К.т.н. Дудкин М.М.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Трехфазное нагрузочно-питающее устройство с высокими энергетическими показателями

Нагрузочно-питающие устройства (НПУ) – это электротехнические устройства, обеспечивающие как нагрузку (потребление энергии), так и питание (подвод энергии) к испытываемым (исследуемым) преобразователям электрической энергии.

При испытании электрических машин, трансформаторов, автономных инверторов, тиристорных выпрямителей, преобразователей постоянного напряжения, источников вторичного электропитания, аккумуляторных батарей и других электротехнических устройств чаще всего применяются дискретно регулируемые активные, активно-индуктивные или активно-емкостные нагрузки, содержащие реостат [1]. Такие нагрузки обладают рядом существенных недостатков: сложностью одновременной плавной регулировки нагрузки во всех фазах m-фазной нагружаемой системы, трудностью регулирования угла сдвига j между напряжением и током, невозможностью изменения направление потока мощности и низкой экономичностью, так как вся энергия, передаваемая преобразователем, поглощается в нагрузочных реостатах, переходит в тепло, и рассеивается в окружающую среду. Вследствие этого усложняется проведение испытаний, и повышаются затраты.

НПУ, содержащие тиристорные преобразователи, позволяют осуществлять рекуперацию энергии в сеть, т.е. изменять направление потока мощности [2]. Однако, их использование возможно только на постоянном токе. Такие устройства имеют низкий коэффициент мощности и искажают сеть, генерируя в нее высшие гармоники.

В качестве нагрузочных устройств на постоянном токе используют транзисторные преобразователи с трехступенчатым преобразованием энергии [3]. Они улучшают энергетические показатели, но не позволяют изменять направление потока мощности и применимы только на постоянном токе.

В Южно-Уральском государственном университете на кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок» предложено нагрузочно-питающее устройство (НПУ) [4], подключаемое к выходу преобразователя электрической энергии и обеспечивающее как возврат энергии в сеть переменного тока, так и ее передачу к исследуемому преобразователю (нагрузка и питание) с высокими энергетическими показателями, а также плавное регулирование тока нагрузки и угла сдвига j  между напряжением и током во всех фазах нагружаемого устройства.

Трехфазное НПУ состоит из двух обратимых преобразователей напряжения ОПН1 и ОПН2 (активных выпрямителей), соединенных между собой и с емкостным накопителем С_d на стороне постоянного тока (рис. 1). Силовые блоки СБ1, СБ2 обратимых преобразователей напряжения представляют собой трехфазные транзисторно-диодные мосты с индуктивными накопителями L1, L2 на стороне переменного тока. На выходах ОПН1 и ОПН2 установлены электромагнитные фильтры ЭМФ1 и ЭМФ2, обеспечивающие подавление высокочастотных гармоник, соответствующих частотному спектру широтно- или частотно-широтно-импульсной модуляции. Если внутри исследуемого преобразователя нет потенциальной развязки или уровень напряжения на выходе отличается от сетевого, то ОПН2 подключается к сети через трансформатор ТV.

ОПН2 выполняет две функции:

1) работает на сеть переменного тока, обеспечивая двунаправленный поток мощности 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 постоянное напряжение U_d на конденсаторе С_d.

Рис. 1. Функциональная схема трехфазного нагрузочно-питающего устройства

Система управления СУ2 ОПН2 построена по векторному принципу с ориентацией по вектору напряжения сети [5]. Формирование выходного напряжения в преобразователе осуществляется с помощью пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции [6], обеспечивающей более эффективное использование напряжения звена постоянного тока и сокращение количества переключений силовых ключей.

ОПН1 имитирует заданное комплексное сопротивление нагрузки за счет системы управления СУ1 (рис. 1). СУ1 состоит из блока задания тока (БЗТ), формирующего токовые сигналы задания , , синхронно с напряжением u_син1 испытываемого устройства и сдвинутые относительно напряжения на нагрузке на заданный угол сдвига j, а также блока модуляции (БМ) с обратной связью по току.

