Создание информационно-методического обеспечения для системного проектирования статических преобразователей частоты в составе машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Пью Мьинт Тхейн

• Пью Мьинт Тхейн
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пью Мьинт Тхейн

Перечень аббревиатур.

Введение.

Глава 1. Машинно-электронные генерирующие системы автономных объектов.

1.1. Типы систем ПСПЧ.

1.2. Типы машинно-электронных генерирующих систем - МЭГС.

1.2.1. МЭГС 1-го вида (МЭГС-1).

1.2.2. МЭГС 2-го вида (МЭГС-2).

1.3. Система ПСПЧ на базе САГ (МЭГС-3).

1.4. Цель настоящей работы.

Глава 2. Анализ выпрямительных устройств с многоканальным преобразованием.

2.1. О необходимости использования выпрямительных устройств в разрабатываемой машинно-электронной системе МЭГС-2.

2.2. Трехфазное трансформаторно-выпрямительное устройство с двухканальным преобразующим трактом (ТВУ-12).

2.2.1. О схеме ТВУ-12.

2.2.2. Результаты ИКМ.

2.2.2.1. Выбор индуктивностей обмоток трансформатора, используемых при ИКМ.

2.2.2.2. Определение габаритной мощности трансформатора

2.2.2.3. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса.

2.2.2.4. Определение потерь в выпрямительном звене. 34 Выводы по п.2.2.

2.3. Новая структурная модификация ТВУ-12 - двухтрансформаторный вариант 12-пульсного выпрямителя (2ТВУ-12).

2.3.1. О схеме 2ТВУ-12.

2.3.2. Результаты ИКМ.

2.3.2.1. Выбор индуктивностей обмоток трансформатора.

2.3.2.2. Определение габаритной мощности трансформаторов

2.3.2.3. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса.

2.3.2.4. Определение потерь в выпрямительном звене. 39 Выводы по п.2.3.

2.4 Синтез и анализ автотрансформаторно-выпрямительных устройств с пульсностью выпрямленного напряжения Ш1Э=18 (АТВУ-18).

2.4.1. АТВУ-18УС без трансфильтров.

2.4.1.1. Определение габаритной мощности А ТУ на основе результатов ИКМ.

2.4.1.2. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса.

2.4.1.3. Определение потерь в выпрямительном звене

2.4.2. Исследование новой модификации АТВУ-18УС с трансфильтрами - АТВУ-18УС+2хЗТФ.

2.4.2.1. Определение габаритной мощности автотрансформатора.

2.4.2.2. Проверка результатов ИКМ на основе энергетического баланса.

2.4.2.3. Определение потерь в выпрямительном звене . 53 Выводы по п.2.4.1 и п.2.4.

2.4.3. Исследование улучшенной модификации АТВУ-18УС с трансфильтрами - АТВУ-18УНСТ+2хЗТФ.

2.4.3.1. Определение габаритной мощности автотрансформатора.

2.4.3.2. Проверка результатов ИКМ по критерию энергетического баланса.

2.4.3.3. Определение потерь в выпрямительном звене . 60 Выводы по п.2.4.2 и п.2.4.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Синтез и анализ многоканальных преобразователей постоянного напряжения в переменное - инверторов напряжения

3.1. Трехфазный двухканальный инвертор напряжения с суммированием выходных напряжений - 2ТУ-ФК-ТИН.

3.1.1. Результаты ИКМ.

3.1.1.1. О выборе индуктивностей обмоток трансформатора, используемых при ИКМ.

3.1.1.2. Определение габаритной мощности трансформаторов.

3.1.1.3. Масса фильтра.

3.1.2. ТИН с двухканальным преобразующим трактом с трансформаторным выходом и формированием выходного напряжения по алгоритму ДТТТИМ.

Выводы по п.3.

3.2. Исследование математических моделей сигналов с многофазной широтно-импульсной модуляцией (МТУТИМ).

3.2.1. Исследование модельного описания сигналов с многофазной (многоканальной) однополярной ШИМ (МО-ШИМ).

3.2.1.1. Проверка модельного описания на адекватность.

3.2.1.2. Результаты исследования сигналов с МОШИМ на основе их моделирования в среде OrCAD

16.5 {Schematics).

Выводы по п.3.2.1.

3.2.2. Исследование модельного описания сигналов с двухполярной ШИМ (ДШИМ).

Выводы по п.3.2.2.

