Аннотация
Статья посвящена вопросу управления стабильностью питающего напряжения промышленных сетей электроснабжения. Рассматривается вопрос изменения напряжения питания инвертора последовательного активного фильтра в процессе работы. Рассматривается имитационная модель регулятора напряжения. Представлены результаты моделирования с согласующим фильтром.
Задача построения последовательных активных фильтров для систем электроснабжения в настоящий момент является актуальной, ей посвящено множество работ крупных специалистов, например [1, 2]. Но, в тоже время некоторые вопросы всё ещё нуждаются в детальной проработке.
Одной из основных проблем при проектировании полупроводниковых преобразовательных устройств является определение напряжений на ключевых элементах во время коммутации. Применительно к регулирующим и фильтрующим устройствам процесс ограничения уровня напряжения на ключевых приборах осложняется необходимостью удержания внешних параметров в заданных или вычисленных пределах. Таким образом при разработке фильтрорегулирующего устройства встаёт задача определения уровней напряжения в моменты переключения. Кроме этого существует необходимость в определении уровня на емкостных накопительных элементах при различных режимах работы схемы, а также при различных параметрах электрической нагрузки на которой происходит регулирование напряжения с помощью ФРУ.
Одним из наиболее эффективных по временным затрата на получение адекватного результата является метод имитационного моделирования, которым и воспользуемся далее в этой работе.
Существует несколько вариантов последовательных активных фильтров. С трансформаторной развязкой (рисунок 1а) и непосредственного включения (рисунок 1б).
Здесь e – источник напряжения, представляющий сеть электроснабжения,
VT1–VT4, VD1–VD4 полупроводниковые ключи инвертора фильтро-регулирующего устройства(ФРУ),
С – энергонакапливающий конденсатор инвертора,
L,С1 – Г–образный фильтр,
Zн – нагрузка,
Tr – согласующий трансформатор.
Преимуществами трансформаторной схемы по сравнению с бестрансформаторной являются:
- гальваническая развязка ФРУ с сетью;
- возможность выбора силовых ключей с различными максимальными параметрами за счёт подбора коэффициента трансформации трансформатора Tr на этапе проектирования ФРУ.
В идеальном случае трансформатор не должен искажать форму передаваемого напряжения. Однако, в реальных условиях трансформатор вносит гармонические и фазовые искажения в спектральный состав напряжения генерируемого ФРУ. Также, за счёт индуктивностей обмоток трансформатора, в целом ограничивается скорость реакции ФРУ на сигналы управления системы.
Рисунок 1 – Схема последовательного активного фильтра
В свою очередь, преимуществами бестранс-форматорной схемы по сравнению с трансформаторной являются:
- повышенная скорость работы регулятора;
- возможность применения повышенной частоты ШИМ инвертора по сравнению с трансформаторной схемой;
- снижение потерь и упрощение системы регулятора за счёт исключения трансформатора.
Однако, в то же время, в бестрансформаторной схеме отсутствует гальваническая развязка ФРУ с сетью, и как следствие, ключевые элементы должны быть рассчитаны на работу минимум с сетевым напряжением и током нагрузки.
Рассмотрим последовательный активный бестранс-форматорный фильтр.
Конденсатор С в ФРУ подключается пос-ледовательно с источником напряжения сети различной полярностью, определяемой открытыми ключами инвертора, таким образом, чтобы суммарное напряжение последовательно включённых источника напряжения сети и конденсатора инвертора было бы максимально приближенным к расчётному напряжению на нагрузке, параметры, которого определяются ГОСТ13109‑97, а с 01.01.2013 ГОСТ Р 54149‑2010.
 |
(1) |
|---|
где Uн – напряжение на нагрузке,
Uвх – сетевое напряжение, поступающее от поставщика,
Uкор – корректирующее напряжение, вырабатываемое ФРУ.
Можно выделить три основных режима работы бестрансформаторного ФРУ:
- повышение напряжения на нагрузке;
- снижения напряжения на нагрузке;
- пропускание тока нагрузки без искажения сетевого напряжения.
