Преобразователь частоты для электропитания судна с берега тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Коршунов, Алексей Викторович

• Коршунов, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коршунов, Алексей Викторович

Введение

1. Способы преобразования частоты

1.1 Электромашинный преобразователь частоты

1.2 Непосредственный преобразователь частоты

1.3 Преобразователь частоты с автономным инвертором

1.4 Преобразователь частоты с ведомым инвертором

2. Определение параметров элементов преобразователя

2.1 Определение параметров элементов инвертора и выпрямителя

2.2 Реактивная мощность, потребляемая инвертором

2.3 Обоснование необходимости управляемого выпрямителя 31 2.4. Индуктивность сглаживающего реактора

2.5 Способы улучшения формы выходного напряжения

2.6 Запуск синхронного компенсатора

3. Система автоматического управления частотой выходного напряжения

3.1 Математическая модель преобразователя

3.2 Синтез регулятора внутреннего контура

3.3 Влияние вариации параметров объекта и регулятора на качество переходных процессов и устойчивость САУ

3.4 Синтез регулятора внешнего контура

3.5 Цифровая реализация регуляторов

3.6 Цифровая реализация системы импульсно-фазового управления

3.7 Измерение частоты выходного напряжения

4. Экспериментальное исследование макета преобразователя

4.1 Назначение макета преобразователя

4.2 Состав макета, конструктивные особенности, характеристики и параметры его элементов

4.3. Экспериментальное исследование системы автоматического управления частотой

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Преобразователь частоты для электропитания судна с берега»

Появление в дальневосточном бассейне судов с электрооборудованием; имеющим частоту питания 60 Гц и напряжение 440 В (стандарт США, Японии, Ю. Кореи и некоторых других стран), ставит задачу обеспечения электропитания таких судов с берега при стоянке, техническом обслуживании и ремонте. Питание таких электроустановок от береговой сети 380 В, 50 Гц связано со снижением напряжения на 20% и приводит к резкому снижению мощности и производительности электромеханизмов судна, а также к неудовлетворительной работе освещения [30, 32, 85].

На сегодняшний день проблема питания судовых потребителей в таких ситуациях решается путем использования штатных судовых дизель-генераторов или мобильных дизель-генераторных установок. Такие решения имеют ряд недостатков:

1. Для эксплуатации штатного дизель-генератора во время стоянки в судна в доке необходим подвод воды для системы охлаждения дизеля.

2. Высокая цена электроэнергии по сравнению с береговой.

3. Высокий уровень шума;

4. Загрязнение окружающей среды.

5. Ограниченный моторесурс и необходимость частого технического обслуживания дизеля.

Создание береговых причальных сетей с частотой 60 Гц нецелесообразно и экономически невыгодно. Требуется мобильная преобразовательная установка, которую можно перемещать к месту стоянки судна. Потребляемая судном мощность для питания с берега обычно-составляет 100-г300 кВт.

В данном диапазоне нагрузок наиболее приемлемым вариантом является применение тиристорного статического преобразователя частоты со звеном постоянного тока, ведомого синхронным компенсатором. Преобразователи такого типа широко применяются для стабилизации частоты выходного напряжения в ветрогенерных и судовых валогенераторных установках. Они характеризуются высокими динамическими характеристиками, низким уровнем шума, высокой надежностью.

В упомянутых установках регулирование активной мощности осуществляется путем изменения напряжения синхронного генератора, т.е. изменения входного напряжения преобразователя. В случае питания преобразователя от береговой сети с неизменным напряжением такой способ регулирования невозможен. Наиболее целесообразным является регулирование активной мощности путем изменения углов управления инвертора или выпрямителя преобразователя.

Целью работы является исследование и анализ режимов работы предлагаемого преобразователя, разработка методик расчета отдельных его элементов, а также разработка системы автоматического регулирования частоты выходного напряжения преобразователя путем изменения угла управления инвертора.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и. решены следующие научно-технические задачи:

1. Формулировка требований, предъявляемых к синхронному компенсатору преобразователя.

2. Обоснование выбора индуктивности сглаживающего реактора звена постоянного тока.

3. Обоснование целесообразности регулирования активной мощности преобразователя изменением угла управления инвертора.

