2014_zinov6

При обратном включении регулятора рис. 1, c схема соответствует известному повышающему регулятору переменного напряжения [13] и здесь не рассматривается.

Рис. 1.1. Схемы рассматриваемых маловентильных регуляторов переменного напряжения

Энергетические и регулировочные характеристики рассматриваемых регуляторов напряжения получены с использованием прямых методов расчета энергетических показателей (АДУ) [17]. Анализ проведен для активно-индуктивной нагрузки. Математические модели регуляторов составлены в виде системы дифференциальных уравнений с переменными (разрывными) коэффициентами вида

∑

X = AX + BV ,

∑

где X = dX dt – вектор производных переменных состояния; A – системная матрица;

11

B – вектор коэффициентов при напряжениях источников питания; V – вектор напряжений источников питания.

Регулятор рис. 1, a:

где iL – входной/выходной ток регулятора; vC – напряжение на конденсаторе C1 ;2 – коммутационная функция ключа S2. Регулятор рис. 1, b-dir:

vC1 , vC 2 – напряжения на конденсаторах C1 , C2 (соответственно);1 , 2 – коммутационные функции ключа S1, S2 (соответственно); R1 – суммарное активное сопротивление фазы источника питания. Регулятор рис. 1.1, b-rev:

12

где iL1 , iL2 – входной и выходной токи регулятора (соответственно). Регулятор рис. 1.1, d [16]:

где iL2 – входной/выходной ток регулятора; R1 – активное сопротивление реактора L1 .

На рис. 1.2, a изображены регулировочные характеристики регуляторов (по основной гармонике), построенные в относительных единицах при номинальной нагрузке с параметрами RL = 70 Ом, LL = 150 мГн. На рис. 1.2, b изображены зависимости коэффициента сдвига входного тока от глубины модуляции Ψ, а на рис. 1.2, c – внешние характеристики регуляторов (по основным гармоникам), построенные в относительных единицах при глубине модуляции Ψ = 0,8 (80 %). В качестве нормирующего коэффициента для выходного напряжения взято напряжение источника питания, для выходного тока – номинальный ток нагрузки.

Числовые значения основных характеристик регуляторов для частоты коммутации 10 кГц сведены в таблице.

13

Рис. 1.2. Характеристики регуляторов напряжения

Основные характеристики регуляторов

Коэффициент сдвига входного тока (рис. 1.2, b) регуляторов немонотонно изменяются при изменении глубины регулирования Ψ. В связи с тем, что при малой глубине регулирования коэффициент сдвига входного тока значительно меньше номинального коэффициента мощ-

14

ности нагрузки, продолжительная работа регуляторов в этих областях нежелательна. Минимальная глубина регулирования и оптимальный диапазон регулирования выходного напряжения, полученные для каждой схемы из условия снижения коэффициента сдвига входного тока на 10 % от номинального коэффициента мощности нагрузки, приведены в таблице.

В таблице значения суммарной установленной мощности реактивных элементов регуляторов приведены по отношению к номинальной активной мощности нагрузки. Для коэффициентов гармоник входного и выходного тока указаны их максимальные значения в определенной области регулирования.

1.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Компьютерное моделирование предложенных регуляторов (рис. 1, a, b) выполнено в пакете PSIM. На рис. 1.3–1.5 изображены временные диаграммы входных и выходных тока и напряжения регуляторов рис. 1, a, b при глубине регулирования Ψ = 0,8 (80 %). Для наглядности частота коммутации при построении временных диаграмм уменьшена до 2 кГц.

Рис. 1.3. Временные диаграммы (a) входных

и(b) выходных тока и напряжения регулятора рис. 1.3, a (в относительных единицах)

Из рис. 1.2, a видно, что регуляторы рис. 1.1, a, b-dir, d способны понижать и повышать напряжение, а регуляторы рис. 1.1, b-rev, c – только понижать напряжение. Следует отметить, что при изменении

15

параметров реактивных элементов регулятор рис. 1.1, b-rev может повышать напряжение в небольшом диапазоне, но при этом коэффициент мощности регулятора становится неприемлемым, резко возрастает суммарная установленная мощность реактивных элементов и существенно уменьшается перегрузочная способность регулятора. В связи с этим, такой режим работы не представляет интерес и здесь не рассматривается.

