2014_zinov6

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Часть 6

РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С УЛУЧШЕННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТЬЮ-2

Учебно-методическое пособие

к практическим занятиям для магистрантов V курса РЭФ Направление «Электроника и наноэлектроника», программа подготовки «Промышленная электроника и микропроцессорная техника» дневного отделения

НОВОСИБИРСК

2014

1

УДК 621.314.222.6(075.8) Э 455

Коллектив авторов:

Зиновьев Г.С., Зотов Л.Г., Сидоров А.В., Роньшин А.В. , Сковота В.А.

Рецезенты:

проф. Симаков Г.М., проф. Разинкин В.П.

Работа выполнена на кафедре электроники и электротехники

Э 455 Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 6. Регуляторы переменного напряжения с улучшенной электромагнитной совместимостью-2 : учеб.-метод. пособие / Г.С. Зиновьев, Л.Г. Зотов, А.В. Сидоров, А.В. Роньшин, В.А. Сковота. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014. – 56 с.

ISBN 978-5-7782-2594-7

Данное руководство является продолжением (шестой частью) запланированной серии методических руководств для практических занятий по курсу «Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники», предназначенных для магистрантов специальности «промышленная электроника». Во-первых, оно является учебным пособием, продолжая пособие пятой части, по одному важному и распространенному классу вентильных преобразователей, а именно новым регуляторам переменного напряжения. Во-вторых, данное руководство используется и как методическое пособие для практических занятий по курсу ЭМС устройств силовой электроники.

	УДК 621.314.222.6(075.8)
ISBN 978-5-7782-2594-7	Коллектив авторов, 2014
	Новосибирский государственный
	технический университет 2014

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................	5
Базовые источники ..................................................................................................	8
1. Разработка маловентильных РПН с коммутацией нулевых точек
источника или нагрузки......................................................................................	9
1.1. Введение и постановка задачи...................................................................	9
1.2. Схемотехника и аналитические модели..................................................	10
1.3. Моделирование и анализ результатов.....................................................	15
1.4. Заключение................................................................................................	18
Библиографический список.............................................................................	18
2. Разработка РПН с коммутируемыми конденсаторами...................................	20
2.1. Повышающе-понижающий регулятор с звездой коммутируемых
конденсаторов............................................................................................	20
2.2. Повышающий регулятор с коммутацией накопительных кон-
денсаторов с параллельного включения на последовательное.............	22
2.2.1. Регулятор однофазного напряжения............................................	22
Задание......................................................................................................	28
2.2.2. Регулятор трехфазного напряжения.............................................	28
3. РПН с промежуточным звеном повышенной частоты и полной
электромагнитной совместимостью с питающей сетью................................	30
3.1. Введение и постановка задачи.................................................................	30
3.2. Регулятор переменного напряжения с высокочастотной вольто-
добавкой.....................................................................................................	31
3.3. Заключение................................................................................................	37
4. Регуляторы переменного напряжения на базе матричных конверто-
ров с коэффициентом преобразования по напряжению больше
единицы..............................................................................................................	38
3

4.1. Введение и постановка задачи.................................................................	38
4.2. Структуры матричных конверторов........................................................	39
4.3. Новые бестрансформаторные схемы прямых матричных кон-
верторов......................................................................................................	42
4.4. Заключение................................................................................................	44
Библиографический список.............................................................................	45
5. Регуляторы переменного напряжения с компенсацией реактивной
мощности на основе инвертора тока...............................................................	47
5.1. Введение и постановка задачи.................................................................	47
5.2. Математическая модель системы............................................................	48
Библиографический список.............................................................................	53
Задачи для самостоятельной работы....................................................................	53

4

ВВЕДЕНИЕ

Данное руководство является продолжением (шестой частью) запланированной серии методических руководств для практических занятий по курсу «Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники», предназначенных для магистрантов специальности «промышленная электроника» [1–5]. Его особенностью, как и частей [4, 5] является комбинированный характер материала.

Во-первых, оно является учебным пособием по одному важному и распространенному классу вентильных преобразователей, а именно регуляторам переменного напряжения. Начало изложения материала по этому классу преобразователей было сделано в пятой части пособия [5], а здесь это продолжено в связи с обилием новых классов регуляторов переменного напряжения.

Во-вторых, данное руководство используется и как методическое пособие для практических занятий по курсу ЭМС устройств силовой электроники.

Повышенное внимание к регуляторам переменного напряжения обусловлено следующими обстоятельствами. Одной из оценок уровня технического развития стран является степень преобразования электрической энергии полупроводниковыми преобразователями перед ее потреблением. В развитых странах этот процент доходит до 45–50 %, в том числе и в России, а в США – до 70 %. Без преобразователя электрической энергии принципиально не обойтись в следующих случаях.

