ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Анализ энергетических показателей многоуровневых полупроводниковых преобразователей систем электропривода Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Михеев Кирилл Евгеньевич, Томасов Валентин Сергеевич

Проведен анализ энергетических показателей энергоподсистем электроприводов переменного тока, построенных на базе многоуровневых преобразователей напряжения различной топологии. В пакете Matlab/Simulink с использованием библиотек Simulink и SimPowerSystems разработан специализированный блок вычислений «Measurements», позволяющий проводить анализ и сравнение энергетических показателей многоуровневых преобразователей .

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Михеев Кирилл Евгеньевич, Томасов Валентин Сергеевич

ANALYSIS OF ENERGY PERFORMANCE OF MULTILEVEL SEMICONDUCTOR CONVERTERS OF ELECTRIC DRIVE SYSTEMS

The energy performance of power subsystems of AC drives, built on the base of different topologies of multilevel voltage-fed converters was analyzed. A special calculation subsystem “ Measurements” was developed in the Matlab package using Simulink and SimPowerSystems libraries, which allows analyzing and comparing the energy performance of multilevel converters .

Текст научной работы на тему «Анализ энергетических показателей многоуровневых полупроводниковых преобразователей систем электропривода»

2. Борцов Ю.А., Соколовский Ю.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. — СПб: Энергоатомиздат, 1992. — 288 с.

3. Абдуллин А.А., Толмачев В.А. Система регулирования скорости двухмассового механизма с использованием наблюдателя // Изв. вузов. Приборостроение. — 2020. — Т. 54. — № 5. — С. 66-71.

Каждый электрик должен знать:  Типы цоколей люминесцентных, галогенных, светодиодных ламп

4. Толмачев В.А. Синтез следящего электропривода оси опорно-поворотного устройства // Изв. вузов. Приборостроение. — 2008. — Т. 51. — № 6. — С. 68-72.

Абдуллин Артур Александрович — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, аспирант, artur.abdullin@gmail.com

Толмачев Валерий Александрович — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, tolmachev@ets.ifmo.ru

АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МНОГОУРОВНЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА К.Е. Михеев, В.С. Томасов

Проведен анализ энергетических показателей энергоподсистем электроприводов переменного тока, построенных на базе многоуровневых преобразователей напряжения различной топологии. В пакете Matlab/Simulink с использованием библиотек Simulink и SimPowerSystems разработан специализированный блок вычислений «Measurements», позволяющий проводить анализ и сравнение энергетических показателей многоуровневых преобразователей. Ключевые слова: энергоподсистема, энергетические показатели, многоуровневые преобразователи, электропривод, синусоидальная широтно-импульсная модуляция, ШИМ, моделирование.

Диапазон регулирования угловой скорости в современных системах прецизионного электропривода может определяться значениями от нескольких угловых секунд в секунду до десятков градусов в секунду. Такой диапазон скорости требует соответствующего диапазона изменения входного напряжения, что зачастую не удается реализовать при построении энергоподсистем на основе традиционных мостовых схем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине в настоящее время практикуется применение многоуровневых преобразователей напряжения, позволяющих значительно расширить диапазон регулирования напряжения. Одним из важнейших преимуществ многоуровневых преобразователей, помимо большого диапазона напряжения, является их способность генерировать на выходе напряжение, более качественное по энергетическим показателям и, в частности, по гармоническому составу, чем у одноуровневых преобразователей. Методы определения, формулы расчета энергетических показателей качества электроэнергии хорошо известны и широко применяются при расчетах цепей синусоидального тока [1-3]. Оценка качества электроэнергии существенно усложняется при анализе многоуровневых преобразователей, так как на выходе последних имеется квази-синусоида сложной формы, разложение которой в ряд Фурье без помощи ЭВМ практически невозможно. Вычислительные мощности современных пакетов программ позволяют без особого труда смоделировать работу любых преобразователей и провести анализ их работы. Целью работы является анализ энергетических показателей энергоподсистем прецизионных электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости, построенных на базе многоуровневых преобразователей напряжения, с применением пакета Matlab/Simulink.

Каждый электрик должен знать:  Технические данные бытовой техники как определить

Обзор основных схем многоуровневых преобразователей

В настоящее время в основном распространены две основные топологии построения многоуровневых инверторов [3, 4].

