автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование и разработка преобразователя частоты матричного типа для электроприводов переменного тока

804599725

На правах рукописи

КОКОРИН НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ МАТРИЧНОГО ТИПА ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чебоксары-2010

2 5 мдр 2010

004599725

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматического управления электроприводами» ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова» г. Чебоксары.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Аракелян Александр Карапетович, ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова», г. Чебоксары.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Иванов Александр Григорьевич, ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт релестроения» (ОАО «ВНИИР»), г. Чебоксары

кандидат технических наук, доцент, Сидоров Сергей Николаевич, ФГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск

Ведущая организация: ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод»

(ЗАО «ЧЭАЗ»), г. Чебоксары

Защита состоится «_21_» апреля 2010 года в N часов 0Ц мин. в аудитории В-310 на заседании диссертационного совета Д212.301.02 при ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова», по адресу 428015, г. Чебоксары, пр. Московский, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова, с авторефератом - на сайте ЧГУ по адресу http://vvvvw.chuvsu.ru.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 428015, г. Чебоксары, пр. Московский, 15, на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, --—у >

доктор технических наук, профессор Охоткин Г.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время наиболее актуальным становится сокращение количества этапов преобразования электрической энергии на пути от источника до потребителя. Одним из направлений достижения указанной выше тенденции является использование перспективных схем преобразователей частоты (ПЧ) и применение эффективных алгоритмов для их управления.

Одной из наиболее широких областей применения силовой преобразовательной техники является частотно-регулируемый электропривод переменного тока, поскольку он обладает большими потенциальными возможностями оптимизации производственных процессов, роста производительности, экономии трудовых и энергетических ресурсов. В большинстве случаев в них используются двухзвенные полупроводниковые ПЧ, выполненные по схемам «неуправляемый выпрямитель - инвертор» и «управляемый выпрямитель - инвертор». Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии от сети переменного тока, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность, что существенно снижает их энергетическую эффективность. Кроме того, они вносят значительные искажения в питающую сеть вследствие низкого качества входного тока.

Требования к питающей сети постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе ПЧ. Эти обстоятельства стимулируют использование в их составе входных фильтров, которые частично решают отмеченные выше проблемы, но при этом увеличивают стоимость и ухудшают массогаба-ритные и динамические показатели. Поэтому особого внимания заслуживают вопросы согласования ПЧ с питающей сетью. Помимо требований по качеству потребляемой электроэнергии, современные ПЧ также должны обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть.

Одним из перспективных направлений уменьшения потребления реактивной мощности из питающей сети при одновременной возможности рекуперации энергии и снижения уровня высших гармоник сетевого тока является применение схем активных ПЧ, использующих в своей схеме полностью управляемые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульсно-модуляционными методами. С точки зрения схемотехнических решений активные ПЧ можно разделить на две группы:

1. Упомянутые выше двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ), состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН) или тока (АИТ) один из которых работает в режиме выпрямления. В промежуточном звене постоянного тока устанавливается сглаживающий конденсатор для АИН или реактор для АИТ. Наличие громоздкого фильтра в промежуточном звене является одним из наиболее существенных недостатков схем ДПЧ.

2. Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в структуре которых отсутствует промежуточное звено. В настоящее время все больший интерес вызывает такая разновидность схем НПЧ, как матричный преобразователь частоты (МПЧ). МПЧ, обладая лучшими массогабаритными и динамическими показателями, так же

как и ДПЧ, представляет собой многомерный объект, который требует использования современных методов управления. Помимо сложности управления, остро стоит вопрос повышения надежности коммутации ключей МПЧ, которая осуществляется более сложно, чем в схемах ДПЧ.

Можно добавить, что развитие современной элементной базы и новые технические возможности дали толчок к развитию новых принципов управления, нереализуемых ранее ввиду своей сложности. Все это позволяет вести разработку экономичных, высокопроизводительных и компактных систем.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании и реализации перспективных способов управления МПЧ, позволяющих помимо задач регулирования обеспечить электромагнитную совместимость с питающей сетью и улучшить энергетическую эффективность.