В режиме повышения напряжения на нагрузке в системе протекают следующие процессы:
- конденсатор С инвертора ФРУ включен последовательно и согласно с источником напряжения сети,
- напряжение на входе фильтра равняется сумме напряжений источника сети и напряжения конденсатора:
где UC – напряжение на конденсаторе инвертора,
- ток, протекающий через инвертор приводит к разряду конденсатору C.
Для режима «снижения напряжения на нагрузке» характерны следующие процессы:
- конденсатор С инвертора ФРУ включен последовательно и встречно с источником напряжения сети;
- напряжение на входе фильтра равняется разности напряжений источника сети и напряжения конденсатора:
- ток, протекающий через инвертор приводит к заряду конденсатору C.
В режиме протекания тока нагрузки отсутствует регулирование напряжения на ней и ФРУ можно рассматривать в системе как проводник тока.
Для режима «пропускание тока нагрузки» характерны следующие процессы:
- конденсатор С инвертора ФРУ не включен в цепь протекания тока источника напряжения сети в нагрузку, и током нагрузки.
Особенностью схем последовательных ФРУ является
- напряжение на нагрузке равняется напряжению источника сети:
- ток, протекающий через инвертор не влияет на заряд конденсатора C.
Управление силовыми ключами ФРУ осу-ществляется методом широтно-импульсной модуляции, как следствие длительность протекания тока в положительном направлении будет задаваться величиной коэффициента заполнения ШИМ:
 |
(2) |
|---|
UC – напряжение на конденсаторе С1 ФРУ
В процессе работы ФРУ при открытии ключей происходит заряд или разряд конденсатора C1 в зависимости от направления протекания тока. Также, при закрытии всех ключей инвертора, ток, накопленный в индуктивности L1 фильтра, замыкаясь через обратные диоды инвертора, приводит к заряду ёмкости С1.
Предсказать заранее напряжение до которого зарядится конденсатор инвертора практически невозможно, так как на него влияет множество параметров начиная от напряжения помехи на сетевом входе ФРУ до частоты ШИМ, и параметров нагрузки.
Снижение напряжения заряда конденсатора осуществляется при включении конденсатора поляр-ностью совпадающей с текущим значение напряжения на сетевом входе ФРУ по знаку. Работа ФРУ в данном случае направлена на повышение напряжения на нагрузке. При превышении напряжением на конденсаторе С инвертора некоторого установленного значения, возможно ограничить дальнейший заряд конденсатора, исключив режимы протекания тока заряда через него. Для этого необходимо чтобы ток через инвертор протекал в обход конденсатора. Полностью закрыть все ключи инвертора ФРУ нельзя, так как в этом случае прерывается ток нагрузки. Такого режима работы можно достичь включая одновременно пару нижних или верхних ключей инвертора. Тем самым можно добиться ограничения напряжения на конденсаторе в заданном заранее диапазоне до критического режима работы как для полупроводниковых элементов, так и для самого конденсатора и других восприимчивых элементов схемы. Однако, такой способ работы схемы инвертора приводит к ограничению регулирования амплитуды напряжения на нагрузке с помощью ФРУ только в сторону увеличения.
Таким образом, напряжение вольт-добавки ФРУ меняется со временем. Для учёта этого изменения необходимо дополнительно иметь информацию о текущем значении напряжения конденсатора C1, которое можно определить как:
Модель ФРУ в среде моделирования Matlab/Simulink представлена на рисунке 2. В основу работы модели положен способ, описанный в [6].
Рисунок 2 – Модель последовательного активного фильтра dchtlt Simulink.
Рисунок 3 – Структура ФРУ в среде Simulink
E1, R1 – идеальный источник напряжения и сопротивление, моделирующие сетевой источник электроэнергии,
Generator – последовательное фильтрорегулирующее устройство(ФРУ),
Load – нагрузка,
L1,C1 – пассивный фильтр для фильтрации выходных пульсаций ФРУ,
PWM Generator – ШИМ генератор,
Sample & Hold(2) – блоки дискретизации сигналов для ограничения скорости моделирования и вычисления корректирующего воздействия.
Внутренняя структура бестрансформаторного ФРУ представлена на рисунке 3.
Здесь Mosfet1-Mosfet4 – ключевые элементы инвертора,
C1 – ёмкость вольт-добавочного конденсатора ФРУ,
Uc – блок вывода информации о напряжении на конденсаторе ФРУ.
