Преобразовательная техника. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика
Автономный однофазный инвертор с высоким качеством выходного напряжения
Статья научная
Представлено решение актуальной проблемы повышения качества выходного сигнала автономных инверторов напряжения. В отличие от традиционно используемой для этой цели широтно-импульсной модуляции (ШИМ), предложена топология, содержащая мостовой однофазный инвертор и коммутатор источников постоянного тока на входе, позволяющий формировать на нагрузке восьмиступенчатое напряжение с суммарным коэффициентом гармоник 6,9 %, что удовлетворяет требованиям современного стандарта на качество электроэнергии. Новизна технического решения подтверждена патентом на полезную модель. Оптимизация кривой многоступенчатого, аппроксимирующего синусоиду сигнала по критерию минимума коэффициента гармоник проводилась с помощью эволюционного моделирования (генетического алгоритма). Исследование электромагнитных процессов осуществлялось методом имитационного моделирования. Полученные результаты подтвердили неизменность коэффициента гармоник выходного напряжения инвертора во всем диапазоне изменения коэффициента мощности нагрузки 0≤ cosφ ≤1 и устойчивость системы при мгновенном увеличении и уменьшении нагрузки. Значимость предложенного и исследованного схемного решения определяется преимуществами ступенчатой модуляции по сравнению с широтно-импульсной: - низкие динамические потери в ключевых элементах, позволяющие использовать инвертор в широком диапазоне частот; - независимость коэффициента гармоник от частоты и характера нагрузки; - уменьшение массогабаритных показателей, вследствие отсутствия необходимости установки фильтра на выходе инвертора, поскольку гарантируемое качество электроэнергии соответствует требованиям стандарта; - отсутствие по сравнению с методом широтно-импульсной модуляции негативного влияния на характеристики потребителей и сроки их эксплуатации, если не используются фильтры высших гармоник. Область применения рассмотренной схемы инвертора включает радиоэлектронную технику, аппаратуру связи, электропривод. Наибольшие преимущества предложенного схемотехнического решения проявляются при включении инвертора в систему локального электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии (солнечные панели, аккумуляторы), поскольку в этом случае исключается установка гальванически изолированных выпрямителей в качестве источников постоянного тока на входе АИН.
Бесплатно
Адаптивная система синхронизации трехфазного мостового реверсивного тиристорного преобразователя
Статья научная
Рассмотрен принцип построения адаптивного к нестабильности напряжения сети канала синхронизации тиристорного преобразователя. Приведены результаты его моделирования в пакете MatLab + Simulink и дана оценка характеристик адаптивного и традиционного принципов синхронизации.
Бесплатно
Статья научная
Предложен новый принцип построения устройства синхронизации (УС) на основе интегрирующего развертывающего преобразования для ведомых сетью силовых вентильных преобразователей (ВП). УС представляет собой нелинейную импульсную систему, в основе которой лежит замкнутая структура интегрирующего развертывающего преобразователя (РП), работающего в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети. Приведены структурная схема, временные диаграммы сигналов и условия внешней синхронизации РП гармоническим и прямоугольным биполярным сигналами. Получены рекомендации по выбору соотношения частоты собственных автоколебаний развертывающего преобразователя и частоты напряжения сети. Показано, что адаптивное интегрирующее устройство синхронизации полностью адаптируется к нестабильности амплитуды и частоты напряжения сети в пределах ±50 % и выше. В отличие от известных схем синхронизации предложенное УС представляет собой адаптивный фильтр первого порядка, полоса пропускания которого автоматически перестраивается в зависимости от амплитуды и частоты напряжения сети. Это свойство интегрирующего УС позволяет подавлять высшие гармоники в питающей сети при нестабильности частоты в пределах ±50 % и выше. Также показана высокая помехоустойчивость предложенного адаптивного интегрирующего УС по отношению к коммутационным искажениям напряжения сети. Все это говорит о целесообразности его применения в системах управления ВП, питание которых осуществляется от автономной системы электроснабжения «малой» мощности, например, дизель- или ветрогенераторных установок. Даны рекомендации по выбору параметров адаптивного интегрирующего УС. На примере трёхфазного реверсивного тиристорного выпрямителя постоянного тока рассмотрена функциональная схема перекрестной синхронизации, а также приведены результаты ее практического применения в составе систем управления силовыми ВП.