3.3 Способ ИКМ сигналов с ШИМ (и с МШИМ) на сигнальном уровне.

3.3.1. Детальный алгоритм исследования сигналов с МДШИМ.

3.3.2. Детальный алгоритм исследования сигналов с МОШИМ

Выводы по п.3.3.

3.4. ТИН с ДШИМ с суммированием токов каналов с помощью трансфильтра.

3.4.1. Алгоритм управления ключевыми элементами ТИН.

3.4.2. Об энергоэффективности одного алгоритма управления трехфазными инверторами напряжения с ШИМ.

Выводы по п.3.4.2.

3.4.3. Поведение ¿С фильтра в динамике.

3.4.4. Результаты исследования ТИН с увеличенной канально-стью.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Системно-ориентированные проектные модели Г-образного ЬС фильтра.

4.1. К постановке задачи.

4.2. Режим холостого хода (XX) Г-образного ЬС фильтра.

4.2.1. Коэффициент передачи фильтра.

4.2.2. Коэффициент гармоник выходного напряжения после его фильтрации.

4.3. Расчет Г-образного ЬС фильтра в номинальном режиме работы преобразователя.

4.3.1. Коэффициент передачи фильтра.

4.3.2. Коэффициент гармоник выходного напряжения после его фильтрации.

4.3.3. Коэффициент жесткости внешней характеристики фильтра.

4.3.4. Коэффициент токовой подгрузки преобразователя.

4.3.5. Выбор рационального соотношения между параметрами ¿иСфильтра.

4.4. Методика упрощенного расчета Г-образного LC фильтра.

4.4.1. Алгоритм расчета произведения LC.

4.4.2. Определение значений сомножителей L и С при найденном произведении LC в режиме номинальной нагрузки.

4.5. Методика автоматизированного упрощенного расчета Г-образного LC фильтра.

4.6. Исследование прохождения через Г-образный LC фильтр сигналов с формой «пьедестал».

4.7. Исследование прохождения через Г-образный LC фильтр сигналов с двухполярной ШИМ - ДТТТИМ.

4.8. Исследование прохождения через Г-образный LC фильтр сигналов с однополярной ШИМ - ОШИМ.

4.9. Рекомендации по рациональным алгоритмом формирования выходного напряжения и по выбору значений параметров фильтров.

4.10. Определение массы дросселя индуктивности и конденсатора фильтра.

4.10.1. Определение массы дросселей индуктивности фильтра.

4.10.2. Определение массы конденсатора фильтра.

4.11. Фильтрация выпрямленного напряжения с пульсациями.

4.11.1. Методика упрощенного расчета Г-образного сглаживающего LС фильтра.

4.11.2. Пример фильтрации выпрямленного напряжения с т\3=6.

4.11.3. Апробация методики расчета сглаживающего Г-образ-ного LC фильтра.

Выводы по п.4.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Исследование одного варианта системы ПСПЧ авиационного применения.

5.1. Структурная схема генераторной установки типа ПСПЧ.

5.2. Информация к структурно-алгоритмическому синтезу ПСПЧ

5.2.1. Исходные данные для ИКМ (условное ТЗ).

5.2.2. О соотношении между напряжениями на входе и на выходе системы ПСПЧ.

5.2.3. Параметрические соотношения между выходом и входом ТИН.

5.2.4. Краткая проектная информация по CAO АТВУ-18.

5.2.5. Проектная информация для CAO ТИН.

5.3. Результаты системного исследования структуры ПСПЧ.

5.3.1. Определение габаритной мощности АТВУ-18.

5.3.2. Влияние частоты генератора.

5.3.3. Влияние значения индуктивности сглаживающего фильтра.

5.3.4. Влияние значения емкости сглаживающего фильтра.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание информационно-методического обеспечения для системного проектирования статических преобразователей частоты в составе машинно-электронных генерирующих систем для малой энергетики и автономных объектов»

Технический прогресс характеризуется периодической сменой поколений техники. Данное развитие при этом определяется тем, что системы, устройства и составляющие их компоненты постоянно совершенствуются, а их жизненный цикл неуклонно сокращается. Этот процесс сегодня особенно заметен, в частности, в сферах радиосвязи и телекоммуникаций, а также в областях информационной и силовой электроники.

