Регулируемое симметрирующее устройство с индуктивным накопительным элементом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Сидоров Сергей Анатольевич

• Сидоров Сергей Анатольевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Сидоров Сергей Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА 1 Определение несимметрии токов и напряжений и методы симметрирования

1. 1 Необходимость симметрирования токов и напряжений

1.2 Условия необходимости применения симметрирующих устройств

1.3 Способы симметрирования

1.3.1 Симметрирующие устройства транс форматорного типа

1.3.2 Статические симметрирующие устройства

1.3.3 Ступенчато-управляемые симметрирующие устройства

1.3.4 Симметрирующие устройства с непрерывным плавным управлением

Выводы по первой главе и постановка задач исследования

ГЛАВА 2 Алгоритм компенсации токов обратной последовательности при использовании управляемого индуктивного накопительного элемента и принципиальная схема регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом

2.1 Математическая модель электромагнитных процессов в трехпро-водной сети с несимметричной нагрузкой

2.2 Алгоритмы получения задающих сигналов на основе токов обратной последовательности

2.3 Схема силовой части регулируемого симметрирующего устройства

2.4 Система управления регулируемого симметрирующего устройства 45 и принцип его действия

2.5 Применение симметрирующего устройства для питания мощных однофазных нагрузок

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 Схемотехническое моделирование регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационное моделирование блока управления в его составе

3.1 Схемотехническая модель регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационная модель блока управления в его составе в пакете ЫайаЬ

3.2 Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемого симметрирующего устройства с активно-емкостной нагрузкой

3.3 Исследование электромагнитных процессов при работе регулируемого симметрирующего устройства с переменной нагрузкой

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование и методика расчёта регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом

4.1 Экспериментальное исследование работы регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом

87

4.2 Методика расчёта регулируемого симметрирующего устройства

4.2.1 Выбор силовых трансформаторов

4.2.2 Выбор /СВГ-транзисторов и диодов

4.2.3. Выбор и расчет драйверов для управления транзисторами

4.2.4. Выбор и предварительный расчет дросселя с зазором

4.2.5. Выбор и программирование микроконтроллера 99 4.2.6 Выбор датчиков тока и напряжения

4.3 Расчёт и выбор его параметров индуктивного накопительного элемента

104

4.3.1. Электромагнитные процессы в индуктивном накопительном элементе

4.3.2 Расчёт постоянной индуктивного накопительного элемента

4.3.3 Определение параметров дросселя из критерия минимальных потерь в активных материалах

4.3.4 Расчет величины воздушного зазора

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Анализ гармонического состава тока силовых вентилей

Приложение Б. Осциллограммы напряжения и тока силовых вентилей

Приложение В. Анализ гармонического состава тока в дросселе с зазором

Приложение Г. Основной текст управляющей программы

Приложение Д. Осциллограммы формы управляющих сигналов микроконтроллера

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регулируемое симметрирующее устройство с индуктивным накопительным элементом»

Введение

Актуальность темы исследования. Экономический прогресс неразрывно связан с потреблением энергии различных видов. Причем количество потребляемой энергии характеризуется заметным ростом [1]. Поэтому рациональное использование энергетических ресурсов и совершенствование процессов генерации и распределения энергии является актуальной проблемой.

Один из путей решения данной проблемы - передача и потребление большого количества электрической энергии с минимальными потерями. Большую часть потерь электрической энергии составляют потери от несимметричного режима работы трехфазных сетей.

Внедрение электрических установок способных устранять несимметрию в трехфазной системе повышает экономичность работы электрических сетей, так как уменьшает потери активной мощности, сокращает затраты на повышение пропускной способности существующих электрических сетей и повышает срок службы электрических аппаратов и трехфазных электопри-емников.

Современная преобразовательная техника позволяют создавать управляемые автоматизированные симметрирующие устройства, которые обладают достаточным быстродействием для симметрирования переменной несимметричной нагрузки различного характера (активно-индуктивная, активно-емкостная).

В режиме симметрирования нагрузки обычно работают устройства с емкостным накопительным элементом. Наиболее известным таким устройством является статический компенсатор реактивной мощности типа СТАТ-КОМ [2]. Данное устройство компенсации несимметрии позволяет плавно регулировать в широком диапазоне несимметрию токов, устранять ток в нейтрали и вместе с тем компенсировать реактивную мощность. Недостатками устройства являются необходимость четвертого проводника - нейтрали, чувствительность к высшим гармоникам, возникновение резонансных и фер-

рорезонансных явлений, повышение напряжения на конденсаторе при индуктивности в линии.

Регулируемое симметрирующее устройство с индуктивным накопительным элементом лишено указанных недостатков в силу характера используемого накопительного элемента. Применение в качестве накопительного элемента дросселя с зазором позволяет осуществить симметрирование сетевого напряжения и тока и таким образом повысить качество электрической энергии и уменьшить потери активной мощности.

Степень разработанности темы исследования.

Большой вклад в процесс создания схем симметрующих устройств и исследование электромагнитных процессов в трехфазных сетях внесли такие ученые как А.К. Шидловский, Д.А. Гитгарц, Л.Э. Рогинская, Ю.К. Розанов, А.С. Серебряков, М.Е. От^ат и др. Однако ряд вопросов освещен недостаточно и требует дальнейших исследований. К ним относится сравнение динамических характеристик различных регулируемых симметрирующих устройств, применение современной элементной базы полупроводниковых и реактивных приборов, улучшение характеристик устройств. В основном в работах рассматриваются статические симметрирующие устройства с емкостным накопительным элементом, работ посвященных преобразователям с индуктивными накопителями довольно мало [3, 44, 60].

Цель и задачи. Целью диссертационной работы является создание регулируемого симметрирующего устройства на базе индуктивного накопительного элемента для электроснабжения несимметричных нагрузок. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка алгоритма компенсации токов обратной последовательности при использовании управляемого индуктивного накопительного элемента на основе исследования математической модели электромагнитных процессов в трехпроводной сети с несимметричной нагрузкой.

2. Разработка принципиальной схемы регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и способа управления им.

3. Определение основных параметров элементов системы симметрирования на основе разработки и исследования схемотехнической модели регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационной модели блока управления в его составе.

4. Экспериментальное исследование регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и совершенствование методики расчёта индуктивного накопительного элемента.

Научная новизна

1. Разработан алгоритм компенсации токов обратной последовательности при использовании управляемого индуктивного накопительного элемента на основе исследования математической модели электромагнитных процессов в трехпроводной сети с несимметричной нагрузкой.

2. Разработаны принципиальная схема регулируемого симметирую-щего устройства с индуктивным накопительным элементом и способ управления, учитывающий изменение мощности и характера нагрузки в реальном времени, не требующий дополнительной синхронизации с сетью, а также позволяющий реализовать его на микроконтроллере (патент РФ на изобретение № 2567747).

3. На основе исследования схемотехнической модели регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационной модели блока управления в его составе получено уравнение для тока в дросселе с зазором.

Практическая значимость работы

1. Разработан и исследован экспериментальный образец блока управления регулируемого симметирующего устройства с индуктивным накопи-

тельным элементом, для которого написана управляющая программа (свидетельство на программу ЭВМ № 2015612477).

