Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна






Скачать 218.75 Kb.
НазваниеЦель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна
страница1/2
Дата публикации12.04.2014
Размер218.75 Kb.
ТипДиплом
auto-ally.ru > Авто-обзор > Диплом
  1   2
Введение

Цель дипломной работы – разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна обеспечивать независимость от централизованного энергоснабжения, то есть должна иметь внутреннюю генерацию электрической энергии. Актуальными на сегодняшний момент является автономные системы энергоснабжения для малоэтажного жилищного комплекса.

В настоящее время известно большое количество схем преобразования постоянного напряжения источников в напряжения, необходимой формы. К этим источникам относятся солнечные элементы, аккумуляторные батареи, топливные элементы. В данной работе в качестве источника электроэнергии рассмотрена солнечная батарея.

В работе рассмотрена автономная система энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Она включает в себя повышающие и понижающие преобразователи постоянного напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Кроме того содержит инвертор напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами, преобразующий энергию постоянного тока с выхода повышающего конденсаторного преобразователя в энергию переменного тока, напряжением 220 В, промышленной частоты 50 Гц.

^ Актуальность темы.

Главной задачей любой автономной системы энергоснабжения является повышение КПД и снижение уровня кондуктивных импульсных помех на выходных зажимах первичного источника.

Главным достоинством структур с переключаемыми конденсаторами заключается в том, что их применение позволит существенно повысить КПД и уменьшить уровень кондуктивных импульсных помех на выходных зажимах первичного источника.

Именно поэтому тема дипломного проекта автономная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами является, вне всякого сомнения, актуальной, так как позволяет решить вышеописанные задачи.

^ Новизна темы.

При использовании современных высокочастотных ключей и керамических конденсаторов с высокими удельными показателями перспективно создание на их основе малогабаритных многоуровневых повышающий, понижающих преобразователей, а так же инверторов напряжения, базирующихся на основе структур с переключаемыми конденсаторами.

Подобные устройства отличающихся высоким КПД и технологичностью ввиду отсутствия в их составе магнитных элементов, таких как трансформатор. Так же преобразователи на основе ПКП с изменяющейся структурой обладают коэффициентом преобразования более 1.

Идея построения конверторов и инверторов на основе повышающих и понижающих конденсаторных преобразователей с изменяющейся структурой принадлежит к. т. н., доценту Зотову Л.Г.



  1. ^ Автономная система энергоснабжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами


Главные требования при проектировании автономных систем энерго-снабжения (АСЭ) – малые габариты, высокий КПД и низкий уровень создаваемых импульсных помех. КПД Современных устройств преобразования электрической энергии – классических высокочастотных широтно-импульсных инверторов и DC-DC преобразователей, для автономных систем энергоснабжения близок к достижению своего максимально предельного значения. Дальнейшее увеличение КПД на несколько процентов может быть достигнуто снижением коммутационных потерь мощности в силовых ключах применением резонансных методов, обеспечивающих режим их мягкой коммутации, а также уменьшением динамических перепадов напряжения при переходе из режима отсечки в насыщение. Снижение уровня импульсных помех достигается разумной децентрализацией в сочетании с многотактным режимом работы используемых преобразователей.

Для создания функциональной и структурной схемы устройства необходимо знать механизм функционирования проектируемого устройства. На основе этого можно определить количество блоков, которые должны входить в проектируемое устройство, обозначить, для чего они предназначены, а также указать связи между ними.

Рассмотрим механизм функционирования устройства. Воспользуемся функциональной схемой устройства, представленной на рисунке 1.1

Источник напряжения – солнечная батарея (СБ). Напряжение, из СБ поступает на зарядное устройство (ЗУ), которое, в свою очередь, обеспечивает заряд аккумуляторной батареи (АБ), накопленный заряд на АБ поступает на повышающий конвертор (DC/DC 1), где увеличивается с определенным коэффициентом до нужного значения амплитуды.


Рисунок 1.1—функциональная схема устройства.

Затем увеличенное постоянное напряжение подается на управляемый инвертор напряжения (DC/AC - преобразователь), преобразуется в переменное напряжение с нужной амплитудой и формой, близкой к синусу и прикладывается к нагрузке 1. В свою очередь с АБ накопленный заряд подается на понижающий конвертор (DC/DC 2), изменяется с определенным коэффициентом до нужного значения амплитуды и подается на нагрузку 2.