БМ представляет собой релейную систему с обратной связью по току [7, 8]. В нем осуществляется непосредственное «слежение» реальных токов i_a, i_b, i_c за их заданными значениями , , в пределах зоны неоднозначности b релейных элементов РЭ1 – РЭ3 (рис. 1). Сумматоры S1 – S3 вычисляют разницу Di_a, Di_b, Di_c между заданными и фактическими значениями мгновенных токов по формулам:

Состояние выходов релейных регуляторов Q_a, Q_b, Q_c определяются по следующему алгоритму:

где b – модуль гистерезиса, который принимается равным (1 – 3)% от амплитуды номинального тока нагрузки.

Релейное управление с обратной связью по току широко применяется в преобразователях вследствие своей простоты и позволяет повысить не только быстродействие, но и точность управления при возмущениях со стороны нагрузки, обеспечив тем самым эффективную защиту преобразователя от перегрузок по току. Известным недостатком этих систем является изменение частоты модуляции в процессе «слежения» за нелинейным, например, синусоидальным сигналом.

Формирование заданного тока в СУ1 осуществляется БЗТ (рис. 2), который состоит из следующих основных блоков:

- блок синхронизации (Синхр.) обеспечивает генерацию опорных единичных сигналов sin(wt) и cos(wt), синхронизированных по частоте и фазе с напряжением исследуемого объекта. Основой блока Синхр. является система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающая высокую точность подстройки частоты в установившемся режиме. Синхронизация может осуществляться как по линейному, так и фазному напряжению с выхода испытываемого устройства. Фильтр Ф, включенный на входе Синхр., осуществляет выделение первой гармоники напряжения с выхода исследуемого преобразователя;

- в блоке вычисления вектора тока нагрузки определяются проекции вектора тока на неподвижные оси координат ab по формулам:

Здесь I_m – амплитудное значение вектора тока нагрузки, а j – его фазовый сдвиг.

- в блоке синхронного преобразования координат (ab – abc) вычисляются мгновенные значения заданных токов , , с использованием единичных сигналов sin(wt) и cos(wt) блока синхронизации по следующим формулам:

Рис. 2. Функциональная схема блока задания тока для трехфазного нагрузочно-питающего устройства

БЗТ может работать в двух режимах:

- режим поддержания амплитуды тока (режим «Стаб.»), когда значение заданной амплитуды тока I_m через ключ Кл. непосредственно воздействует на блок вычисления вектора тока (рис. 2);

- режим регулирования («Рег.»), когда осуществляется пропорциональная коррекция амплитуды тока при изменении напряжения исследуемого объекта. Данный режим обеспечивает имитацию активно-индуктивной (активно-емкостной) нагрузки. Для его организации в БЗТ дополнительно введены блок измерителя амплитуды напряжения (ИА) и умножитель (рис. 2). Регулирование фазового сдвига j между напряжением и током исследуемого объекта осуществляется в обоих режимах.

Трехфазное НПУ позволяет исследовать различные нагрузки, например, трехфазные трансформаторы, автономные инверторы напряжения, преобразователи частоты, трехфазные генераторы и др., обеспечивая двунаправленный поток мощности: от нагрузки в сеть (режим нагрузки) и от сети в нагрузку (режим питание).

В программе MatLab+Simulink была разработана компьютерная модель трехфазного НПУ, на основании которой на рис. 3 приведены осциллограммы токов и напряжений НПУ со стороны нагрузки и сети при исследовании трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН). При работе АИН в инверторном режиме, энергия за вычетом потерь в НПУ возвращается обратно в сеть (рис. 3 а). Наоборот, в режиме выпрямления НПУ питает АИН со стороны нагрузки, когда оба устройства переходят в режим выпрямления (рис. 3 б). Фазовый сдвиг j между первой гармоникой фазного напряжения АИН, выделяемой фильтром Ф в БЗТ (рис. 2), и током нагрузки соответствует 20 эл. град (рис. 3).