2. Усовершенствована методика расчёта индуктивного накопительного элемента регулируемого симметирующего устройства с учетом постоянной составляющей и нескольких переменных составляющих тока различной частоты.

Практическая ценность результатов работы подтверждается актами внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс ООО «Верба» и учебный процесс ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Методология и методы исследования

Для достижения заявленной цели и решения поставленных задач были использованы основные положения теории трехфазных цепей, теории нелинейных цепей, метод симметричных составляющих, методы решения дифференциальных уравнений, методы компьютерного моделирования, метод интегральных преобразований.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм компенсации токов обратной последовательности при использовании управляемого индуктивного накопительного элемента.

2. Принципиальная схема регулируемого симметирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и способ управления им.

3. Результаты исследования электромагнитных процессов при электроснабжении несимметричной нагрузки с изменяющейся мощностью и различного характера (активно-индуктивная, активно-емкостная) на основе разработки и исследования схемотехнической модели регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и разработки имитационной модели блока управления в его составе.

4. Экспериментальный образец блока управления регулируемого сим-метирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и усо-

вершенствованная методика расчёта индуктивного накопительного элемента регулируемого симметирующего устройства.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена адекватностью используемых схемотехнических и имитационных моделей, методов компьютерного моделирования, подтверждаемых экспериментальными данными.

Основные результаты научной работы докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях: VII Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2012 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Уфа, 2012 г.); конференции по материалам: Межвузовского научного сборника «Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение» (Уфа, 2013 г.); «Электротехнические и информационные комплексы и системы». №2 (Уфа, 2013 г.); «Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов»: межвузовский сборник научных трудов (Уфа, УГНТУ, 2014 г.).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных трудов, из них 3 работы - в изданиях из перечня ВАК, получен один патент РФ на изобретение, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 118 наименований и 14 приложений. Общий объем диссертации составляет 143 страницы машинописного текста.

В первой главе работы формулируются критерии необходимости применения симметрующих устройств и приводится обзор существующих устройств.

Проведен анализ влияние несимметрии токов и напряжений на сетевое оборудование. Приводятся условия необходимости применения симметрирующих устройств. Рассматриваются способы симметрирования с помощью устройств трансформаторного типа, статических, ступенчато-управляемых и устройств с непрерывным плавным управлением, сравниваются и указываются достоинства и недостатки рассматриваемых устройств. Проведенный анализ подтвердил актуальность дальнейшего совершенствования регулируемых симметрующих устройств с индуктивным накопительным элементом.

В результате проведенного анализа сформированы цели и задачи исследования.

Во второй главе исследуется математическая модель электромагнитных процессов в трехпроводной сети с несимметричной нагрузкой. Сделан вывод о том, что в составе управляемого симметрирующего устройства для компенсации токов обратной последовательности должен быть реактивный элемент. Разработан алгоритм компенсации токов обратной последовательности на базе управляемого индуктивного накопительного элемента. Представлена схема силовой части регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом. Приведено описание системы управления регулируемого симметрирующего устройства и принципа его действия. Показана работа симметрирующего устройства при питании мощной однофазной нагрузки.

В третьей главе исследуются в различных режимах разработанные схемотехническая модель регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и имитационная модель блока управления в его составе. Приводятся различные варианты схемотехнической модели регулируемого симметрирующего устройства в пакете ЫайаЬ (Коммерческая лицензия №726128). Исследуются электромагнитные процессы в установившемся и переходном режимах работы регулируемого симметрирующего устройства при активно-емкостной нагрузке, а так же при переменной нагрузке.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопителем энергии, схемотехнического моделирования работы регулируемого симметирующего устройства с полученными в ходе эксперимента сигналами с блока управления. Представлена усовершенствованная методика расчёта индуктивного накопительного элемента и выбора его параметров.

В приложениях приведены результаты гармонического анализ тока, осциллограммы тока и напряжения для различных силовых устройств в составе мостового преобразователя регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом, приводится основной текст управляющей программы и осциллограммы формы управляющих сигналов микроконтроллера в составе блока управления регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом.

ГЛАВА 1 Определение несимметрии токов и напряжений и методы симметрирования

При включении в трехфазную сеть мощных однофазных нагрузок появляется несимметрия токов и напряжений. Это приводит к возрастанию потерь и ухудшению качества электрической энергии.

В данной главе рассматривается влияние несимметрии токов и напряжений на сетевое оборудование, обзору существующих симметрирующих устройств и доказательство актуальности разработки регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом.

1.1 Необходимость симметрирования токов и напряжений

Несимметрия напряжений - состояние системы энергоснабжения трехфазного переменного тока, в которой среднеквадратические значения основных составляющих междуфазных напряжений или углы сдвига фаз между основными составляющими междуфазных напряжений не равны между собой [4].

Показателем качества электроэнергии (КЭ), относящимися к несимметрии напряжений в трехфазных трехпроводных системах, является коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2ц ■

Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности равен:

К2и=р^100%, (1.1)

и1(1)

где ^2(1) - действующее значение напряжения обратной последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений, В;

и1(1) - действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты, В [4].

Для указанного показателя КЭ установлены следующие нормы:

- значение коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности К2ц в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю;

- значения коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и в точке передачи электрической энергии, усредненные в интервале времени 10 мин, не должны превышать 4 % в течение 100 % времени интервала в одну неделю [4].

Несимметрия напряжений приводит к возникновению в электрических машинах магнитных полей, вращающихся соответственно с синхронной частотой в направлении вращения ротора (результат прямой последовательности напряжений) и с той же скоростью в противоположном (результат обратной последовательности напряжений). В итоге активные части электрических машин перегреваются, а так же имеет место тормозящий электромагнитный момент [5].

Например, при работе электродвигателя с номинальным вращающем моментом и коэффициентом несимметрии напряжений К2и =4%, срок службы его сокращается примерно в 2 раза за счет только дополнительного нагрева. Срок службы изоляции сократится еще значительнее при большем отклонении напряжения одной из фаз от номинального значения [6].

В электрических машинах несимметрия напряжений, помимо рассмотренных последствий, может привести к появлению вибраций ротора, возникающих в результате знакопеременных вращающих моментов, которые могут вызвать разрушение механических конструкций машины [7].

Несимметрия напряжений вызывает повышенный нагрев трансформаторов, а, следовательно, и сокращение срока их службы. Расчеты показывают, что при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов равном 10% срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16% [8].

Весьма существенно несимметрия напряжений влияет на батареи конденсаторов, так как реактивная мощность, генерируемая батареей, зависит от наличия напряжения обратной последовательности фаз. При линейном напряжении прямой последовательности иг<ином происходит уменьшение генерируемой активной мощности батареей конденсаторов. В этом случае в наиболее загруженной фазе значение тепловых потерь может заметно возрасти, и перегрев изоляции сокращает срок ее службы примерно на 20% [9].

Рудно-термические печи так же чувствительны к несимметрии напряжений и токов, это выражается в уменьшения КПД печи и повышенном расходе электрической энергии. Увеличение напряжения обратной последовательности на 20% приводит к снижению производительности рудно-термических печей на 30-40% [10].