Наряду с этим совершенствуются методы проектирования и используемые для этого средства. Среди последних особенно следует выделить используемые сегодня современные компьютерные возможности, которые позволяют эффективно (оперативно и с высокой точностью) решать проектные задачи на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) рабочих процессов в проектируемых объектах.

По мере возрастания сложности разрабатываемой системы возрастают и сложности ее проектирования. Даже в самом благоприятном случае, когда известны модельное описание, свойства и характеристики составляющих систему узлов (звеньев), нельзя гарантировать получение наилучшего результата ее проектирования (по заданной совокупности показателей качества) без системного к нему подхода. Системность проектирования предполагает учет взаимного влияния свойств и характеристик звеньев системы друг на друга с целью получения наилучших ее показателей качества.

Настоящая работа посвящена исследованию возможностей совершенствования узлов машинно-электронных генерирующих систем (МЭГС) автономных объектов (АО) малой мощности (до сотен кВА) в направлении энер-го-ресурсосбережения и улучшения электромагнитной совместимости ее узлов, а также решению проблем задач по созданию информационно-методического обеспечения для системного их проектирования по заданной совокупности показателей качества. Работ, посвященных решению этой комплексной проблемы в такой постановке, обнаружить не удалось.

Диссертация содержит 5 глав, заключение, перечень литературы и приложения.

В первой главе рассматриваются основные типы наиболее часто применяемых на автономных объектах (АО) МЭГС, отмечаются их недостатки и возможные направления их совершенствования, а также формулируются задачи, подлежащие исследованию и решению. В качестве МЭГС рассматриваются системы трех типов:

- система «вентильный генератор - ВГ» в виде последовательно включенных синхронного генератора (СГ) и выпрямительного (или трансформа-торо-выпрямительного) узла с пульсностью выпрямленного напряжения

И1э=12; 18;

- система «ПСГТЧ» («переменная скорость - постоянная частота») в виде последовательно включенных ВГ и трехфазного инвертора напряжения (ТИН) многоканального типа (с выходным фильтром);

- система стабилизации частоты на базе синхронизированного асинхронного генератора (САГ) в виде асинхронной машины с фазным ротором (АМФР) и преобразователя частоты со звеном постоянного тока в цепи возбуждения АМФР.

Вторая глава посвящена исследованию современных решений транс-форматорно-выпрямительных (ТВУ) и автотрансформаторно-выпрямитель-ных устройств (АТВУ) с пульсностью выпрямленного напряжения /И|Э , ориентированных на применение их на подвижных объектах. Для сопоставительной оценки вариантов решений и для создания информационно-методического базиса для системного проектирования на основе ИКМ определена:

- габаритная мощность электромагнитных узлов (трансформаторов, автотрансформаторов и трансфильтров);

- показатели качества потребляемых этими устройствами токов;

- установленная мощность диодов выпрямительных устройств.

В третьей главе рассмотрены вопросы структурно-алгоритмического синтеза и анализа альтернативных вариантов преобразователей постоянного напряжения в переменное - инверторов с многоканальным преобразующим трактом, с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения по синусоидальному закону и с выходным Г-образным ЬС фильтром. На основе ИКМ получена информация, необходимая для системного проектирования. Систематизированы и дан сопоставительный анализ способов моделирования и анализа показателей качества спектров напряжений с многофазной ШИМ. Рассмотрена физика процессов трансфильтра.

Четвертая глава посвящена дальнейшему уточнению методики проектирования Г-образного ЬС фильтра и доведению ее до уровня, необходимого при инженерном проектировании. За основу взяты последние работы в этом направлении. Для проверки на адекватность разработанной методики выполнена серия численных экспериментов по фильтрации наиболее известных (и наиболее эффективных) низкочастотных и высокочастотных спектров напряжений, которые показали высокую ее точность. Особенностью методики является двухэтапный алгоритм расчета фильтра: на 1-м этапе определяется требуемое произведение его параметров - ЬС, а на 2-м - рациональное значение его волнового сопротивления. Для удобства пользования разработана программа автоматизированного расчета (ПАР) фильтра.

В пятой главе приведены результаты ИКМ варианта системы ПСПЧ, приближенной к требованиям применения ее в авиационной электротехнике. Целью данной главы является:

- исследование системных вопросов обеспечения работоспособности ТИН на несимметричную нагрузку (с учетом реализации функции стабилизации его выходного напряжения);

- исследование чувствительности характеристик АТВУ: 1) к несимметричной нагрузке ТИН; 2) к изменению частоты генератора; 3) к параметрам сглаживающего фильтров;

- исследование чувствительности характеристик ТИН к изменению частоты генератора;

- исследование влияния параметров сглаживающего фильтра (на выходе АТВУ) на качество входного и выходного токов системы ПСПЧ;

- исследование влияния гальванической развязки генератора от потребителя.

