Подавлення неканонічних гармонік вхідного струму тиристорних випрямлячів засобами мікропроцесорного керування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подавлення неканонічних гармонік вхідного струму тиристорних випрямлячів засобами мікропроцесорного керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Науково-технічний прогрес визначає високі темпи росту виробництва та промислового застосування силової електроніки на базі напівпровідникових перетворювачів, у тому числі й керованих випрямлячів, які мають цілий ряд переваг: високу швидкодію, надійність у роботі, технологічність у виробництві, високий коефіцієнт корисної дії, малі габарити та вагу.

Однак, поруч з безперечними перевагами, керовані випрямлячі та пов'язане з ними перетворювання електричної енергії також мають і недоліки, в результаті чого виникає проблема забезпечення електромагнітної сумісності потужних перетворювачів з мережею живлення та з іншими споживачами енергії.

Питання взаємодії перетворювачів з мережею живлення та оцінка якості електричної енергії у мережах вже давно були предметом досліджень. Це можна роз'яснити особливостями роботи випрямлячів, які перетворюють електричну енергію одного виду в другий за допомогою періодичних процесів комутації струму, який протікає скрізь силові ключі. Ці процеси є причиною несинусоідальності форми струму та, поруч з цим, викривлення напруги мережі. Окрім цього, регулювання вихідної напруги випрямляча шляхом зміни моментів відкриття та закриття ключів обумовлює відставання струму мережі від напруги мережі, що є причиною появи та зміни рівня споживаної реактивної потужності, що приводить до відхилень та коливань напруги мережі. Таким чином, випрямляч може негативно впливати на стійкість роботи систем живлення та автоматичного регулювання, засобів зв'язку, роботу контрольно-вимірювальних пристроїв та відповідальних споживачів електроенергії, викликає додаткові збитки і таке інше.

Нормування допустимих рівней впливу напівпровідникових перетворювачів на мережу живлення до теперішнього часу визначалося стандартом ГОСТ 13109-87 «Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения». При живленні потужних керованих випрямлячів забезпечення електромагнітної сумісності з мережею дуже важко забезпечується по таким основним показникам якості електроенергії як: допустимий рівень коливань напруги мережі (розмах зміни напруги), допустимий коефіцієнт несинусоідальності, допустимі значення гармонічних складових непарного та парного порядків. Вимоги по вказаним показникам якості електроенергії є доволі жорсткими, і іноді дуже важко додержувати їх на практиці. Тому, створенню перетворювачів, які забезпечують електромагнітну сумісність навантаження та мережі живлення і не впливають негативно на роботу інших споживачів електроенергії, приділяється велика увага.

Незважаючи на інтенсивні роботи, націлені на вирішення задач по забезпеченню електромагнітної сумісності перетворювачів з мережею, ця проблема продовжує бути актуальною, а деякі її аспекти в останній час ще більш загострились, особливо враховуючи процеси інтеграції Європейського суспільства, де міжнародні стандарти ставлять більш високі вимоги.

Зростає частка перетворених видів енергії, що вимагає враховувати це при розробці перетворювачів, щоб зменшити їх взаємний вплив один на одного та на мережу живлення. Для перетворювачів, які вже експлуатуються, виникає проблема розробки заходів по поліпшенню електромагнітної сумісності при невеликих матеріальних затратах, що особливо актуально в умовах складної економічної ситуації в нашій країні.

Застосування в потужних перетворювальних пристроях 12-пульсних еквівалентних схем, як послідовних так і паралельних, у багатьох випадках вирішує задачу обмеження несинусоідальності напруги мережі та забезпечення середньо-інтегрального коефіцієнта потужності пристрія. Однак продовжує зоставатися актуальною й задача забезпечення ефективної роботи схем випрямлячів з високою пульсністю за рахунок зниження низкочастотних неканонічних гармонік вхідного струму. Її вирішення засобами автоматичного керування дозволяє забезпечити електромагнітну сумісність випрямляча з мережею значно меншими витратами на додаткові пристрої та надає можливість більш гнучкого вибору вариантів при їх проектуванні.

Науково-дослідна робота по темі дисертації проводилась згідно з:

- проектом 5.51.02/069-92 «Інтелектуальне мікропроцесорне керування напівпровідниковими перетворювачами електроенергії» по програмі «Розвиток перетворювальної техніки, як засіб енерго - та ресурсозбереження, підвищення технічного рівня продукції машинобудування»;

- темою М7805 «Розробка та дослід методів підвищення швидкодії мікропроцесорних контролерів для систем керування напівпровідниковими перетворювачами», наказ ХПІ №356-П від 02.03.93;

- темою М7806 «Спеціалізовані мікропроцесорні пристрої підвищеної швидкодії для керування напівпровідниковими перетворювачами електроенергії», наказ Міністерства Освіти України №37 от 13.02.97.

