Информационно-методическое обеспечение для построения электронных имитаторов нагрузки переменного тока

Завершающим этапом при разработке новой техники в области электротехники, включая электрические машины и электротехнические комплексы (ЭТК) различного назначения, является этап натурных её испытаний, на котором производится проверка функциональных и энергетических характеристик всех узлов ЭТК и ЭТК в целом на соответствие их проектному замыслу. Проверка обычно осуществляется путем испытаний узлов на энергорассеивающем имитаторе нагрузки (ИН), который, чаще всего, представляет собой резистивные элементы (или их комбинацию с индуктивными элементами). Очевидно, что такой способ проверки ЭТК является неоправданно энергозатратным, причем тем в большей степени, чем больше мощность испытываемых узлов.

В последние примерно 20 лет благодаря значительным достижениям в области силовой электроники и результатам исследований свойств обратимых преобразователей [2] появилась возможность построения электронных имитаторов нагрузок переменного тока (ЭИН), которые позволяют снизить издержки электроэнергии при испытаниях. Суть идеи построения ЭИН заключается в пропуске энергетического потока (ЭП), потребляемого из сети, через испытуемые узлы ЭТК и в возврате его основной части (за вычетом потерь на преобразование) в сеть. В этом случае уровень не рационального энергорассеяния ЭП уменьшается в К_Э раз:

,

где К_Э – коэффициент эффективности, а – общий коэффициент полезного действия – КПД ЭТК, состоящего из N преобразующих узлов.

При возможном многообразии структур ЭИН базовым их узлом может быть 4-х квадрантный преобразователь (ЧКП) на основе однофазной или трехфазной [2] инверторной схемы (одноканального или многоканального исполнения [3]), способной работать в двух режимах – в режиме малоискажающего выпрямителя (МИВ) и в режиме параллельной работы с сетью (РПС). Для управления ключевыми элементами ЧКП могут использоваться различные алгоритмы ширтно-импульсной модуляции (ШИМ). Необходимое модельное описание взаимосвязей между параметрами ЧКП с ШИМ, включая параметры управления μ₁ , θ₁₍₁₎ и μ₂ , θ₂₍₁₎ (см. ниже), в режимах МИВ и РПС уже получено в [2]. Это позволяет, во-первых, обоснованно определять начальные значения всех параметров ЧКП, знание которых необходимо на этапе его имитационного компьютерного моделирования (ИКМ), а во-вторых, на этой основе при проектировании ЧКП целенаправленно провести параметрическую его оптимизацию. Однако, применительно к решаемой здесь задаче построения ЭИН на базе ЧКП, способного работать в двух указанных режимах, в этой структуре появляются новые взаимосвязи и особенности, которые в литературе не освещены. Их знание, в конечном счете, необходимо при системном проектировании ЭИН.

С учетом изложенного, а также в соответствии с долговременной программой энергосбережения создание информационно-методического обеспечения (ИМО), необходимого для создания ЭТК класса ЭИН, следует считать актуальной задачей.

Исследование проводится при следующих допущениях: 1) отношение тактовой частоты f_T ШИМ к частоте сетевого напряжения f₁ должно быть достаточно большим, например, ; 2) значение емкости буферного конденсатора должно быть таким, чтобы пульсации напряжения на нем не превышали примерно 5÷6%; 3) характеристики ключевых элементов ОМИВ принимаются близкими к идеальным; 4) потери в буферном конденсаторе и в сопрягающим дросселе не учитываются. Допущения 1) и 2) сформированы на основе предварительно проведенного посредством ИКМ исследования с использованием программного обеспечения OrCAD Pspice / Schematics.