Рис. 1.4. Временные диаграммы (a) входных и (b) выходных тока и напряжения регулятора рис. 1.4, b-dir (в относительных единицах)

Рис. 1.5. Временные диаграммы (a) входных и (b) выходных тока и напряжения регулятора рис. 1.5, b-rev (в относительных единицах)

16

Регулировочные характеристики регуляторов рис. 1.1, b-rev, c являются практически линейными.

Внешние характеристики (рис. 1.2, c) для всех регуляторов, кроме регулятора по схеме рис. 1, c, носят возрастающий характер. Напряжение на выходе регулятора рис. 1, c снижается с ростом нагрузки, а внешняя характеристика обладает наибольшей жесткостью среди рассматриваемых схем.

Несмотря на то, что регулятор рис. 1.1, b-dir может понижать напряжение, его лучше использовать как повышающий, так как при малой глубине модуляции имеет место значительный обмен реактивной энергией с сетью (рис. 1.2, b).

Регулятор рис. 1, d в пределах оптимальной области регулирования может выдавать одинаковые значения выходного напряжения при разной глубине регулирования. При этом, если необходимо повышение напряжения, то предпочтительнее является область при Ψ > 0,7 (рис. 1.2, b), так как в этой области коэффициент мощности регулятора выше.

Сравнивая свойства регуляторов рис. 1.1, b-rev, c можно сделать вывод, что включение конденсаторов между выводами переменного тока ключа коммутации нагрузки позволяет повысить коэффициент мощности и жесткость внешней характеристики регулятора рис. 1.1, c при незначительном сужении оптимальной области регулирования и увеличении суммарной установленной мощности реактивных элементов (таблица).

Степень искажения токов для всех рассмотренных схем при выбранной частоте коммутации является незначительной (таблица). Лучшими показателями качества потребляемой и выходной энергии обладает регулятор рис. 1.1, d, в котором степень искажения входного/выходного тока практически равна нулю. Но при этом, регулятор имеет большую суммарную установленную мощность реактивных элементов.

Минимальной суммарной установленной мощностью реактивных элементов обладает регулятор рис. 1.1, c, а максимальной – регулятор рис. 1.1, b-dir.

17

1.4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вразделе описаны инновационные трехфазные бестрансформаторные широтно-импульсные регуляторы переменного напряжения с уменьшенным числом ключей. Особенностью рассмотренных схем является возможность подключения источника питания и нагрузки как

сразрывом нулевой точки источника питания, так и нулевой точки нагрузки. При этом показано, что свойства некоторых регуляторов меняются.

С помощью методов АДУ получены регулировочные и энергетические характеристики регуляторов. Проведенный анализ свойств предложенных регуляторов и регуляторов из работ [1,2] показал, что они способны регулировать напряжение в широком диапазоне, но для каждой схемы имеется область оптимальной работы с меньшим обменом реактивной мощностью с сетью.

Результаты компьютерного моделирования регуляторов показали, что выходной ток регуляторов является практически синусоидальным, даже при относительно низкой частоте коммутации.

Результаты проведенного анализа могут быть использованы при выборе силовой схемы регулятора под конкретные задачи.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Udovichenko A., Zinoviev G. Transformerless step up alternating voltage regulators with sinusoidal currents // 13th International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). Erlagol, Altai. 2-6 July, 2012. – Р. 348–341.

2.Invention application №2013112037, Russian Federation, H 02 M 5/22. ACvoltage converter / G. Zinoviev, A. Udovichenko. Applicant: NSTU, 18 March 2013. – 8 p. (in Russian).

3.El-Sabbe A., Zein El-Din A. A novel AC voltage regulator // Industrial Electronics Society: Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE. Aachen. 31 Aug. – 4 Sep. 1998. – Vol. 2. – Р. 607–611.

4.Park C., Kwon J., Kwon B. Automatic voltage regulator based on series voltage compensation with ac chopper // IET Power Electronics, 2012. – Iss. 6. – Vol. 5. – Р. 719–725.

5.Basic topologies of direct PWM ac choppers / D. Floricau, M. Dumitrescu, I. Popa, S. Ivanov // Annals of the University of Craiova: Electrical Engineering series. – 2006. – № 30. – Р. 141–146.