Метою дисертаційної роботи була розробка та дослід методів подавлення неканонічних гармонік вхідного струму засобами автоматичного регулювання як найбільш ефективний шлях поліпшення електромагнітної сумісності перетворювачів з мережею живлення. Ця мета вимагає вирішення таких наукових завдань:

- розвитку положень теорії електромагнітної сумісності перетворювачів при живленні від мережі порівняної потужності;

- розробки нового способу зменшення рівня неканонічних гармонік вхідного струму, які виникають із-за різноманітних видів асиметрії;

- аналізу цього способу, основаного на побудові штучної асиметрії кутів управління тиристорами;

- розробки алгоритмів реалізації ускладнених законів керування випрямлячем для подавлення неканонічних гармонік вхідного струму.

Об'єктом досліджень у дисертаційній роботі є 12-пульсний керований випрямляч, побудований по послідовній схемі. Застосування таких випрямлячів рекомендовано стандартами у випадках, коли одинична потужність перетворювальних пристроїв перевищує 4000 кВт.

Методологія та методи дослідження. При вирішенні поставлених задач застосовувались методи класичної теорії електронних кіл, гармонічного аналізу, імпульсних моделей, а також дослідження на математичній моделі.

Наукова новизна роботи полягає у наступному:

- розвинуті положення теорії електромагнітної сумісності перетворювачів при різноманітних видах асиметрії;

- запропонований новий спосіб зменшення рівня неканонічних гармонік вхідного струму, оснований на побудові штучної асиметрії кутів управління тиристорами;

- розроблені алгоритми реалізації ускладнених законів керування для подавлення неканонічних гармонік вхідного струму.

Теоретична та практична значимість роботи визначена тим, що:

- розроблений новий спосіб подавлення неканонічних гармонік вхідного струму, оснований на побудові штучної асиметрії кутів управління тиристорами;

- розроблена конфігурація мікропроцесорного контролера, який забезпечує реалізацію ускладнених законів керування для подавлення неканонічних гармонік вхідного струму;

- розроблені алгоритми керування, які забезпечують зниження коефіцієнта неканонічних гармонік на 20%.

Конкретний особистий внесок дисертанта в розробку наукових результатів, які винесені до захисту:

- досліджений спосіб подавлення неканонічних гармонік вхідного струму, оснований на побудові штучної асиметрії кутів управління тиристорами;

- запропонована конфігурація мікропроцесорного контролера, який забезпечує реалізацію ускладнених законів керування для подавлення неканонічних гармонік вхідного струму;

- розроблені алгоритми реалізації ускладнених законів керування випрямлячем для подавлення неканонічних гармонік вхідного струму.

Реалізація результатів роботи здійснювалась шляхом розробки та впровадження методики проектування мікропроцесорних систем керування в НДІ ВО «ХЕМЗ», м. Харків. Ряд теоретичних положень, викладених в дисертації, використовується у навчально-методичній роботі у Харківському державному політехнічному університеті при читанні курсів «Автоматичне регулювання перетворювачів», «Мікропроцесори і мікропроцесорна техніка», «Цифрові та аналогові електронні керуючі пристрої».

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи докладались та обсуджувались на таких конференціях: MicroCAD'95, Харків, 1995; MicroCAD'96, Харків, 1996; «Electric Drives and Power Electronics» EDPE'96, Високі Татри, Словаччина, 1996; «Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения», Харків, 1996; «Unconventional Electromechanical and Electrotechnical Systems» UEES'96, Щєцін, Польща, 1996; «Unconventional Electromechanical and Electrical Systems» UEES'97, Алушта, Крим, Україна, 1997; «Силовая электроника и энергоэффективность» СЭЭ'98, Алушта, Крим, Україна, 1998.

Публікації. За темою дисертації надруковано 11 робіт.

Об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списка використаних джерел та додатків. Містить 158 сторінок, 23 рисунки, 17 таблиць, 102 найменування використаних першоджерел, 3 додатки.

Зміст роботи

електромагнітний перетворювач живлення струм

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень. Викладені основні наукові та практичні результати, отримані в роботі, а також основні положення, які виносяться до захисту.