Бесплатно
Активный фильтр для зарядно-выпрямительного устройства систем электропитания
Статья научная
Предлагается активный фильтр (АФ) для системы электропитания на базе зарядно-выпрямительного устройства моноблочного типа ЗВУ НРТ 160.220. Компенсатором гармонических составляющих здесь служит полумостовая схема однофазного инвертора напряжения. Преобразователь является источником гармонической составляющей, противоположной по фазе тем гармоникам, которые присутствуют в выходном сигнале выпрямителя ЗВУ. АФ подключается последовательно в выходную цепь выпрямителя через согласующий трансформатор с малым числом витков обмоток. В работе предлагается методика по разработке активного фильтра с системой управления. Приведен расчет аналоговых фильтров нижних частот и высших частот (Бесселя 2-го порядка). Был произведен анализ работы ЗВУ с фильтром и без, при разных значениях выходного напряжения выпрямителя. Приведены эпюры токов и напряжений в основных точках схемы АФ, полученные в ходе моделирования.
Бесплатно
Статья научная
Предложен алгоритм смены шаблонов углов переключений ключей трёхуровневого преобразователя при широтно-импульсной модуляции с удалением выделенных гармоник. Алгоритм позволяет осуществить выбор необходимого шаблона углов переключений в зависимости от изменения частоты выходного напряжения преобразователя. Решена задача смены шаблонов углов переключений ШИМ с удалением выделенных гармоник при не более одной коммутации полупроводниковых модулей преобразователя. Подробно рассмотрены структурная схема и блок-диаграмма предложенного алгоритма. Представлены результаты моделирования, подтверждающие работоспособность алгоритма и демонстрирующие формирование переменной частоты выходного напряжения трёхуровневого преобразователя и смены шаблонов углов переключений без бросков и колебаний тока во время переключений. Реализованный алгоритм может быть легко адаптирован под задачи смены других методов широтно-импульсной модуляции.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена проблема снижения циркуляционных токов при формировании фазного тока необходимого качества в структуре с параллельным включением трехуровневых полупроводниковых преобразователей. Для решения проблемы предложен новый алгоритм векторной ШИМ, который дает возможность снизить циркуляционные токи и улучшить качество формируемого преобразователями фазного тока. Для трехуровневых полупроводниковых преобразователей в параллельном включении решение достигается исключением одновременной реализации таких комбинаций состояний ключей, которые формируют одно и то же выходное напряжение разными способами. В таком случае условий для появления циркуляционных токов не возникает. По результатам компьютерного моделирования предложенный алгоритм позволяет улучшить коэффициент гармоник формируемого фазного тока в среднем на 3 % и снизить циркуляционные токи в среднем в 3 раза по сравнению с другими алгоритмами.
Бесплатно
Статья научная
В настоящее время широкое распространение в электроэнергетических системах различного назначения получают многоуровневые инверторы напряжения, являясь эффективным методом формирования гармонического состава выходного напряжения. Реализация многоуровневой концепции позволяет управлять составом и величиной гармоник на их выходе, что является актуальным для систем электроснабжения технологических процессов, качество которых зависит от спектра питающего напряжения. Предложен подход к определению влияния изменения параметров в многоуровневом инверторе на спектр его выходного напряжения, обеспечивающий возможность решать задачу синтеза многоуровневой кривой с желаемым гармоническим составом. Получены формулы для расчета чувствительности коэффициентов гармонических составляющих напряжения и суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения к изменению уровней входного напряжения и электрических углов их включения в инверторе. Разработан алгоритм синтеза многоуровневой кривой выходного напряжения с задаваемым гармоническим составом, наиболее соответствующим реализуемому технологическому процессу. Результаты компьютерного моделирования синтеза многоуровневой кривой с желаемым гармоническим составом за счет изменения напряжений уровней при различных величинах выбранных гармоник показывают его универсальность, наглядность и информативность. Представленный подход к проектированию рассматриваемого класса преобразовательных устройств заметно расширяет функциональные возможности многоуровневых инверторов напряжения, что способствует росту их применения в современных промышленных технологиях, качество которых в значительной степени определяется спектром питающего напряжения, например, в системах многочастотного индукционного нагрева.
