Материал: s_electro
удобно обозначить ДТ/ОТ, аналогично принятому сокращению в анг-
лоязычной литературе AC-DC (Alternative Current - Direct Current, т. е.
переменный ток – постоянный ток).
•Преобразователи переменного тока одной частоты в переменный
ток другой частоты, возможно и с другим числом фаз, называемые преобразователями частоты, которые обозначим, следуяРис. 1.4.1той же логике, как ДТ/ДТ, аналогично зарубежному техническому обозначению
AC-AC.
•Преобразователи переменного тока с одним числом фаз в переменный ток той же частоты с другим числом фаз, называемые преобразователями числа фаз и являющиеся, по сути, частным случаем предыдущего типа преобразователей и поэтому обозначаемые в дальнейшем ДТ/ДТ(Ф).
•Преобразователи переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, отличающейся в фиксированное число фаз М от исходной частоты, называемые умножителями частоты, также являющиеся другим частным случаем преобразователя частоты и поэтому обозначаемые в дальнейшем ДТ/ДТ(Ч).
•Преобразователи переменного напряжения в регулируемое переменное напряжение той же частоты, называемые регуляторами переменного напряжения и обозначаемые ДТ/ДТ(Н).
•Преобразователи постоянного тока в переменный, называемые инверторами, которые обозначим ОТ/ДТ аналогично их зарубежному коду DC-AC.
•Преобразователи постоянного тока в постоянный, называемые
регуляторами постоянного тока (электронными «трансформатора-
ми»), которые обозначим ОТ/ОТ аналогично соответствующему зарубежному сокращению DC-DC.
•Регулируемые источники реактивной (неактивной) мощности,
обозначаемые ИРМ, позволяющие вводить в систему электроснабжения дополнительные (к реактивным мощностям потребителей) реактивные мощности сдвига ИРМ(С), искажения ИРМ(И), несимметрии ИРМ(Н) с целью компенсации соответствующих мощностей некачественных потребителей и улучшения таким образом качества электроэнергии в системе электроснабжения. Возможны два варианта подключения ИРМ к сети: к узлу (поперечная компенсация за счет задания дополнительного тока в узле сети (ИРМТ)) и между узлами (продольная компенсация за счет задания дополнительного напряжения между узлами сети (ИРМН)). В зависимости от вида, способа включения и
36
алгоритма управления ИРМ может выполнять функции компенсатора реактивной мощности сдвига, регулятора напряжения в узле, активного фильтра (путем введения в сеть воздействия со спектром, обратным спектру возмущения нормального режима сети).
Полное преобразовательное устройство содержит, помимо базовой ячейки, при наличии цепей переменного тока еще входной или выходной трансформатор (ячейка Т), а также обычно входной и выходной фильтры (ячейки Ф, рис. 1.4.1).
Трансформатор предназначен, во-первых, для согласования требуемого уровня выходного напряжения базовой ячейки с заданным уровнем напряжения питающей сети, во-вторых, для возможности увеличения числа фаз переменного напряжения на вторичной стороне трансформатора, в-третьих, для создания гальванической (кондуктивной) изоляции цепей входа и выхода преобразователя. Последнее обстоятельство, обеспечивая беспроводную связь (только через электромагнитное поле трансформатора) входных и выходных цепей преобразователя, исключает возможность опасного попадания напряжения со стороны, имеющей более высокий потенциал, на сторону, имеющую более низкий потенциал при отключении трансформатора на одной из сторон.
Преобразование электрической энергии в базовых ячейках осуществляется с помощью резко нелинейных элементов – вентилей, которые могут находиться только в одном из двух состояний – включенном (проводящем) или выключенном (запертом). В результате как потребление энергии ячейкой из питающей сети, так и передача ее на выходе ячейки потребителю происходит дискретно, что приводит к снижению качества преобразуемой и преобразованной электроэнергии. Для ослабления и сглаживания последствий дискретности процесса преобразования энергии предназначены фильтры на входе и выходе вентильной ячейки. Другими словами, эти фильтры обеспечивают электромагнитную совместимость преобразовательной ячейки с пи-
тающей сетью и нагрузкой. Под электромагнитной совместимостью
в электротехнике понимается способность различных электротехнических устройств, связанных сетями электроснабжения и электрораспределения, одновременно функционировать в реальных условиях эксплуатации при наличии непреднамеренных помех в этих сетях и не создавать недопустимых электромагнитных помех в сети другим устройствам, присоединенным к этой сети. Образно говоря, ситуация схожа с человеческой совместимостью многих жильцов коммунальной
37
квартиры на общей кухне, вынужденных пользоваться общими коммунальными услугами, не создавая недопустимых помех друг другу.
