Экспериментальный образец устройства симметрирования тока и напряжения электрогенератора малой мощности при работе на однофазную нагрузку

Введение. В сельском хозяйстве эксплуатируется большое количество электрогенераторов (ЭГ) малой мощности. Их применение обосновано, в первую очередь для резервного, а иногда и для основного электроснабжения сельских потребителей [1]. Работа при несимметричной нагрузке вызывает вибрацию ротора электрогенератора и его перегрев [2]. Электрогенераторы небольшой мощности не оснащаются защитами непосредственно от несимметричных нагрузочных режимов [3-6].

Снижение несимметрии нагрузки её перераспределением по фазам не всегда возможно. В сельском хозяйстве имеется достаточно большое число однофазных нагрузок, которые невозможно равномерно подключить к разным фазам [6-8].

В работах [9-11] приводятся разработки, направленные на создание средств мониторинга загрузки ЭГ, позволяющих упростить задачу перераспределения нагрузки. Но и они не всегда могут способствовать снижению несимметрии в достаточной степени.

Существует ряд решений по симметрированию токов и напряжений. Это, например, применение фильтров последовательной компенсации [12-15], использование преобразователей напряжения [16].

Разработка новых способов снижения несимметрии токов и напряжений при питании нагрузки от ЭГ является актуальной задачей, как и задача обеспечения возможности подключения к ЭГ однофазной нагрузки, превышающей его допустимую нагрузку на фазу, что отмечается в [6].

Цель работы заключается в разработке и предварительных лабораторных испытаниях экспериментального образца устройства симметрирования токов и напряжений ЭГ и обеспечения возможности питания от трёхфазного ЭГ однофазной нагрузки.

Материалы и методы исследования. В [6, 17] приведён способ симметрирования фазных токов и напряжений, выдачи всей мощности генератора на однофазную нагрузку, повышения надёжности питания нагрузок генератора, прототипами которого стали работы [18] и [19, 20].В данном способе трёхфазный переменный ток и напряжение, выдаваемые ЭГ, сначала преобразуют в постоянный ток и напряжение с помощью трёхфазного выпрямителя, после чего вновь преобразуют в переменный ток и напряжение с помощью, или трёхфазного инвертора для питания трёхфазной, в том числе несимметричной нагрузки, или с помощью однофазного инвертора для питания однофазной нагрузки с мощностью, сопоставимой с трёхфазной мощностью ЭГ [6, 17].

Рисунок 1 – Структурная схема устройства реализации способа симметрирования фазных токов и напряжений и выдачи всей мощности генератора на однофазную нагрузку [6, 17]

На рисунке 1 показана структурная схема реализации рассмотренного способа.

Структурная схема содержит: генератор Г1; защитный коммутационный аппарат АЗКА2; цепь трёхфазного тока генератора ЦТТГ2; трёхфазный выпрямитель ТВ4; цепь постоянного тока ЦТП5; трёхфазный инвертор ТИ6; цепь трёхфазного тока питания нагрузки ЦТТПН7; автоматический шунтирующий коммутационный аппарат АШКА8; однофазный инвертор с выдаваемой мощностью, сопоставимой с мощностью генератора ОИМ9; автоматический коммутационный аппарат однофазной нагрузки АКАОН10; нагрузка трёхфазная НТ11; нагрузки однофазные НО12-НО4; однофазная нагрузка с мощностью, сопоставимой с мощностью генератора НОМ 15; устройство мониторинга, информирования и управления УМИиУ16; цепь однофазного тока питания нагрузки ЦОТПН17 [6, 17].

Подробно работа схемы описана в [6, 17].

Разработан экспериментальный образец устройства, реализующего часть указанного выше способа, а именно возможность выдачи мощности трёхфазного ЭГ на однофазную нагрузку. Такое устройство (назовём его устройством выдачи мощности на однофазную нагрузку, или УВМОН) может разрабатываться для выдачи всей мощности ЭГ на однофазную нагрузку, или такой мощности, которая превышает допустимую однофазную нагрузку ЭГ. Устройство может использоваться как для ЭГ, так и для других источников электроснабжения, имеющих ограничения по выдаваемой однофазной мощности.

Результаты и обсуждение. Структурная схема УВМОН показана на рисунке 2. Номинальная мощность экспериментального образца составляет 1 кВт. Образец создан для исследования функциональных возможностей УВМОН и определения ряда его технических характеристик.

