диплом (1230997), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

форме i₁₁.

Результаты моделирования дифференцирующего звена регулятора приведены на рисунке 1.2.6.

Рисунок 1.2.6 - Диаграммы, поясняющие процедуру дифференцирования тока i_1.

Эффект от введения Д-составляющей регулятора определим путем сравнения формы сетевого тока электровоза i₁ на интервалах двух последующих коммутаций. На одной из них, показанной в виде фрагмента 1 на рисунке 1.2.6, в работе оставалась только ПИ-часть регулятора, во время следующей коммутации дополнительно подавался прямоугольный импульс напряжения u, показанный на рисунке. Сравнение кривых тока на этих интервалах показало, что введение Д-составляющей регулятора приводит к значительному улучшению формы кривой тока i₁, которая становится более сглаженной и не вызывает в этой связи появление высших гармоник тока в спектре входного тока электровоза. Таким образом, полученные результаты расчета свидетельствуют о целесообразности введения в контур управления гибридным фильтром дифференцирующей составляющей, которая способствует улучшению формы потребляемого тока и повышения за счет этого показателей качества потребляемой электровозом энергии.

Вывод:

В целом снижение реактивной мощности между источником тока и приемником, а следовательно и снижение реактивного тока в генераторах и сетях называется компенсацией реактивной мощности. Устройство для компенсации реактивной мощности может использоваться на электроподвижном составе переменного тока для повышения коэффициента мощности электровоза

Применение гибридного фильтра увеличивает коэффициент мощности электровоза в режиме тяги и в режиме рекуперации. При этом улучшается также форма кривой напряжения на токоприемнике электровоза и коэффициент искажения синусоидальности напряжения уменьшается.

1. ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПО КОНФИГУРАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

   1. Структурная схема системы управления устройства компенсации реактивной мощности.

В данной работе предложена система управления для устройства компенсации реактивной мощности (КРМ), на основе микроконтроллера, которое позволяет повысить коэффициент мощности к_м во всём диапазоне токовых нагрузок за счёт обеспечения равенства мощности компенсатора и реактивной мощности нагрузки Q_Н=Q_КРМ посредством плавного изменения реактивной мощности компенсатора Q_КРМ.

Основным узлом устройства, который управляет всеми процессами и осуществляет все необходимые вычисления в системе компенсации реактивной мощности, является микроконтроллер (МК). В настоящее время выпускается широкая номенклатура микроконтроллеров различного назначения, отличающихся друг от друга архитектурой, производительностью, разрядностью, способами организации внешней шины, наборами коммуникационных интерфейсов, способностью обрабатывать аналоговые сигналы и т.д. Далее перейдем непосредственно к разбору работы всей системы управления компенсатором на ЭПС.

Плавное изменение реактивной мощности КРМ Q_КРМ, возможно за счёт изменения величины напряжения на вторичной обмотке ВДТ u_ВДТ–2, которое рассчитывается по формуле:

.

При постоянных значениях E_d и k_ВДТ изменение u_ВДТ–2 осуществляется за счёт глубины модуляции µ.

Автономный инвертор напряжения, используемый в компенсаторе, служит для формирования на своём выходе заданной величины напряжения для компенсации реактивной мощности нагрузки (рисунок 2.1.1). Он представляет собой схему, ключевыми элементами которой являются полностью управляемые VS1-VS4 и неуправляемые VD1-VD4 вентили, соединённые встречно-параллельно. По своему схемному исполнению и способу подключения через трансформатор ВДТ к цепи LC-фильтра АИН является четырёхквадрантным (4qS) преобразователем. Источник переменного напряжения e_c в электрической цепи (см. рисунок 2.1.1) эквивалентен напряжению первичной обмотки трансформатора ВДТ. Соединённые последовательно согласующий дроссель L_С и e_c включены между анодами VD1, VD3 и катодами VD2, VD4. Дроссель L_С служит для ограничения скорости нарастания тока нагрузки i_c. Между анодами VD2, VD4 и катодами VD1, VD3 подключён источник постоянного напряжения E_d, а также конденсатор С, исполняющий роль фильтра высших гармоник тока i_и.

Рисунок 2.1.1-– Схема включения автономного инвертора напряжения.

Алгоритм переключения транзисторов VS1-VS4 АИН осуществляется по закону, обеспечивающего широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения по форме модулирующего напряжения U_м1, U_м2 (рисунок 2.1.2). Импульсы управления VS1-VS4 генерируются в моменты равенства напряжений u_м1, u_м2 и u_ГПН и соответствуют приведённым далее логическим функциям:

; ; ; .

Логическая 1 соответствует проводящему состоянию транзистора, а 0 – закрытому.

Рисунок 2.1.2 - Диаграммы напряжений, поясняющих работу автономного инвертора напряжения.

Во время работы АИН к цепи переменного тока прикладывается напряжение u_н с амплитудой ±E_d. Выходное переменное напряжение u_н определяется по формуле:

.

Также напряжение u_н можно определить как

,

где E_d – постоянное напряжение на входе АИН.

Глубина модуляции сигналов определяется как:

,

где U_м – амплитуда модулирующего напряжения;

U_ГПН – амплитуда несущего пилообразного напряжения.

Автономный инвертор напряжения при управлении методом ШИМ может работать в режимах выпрямления, инвертирования и тактирования, и их сочетании.