Все рассмотренные базовые ячейки характеризуются однократностью преобразования электрической энергии и обладают определенным набором свойств, которые будут рассмотрены далее в соответствующих разделах. Для расширения или модификации свойств преобразователей электроэнергии их можно конструировать из базовых ячеек как из набора конструктора, создавая уже базовые структуры, характеризующиеся многократным (обычно двух-, трехкратным) преобразованием вида электроэнергии на ее пути от входа до выхода преобразователя. Например, преобразовать переменный ток в регулируемый постоянный можно не только с помощью базовой ячейки ДТ/ОТ, но и в следующих составных структурах (ячейки трансформатора и фильтров здесь опущены):
•ДТ/ДТ(Н)-ДТ/ОТ (сначала регулирование величины переменного напряжения, затем выпрямление без регулирования);
•ДТ/ОТ-ОТ/ОТ (сначала выпрямление без регулирования, затем регулирование постоянного напряжения);
•ДТ/ОТ-ОТ/ДТ-ДТ/ОТ (сначала выпрямление без регулирования, затем преобразование в переменное напряжение высокой частоты с регулированием напряжения, затем снова выпрямление без регулирования) и т.д.
Свойства таких составных преобразовательных структур выводятся из совокупности свойств базовых ячеек, как это будет показано в третьей части книги.
Собственно процесс преобразования рода электрического тока осуществляется в вентильной ячейке, являющей собой определенную структуру из вентилей. При допустимой на первой стадии анализа идеализации вентиля ключом его функция коммутировать напряжение
иток может быть описана периодической разрывной единичной функ-
Рис. 1.4.2
этом соответствующая переменная
цией Ψв, называемой коммутаци-
онной функцией вентиля и пока-
занной на рис. 1.4.2. Включенному (проводящему) состоянию вентиля соответствует уровень единичного значения функции, выключенному (запертому) состоянию – уровень нуля. При y (напряжение, ток, мгновенная
38
мощность) за ключом выражается очевидным образом через ту же переменную u до ключа, т. е.
y = u Ψв = u (Ψ0 + Ψ(1) + Ψвг) = uΨ0 + uΨ(1) + uΨвг (1.4.1)
Здесь Ψ0 – постоянная составляющая коммутационной функции; Ψвг – высшие гармоники коммутационной функции при разложе-
нии ее в ряд Фурье.
Если входная переменная u гармоническая функция (напряжение сети), то в компоненте uΨ(1) уже будет содержаться постоянная составляющая, свидетельствующая о произошедшем преобразовании рода тока из переменного в постоянный выходной с пульсациями (составляющие uΨ0, uΨвг и переменный компонент составляющей uΨ(1)). Регулированием фазы, относительной длительности и в общем случае частоты импульсов коммутационной функции можно изменять постоянную или полезную переменную составляющую преобразованного рода тока.
В конечном счете это преобразование и регулирование параметров преобразованной энергии сводится к модуляции моментов включения и выключения вентилей.
Из коммутационных функций вентилей при их известном соединении в структуру можно определить коммутационную функцию вентильного комплекта преобразователя Ψп, связывающую входные и выходные напряжения и токи вентильного комплекта, рассматриваемого как четырехполюсник в соответствии с рис. 1.4Рис.3.. 1.4.3
При подключении такого четырехполюсника к источнику ЭДС уравнения связи имеют вид
Uвых = Ψпuвх, |
(1.4.2) |
iвх = Ψпiвых,
а при подключении к источнику тока
iвых = Ψпiвх, |
(1.4.3) |
|
|
39 |
|
uвх = Ψпuвых.
При многофазном входе или выходе вентильного комплекта преобразователя его однолинейная математическая модель (1.4.2) или (1.4.3) соответствующим образом наращивается.
Таким образом, все базовые структуры преобразования электрической энергии имеют однотипные идеализированные математические модели, различаясь только видом коммутационной функции преобразователя, определяющей род и качество преобразования электрической энергии.
1.5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Целью данного раздела является сравнительное изучение трех существующих подходов к расчету энергетических параметров вентильных преобразователей.
1.5.1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Вид математической модели вентильного преобразователя существенно определяет выбор способа расчета электромагнитных процессов в нем. Способ расчета, в свою очередь, определяет трудоемкость расчета, объем и вид полученного результата. Поэтому выбор математических моделей вентилей и преобразователя и способа расчета процессов в преобразователе необходимо делать согласованно.
Периодическая коммутация вентилей в преобразователе при модели вентиля в виде ключа приводит к двум видам математических моделей преобразователя. Если на входе вентильного преобразователя используются модели идеальных источников ЭДС и тока, а внутри вентильного комплекта нет пассивных элементов электрической цепи (сопротивлений, конденсаторов, реакторов), то вентильный преобразователь совместно с входным источником замещается источником напряжения или тока разрывной формы в соответствии с первыми уравнениями систем (1.4.2) и (1.4.3). Тогда процессы в нагрузке описываются дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами и разрывной правой частью. Если на входе или внутри вентильного преобразователя есть пассивные элементы (например, эле-
40