Прежде всего, это преобразователи переменного тока в постоянный (выпрямители) для питания сетей и цепей постоянного тока, как то тяговые сети электротранспорта, линии передачи электрической энергии постоянного тока, регулируемый электропривод с двигателями постоянного тока, электролизные ванны цветной металлургии, химические электротехнологии на постоянном токе, источники питания электрон-

5

ной аппаратуры, системы освещения со световыми приборами постоянного тока.

Другой массовый тип потребителей на базе электрических машин переменного тока требует наличия преобразователей электрической энергии (преобразователей частоты) с регулируемыми напряжением и частотой для целей регулируемого электропривода.

Следующий класс потребителей требует преобразователей высокой частоты, прежде всего для установок индукционного нагрева, а также для высокочастотных сетей распределения электрической энергии, для систем с бесконтактным съемом электрической энергии в подвижных объектах.

Наконец, расширяет востребованность класс преобразователей электрической энергии для целей кондиционирования ее качества.

Но, тем не менее, в развитых странах 30–50 % вырабатываемой электрической энергии потребляется без преобразования и регулирования. В свое время наш Менделеев Д.И. сказал, что топить печи нефтью это топить ассигнациями, нефть нужно перерабатывать , а не сжигать. Для получения электроэнергии нефть, к тому же надо не только сжечь, но и сделать еще два преобразования энергии, как то тепловую в механическую, а затем механическую в электрическую энергию. После этого прямое потребление электрической энергии станет еще более расточительным. Необходимо согласование ее параметров с параметрами потребителя путем ее регулирования и кондиционирования, при необходимости. Это обеспечит значительное сохранение электроэнергии, повышение эффективности ее использования, щадящие режимы работы потребителя и увеличение его срока службы, повышение качества продукции, выпускаемой потребителем электроэнергии.

Поэтому очевидна задача создания отрасли силовой электроники, связанной с разработкой и производством нового массового класса преобразователей электроэнергии – регуляторов переменного напряжения с улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью и нагрузкой. При необходимости, на их основе можно реализовать режимы кондиционирования качества электрической энергии. Кроме того, открывается новая область применения регуляторов переменного напряжения для построения силовых электронных трансформаторов, которая требует отдельного раcсмотрения [В7].

6

Данное пособие на основании обзора и наших собственных работ знакомит с новыми концепциями построения и схемами транзисторных регуляторов переменного напряжения нового поколения, характеризующегося новыми качествами: получение коэффициента преобразования по напряжению более единицы, синусоидальными входными и выходными токами, возможностью кондиционировать качество преобразуемой энергии. Краткое введение в проблему содержит работа [В7]. В основе первой главы лежит исследование [В8]. Вторая глава использует материалы [В7, В9] и материалы Зотова Л.Г. Третья глава основана на материалах доклада [В10], четвертая глава – на материалах [В11], пятая глава – на материалах [В12].

д.т.н., проф. Г.С. Зиновьев

7

БАЗОВЫЕ ИСТОЧНИКИ

В1. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 1: Метод. руководство к практическим занятиям / Г.С. Зиновьев, В.А. Клан, А.М. Зимин, М.А. Петров, А.А. Шербелев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 46 с.

В2. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 2: Метод. руководство к практическим занятиям / Г.С. Зиновьев, В.И. Попов, Р.С. Анбразевич, В.Г. Баулин, А.В. Волков, А.И. Митряшкина, О.В. Светлосанова, С.С. Снытко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 87 с.

В3. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 3: Метод. руководство к практическим занятиям / Г.С. Зиновьев, Д.В. Игонин, И.А. Маслов, К.И. Савинов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – 55 с.

В4. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 4: учеб.-метод. пособие / Г.С. Зиновьев, А.И. Мальнев, Д.В. Панфилов, В.И. Попов. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. – 63 с.

В5. Зиновьев Г.С., Удовиченко А. В. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Часть 5: учеб.-метод. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. – 56 с.

В6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. – 5 изд. – М.: Юрайт, 2012. – 667 с.

В7. Зиновьев Г.С. Наш путь к силовым электронным трансформаторам.

Труды межд. конф. АПЭП, 2014. – Т. 7. – С. 135–144.

В8. Gorbunov R., Zinoviev G.S. Three-Phase Transformerless AC-Voltage Converters with Reduced Number of Switches. Proc. EDM 2014. – Altay, Erlagol, 2014. – Р. 375–379.

В9. Роньшин А.В., Сковота В.А. Курсовая работа по регуляторам переменного напряжения. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014.

В10. Зиновьев Г.С., Сидоров А.В., Харитонов С.А. Трехфазный регулятор переменного напряжения в составе автономной системы // Труды межд. конф.

