Экспериментальное исследование некомпенсированного выпрямителя с векторным управлением

Управление величиной выпрямленного напряжения является обязательным условием эффективного ведения производственных процессов, использующих мощный постоянный источник питания. В зависимости от отрасли изменяются необходимые диапазон и точность регулирования [1]. Дискретное регулирование осуществляется механически при помощи устройств регулирования под нагрузкой (РПН) трансформаторов. Плавное регулирование может осуществляться с использованием тиристорных выпрямителей [2] либо дросселей насыщения [3]. При использовании этих способов плавного регулирования реализуется фазовое управление выпрямленным напряжением преобразователя, характеризующееся возрастанием потребляемой им реактивной мощности с увеличением глубины регулирования [4].

Развитие элементной базы силовой электроники привело к созданию мощных активных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), на зажимах переменного тока которых формируются напряжения, первые гармоники которых регулируются как по амплитуде, так и по фазе [5]. Включение таких устройств в контур питания ведомого сетью вентильного преобразователя позволяет производить практически безынерционное векторное управление его выпрямленным напряжением без увеличения потребляемой им реактивной мощности [6, 7]. Характеристики преобразователей, оборудованных устройством векторного управления, представлены в [8, 9]. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию выпрямителя с векторным регулированием.

Физическое моделирование

Материалы и методы исследования

Ввиду отсутствия в распоряжении трехфазного оборудования, эксперимент проводился в однофазном исполнении. Лабораторная установка (рис. 1) состоит из исследуемого некомпенсированного выпрямителя 1–3 и устройства векторного управления 4–13 . Некомпенсированный выпрямитель представлен однофазным диодным мостом 1 , сглаживающим реактором 2 и нагрузкой 3 . Питание установки осуществляется от одной из фаз сети напряжением 220 В. Технические средства, улучшающие качество электроэнергии в точке подключения установки, не применялись.

Одна из обмоток вольтодобавочного трансформатора 10 включена в контур питания некомпенсированного выпрямителя. Для регулирования напряжения на выходе трансформатора 10 используется импульсный преобразователь электроэнергии [10], состоящий из активного выпрямителя 5 и автономного инвертора напряжения 7 . Между собой активные преобразователи 5 и 7 соединены на стороне постоянного тока при помощи емкостного накопителя 6 (электролитический конденсатор). Силовые блоки преобразователей напряжения 5 и 7 выполнены в виде однофазных мостов, состоящих из IGBT-транзисторов со встречно включенными диодами и работающих в режиме широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Подключение активного выпрямителя напряжения 5 к сети осуществляется при помощи электромагнитного фильтра 4 , обеспечивающего снижение высокочастотных гармоник, соответствующих частотному спектру широтно-импульсной модуляции преобразователя.

Устройства аналоговой и цифровой электроники

Рис. 1. Схема экспериментальной установки выпрямителя с векторным управлением

Активный выпрямитель 5 в системе выполняет две основные функции:

• 1)    обеспечивает работу с сетью переменного тока, осуществляя двунаправленный поток электрической энергии с высокими энергетическими показателями (cosφ ≈ 1 и коэффициент мощности χ ≈ 1), что достигается за счет формирования синусоидального тока, совпадающего по фазе или противофазного напряжению сети;

• 2)    стабилизирует величину постоянного напряжения в звене постоянного тока.

Система управления АВН 5 построена по принципу подчиненного регулирования с внутренним контуром тока и внешним контуром напряжения [10, 11].

Автономный инвертор напряжения 7 преобразует постоянное напряжение звена постоянного тока 6 в регулируемое переменное с частотой напряжения сети. Синхронизация системы управления инвертором 13 с напряжением сети осуществляется при помощи датчика напряжения 11. Регулирование амплитуды переменного задающего воздействия производится с помощью потенцио- метра 12. Выделение первой гармоники напряжения с выхода импульсного преобразователя 7 производится пассивным Г-образным LC-фильтром 8. Переключение силовых транзисторов преобразователя 7 осуществляется в режиме однополярной ШИМ [11], что позволяет уменьшить пульсации тока на выходе в два раза по сравнению с двуполярной ШИМ, что, в свою очередь, положительно сказывается на массогабаритных размерах низкочастотного фильтра 8.

Резистор 9 предназначен для устранения опасных перенапряжений, возникающих в процессе включения установки.

Основные типы и параметры оборудования экспериментальной установки (см. рис. 1) приведены в таблице.

Измерения токов (напряжений), а также снятие осциллограмм осуществлялось с помощью информационно-измерительной системы стенда, включающей измерительные приборы (амперметры, вольтметры, мультиметры), датчики напряжения (тока), плату сопряжения датчиков с компьютером и программное обеспечение Delta Profi.