Существенным недостатком данной схемы является рост напряжения на конденсаторе С1 ФРУ вследствие сброса электрической энергии, накопленной в дросселе L1 тока, а также за счёт протекания тока заряда в режиме работы ФРУ «снижения напряжения на нагрузке».
Так как напряжение на С1 прикладывается к силовым ключам инвертора ФРУ, то оно может существенно повысить требования к допустимым значениям напряжений для используемых приборов. Это негативно сказывается на стоимости системы, а также накладывает дополнительные ограничения на её эксплуатацию. В тоже время, при увеличении Uc1 происходит увеличение коммутационных токов инвертора ФРУ.
Рисунок 4 – Входное напряжение сети.
Одновременно повышение напряжения UC1 приводит к повышению уровня пульсаций выходного напряжения ФРУ при прочих равных условиях. Причиной этого является увеличение напряжение на входе LC фильтра при повышении UC1, что, в свою очередь, кроме повышения требований к элементам фильтра, таким как допустимые токи и напряжения для его элементов, приводит также к повышенным потерям в фильтре.
Рассмотрим влияние параметров LC–фильтра на качество напряжения на нагрузке.
В качестве примера поставляемого поставщиком сетевого напряжения будем использовать трапецидальное напряжение, изображённое на рисунке 4. Данная форма часто встречается в условиях перегруженности электрических сетей. параметры индуктивности L и ёмкости C1 LC-фильтра будем изменять в диапазоне 0–2 от номинальных значений, составляющих 1.9 мГн и 5.6 мкФ соответственно. Ёмкость C будем брать из ряда [0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100, 500] мкФ.
Оценивать результаты моделирования будем по следующим параметрам:
- действующее напряжение на нагрузке;
- амплитуда основной гармоники напряжения на нагрузке;
- напряжение конденсатора C1 ФРУ.
Оценивать работу ФРУ будем после выхода схемы на установившийся режим работы. Зависимости соответствующих параметров представлены на рисунках 5–7.
На основе представленных на рисунках 4–6 зависимостей можно сделать следующие выводы:
- напряжение на силовом конденсаторе С1 и напряжение на нагрузке зависит от ёмкости и индуктивности LC-фильтр;а
- при отсутствии LC-фильтра повышается действующее значение напряжения на нагрузке за счёт увеличения пульсаций напряжения на нагрузке;
- при отсутствии LC-фильтра снижается амплитуда основной гармоники;
- при превышении параметрами LC-фильтра величины 0.5 от расчётных, амплитуда и действующее значение напряжения на нагрузке стабилизируется;
- применение LC-фильтра является обязательным для обеспечения высокого качества регулирования напряжения на нагрузке;
- амплитуда напряжения на питающем конденсаторе зависит от ёмкости этого конденсатора, при это зависимость является обратной, но не линейной - напряжение на конденсаторе тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора C1 ФРУ.
Рисунок 5 – Напряжение конденсатора С1 ФРУ при различных ёмкостях С1.
Рисунок 6 – Основная гармоника напряжения на нагрузке при различных ёмкостях С1 ФРУ.
Рисунок 7 – Действующее значение напряжения на нагрузке при различных ёмкостях С1 ФРУ.
Список использованной литературы
1. Агунов А.В. Улучшение электромагнитной совместимости в автономных электроэнер-гетических системах ограниченной мощности методом активной фильтрации напряжения. // Электротехника, 2003, №6, с.52–56.
2. Куро Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении. // Новости электротехники 2005, № 1.
3. Апарин В.А., Шевцов А.А. “Способ регулирования сетевого напряжения”, “Промышленная энергетика” № 2010/10.
4. Апарин В.А., Шевцов А.А. Использование регуля-тора напряжения в системе электроснабжения средних промышленных предприятий, Вектор науки Тольяттинского государственного университете, №3 2010, г. Тольятти, изд-во ТГУ
5. Апарин В.А., Шевцов А.А., Особенности использования согласующих трансформаторов последовательно типа. Вектор науки ТГУ. № 1 (19), 2012.
6. Патент Росиии № 2449457 «СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ КРИВОЙ ПИТАЮ-ЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ»