Использование регулирования под нагрузкой (РПН) и переключения без возбуждения (ПБВ) для регулирования напряжения силовых трансформаторов обладает рядом недостатков, таких как дискретность регулирования, невозможность компенсации реактивной мощности, износ трансформаторного масла и механических контактов и т.п. Развитие силовой электроники позволило создавать более совершенные устройства регулирования [3]. В [6] описан трансформаторно-тиристорный регулятор напряжения. В [4] рассматривается устройство для плавного регулирования вторичного напряжения силового трансформатора, содержащее ведомый сетью обратимый преобразователь, а также два автономных инвертора, работающих в 180-градусном режиме.
В работе [7] предложен, а затем теоретически исследован трансформатор с векторным управлением [5], в котором напряжение управления создается устройством состоящим из двух активных преобразователей, соединенных звеном постоянного тока. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию такого трансформатора.
Материалы и методы исследования
Ввиду отсутствия в лаборатории трехфазного оборудования эксперимент проводился в однофазном исполнении. Лабораторная установка (рис. 1) состоит из исследуемого трансформатора (1) с активным сопротивлением нагрузки (2) и устройства векторного управления (3)–(12). Питание установки осуществляется от одной из фаз напряжения сети.
Трансформатор (9) включен последовательно с источником напряжения сети. Для регулирования напряжения на выходе трансформатора (9) используется импульсный преобразователь электроэнергии [1], состоящий из активного выпрямителя (4) и автономного инвертора напряжения (6). Между собой преобразователи (4) и (6) соединены на стороне постоянного тока при помощи емкостного накопителя (5) (рис. 1). Силовые блоки преобразователей напряжения (4) и (6) представляют собой однофазные мосты, выполненные на IGBT транзисторах со встречно-включенными диодами и работающих в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Подключение активного выпрямителя напряжения (4) к сети осуществляется при помощи электромагнитного фильтра (3), обеспечивающего подавление высокочастотных гармоник, соответствующих частотному спектру широтно-импульсной модуляции преобразователя.
Активный выпрямитель (4) в системе выполняет две основные функции:
1) работает на сеть переменного тока, обеспечивая двунаправленный поток мощности с высокими энергетическими показателями (cos φ ≈ 1,0 и коэффициент мощности χ ≈ 1,0), что достигается за счет формирования синусоидального тока, совпадающего по фазе или противофазного напряжению сети;
2) стабилизирует постоянное напряжение на выходе.
Система управления АВН (4) построена по принципу подчиненного регулирования с внутренним контуром тока и внешним контуром напряжения [1, 2].
Автономный инвертор напряжения (6) преобразует постоянное напряжение в регулируемое переменное с частотой напряжения сети. Синхронизация системы управления (12) с частотой напряжения сети осуществляется при помощи датчика напряжения (10). Регулирование амплитуды сигнала задания осуществляется потенциометром (11). Выделение основной гармоники напряжения с выхода импульсного преобразователя (6) производится пассивным LC-фильтром (7). Переключение силовых транзисторов преобразователя (6) осуществляется в режиме ШИМ по несимметричному закону управления (однополярная модуляция) [2], что позволяет уменьшить пульсации тока на выходе в два раза по сравнению с симметричным законом, что положительно сказывается на массогабаритных размерах LC-фильтра (7). Резистор (8) предназначен для предотвращения опасных перенапряжений, которые могут возникнуть в процессе включения установки (рис. 1).
В лабораторной установке в качестве импульсного преобразователя электроэнергии используется модуль «Транзисторный преобразователь», мнемосхема которого приведена на рис. 2. Основные типы и параметры силового оборудования экспериментальной установки (рис. 1) приведены в таблице.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки трансформатора с векторным управлением
|
Тип оборудования |
Параметры |
|
Исследуемый трансформатор (1) |
Лабораторный трансформатор. 220/250 В. Сопротивления первичной обмотки: R1 = 17 Ом; X1 = 12 Ом |
|
Активная нагрузка (2) |
Дискретное изменение в диапазоне 400–1600 Ом |
|
Импульсный преобразователь энергии (3)‒(6) |
Напряжение питания ~220 В, мощность 300 ВА, напряжение на выходе до ~250 В |
|
LC-фильтра (7) |
L = 10 мГн, С = 2 мкФ |
|
Резистор (8) |
R = 1600 Ом |
|
Понижающий трансформатор (9) |
ОСМ1-0,063 ВА – 220 В – 42 В |
Измерение напряжений (токов), а также осциллографирование временных зависимостей осуществлялось при помощи информационно-измерительной системы стенда, включающей измерительные приборы (мультиметры, амперметры), датчики напряжения (тока), плату сопряжения датчиков с компьютером и программное обеспечение Delta Profi.
Рис. 2. Мнемосхема транзисторного преобразователя
Таким образом, посредством применения лабораторной установки (рис. 1) мы получили возможность формировать регулируемое, синхронизированное с сетью напряжение управления, вносимое в цепь питания трансформатора (1) последовательно с напряжением сети.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 3 приведены экспериментальные внешние характеристики исследуемого трансформатора U = f(I) при различных значениях коэффициентов модуляции АИН m для двух режимов работы:
1) ρ = 0° – напряжение управления (выход трансформатора (9)) находится в фазе с напряжением сети;
2) ρ = 180° – напряжения управления и сети находятся в противофазе. Здесь U, I – действующие значения напряжения и тока на выходе исследуемого трансформатора (1) соответственно. Для каждого коэффициента модуляции μ = 0,5 (опыты 3 и 4), μ = 0,63 (опыты 2 и 5), μ = 0,75 (опыты 1 и 6) проводилась серия из 3 опытов. На рис. 3 (точки) приведены экспериментальные данные для одной серии опытов.
