Сравнительный анализ характеристик традиционного автономного инвертора напряжения с dc-dc преобразователем с квази-импедансным инвертором для системы электроснабжения службы управления движением судов | Статья в сборнике международной научной конференции

Библиографическое описание:

Тюфанова А. А. Сравнительный анализ характеристик традиционного автономного инвертора напряжения с dc-dc преобразователем с квази-импедансным инвертором для системы электроснабжения службы управления движением судов [Текст] // Технические науки: традиции и инновации: материалы III Междунар. науч. конф. (г. Казань, март 2018 г.). — Казань: Молодой ученый, 2018. — С. 76-83. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/287/13788/ (дата обращения: 21.08.2018).



Проведено компьютерное моделирование системы электроснабжения СУДС для сравнения характеристик традиционного автономного инвертора напряжения с dc-dc преобразователем с квази-импедансным инвертором.

Ключевые слова: система управления движением судов, электроснабжения, инвертор.

Практические исследования показали, что малейший сбой электропитания приводит к выходу из строя чувствительной аппаратуры системы управления движением судов (СУДС), сокращает срок службы оборудования, может повлечь за собой потерю информации, привести к аварийной ситуации в акватории порта [1]. Электроснабжение Центров СУДС первой и высшей категории обеспечивается по особой группе первой категории надежности, которая включает в себя: две линии промышленного электроснабжения с автоматическим резервированием; резервный дизель-генератор с устройством автоматического ввода резерва; автономный источник бесперебойного питания. Электроснабжение объектов СУДС осуществляется с помощью: линии промышленного электроснабжения; резервного дизель-генератора с устройством автоматического ввода резерва; автономного источника бесперебойного питания [2]. Поэтому, проблема качества электрической энергии является важной и актуальной не только в области энергетики, но и в системах централизованного и автономного электроснабжения СУДС.

Для решения этой проблемы предлагаются различные варианты технических решений, которые основаны на использовании полупроводниковых преобразователей электрической энергии (ЭЭ), определенное место среди которых занимают автономные инверторы напряжения (АИН) [3]. Под АИН понимаем специальное электронное силовое устройство для преобразования постоянного тока в переменный с регулируемыми напряжением и частотой. Кроме того, АИН — это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной. Инверторы применяют как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе системы бесперебойного электроснабжения (UPS) СУДС. В составе UPS инверторы позволяют получить непрерывное электроснабжение компьютерных систем.

В крупных устройствах бесперебойного электроснабжения СУДС применяются мощные инверторы с аккумуляторами значительной емкости, способные автономно питать потребителя часами, независимо от сети. Когда сеть снова вернется в нормальное состояние, то UPS автоматически переключит потребителя напрямую к сети и аккумуляторы начнут заряжаться.

В современных технологиях преобразования электроэнергии инвертор выступает промежуточным звеном, функция которого — преобразовать напряжение путем трансформации на высокой частоте (десятки и сотни килогерц). На сегодняшний день решить такую задачу можно, поскольку для разработки и конструирования инверторов доступны как полупроводниковые ключи, способные выдерживать токи в сотни ампер, так и магнитопроводы необходимых параметров, и специально разработанные для инверторов электронные микроконтроллеры (включая резонансные) [3].

Основными требованиями к инверторам являются: высокий КПД, надежность, малые габаритные размеры и незначительный вес. Необходимо, чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал сильных импульсных помех для потребителей.

Поскольку в состав системы электроснабжения СУДС входит аккумуляторная батарея (АБ), то существует необходимость в повышении и выравнивании напряжения звена постоянного тока в составе системы генерирования.

Согласование напряжений источников постоянного напряжения и требуемого выходного напряжения производится с помощью dc-ac преобразователей. Традиционно в состав таких преобразователей входит dc-dc преобразователь, согласующий напряжения в звене постоянного тока, и АИН, формирующий переменное напряжение на нагрузке. Существует много топологий dc-ac преобразователей для работы в различных режимах [4,5].