Актуальность выбранной цели подтверждается большим числом публикаций в отечественной и зарубежной литературе, посвященных этой проблематике. Для достижения поставленной цели была проведена следующая работа:

1. Разработка математической и имитационной моделей МПЧ, исследование режимов работы и алгоритмов управления.

2. Повышение надёжности коммутации ключей в МПЧ и улучшение качества преобразования электрической энергии.

3. Исследование влияния несимметричности напряжения питающей сети на качество входного тока.

4. Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром.

5. Практическая реализация экспериментального образца МПЧ для регулируемого асинхронного электропривода в составе лабораторного стенда.

Методы исследования базируются на общих положениях теории цепей, методах математического и численного моделирования, линейной алгебре, теории нелинейных и дискретных систем управления и теории цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования, примененным в данной работе, является метод математического моделирования. Результаты экспериментальных исследований фиксировались с помощью современных средств измерения. При обработке результатов теоретических и экспериментальных исследований широко применялось современное программное обеспечение.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается как на этапе моделирования разработанных систем, так и многочисленными экспериментальными результатами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ.

2. Способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ.

3. Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром и методика расчёта параметров входного фильтра.

4. Результаты исследований составленных имитационных моделей МПЧ и экспериментального образца.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Разработанный комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ отличается от известных сочетанием преимуществ 4-х ходовых способов коммутации по току и напряжению.

2. Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ позволяет компенсировать задержку переключения присущую 4-х ходовым способам коммутации.

3. Проведённый анализ устойчивости системы и предложенная методика расчёта параметров входного фильтра используют методы усреднения и линеаризации системы, что облегчает выполнение расчетов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ обеспечивает существенное сокращение количества неверных коммутаций и повышает надежность системы в целом.

2. Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ обеспечивает уменьшение искажений в кривых входных и выходных токов и напряжений.

3. Установленные зависимости максимальной выходной мощности МПЧ и максимального коэффициента передачи напряжения от параметров входного фильтра позволяют оценить устойчивость системы и рассчитать необходимые параметры входного фильтра.

4. Разработанные имитационные модели системы позволяют проводить исследования работы МПЧ при изменении параметров силовой схемы в режимах потребления и рекуперации, а также алгоритмов модуляции.

5. Реализованный в лабораторных условиях экспериментальный образец МПЧ может быть использован для дальнейших исследований.

Основные практические результаты диссертации состоят из исследований экспериментального образца преобразователя частоты матричного типа и реализованного на его основе регулируемого асинхронного электропривода мощностью 4 кВт.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Системы автоматического управления электроприводами» Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова; научной конференции студентов и аспирантов «Электротехника, электромеханика и электротехнологии в XXI веке» (к 80-летию профессора А.Д. Поздеева), г. Чебоксары, 2009 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано четыре научных работы, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. К работе прилагается список использованной литературы, насчитывающий 76 наименований, и представлено приложение на одной странице. Диссертационное исследование изложено на 144 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 102 рисунка. Основные результаты работы получены автором лично.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и показаны преимущества использования схем преобразователей частоты и требования предъявляемые к ним. Исходя из этого, определяется цель диссертационной работы, приводится краткое содержание выполненных исследований и отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса, дано обоснование решаемой научной задачи. В общих чертах сравниваются различные типы ПЧ, применяемые в электроприводах переменного тока, приводятся их достоинства и недостатки. Рассматривается теория МГ1Ч, алгоритмы скалярной модуляции, записываются ключевые выражения, характеризующие работу МПЧ [4]. Подробно освещен вопрос применения перспективной на сегодняшний день пространственно-векторной модуляции применительно к МПЧ.

Наиболее перспективная схема МПЧ изображена на рис. 1. Силовая часть МПЧ состоит из девяти ключей 54о...5Сс обладающих двунаправленной проводимостью, соединённых так, чтобы любая из трех фаз входа А, В,С могла быть связана с любой из трех фаз выхода а,Ь,с.