Поставленная задача повышения КПД и снижения кондуктивных импульсных помех решается применением в составе АСЭ повышающих и понижающих многотактных DC-DC преобразователей (МКП), а также повышающих инверторов на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Структурная схема АСЭ представлена на рисунке 1.2

Особенность АСЭ состоит в том, что eё электропитание осуществляется от групп из 4-х последовательных солнечных модулей (СМ) RZMP 240-T, соединенных параллельно. Такое решение позволяет применить входную аккумуляторную батарею (АБ) с достаточно высоким выходным напряжением 96 В и тем самым уменьшить сечение и потери мощности в подводящих кабелях. Поступающее напряжение с солнечной батарее заряжает аккумуляторную батарею. В дальнейшем напряжение с АБ дважды удваивается – вначале DC-DC, а затем DC-AC преобразователями), преобразуется в переменное напряжение с нужной амплитудой и формой, близкой к синусу и идет на нагрузку Rd.

С целью энергосбережения применена светодиодная система освеще-ния (ССО) в сочетании с питающим её, понижающим DC-DC преобразователем с коэффициентом преобразования равным 2. Срок непрерывной светодиодных ламп не менее 100 000 реальных часов, что эквивалентно 25 годам эксплуатации, а тек же ССО отличаются высокой энергоэффективностью. Применение энергосберегающих технологий в малоэтажных жилищных комплексах поможет более эффективно распределять мощность вырабатываемую солнечной батареей. Например, можно использовать светодиодные лампы серии КИПМ42, «Приложение А».

Другая отличительная особенность данной АСЭ в том, что при увеличении напряжения заряда выше 96 Вольт СБ отключаются от АБ и переключаются на тепло-нагревательный элемент (ТЭН), осуществляющий, например, подогрев воды.


Рисунок 1.2— Структурная схема АСЭ.

В предложенной структурной схеме автономной системы энергоснабжения на основе преобразователей и инверторов с переключаемыми конденсаторами, необходимо проанализировать основные элементы этого устройства. Такие как, конденсаторные повышающие и понижающие, многотактовые, резонансные DC-DC преобразователи, а также конденсаторный повышающий инвертор на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Итогом этого этапа являться выбор оптимального метода построения автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей, а так их компьютерное моделирование системы преобразования электрической энергии с использованием программного обеспечения PSIM.


  1. ^ Устройства на основе конденсаторных преобразователей с переменной структурой


При разработке автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами необходимо дать определение системе с переменной структурой.


    1. Определение системы с переменной структурой и достоинства таких систем


Обычно выбор структуры системы осуществляется исходя из предположения, что совокупность функциональных элементов и характере связей между ними остаются раз и навсегда неизменными. Однако такой взгляд на проектирование систем, не является единственным. При синтезе управляющего устройства можно заранее внести в структуру системы такие функциональные элементы, которые во время протекания процесса управления изменяют структуру системы. Тогда, в зависимости от вы-бранного алгоритма и имеющейся информации система будет обладать различными свойствами. В такой системе удастся сочетать полезные свойства каждой из имеющейся совокупности структур, а иногда и получить какие-либо новые свойства, не присущие любой из них. Следует ожидать, что такой подход позволит существенно повысить эффективность работы таких систем. В дальнейшем под системами с переменной структурой (СПС), структур с переключаемыми конденсаторами, будем понимать системы, в которых связи между функциональными элементами меняются тем или иным образом, в зависимости от состояния системы управления.

Как правило, система содержит ключевые элементы, которые в соответствии с выбранным логическим законом разрывают или восстанавливают различные каналы передачи информации и энергии, в результате чего изменяется структура системы. Всевозможные сочетания положений контактов определяют совокупность имеющихся в распоряжении фиксированных структур. Система управления на основе анализа поступающей информации дает команду на изменение структуры системы. Рассмотрим специфические достоинства таких систем на примере преобразователей и инверторов с переключаемыми конденсаторами, которые будем использовать для построения системы автономного энергоснабжения. Устройства, реализованные на основе системам с переменной структурой, обладают высокими массогабаритными показателями, поскольку в устройстве нет нетехнологичных элементов, таких как силовых трансформаторов, за счет чего повышается уровень стандартизации схем, что приводит к удешевлению и повышению надежности этих устройств.