4. Разработка математической модели преобразователя.

5. Разработка и обоснование структуры регулятора частоты.

6. Синтез регулятора частоты для разработанной математической модели преобразователя.

В работе не ставится задача разработки регулятора выходного напряжения преобразователя.

При решении поставленных задач использованы основные положения теоретической электротехники, теории электроники, электропривода, теории автоматического управления, методы численного анализа и математической обработки результатов, а также натурные эксперименты. Расчетные данные получены путем математического моделирования на ПК.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Коршунов, Алексей Викторович

Выводы

1. Разработан и изготовлен экспериментальный макет мощностью 20 кВт, параметры которого соизмеримы с параметрами реального преобразователя.

2. Подтверждена работоспособность предлагаемого преобразователя.

3. Подтверждена достоверность и пригодность разработанных математических моделей.

4. Подтверждена пригодность предложенной методики синтеза системы автоматического управления частотой.

5. Подтверждена пригодность предложенного метода измерения частоты.

6. Подтверждена несущественность влияния инвертора на переходный процесс изменения напряжения синхронного компенсатора при набросе/сбросе нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана структура преобразователя частоты для питания судна с берега в виде выпрямителя и инвертора, ведомого синхронным компенсатором, исследованы статические и динамические режимы этого преобразователя и определены параметры его силовой части и системы автоматического управления частотой.

2. Доказана целесообразность регулирования: частоты: путем изменения угла управления инвертора.

3. Разработаны методика расчета мощности синхронного компенсатора и минимальной индуктивности сглаживающего реактора в звене постоянного тока преобразователя частоты.

4. Проведена оценка качества электроэнергии на выходе преобразователя. Даны рекомендации по конструкции и настройке фильтров.

5. Обоснован способ начального запуска синхронного компенсатора с помощью маломощного асинхронного двигателя.

6. Получена линеаризованная математическая; модель преобразователя, позволяющая аналитически синтезировать регулятор частоты' и предложена структура регулятора частоты в виде двухконтурной системы подчиненного регулирования с внутренним контуром регулирования по постоянному току Ij.

7. Разработаны методики синтеза ПИ-регуляторов по критериям оптимального модуля и Г.С. Экслби для широкого ряда систем, имеющих передаточную функцию вида W(s) = —HiSt-l)— Найдены ограничения

Т0 s +2T0^s + l применения рассмотренных критериев.

8. Предложен алгоритм высокоточного цифрового бесконтактного измерения частоты. Разработана цифровая система управления.

9. Результаты экспериментальных исследований, выполненных на макете преобразователя частоты мощностью 18 кВт, подтвердили достоверность используемых математических моделей, а также методик синтеза регуляторов. Погрешность регулирования частоты в динамических режимах у разработанного преобразователя много меньше допустимой существующими нормами для установившихся режимов.

10. В диссертационной работе изложена научно обоснованная техническая раработка преобразователя частоты для электропитания судна с берега. Внедрение такого преобразователя имеет существенное значение для экономики и экологии портов, снижает стоимость электроэнергии, потребляемой судном при его стоянке или ремонте, расширяет возможности технического обслуживания судовых генераторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коршунов, Алексей Викторович, 2004 год

1. Андреев В.П. Валогенераторные установки переменного тока и перспективы их развития, "Вопросы судостроения", серия 6, "Судовая-электротехника и связь", вып. 2, С.45-60.

2. Анисимов Я;Ф. Особенности применения полупроводниковых: преобразователей в судовых электроустановках. —Лi: Судостроение, 1973. 144 с.

3. Березниковский С.Ф. Автоматическое регулирование и управление: электрическими машинами: -Л;: Судостроение, 1964. — 420с.

4. Бернштейн А.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев А.В. и др. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. -М.: Энергия, 1980. — 234 с.

5. Бесекерский В.А., Орлов В.Л., Полонская JI.B., Федоров С.В. Проектирование следящих систем малой мощности —Л;, Судпромгиз, 1958. 278 с.

6. Бесекерский В А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования-М;, Наука, 1975; — 188 с.