Мостовая схема. Строится по принципу традиционной трехфазной мостовой схемы инвертора, но с той лишь разницей, что на каждое плечо моста приходится не два полностью управляемых ключевых элемента, а 4, 6 и т.д., с включенными параллельно им обратными диодами. Кроме того, для построения многоуровневых инверторов используются дополнительные элементы, такие как блокирующие диоды или конденсаторы с нефиксированным уровнем напряжения на них (возможны две разновидности топологии), необходимые для баланса нейтральной точки и корректной работы схемы. Общий вид одного плеча такой схемы для двух разновидностей топологии представлен на рис. 1. Принципиальные схемы, изображенные на рис. 1, а также обозначения элементов заимствованы из [5].

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— для мостовых схем при применении синусоидальной ШИМ оно равно удвоенной амплитуде первой гармоники;

— для схем на базе Н-мостовых ячеек напряжение на входе каждой ячейки равно амплитуде первой гармоники выходного напряжения, деленной на число последовательно включенных Н-мостов.

Параметры ключевых элементов были выбраны одинаковыми для всех схем.

Для определения энергетических показателей качества собрана подсистема «Measurements» на основе стандартных блоков библиотек Simulink и SimPowerSystems (рис. 3).

Определение энергетических показателей

Известно [1-3], что полная, или кажущаяся, мощность S определяется произведением действующих значений напряжения и тока на входе системы. Она всегда превышает фактически передаваемую в нагрузку активную мощность P из-за появления неактивных составляющих полной мощности обменного характера — мощности сдвига Q (реактивной), мощности искажения T, мощности несимметрии H — и определяется выражением

где U, I — действующие значения напряжения и тока. В свою очередь, ее можно выразить через составляющие следующим образом:

Каждый электрик должен знать:  Установка электрокамина своими руками + фото

S = y¡P2 + Q2 + T2 + H2 . (2)

Мощность несимметрии H в данном случае равняется нулю. Активная мощность P равна среднему значению мгновенной мощности за период питающего напряжения и определяет количество электромагнитной энергии, необратимо преобразующейся в другие формы энергии:

где u(t), i(t) — мгновенные значения напряжения и тока; T — период кривой напряжения (тока).

Полная и активная мощности связаны через коэффициент мощности: P_

Реактивная мощность, или мощность сдвига Q, обусловлена сдвигом по фазе основной гармоники тока относительно напряжения питающей сети и связана с активной мощностью через коэффициент сдвига

Для линейных систем с синусоидальным напряжением коэффициент мощности и коэффициент сдвига одинаковы и равны косинусу угла сдвига фазы ф между током и напряжением:

Кмощн = Ксдв = cos ф . (6)

Для определения активной и реактивной мощности на основе измерений тока и напряжения цепи в пакете Matlab используется блок Active & reactive Power библиотеки SimPowerSystems.

При появлении несинусоидальных составляющих тока необходимо учитывать мощность искажения T

Коэффициент искажения характеризует обмен энергией между источником и приемником, обусловленный высшими гармоническими составляющими тока:

Коэффициент гармоник, или интегральный показатель гармонического состава тока (Total Harmonic Distortion), характеризует соотношение между энергией, обусловленной высшими гармониками тока, и энергией обусловленной основной (первой) гармоникой:

гарм 1-2 2 All K

Коэффициент полезного действия энергоподсистемы определяется как отношение активной мощности, фактически передаваемой в нагрузку Рл, к потребляемой из сети активной мощности Р:

На рис. 3 представлена разработанная подсистема «Measurements», позволяющая на основе (1)-(10) определить активную (P), реактивную (Q), кажущуюся (S) фазные мощности; фазную мощность искажения (T), коэффициент искажения (K_isk), коэффициент мощности (K_m), коэффициент сдвига (K_sdv), коэффициент гармоник (K_garm), коэффициент гармоник тока (K_garm_I), коэффициент полезного действия инвертора n (KPD), а также среднее значение тока питания (I_in) посредством применения стандартных блоков библиотек Simulink и SimPowerSystems. В скобках приведены обозначения параметров, ис пользуемые в пакете Matlab при построении подсистемы и ее моделировании.

Добавить комментарий