Проект гелеоисточника для энергохозяйства

В настоящее время во всем мире в связи с бурным развитием электротехники и электроники постоянно растет количество электроприборов и конечно количество потребляемой электрической энергии. Рыночная экономика диктует свои условия на рынке энергии, с увеличением спроса на электрическую энергию цена на нее возрастает. Источником энергии добываемой человеком, как правило, служит вода (гидроэлектростанции), энергия земли (геотермальные электростанции), энергия атома (атомные электростанции) и др. Все эти виды получения электроэнергии как правило наносят непоправимый вред окружающей природе. Современный способ получения электрической энергии должен удовлетворять диктуемым современностью требованиям о экологичности, относительной дешевизне получаемой энергии. Не так давно человеком было придумано использовать для получения электричества энергию солнца (гелеоэнергия). Использование данного способа позволяет получить электроэнергию не нанося вред окружающей среде, однако элементы преобразующие солнечную энергию в электрическую дороги и имеют низкий КПД. На настоящий момент стоимость элемента, дающего около 130 Вт с 1 м²,с КПД 15% достигает 200 долларов. Не так давно стали появляться солнечные элементы с более высоким КПД (25%), их цена значительно выше.

Целью дипломного проекта является получение дешевого, и экологичного вида электрической энергии, используя энергию солнца в качестве источника, при больших капитальных затратах. Задачей дипломного проекта является разработка системы управления, выбор метода регулирования выходных параметров автономного инвертора, гелеоисточника для энергохозяйства промышленного или жилого загородного объекта мощностью 30 кВт. Проектировка конструкции печатной платы системы управления, а также разработка блока питания для системы управления.

1. Обзор способов регулирования выходных параметров инвертора напряжения

Инвертированием в силовой электронике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное. Устройства, осуществляющие такое преобразование, называются инверторами. Различают два типа инверторов:

- зависимые инверторы или инверторы, ведомые сетью;

- независимые или автономные инверторы.

Зависимый инвертор работает при наличии в его выходной цепи источника переменного напряжения, который задает форму, частоту и величину напряжения образованной им сети переменного напряжения. В этой сети могут находиться потребители переменного тока, и задача зависимого (от этой сети) инвертора сводится к поставке в нее недостающей или дополнительной активной мощности.

Автономный инвертор может работать при отсутствии на его выходе каких-либо источников переменного напряжения. При этом частота выходного напряжения автономного инвертора определяется частотой импульсов управления вентилями инвертора, а форма и величина выходного напряжения – характером, величиной нагрузки и его схемой.

Различают три типа автономных инверторов: 1) инверторы тока; 2) резонансные инверторы; 3) инверторы напряжения.

Наиболее широкие возможности и области применения у инвертора напряжения. Мы называем его лучшим универсальным модулем преобразования электрической энергии. Помимо основной функции преобразования постоянного тока в переменный он может в обращенном режиме выполнять обратную функцию, т.е. преобразование переменного напряжения в постоянное. Кроме того, при нулевой частоте выходного напряжения он превращается в реверсивный преобразователь постоянного напряжения в постоянное. На его основе выполняются активные фильтры напряжения и тока, компенсаторы реактивной мощности, регуляторы переменного напряжения, непосредственные преобразователи частоты, т.е. ячейка инвертора напряжения является источником новых схем.

Автономный инвертор напряжения как преобразователь постоянного входного напряжения в переменное выходное напряжение отличается от автономного инвертора тока тем, что получает питание от источника напряжения безындуктивного характера (16).

U_вых = Y_п·U_вх,      i_вых = Y_п·i_вх          (1.1)

где Y_п – коммутационная функция вентильного комплекта есть переменная единичная функция (без постоянной составляющей), определяющая форму выходного напряжения инвертора, для простейшей формы коммутационной функции – меандра.

Как видно из второго уравнения, входной ток инвертора будет импульсным (со скачком тока), что не допускает присутствия во входном источнике индуктивности. Реальные источники входного напряжения (чаще всего выпрямители), как правило, обладают индуктивностью L (если это не аккумуляторы). Для устранения ее влияния на входе инвертора напряжения включается фильтровый конденсатор С_ф достаточной емкости, что является первой особенностью инвертора напряжения. Через него замыкаются, минуя входной источник, импульсы входного тока инвертора, как это видно из временных диаграмм на рис. 1.1.

Вторая особенность инвертора напряжения также видна из второго уравнения (1.1) и связана с тем, что входной ток i_вх может принимать отрицательные значения при большом сдвиге фазы выходного тока инвертора i_вых относительно коммутационной функции Y_п (т.е. выходного напряжения). Для этого необходимо наличие двусторонней проводимости у ключей вентильного комплекта инвертора, т.е. ключи должны быть выполнены с полным управлением (транзисторах, GTO‑тиристорах), шунтированных вентилями обратного тока. (16)

Временные диаграммы инвертора напряжения.

Рисунок 1.1

Форма выходного напряжения инвертора определяется в соответствии с соотношением (1.1.) видом коммутационной функции вентильного коммутатора Y_п. Основные виды этих функций, формирующие прямоугольное выходное напряжение инвертора по «гладкой составляющей» (показана пунктиром), приведены на рис. 1.2.

Под гладкой составляющей периодической импульсной функции в силовой электронике принято понимать функцию, образованную непрерывной аппроксимацией средних значений (на интервале такта Т_т коммутаций в преобразователе) мгновенной кривой напряжения или тока. Тогда гладкая составляющая первой коммутационной функции на рис. 1.2 есть нерегулируемый прямоугольник, а составляющие второй и третьей коммутационных функций – регулируемые по величине прямоугольные напряжения (за счет широтного и широтно-импулъсного регулирования соответственно). Последний способ формирования кривой выходного напряжения, называемый «120‑градусным управлением» в отличие от предшествующего рассмотренного 180 – градусного управления, используется для исключения гармоник, кратных трем, особенно неблагоприятных для такой типовой нагрузки как асинхронные двигатели.

Для оценки качества выходного напряжения инвертора при регулировании найдем спектры этих напряжений. Действующее значение k‑й гармоники напряжения инвертора при широтном регулировании будет равно в долях входного напряжения (16):