Регулируемое симметрирующее устройство с индуктивным накопителем энергии

В настоящее время все большее значение приобретают вопросы энергосбережения и качества электроэнергии [1, 2]. Согласно нормам на качество электроэнергии, коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности не должно превышать 2 % от номинального в течение 95 % времени интервалом в одну неделю и 4 % в течение 100 % времени интервалом в одну неделю [3]. Несимметрия токов и напряжений может возникнуть при подключении к трехфазной сети мощных однофазных нагрузок, таких как индукционные печи, установки электрошлакового переплава, электросварочные агрегаты, тяговые тиристорные электроприводы постоянного тока и др. [4]. В данной работе рассмотрено устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности – симметрирующее устройство с индуктивным накопителем энергии.

По нашему мнению, исследованию симметрирующих устройств с индуктивными накопителями энергии уделяется мало внимания, и данная работа призвана несколько улучшить существующее положение дел.

Симметрирующие устройства

В большинстве случаев в промышленности для симметрирования однофазных электропечных нагрузок применяются симмерирующие устройства, работающие по схеме Штейнметца, реже статические тиристорные компенсаторы [5, 6]. Сим-мерирующее устройство, работающие по схеме Штейнметца имеет ряд недостатков, основные из которых: необходимость ручного регулирования параметров устройства в процессе работы, большие габариты и масса активной части [7]. Статические тиристорные компенсаторы несмотря на лучшую управляемость сильно искажают форму кривой тока и потребляют реактивную мощность вследствие несовершенства системы управления [8, 9].

Симметрирующие устройства с индуктивным накопителем энергии промышленными предприятиями не производятся. Однако на нашем и европейском рынках имеются компенсаторы типа СТАТКОМ с емкостными накопителями энергии, но они дороги и имеют более сложную конструкцию.

Симметрирующее устройствос индуктивным накопителем энергии

Симметрирующее устройство с индуктивным накопителем энергии состоит из последовательно подключенного Г-образного LC-фильтра нижних частот и трехфазного мостового полупроводникового преобразователя с индуктивностью (дроссель с зазором) на стороне постоянного тока [10]. Принципиальная схема симметрующего устройства приведена на рис. 1. Трехфазный мостовой преобразователь образуют шесть полностью управляемых ключей с односторонней проводимостью – шесть IGBT-транзисторов [11]. Симметрирующее устройство подключается к сети параллельно.

Принцип действия симметрирующего устройства заключается в управляемом энергообмене между сетью и дросселем посредством мостового преобразователя. При несимметрии мгновенная мощность трехфазной системы содержит переменную составляющую, значение которой определяется током обратной последовательности. Управляя потоком энергии между дросселем с зазором и

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема симметрирующего устройства

сетью, можно обеспечить равенство нулю тока обратной последовательности и таким образом исключить переменную составляющую мгновенной мощности трехфазной сети.

Способ управления симметрирующим устройством основан на том факте, что в любой момент времени сумма токов в трехфазной системе равна нулю (справедливо как для прямой, так и для обратной последовательности токов) или I A 2 + I B 2 + I C 2 = 0 , следовательно, один из них равен сумме двух других не только векторно, но и по модулю мгновенного значения ввиду равенства знаков последних токов. Из этих соображений можно получить 6 случаев (см. таблицу). Границами случаев являются переходы токов через ноль.

Все «случаи» в таблице расположены определенным образом: такое чередование знаков фаз характерно для обратной последовательности тока.

Подробно рассмотрим первый случай (остальные случаи аналогичны первому). В этом случае происходит потребление тока обратной последовательности из фазы B и отдача в фазы A и C. Модуль тока обратной последовательности фазы B равен сумме модулей токов обратных последовательностей фаз A и C. Во время этого промежутка времени вентиль в «положительной» ветви моста фазы B (вентиль 2 на рис. 1) открыт и ток из фазы B течет в дроссель с зазором [12]. Чтобы цепь была замкнута (протекал ток), необходимо открыть вентили в «отрицательной» ветви моста фаз A и C (вентили 4 и 6 на рис. 1). Но одновременно открыть вентили фаз A и C нельзя – произойдет короткое замыкание. Следовательно, надо открыть сначала один, а потом другой. Поэтому необходимо правильно определить время открытия и закрытия этих вентилей. Время открытия и за- крытия этих транзисторов находится из соотношения:

IIA2 I/|IC2 I = TATC , где IA2 , IC2 – токи обратной последовательности фаз A и C за промежуток времени TA + TC ; TA , TC -время нахождения в открытом состоянии транзисторов в фазах А и С.