    1. Преобразователи на основе на основе структур с переключаемыми конденсаторами

На основе современных МОП и IGBT ключах и керамических конденсаторах с высокими удельными показателями перспективно создание преобразователей. Эти преобразователи базируются на основе структур с переключаемыми конденсаторами постоянного напряжения – конденсаторные преобразователи, отличающихся высоким КПД и технологичностью ввиду отсутствия в их составе магнитных элементов. Конденсаторные преобразователи включают в себя идентичные конденсаторно-диодные цепочки (КДЦ), состоящие из последовательно соединенных конденсатора и диода, как показано на рисунке 2.1.

Цифрами обозначены ключи, обеспечивающие коммутацию цепочек в систему и позволяющие создавать переменные структуры, в которых связи между функциональными элементами меняются тем или иным образом, в зависимости от состояния системы управления.



Рисунок 2.1 — Конденсаторно-диодная цепочка.

Рассмотрим устройство и принцип работы управляемого повышающего преобразователя постоянного напряжения основе структур с переключаемыми конденсаторами (СПК) и переменной структурой. Базовая схема приведена на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2 — Управляемый повышающий

преобразователь основе СПК.

На схеме рисунка 2.2 приведен управляемый повышающий преобразователь на основе СПК с переменной структурой. Схема состоит из источника питания (Еп), КДЦ, сопротивления нагрузки (Rн) и управляемых ключей (1, 2, 3, 4). Ключ 1 служит для управления зарядом КДЦ и носит название зарядный, остальные (2, 3, 4) предназначены для подключения определенного уровня напряжения к нагрузке и называются разрядными.

Принцип работы преобразователя на основе СПК с переменной структурой состоит в параллельном заряде от входного источника напряжения конденсаторов, входящих в состав идентичных конденсаторно – диодных цепочек (КДЦ) с их последовательным разрядом на нагрузку. Количество включенных в схему КДЦ определяет количество ступеней, которое можно создать при помощи этой схемы,

а амплитуда каждой сформированной ступени равна амплитуде входного напряжения.

Рассмотрим формирование каждой ступени выходного напряжения. В начальный момент времени, открываются зарядные ключи (ключ 1) , и конденсаторы через диоды заряжаются от входного источника напряжения до напряжения питания . На следующем этапе, зарядные ключи закрываются и открываются разрядные ключи в такой комбинации, которая будет обеспечивать на выходе схемы требуемый уровень напряжения.

Формирование первой ступени напряжения, когда напряжение на нагрузке равно напряжения питания (Uн = Eп). Такой уровень напряжения получается при непосредственном подключении источника питания к нагрузке. Разрядный ключ 4 открыт, все остальные ключи закрыты, напряжение питания через диод приложено к нагрузке.

Формирование второй ступени напряжения, когда напряжение на нагрузке равно удвоенному напряжению питания (Uн = 2Eп). Такой уровень напряжения получается при открытии разрядных ключей 2 и 4 первой цепочки. Напряжение питания оказывается включенным последовательно с конденсатором, заряженным до того же напряжения. К нагрузке приложено удвоенное входное напряжение.

Формирование третей ступени напряжения, когда напряжение на нагрузке равно утроенному напряжению питания (Uн = 3Eп). Такой уровень напряжения получается при открытии разрядного ключа 4 для первых двух цепочек. Напряжение питания включено последовательно с уже двумя конденсаторами и на выходе схемы имеем утроенное входное напряжение.

Таким образом, меняя количество КДЦ, можно получить преобразователь с необходимым количеством уровней напряжения. При этом если количество КДЦ принять равным N, то количество уровней напряжения, которые способен генерировать конвертор будет равно N+1, а максимальный уровень выходного напряжения окажется равным .

Частотные свойства данной схемы ограничиваются временем заряда/разряда конденсаторов, временем перехода ключей из открытого состояния в закрытое и обратно.

Среднее время включения современных полевых транзисторов tФ колеблется в районе 50нс. За один период коммутации происходит открытие и закрытие ключа, таким образом общее время, которое ключ находится в неуправляемом состоянии tН = 100нс. Необходимо, чтобы tН было не более 5% от периода коммутации.

Из этого условия можем посчитать максимально возможную частоту коммутации ключей:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Из формулы (2.3) следует, что , где – частота коммутации ключей. Максимально возможная частота коммутации ключей .


    1. Моделирование повышающего преобразователя с переключаемыми конденсаторами постоянного напряжения в программной среде PSIM

На рисунке 2.3 представлена схема преобразователя напряжения с режимом мягкой коммутации. Конвертор напряжения работает на одну нагрузку Rd = 10 Ом, обеспечивает коэффициент преобразования равный (уровень напряжения на нагрузке ).