Рисунок 2 – Структурная схема УВМОН

Внешний вид экспериментального образца устройства приведен на рисунке 3.

Устройство состоит из следующих ключевых узлов. Трехфазный диодный мост, преобразующий трехфазное напряжение 380 В, 50 Гц в выпрямленное пульсирующее напряжение с частотой 300 Гц, пиковым напряжением 540 В. Звено постоянного тока, содержащее в том числе 2 последовательно соединенных конденсатора (1000 мкФ, 400 В), применяемых для подавления пульсации выпрямленного напряжения, представляет собой сглаживающий фильтр и обеспечивает стабильное питание инвертора.

Инвертор, построенный на IGBT-ключах и включающий в себя H-мост на 4 мощных транзисторах IKW40N120H3 (1200 В, 40 А), драйвер управления HCPL-3120 с гальванической развязкой для реализации синусоидального ШИМ (SPWM) с частотой 10 кГц. Также содержится микроконтроллер (МК) для реализации управляющего ШИМ и обратной связи для контроля перенапряжений, заданий параметров управления и защиты.

Выходной LC-фильтр состоящий из дросселя 3 мГн (ферритовый сердечник) и конденсатора 33 мкФ, 450 В с частотой среза 500 Гц служит для подавления высокочастотных компонентов ШИМ.

Схема инверторного преобразователя, состоящая из трехфазного диодного моста, звена постоянного тока и однофазного инвертора на IGBT-ключах с выходным LC-фильтром позволяет получить высокий КПД устройства (в теории до 96%), его компактные размеры и возможность точного регулирования выходных параметров.

Изготовлен экспериментальный образец УВМОН, внешний вид которого (без корпуса) показан на рисунке 3.

Рисунок 3 – Внешний вид экспериментального образца УВМОН

Выполнены предварительные лабораторные испытания устройства с целью подтвердить функциональные характеристики и получить значения КПД в разных режимах работы. В ходе испытаний от трёх фаз ЭГ подавалось напряжение только на однофазную нагрузку, подключенную через УВМОН. Устройство устойчиво симметрировало фазные токи и напряжения на вводе ЭГ. Создавалась равномерная загрузка по фазам, контролировалась адекватность показаний на устройствах контроля и измерений с выдачей мощности генератора на однофазную нагрузку.

В процессе испытаний получены значения КПД УВМОН, они указаны в таблице 1.

Таблица 1. Экспериментальные значения КПД устройства УВМОН

№ п/п	Мощность на вводе ЭГ, кВт	Мощность на нагрузке, кВт	КПД, %
1	0,110	0,1	91,2
2	0,316	0,3	94,8
3	0,522	0,5	95,7
4	0,735	0,7	95,2
5	1,066	1,0	93,8

КПД устройства изменялось в пределах от 91,2 до 95,7%, подтверждая достаточно высокие показатели выбранной структурной схемы. Наибольшие значения КПД получены в режимах с нагрузкой, составляющей 50-70% от расчётной мощности устройства. При работе на расчётной мощности, 1 кВт, КПД составил 93,8%.

Выводы. Задача симметрирования токов и напряжений на вводе трёхфазного ЭГ при работе с несбалансированной по фазам нагрузкой может решаться разными способами, среди которых распределение нагрузки по фазам, применение устройств симметрирования нагрузки. Одним из эффективных является способ, заключающийся в установке на вводе ЭГ трёхфазного и однофазного инверторных устройств, осуществляющих последовательное преобразование тока из трёхфазного переменного сперва в постоянный, а затем в трёхфазный, или однофазный переменный соответственно. Это позволяет при любой несимметрии подключенной нагрузки получать симметричные ток и напряжение на вводе ЭГ.

Разработан экспериментальный образец инверторного устройства УВМОН, обеспечивающего возможность подключения к трёхфазному ЭГ однофазной нагрузки с мощностью, превышающей допустимую на одну фазу, или даже сопоставимой с трёхфазной мощностью ЭГ. Предварительные лабораторные испытания УВМОН подтвердили его функциональность для симметрирования нагрузки ЭГ и показали высокие значения КПД, достигающие более 95% при работе устройства с нагрузкой 50-70% от расчётной. Дальнейшие разработки направлены на повышение мощности устройства и улучшение его характеристик.