Квази-импедансные инверторы нашли широкое применение в системах электроснабжения, поскольку они обеспечивают высокую надежность однократного преобразования ЭЭ и необходимых режимов работы источников постоянного напряжения, по сравнению с традиционными АИН [6,7].

При проектировании полупроводниковых преобразователей (ПП), работающих в системе электроснабжения без соединения с сетью, например, при питании удаленных объектов СУДС на островах, возникает проблема — работа при малой нагрузке и на холостом ходу (ХХ) в режиме повышения напряжения звена постоянного тока.

Традиционное решение данной проблемы — подключение балластной нагрузки для утилизации избыточной ЭЭ в звене постоянного тока, часто бывает не только крайне неэффективно (в виду значительных потерь энергии в балластной нагрузке), но и невозможно.

Квази-импедансные инверторы (КИИ), разработанные для работы от источников постоянного напряжения, для которых критична форма потребляемого тока, являются относительно новыми типами ПП. Поэтому они еще мало изучены, особенно в многоуровневых трехфазных вариантах. Следовательно, исследование КИИ и улучшение их характеристик является актуальной задачей.

Для сравнения характеристик традиционного АИН с dc-dc преобразователем с КИИ проведем компьютерное моделирование системы электроснабжения СУДС с использованием программного пакета «PowerSim» [8].

Схема модели АИН с dc-dc преобразователем представлена на рис. 1; схема модели КИИ — рис. 2; схема модели системы управления АИН с dc-dc преобразователем — рис. 3; схема модели системы управления КИИ — рис. 4; схема блока расчета задающего сигнала UDs — рис.5.

Рис. 1. Схема модели АИН с dc-dc преобразователем

Рис. 2. Схема модели КИИ

Рис. 3. Схема модели системы управления АИН с dc-dc преобразователем

Рис. 4. Схема модели системы управления КИИ

Рис. 5. Схема блока расчета задающего сигнала UDs

Предположим, что входной источник постоянного напряжения — идеальный, а транзисторы и диоды представлены в модели тепловыми модулями с параметрами соответствующими реальным приборам. На выходе преобразователя установлен LC-фильтр. Нагрузка трехфазная активная. Система управления традиционным АИН представляет собой синусоидальную широтно-импульсную модуляцию с двумя опорными сигналами, сдвинутыми друг относительно друга на 1800. Транзистор dc-dc преобразователя управляется импульсами постоянной длительности, формируемыми путем сравнения треугольного опорного сигнала с постоянным задающим.

Система управления КИИ реализует тот же принцип, что и для традиционного АИН с добавлением импульсов формирования состояния короткого замыкания. Параметры обоих моделей преобразователей рассчитаны с помощью следующих формул [8]:

,

,

.

Рассчитанные и выбранные для расчета параметры, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры моделей

Параметр

3У АИН+dc-dс преобразователь

3У КИИ

Коэффициент повышения

Индуктивности

Емкости

Коэффициент повышения

Индуктивности

Емкости

Входное напряжение

UBX = 490B;

Мощность нагрузки

PВЫХ = 1 КВт;

Выходная частота f = 50 Гц;

Частота коммутации

fK = 50 КГц;

Выходной коэффициент повышения

G = 1.33;

В = 1.33

γ = 0.25

Коэффициент пульсаций тока

KL = 0.7;

L1 = 1700 мкГн

Коэффициент пульсаций напряжения

KC = 0.0001;

С1 = С2 = 470 мкФ

Выходной коэффициент повышения

G = 1.33;

В = 1.667

DS = 0.2

Коэффициент пульсаций тока

KL = 0.7;

L1 = L2 = =L3 = L4 = 900 мкГн

Коэффициент пульсаций напряжения

KC1 = 0.001;

С1 = С4 = 200 мкФ

KC1 = 0.00025;

С2 = С3 = 200 мкФ

На рис. 6 изображены временные диаграммы токов и напряжений для обеих топологий.