Катушки индуктивности L1 – L6 предназначены для устранения токовых перегрузок, создают условия для того чтобы потребление тока от источника более плавным и равномерным. Индуктивность введена в каждую из зарядных цепей, тем самым создается режим мягкой коммутации зарядных ключей.

В схеме конденсаторно-диодные цепочки объединены в 3 группы по 2 КДЦ. При моделировании обеспечиваем фазовый сдвиг в 120 между управляющими сигналами каждой из групп. Емкость каждого из конденсаторов 100 мкФ, тактовая частота – 20 кГц. Необходимо рассчитать значение зарядовой индуктивности.


Рисунок 2.3 — Преобразователь напряжения с переключаемыми конденсаторами

      1. Расчет зарядной индуктивности

Величина индуктивности, которая требуется для цепи заряда, рассчитывается на выбранную тактовую частоту так, чтобы период получившегося в результате колебательного контура равнялся периоду, соответствующему тактовой частоте.

Схема с последовательным соединением RLС, аналогично соединению конденсаторно – диодной цепочки (КДЦ) с катушкой индуктивности для обеспечения режима мягкой коммутации. Схема последовательного соединения индуктивности и емкости представлена на рисунке 2.4.



Рисунок 2.4 — Схема последовательного включения индуктивности и емкости
Эпюр с приведенной функцией зарядного тока на интервале приведен на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 — Напряжение в RLC контуре

Форма тока, протекающего в цепи на рисунке 2.4 описывается выражением (2.4).

(2.4)

Или , где

(2.5)

Полагая, R = 0 определяем формируем условия для определения периода синусоидального колебания зарядного тока .

(2.6)

(2.7)

Проанализировав выражения (2.4) – (2.7) можно сделать следующий вывод:

(2.8)

Принимая во внимания, что , получаем следующее выражение для расчёта индуктивности мягкого включения КДЦ.

(2.9)

Тактовая частота конвертора при моделировании была задана равной 20 кГц. Зная значение емкости конденсатора (С) и тактовую частоту (f) найдем требуемое значение индуктивности для режима мягкого включения:

(2.10)

(2.11)

На рисунке 2.6 представлена модель преобразователя напряжения в программной среде PSIM. Со следующими параметрами. Емкость каждого из конденсаторов C1 – С6 = 100 мкФ, тактовая частота F – 20 кГц, величина индуктивностей в зарядных цепях L1 – L6 = 0.6332 мкГн. Напряжение питания ЕП = 100 В. Нагрузка представлена сопротивлением, номиналом Rd = 10 Ом.

Данное схемотехническое решение построения преобразователя с переключаемыми конденсаторами постоянного напряжения позволяет получить коэффициент преобразования равный 3, следовательно напряжение на нагрузке Rd должно быть на уровне 300 В



Рисунок 2.6 — Модель преобразователя напряжения в PSIM


    1. Анализ результатов моделирования

Работа преобразователя на одну нагрузку, уровень напряжения на нагрузке . В схеме цепочки объединены в 3 группы по 2 КДЦ. При моделировании схемы отсутствует фазовый сдвиг между управляющими сигналами КДЦ, входящих в одну группу, но обеспечиваем фазовый сдвиг в 120 между управляющими сигналами каждой из групп.

График выходного напряжения, получившийся в результате моделирования, приведен на рисунок 2.7. График выходного напряжения, получившийся в результате моделирования, в установившемся режиме и без переходного процесса приведен на 2.8. Максимальное значение напряжение Uout_max = 304,74 В, минимальное значение напряжение Uout_min = 294,97 В, среднее значение напряжение Uout_x = 299,85 В.

Тактовая частота конвертора при моделировании была задана равной 20 кГц. Учитывая фазовый сдвиг между сигналами управления группами КДЦ, частота пульсаций выходного напряжения должна быть в 3 раз больше.


Рисунок 2.7 — Выходное напряжение повышающего преобразователя

Рассмотрим график на рисунке 2.8, на нем представлено выходное напряжение Uout уже в установившемся режиме, можно убедиться, что частота пульсаций выходного напряжения действительно в 3 раза больше, так как период пульсаций выходного напряжения . Частоту пульсаций можно рассчитать по формуле (2.12)


Рисунок 2.8 — Выходное напряжение повышающего конвертора

(2.12)

Соответственно частота пульсаций .