Суммарная нагрузка некоторых предприятий содержит 85-90% несимметричных нагрузок. Характеристики некоторых электропотребителей (ЭП), вызывающие несимметрию напряжения приведены в таблице 1.1 [11].

Таблица 1.1 - Характеристики ЭП, вызывающих несимметрию напряжений

Тип ЭП и, кВ К2и,%

Дуговая сталеплавильная печь ДСП-100 220 1,3

35 4,5

Дуговая сталеплавильная печь ДСП-40 110 1,4

35 4,0

Однофазные электротермические установки 10 18

Тяговые подстанции переменного тока 110 4,6

6 1,4

Прокатный стан 1700 10 2,0

Сварочные машины 0,4 1-5

1.2 Условия необходимости применения симметрирующих устройств

Снижение несимметрии напряжения может быть достигнуто либо уменьшением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательности, либо снижением этих токов [12].

Если принять что сопротивление внешней сети (линий, кабелей, трансформаторов) равны для обратной и прямой последовательностей, то при подключении нагрузки к отдельному трансформатору возможно снижение этих сопротивлений [13].

Однофазные нагрузки чаще всего являются причиной несимметрии. Если выполняется соотношение 5одн — 5Кш3ш/Бодн >50 (где 5кз. мощность короткого замыкания в узле сети, а 5одн мощность однофазной нагрузки), то коэффициент несимметрии напряжений меньше 2% и удовлетворяет требованиям [4]. Это означает, что снизить несимметрию можно путем увеличения 5кз. на зажимах нагрузки. В схемах электроснабжения тяговых подстанций электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта это реализуется путем подключением мощных однофазных нагрузок через собственный трансформатор к шинам 110-220 кВ [14].

В сетях низкого напряжения для уменьшения несимметрии токов и напряжений однофазные нагрузки распределяются по фазам таким образом, чтобы сопротивления этих нагрузок в каждой фазе были примерно равны. Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позволяет снизить коэффициент несимметрии напряжений до допустимого значения (например, когда часть мощных однофазных электроприемников работает по условиям технологии не все время, а также при профилактических и капитальных ремонтах) [15]. В этих случаях необходимо применять специальные симметрирующие устройства.

Симметрирующие устройства могут выполнятся как управляемыми, так и неуправляемыми. Выбор типа устройства определяется характером технологического процесса [16]. Многие однофазные нагрузки, такие как ин-

дукционные тигельные печи, установки контактного нагрева, электропечи графитезации, характеризуются значительными колебаниями параметров нагрузки в процессе работы. Кроме того, в одной и той же установке можно нагревать изделия разных размеров из материалов с различными значениями удельного электрического сопротивления и различным характером изменения удельного сопротивления в процессе нагрева. Эти обстоятельства приводят к дополнительному увеличению диапазона изменения мощности [17].

Необходимая мощность элементов симметрирующего устройства рассчитывается на определенное значение мощности однофазной нагрузки, как правило, максимальной. Следовательно, при неизменных параметрах схемы симметрирования работа возможна при постоянной величине нагрузки [18]. Если во время технологического процесса мощность, потребляемая установкой изменится, то будет возникать несимметрия токов, а следовательно, и несимметрия напряжений, тем большая, чем больше глубина изменения активной мощности нагрузки X.

_ макс _ макс /1 оч

- --- т-, (12)

г0 мин мин

где Р0 мин, Р0 макс - минимальная и максимальная активная мощность нагрузки, 50 мин, 50 макс - минимальная и максимальная реактивная мощность нагрузки.

Исходя из допустимой несимметрии напряжений, равной 2%, запишем выражения для допустимой глубины изменения мощности:

Я < 1 + 2'675з+5кз , (1.3)

505^—2,675з—5кз

где 5з - мощность трехфазной нагрузки, 5кз. - мощность короткого замыкания в точке подключения нагрузки.

При выполнении условия (1.3) несимметрия не превышает допустимой. В этом случае параметры симметрирующих элементов должны выбираться по максимальной мощности нагрузки и могут оставаться неизменными. Если это неравенство не выполняется, то для обеспечения симметрирования сети необходимо изменить параметры симметрирующих элементов в ходе техно-

логического процесса. Таким образом, формула (1.3) позволяет определить целесообразность выполнения симметрирующего устройства управляемым

[19].

1.3 Способы симметрирования 1.3.1 Симметрирующие устройства трансформаторного типа

Трансформаторные схемы питания однофазных нагрузок от трехфазной сети позволяют улучшить загрузку по току для фаз трехфазной сети и добиться необходимого значения напряжения на нагрузке. Если однофазную нагрузку подключить к трехфазной сети с помощью двух однофазных трансформаторов 7\ и Т2 включенных по системе Скотта, то получим СУ с двойным преобразованием числа фаз (Рис. 1.1).

Вторичные обмотки у обоих трансформаторов одинаковые, а число витков у первичной обмотки добавочного трансформатора в 0,866 раз меньше чем у главного. Вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и к их выходным зажимам подключена активно-индуктивная однофазная нагрузка 2н. Для равномерного распределения однофазной нагрузки в двухфазной вторичной сети к вторичным обмоткам подключены чисто реактивные сопротивления и [20].

Рисунок 1.1 - Т-образная схема Скотта

Между сопротивлениями нагрузки и симметрирующими сопротивлениями должно быть следующее соотношение:

При комплексной однофазной нагрузке должны иметь место так же соотношения между проводимостями симметрирующих элементов и однофазной нагрузки:

По данной схеме питаются индукционные плавильные печи, однофазные соляные ванны для нагрева под закалку инструмента из быстрорежущей стали, однофазные электропечи для графитезации.

Однако данная схема не компенсирует токи обратной последовательности и соответственно не устраняет в полной мере последствия несимметрии токов и напряжений. Так же схема Скотта, как и все трансформаторные схемы, имеет низкий коэффициент мощности сети (0,7соБфН) [21].

Симметрирование токов и напряжений выполняют с использованием делителей напряжения или автотрансформаторов, где последние преобразуют напряжение до требуемой величины и фазы на реактивных элементах схемы, для лучшей их загрузки по мощности [22]. Простейшая схема, с использованием делителя и емкости, изображена на рисунке 1.2.

(1.5)

А о-Во Со

\1а 1В\ 1С\

I |Ск

Рисунок 1.2 - Схема симметрирующего устройства с автотрансформатором и

емкостью

Для получения симметричной системы токов в трехфазной сети с помощью СУ рис. 1.2 должно быть выполнено следующее условие:

Сдел = СК="—Г-ч, (1.6)

где @дел - реактивная полная мощность делителя; Qк - реактивная мощность конденсаторной батареи; 5 - полная мощность однофазной нагрузки.

Если в этой схеме убрать делитель, то получится одноэлементная схема с довольно низким выходным коэффициентом мощности соъф = 0,5. При использовании делителя выходной коэффициент мощности увеличивается до соъф = 0,866. Угол фн определяет соотношение плеч делителя, если изменяется фаза на нагрузке, то необходимо перенести точки подключения делителя к емкости [23].