Рис. 6. Временные диаграммы традиционного АИН с повышающим dc-dc преобразователем и КИИ: (а) — напряжение входного источника питания (uВХ) и первая гармоника выходного линейного напряжения (uAB(1)), напряжение звена постоянного тока (uDC) и входной ток (iВХ) традиционного АИН с dc-dc преобразователем; (б) — напряжение звена постоянного тока (uDC), пульсации тока в индуктивности (iL1) и пульсации напряжения на конденсаторе (uC1) в масштабе периода коммутации традиционного АИН с dc-dc преобразователем; (в) и (г) те же диаграммы для КИИ

Диаграммы тока в дросселе и напряжения на конденсаторе показывают, что пульсации находятся в пределах расчетных параметров. Поэтому, выражения, полученные для расчета дросселей и конденсаторов, справедливы для обоих преобразователей. В таблице 2 приведены численные результаты моделирования.

Таблица 2

Результаты моделирования

Преобразователь

АИН сdc-dc преобразователем

КИИ

Максимальное напряжение звена постоянного тока UDC, В

652

803

Входной ток IIN, A

1,95

2,01

Пульсации входного тока ΔIIN, A

1

1

Выходное линейное напряжение UAB(действ), В

390

391

Эффективность, %

89,5

95,6

По полученным результатам построим характеристики для исследуемых схем: внешняя характеристика (рис.7, а), и зависимость коэффициента гармоник выходного линейного напряжения от коэффициента передачи преобразователя (рис.7, б).

Рис. 7. Сравнительные характеристики АИН с dc-dc преобразователем и КИИ: (а) внешняя характеристика; (б) зависимость коэффициента гармоник выходного линейного напряжения от коэффициента передачи преобразователя

Т.о., проведенное моделирование показало, что внешнюю характеристику всех исследуемых преобразователей можно условно разделить на два участка:

– жесткий — соответствующий характеристике традиционного АИН;

– мягкий — имеет место в диапазоне нагрузки близкой к холостому ходу. На данном участке происходит повышение напряжения звена постоянного тока выше расчетной величины за счет того, что на рабочем интервале коммутации энергия, накопленная в LC-контуре на интервале короткого замыкания, не успевает сбрасываться в нагрузку.

Переход в мягкий участок характеристики происходит при мощности нагрузки около 10 % от номинальной для КИИ и около 7 % от номинальной для АИН с dc-dc преобразователем.

Зависимость коэффициента гармоник, который является отношением суммы амплитуд высших гармоник к первой, у КИИ ниже, чем у традиционного АИН в области низкой модуляции, но значительно повышается в области коэффициента передачи больше 1. Это связано с тем, что традиционный АИН с dc-dc преобразователем использует для накопления энергии отдельно-коммутируемый контур, а КИИ — дополнительное состояние ключей инвертора.

Применение КИИ в системе электроснабжения является возможным и актуальным, поскольку они позволят повысить надежность всей СУДС.

Литература:

  1. Тюфанова, А. А. Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность технических средств системы управления движением судов// Надежность № 4 (55). — М: ООО «Издательский дом «Технологии»", 2015.
  2. Системы управления движением судов: технико-эксплуатационные требования. М:2002.
  3. Hung-Cheng, C. Stand-alone hybrid generation system based on renewable energy/ Hung-Cheng C., Po-Hung C., Long-Yi C., Wei-Xin B.//International Journal of Environmental Science and Development. — Vol. 4. — No.5. — October 2013. — P. 514–520.
  4. Капустин, И. В. Математическое моделирование и анализ импульсного повышающего преобразователя напряжения/ И. В. Капустин, А. В. Лукашенков // Известия ТулГУ. Технические науки. — 2013. — Вып. 2. — С.126–135.
  5. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника/ В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. — М.: КНОРУС, 2013. — 800 с.
  6. Гусев, А. А. Трехуровневый квази-импедансный инвертор с новым методом модуляции // Техническая электродинамика. Тематич. выпуск СЭЭ. — Харьков. — 2012. — Ч. 1. — с.47 -52.
  7. Панфилов, Д. В. Трехфазный трехуровневый квази-импедансный инвертор для автономных систем электроснабжения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, 2016. — 32 с.
  8. Степенко, С. А. Экспериментальное исследование трехуровневого инвертора напряжения с квази-импедансным звеном на входе//Энергосбережение, энергетика, энергоаудит № 8 (114), т. 1, 2013. — с.74–84.
Основные термины (генерируются автоматически): преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток, напряжение, внешняя характеристика, система электроснабжения.

