Рубрики
Составляющие силовой электроники

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть Сергей Герман-Галкин

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть Сергей Герман-Галкин

Данная статья продолжает цикл публикаций по разработке методики модельного исследования вторичных источников питания (ВИП) силовых полупроводниковых преобразователей, включенных в замкнутую систему электропривода. В статье рассматривается электропривод, ВИП которого обеспечивает рекуперацию энергии в сеть переменного тока. Для моделирования употребляются блоки библиотек Simulink и SimPowerSystems (уроки 1–5). Представление результатов моделирования реализуется программными и инструментальными средствами MATLAB (урок 6). Главные свойства устройств силовой электроники рассмотрены в уроке 7.

Все статьи цикла:

  • Урок 1. Моделирование устройств силовой электроники. Главные инструментарии Simulink.
  • Урок 2. Библиотека SimPowerSystems.
  • Урок 3. Построение SPS-моделей с полупроводниковыми элементами.
  • Урок 4. Анализ динамических параметров устройств силовой электроники во временной области
  • Урок 5. Анализ параметров устройств силовой электроники в частотной области.
  • Урок 6. Моделирование устройств силовой электроники. Программные и инструментальные средства представления результатов
  • Урок 7. Модельное исследование главных черт силовых полупроводниковых преобразователей. Моделирование устройств силовой электроники
  • Урок 8. Создание виртуальных лабораторий в среде Matlab – Simulink
  • Урок 9. Вторичные источники питания в полупроводниковом электроприводе
  • Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть
  • Урок 11. Виртуальные лаборатории импульсных источников питания
  • Урок 12. Исследование импульсного повышающего регулятора неизменного напряжения
  • Урок 13. Исследование импульсного инверсного повышающего регулятора неизменного напряжения
  • ШКОЛА MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде MATLAB–Simulink Урок 14. Анализ, расчет и исследование корректора коэффициента мощности

Предшествующая статья: Школа MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде MATLAB-Simulink. Урок 9. Вторичные источники питания в полупроводниковом электроприводе

Для моделирования употребляются блоки библиотек Simulink и SimPowerSystems (уроки 1-5) [5-9]. Представление результатов моделирования реализуется программными и инструментальными средствами MATLAB (урок 6) [2]. Главные свойства устройств силовой электроники рассмотрены в уроке 7 [3].

Введение

В предшествующей статье [4] показано, что в электроприводе неизменного тока с широтно-импульсным преобразователем (ШИП), выполняющим функцию силового регулятора, и выпрямителем с емкостным фильтром, выполняющим функцию вторичного источника питания (ВИП), энерго процессы в ВИП зависят от структуры и характеристик замкнутого электропривода.

А именно, в одноконтурном электроприводе, работающем в генераторном режиме, механическая энергия вала скапливается в конденсаторе фильтра или рассеивается в специальной цепи сброса энергии. Аналогично ведут себя системы переменного тока с автономным инвертором напряжения (АИН) в качестве силового полупроводникового преобразователя.

В системах маломощных (примерно до 500 Вт) отмеченные особенности обычно не приводят к значимым ухудшениям энергетических черт. В системах большей мощности применение в ВИП выпрямителя, даже снабженного цепью сброса энергии, не обеспечивает генераторного режима работы как при переходных процессах, так и, тем паче, в установившихся режимах работы. Универсальное решение для обеспечения всех режимов работы исполнительной машины в электроприводе и улучшения энергетических черт систем реализуется методом использования сетевого инвертора. Основное достоинство сетевого инвертора в системе электропривода — это его способность рекуперировать энергию в сеть переменного тока.

Схема подсистемы электропривода «сеть — вторичный источник питания — силовой полупроводниковый преобразователь — электронная машина»

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

В значимом числе применений первичным источником питания в электроприводе является сеть переменного тока. В данном случае широтно-импульсные преобразователи и автономные инверторы (ШИП, АИН) запитываются от вторичных источников питания (ВИП). К этим ВИП, не считая обыденных требований, предъявляются специальные требования, которые обоснованы необходимостью управлять запасенной (время от времени генерируемой) механической системой кинетической либо возможной энергией.

Полупроводниковые преобразователи со звеном неизменного тока (ШИП, АИН) с широтно-импульсными методами управления владеют способностью передавать энергию как от звена неизменного тока к исполнительной машине, так и от машины к звену неизменного тока, другими словами такие преобразователи владеют двухсторонней управляемой энергетической связью. Для реализации двухсторонней энергетической связи меж звеном неизменного тока и сетью употребляется, как это было отмечено выше, сетевой инвертор.

Схема подсистемы, включающая вторичный источник питания и силовой преобразователь с электронной машиной, представлена на рис. 1.