торо , индуктивность и е кость

На рисунке 1.3 приведена схема для симметрирования нагрузки переменного характера. Симметрирование выполняется с помощью изменения величины емкости или индуктивности. Схема характеризуется достаточно высоким коэффициентом мощности [24]. При уменьшении величины нагрузки вдвое соъф > 0,95. Данная схема не нашла широкого применения из-за большого числа реактивных элементов и своей сложности.

1.3.2 Статические симметрирующие устройства

Схема Штейнметца (рисунок 1.4), наиболее широко применяется для симметрирования однофазных нагрузок [25]. Схема характеризуется простотой, а симметрирующие элементы и нагрузка включены на линейное напряжение. Коэффициент мощности трехфазной сети для схемы Штейнметца равен единице.

Суммарная модность симметрирующих элементов С и Ь составляет при этом 1,16 активной мощности нагрузки Р0. Однако схема Штейнметца эффективна лишь при симметрировании чисто активной нагрузки [26]. С другой стороны, многие промышленные однофазные нагрузки имеют индуктивный фазовый угол [26]. Это означает, что при применении схемы Штейн-метца обязательным является доведение коэффициента мощности нагрузки до единицы [27]. Поэтому в затраты на оборудование при симметрировании по схеме Штейнметца входят так же затраты на компенсирующую батарею

а)

б)

Рисунок 1.4 - Схема Штейнметца (а), векторная диаграмма токов и

напряжений (б)

конденсаторов. Данная схема применяется для симметрирования дуговых печей косвенного действия, печей сопротивления [28].

На рисунке 1.5 приведена схема с дросселем-делителем, отличающаяся простотой и возможностью симметрировать индуктивную нагрузку. Токи обратной последовательности компенсируются при помощи дросселя Ь и конденсаторов С. Конденсаторная батарея подключается к отпайке дросселя и к одной из фаз сети. Между плечами дросселя существует индуктивная связь М [29].

а) б)

Рисунок 1.5 - Схема с дросселем-делителем (а), векторная диаграмма токов и

напряжений при фн = 30° (б)

сли нагрузка активно-индуктивная, то для ка дого значения н подбирается положение отпайки дросселя. При изменении угла , например, при его увеличении, требуемая точка подключения батареи перемещается [30]. Найдем мощность симметрирующих элементов для различных значений Фн:

р = Po(l+Vзtgyн+зtg2yн) (17)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сидоров Сергей Анатольевич, 2016 год

/ М

0 2 L 6 8 10

в

Рисунок 4.14 - Графики для выбора параметров индуктивного накопительного элемента (а - по параметрам Кг и К3 от М, б - по параметру х от М, в - по

параметру Zmin от М) [116]

4.3.4 Расчет величины воздушного зазора

В соответствии с законом полного тока:

Hdl = Hclc + Но8 = IMW, (4.37)

где 1С - длина магнитной линии;

S - величина зазора;

Нс - намагничивающая сила в стали;

Но - намагничивающая сила в зазоре;

Пренебрежем эффектом выпучивания в зазоре, тогда:

IMW - Hclc

S = До R ,До = Вс = Bs. (4.38)

Подставив в приведенные формулы числовые значения можно получить параметры индуктивного накопителя с оптимальными параметрами и наименьшими потерями в активных материалах.

Выводы по четвертой главе

1. Проведено экспериментальное исследование блока управления регулируемого симметирующего устройства с индуктивным накопительным элементом, схемотехническое моделирование работы регулируемого симметирующего устройства с индуктивным накопительным элементом, управляемого полученными в ходе эксперимента сигналами с блока управления. Несимметричный режим трехфазной сети (отсутствие тока в фазе В), обусловленный однофазной нагрузкой (резистор Д = 3,9 кОм), в результате работы регулируемого симметирующего устройства с индуктивным накопительным элементом был скомпенсирован (1А = 0,054 А, 1В = 0,047 А,/с = 0,056 А).

2. Разработана методика расчёта регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопителем энергии, состоящего из следующих модулей: силовых трансформаторов, силовых транзисторов и диодов, драйверов для транзисторов, микроконтроллера, датчиков тока и дросселя с зазором.

3. Разработана оригинальная программа для реализации алгоритма управления симметрующих устройством на микроконтроллере (свидетельство на программу ЭВМ № 2015612477). Приведена усовершенствованная методика выбора параметров индуктивного накопителя энергии, работающего с постоянной и несколькими сильно различающимися переменными частотами.

Заключение

1. Разработан алгоритм компенсации токов обратной последовательности при использовании управляемого индуктивного накопительного элемента на основе исследования математической модели электромагнитных процессов в трехпроводной сети с несимметричной нагрузкой, при котором токи обратной последовательности вычисляются после каждого измерения токов нагрузки (частота измерений 12,6 кГц). Таким образом, регулируемое симметрирующее устройство оперативно реагирует на изменение несимметричной нагрузки в ходе производственного процесса.

2. Разработаны принципиальная схема регулируемого симметирую-щего устройства с индуктивным накопительным элементом и способ управления, учитывающий изменение мощности и характера нагрузки в реальном времени, не требующий дополнительной синхронизации с сетью, а также позволяющий реализовать его на микроконтроллере (патент РФ на изобретение № 2567747).

3. Определены основные параметры элементов системы симметрирования на основе разработки и исследования схемотехнической модели регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопительным элементом и разработки имитационной модели блока управления в его составе. В процессе моделирования, на основе проведенного гармонического анализа, получено уравнение для тока в дросселе с зазором.

4. Проведено экспериментальное исследование блока управления с оригинальной программой для микроконтроллера (свидетельство на программу ЭВМ № 2015612477) регулируемого симметирующего устройства с индуктивным накопительным элементом, схемотехническое моделирование работы регулируемого симметирующего устройства с полученными в ходе эксперимента сигналами с блока управления. В схемотехнической модели регулируемого симметирующего устройства с экспериментальными управ-

ляющими сигналами блока управления был скомпенсирован несимметричный режим работы трехфазной сети, обусловленный однофазной нагрузкой.

Усовершенствована методика выбора параметров индуктивного накопителя энергии, отличающаяся тем, что учитывает наличие постоянной и нескольких сильно различающихся переменных составляющих.

Список литературы

1. Прогноз электропотребления в России на среднесрочный период: Информационно-аналитический материал ГК «Внешэкономбанк». [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.veb.ru/common/upload/files/veb/analytics/fld/20140122_2.pdf (дата обращения: 16.05.15).

2. Алтунин Б.Ю. Имитационная модель системы управления СТАТКОМ для симметрирования сетевых токов / Б.Ю. Алтунин, И.А. Кар-навский, А.А. Кралин. // Труды Нижегородского Государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. 2012, №4 (97). С. 232-236.

3. Лепанов М.Г. Режимы работы многофункционального регулятора качества электроэнергии на основе преобразователя с индуктивным накопителем / М.Г. Лепанов, Ю.К. Розанов // Электротехника. - 2012. - № 5.

- С. 20-27 .

4. ГОСТ Р 54149—2010. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Стандартинформ, 2012.

5. Тер-Газарян Г.Н. Несимметричные режимы синхронных машин / Г.Н. Тер-Газарян - М.: Энергия, 1969. - 216 с.

6. Данилевич Я.Б. Добавочные потери в электрических машинах / Я.Б. Данилевич, Э.Г. Кашарский - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 164 с.

