Сравнительный анализ характеристик традиционного автономного инвертора напряжения с dc-dc преобразователем с квази-импедансным инвертором для системы электроснабжения службы управления движением судов



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 U_Ds

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 (u_ВХ) и первая гармоника выходного линейного напряжения (u_AB(1)), напряжение звена постоянного тока (u_DC) и входной ток (i_ВХ) традиционного АИН с dc-dc преобразователем; (б) — напряжение звена постоянного тока (u_DC), пульсации тока в индуктивности (i_L1) и пульсации напряжения на конденсаторе (u_C1) 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.