В этой схеме силовой преобразователь совместно с машиной приведен к звену неизменного тока и заменен пассивной R, L нагрузкой и управляемым источником ЭДС Е. Такая подмена справедлива и для систем неизменного тока с ШИП, и для систем переменного тока с АИН. На выходе ВИП всегда врубается конденсатор фильтра. Дифференциальное уравнение для определения тока нагрузки имеет вид:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Если электронная машина, включенная на выходе преобразователя, работает в двигательном режиме, то напряжение Ud на конденсаторе фильтра превосходит противо-ЭДС E(t) и ток в нагрузке положительный, а энергия ориентирована от сети к машине. Если электронная машина, включенная на выходе преобразователя, работает в генераторном режиме, то противо-ЭДС E(t) превосходит напряжение Ud на конденсаторе фильтра, ток в нагрузке отрицательный, а энергия ориентирована от машины к сети. Полупроводниковый преобразователь ВИП в данном случае должен создавать пути для протекания отрицательного тока нагрузки во избежание нарастания напряжения на конденсаторе выше допустимого. Динамика электропривода в уравнении (1) определяет поведение противо-ЭДС E(t). Но для энергетических черт преобладают установившиеся процессы. Другими словами, если в установившихся режимах (двигательном либо генераторном) ВИП обеспечивает передачу энергии меж источником переменного тока и исполнительной электронной машиной, то и в переходных режимах работы электропривода двухсторонняя передача энергии будет обеспечена, а напряжение на конденсаторе не поменяется.

Преобразование координат

Описания электрических процессов в трехфазных системах переменного тока существенно упрощаются при использовании способа результирующего вектора [3, 4].

Результирующий вектор напряжения питающей сети находится из уравнения:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Величины, входящие в уравнение, определяются из выражений:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Согласно уравнению (2), результирующий вектор напряжения сети крутится в всеохватывающей плоскости с угловой скоростью ω1 = 2πf1.

Результирующий вектор напряжения сети может быть представлен в последующих декартовых системах координат:

  1. В недвижных координатах, которые обозначаются через α и β, при этом ось α совмещается с реальной осью всеохватывающей плоскости, а ось β — с надуманной.

  2. Во вращающейся с синхронной скоростью ω1 = 2πf1 системе координаты — x, y (x — вещественная ось, y — надуманная ось).

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Разглядим обоюдное преобразование результирующего вектора в рассмотренных системах координат.

Математическая база преобразования поясняется на рис. 2.

В недвижной системе координат (а, в) вектор напряжения может быть представлен в алгебраической и показательной форме:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Аналогично в системе крутящихся координат ( x, y) тот же самый вектор может быть представлен в виде:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Отсюда просто получить уравнения перехода от недвижной системы координат (α, β) к вращающейся (x, y) и напротив:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Преобразование двухфазной недвижной системы координат в трехфазную осуществляется в согласовании с выражениями:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Подобные преобразования осуществляются для трехфазного тока в источнике питания и первой гармоники ЭДС на выходе трехфазного инвертора.

При анализе и синтезе трехфазных систем переменного тока преобразование координат реализуется аппаратными и программными средствами в системе управления.

Разглядим электрические и энерго процессы в инверторе (рис. 1), присоединенном к питающей сети в синхронно вращающейся системе координат x, y. Тут инвертор с одной стороны подключен к сети с напряжением U1, с другой — к цепи с напряжением Ud. Прищипиальньгм свойством этой схемы является всепостоянство величины напряжения сети U1.

Сам инвертор представлен преобразователем, который по отношению к сети переменного тока генерирует результирующий вектор ЭДС, 1-ая гармоника этой ЭДС равна:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

где μ1 — коэффициент модуляции, φ1мод — фаза напряжения модуляции по отношению к напряжению сети.

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгоффа, для схемы (рис. 1) запишется в виде

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

где E01, U1, I1 — результирующие векторы ЭДС на выходе инвертора, напряжения и тока сети.

По отношению к сети переменного тока инвертор может работать и как генератор активной мощности (инвертор), и как потребитель активной мощности (активный выпрямитель). При всем этом активная мощность в сети определяется уравнением:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

где x1 = 2πf1L1, L1 — индуктивность на входе инвертора, m1 — число фаз.

Из уравнения (11) следует, что при φ1мод ≥ 0 инвертор генерирует в сеть активную мощность. При φ1мод ≤ 0 инвертор потребляет из сети активную мощность. При φ1мод = 0 вся система работает в режиме холостого хода.

Реактивная мощность, потребляемая инвертором, определяется уравнением:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Зависимо от знака в скобках (12) инвертор может потреблять реактивную (индуктивную) либо реактивную (емкостную) мощность.

Векторные диаграммы всех вероятных режимов работы системы представлены на рис. 3. На векторных диаграммах в качестве базисного вектора принят результирующий вектор напряжения сети U1 = 2/3( uA + auB + U²uC), направленный по оси y.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Разглядим векторные диаграммы, показанные на рис. 3.

Активная и реактивная мощность в системе определяются уравнениями:

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Если I1Y < 0, то инвертор генерирует активную мощность в сеть (инвертор). Если I1Y > 0, то инвертор потребляет активную мощность из сети (активный выпрямитель).

В обоих режимах работы инвертор потребляет из сети реактивную (емкостную) мощность до того времени, пока I1X < 0. При I1X > 0 инвертор потребляет из сети реактивную (индуктивную) мощность.