7. Церазов А.Л. Исследование влияний несимметрии и несинусоидальности напряжения на работу асинхронных двигателей / А.Л. Церазов, Н.И. Якименко - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 120 с.

8. Манькин Э.А. Потери на вихревые токи в обмотках трансформаторов при несинусоидальном токе / Э.А. Манькин // Электричество. - 1955.

- № 12. С. 48 - 52.

9. Суднова В.В. Качество электрической энергии / В.В. Суднова -М.: ЗАО Энергосервис, 2000. - 80 с.

10. Федоров А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий / А.А. Федоров, В.В. Каменева - М.: Энергия, 1979. - 408 с.

11. Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Кар-ташев, В.Н. Тульский - М.: Издательство МЭИ, 2006. - 320 с.

12. Kusko A. Power Quality in Electrical / A. Kusko, M. Thompson. -New York.: Mc Graw Hill, 2007. - 241 c.

13. Распопов Е.В. Электрические системы и сети. Качество электроэнергии и его обеспечение: конспект лекций / Е.В. Распопов. - Л.: СЗПИ,

1990. 48 с.

14. Дмитриева М.Л. Анализ качества электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог: дис. канд. тех. наук / М.Л. Дмитриева. -Иркутск: ИрГУПС, 2004. - 136с.

15. Ершов А.М. Качество электрической энергии в системах электроснабжения промышленных предприятий / А.М. Ершов. - Челябинск: ЧГТУ,

1991. - 88с.

16. Иванов В.С. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий / В.С. Иванов, В.И. Соколов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 336 с.

17. Гриб О.Г. Контроль и регулирование несимметричных режимов в системах электроснабжения / О.Г. Гриб - Харьков: ХНАГХ, 2004. 180 с.

18. Шидловский А.К. Стабилизация параметров электрической энергии в распределительных сетях / А.К. Шидловский, В.А. Новский, Н.Н. Кап-лычный. - Киев: Наукова думка, 1989. - 312 с.

19. Гитгарц Д.А. Симметрирующие устройства для однофазных электротермических установок / Д.А. Гитгарц, Л.А. Мнухин. - М.: Издательский центр «Энергия», 1974. - 120 с.

20. Шидловский А.К. Симметрирующие устройства с трансформаторными фазосдвигающими элементами / А.К. Шидловский, Г.А. Москаленко. - Киев: Наукова думка, 1981. - 202с.

21. Пат. СССР 801186, МКИ H02 J3/26. Устройство для симметрирования режима трехфазной сети / Налбандян Д.Б., Мельник Н.И. Опубл. 30.01.81. Бюл. № 4.

22. Ломко Н.А. Системы электропитания индукционных плавильных печей: Дис. канд. тех. наук / Н.А. Ломко. - Киев: 1995. - 161 с.

23. Борисов Б.П. Многофункциональное использование индуктивных и емкостных элементов в системах питания электрических печей / Б.П. Борисов, H.A. Ломко. - Киев, 1994. - 31 с.

24. Борисов Б.П. Системы питания магнитодинамических установок с емкостными делителями напряжения / Б.П. Борисов, Ю.П. Зубюк, H.A. Ломко // Пути повышения производительности плавильно-литейных агрегатов и улучшения качества литой заготовки из цветных металлов и сплавов: тез. докл. - М.: Кольчупгао, 1984. - С.46-51.

25. Сидоров С.А. Повышение показателей качества электрической энергии с помощью симметрирования мощных однофазных индукционных установок / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Научные труды Всероссийской молодежной научной конференции в 5 томах «Мавлютовские чтения». -Уфа, УГАТУ, 2014. - Т. 2, С.43-44.

26. Омар Баша Мохамед В. Технико-экономическое обоснование применения симметрирующих устройств в условиях промышленных предприятий Сирии: Дис. канд. тех. наук / В. Омар Баша Мохамед - Москва: МЭИ, 1984. - 164 с.

27. Сидоров С.А. Область применения симметрирующих устройств с различной структурой / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская // Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи: сб. науч. тр. - Томск: ТПУ, 2014. - С.157-161.

28. Шидловский А.К. Повышение качества энергии в электрических сетях / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов. - Киев: Наукова Думка, 1985. - 268 с.

29. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко. -М.: Энергоатомиздат, 2000. - 252 с.

30. Дерунов В.А. Методы и устройства симметрирования напряжения в системах электроснабжения: дис. канд. тех. наук / В.А. Дерунов. - Саратов: 2005. - 146с.

31. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения / И.И. Карташев - М.: Издательство МЭИ, 2000. 120 с.

32. Бамдас А.М. Статические электромагнитные преобразователи частоты и числа фаз / А.М. Бамдас, В.А. Кулинич, С.В. Шапиро. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 208 с.

33. Альтгаузен А.П. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: справочник / А.П. Альтгаузен, И.М. Бершицкий, М.Я. Смелянский и др. - М.: Издательский центр «Энергия», 1978. - 360 с.

34. Васильев А.С. Источники питания высокочастотных электротермических установок: монография / А.С. Васильев, Г. Конрад, С.В. Дзлиев. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - 426 с.

35. Кинев Е.С. Индукционные установки сквозного нагрева цилиндрической загрузки в продольном магнитном поле: Дис. канд. тех. наук / Е.С. Кинев - Красноярск: 2002. - 161 с.

36. Простяков А.А. Индукционные печи и миксеры для плавки чугуна / А.А. Простяков. - М.: Энергия, 1977. - 217 с.

37. Гарбуз Е.Г. Оптимизация параметров элементов систем электропитания, построенных на базе трансформаторно-тиристорных модулей силовой электроники: Дис. канд. тех. наук / Е.Г. Гарбуз - Нижний Новгород: НГТУ, 2002. - 224 с.

38. Сидоров С.А. Проектирование трехфазного сухого трансформатора со схемой симметрирования для питания однофазной индукционной электропечи / С.А. Сидоров, Р.Р. Исмагилов. // Межвузовский сборник науч-

ных трудов «Инновационные направления развития электропривода, электротехнологий и электрооборудования». - Уфа, УГНТУ, 2012. - С.152-156.

39. Князевский Б.А. Электроснабжение промышленных предприятий / Б.А. Князевский, Б.Ю. Липкин. - М.: Высшая школа, 1986. - 400 с.

40. Серебряков А.С. Современная схема установки поперечной емкостной компенсации / А.С. Серебряков, Л.А. Герман, И.А. Балуева. // Электроника и электрооборудование транспорта. 2009, № 2-3.

41. Ortuzar M. Voltage source active power filter, based on multi-stage converter and ultracapacitor DC-link / M. Ortuzar, R. Carmi, J. Dixon, L. Moran. // IEEE Power Electronics Specialists Conference, 15-19 June 2008, pp. 2300-2305. - Режим доступа: http://www2.ing.puc.cl/power/paperspdf/dixon/61a.pdf. (дата обращения: 15.05.15).

42. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники / Г.С. Зиновьев. -Новосибирск: НГТУ. 2004 г. - 199 с.

43. Пронин М. Активные фильтры высших гармоник: направления развития. / М. Пронин. // Новости электротехники. 2008. №1(49). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.news.elteh.ru (дата обращения: 16.05.15).

