Исследование и разработка регулятора переменного тока для аэродромного светосигнального оборудования

Энергоснабжение в современном мире становится одним из важнейших факторов, определяющих интенсивность развития мирового сообщества. На сегодняшний день наиболее удобной для потребления и преобразования формой энергии является электрическая, что определяет большое внимание к качеству электроэнергии. При этом происходит ужесточение требований к влиянию потребителей — как предприятий, так и персональных пользователей — на систему электроснабжения.

Обоснование актуальности темы диссертации.

Научно-технический прогресс в области систем электроснабжения в настоящее время сопровождается появлением все большего числа нелинейных потребителей. Во многом это связано с развитием электронной преобразовательной техники. Такое положение вещей приводит к искажению формы тока и напряжения в системах электроснабжения, или, иными словами к появлению в них высших гармонических составляющих.

Наличие высших гармоник в токах системы электроснабжения сопровождается потреблением из источника питания дополнительной реактивной мощности и мощности искажения. Кроме того, несинусоидальность кривых тока и напряжения приводит к повышенному нагреву трансформаторов, конденсаторов и увеличению потерь в них, а также может приводить к возникновению ложных срабатываний в аппаратуре управления и защите, а, следовательно, к возникновению аварийных ситуаций в работе системы электроснабжения. С высшими гармониками также связано ухудшение процессов генерации и передачи электроэнергии, нарушение технологических процессов, а в крайних случаях порча оборудования. Указанные причины обосновывают актуальность работ по улучшению качества электроэнергии как в рамках источников электроэнергии, так и в рамках конкретных потребителей. Стоит отметить, что проблема принимает глобальный характер и решается на уровне государственных программ. В частности, на сегодняшний день развитые страны разрабатывают и принимают многочисленные программы энергосбережения, а также стандарты с жесткими требованиями к качеству электроэнергии, в которых, в том числе, ограничивается уровень гармонических составляющих тока, создаваемых нелинейными потребителями. В России требования к качеству электроэнергии отражены в межгосударственном стандарте ГОСТ 13 109–97 «Нормы качества электроэнергии в системах общего назначения» [6].

Аэродромное светосигнальное оборудование (ССО), по сути являющееся ламповым кольцом, предназначено для обеспечения безопасности маневрирования воздушных судов, является частным примером нелинейного потребителя. Регулирование интенсивности излучения аэродромных огней с высокой степенью точности является основной задачей системы электроснабжения светосигнального оборудования. На сегодняшний день, для этих целей, системы светосигнального оборудования аэродромов комплектуются однофазными регуляторами переменного напряжения тиристорного типа, которые в эксплуатации называются регуляторами яркости [1]. Установка требуемого значения интенсивности излучения светосигнального оборудования обусловлена установкой тока в кабельном кольце. Регулирование и стабилизация тока осуществляется регулятором яркости за счет изменения его выходного напряжения в соответствии с заданным законом управления.

Работа тиристорного регулятора переменного тока связана со значительными искажениями формы входных и выходных токов, причем несинусоидальность растет со снижением требуемого значения тока в цепи. Кроме того, количество регуляторов яркости различно для каждого конкретного аэродрома, но, как правило, подключить их так, чтобы обеспечить симметричную нагрузку на трехфазную сеть, питающую аэродром не удается. Влияние несимметрии нагрузки особенно сказывается в аварийных режимах, когда питание светосигнального оборудования осуществляется от дизельной электростанции.

При этом, современные требования к системе электроснабжения аэродромов требуют при проектировании электрических систем учитывать факторы, которые могут привести к нарушению нормальной работы, такие, как электромагнитные возмущения, потери в электрической сети, качество снабжения энергией и т. д. [4].

Сопоставление требований к влиянию нелинейной нагрузки на питающую сеть с одной стороны и с точки зрения требований к качеству энергии, питающей аэродромное светосигнальное оборудование, с другой стороны определило тему данной диссертационной работы и ее актуальность.

Цель диссертационной работы — разработка принципов построения и средств технической реализации для повышения технико-экономических показателей регуляторов-стабилизаторов переменного тока, питающих аэродромное светосигнальное оборудование, повышение качества электроэнергии потребляемой и преобразованной регулятором.

В ходе исследования и разработки решались следующие задачи:

1. Информационный анализ известных примеров реализации регуляторов переменного тока, анализ их влияния на сеть и выявление наиболее перспективных разработок с применением современных силовых электронных приборов;

2. Синтез структуры регулятора, позволяющей минимизировать или исключить негативное влияние нелинейной нагрузки на систему энергоснабжения, а также обеспечить высокий коэффициент мощности;

3. Разработка способа управления, позволяющего улучшить характеристики силового регулятора в переходных и статических режимах при сохранении качества потребляемой и преобразованной энергии;

4. Выбор специализированного пакета программ компьютерного моделирования рабочих процессов и разработка компьютерных моделей в среде выбранного пакета программ;

5. Анализ рабочих процессов в созданной модели разрабатываемого регулятора переменного тока и сравнение полученных характеристик с характеристиками тиристорных регуляторов;

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались общепринятыми в электротехнике и теории электрических цепей аналитическими методами, методами математического анализа (дифференциальное исчисление, матричная и векторная алгебра), методами теории автоматического управления, а также современными средствами математического моделирования с использованием специализированных прикладных программ пакета MATLAB. Достоверность полученных теоретических выводов и результатов подтверждается использованием апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и корректностью принятых допущений, а также результатами компьютерного и физического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложены схемотехнические решения новых типов регуляторов яркости на базе многоуровневого инвертора напряжения и 12-фазного выпрямителя, позволяющие получить значения коэффициента мощности в диапазоне 0,96−0,98 и низкие гармонические искажения входных токов для широкого диапазона изменений параметров нагрузки.