У першому розділі розглянуті різні методи поліпшення електромагнітної сумісності перетворювачів і зроблено порівняння їх ефективності. Проведений аналіз довів, що ці методи можливо розбити на три групи: 1) зменшення споживаємої реактивної потужності, 2) зменшення рівня гармонік вхідного струму та 3) покращення параметрів мережі живлення. Методи першої групи можливо охарактеризувати необхідністю вносити ті чи інші зміни у силову частину перетворювачів. Третя група передбачає використання додаткових пристроїв, що підключуються до мережі з метою поліпшення її параметрів. Друга група відкриває можливості застосування ускладнених алгоритмів керування для поліпшення електромагнітної сумісності, що не потребує ускладнення силової частини схеми та великих матеріальних витрат на устаткування, тим більш, що гармоніки напруги U_n (показник стандарту) та гармоніки струму I_n зв'язані:

, (1)

де n - номер гармоніки;

X_c - реактанс мережі.

Враховуючи проведені раніш дослідження, були конкретизовані мета та основні задачі дисертаційної роботи, наведені у розділі «Загальна характеристика роботи» цього автореферату.

У другому розділі проаналізовано, як впливає асиметрія керування на гармонічний склад вхідного струму керованих випрямлячів (КВ).

Відомо, що керований випрямляч є генератором цілого спектру гармонік струму у мережу в силу своїх особливостей і процесів комутації. Основним принципом, який положено у реалізацію ускладнених алгоритмів керування є побудова штучної асиметрії керуючих імпульсів, що приводить до генерації у вхідний струм визначених гармонік, які знаходяться у протифазі з вже існуючими, що подавляє останні.

Для аналізу впливу асиметрії кутів управління на гармонічний склад вхідного струму випрямляча відхилення кутів управління в імпульсній моделі випрямляча були замінені дельта-функціями та проведено розклад у гармонічний ряд Фур'є для кожної фази. Для підтримки у навантаженні параметрів, що задані, сумарне відхилення керуючих імпульсів повинно дорівнювати нулю. Також необхідно забезпечити однакові відхилення для тиристорів анодних і катодних груп однієї фази для виключення генерації в мережу парних гармонік. В результаті перетворювань одержані вирази для знаходження абсолютної величини n-ої гармоніки вхідного струму (2 - 11). Ці вирази доволі громіздкі, так як показують залежність абсолютної величини від відхилення кутів управління в кожній фазі. Гармоніки більш високих порядків мають аналогічні вирази з інтервалом 12.

Проміжні суми:

; (2)

; (3)

; (4)

, (5)

де _А1, _А2, _В1, _В2, _С1, _С2 - відносні відхилення кутів управління тиристорів фаз А, В, С систем «зірка-зірка» та «зірка-трикутник» відповідно.

Абсолютні величини непарних гармонік вхідного струму:

; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

; (10)

. (11)

Також були визначені 11 можливих сполучень відхилень кутів управління, які задовільняють вимогам рівняння нулю сумарного відхилення кутів управління та однакових відхилень для тиристорів катодних і анодних груп, що представлені на рис. 1. Максимальна величина відхилення була вибрана 3, що обумовлено по-перше існуючими стандартами для систем імпульсно-фазового керування (СІФК), а по-друге, для забезпечення стійкості замкненої системи регулювання при малих відхиленнях кутів управління від встановленного значення. В такому випадку зона стійкої роботи всієї системи визначається параметрами навантаження та контура регулювання. По-третє, при такій величині відхилень рівень неканонічних гармонік у випрямленій напрузі сягає 1-2%, що дозволяє ними знехтувати. При циклічному здвизі будь-якої комбінації між тиристорами абсолютна величина гармонік не змінюється, що дозволяє нам змінювати момент подавання відповідної комбінації відхилень для подавлення вже існуючих у вхідному струмі гармонік, тобто регулювати фазу коригуючого вплива.

Підсумком другого розділу дисертаційної роботи є визначення впливу відхилень кутів управління кожного тиристора та їх сполучень на гармонічний склад вхідного струму випрямляча, а також підтвердження можливості використання штучної асиметрії кутів управління для вирішення завдань по коригуванню його гармонічного складу.

Третій розділ присвячено математичному моделюванню процесів у керованому випрямлячі. З цією метою була розроблена математична модель 12-пульсного керованого випрямляча с програмою розрахунку гармонічного складу вхідного струму, яка дозволяє моделювати роботу КВ з можливістю зміни кутів управління тиристоров від 0 до 90 та можливістю вводу відхилень для кожної пари тиристорів згідно вищезгаданим комбінаціям відхилень кутів управління, а також моделювати роботу КВ з урахуванням асиметрії мережі.

Результати у вигляді коефіцієнтів гармонік виводяться в окремий файл.

Достовірність математичної моделі була перевірена при розрахунку симетричного режиму роботи КВ, коли у спектрі вхідного струму присутні тільки канонічні гармоніки, величини яких близькі до теоретичних.