В заключении кратко сформированы основные результаты выполнения работы.

Диссертационная работа содержит также дополнительные иллюстративные и доказательные материалы, представленные в Приложениях к соответствующим главам.

Перечень используемых источников информации (Литература) содержит 68 наименований, включая 7 публикаций с непосредственным авторским участим соискателя.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Пью Мьинт Тхейн

Выводы по П5-1

При использовании нулевой точки генератора он чувствителен к несимметрии нагрузки. Наиболее рациональным вариантом решения использования нулевой точки генератора является 2-ой вариант (см. рис. П5.8.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объектом исследования данной работы является машинно-электронная генерирующая система - МЭГС автономных объектов - АО с переменной частотой вращения приводного вала, в авиационной электротехнике известная как система «Переменная скорость - постоянная частота (ПСПЧ)». Областью ее применения является также малая энергетика и различного вида подвижные объекты мощностью, по крайней мере, до сотен киловольт-ампер. Укрупнено система включает в себя два силовых звена - электромеханический преобразователь в генераторном режиме - ЭГ (например, электрическую машину синхронного типа) и статический преобразователь частоты -СПЧ, который может выполняться в различных вариантах.

1. На основе обзора вариантов решения поставленной задачи, показано, что систематизированное в должном объеме ее решение с учетом последних достижений в настоящее время отсутствует. Далеко не последней причиной, препятствующей широкому практическому освоению систем ПСЕГО данного типа, является отсутствие информационно-методического обеспечения для их системного проектирования. Задача диссертационной работы заключается в восполнении этого пробела применительно к одному из относительно простых ее альтернативных вариантов. Работа носит инициативный, поисковый характер, а примененные в ней конкретные решения, хотя и имеют однозначную практическую направленность и ценность, однако основной их целью является создание целостного объекта исследования и проблемно-ориентированного подхода на этой основе для разработки методики системного его проектирования.

2. В обоснование выбранного варианта системы ПСПЧ положена необходимость выполнения следующих условий, требований и ограничений, определяющих следующий вариант ее применения в авиационной электротехнике:

- при синтезе системы должны использоваться решения, удовлетворяющие современным тенденциям энерго-и ресурсосбережения;

- в качестве ЭГ должна использоваться серийно выпускаемая синхронная машина с регулируемым возбуждением (с выходным напряжением 115/200 В), частота вращения вала которой может изменяться в широком диапазоне (например, 3000+5000 об/мин);

- структура статического преобразователя частоты - СПЧ, используемая для стабилизации частоты, должна обеспечить выполнение требований к параметрам выходного напряжения при несимметричной нагрузке, оговоренных стандартами [1-1, 1-4] в авиационной электротехнике.

При разработке технического предложения, удовлетворяющего данным требованиям и условиям, решен следующий комплекс задач.

3. При использовании в системе ПСПЧ структуры преобразователя частоты со звеном постоянного тока -1141 IT, в виде двух силовых звеньев - выпрямительного и инверторного, в качестве последнего используется наиболее простая мостовая схема трехфазного инвертора напряжения (ТИН). Показано, что в этом случае для получения выходного трехфазного напряжения системы с заданными параметрами напряжения (115/200 В) стабильной частоты (400 Гц) при таких же значениях параметров напряжения ЭГ, требуется установка устройства для повышения напряжения на 35%.

4. Для повышения напряжения генератора до требуемого уровня и с целью одновременного улучшения электромагнитной совместимости 11411Т с ЭГ предложено использовать автотрансформаторно-выпрямительное устройство - АТВУ-18 с пульсностью выпрямленного напряжения mi3=18.

5. Для возможности сопоставительной оценки различных вариантов реализации АТВУ-18 и выбора наилучшего его решения по установленной мощности на основе имитационного компьютерного моделирования (ИКМ) проведено исследование вариантов и найдено наиболее рациональное решение с габаритной мощностью автотрансформатора (А ТУ), равной менее 30% от активной мощности нагрузки системы ПСПЧ. На примере совместной работы ЭГ и трансформаторно-выпрямительного устройства ТВУ-12 проиллюстрирована (с помощью ИКМ) возможность и необходимость учета при системном проектировании индуктивностей рассеяния обмоток генерирующей сети (и трансформаторных узлов).