Для облегчения фильтрации высших гармоник целесообразно повысить несущую частоту с 300 Гц (50 Гц × 6) до 12 600 (300 Гц × 42) [13].

Максимальная несущая частота определяется характеристиками используемых транзисторов и величиной потерь в них. Таким образом, алгоритм управления транзисторами основан на широтноимпульсном модулировании с несущей частотой в 12,6 кГц и организован таким образом, чтобы ток через дроссель не прерывался [14]. Мостовой преобразователь, изменяя угол включения и выключения транзисторов, осуществляет регулирование переменной составляющей мгновенной мощности трехфазной сети.

Компьютерная модель симметрирующего устройства

Для исследования разработанного симметрирующего устройства была создана компьютерная модель в пакете Matlab с использованием Simulink [15]. Общая схема компьютерной модели симметрирующего устройства представлена на рис. 2: блок Source имитирует работу трехфазной сети промышленной частоты, блок Filter – трехфазный Г-образный фильтр нижних частот, блок IGBT – трехфазный мост с IGBT-транзисторами, блок RL – дроссель с зазором, блок Control – система управления транзисторами, блок Series RLC

Возможные случаи соотношения токов

	1	2	3	4	5	6
I A 2	«–» (< 0)	«–» (< 0)	«–» (< 0)	«+» (> 0)	«+» (> 0)	«+» (> 0)
I B 2	«+» (> 0)	«+» (> 0)	«–» (< 0)	«–» (< 0)	«–» (< 0)	«+» (> 0)
I C 2	«–» (< 0)	«+» (> 0)	«+» (> 0)	«+» (> 0)	«–» (< 0)	«–» (< 0)

В блок Control поступают измеренные мгновенные значения напряжения сети, токов симметрирующего устройства и нагрузки. На основе полученных данных производится расчет токов обратной последовательности для каждой из фаз, после чего вычисляются поправочные (регулировочные) коэффициенты для подсистемы переключения транзисторов [16]. Переключение транзисторов происходит согласно вышеописанному принципу.

На рис. 3 представлена упрощенная схема системы управления переключением транзисторов (блок Control на рис. 2). На данной схеме опущены подсистемы вычисления токов обратной последовательности и системы синхронизации, представлены следующие блоки: IA2, IB2 , IC2 – источники квантованных по уровню синусоидальных сигналов по форме полностью соответствующими синусоидам токов обратной последовательности; RS – источник пилообразного сигнала, причем период пилообразного сигнала равен периоду дис- кретизации квантованного по уровню синусоидального сигнала; Comp 1–3 – блоки сравнения с нулем; Abs 1–3 – блоки, выдающие модуль исходного сигнала; Scope 1, 2 – блоки-осциллографы; NOT 1–9 – блоки логического отрицания; Prod 1–3 – блок арифметического умножения; OR 1–6 – блок логического «или»; RO 1–3 – блоки сравнения; AND 1–18 – блоки логического «и»; Out 1–6 – выходные блоки, блоки подачи сигналов на транзисторы 1–6 соответственно. На выходных блоках сигнал «1» соответствует состоянию «включено», а сигнал «0» – «выключено».

Далее рассмотрим несколько цепочек взаимодействия блоков системы управления переключением транзисторов – остальные подобны рассматриваемым. Квантованный по уровню синусоидальный сигнал, полностью соответствующий по фазе синусоиде тока обратной последовательности в фазе A с блока Ia поступает в блок Abs 1, на выходе которого получается модуль квантованного по уровню синусоидального сигнала, который поступает в блок Prod 1 совместно с сигналом с блока RS. Сигнал с блока Abs 1 также поступает в блок RO 3.

В блоке Prod 1 происходит умножение двух сигналов. На выходе получается пилообразный сигнал, вписанный в модуль квантованного по

Рис. 3. Схема блока Control

уровню синусоидального сигнала, или же пилообразный сигнал, промодулированный квантованным по уровню синусоидальным сигналом.