Таблица

Тип оборудования	Параметры
Диодный мост 1	–
Сглаживающий реактор 2	Индуктивность 6 Гн
Нагрузка 3	Дискретное изменение в диапазоне 400–3370 Ом
Импульсный преобразователь энергии 4–7	Напряжение питания ~220 В, мощность 300 ВА, входное напряжение до ~250 В, частота коммутации силовых ключей 12,5 кГц
LC-фильтр 8	L = 10 мГн, С = 2 мкФ
Резистор 9	R = 1600 Ом
Понижающий трансформатор 10	ОСМ1 - 0,063 ВА - 220 В - 42 В

Результаты и их обсуждение

На рис. 2, а приведены экспериментальные внешние характеристики U_d(7_d) управляемого некомпенсированного выпрямителя, полученные методом физического моделирования, при различных значениях коэффициентов модуляции АИН μ для двух режимов работы: 1) р = 0 ° - напряжение управления (напряжение на последовательной обмотке трансформатора 10 ) находится в фазе с напряжением сети; 2) р = 180 ° - напряжения управления и сети находятся в противофазе. Здесь U_d, /_d -напряжение и ток на выходе выпрямителя.

Для каждого коэффициента модуляции р = 0,5 (опыты 3 и 4), р = 0,63 (опыты 2 и 5), р = 0,75 (опыты 1 и 6) проводилась серия из 3 опытов. На рис. 2, а точками показаны экспериментальные данные для одной серии опытов.

Для каждого опыта построена прямая регрессионная зависимость U_d(I_d) = U_d0 — XI_d , коэффициенты в которой получены методом наименьших квадратов. Относительные ошибки в определении коэффициентов для каждого опыта составляли от 0,1 до 0,85 % (для U_d0) и от 10 до 39 % (для X), коэффициент корреляции изменялся от 0,95 до 0,996. Регрессионные зависимости показаны на рис. 2, а линиями.

Расчетные коэффициенты U_d0 были использованы для построения регрессионной зависимости U_d0(p) = Е — АЕр. Относительные ошибки в определении коэффициентов составляли 1,7 % (для Е) и 25,6 % (для АЕ), коэффициент корреляции 0,978.

На рис. 3, а приведена регулировочная характеристика выпрямителя U_d0(p) на холостом ходу (напряжение U_d0) от условного значения коэффициента модуляции μ, построенная по результатам физического моделирования. Условно положительным значениям коэффициента модуляции μ соответствует режим работы р = 0 ° , когда напряжения управления и сети совпадают по фазе, а условно отрицательным р - режим р = 180 ° при противофазных напряжениях. Зависимость U_d0(p) показана точками для расчетных значений U_d0 в каждом из опытов для рассчитанной регрессионной функции.

Значения напряжения холостого хода без регулирования Е и добавочного напряжения АЕ были измерены вольтметром с относительной ошибкой 0,5 %. В обоих случаях результаты измерений попали в доверительный интервал, полученный при статистической обработке опытных данных.

Рис. 2. Внешние характеристики управляемого выпрямителя, снятые при помощи физического (а) и компьютерного (б) моделирований (1 - р=0,75, р = 0 ° ;

2 - р = 0,63, р = 0 ° ; 3 - р = 0,5, р = 0 ° ; 4 - р = 0, 5, р = 180 ° ; 5 - р = 0,63, р = 180 ° ;

6 - р = 0,75, р = 180 ° )

Рис. 3. Регулировочные характеристики выпрямителя на холостом ходу, снятые при помощи физического (а) и компьютерного (б) моделирований

Устройства аналоговой и цифровой электроники

Теория выпрямителя с векторным управлением [8] была развита с учетом допущений, характерных для мощных установок, когда активные сопротивления элементов системы много меньше индуктивных. В экспериментальном исследовании на учебном лабораторном стенде это допущение не выполняется. Поэтому сравнение теоретических и экспериментальных результатов возможно выполнить только качественно.

Проведенная статистическая обработка экспериментальных данных позволяет учесть все случайные и систематические ошибки, допущенные при проведении эксперимента. Результаты статистической обработки свидетельствуют об отсутствии неправильных (ошибочных) данных в исходной выборке. В результате статистической обработки экспериментальных данных установлено, что внешние характеристики выпрямителя являются линейными функциями, что соответствует теории. Кроме того, установлено, что зависимость U_d0(p) является линейной функцией, что также ожидаемо.