а)

а) б)

Рис. 3. Осциллограммы токов и напряжений трехфазного НПУ со стороны нагрузки и сети при исследовании трехфазного автономного инвертора напряжения, работающего на активно-индуктивную нагрузку в инверторном (а) и выпрямительном (б) режимах

В работах [9, 10] автором предложены варианты построения однофазного НПУ, обеспечивающего испытание и возможность исследования однофазных нагрузок в режимах потребления и рекуперации энергии на постоянном и переменном токе.

В заключении необходимо отметить следующие отличительные свойства рассмотренного НПУ:

- высокие энергетические показатели со стороны сети: коэффициент мощности и cosf близки к единице, когда фазовый сдвиг между напряжением и током сети равен нулю в режиме выпрямления (рис. 3 б), либо 180 эл. град в режиме инвертирования (рис. 3 а);

- НПУ обеспечивает возможность одновременного плавного регулирования нагрузки по заданному закону во всех фазах нагружаемого устройства, а также позволяет изменять направление потока мощности в системе, подводя или отдавая энергию в сеть, что делает возможным испытывать и исследовать преобразователи электрической энергии, как в выпрямительном, так и инверторном режимах. Изменение направления потока мощности при исследовании нагрузок на переменном токе не обеспечивает ни одно из известных нагрузочных устройств [2, 3, 11];

- устройство являются энергосберегающим, т.к. вся энергия за вычетом потерь в НПУ, в отличие от пассивных нагрузок, возвращается в сеть, что достигается за счет применения двух обратимых преобразователей напряжения, соединенных между собой и с емкостным накопителем С_d на стороне постоянного тока.

Литература:

1. Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: учебник для вузов / Н.Ф. Котеленец, Н.А. Акимова, М.В. Антонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 384 с.

2. Зорохович А.Е. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей / А.Е. Зорохович, В.П. Бельский, Ф.И. Эйгель. – М.: Энергия, 1975. – 208 с.

3. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. – М.: Техносфера, 2005. – 632 с.

4. Пат. 2345376 Российская федерация, МПК⁷ G 01 R 31/40. Нагрузочно-питающее устройство / М.В. Гельман, Р.З. Хусаинов, О.Г. Терещина, Р.М. Рахматулин, М.М. Дудкин. – № 2007130645/28; заявл. 10.08.07; опубл. 27.01.09, Бюл. № 3.

5. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / А.А. Ефимов, Р.Т. Шрейнер; под ред. Р.Т. Шрейнера. – Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. – 250 с.

6. Trzynadlowski A.M., Kirlin R.L., Legowski S.F. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 44, no. 2, pp. 173–181, 1997.

7. Системы скалярного и векторного управления частотными электроприводами с релейным регулятором тока / В.Н. Мещереков, А.М. Башлыков, А.С. Абросимов и др. // Труды VII Международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу: ФГБОУВПО «ИГЭИ им. В.И. Ленина». – Иваново, 2012. – С. 37–41.

8. Дудкин М.М. Энергетические характеристики однофазных обратимых преобразователей напряжения с различными законами модуляции // Практическая силовая электроника. – 2010. – № 2 (38). – С. 25–32.

9. Дудкин, М.М. Исследование нагрузочно-питающего устройства с улучшенными энергетическими показателями // Наука ЮУрГУ: материалы 61-й научной конференции. Секции технических наук. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – Т. 2. – С. 209–212.

10. Дудкин, М.М. Применение однофазных обратимых преобразователей напряжения для энергосбережения в испытательных стендах // Народное хозяйство. Вопросы инновационного развития. – 2012. – № 4. – С. 83–93.

11. Дедюхин А.А. Электронные нагрузки серии АКИП-13хх и их использование для тестирования источников питания // Электронные компоненты. – 2008. – № 6. – C. 91–95.