Експериментальним шляхом була знайдена можливість апроксимації гармонічної залежності струмів тиристорів на інтервалах комутації лінійною залежністю з метою використання останньої для спрощення аналітичних виразів.

За результатами проведеного моделювання були зроблені такі висновки:

1. Для неканонічних гармонік залежності коефіцієнтів гармонік від асиметрії кутів управління виявлені набагато сильніше, ніж для канонічних.

2. Спостерігається чітка залежність величин коефіцієнтів гармонік від середнього значення кута управління тиристоров. Однак, коефіцієнти гармонік зростають поступово із зростанням кута управління, що показано на рис. 2.

3. Запропоновані комбінації відхилень кутів управління можливо розділити на декілька груп, серед яких найбільш ефективними з точки зору впливу на гармонічний склад визнано комбінації відхилень №№1 та 3, які дають максимальну селективність між гармоніками, які піддаються та не піддаються корекції.

Відомо, що будь яка асиметрія мережі приводить до появи не тільки окремих гармонік у вхідному струмі КВ, а цілого спектру гармонічних складових. Тобто, завдання поліпшення електромагнітної сумісності полягає у визначенні оптимального коригуючого впливу з точки зору мінімізації найбільшого числа гармонічних складових вхідного струму при недопущенні, по можливості, посилення решти гармонік.

Поскільки найбільш еффективними з точки зору впливу на гармонічний склад вхідного струму визначені комбінації відхилень №№1 та 3, які значно впливають на 3, 9, 15, 21 та 5-7, 17-19 гармоніки відповідно, було прийнято рішення визначити гармоніки, рівні яких найбільш впливають на гармонічний склад струму. Також, враховуючи вищесказане, замість миттєвих значень гармонічних складових треба використовувати інтегральний показник, що описує спектр вхідних струмів. Таким показником був обраний коефіцієнт гармонік, для розрахунку якого використовуються амплітуди гармонік з номерами 3, 5, 7 та 9:

. (12)

У четвертому розділі, враховуючи складність реалізації алгоритмів керування для поліпшення електромагнітної сумісності, а також велике число різних факторів, впливаючих на вибір того чи іншого керуючого впливу, була визначена структура блока керування у вигляді мікропроцесорного контролера, який є доповненням до власної СІФК конкретного випрямляча. Структурна схема контролера представлена на рис. 4.

Завдання аналізу гармонічного складу вхідного струму зводиться до визначення абсолютних величин та фазових здвигів 3-ої та 5-ої гармонік. Ця задача виконується активними фільтрами, які виділяють 3-ю та 5-ю гармоніки. Потім сигнали з кожної трійки фільтрів подаються після аналого-цифрового перетворювання до мікропроцесора, який визначає амплітуду та фазу результируючого вектора відповідної гармоніки, визначає необхідність корекції, а потім вибирає оптимальний коригуючий вплив. Варіанти коригуючих впливів попередньо записані в пам'ять у вигляді таблиць. Мікропроцесор вибирає відповідне сполучення відхилень кутів управління та видає цю команду у вигляді коду, який через вузол з'єднання з об'єктом, прямує до СІФК випрямляча та забезпечує відхилення кутів управління відповідних тиристорів. Роль вузла з'єднання з об'єктом полягає у забезпеченні сумісності параметрів сигналів процесора та СІФК.

Інформація про гармонічний склад вхідного струму обробляєтьтся фільтрами в аналоговому вигляді практично без затримок. Відлік починається з моменту включення першого тиристора фази А. Максимальний здвиг між 1-ою та 3-ою гармоніками складає 120, що при частоті мережі живлення 50 Гц сягає 6,7 мс. Решта періоду використовується мікропроцесором для визначення оптимального коригуючого впливу та видачі управляючого коду. Таким чином, на наступному такті на тиристори подаються сигнали керування з відповідними відхиленнями, а також виконується чергове визначення гармонічного складу.

Результати математичного моделювання роботи КВ при різній напрузі асиметрії мережі типу обратна послідовність Un (кут асиметрії обратної послідовності 90) та оптимальному коригуючому впливі наведені на рис. 5, де показані величини коефіцієнту гармонік (12) до та після корекції.

Одержані результати дозволяють зробити висновок, що навіть при асиметрії мережі яка знаходиться у межах вимог стандартів (Un = 4%), пропонуємий метод поліпшення електромагнітної сумісності дозволяє покращити гармонічний склад вхідного струму приблизно на 20%, що при великих потужностях перетворювальних пристроїв досить суттєво.