44. Розанов Ю.К. Гибридные фильтры для снижения несинусоидальности тока и напряжения в системах электроснабжения / Ю.К. Розанов, Р.П. Гринберг. // Электротехника. - 2006. № 10. - С. 55-60.

45. Wei-Neng C. Design and implementation of DSTATCOM for fast load compensation of unbalanced loads / C. Wei-Neng, Y. Kuan-Dih. // Journal of Marine Science and Technology. 2009, № 4 (17). РР. 257-263.

46. Николаев A.B. Разработка принципов управления статическим компенсатором (СТАТКОМ) и исследование его работы на подстанциях переменного и постоянного тока: Дис. канд. тех. наук / A.B. Николаев. - СПб.: 2005. - 161 с.

47. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники / Л.А. Бессонов - М.: Гардарики, 2007. - 317 с.

48. Сидоров С.А. Симметрирование трехфазных сетей при несимметричной нагрузке / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская // Интеграция образования, науки и производства в условиях многоуровневого профессионального образования: сб. науч. тр. - Кумертау: филиал УГАТУ, 2014. - С. 167-169.

49. Лосев С.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем / С.Б. Лосев, А.Б. Чернин. - М.: Энерго-атомиздат, 1983. - 527с.

50. Сидоров С.А. Фазопреобразовательное устройство для несимметричных нагрузок / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская, А.А. Караваев. // Межвузовский научный сборник «Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение». - Уфа, УГАТУ, 2013. - С.121-125.

51. Мейн М. Структуры данных и другие объекты в C++. 2-е изд. / М. Мейн, У. Савитч. - М.: Вильямс, 2002. - С. 832.

52. Седжвик Р. Фундаментальные алгоритмы на C. Анализ / Структуры данных / Сортировка / Поиск / Р. Седжвик. - СПб.: ДиаСофтЮП, 2003. - С. 672.

53. Сидоров С.А. Способ получения управляющих сигналов для симметрирующего устройства на основе токов обратной последовательности / С. А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1; URL: http://www.science-education.ru/125-19767 (дата обращения: 17.06.2015).

54. Сидоров С.А. Система симметрирования электромагнитных параметров при однофазной переменной нагрузке с помощью индуктивного накопителя энергии / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана Серия «Приборостроение»: сб. науч. ст. - Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. №4, С. 96-105.

55. Новиков Ю.Н. Электротехника и электроника. Теория цепей и сигналов, методы анализа: учебное пособие для вузов / Ю.Н. Новиков. -СПб: Питер, 2005. - 384 с.

56. Сидоров С.А. Регулируемое симметрирующее устройство с индуктивным накопителем энергии / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Вестник ЮУрГУ серия «Энергетика»: сб. науч. тр. - Челябинск: ЮУрГУ, 2014. №3, Т. 14, С. 33-40.

57. Branko L.D. Power Electronics: Converters and Regulators / L.D. Branko, B. Branko. - Sarajevo: University of Banja Luka, 2015. - 617 p.

58. Розанов Ю.К. Силовая электроника / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчиц-кий, А.А. Кваснюк. - 2-е изд., стер. - Москва: Издательский дом МЭИ, 2009. - 632 с.

59. Ильин П., Алимов Н. Обзор MOSFET и IGBT компании STMicroelectronics / П. Ильин, Н. Алимов. // Новости электроники, №2, 2009.

60. Розанов Ю.К. Управление потоками электроэнергии в преобразователе со сверхпроводящим индуктивным накопителем / Ю. К. Розанов [и др.] // Электротехника. - 2008. № 8. - С.22-27.

61. Розанов Ю.К. Силовая электроника и качество электроэнергии // Электротехника. - 2002. - № 2. - С. 16-23.

62. Караваев А.А. Трёхфазный компенсатор реактивной мощности с индуктивным накопителем энергии: дис. канд. тех. наук / А.А. Караваев. -Уфа: УГАТУ, 2011. - 144 с.

63. Robert W.E. Fundamentals of Power Electronics / W.E. Robert, M. Dragan. - Norwell, Mass.: Kluwer Academic, 2001. - 881 p.

64. Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика / К. Сукер. - М.: Додэка-XXI, 2008. - 252 с.

65. Печи промышленной частоты (50 Гц), серии ИЧТ, ИАТ, ИЛТ: Официальный сайт торгового дома «Курай» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.kurai.ru/products/promyshlennoj-chastoty-50-gts-serii-icht-iat-ilt (дата обращения: 19.05.15).

66. Сидоров С.А. Повышение качества напряжения на базе индуктивного накопителя энергии / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Труды второй

международной конференции «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления». - Уфа, УГАТУ, 2014. - Т. 1, С.126-129.

67. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.

68. Дьяконов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник / В. Дьяконов, В. Круглов. - СПб.: Питер, 2001. - 448 с.

69. Материалы по продуктам MATLAB & Toolboxes: образовательный математический сайт Exponenta.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/index.php (дата обращения: 18.05.15).

70. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде Matlab: Учебный курс / - А. Гультяев. - СПб.: Питер, 2000. - 432 с.

71. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник / В. Дьяконов. - СПб.: Питер. 2002. - 528 с.

72. Гультяев А. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows / А. Гультяев. - Корона принт, 1999.

73. Черных И.В. Simulink: среда создания инженерных приложений / И.В. Черных; под общ. ред. В.Г. Потемкина. - М.: Диалог-МИФИ, 2004. -491 с.

74. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин -СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

75. Simulink. Dynamic Systems Simulation for MATLAB. v.3. - The Mathworks, Inc., 1999.

76. Dokic B.L. Power Electronics: Converters and Regulators / B.L. Dokic, B. Blanusa - Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London, 2015. XVIII, - 598 p.

77. Naeem W. Concepts in Electric Circuits / W. Naeem - BookBoon, 2009, - 87 p., ISBN: 978-87-7681-499-1.

78. Полищук А. Проблемы выбора ключевых силовых транзисторов для преобразователей с жестким переключением / А. Полищук // Силовая электроника, №2, 2004.

79. Рогачёв К.Д. Современные силовые запираемые тиристоры: Официальный сайт компании ООО «Рынок Микроэлектроники» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/igbt/tiristor.htm (дата обращения: 20.05.15).

80. Baliga B. J. The IGBT Device / B. J. Baliga. - Elsevier Publishing, 2015. - 732 p.

81. Герман-Галкин C. Виртуальные лаборатории полупроводниковых систем в среде MATLAB-SIMULINK: учебник / С. Герман-Галкин. -Лань, 2013. - 732 c.

82. Попов И.И. Основы энергетической электроники / И.И. Попов. -Йошкар-Ола: МарГУ, 2003.

83. Ермилов А. А. Основы электроснабжения промышленных предприятий / А. А. Ермилов. - Изд.4-е, перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 с.

84. SimPowerSystems: User's Guide Version 3 - MathWorks, 2003. -

620 p.

85. Лурье М.С. Имитационное моделирование схем преобразовательной техники / М.С. Лурье, О.М. Лурье. - Красноярск: СибГТУ, 2007. -138 с.