Похожие статьи

Эффективность работы активного фильтра гармоник

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток, напряжение, внешняя характеристика, система электроснабжения.

Измерительный преобразователь для биоимпедансного...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток, напряжение, внешняя характеристика, система электроснабжения.

Цифровой импульсный понижающий преобразователь...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной... Разработка параллельного преобразователя | Статья в журнале...

Разработка параллельного преобразователя | Статья в журнале...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение... Гидравлическая система ветрогенератора для регулирования...

Применение пассивных фильтров для компенсации высших...

электрическая энергия, частотный преобразователь, система электроснабжения, учет работы, преобразователь частоты, параметр системы электроснабжения, зависимость тока, активный фильтр гармоник...

Инвертор напряжения преобразователя частоты, как правило...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток...

Алгоритм расчета переходных процессов стабилизированного...

Основные термины (генерируются автоматически): входной ток, конец работы, блок, тип, выходное напряжение, номинальное значение, входное напряжение, переходной процесс, напряжение, неизменное входное

Эффективность работы активного фильтра гармоник.

Выбор емкости конденсатора звена постоянного тока двухзвенного...

Инвертор напряжения преобразователя частоты, как правило, реализуют либо на транзисторах, либо на полностью управляемых

Качество напряжения звена постоянного тока отражается на качестве формируемого выходного напряжения и как следствие тока нагрузки.

Исследование параллельно-последовательного преобразователя

параллельный преобразователь, выходное напряжение, регулировочная характеристика, структурная схема ветрогенератора, упрощенная

Основные термины (генерируются автоматически): преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Эффективность работы активного фильтра гармоник

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток, напряжение, внешняя характеристика, система электроснабжения.

Измерительный преобразователь для биоимпедансного...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток, напряжение, внешняя характеристика, система электроснабжения.

Цифровой импульсный понижающий преобразователь...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной... Разработка параллельного преобразователя | Статья в журнале...

Разработка параллельного преобразователя | Статья в журнале...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение... Гидравлическая система ветрогенератора для регулирования...

Применение пассивных фильтров для компенсации высших...

электрическая энергия, частотный преобразователь, система электроснабжения, учет работы, преобразователь частоты, параметр системы электроснабжения, зависимость тока, активный фильтр гармоник...

Инвертор напряжения преобразователя частоты, как правило...

преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение, зависимость коэффициента гармоник, входной ток...

Алгоритм расчета переходных процессов стабилизированного...

Основные термины (генерируются автоматически): входной ток, конец работы, блок, тип, выходное напряжение, номинальное значение, входное напряжение, переходной процесс, напряжение, неизменное входное

Эффективность работы активного фильтра гармоник.

Выбор емкости конденсатора звена постоянного тока двухзвенного...

Инвертор напряжения преобразователя частоты, как правило, реализуют либо на транзисторах, либо на полностью управляемых

Качество напряжения звена постоянного тока отражается на качестве формируемого выходного напряжения и как следствие тока нагрузки.

Исследование параллельно-последовательного преобразователя

параллельный преобразователь, выходное напряжение, регулировочная характеристика, структурная схема ветрогенератора, упрощенная

Основные термины (генерируются автоматически): преобразователь, UPS, КИй, инвертор, выходное линейное напряжение...

Задать вопрос