6. На основе исследования чувствительности показателей качества выходного напряжения ТИН к несимметрии трехфазной нагрузки предложено решение, обеспечивающее устранение этого недостатка и заключающееся во введении для однофазной нагрузки конденсаторного делителя напряжения по цепи питания ТИН и индивидуального фильтра.

7. На основе ИКМ показано, что коэффициент использования источника питания можно увеличить на 20%, а динамические потери в ключах ТИН с ШИМ на столько же уменьшить, если синусоидальный закон модуляции трансформировать в трапецеидальный закон с наклоном боковой стороны трапеции /?=лг/5. Данный выигрыш, однако, покупается некоторым увеличением искажений выходного напряжения, что при необходимости может быть восстановлено незначительным увеличением параметров ЬС фильтра.

8. Разработана уточненная системно-ориентированная методика проектирования Г-образного ЬС фильтра переменного тока, учитывающая два показателя качества - жесткость внешней характеристики и токовую подгрузку ключей ТИН, и основанная на выборе рационального значения его волновой проводимости. Показана работоспособность методики во всем диапазоне изменения тока нагрузки и при различных спектрах фильтруемого напряжения (в том числе при использовании ее для проектирования сглаживающих фильтров). Ее адекватность (на уровне 2%) подтверждена путем ИКМ. Для упрощения пользования разработана и апробирована методика автоматизированного расчета параметров фильтра.

9. Решен ряд вопросов по структурно-алгоритмическому синтезу ТИН с многоканальным преобразованием (МКП), а именно:

- для 2-х канальной структуры ТИН в 2-х трансформаторном исполнении (2-ТИН-2 ТУ) предложен алгоритм управления с двухполярной ШИМ (/ЦТТИМ) в каналах, обеспечивающий снижение массы выходного ЬС фильтра в 4 раза по сравнению с традиционным вариантом;

- на основе ИКМ подтверждена адекватность известных модельных описаний спектров напряжения однофазных и трехфазных инверторов: а) с од-нополярной ШИМ (ОШИМ) - в вариантах с МКП; б) с двухполярной ШИМ (ДТТТИМ) - в одноканальном варианте;

- для инверторов с МКП и с ДШИМ выходного напряжения (из-за отсутствия модельного его описания) для исследования спектров использован способ ИКМ на «сигнальном уровне», основанный на формировании исследуемых сигналов с помощью логических функций;

- изложена физическая сущность работы трансфильтров, используемых в инверторах с МКП для суммирования токов каналов, что позволило сформулировать рекомендации по их проектированию.

10. На основе полученных результатов исследования имитационных компьютерных моделей (ИК-моделей) всех силовых звеньев структуры ПЧПТ синтезирована ИК-модель системы ПСПЧ (с определенными допущениями), и на ее основе проведен объем исследований по определению их взаимодействия, необходимый для системного проектирования. В частности, на основе серии численных экспериментов:

- показано выполнение системой ПСПЧ возложенных на нее (в соответствии с ТЗ) функциональных задач при несимметричной 3-х фазной нагрузке в диапазоне изменения частоты генератора от 300 Гц до 500 Гц;

- получены рекомендации по выбору параметров сглаживающего ЬС фильтра на выходе АТВУ-18;

- выявлены (в количественном выражении) возможности уменьшения установленной мощности 3-х фазного выходного Г-образного ЬС фильтра за счет повышения (тактовой) частоты переключения ключей ТИН;

- установлена возможность «зануления» генератора, средней точки конденсаторного делителя напряжения и нулевых точек однофазной и трехфазной нагрузок.

11. Таким образом, в работе решен комплекс взаимосвязанных между собой задач по структурно-алгоритмическому и параметрическому синтезу конкретного варианта МЭГС типа ПСПЧ, создающий информационно-методическое обеспечение для ее системного проектирования. При этом представленный в работе расширенный (на первый взгляд) объем информации, создавая необходимый «фон» для выбора вариантов решений, по сути, не выходит за рамки решения этой конкретной задачи, поскольку, увеличивая вариантность возможных решений, придает проекту большую обоснованность выборного варианта.

Полученный объем информации может быть полезно использован и при проектировании подобного рода систем с иными постановками задач.