86. Сидоров С.А. Проектирование трехфазного сухого трансформатора со схемой симметрирования для питания однофазной индукционной электропечи / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Научные труды Всероссийской молодежной научной конференции в 5 томах «Мавлютовские чтения». -Уфа, УГАТУ, 2013. - Т. 2, С.39-40.

87. Трансформаторы силовые типа ТСЗ до 3200 кВА на любое напряжение: Официальный сайт компании ООО «СлавЭнерго» [Электрон-

ный ресурс]. - Режим доступа: http://www.slavenergo.ru/transformator_tsz (дата обращения: 20.05.15).

88. Семенов Б.Ю. Силовая электроника / Б.Ю. Семенов. - М.: Салон-Р. 2001. - 540 с.

89. Колпаков А.И. В лабиринте силовой электроники / А.И. Колпаков - СПб: изд-во Буковского, 2000 г. - 289 с.

90. Pressman A. Switching Power Supply Design / A. Pressman, K. Billings. - 3rd Edition. - McGraw-Hill, 2009. - 880 p.

91. Токарев В.В. Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier / В.В. Токарев. - Воронеж: АО «Транэлектрик», 1995 г. - 56 с.

92. Петропавловский Ю. Полупроводниковые технологии: силовые IGBT и MOSFET компании Alpha & Omega / Ю. Петропавловский // Силовая электроника, №2, 2015.

93. IGBT модули: Официальный сайт компании International Rectifier [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.irfcom/product/_/N~1njchu (дата обращения: 20.05.15).

94. Технические характеристики IGBT модулей: Официальный сайт компании Mitsubishi Electric [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/php/eSearch.php?FOLDFO=/p roduct/powermod/powmod/igbtmod (дата обращения: 20.05.15).

95. Технические характеристики диодных модулей: Официальный сайт компании Mitsubishi Electric [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mitsubishielectric.com/semiconductors/php/eSearch.php?FOLDER=/p roduct/powermod/powmod/diodemod (дата обращения: 20.05.15).

96. Мелешин В.И. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии / В.И. Мелешин, Д.А. Овчинников. - М.:, Техносфера, 2011. -576 с.

97. Колпаков А. Управление изолированным затвором IGBT / А. Колпаков, М. Хермвиль. Основные положения, Часть 1. // Новости электроники, №11, 2008.

98. Технические характеристики драйверов IGBT транзисторов: Официальный сайт компании Powerex Power Semiconductors [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.pwrx.com/summary/gate-drive-circuits.aspx (дата обращения: 21.05.15).

99. Технические характеристики транзисторной оптопары: Официальный сайт компании California Eastern Laboratories [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cel.com/product.do?command=viewTechTools&group=2 (дата обращения: 21.05.15).

100. Технические характеристики AC-DC преобразователей: Официальный сайт компании Meanwell [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.meanwell.com/webnet/search/seriessearch.html (дата обращения: 21.05.15).

101. Технические характеристики регуляторов положительного напряжения: Официальный сайт компании Fairchild Semiconductor. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.fairchildsemi.com/products/sensors/ (дата обращения: 21.05.15).

102. Злобин В.А. и др. Ферритовые материалы / В.А. Злобин и др. -Л.: Энергия, 1970 - 112 с.

103. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали / В.В. Дружинин. - М., 1978. - 387 с.

104. Корицкий Ю.В. и др. Справочник по электротехническим материалам. Т.3 / Ю.В. Корицкий и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1988 - 728 с.

105. Программа расчета изделий на ферритовых сердечниках: Официальный сайт компании EPCOS. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://en.tdk.eu/tdk-en/180524/design-support/design-tools/magnetic-design-tool/522928 (дата обращения: 21.05.15).

106. Технические характеристики ATMEL ATMEGA32: официальный сайт фирмы Atmel Corporation [Электронный ресурс]. -

Режим доступа: www.atmel.com/images/doc2503.pdf (дата обращения: 17.05.15).

107. Технические характеристики AVR ISP MK 2: официальный сайт фирмы Atmel Corporation [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.atmel.com/ru/ru/tools/AVRISPMKII.aspx (дата обращения: 20.05.15).

108. Сидоров С.А., Гайсин А.В. Система управления симметрирующим устройством // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015612477.

109. Лайнос Р. Цифровая обработка сигналов: пер. с англ. 2-е изд / Р. Лайнос. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с.

110. Технические характеристики изолированных усилителей: официальный сайт фирмы Avago Technologies [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www. avagotech. com/pages/en/optocouplers_hermetic/hermetic_optocoupler _military_optocoupler_high_reliability_optocoupler/ (дата обращения: 21.05.15).

111. Технические характеристики ACS712: официальный сайт фирмы Allegro MicroSystems [Электронный ресурс]. -Режим доступа: www.allegromicro.com/media/Files/Datasheets/ACS712-Datasheet.pdf (дата обращения: 17.05.15).

112. Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М. и др. Электрические измерения. Учебник для вузов / Л.И. Байда, Н.С. Добротворский, Е.М. Душин. - Л.: ООО «Энергия». 1980. - 392 c.

113. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. / Ю.Н. Стародубцев - М.: РадиоСофт, 2005.

114. Карасев В.В. Обобщенный аналитический метод оптимизации и оценки параметров реакторов / В.В. Карасев, Л.П. Кубарев, Л.В. Лейтес. -Электротехника. 1977. №4.

115. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В. А. Лабунцова // Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. - М.: Энергоатом-издат, 1988, - 320 с.

116. Иванов Г.Е. Расчёт геометрических размеров дросселя с сердечником из электротехнической стали / Г.Е. Иванов // Тиристорные источники питания электротехнологических установок промышленной частоты. Межвузовский научный сборник № 12, УАИ, 1983. С 74-83.

117. Сидоров С.А. Работа регулируемого симметрирующего устройства с индуктивным накопителем энергии при переменной нагрузке / С.А. Сидоров, Л.Э. Рогинская. // Материалы III Международного форума «Интеллектуальные энергосистемы». - Томск, ТПУ, 2015. - Т. 3, С.145-149.

118. Сидоров С.А. Трехфазное симметрирующее устройство и способ управления им / Л.Э. Рогинская, С.А. Сидоров, А.А. Караваев: Пат. РФ 2567747, МПК H02J3/26, Заявлено 22.05.2014; Опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31.

