КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-10055

НазваниеПовышающие регуляторы переменного напряжения для компенсации несимметрии в трехфазной сети

РуководительУдовиченко Алексей Вячеславович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-406 - Энергосбережение при передаче и потреблении энергии

Ключевые словаСиловая электроника, синтез схем, прямые методы расчета, цепи с переменными параметрами, регулятор переменного напряжения, маловентильный регулятор, компенсатор, стабилизация, несимметрия, электромагнитная совместимость, алгоритм управления, микропроцессорная система управления, IGBT транзистор, ключ переменного тока, безтрансформаторный

Код ГРНТИ45.37.31

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Необходимость улучшения качества электрической энергии актуальна для всех сетей переменного тока, что требует создания соответствующих устройств силовой электроники на базе автономных инверторов напряжения или инверторов тока. В подобных преобразователях используются громоздкие, дорогие реактивные элементы, такие как электролитические конденсаторы или реакторы. Во многих современных автоматических регуляторах напряжения (AVR – Automatic Voltage Regulator) в качестве устройства преобразования до сих пор применяется автотрансформатор. В наиболее продвинутых инверторных устройствах нового поколения используется технология двойного, бестрансформаторного преобразования электроэнергии. В зависимости от типа напряжения питающей сети, на которую рассчитаны регуляторы переменного напряжения, существуют однофазные, трехфазные и устройства, имеющие конфигурацию 3:1 («три в один»). Первые применяются только для стабилизации питания однофазных электроприборов. Трехфазные регуляторы предназначены для работы в трехфазных сетях для питания оборудования, рассчитанного на 380 В, но при пофазном распределении нагрузки могут быть использованы и для питания однофазных электроприборов. В Российской Федерации начинает наблюдаться постепенное увеличение спроса на регуляторы переменного напряжения, что с одной стороны объясняется невысоким качеством сетевой электроэнергии, а с другой – постоянно растущими требованиями электрооборудования к характеристикам питающего напряжения. Анализ российского рынка регуляторов переменного напряжения показывает следующую картину. Объем рынка в 2020 году оценивается в 517 млн. рублей (6,89 млн. долларов США на 6 декабря 2021 года). Частные домовладения, а также предприятия подключены к трехфазной сети. В этом случае надо выбирать между приобретением одного стабилизатора на три фазы, или трех однофазных (каждый стабилизатор на одну фазу). Полезно знать, что, когда напряжение на одной из фаз пропадает, то в существующих трехфазных стабилизаторах полностью отключаются другие две фазы, что нежелательно. Регуляторы переменного напряжения бывают сетевыми и магистральными. Сетевые рассчитаны на отдельные устройства и подключаются к обычной розетке. Магистральные регуляторы переменного напряжения используются для питания всех энергопотребляющих устройств в помещении, включая осветительные приборы. Они подключаются непосредственно к электромагистрали. Мощность этих приборов обычно превышает 4 кВт, в частных домовладениях, и 40 кВт на предприятиях. Значительный уровень мощности определяет строгие ограничения на вид регулятора переменного напряжения. Это обусловлено нагрузочными токами. Стабильная электроэнергия, качество которой отвечает действующим стандартам и нормам – обязательное условие для любого рентабельного производства. Это объясняется тем, что проблемы с электропитанием крайне негативно отражаются на промышленном оборудовании (вплоть до его выхода из строя) и являются косвенной причиной снижения количества и качества выпускаемой продукции. Целью проекта является разработка семейства новых энергоэффективных регуляторов переменного напряжения для целей стабилизации напряжения, компенсации несимметрии сети, кондиционирования качества электрической энергии. Будут предложены маловентильные регуляторы переменного напряжения с улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью. Кроме того, транзисторные регуляторы обладают еще способностью повышать выходное напряжение. В качестве базы будут использоваться наработки членов коллектива исследователей-исполнителе, в частности были разработаны и опубликованы первые версии метода синтеза топологии схем регуляторов переменного напряжения, имеются методики синтеза алгоритмов управления регуляторов переменного напряжения, разработаны математические модели регуляторов переменного напряжения.