7. Т. Блажкин А.Т. Исследование процессов в системах синхронныйгенератор — выпрямитель — двигатель постоянного тока // Изв. вузов СССР. Электромеханика. 1976, №6. С. 635-640.

8. Вольдек А.И; Электрические машины. -Л;: Энергия, 1974. 840 с.

9. Воронов Л.А. Основы теории автоматического управления, ч. 1 и 2, -М., Энергия, 1966. -278 е.

10. Гельман М;М; Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем— М:: Изд-во стандартов, 1989. — 234 с.

11. Глух Е.М., Зеленов В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей.--М:: Энергия, 1970: 156 с.

12. Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием: Пер. с польского. -М., Машиностроение, 1974, — 328 с.

13. Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики; применение. Пер. с англ. — М:: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.

14. Дьяконов В.П. Mapple 7: учебный курс. -СПб.: Питер, 2002.-356 с.

15. Дьяконов В.П. Mathematical с пакетами расширений. -Mi: Нолидж,. 2000.-318 с.19; Дьяконов В.П: Mathematical: учебный курс. -СПб.: Питер, 2001. 288 с.

16. Дьяконов В:П. Применение персональных ЭВМ и программирование на языке Бэйсик. -М.: Радио и связь, 1989. 276 с.

17. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бэйсик для персональных ЭВМ: Справочник. -Mi: Наука, 1989; —156 с.

18. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. -М;: Энергоатомиздат, 1994. 198 с.

19. Константинов В :Н; Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок.—21е изд., перераб. и доп: —Л.: Судостроение, 1988. 278 с:

20. Коршунов А.В. Определение минимальной индуктивности; сглаживающего реактора преобразователя частоты для питания судна от береговой электросети // Сборник трудов ДВГТУ, НТО им. акад.

21. Коршунов А.В1 Регулирование выходной частоты тиристорного инвертора, ведомого синхронным компенсатором // Материалы региональной научно технической конференции "Молодежь и научно-технический прогресс". Владивосток: Изд-во ДВРТУ, 2004. - С.97.

22. Коршунов А.В. Устройство для питания с берега судов с электроэнергетической системой с частотой 60 Гц// Конференция по нетрадиционным источникам энергии. -Владивосток: Институт проблем морских технологий ДВО РАН, 1998.-С.43-47.

23. Коршунов А.В. Устройство для питания с берега судов с электроэнергетической системой с частотой 60 Гц // Сборник трудов; ДВГТУ, НТО им. акад. А.Н; Крылова; -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1999. С.54-57.

24. Коршунов А.В:, Кувшинов F.E. Преобразователь частоты 50/60 Гц с синхронным компенсатором для питания судов с берега // Материалы конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока"! -Владивосток: Изд-во ДВГМА, 2001. С. 153-154.

25. Кувшинов Г.Е., Чупина К.В. Основы электропривода: Учебное пособие. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1999: 221 с.

26. Кузовков Н.Т. Теория автоматического регулирования, основанная на ^ частотных методах. -М., Оборонгиз, 1960. 356 с.

27. Мелешкин Г.А. Судовые синхронные генераторы с автоматическим регулированием напряжения. -Л:: Судостроение, 1962. 236 с.

28. Михайлов В:А. Автоматизированные электроэнергетические системы судов. -JL: Судостроение, 1977.-268 с.38; Михайлов В. А. Автоматизация судовых электроэнергетических систем -Л.: Судостроение, 1964.- 224 с.

29. Михайлов BIA., Норневский Б.И. Автоматизация судовых электрических станций. -JI.: Судостроение, 1966. — 342 с.

30. Михалевич Г.А. и др. Декомпозиция математической модели системы, содержащей вентильные преобразователи и электрические машины с учетом малых параметров // Теоретическая электротехника. -Львов: Высшая школа,.1982. Вып. 32. С. 18-23.

31. Морозов А.В. Синтез автоматических регуляторов возбуждения судовых синхронных генераторов переменной частоты. Дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук. -Владивосток: ДВПИ, 1970;

32. Никифоровский Н:Н., Норневский Б.И. Судовые электрические станции., -М.: Транспорт, 1974. 288 с.

33. Овчинников И.И., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока автоматических устройств. —Л.: Наука, 1966. — 160 с.