Приложение А. Анализ гармонического состава тока силовых вентилей

Рисунок 1 - Анализ гармонического состава тока ОТО-тиристора

Simal

Selected signal: 756 cycles. FFT window (¡n red): 2 cycles

Ü.01 D.Q2 От 0.04 D.Ü5 O.D6 Time [s]

Fundamental (12600Hz) = Q.1677, THD= 64.32%

6300

Frequency (Hz)

12600

Avdlablo sitiáis

Refresh

Nsnis: ScapeData?

li'P^: inputs SlgncJ number 1

Display: Signal

О FFT wntow

FFT setting

Start lime (в): О.ОЭ

M/nber of c/cles: 7

Funtlomcntjl frcqucncy (HzJ: 12ËÛQ

Мак fríqüíRay [Hi) IÏÏJOO

Мок frequency fer THD computation: Nyqiist frequency

Cii|)lûy;lylo:

-I

Bar (relative to fundamental)

Base valje: | .1]

Frequency atds Hj'rfz

Ciiplay

Qos;

Рисунок 2 - Анализ гармонического состава тока IGBT-транзистора с

встречно-параллельным диодом

0.08 с

Я та

о

Г6

ЕС

Г6

И

О

о

а к й й о

та

р

К р

а та

О)

к к

¡а

н

о «

р о К Й о

и Е

х и

О)

к н к й О)

Кс

ю

Рисунок 1 - Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) ЮВТ транзистора

100

0.08 с

0.08 с

Рисунок 2 - Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) встречно-параллельного диода ЮВТ транзистора

100

о

■100

-200

-300

-400

-500

-600

1 I, 1 /1 1 г 1 1 /р 1 1

0.01 0.02 0.03

0.04 а

0.05 0.06 0.07 0.08 с

т

0.01 0.02 0.03

0.04 б

0.05 0.06 0.07 0.08 с

Рисунок 3 - Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) последовательного ЮВТ транзистору диода

Приложение В. Анализ гармонического состава тока в дросселе с зазором

Signal

11.8 : 0.0205

FFT analysis

FFT window: 1 of 12 cycles of selected signal

Available signals

0.021 0.0215

0.G22 0.0225 Time (s)

0.023 0.0235

Fundamental (300Hz) = 0.2435 , THD= 161 .82%

5000 10000

Frequency (Hz)

15000

Refresh

Mame: SoopeDstaS

Input: ¡nput 2

Signal number: p

Display: Q signal

@ FFT window

FFT settings

Start time (s):

0.0205

Number of cycles: Fundainerrtal frequency (Hz): Мак frequency {Hz)c

300

15000

Мак frequency for THD compulation: | Nyquist fr equency Display style:

Sar (relative to fundamental)

Frequency axis: [Herte

Display

Close

Рисунок 1 - Анализ гармонического состава тока в дросселе с зазором

Приложение Г. Основной текст управляющей программы

int main( void ) {

//Инициализация портов ввода-вывода; io_init();

TIMSK |= (1<<1); //TOV0 TIFR |= (1<<1); //TOV0 TCNT0 = 0; TCCR0 = 2; OCR0 = 160;

//Настройка таймера TIMER0; LedTest();

//Процедурка теста индикаторов; asm("SEI");

//Разрешение глобальных прерывания; //Основной цикл программы;

while(1)

{

if (GetAdcValues) // ~12...15 us Timing {

//Очищается флаг, чтобы ждать следующего таймаута на 79мкс = 12,6кГц; GetAdcValues = 0;

//Тестовый светодиод для измерения времени нахождения в цикле; //Зажигаем тестовый светодиод; PORTD |= (1<<0); Ia[Index] = getADC(7);

//Вычисляется среднеквадратичное значение тока фазы А; if (Ib[Index]>=513) avgCurrentB += (float)pow(2.0, (double)(Ib[Index]-512));

else if (Ia[Index]<511) avgCurrentB += (float)pow(2.0, (double)(512 -Ib[Index]));

Ic[Index] = getADC(5);

//Вычисляется среднеквадратичное значение тока фазы С; if (Ic[Index]>=513) avgCurrentC += (float)pow(2.0, (double)(Ic[Index]-512)); else if (Ic[Index]<511) avgCurrentC += (float)pow(2.0, (double)(512 -Ic[Index]));

//Получаем токи обратной последовательности; //Уровень нуля на -512*3 = -1536;

//в течении 20мс (период функции sin при 50Гц) контроллер делает 252 замера, т.к. частота 12,6кГц;

//120 градусов при 360 замерах это тоже самое, что 84 градуса при 252 замерах;

//240 градусов при 360 замерах это тоже самое, что 168 градуса при 252 замерах;

if (Index>=168) //Если номер текущего замера 168, то возможны только операторы трехфазной системы -a, -aA2; {

Ia2=Ia[Index]+Ib [Index-168]+Ic [Index-84]; Ib2=Ia[Index-84]+Ib[Index]+Ic[Index-168]; Ic2=Ia[Index-168]+Ib[Index-84]+Ic[Index];

//Токи обратной последовательности записываются в архив для анализа; }

else if (Index>=84) //Если номер текущего замера 84, то возможны только

операторы - a, + a; {

Ia2=Ia[Index]+Ib[Index+84]+Ic[Index-84]; Ib2=Ia[Index-84]+Ib[Index]+Ic[Index+84]; Ic2=Ia[Index+84]+Ib[Index-84]+Ic[Index];

// Токи обратной последовательности записываются в архив для анализа;

}

else //Возможны только операторы +a, +aA2; {

Ia2=Ia[Index]+Ib[Index+84]+Ic[Index+168]; Ib2=Ia[Index+168]+Ib[Index]+Ic[Index+84]; Ic2=Ia[Index+84]+Ib[Index+168]+Ic[Index];

// Токи обратной последовательности записываются в архив для анализа; }

//Размыкаем все ключи;

KEY1_OFF;

KEY2_OFF;

KEY3_OFF;

KEY4_OFF;

KEY5_OFF;

KEY6_OFF;

//Управление ключами и проверка условий;

if ((Ia2>=HIZERO) && (Ib2>=HIZERO) && (Ic2<LOWZERO)) {

// Вариант №1 из таблицы 2.1. Замыкается ключ 6; KEY6_ON;

//Поочередно замыкаются ключи 1 и 2;

if (KeyChange) {

KeyChange = 0;

KEY1_ON; }

else {

KEY1_ON; KeyChange = 1;}

}

// Оставшиеся случаи аналогичны, в них меняются местами индексы соответствующие номерам транзисторов;

else if ((Ia2>=HIZERO) && (Ib2<LOWZERO) && (Ic2<LOWZERO)) {

//// Случай №2 из таблицы 2.1;

else if ((Ia2>=HIZERO) && (Ib2<LOWZERO) && (Ic2>=HIZERO)) // Случай №3 из таблицы 2.1;

else if ((Ia2<LOWZERO) && (Ib2<LOWZERO) && (Ic2>=HIZERO)) // Случай №4 из таблицы 2.1;

else if ((Ia2<LOWZERO) && (Ib2>=HIZERO) && (Ic2>=HIZERO)) // Случай №5 из таблицы 2.1;

else if ((Ia2<LOWZERO) && (Ib2>=HIZERO) && (Ic2<LOWZERO)) {

// Случай №6 из таблицы 2.1; }

//Инкремент шкалы "времени" на 79мкс, аналог wt в уравнении sim(wt);

if ((++Index) >= 253) {

//каждый период синусоиды (20мс) обнуляем индекс массива и обнуляем регистры действующих значений; {

indCurA = (unsigned int)sqrt(avgCштentA); indCurB = (unsigned int)sqrt(avgCшrrentB); indCшrC = (unsigned int)sqrt(avgCшrrentC); Index=0;

avgCштentA = 0; avgCurrentB = 0; avgCurrentC = 0;

шpdateIndex++; }

}. // конец программы

Приложение Д. Осциллограммы формы управляющих сигналов микроконтроллера

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045 с

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

ю

0.045 с

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

±

0.035

0.04

0.045 с

0.005

0.01

Л.

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045 с