Ожидаемые результаты
1 половина 2023 года - Будет представлен обзор регуляторов переменного напряжения, для выявления недостатков существующих предложений регуляторов переменного напряжения. - Будут синтезированы новые энергоэффективные регуляторы переменного напряжения, при синтезе будут учитываться оптимальные решения, в частности малое количество полупроводниковых ключей, реактивных элементов. - Будут получены модели базовых схем регуляторов переменного напряжения в среде PSIM и Matlab Simulink, это необходимо для оценки и выбора элементов схемы, для реализации в следующем этапе проекта масштабной модели экспериментального образца. 2 половина 2023 года - Будут получены математические модели предложенных регуляторов переменного напряжения в виде систем уравнений токов и напряжений, полученных посредством прямого метода алгебраизации дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами без их решения, расширение прямого метода расчета даст необходимые уравнения для расчета и выбора элементной базы и в дальнейшем сравнения с моделированием. - Будет написана программа управления энергоэффективного регулятора с двумя контурами обратной связи в среде языка программирования Си, подготовка кода алгоритма системы управления необходимо для его реализации в микропроцессорном исполнении в макете. - Будут получены результаты сравнения характеристик, полученных аналитически и в модели PSIM и MatLab Simulink в виде документов в excel (диаграммы, таблицы), для подготовки материалов в журнал и на конференции. - Подготовка статьи в журнал уровня Q2, Q3, написание статьи на конференцию EDM, АПЭП (Индексируется в Scopus и Web of science). 1 половина 2024 года - Будет выполнен анализ математических моделей в ПО PSIM совместно с разработанным алгоритмом управления, записанным в DLL, для отладки написанного кода оптимальным является его проверка в имитационной модели регулятора, далее перенос алгоритма на микропроцессор системы управления. - Будет собран макетный образец системы управления регулятора и силовой схемы регулятора переменного напряжения, макет предполагает масштабирование, под низковольтные трехфазные сети бытового и промышленного применения. - Будет выполнена отладка алгоритмов управления регулятора, для корректировки коэффициентов регуляторов обратных связей. 2 половина 2024 года - Будет выполнено тестирование экспериментального макета регулятора в масштабе по отношению к промышленной сети с подавлением несимметрии и стабилизацией уровня напряжения. Компенсация несимметрии и стабилизация напряжения предотвратит от аварийных ситуаций, что даст избежать остановки производства. - Подготовка статей на конференцию EDM, ПИЭР (Индексируется в Scopus и Web of science). - Подготовка РИД, программа для ЭВМ - Будет представлена к защите диссертация на соискание степени доктора технических наук и подготовлен материал для трех глав докторской диссертации (данный пункт возможен к выполнению в 2023 году).