Рассмотрим зарядные токи через индуктивности схемы преобразователя напряжения в установившемся режиме работы схемы, график которых представлен на рисунке 2.9.



Рисунок 2.9 — Зарядные токи повышающего конвертора

Из рисунка 2.9 видно, что зарядные токи через индуктивности L1— L6 равны и максимальное значение IL_max = 31,5 А, заряд происходит по синусоидальному закону. Итак, подтверждается, введение в каждую из зарядных цепей индуктивности устраняет токовые перегрузки, создания условия, чтобы потребление тока от

источника было более плавным и равномерным.

Рассмотрим ток на нагрузке Rd, график с учетом переходного процесса представлен на рисунке 2.10. Как и ожидалось форма тока в нагрузке Rd повторяет форму напряжения Uout. В установившемся режиме и без переходного процесса можно определить значения тока в нагрузке.



Рисунок 2.10 — Ток на нагрузке Rd

Максимальное значение тока в нагрузки IRd_max = 30,474 А, минимальное значение IRd_min = 29,497 А, среднее значение IRd_x = 29,985 А.

Рассмотрим ток через конденсатор C1первой конденсаторно-диодной цепочки, график которого приведен на рисунке 2.11.



Рисунок 2.11 — Ток через конденсатор С1

Зарядный ток на конденсаторе C1первой конденсаторно-диодной цепочки

повторяет форму тока через зарядную индуктивность, достигая того же максимального значения соответственно IС1_max = 31,5 А. Затем структура изменяется и конденсатор С1 разряжается на нагрузку до нулевого значения.

Рассмотрим ток, потребляемый от источника питания (I_in). На рисунке 2.12 показан график этого тока, полученный в результате моделирования.



Рисунок 2.12 — Ток, потребляемый конвертором от источника питания
Проведя анализ схемы повышающего преобразователя на основе структур с переключаемыми конденсаторами можно сделать следующие выводы. Для устранения токовых перегрузок и чтобы сделать потребление тока от источника более равномерным в зарядную цепь КДЦ необходимо ввести катушку индуктивности для обеспечения равномерного с минимальной амплитудой зарядного тока. Индуктивность этой катушки нужно рассчитывать исходя из параметров схемы и руководствуясь формулой (2.10). За счет введения катушки в зарядную цепь существенно снизились зарядные токи, токи, потребляемые конвертором от источника питания, рисунок 2.12.

Введение индуктивностей в цепи заряда приводит к наличию переходного процесса в начальный момент времени и к тому, что среднее значение напряжения на нагрузке максимально приближено к желаемому , Uout_x = 299,85 В.

  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна icon2 1 Требования к маркировке и упаковке 48
В данном дипломном проекте разрабатывается система измерения параметров термоэлектрических модулей. Система предназначена для измерения...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconЛабораторная работа №6 Диагностирование системы смазки. Основная цель работы
...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconОбщие положения. Работы по технической поддержке (ТП) должны включать в себя
Ремонт модулей с предоставлением опережающей замены на постоянной или временной основе

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconЗаседание №1 Цель: координация действий по улучшению условий осуществления...
Цель: Разработка и внедрение системы комплексно – тематического планирования образовательного процесса в доу в современных условиях...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconПравительство еврейской автономной области постановление
Об управлении государственной собственностью Еврейской автономной области» и в соответствии с постановлением правительства Еврейской...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconКраткий опросный лист
Мы рассчитаем для Вас материалы и оборудование для автономной системы отопления Вашего дома: теплый пол, радиаторы, холодное и горячее...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconУчебно-методическое пособие для выполнения дипломной работы по специальности...
Учебно-методическое пособие предназначено для преподавателей и студентов, занимающихся выполнением выпускной квалификационной работы...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconОбщие данные по системе освещения «sgm»
Настоящий паспорт, совмещенный с руководством по эксплуатации и установке «Системы освещения на солнечных батареях sgm» (далее по...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconПаспорт и руководство по эксплуатации
Настоящий паспорт, совмещенный с руководством по эксплуатации и установке Системы видеонаблюдения на солнечных электростанциях «vgm»...

Цель дипломной работы разработка автономной системы энергоснабжения от солнечных модулей на основе структур с переключаемыми конденсаторами. Система должна iconАнализ воспитательной работы школы за 2011-2012 учебный год
Воспитательная работа школы осуществляется в рамках этапа становления школьной воспитательной системы «Я гражданин России», цель...


авто-помощь


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
auto-ally.ru
<..на главную