2. Предложен принцип построения системы управления, позволяющий обеспечить низкие гармонические искажения токов в нагрузке и обеспечить требуемые точность и быстродействие системы как в статических, так и в динамических режимах, и разработаны алгоритмы его реализации.

3. Разработана инженерная методика проектирования регуляторов яркости с улучшенными энергетическими характеристиками.

4. Разработаны адаптированные к пакету программ моделирования MATLAB компьютерные модели основных составляющих элементов, позволяющие адекватно оценить характер процессов, протекающих в системе питающая сеть — регулятор яркости — нагрузка в различных режимах.

5. На основе компьютерных и физических моделей проведено исследование влияния потерь в ключевых элементах преобразователя на общую эффективность системы регулятор яркости — нагрузка, и показано, что предложенные регуляторы характеризуются высокими значениями КПД для всего диапазона допустимых нагрузок.

Практическая ценность работы:

В результате выполненной работы разработано новое схемотехническое решение регулятора переменного напряжения для питания аэродромного светосигнального оборудования, позволяющего снизить гармонические искажения в токах, потребляемых из сети и протекающих в нагрузке, и существенно повысить коэффициент мощности по отношению к существующим устройствам аналогичного назначения.

Реализация результатов работы:

Полученные результаты использованы в работах проводимых кафедрой ЭиЭА совместно с ООО «Аэрокурс-М» по разработке макетных образцов регуляторов яркости для аэродромного светосигнального оборудования.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: МКЭЭ-2006 (Россия), СЭЭ'2006 (Украина), а также на заседаниях кафедры Электрических и Электронных Аппаратов в 2004;2008г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы. Подана заявка на выдачу патента на изобретение № 2 008 112 299 от 02.04.08 в ФГУП ФИПС, которая прошла формальную экспертизу.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 139 страниц и содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 94 наименования списка литературы.

Выводы по главе 4.

В программе Simulink программного комплекса Matlab созданы математические модели регулятора яркости нового типа и тиристорного регулятора яркости. Модель регулятора нового типа содержит идеальный источник напряжения, двенаддатифазный выпрямитель, пятиуровневый инвертор и эквивалентную нагрузку в виде активно-индуктивной ветви.

Получены данные моделирования работы регулятора нового типа в различных режимах, которые показывают, что входные токи регулятора характеризуются низким содержанием 3, 5, 7 и 9 гармоник, представляющих наибольшие сложности при фильтрации. Полный коэффициент гармонических искажений во всех случаях находится в диапазоне 13−17%.

Система управления регулятором при моделировании подтвердила свою эффективность и обеспечила требуемую точность и быстродействие во всех исследованных режимах.

В процессе моделирования проводилось сравнение работы регулятора нового типа и тиристорного регулятора яркости. Согласно полученным результатам коэффициент мощности регулятора нового типа во всех режимах находится в диапазоне 0,96−0,98, для тиристорного регулятора значение коэффициента мощности значительно зависит от текущего состояния кабельного кольца и режима яркости и без фильтрующих устройств находится в пределах 0,2−0,7.

Разработана модель расчета потерь в ключевых элементах РЯ. На основе этой модели произведено исследование эффективности предложенных РЯ, которое показало, что, во всем диапазоне возможных нагрузок, РЯ характеризуется высокими значениями КПД в номинальных режимах достигающих значений 0,94−0,95. Физическое моделирование основных узлов РЯ подтвердило верность принятых в работе допущений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Созданы схемотехнические решения новых видов РЯ с улучшенными технико-экономическими показателями на базе 12-фазного выпрямителя и многоуровневого инвертора, который позволяет снизить гармонические искажения токов, потребляемых из питающей сети до 10−15%, и токов, передаваемых в нагрузку, до 10−20% а также обеспечить коэффициент мощности в районе 0,96−0,98 для любого режима работы, включая предаварийные режимы, характеризующиеся высокой индуктивной составляющей сопротивления КК.

2. Разработан современный принцип управления РЯ на основе ШИМ с обратной связью по току, позволяющий обеспечить высокое качество регулирования и стабилизации тока нагрузки, а также заданное качество выходного тока при воздействии помех и изменении параметров КК в широком диапазоне.

3. Исследовано влияние параметров /" -образного LC-фильтра на токи питающей сети, на их гармонические искажения и коэффициент мощности. Разработаны инженерная методика проектирования регуляторов яркости и рекомендации по подбору параметров реактивных элементов, входящих в состав РЯ, позволяющие минимизировать массо-габаритные показатели этих устройств.

4. Созданы и исследованы физические модели основных узлов регулятора яркости.

5. В программном комплексе MATLAB разработаны математические модели РЯ, его СУ и эквивалента нагрузки, соответствующего различным состояниям КК, которые позволили оценить эффективность работы РЯ в статических и динамических режимах, а также обеспечить корректировку параметров силовой части регулятора. Кроме того, на основе модели были изучены быстродействие, точность регулирования и помехоустойчивость СУ.