На рис. 4 приведены осциллограммы токов и напряжений на элементах исследуемой схемы. Данные были получены при р = 0° и р = 0,75 и сопротивлении нагрузки, равном 1220 Ом. На осциллограмме рис. 4, а видно, что напряжение управления (2) находится в фазе с напряжением сети (1). Таким образом, на рис. 4, г амплитуда входного напряжения выпрямителя (1) больше амплитуды напряжения сети (2). Анализ полученных осциллограмм с учетом уменьшения амплитуды напряжения управления в соответствии с коэффициентом трансформации Кт = 220/42 транс- форматора 10 показал адекватность результатов общим законам электротехники, записанных для первой гармоники. В напряжении управления (рис. 4, а) очевидно наличие высших гармоник, что объясняется ограничениями минимального и максимального коэффициентов заполнения включения силовых ключей преобразователя 7, а также искажениями формы сигнала управления (напряжения сети) на входе системы управления 13. Выпрямленное напряжение (рис. 4, в) и входной ток выпрямителя (кривая 2 на рис. 4, б) имеют вид, характерный для однофазного мостового выпрямителя с большой индуктивностью в цепи нагрузки. Первая гармоника сетевого тока находится в фазе с напряжением питающей сети (кривые 1 на рис. 4, а, б).

Компьютерное моделирование

В программе MatLab+Simulink была разработана компьютерная модель экспериментальной установки, функциональная схема которой была приведена на рис. 1. Параметры моделирования были выбраны согласно таблице.

Изменяя сопротивление нагрузки и коэффициент модуляции аналогичным физическому моделированию образом, мы получили внешние характеристики исследуемой компьютерной модели, показанные на рис. 2, б (показаны точками). Аналогично получены регрессионные зависимости (показаны линиями) с относительными ошибками в определении коэффициентов, лежащими в диапазонах от 0,04 до 0,09 % (для и_й0 ) и от 8 до 20 % (для X), коэффициент корреляции изменялся от 0,986 до 0,998. Из сравнения внешних характе-

Рис. 4. Осциллограммы напряжений и токов: а – напряжения сети (1) и вольтодобавочного напряжения (2); б – тока сети (1) и входного тока выпрямителя (2); в – выпрямленного напряжения; г – напряжения сети (2) и входного напряжения выпрямителя (1)

Рис. 5. Временные зависимости токов и напряжений, полученные при помощи компьютерного моделирования: а – напряжения сети (1) и вольтодобавочного напряжения (2); б – тока сети (1) и входного тока выпрямителя (2);

в – выпрямленного напряжения; г – напряжения сети (2) и входного напряжения выпрямителя (1)

ристик, полученных на физической (см. рис. 2, а) и компьютерной моделях, видно значительное их различие как по жесткости, так и по значениям выпрямленных токов и напряжений. Причины расхождений объясняются следующими факторами.

• 1.    При проведении исследования на реальной физической модели напряжения питающей сети и управления содержат значительные гармонические составляющие (см. рис. 4), что отсутствует при компьютерном моделировании (рис. 5). Указанное обстоятельство сильно влияет на величину выпрямленного напряжения вентильного моста.

• 2.    Используемые в модели параметры вольтодобавочного трансформатора не учитывают изменения активных сопротивлений его обмоток с течением времени при проведении эксперимента.

• 3.    Различие мощностей короткого замыкания в точке подключения исследуемой системы к питающей сети при компьютерном и физическом моделированиях.

• 4.    Погрешность при определении коэффициента модуляции.

Аналогично физическому моделированию на рис. 3, б построена регрессионная зависимости Ей0(ц) = Е — АЕц. Относительные ошибки в определении коэффициентов составляли 0,03 % (для Е) и 0,2 % (для АЕ), коэффициент корреляции 1. В отличие от физического моделирования, регулировочная характеристика преобразователя в компьютерной модели значительно ближе к линейной зависимости.

Осциллограммы токов и напряжений, получен- ные в компьютерной модели при р = 0°, ц = 0,75 и сопротивлении нагрузки, равном 1220 Ом, показаны на рис. 5. Осциллограммы качественно совпадают с экспериментальными временными диаграммами, полученными при физическом моделировании (см. рис. 4). В количественном соотношении разница между физическим и компьютерным моделированиями при сравнении амплитудных значений токов напряжений объясняется вышеперечисленными факторами, а также наличием высокочастотных помех, создаваемых импульсным преобразователем 4–13 (см. рис. 1).

Таким образом, можно говорить о качественном соответствии между экспериментальными данными и зависимостями, полученными методами физического и компьютерного моделирования, а также о качественном соответствии временных диаграмм, полученных в модели, теоретическим зависимостям.

Выводы

• 1.    Экспериментально продемонстрирована возможность плавного изменения выпрямленного напряжения некомпенсированного выпрямителя посредством применения векторного управления, осуществляемого импульсным преобразователем, состоящим из активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения.

• 2.    Полученные методами физического и компьютерного моделирования внешние характеристики преобразователя с векторным управлением качественно согласуются с теоретическими зависимостями.

• 3.    Показана линейность регулировочной характеристики импульсного преобразователя с векторным управлением.

• 4.    Показано качественное соответствие между экспериментальными временными зависимостями, теоретическими кривыми и осциллограммами, полученными методом компьютерного моделирования.

Устройства аналоговой и цифровой электроники