Для каждого опыта построена прямая регрессионная зависимость U(I) = UXX – ZI, коэффициенты в которой получены методом наименьших квадратов. Здесь UXX и Z – напряжение холостого хода и внутреннее сопротивление эквивалентного генератора. Правильность выбора функции регрессии была подтверждена расчетом коэффициента корреляции, значение которого для всех опытов превышало 0,996. Относительные ошибки в определении коэффициентов для каждого опыта составляли не более 2,2 % (для UXX) и не более 14 % (для Z). На рис. 3 прямыми показаны линии регрессии.
Мягкость внешних характеристик исследуемой системы объясняется высокими значениями сопротивлений обмоток трансформаторов (1) и (9).
Расчетные значения коэффициентов для всех опытов UXX использовались для построения регрессионной зависимости UXX(μ) = E – ΔEμ. Правильность выбора функции регрессии также была подтверждена расчетом коэффициента корреляции, значение которого было равно 0,988. Относительные ошибки в определении коэффициентов составляли 0,7 % (для E) и 7,6 % (для ΔE).
На рис. 4 регулировочная характеристика трансформатора с векторным управлением на холостом ходу UXX(μ) показана точками для расчетных значений UXX для каждого из опытов и линией для рассчитанной регрессионной функции. На рис. 4 условно положительным значениям коэффициента модуляции m соответствует режим работы ρ = 0°, когда напряжения управления и сети совпадают по фазе, а условно отрицательным m ‒ режим ρ = 180° при противофазных напряжениях.
Рис. 3. Экспериментальные внешние характеристики исследуемого трансформатора (1 – μ = 0,75, ρ = 0°; 2 – μ = 0,63, ρ = 0°; 3 – μ = 0,5, ρ = 0°; 4 – μ = 0,5, ρ = 180°; 5 – μ = 0,63, ρ = 180°; 6 – μ = 0,75, ρ = 180°)
Рис. 4. Регулировочная характеристика трансформатора с векторным управлением
Значения напряжения холостого хода при отсутствии регулирования E и вольтодобавочной ЭДС ΔE были измерены вольтметром с относительной ошибкой 1,5 %. В обоих случаях результаты измерений попали в доверительный интервал, полученный при статистической обработке опытных данных.
Теория трансформатора с векторным управлением [5] была развита с учетом допущений, характерных для мощных высоковольтных энергетических установок, при описании электромагнитных процессов в которых пренебрегают активными сопротивлениями. В экспериментальном исследовании на учебном лабораторном стенде это допущение не выполняется. Поэтому сравнение теоретических и экспериментальных результатов возможно выполнить только качественно.
Проведенная статистическая обработка экспериментальных данных позволяет учесть все случайные и систематические ошибки, допущенные при проведении эксперимента. Результаты статистической обработки свидетельствуют об отсутствии ошибочных данных в исходной выборке. В результате статистической обработки экспериментальных данных установлено, что нагрузочная характеристика трансформатора является линейной функцией, что соответствует его теории при общепринятых допущениях. Также установлено, что зависимость UXX(μ) является линейной функцией, что соответствует теории активных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией.
а 
б
в 
г
Рис. 5. Осциллограммы: 1‒ напряжения сети; 2‒ напряжения управления; 3 ‒ напряжения на входе исследуемого трансформатора; 4 ‒ напряжения на выходе исследуемого трансформатора; 5 ‒ тока сети
На рис. 5 приведены осциллограммы токов и напряжений на элементах исследуемой схемы. Данные были получены при ρ = 0° и μ = 0,75. На осциллограммах видно, что напряжение управления (2) синфазно напряжению сети (1). Анализ полученных осциллограмм с учетом уменьшения амплитуды напряжения управления в соответствии с коэффициентом трансформации KT = 220/42 трансформатора (9) показал адекватность результатов общим законам электротехники, записанных для первой гармоники. В напряжении управления (рис. 5, а) очевидно наличие канонических высших гармоник, что объясняется ограничениями минимального и максимального коэффициентов заполнения включения силовых ключей преобразователя (6), а также искажениями формы сигнала управления (напряжения сети) на входе системы управления (12). Ток питающей сети практически синусоидален и находится в фазе с напряжением питающей сети.
Выводы
1) экспериментально продемонстрирована возможность плавного изменения выходного напряжения трансформатора, осуществляемого устройством векторного управления;
2) полученные внешние характеристики трансформатора с векторным управлением качественно согласуются с теоретическими зависимостями;
3) показана линейность регулировочной характеристики исследуемого трансформатора;
4) временные зависимости электромагнитных процессов, протекающих в исследуемом устройстве, качественно согласуются с теоретическими зависимостями.
Рецензенты:
Ганджа С.А., д.т.н., профессор, декан энергетического факультета, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)», г. Челябинск;
Воронин С.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электромеханика и электромеханические системы», ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)», г. Челябинск.
Работа поступила в редакцию 12.02.2015.
Южно-Уральский государственный университет https://susu.ru