диплом (1230997), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Рисунок 2.3.1 - Схема подключения АИН через УВДТ, выполненная в программе OrCAD Capture.
При такой конфигурации схемы автономный инвертор напряжения работает только в инверторном режиме, поскольку элемент ИНУН обладает односторонней проводимостью. Выпрямитель В выполнен на базе источника постоянного напряжения Ed, заряжающего конденсатор CE.
Расчётом установлено, что для полной компенсации реактивной мощности (уменьшения фазового угла φ до нуля) амплитудное значение первой гармоники напряжения UУВДТ на выходе УВДТ преобразователя должно составлять 440 В, соответственно, действующее значение равно 315 В. На рисунке 2.3.2 приведена форма этого напряжения, представляющая собой последовательность импульсов с амплитудой 600 В, смодулированных по синусоидальному закону.
Рисунок 2.3.2 - Диаграмма напряжения на выходе условного вольтодобавочного трансформатора: uУВДТ-2 – выходное напряжение УВДТ; uУВДТ-2(1) – первая гармоника выходного напряжения УВДТ.
По результатам моделирования работы электровоза, оборудованного предлагаемым устройством следует, что потребляемый электровозом ток i синфазен с питающим напряжением u (φ=0°), а форма i приближена к синусоидальной, ν =0,9953. Коэффициент мощности приближается к единичному значению, км =0,992, за счёт максимального увеличения cosφ=1 и ограничен только коэффициентом искажения синусоидальности потребляемого тока ν. В форме выпрямленного напряжения ud появились высокочастотные пульсации, связанные с работой АИН. Средняя величина, максимальная амплитуда и форма тока iн тягового двигателя соответствует току электровоза, оборудованного пассивным компенсатором.
Таким образом, вследствие отсутствия сдвига между потребляемым током i и питающим напряжением u (cosφ=1), а также практически синусоидальной форме сетевого тока i происходит значительное улучшение энергетической эффективности электровоза.
2.4 Работа предлагаемого компенсатора реактивной мощности с каналом слежения за напряжением на конденсаторе.
Рассмотрим работу электровоза, оборудованного предлагаемой системой управления устройством компенсации реактивной мощности с вольтодобавочным трансформатором ВДТ (рисунок 2.4.1).
Рисунок 2.4.1 - Схема подключения АИН через ВДТ, выполненная
в программе OrCAD Capture.
При таком схемном подключении предлагаемого устройства (см. рисунок 2.4.1), автономный инвертор напряжения работает в трёх режимах: выпрямления, тактирования и инвертирования, вследствие двухсторонней проводимости трансформатора ВДТ. На интервале работы АИН в режиме выпрямления через обратные диоды VD1-VD4 происходит заряд конденсатора CE, поэтому использование выпрямителя В является не целесообразным. Однако, моделирование работы АИН при различных режимах без В показало, что напряжение на конденсаторе СЕ нестабильно и имеет пульсирующую форму различной величины (рисунок 2.4.2).
Рисунок 2.4.2 - Диаграммы напряжений на конденсаторе CE при различной глубине модуляции μ: а – μ=0,2; б – μ=0,4; в – μ=0,6; г – μ=1.
Из анализа рисунка 2.4.2 следует, что форма и значение напряжения на конденсаторе CE зависят от глубины модуляции μ. Рассмотрим характер изменения напряжения на CE, при глубине модуляции μ=0,4 (рисунок 2.4.3).
Рисунок 2.4.3 - Диаграммы напряжений и токов, поясняющие характер
изменения напряжения на конденсаторе CE.
Очередность открытия вентилей VS1-VS4, VD1-VD4 в режимах выпрямления, инвертирования и тактирования приведена в таблице 2.4.1.
Таблица 2.4.1 - Алгоритм работы автономного инвертора напряжения.
| Интервалы работы | Режим работы АИН | Токопровод. Транзисторы. | Токопровод. Обратные диоды. | Напряжение на Ed |
| t0 – t1 | Тактирование | VS4 | VD2 | |
| t1 – t2 | Инвертирование | VS1, VS4 | – | |
| t2 – t3 | Тактирование | VS1 | VD3 | |
| t3 – t4 | Инвертирование | VS1, VS4 | – | |
| t4 – t5 | Тактирование | VS4 | VD2 | |
| t5 – t6 | Инвертирование | VS1, VS4 | – | |
| t6 – t7 | Выпрямление | – | VD2, VD3 | |
| t7 – t8 | Тактирование | VS1 | VD3 | |
| t8 – t9 | Выпрямление | VS1, VS4 | VD2, VD3 | |
| t9 – t10 | Тактирование | VS4 | VD2 | |
| t10 – t11 | Выпрямление | – | VD1, VD4 | |
| t11 – t12 | Тактирование | VS3 | VD1 | |
| t12 – t13 | Выпрямление | – | VD1, VD4 | |
| t13 – t14 | Тактирование | VS2 | VD4 | |
| t14 – t15 | Выпрямление | – | VD1, VD4 | |
| t15 – t16 | Тактирование | VS3 | VD1 | |
| t16 – t17 | Выпрямление | – | VD1, VD4 | |
| t17 – t18 | Тактирование | VS2 | VD4 | |
| t18 – t19 | Выпрямление | – | VD1, VD4 | |
| t19 – t20 | Тактирование | VS3 | VD1 |
Из таблицы 2.4.1 видно, что на интервале времени от t0 до t6 АИН работает в двух режимах: тактирования и инвертирования, а на отрезке t7 – t20: тактирования и выпрямления. Особого внимания заслуживает интервал t8 – t9, поскольку на нём одновременно в проводящем состоянии находятся транзисторы VS1, VS4 и диоды VD2, VD3. Рассмотрим более детально процессы, протекающие на интервале t8 – t9. В момент времени t8 на транзистор VS4 подаётся импульс управления и АИН переходит в инверторный режим работы, конденсатор CE начинает разряжаться через транзисторы VS1, VS4 и ВДТ в цепь LC-фильтра. Когда напряжение Ed достигает нуля, диоды VD2, VD3 переходят в проводящее состояние и АИН начинает работать как выпрямитель. При этом заряда конденсатора CE не происходит, поскольку через транзисторы VS1, VS4, находящиеся в проводящем состоянии, протекает ток утечки в цепь LC-фильтра. После снятия импульса управления с VS1 (время t9) АИН переходит в режим тактирования, замыкающийся через транзистор VS4 и диод VD2. На последующих интервалах работы (t10 – t20) АИН происходит заряд конденсатора СЕ. После t20 процессы в схеме повторяются.