Основні результати та висновки

Виконана дисертаційна робота є узагальненням та вирішенням комплексу питань, які мають наукове, практичне та прикладне значення.

1. Проведено аналіз ефективності існуючих способів поліпшення електромагнітної сумісності напівпровідникових перетворювачів. Показано, що способи зменшення рівня гармонік вхідного струму перетворювачів відкривають можливості застосування ускладнених алгоритмів керування для поліпшення електромагнітної сумісності, що не потребує ускладнення силової схеми та великих материальних витрат на устаткування.

2. Показано, що штучна асиметрія кутів управління тиристорами дозволяє подавляти неканонічні гармоніки вхідного струму керованого випрямляча та тим самим коригувати його гармонічний склад.

3. Одержані аналітичні вирази для визначення ступеню впливу різних видів асиметрії на гармонічний склад вхідного струму КВ.

4. Розроблена математична модель 12-пульсного керованого випрямляча з програмою розрахунку гармонічного складу вхідного струму, яка дозволяє моделювати роботу КВ з можливістю зміни кутів управління тиристорів від 0 до 90 та можливістю вводу заданих відхилень кутів управління для кожної пари тиристорів, а також моделювати роботу КВ з урахуванням асиметрії мережі.

5. Досліджено гармонічний склад вхідного струму при різних видах асиметрії кутів управління на математичній моделі випрямляча. Визначені найбільш ефективні з точки зору впливу на гармонічний склад комбінації відхилень, які дають зменшення коефіцієнту гармонік на 20%.

6. Показано, що за допомогою штучної асиметрії кутів управління можливо подавляти неканонічні гармоніки вхідного струму, що виникають за різними причинами (асиметрія напруг живлення, перетворювача, системи керування і т.д.)

7. Запропонована конфігурація мікропроцесорного контролера, що забезпечує реалізацію ускладнених законів керування випрямлячем для подавлення неканонічних гармонік вхідного струму.

Публікації за темою дисертації

1. Данилевич О.И., Сакара Ю.Д., Ластовка А.П. Гармоники в сети переменного тока, генерируемые тиристорными преобразователями // Техн. електродинаміка - 1998. - С.в. №2. Т.1. - С. 36 - 39.

В роботі автором одержані результати теоретичних досліджень.

2. Шипилло В.П., Ластовка А.П. Улучшение гармонического состава входных токов многофазных эквивалентных схем управляемых выпрямителей средствами автоматического управления // Сб. трудов Междунар. научно-техн. конф. Microcad'95. - Харьков. - 1995. - С. 22.

В роботі автором одержані результати теоретичних досліджень.

3. Сокол Е.И., Ластовка А.П. Подавление неканонических гармоник входного тока управляемых выпрямителей средствами микропроцессорного управления // Сб. трудов Междунар. научно - техн. конф. Microcad'96. - Харьков. - 1996. - С. 97.

В роботі автором одержані результати теоретичних та експериментальних досліджень.

4. Sokol E.I., Lastovka A.P. Minimization of non-canonical harmonics of input current of semiconductor converters // Proc. International Conf. on Electric Drives and Power Electronics EDPE'96. - The High Tatras (Slovakia). - 1996. - P. 490 - 493.

В роботі автором одержані результати теоретичних та експериментальних досліджень.

5. Сокол Е.И., Ластовка А.П. Анализ влияния несимметрии углов управления полупроводниковых выпрямителей на гармонический состав входного тока // Сб. трудов Междунар. научно - техн. конф. «Силовая электроника в решении проблем ресурсо и энергосбережения» РЭС'96. - Харьков. - 1996. - С. 107.

В роботі автором розроблені ускладнені закони керування.

6. Lastovka A.P., Sokol E.I. Optimization of control laws of converters to improve their electromagnetic compatibility // Proc. International Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrotechnical Systems UEES'96. - Szczecin (Poland). - 1996. P. 501 - 507.

В роботі автором розроблені ускладнені закони керування.

7. Lastovka A.P. Study of changes in harmonical content of input current of 12-pulse controlled rectifier // Proc. International Conf. on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems UEES'97. - Alushta (Ukraine). - 1997. - P. 625 - 629.

8. Ластовка А.П. Исследование влияния асимметрии углов управления на гармонический состав входного тока выпрямителя на его математической модели // Автоматизация и релейная защита в энергосистемах'98. - Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины. - 1998. - С. 187 - 192.

9. Фетюхина Л.В., Шишкин М.А., Ластовка А.П. Специализированный управляющий контроллер с арифметическим умножителем // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. научн. сб. Саратовский госуд. техн. ун-т - 1993. - с. 34 - 39.

Размещено на Allbest.ru