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1) За первый год проекта проведен обзор компенсаторов несимметрии. В частности, существующие схемы компенсаторов не могут отрабатывать несимметрию, провалы, перенапряжения мгновенно, в связи с чем предлагаемый полупроводниковый преобразователь является более актуальным и эффективным решением. Для более глубокого анализа области применения, предлагаемого компенсатор несимметрии был проведен анализ мощностей нагрузок регуляторов переменного напряжения и анализ суточного потребления электрической энергии в Новосибирской области. Было выявлено, что основными потребителями электрической энергии являются промышленные предприятия, гражданские, частные учреждения и частные домовладения. Они потребляют более 78% процентов всей электроэнергии в стране. Расчетные нагрузки на вводе сельских жилых домов с электроплитами при проектировании внешних сетей напряжением 0,4 кВ принимают равными 6 кВт, а с электроплитами и водонагревателями – 7,5 кВт. Нагрузки бытовых кондиционеров учитывают путем увеличения расчетных нагрузок на вводах жилых домов на 1 кВт. Основным устройством, на мощность которого при выборе мощности регулятора, на который нужно ориентироваться является силовой трансформатор трансформаторной подстанции. Исходя из всего вышеописанного, а также с учетом параметров трансформаторов, можно сделать вывод о минимальной мощности регулятора напряжения для однофазной системы в 0,63 кВА для трехфазной 16 кВА. В проекте предполагается масштабная модель компенсатора несимметрии на базе регулятора переменного напряжения до 5 кВт. 2) Предложенная схема повышающе-понижающего регулятора переменного напряжения была проанализирована в качестве компенсатора несимметрии. В настоящее время реализована разомкнутая модель трехфазного регулятора переменного напряжения. Предполагается следить за выходным напряжением и пофазно восстанавливать уровень. Были получены модели преобразователя в программном обеспечении PSIM и MatLab Simulink. 3) Для предложенной схемы было получено расширение метода алгебраизации дифференциальных уравнений и построены зависимости: регулировочные, внешние, входной коэффициент мощности. По результатам анализа было определено, что при параметрах схемы C=400 мкФ и L=25 мГн возможно повышение выходного напряжения на 20% относительно номинального значения. В случае просадки до 20 % возможно стабилизировать уровень напряжения каждой фазы. Проведен выбор типов элементов регулятора для его макетирования: конденсаторы Epcos B32373A4207J080 ёмкостью 200 мкФ и напряжением 480 В, Electronicon E54.G85-203G30 ёмкостью 20 мкФ и напряжением 750 В, IGBT транзисторы GD200CEY120C2S. Транзисторный модуль представляет из себя встречно-последовательное включение двух IGBT транзисторов общим эмиттером, что подходит для реализации ключа переменного тока в регуляторе переменного напряжения. 4) Была синтезирована модель замкнутой системы управления однофазного регулятора переменного напряжения. Синтез проводился в среде ПО PSIM, была реализована обратная связь по напряжению, где на входе задавался требуемый уровень выходного напряжения. Был настроен ПИ-регулятор с требуемым переходным процессом. В конечном итоге был написан код для DLL блока, который в дальнейшем будет прошиваться в микроконтроллер типа STM. В коде большое внимание было уделено выделению действующего значения напряжения. Также в коде был реализован ПИ-регулятор, цифрой фильтр первого порядка. 5) Для сравнения были построены с помощью метода алгебраизации дифференциальных уравнений регулировочные, внешние характеристики регулятора и зависимость его входного коэффициента мощности от глубины модуляции приведены совместно с результатами, полученными в программе моделирования PSIM. Рабочий диапазон повышения напряжения находится в пределах M=[0,65;1], при этом максимальное значение выходного напряжения достигает 120% увеличения при достаточно высоком качестве. Построенные характеристики, совмещенные с характеристиками, построенными по результатам моделирования программы PSIM, совпали от 90% до 99%. Была произведена оценка качества выходного напряжения и входного тока – зависимость коэффициента гармоник напряжения и тока от глубины модуляции. Значения коэффициента гармоник тока в рабочем диапазоне варьировались от 2 до 7 процентов, напряжение от 1 до 15 % в зависимости от глубины модуляции.

 

Публикации

1. Косых Е.А., Харитонов С.А., Удовиченко А.В. Многозонный преобразователь переменного напряжения. Ч. 1. Анализ регулировочных характеристик Национальный исследовательский университет "МЭИ", №. 12, С. 43-53 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24160/0013-5380-2023-12-43-53

2. Удовиченко А.В., Гришанов Е.В., Зиновьев Г.С. New Circuit Solutions of AC Voltage Regulators as a Soft-Start Device for Asynchronous Motors IEEE, C. 78-82 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/UralCon59258.2023.10291163

3. Удовиченко А.В., Гришанов Е.В., Косых Е.А., Мехтиев А.Д. Analysis of Novel Energy-Efficient Converters to Ensure the Required Quality of Electrical Energy MDPI, Vol. 15, № 11, С. 2092 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/sym15112092