34. OCT 5.6181-81 Судовые электроэнергетические системы: методы расчета переходных процессов. 1981.

35. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ковалева Ф.И:, Мостковой Г.П. -Mi: Энергия, 1967. -480 с.

36. Радченко П:М. Судовые валогенераторные и валомашинные установки: Учеб. пособие. Владивосток: ДВГМА, 1999. - 154 с.

37. Слежановский О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока —М.у Металлургия, 1967. 242 с.50; Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского -М:: Энергоатомиздат, 1983; 616 с:

38. Филиппов А.Г., Аужбикович A.M., Немчинов В.М; Микропроцессорные системы и микроЭВМ в измерительной технике. —М:: Энергоатомиздат, 1995.-236 с.

39. Честнат F., Майер Р. Проектирование и расчет следящих систем и; систем регулирования, пер. с англ., -М:, Госэнергоиздат, 1959. 320 с.

40. Чиженко И.М., B.C. Руденко, Оенько В.И.\Основы преобразовательной' техники. -М:: Высшая школа, 1974. 346 с.

41. Шипилло В.П: Автоматизированный вентильный электропривод. -М.: Энергия, 1969:-298 с.

42. Экслби Г.С. Практические методы определения качества замкнутых систем управления // Труды Г Международного конгресса ИФАК по автоматическому управлению, Изд-во АН СССР, 1960.

43. Экслби Г.С. Практические методы определения качества замкнутых: систем управления // Труды I Международного конгресса ИФАК по автоматическому управлению, Изд-во АН СССР, 1960.

44. Электротехнический справочник: В 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства /Гл. ред. И.Н. Орлов 7-е изд., испр; и доп. - Ml: Энергоатомиздат, 1986. - 712 с.: ил.

45. Яуре А.Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник. Mi: Энергоатомиздат, 1988. - 344 е.: ил.

46. Anke D. Leistungselektronik. 21 Auflage. -Miinchen: Oldenbourg, 2000.63: Axelby G.S. Synthesis of feedback control systems with a minimum lead fora specified perfomance, IRE Trans, on Automatic Control, PGAC-1, May 1966, C. 56-73.

47. Bernet S., Matsuo T.,.Lipo T.A. A matrix converter using reverse blocking NPN-IGBTs and optimised pulse patterns // Proc. of PESC '96, vol. 1, 1996. -C. 107-113.

48. Bidirectional lateral insulated gate bipolar transistor having increased voltage blocking capability / H.-H. P. Li. U.S. Patent No. 5,977,569, Publ. 1999.

49. Briest R. Stromzwischenkreisumrichter mit hoher Pulsfrequenz fur die Erzeugung eines autarken Drehstom-Vierleiter-Systems. Dissertation Universitat Hagen, 1995.

50. Brosch P.F. Moderne Stromrichterantriebe: Leistungselektronik und: Maschinen, Arbeitsweise drehzahlveranderbarer Antriebe mit Stromrichtern und Antriebsvemetzung. -Wurzburg: Vogel, 2002.

51. Clegg В., Griffiths H.R., Hall D.J:, Tavner P J. The application of drives and generator, technology to a modern container ship // Proc. of FKT Engineering Conference, 1999.

52. Costa F., Poulichet P., Mazaleyrat F., Laboure E. The Current Sensors in Power Electronics, a Review. EPE Journal, Vol. 11, No. 1, February, 2001.

53. Hau E. Windkraftanlagen: Grundlagen; Technik, Einsatz. Berlin: Springier, 1996. -C. 338-340.73 . Heier S. Grid integration of wind energy conversion systems -Stuttgart: B.G. Teubner, 1998.

54. Holmes D.G., Lipo T.A. Pulse width modulation for power converters: principles and practice. -Piscataway: IEEE Press, 2003:

55. Huber L., Borojevic D., Space vector modulated three-phase to three-phase matrix converter with input power factor correction // IEEE Trans. Indust. Appl.31, 1995.-C. 1234-1245.,

56. Intichar L. AnlaufVerfahren fur wechselrichtergespeiste Synchronmotoren. E u. M, Jahrgang 96, Heft 9, 1978.-C. 56-60.