Таким макаром, для раздельного, независящего регулирования активной и реактивной мощности нужно организовать векторное управление инвертором с отрицательной оборотной связью по току в синхронно вращающейся системе координат (x, y), связанной с результирующим вектором напряжения сети, тогда проекция тока I1Y обусловит активную мощность сети, а проекция I1X— реактивную.

Модельное исследование напряжения на конденсаторе ВИП в замкнутом электроприводе

Основной задачей управления ВИП в замкнутом электроприводе является стабилизация напряжения на конденсаторе фильтра в звене неизменного тока. В качестве дополнительной задачки обычно выдвигается требование поддержания коэффициента мощности равным единице. Модель, которая позволяет изучить энерго свойства сетевого инвертора при данном стабилизированном напряжении в звене неизменного тока и раздельном управлении по проекциям тока в сети Ix и Iy, представлена на рис. 4.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Разработка модели ВИП в замкнутом электроприводе осуществлялась при использовании структурно-функциональных (пакет Simulink) и виртуальных (пакет расширения SimPowerSystems) моделей [10, 11]. Каждый блок пакетов Simulink и SimPowerSystems имеет окно опции главных характеристик. Библиотеки, наименования, пиктограммы и характеристики блоков представлены в таблице 1. В блоке x, y — ABC (рис. 4) осуществляется преобразование из вращающейся системы координат (x, y) в недвижные А, В, С в согласовании с уравнениями (7, 8). В блок Hist_Control включены три релейных регулятора, реализующие «токовый коридор» в инверторе. Для того чтоб сетевой инвертор не потреблял реактивной мощности, ток по оси x (Ix) задается равным нулю.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Для стабилизации напряжения в звене неизменного тока сетевого инвертора контур регулирования тока по оси y строится как подчиненный контуру стабилизации напряжения, в каком употребляется ПИД-регулятор. В рассматриваемом модельном опыте ток нагрузки в течение времени моделирования меняется за счет конфигурации противо-ЭДС.

Модель подсистемы, обозначенной как xy_ ABC, в какой осуществляется преобразование синхронно вращающейся системы координат x, y в недвижную систему координат, и задающей токи в фазах A, B, C инвертора, показана на рис. 5. Она содержит библиотечные блоки, которые приведены в таблице 2. Подсистема Hit_Control представляет собой релейные регуляторы, модель этой подсистемы показана на рис. 6, а характеристики помещены в таблицу 2.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Модель измерительной подсистемы Subsystem показана на рис. 7. В модели употребляются рассмотренные выше входные и выходные порты и два блока гармонического анализа из библиотеки SimPowerSystems Extras Measurement.

На рис. 8 представлены квазиустановив-шиеся процессы в системе, когда ток на выходе ВИП меняется по трапецеидальному закону. В данном случае на временном интервале, где ток нагрузки постоянен, имеет место установившийся режим работы системы (двигательный при положительном токе, генераторный — при отрицательном). На временном интервале, где ток изменяется по линейному закону, имеет место переходный режим работы системы. Таким макаром, при трапецеидальном токе в нагрузке ВИП можно изучить как переходные, так и установившиеся режимы работы системы. Результаты моделирования демонстрируют, что напряжение на конденсаторе при рассмотренных квазиустановившихся режимах работы системы меняется некординально.

Электрические свойства в установившемся режиме работы системы показаны на рис. 9. Для получения электрических черт во всем спектре конфигурации тока нагрузки ВИП в модели в блоке Repeating Sequence формируется линейно изменяющийся сигнал. При всем этом скорость конфигурации этого сигнала подбирается таковой, чтоб составляющей L(diH/dt) по сопоставлению с RiH в уравнении (1) можно было пренебречь, чем и достигается установившийся режим работы ВИП при различном токе нагрузки. Для построения главных черт представленных на рис. 9 служит программка, помещенная в листинге 1.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

При всем этом отрицательный ток соответствует генераторному режиму работы системы, а положительный ток — двигательному.

Свойства (рис. 9), приобретенные на модели, демонстрируют, что ток I1 в сети возрастает при росте тока нагрузки ВИП0 как в двигательном, так и в генераторном режиме работы системы электропривода. Потребление энергии из сети либо рекуперация энергии в сеть определяется фазой тока относительно напряжения. В генераторном режиме фаза тока относительно напряжения равна 180°, а в двигательном — 0°.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть

Наружняя черта ВИП, представляющая собой зависимость напряжения на его выходе от тока на выходе, довольно жесткая при изменении тока в нагрузке (рис. 9).

Программка для построения энергетических черт представлена в листинге 2.

Энерго свойства системы, приобретенные на модели, представлены на рис. 10.

Положительная активная мощность на входе и выходе ВИП соответствует режиму передачи энергии из сети в нагрузку (режим выпрямителя), отрицательная — режиму рекуперации энергии в сеть. Утраты мощности в инверторе определяются значением Р2 при Р1 = 0. Ток в питающей сети и его диапазон в режиме активного выпрямителя показаны на рис. 11.

Школа MATLAB. Моделирование устройств силовой электроники. Урок 10. Вторичный источник питания полупроводникового электропривода с рекуперацией энергии в сеть