Бесплатно
Выбор параметров LC-фильтра для ШИМ сигнала
Статья научная
Предложена методика инженерного расчета параметров LC-фильтра для высокочастотного ШИМ сигнала. Получены формулы локальной аппроксимации для основных инженерных характеристик фильтра: коэффициент гармоник, коэффициент эффективности, коэффициент жесткости характеристики. Локальная аппроксимация позволяет выбрать оптимальное соотношение между характеристиками фильтра.
Бесплатно
Статья научная
Предложен гибридный алгоритм модуляции на основе пространственно-векторной ШИМ и ШИМ с удалением выделенных гармоник. Данный алгоритм позволит снизить потери в преобразователе, возникающие при переключении ключей при пространственно-векторной ШИМ, за счет снижения числа этих переключений при ШИМ с удалением выделенных гармоник. В работе были сформулированы основные требования к гибридному алгоритму. Основное внимание было уделено рассмотрению возможных вариантов смены алгоритмов пространственно-векторной ШИМ и ШИМ с удалением выделенных гармоник в зависимости от состояний проводимости полупроводниковых ключей в силовой схеме преобразователя. Для трехуровневого преобразователя были определены четыре возможных варианта, два из которых удовлетворяют основным требованиям гибридного алгоритма. Результаты моделирования в программе Matlab/Simulink демонстрируют выполнение требований к минимизации числа переключений полупроводниковых модулей преобразователя. Практическое использование предложенного гибридного алгоритма модуляции позволит повысить КПД и улучшить показатели качества преобразованной электроэнергии. Наибольшую эффективность предложенный гибридный способ модуляции покажет в области больших мощностей, где применяются высоковольтные трёхуровневые преобразователи.
Бесплатно
Датчики напряжения (тока) с повышенной временной и температурной стабильностью характеристик
Краткое сообщение
Рассматриваются структуры датчиков напряжения (тока) (ДН) на основе интегрирующего автоколебательного развертывающего преобразователя с амплитудно-частотно-широтно-импульеной модуляцией, обладающие повышенной временной и температурной стабильностью характеристик. Приведены временные диаграммы сигналов ДН и основные аналитические соотношения. Предлагаются варианты трансформаторных и оптоэлектронных схем потенциального разделения канала «вход-выход» ДН. Рассмотрен оптоэлектрон-ный ДН для систем управления средней точности с температурным дрейфом порядка 10-20 мкВ/ °С, обладающий повышенной помехоустойчивостью.
Бесплатно
Дискретные преобразователи перемещения с кинестетическими датчиками положения
Статья научная
Рассмотрены варианты построения электромеханических (ЭМП) и электромехатронных (ЭМТП) преобразователей с использованием шагового электропривода (ШЭП), его динамика и её влияние на износ элементов передаточного механизма (ПМ), получены выражения для оптимизации его передаточного числа.
Бесплатно
Интегрирующая интервало-кодовая синхронизация реверсивных тиристорных преобразователей
Статья научная
Рассматриваются принципы построения адаптивных к нестабильности напряжения сети каналов синхронизации реверсивного тиристорного преобразователя, выполненных на основе интервало-кодового алгоритма обработки данных с выходов интегрирующих развертывающих преобразователей, синхронизированных с напряжением сети. Приведены структуры устройств синхронизации на основе трехразрядного двоичного счетчика и программируемой логической матрицы, а также временные диаграммы сигналов.
Бесплатно
Интегрирующий аналого-цифровой датчик нулевого тока
Статья научная
Рассматривается новый принцип построения аналого-цифрового датчика нулевого тока (ДНТ) на основе интегрирующего развертывающего преобразователя (РП), предназначенного для систем управления реверсивными тиристорными преобразователями (ТП) с раздельным управлением. Приведены структурная схема и временные диаграммы его сигналов. Показано, что применение интегрирующего развертывающего преобразователя позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость, а цифровой алгоритм обработки данных - повышенную точность работы.
Бесплатно
Информационное обеспечение электромехатронных преобразователей
Статья научная
Рассмотрены варианты информационного обеспечения (ИО) электромехатронных преобразователей (ЭМТП), отличающиеся достоверностью формирования составляющих перемещения. Показаны преимущества единого информационного обеспечения (ЕИО) и предложен пример его реализации на основе микроэлектронного преобразователя (МЭП) выходных сигналов фазовращателя (ФВ).