Для надёжной работы предлагаемого компенсатора реактивной мощности необходимо на конденсаторе CE поддерживать заданное стабильное значение напряжения Ed. Определим величину требуемого напряжения Ed, которое позволит обеспечить компенсацию реактивной мощности во всем диапазоне токовых нагрузок. Рассчитаем реактивную мощность потребляемую электровозом при условии, что напряжение питающей сети U увеличилось до 27 кВ, потребляемый электровозом ток I равен 250 А, а фазовый сдвиг достигает значения φ=45°:
QН =27000·250·0,707≈4,8 МВАр.
Полученное значение реактивной мощности приходиться на оба ВИП электровоза ЭП1, поэтому рассчитанную величину QН необходимо разделить на два:
QН /2=4,8/2=2,4 МВАр.
Реактивная мощность, производимая компенсатором, подключённого к одному ВИП электровоза, равна:
QКРМ =QН /2=(UL+UC)2 / ZLC,
где ZLC – общее сопротивление LC-фильтра,
|ZLC| =|XL –C|=2·π·50·421·10-6 –– 1/(2·π·50·3,3·10-3)=0,8323 Ом.
Определим требуемое значение UВДТ-2 :
.
На основании выполненных расчётов напряжение UВДТ-2 принимаем с запасом – 600 В, поскольку при работе электровоза величина фазового сдвига φ может увеличиваться до 80°, что приведёт к увеличению QН, для компенсации которой потребуется большее напряжение на выходе ВДТ UВДТ-2.
Таким образом, при максимальной глубине модуляции (μ=1)(при kВДТ =1) значение напряжения UВДТ-2 = Ed =600 В, в результате чего обеспечивается полная компенсация реактивной мощности во всём диапазоне токовых нагрузок.
В работах представлены различные системы, позволяющие поддерживать на накопительном конденсаторе заданную величину напряжения. Для рассматриваемого устройства компенсации реактивной мощности предлагается применить систему управления с каналом стабилизации напряжения (КСН) на накопительном конденсаторе CE, приведённую на рисунке 2.4.4.
Рисунок 2.4.4 - Система управления компенсатором с КСН, позволяющая
стабилизировать напряжение на накопительном конденсаторе CE.
Система с КСН отслеживает величину напряжения на накопительном конденсаторе CE и не допускает его отклонений от заданной величины. Канал стабилизации напряжения состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ), элемента сравнения (ЭС1) и пропорционально-интегрирующего регулятора (ПИ). Слеже-
ние за напряжением Ed осуществляется следующим образом. При уменьшении
напряжения Ed меньше величины заданного напряжения UЗ на выходе элемента сравнения ЭС1 формируется отрицательный сигнал UТ, поступающий в пропорционально-интегрирующий регулятор ПИ, на выходе которого, в свою очередь, уменьшается напряжение UКСН. Сигнал с ПИ-регулятора поступает на элемент суммирования СУМ, в котором складывается с напряжением UБУ. На выходе элемента СУМ формируется сигнал модулирующего напряжения Uм, уменьшенный на величину UКСН. Вследствие снижения амплитуды модулирующего напряжения Uм, поступающего в УФИУ, время заряда накопительного конденсатора CE увеличиваться.
Эффективность использования канала стабилизации напряжения на накопительном конденсаторе CE приведена на рисунке 2.4.5. Как видно из рисунка, при включении КСН в цепь слежения за напряжением Ed (0,5 сек), через 150 миллисекунд напряжение на CE становится практически постоянным и достигает заданного значения в 600 В. Увеличение ёмкости накопительного конденсатора CE, позволит уменьшить пульсации выпрямленного напряжения Ed.
Рисунок 2.4.5 - Переходной процесс напряжения на конденсаторе CE при включении КСН.
Таким образом, применение КСН позволяет поддерживать на накопительном конденсаторе СЕ заданную величину напряжения (Ed =600 В), которое способно сгенерировать требуемое значение тока компенсатора, позволяющее скомпенсировать реактивную составляющую тока нагрузки во всём диапазоне. Также при использовании канала стабилизации напряжения КСН не требуется выпрямительный преобразователь В, что позволяет снизить массогабаритные показатели предлагаемого устройства и дополнительные затраты, связанные с его изготовлением и установкой.
Произведём моделирование работы предлагаемого устройства при включённом в цепь накопительного конденсатора СЕ канала КСН. Установлено, что для достижения полной компенсации реактивной мощности (уменьшения фазового угла φ до нуля) амплитудное значение первой гармоники напряжения UВДТ-2 на выходе ВДТ должно составлять 440 В (рисунок 2.4.6), при этом глубина модуляции будет равняется – μ=0,73 (при kВДТ =1).
Рисунок 2.4.6 - Диаграмма напряжения на выходе вольтодобавочного трансформатора: uВДТ-2 – выходное напряжение ВДТ; uВДТ-2(1) – первая гармоника выходного напряжения ВДТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