АПЭП, 2014. – Т. 7. – С. 148–152.

В11. Зиновьев Г.С., Зотов Л.Г. Матричные конверторы с коэффициентом преобразования по напряжению больше единицы // Техническая электродинамика, спец. вып. Энергосбережение и энергоэффективность. – Киев, 2011. –

Ч. 1. – С. 107–112.

В12. Волков А.Г., Зиновьев Г.С., Сидоров А.В., Харитонов С.А. Автономная система электроснабжения с плавающей частотой стабилизированного переменного напряжения на базе асинхронного генератора с преобразователем реактивной мощности // Труды межд. конф. АПЭП, 2012. – Т. 7. – С. 94–97.

8

1.РАЗРАБОТКА МАЛОВЕНТИЛЬНЫХ РПН

СКОММУТАЦИЕЙ НУЛЕВЫХ ТОЧЕК ИСТОЧНИКА ИЛИ НАГРУЗКИ

1.1. ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Регуляторы переменного напряжения имеют широкую область применения и потребность в этих устройствах постоянно растет. Они используются в системах регулирования и стабилизации напряжения, компенсации несимметрии и искажений, в качестве устройств мягкого пуска асинхронных и синхронных двигателей и т.д.

Линейные регуляторы напряжения, выполненные на основе автотрансформаторов или трансформаторов с многосекционной обмоткой, характеризуются высокими масса-габаритными показателями, низким быстродействием и сложностью автоматизации. Этих недостатков отчасти лишены полупроводниковые регуляторы напряжения, среди которых сегодня большое распространение получили трансформаторные регуляторы с вольтодобавкой (с фазовым или широтно-импульсным регулированием) [3]–[5] и трансформаторные стабилизаторы напряжения с многосекционными обмотками [6]–[8]. Но наличие трансформатора в силовой схеме значительно ухудшает массо-габаритные и стоимостные показатели регулятора.

Тиристорные регуляторы напряжения, являющиеся наиболее популярными в промышленности благодаря низкой стоимости, компактности и высокой надежности, имеют при этом ряд существенных недостатков [9]. Во-первых, они способны только понижать напряжение. Во-вторых, устройства с фазовым управлением характеризуются низким качеством выходного напряжения и потребляемого тока, что сегодня особенно важно в связи с обостряющейся проблемой электромагнитной совместимости преобразовательных устройств [10]. Плюс ко всему, быстродействие тиристорных регуляторов ограничивается частотой напряжения питающей сети, чего в ряде случаев недостаточно.

9

Всвязи с этим в последнее время возрос интерес к широтноимпульсным бестрансформаторным регуляторам переменного напряжения, силовая схема которых строится на полностью управляемых вентилях [11]–[16]. Рассмотрены схемы, в основу которых взяты известные регуляторы постоянного напряжения [11, 13] и предложен ряд новых схем [14]–[16].

Вэтом параграфе на базе статьи [В8] рассматриваются инновационные трехфазные регуляторы переменного напряжения и схемы регуляторов из работ [1, 2]. Силовые схемы содержат по два транзистора, что позволяет снизить стоимость и упростить систему управления регулятора.

Цель данного раздела – проанализировать и сравнить свойства предложенных трехфазных бестрансформаторных регуляторов переменного напряжение и регуляторов напряжения из работ [1, 2]. Для этой цели необходимо построить математические и компьютерные модели инновационных регуляторов, описать их регулировочные и энергетические характеристики и недостающие для сравнительного анализа характеристики регуляторов из работ [1, 2], выявить области оптимальной работы регуляторов.

1.2. СХЕМОТЕХНИКА И АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

На рис. 1.1 представлены силовые схемы рассматриваемых регуляторов переменного напряжения, из которых предложенными нами являются схемы рис. 1, a, b. Каждый регулятор содержит два трехфазных ключа переменного тока (S1, S2), работающих таким образом, что замкнутому состоянию одного соответствует разомкнутое состояние другого. Регулирование напряжения осуществляется широтно-импульсным методом с высокой частотой (единицы – десятки килогерц).

Особенностью рассматриваемых схем является возможность подключения источника питания (вместе с индуктивностями L1 для схем a, b, c) и нагрузки как с разрывом нулевой точки источника питания, так и с разрывом нулевой точки нагрузки. При этом важно отметить, что свойства регуляторов рис. 1.1, a, d остаются прежними при любом способе подключения, что делает их универсальными. Для регуляторов рис. 1.1, b, c свойства зависят от способа подключения источника питания и нагрузки. В связи с этим анализ регулятора рис. 1.1, b проведен для двух случаев, которые далее по тексту обозначаются как «dir» для прямого включения (рис. 1, b), «rev» – обратное включение.

10