Последний сигнал сравнивается в блоке RO 1 с выходным сигналом блока Abs 2 – модулем квантованного по уровню синусоидального сигнала с блока Ib. Сигнал с блока RO 1 поступает в блоки NOT 6 и 9, AND 10 и 16. Сигналы с блоков NOT 6 и 9 после логического отрицания поступают в блоки AND 11 и 17, соответственно. Сигналы в блоках AND 10, 11, 16 и 17 подвергаются логической операции «и» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают в блоки OR 2, 3, 5 и 6 соответственно. Далее эти сигналы подвергаются логической операции «или» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают на выход блока Control (см. рис. 2) – в блоки Out 2, 3, 5 и 6 соответствен- но. Этой цепочке преобразования сигналов аналогичны цепочки: Ib, Abs 2, Out 1, 3, 4, и 6 (OR 1, 3, 4 и 6) и Ic, Abs 3, Out 1, 2, 4, и 5 (OR 1, 2, 4, и 5). Одновременно с этой цепочкой преобразования происходит следующее: сигнал с блока Ia поступает в блок Comp 1, где сравнивается с нулем, после чего поступает в блоки NOT 1, AND 5 и 6. Сигнал с блока NOT 1 после логического отрицания поступает в блоки AND 2 и 3 соответственно. Сигналы в блоках AND 2, 3, 5 и 6 подвергаются логической операции «и», совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают в блоки AND 13, 18 и OR 2 (с блока AND 2), AND 14, 15 и OR 3 (с блока AND 3), AND 7, 12, и OR 5 (с блока AND 5), AND 8, 9 и OR 6 (с блока AND 6). Сигналы в блоках AND 7–9, 12–15 и 18 подвергаются логической операции «и» совместно с другими соответствующими сигналами и поступают в бло-

Рис. 4. Осциллограммы напряжения в сети (а), токов на нагрузке (б) и токов в сети после симметрирования (в)

ки OR 1–6, где они подвергаются логической операции «или» совместно с другими соответствующими сигналами, после чего поступают на выход блока Control (см. рис. 2) – в блоки Out 1–6. Этой цепочке преобразования сигналов аналогичны цепочки: Ib, Comp 2 – Out 1–6, и Ic, Comp 3– Out 1–6.

Блоки Comp 1–3, NOT 1–3 и AND 1–6 реализуют разделение на шесть случаев в зависимости от знаков токов согласно таблице. Блоки Abs 1–3, Prod 1–3, RO 1–3 и RS производят увеличение несущей частоты переключений в 42 раза (до 12,6 кГц) и разделяют время работы соответствующих транзисторов пропорционально токам. Остальные блоки носят вспомогательный характер.

Одним из наиболее тяжелых режимов работы симметрирующего устройства является неполнофазный режим, который также заметно влияет на несимметрию напряжений. Рассмотрим режим работы устройства при однофазной нагрузке – фазы A и С имеют номинальную нагрузку активноиндуктивного характера, нагрузка в третьей фазе В отсутствует. Симметрирующее устройство выполняет перераспределение токов между фазами для получения симметричных токов и напряжений в фазах сети.

На рис. 4 представлены осциллограммы напряжений в сети и токов на нагрузке и в сети. Из рис. 4, б видно, что ток нагрузки однофазный. На рис. 4, в представлена осциллограмма токов в сети после симметрирования.

Например, согласно расчету, до симметрирования ток нагрузки индукционной печи ИЧТ-2,5 I_A и I_С равен по величине 1880 А, а cosφ = 0,18 . После симметрирования токи I_A , I_B , I_С равны 1085 А, а cosφ = 1 , то есть наряду с симметрированием происходит компенсация реактивной мощности.

Заключение

Несимметрия токов и напряжений приводит к ухудшению режимов работы практически всех потребителей электроэнергии. Так как активная мощность цепи, подключенная к источнику питания прямой последовательности и нагруженная на токи обратной последовательности равна нулю, то возможно выполнить симметрирование с помощью реактивных элементов, в том числе индуктивных элементов [17].

Построенная в пакете Matlab система управления с трехфазным мостом из транзисторных модулей и с нагрузкой в виде дросселя позволяет получить эффективное снижение несимметрии токов сети и соответственно устранить несиммет-рию напряжений питающей сети, это доказывают приведенные в статье осциллограммы.