра цикла переключения, соответствующие им значения коэффициента преобразования частоты и выходной частоты, количество переключений входного напряжения на периоде выходного напряжения для Гц.

Анализ приведенных зависимостей и данных табл. 1 показывает, что значение выходной частоты НПЭ, равное входной при для такого типа НПЭ может быть получено для при , для при . Увеличение до 60 в первом случае и до 600 - во втором ведёт к снижению выходных частот до 0. При этом с уменьшением выходная частота НПЭ увеличивается. Увеличение параметра цикла переключения выше 60 в первом и выше 600 во втором случае ведёт к увеличению выходных частот НПЭ от 0 до . При этом порядок чередования фаз выходного напряжения меняется на противоположный, что учитывается изменением знака получаемой выходной частоты. При обратном порядке переключения фаз, соответствующем знаку плюс в формулах (2), увеличение ведёт также к снижению частоты до , а его уменьшение к увеличению частоты .

Количество участков входного напряжения в периоде выходного напряжения для прямого порядка переключения фазы входного напряжения всегда больше, а качество синтезируемого выходного напряжения НПЭ с ОМ всегда выше, чем при обратном порядке переключения входной фазы.

преобразователь электрическая энергия

Таблица 1.

Свойства НПЭ при управлении параметром цикла для , , Гц.

Результаты моделирования НПЭ с для частот выходного напряжения 25 Гц при , при входной частоте 50 Гц отражает рис. 2.

Рис. 2. Кривые выходных напряжений НПЭ с ОМ: а) ; б) .

Как видно из рис. 2 количество участков, а, следовательно, и форма кривой выходного напряжения, в зависимости от способа управления даже при одинаковых частотах различны. Лучшее приближение кривой выходного напряжения к синусоиде достигается при синтезе кривой выходного напряжения с наименьшим из возможных значением параметра цикла .

Литература

1. Прошин И. А. Две концепции в подходе к механизму непосредственного преобразования параметров электрической энергии // Проблемы технического управления в региональной энергетике: Сборник трудов по материалам научно-технической конференции. - Пенза, 1998, С. 17 - 21.

2. Прошин И. А. Теория исследования и проектирования технических систем с непосредственными преобразователями электрической энергии // Методы и средства управления технологическими процессами: Сборник трудов третьей международной научной конференции. - Саранск, 1999, С. 267 - 271.

3. Прошин И.А. Теоретические основы моделирования управляемых вентильно-электромеханических систем с непосредственными преобразователями электрической энергии // Информационные технологии в проектировании и производстве, 2000, № 4. 65 - 70.

4. Прошин И. А. Обобщённая модель непосредственного преобразователя параметров электрической энергии // Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 2000: Сборник трудов 13 международной научной конференции. - Санкт - Петербург, 2000, том 6. С. 84 - 87.

5. Прошин И. А. Управление в вентильно-электромеханических системах. Кн. 1. Управление непосредственными преобразователями электрической энергии. - Пенза: ПТИ, 2002. - 333 с.

1. Размещено на www.allbest.ru