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрены принципы компенсации реактивной мощности и мощности искажений в высоковольтной распределительной электросети с помощью корректора коэффициента мощности, построенного на базе многоуровневого каскадного преобразователя с ШИМ на высокой частоте. Представлена его математическая модель, составленная в синхронной системе dq-координат, ориентированной по вектору напряжения питающей сети, изложены основные принципы построения системы управления и приведены результаты имитационного моделирования в программном комплексе Matlab/Simulink.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается математическая модель для расчета электромагнитных процессов в многозонном полупроводниковом преобразователе, который выступает в качестве регулятора переменного напряжения. Математическая модель реализована с применением спектрального метода на базе переключающих функций. Отмечено преимущество применения данной математической модели для расчета характеристик полупроводниковых преобразователей в установившемся режиме по сравнению с существующими пакетами программного моделирования, особенно для случаев множественных итерационных расчетов. Данные преобразователи позволяют улучшить качество регулируемых электромагнитных параметров в системе по сравнению с однозонными тиристорными регуляторами. Результаты математического моделирования были верифицированы имитационным моделированием.
Бесплатно
Статья научная
Предложено математическое описание трехуровневого преобразователя частоты с фиксированной нейтралью (3У-ПЧ с ФН) на базе активного выпрямителя и автономного инвертора напряжения (АВН и АИН), которое позволяет исследовать электромагнитные процессы и анализировать электромагнитную совместимость в системе «питающая сеть - 3У ПЧ с ФН на базе АВН и АИН - нагрузка» с учетом дискретного характера формирования выходных напряжений АВН и АИН. В отличие от известных математических моделей 3У-ПЧ с ФН на базе АВН и АИН, основанных на принципе разделений электрической системы на подсистемы, разработанная в данной статье модель позволяет получить удобную структурную схему для синтеза системы управления. Разработанная структурная схема 3У ПЧ на базе АВН и АИН оказалась аналогична известным структурным схемам двухуровневого преобразователя частоты при пренебрежении эффекта разбаланса напряжений в звене постоянного тока, идеальной синхронизации и линеаризации коммутационных функций. Дополнительно при линеаризации была рассмотрена только область вокруг номинального значения напряжения звена постоянного тока.
Бесплатно
Статья научная
В пакете MATLAB 7.5 разработана модель и осуществлено моделирование электромагнитных процессов в компенсированном выпрямительном агрегате с пятой и седьмой гармониками напряжения на конденсаторах и обратной связью в виде АИН с синусоидальной ШИМ. Для улучшения формы выходного напряжения АИН, используемого для регулирования выпрямленного напряжения агрегата, применен низкочастотный фильтр.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрен новый принцип построения замкнутого интегрирующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с бестактовым поразрядным уравновешиванием со встроенным в замкнутый контур АЦП цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Приведены структурная схема и временные диаграммы. Дан анализ статических и динамических характеристик, а также представлены результаты экспериментальных исследований. Показано, что применение интегратора позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость, надежность устройства, а бестактовое поразрядное управление - высокое быстродействие по сравнению с интегрирующими АЦП.
Бесплатно
Обоснование параметров преобразователя постоянного тока для источника автономного электроснабжения
Статья научная
С внедрением концепции Smart Grid в развитие электроэнергетики нарастает интерес к использованию DC/DC-преобразователей для координированной работы на одну систему шин постоянного тока разнотипных источников питания, имеющих в своем составе источники возобновляемой энергии, накопители электроэнергии (аккумуляторные батареи, модули суперконденсаторов), различную нагрузку. В статье выполнен анализ DC/DC-преобразователей для систем автономного электроснабжения. Обосновано применение преобразователя типа SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter). Представлена методика определения параметров преобразователя. Продемонстрирована и обоснована регулировка активного периода коэффициента заполнения в соответствии с теоретическим поведением после изменения входного напряжения выше и ниже желаемого выходного значения. Выполнено моделирование работы преобразователя в режимах повышения, понижения и стабилизации выходного напряжения в пакете MATLAB / Simulink. Полученные результаты моделирования показывают эффективность предлагаемого решения для источника автономного электроснабжения.
Бесплатно