18

6.Sankarganesh R., Manoharan C., Agalya V. Hybrid ac voltage regulator using tap changing transformer // IJREAS, 2012. – Iss. 8. – Vol. 2. – Р. 28–37.

7.An Update on Power Quality / Ed. by D. Lu. – InTech publ., 2013. – 148 p.

8.Voltage regulator system based on a PWM AC chopper converter / J. FloresArias, A. Moreno-Munoz, F. Domingo-Perez, V. Pallares-Lopez // 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). Gdansk. 27-30 June 2011. – Рp. 468–473.

9.Control for PWM AC Chopper Feeding Nonlinear Loads / L. Rahmani, F. Krim, M. Khanniche, A. Bouafia // IJE, 2004. – Iss. 3. – Vol. 91. – Р. 149–163.

10.519-1992 – IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems // IEEE Industry Applications Society. – 1993. – 112 p.

11.Fedyczak Z., Strzelecki R., Benysek G. Single-phase PWM AC/AC semiconductor transformer topologies and applications // Power Electronics Specialists Conference. – 2002. – Vol. 2. – Р. 1048–1053.

12.Analysis of a Three-Phase Buck-Boost AC Chopper Controlled in Two Phases / S. Fujikura, A. Ueda, A. Torii, N. Kobayashi // Power Conversion Conference. Nagoya. 2-5 April 2007. – Р. 824–830.

13.Peng Z., Chen L., Zhang F. Simple topologies of PWM AC-AC converters // Power Electronics Letters, IEEE. March 2003. – Iss. 1. – Vol. 1. – Р. 10–13.

14.New class of buck-boost AC-AC frequency converters and voltage controllers / G. Zinoviev, M. Ganin, E. Levin, A. Obuhov, V. Popov // The 4th KoreaRussia International Symposium on Science and Technology. Ulsan. – 2000. – Vol. 2. – Р. 303–308.

15.Obuhov A., Otchenash V., Zinoviev G. Buck-boost ac-ac voltage controllers // 9th International Conference on Power Electronics and Motion Control. Kosice. 5-7 Sep 2000. – Р. 194–197.

16.Udovichenko A., Zinoviev G. New family of AC regulators with the switched quasi-impedance of power supply or load // 14th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). Novosibirsk. 1-5 July 2013. – Р. 377–381.

17.Zinoviev G. Concept of definition of electromagnetic compatibility factors of power converters with supply line and load // Proc. conference PEMC’96. Hungary, Budapest, 1996. – Р. 2.201–2.204.

18.Roman L. Gorbunov, Gennadiy S. Zinoviev Three-Phase Transformerless AC-Voltage Converters with Reduced Number of Switches. Proc. EDM 2014, Erlagol, Altay 2014. – P. 375–379.

19

2.РАЗРАБОТКА РПН

СКОММУТИРУЕМЫМИ КОНДЕНСАТОРАМИ

2.1.ПОВЫШАЮЩЕ-ПОНИЖАЮЩИЙ РЕГУЛЯТОР

СЗВЕЗДОЙ КОММУТИРУЕМЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Была предложена схема нового РПН с транзисторно-диодным коммутатором звезды конденсаторов, как показано на рис. 2.1, а с парами напряжений и токов на входе и выходе регулятора на рис. 2.1, б.

Рис. 2.1. Схема регулятора (а) и диаграммы входных и выходных напряжений и токов (б)

Магистрантам ставится задача построения математической модели регулятора в форме дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, аналогично тому, как это было сделано в пособии [5] в разделе 1.3.2. Затем путем алгебраизации дифференциальных уравнений по методу АДУ получить формулы для расчета характеристик регулятора (внешних, регулировочных, входного коэффициента сдвига) по первым гармоникам и характеристик регулятора (коэффициенты гармоник входного и выходного тока) по высшим гармоникам.

Для обеспечения проверки полученных магистрантами в ходе самостоятельной работы аналитических соотношений по методу АДУ были сняты с помощью программы PSIM регулировочные и внешние характеристики регулятора, из которых видно, что подобный регулятор позволяет получить повышенное выходное напряжение от 1,1 до 4,2 раз, показанные на рис. 2.2, а и б. Здесь U* = f(M)1,2,3 – регулировочные характеристики с базовым током Iб = 1,2; 0,6; 1 соответственно,

20