При работе АИН в режиме выпрямителя (рисунок 2.1.3) ток в цепи i_c протекает в один полупериод через обратные диоды VD1, VD4, а в другой через – VD2, VD3. В этой цепи потребителем электрической энергии является источник постоянного напряжения E_d, потому что направление тока i_d противоположно потенциалу E_d.

Рисунок 2.1.3 - Выпрямительный режим работы АИН.

Инверсия электрической энергии от источника E_d происходит путём включения двух диагональных транзисторов VS1, VS4 или VS2, VS3 (рисунок 2.1.4). В этом случае ток i_и, протекающий в преобразователе, совпадает с полярностью E_d, что указывает на режим генерирования энергии источником E_d.

Рисунок 2.1.4 - Инверторный режим работы АИН.

В режиме тактирования вход АИН закорочен открытым транзистором одного и обратным диодом второго плеча преобразователя. При полярности входного источника e_c, показанной на рисунке 2.1.5, ток i_c может протекать через транзистор VS3 и обратный диод VD1 или VS2, VD4. Во время тактирования в индуктивности L_C происходит запасание магнитной энергии, а выходная цепь с источником постоянного напряжения E_d отключёна от преобразователя.

Рисунок 2.1.5 - Режим тактирования АИН.

2.2 Математические модели узлов компенсатора реактивной мощности.

2.2.1 Автономный инвертор напряжения.

Схема автономного инвертора напряжения, выполненная в программе OrCAD Capture (OrCAD — пакет компьютерных программ, предназначенный для автоматизации проектирования электроники. Используется в основном для создания электронных версий печатных плат для производства печатных плат, а также для производства электронных схем и их моделирования), приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 - Схема АИН, выполненная в программе OrCAD Capture.

Элементы E1-E4, являются источниками напряжения управляемые напряжением (ИНУН) с коэффициентом усиления равным единице и служат для гальванической развязки силовых цепей с цепями управления. В качестве управляемых вентилей выбрана библиотечная модель IGBT-транзистора CM600HA-24H, ряд параметров которой изменён следующим образом: Max collector current – максимально допустимый ток коллектора (1200 А); Max C-G voltage – максимально допустимое напряжение сток-затвор (2400 В); Max C-E voltage – максимально допустимое напряжение сток-исток (2400 В). Неуправляемые вентили АИН выполнены на библиотечных диодах BYT30P-600, некоторые параметры которых изменены: Max forward current – максимальный прямой ток диода (100 А); Peak reverse voltage – максимально допустимое обратное напряжение (1200 В).

2.2.2 Устройство формирования импульсов управления.

Схема устройства формирования импульсов управления для работы АИН, выполненная в программе OrCAD Capture, приведена на рисунке 2.2.2.

Рисунок 2.2.2 - Схема устройства формирования импульсов управления,

выполненная в программе OrCAD Capture.

Устройство формирования импульсов управления состоит из двух аналогичных блоков широтно-импульсной модуляции ШИМ-1, ШИМ-2 (см. рисунок 2.2.2). В состав блока ШИМ-1 входят: операционный усилитель U1, включённый по схеме компаратора, два диода D1, D2 и ABS – элемент, вычисляющий абсолютное значение сигнала. На инвертирующие входы операционных усилителей блоков ШИМ-1 и ШИМ-2 поступает несущее напряжение, имеющее пилообразную форму U_ГПН (рисунок 2.2.3), а на неинвертирующие входы – синусоидальные противофазные модулирующие напряжения U_м1 и U_м2 (см. рисунок 2.2.3). Сигнал с выхода компаратора U1 поступает на анод диода D1 и катод диода D2. Эти диоды предназначены для разделения сигнала между смежными транзисторами АИН (VS1-VS2, VS3-VS4) в зависимости от полярности этого сигнала. На выходе элемента ABS формируется модуль входного сигнала. На рисунке 2.2.4 показаны диаграммы напряжений работы устройства формирования импульсов управления.

Рисунок 2.2.3 - Диаграммы модулирующих напряжений U_м1, U_м2 и пилообразного напряжения U_ГПН.

Рисунок 2.2.4 - Диаграммы импульсов управления IGBT-транзисторов VS1-VS4.

Из диаграмм (см. рисунок 2.2.4) видно, что импульсы управления смежными транзисторами (VS1-VS2, VS3-VS4) всегда находятся в противофазе, поэтому пробой IGBT-транзисторов при работе автономного инвертора напряжения исключён.

2.3 Модель компенсатора реактивной мощности с условным вольтодобавочным трансформатором.

При проектировании микроконтроллеров нужно соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество разновидностей микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. В отличие от обычных компьютерных микропроцессоров, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.

Кроме ОЗУ, микроконтроллер имеет встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Наиболее дешёвые типы памяти допускают лишь однократную запись. Эти устройства подходят для массового производства в том случае, когда программа контроллера не будет обновляться. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти.

Для упрощения математической модели и уяснения электромагнитных процессов, происходящих в компенсаторе, целесообразно в первом приближении вместо ВДТ использовать элемент ИНУН, выполняющий роль условного вольтодобавочного трансформатора УВДТ (рисунок 2.3.1).

Рассмотрим работу электровоза, оборудованного устройством компенсации реактивной мощности, при следующих значениях элементов LC-фильтра: C=3,3 мФ, L=421 мкГн. Значение ёмкости конденсатора C выбрано заведомо меньшим для того, чтобы оценить эффективность от использования этого устройства.

.

Характеристики

Список файлов ВКР