57. IXYS; IXRH 50N60, IXRN 5ON 120: High voltage RBIGBT. Forward and reverse blocking IGBT. Advanced technical information; http://www.ixys.net/1400.pdf, 2000.'.

58. Jenni F., Wiiest D. Steuerverfahren fur selbstgefuhrte Stromrichter. -Zurich: VDF, 1995.79; Jotten R. Die Berechnung einfach und mehrfach integrierender Regelkreise der Antriebstechnik // AEG Mitteilungen, 1962, Nr. 5/6.

59. Kazmierkowski M.P., Krishnan R., Blaabjerg F. Control in power electronics. Selected problems: — San Diego (USA): Academic press, 2002.

60. Kessler C. Das symmetrische Optimum, Regelungstechnik, 1958, Nr. 11, 12.

61. Kessler С. Ein Betrag zur Theorie mehrschleifiger Regelungen,, Regelungstechnik, 1960, Nr. 8.

62. Kessler C. Uber die Vorausberechnung optimal abgestimmter Regelkreise, Regelungstechnik, 1964, Nr. 12; 1955, Nr. 1, 2.

63. Korshunov A.V. Determination of an inductance value of the reactor of power frequency converter// 10 Symposium Maritime Elektronik-Rostockr Universitat Rostock, 2001. G. 163-166.

64. Korshunov A.V. Frequenzumrichter 50/60 Hz fur Stromversorgung vom Ufernetz der. im Ausland gebauten Schiffe // DAAD Friihjahreskonferenz. — Berlin: DAAD Verlag, 2003. C.60-61.

65. Korshunov A.V. Start of reactance generator 60 Hz with power supply 50 Hz //Third International Students Conference of Asia-Pacific Region. -Vladivostok: FESTU, 2001:. C.181.

66. Lutz H., Wendt W. Taschenbuch der Regelungstechnik. —Frankfurt am Main:: Harri Deutsch, 2002.

67. M. Demiroglu, J.S; Mayer, Steady-state characteristics of synchronous machine-line-commutated converter systems // IEEE Transactions on energy conversion, Vol. 17, No. 2, June 2002,-C. 234-241.

68. Marsik J. Eine schnelle Berechnung des Regelungsoptimums nach Oldenbourg und Sartorius, auch ftir Regelkreise mit transzendenten Frequenzgang. Regelungstechnik, Heft 6, 1958. -C. 217-219.

69. Milanovic M., Dobaj B: A novel unity power factor correction principle in direct AC to AC matrix converters // Proc. of PESC '98, Vol. 1, 1998.-C. 746-752.

70. Mohan N., Undeland T.M., Robins W.P. Power Electronics: Converters, applications and design.—Hobaken (USA): John Wiley & Sons, Inc, 2003.

71. Nielsen P. The matrix converter for an induction motor drive. Industrial Ph.D. Fellowship EF 493; Aalborg University, Denmark, August 1996.93: Riefenstahl U. Elektrische Antriebstechnik -Stuttgart: B.G.Teubner, 2000.

72. Seefried E. Zum Ubertragungsverhalten des m-pulsigen gittergesteuerten Gleichrichters, Zmsr., 1975, Nr. 11.

73. Strole D., Vogl H. Transidyn-Regelungen fur Walzwerksantriebe, Regelungstechnik, 1960, Nr. 6.

74. Sunter S., Altun H. A method for calculating semiconductor losses in the matrix converter // Proc. of MELECON '98, Vol. 2, 1998. -C. 1260-1264.

75. The power electronics handbook / Edited by Timothy L. Skvarenina.— Boca Raton (USA): CRC Press, 2002.

76. Venturini M., A new sine wave in, sine wave out conversion technique eliminates reactive elements // Proc. of Powercon, E3-1-E3-15, 1980.

77. Weinmann A. Regelungen: Analyse und technischer Entwurf. Bd. 2. Multivariable, digitale und nichtlineare Regelungen; optimale und robuste Systeme. -Wien, Springer, 1995.

78. Zhang L., Watthanasarn C., Shepherd W. Analysis and comparison of control techniques for AC-AC matrix converters // IEE Proc. Electr. Power App. 145, 1998.-C. 284-294.