Показано, что при высокой частоте коммутации и идеальной системе управления выходное напряжение и входной ток МПЧ синусоидальны. Гармонический состав входных токов содержит ми-

К.1ШЧ с /^¡унипраппс/той нрО';п;)имасн)Ьк)

О а

~О Ь

-О I-

Рис. 1. Схема НПЧ матричного тина на полностью управляемых ключах с двунаправленной проводимостью

нимальное количество высших гармоник кратных частоте переключения. Входной коэффициент мощности МПЧ не зависит от характера нагрузки при условии, что выбран оптимальный способ модуляции. Так, связь между средними входными и выходными величинами МПЧ за период модуляции можно записать в общем виде

и.(0=М(0и!(»),

1,(0= МТШ0. (,)

где и^), иДО, 1,(1) и 10(1) - входные и выходные трехфазные системы синусоидальных напряжений и токов соответственно; М^) - модуляционная матрица.

Модуляционная матрица М^) представляет собой матрицу коэффициентов модуляции (относительных длительностей импульсов модулирования) ключей

т.Л') '»«.,(') >»,А') м(0= '"А') '»,■„(') ■ (2)

тгЛ')

Рассматриваются основные алгоритмы скалярной модуляции удовлетворяющие (1). Это алгоритм итальянских ученых Алберто Алесиной и Марко Вентарини обеспечивающий максимальный коэффициент передачи напряжения ц равный 0,5; его развитие, известное как оптимизированный алгоритм Вентарини, а также алгоритм канадского ученого Жиль Роя - обеспечивающие максимальный коэффициент передачи напряжения д равный 0,87.

Особое внимание уделено перспективным на сегодняшний день методам пространственно-векторной модуляции МПЧ, также обеспечивающие максимальный коэффициент передачи напряжения <7 равный 0,87.

В итоге, можно выделить основные преимущества схем МПЧ перед схемами ДПЧ, таковыми являются:

- Двунаправленный обмен энергией между нагрузкой и питающей сетью, что позволяет говорить о МПЧ, как об энергосберегающей системе;

- Возможность регулирования входного коэффициента мощности;

- Лучшие массогабаритные показатели по сравнению с ДПЧ ввиду отсутствия звена постоянного тока.

К недостаткам можно отнести:

- Большое число используемых полупроводниковых элементов;

- Более сложное, чем в схемах ДПЧ управление;

- Относительно низкий максимальный коэффициент передачи напряжения.

Глава 2 посвящена вопросу безопасной коммутации ключей МПЧ. Проводится анализ существующих топологий ключей обладающих двунаправленной проводимостью и способов их коммутации - это простые 2-х ходовые способы с перекрытием или с бестоковой паузой и улучшенные 4-х ходовые способы с коммутацией по выходному току и входному напряжению.

Предлагается комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ, позволяющий существенно сократить число неверных коммутаций. Также предлагается способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ, компенсирующий задержку переключения присущую 4-х ходовым способам коммутации. Приводятся экспериментальные результаты.

Главная идея комбинированного алгоритма состоит в том, чтобы исключить работу МПЧ в критических областях. Этот алгоритм сочетает улучшенные 4-х ходовые способы коммутации с контролем направления выходного тока и контролем величины входного напряжения и объединяет преимущества обоих составных способов коммутации. К достоинствам комбинированного алгоритма можно отнести отсутствие дополнительных аппаратных затрат и программную реализацию [2].

Удобно рассмотреть работу комбинированного алгоритма безопасной коммутации ключей по рис. 2, на котором изображены графики входного фазного напряжения ы,(г) и выходного тока /„(;) МПЧ. Поскольку обычные 4-х ходовые способы коммутации чувствительны к погрешностям измерения входного напряжения и выходного тока (ввиду несовершенства первичных датчиков), предлагается динамически менять стратегии коммутации для обеспечения безопасной работы МПЧ.

Как видно из рис. 2, способ коммутации по току КТ (рис. 3) заменяется способом коммутации по напряжению КН (рис. 4) в то время, когда направление выходного тока фазы может быть определено неверно - при уменьшении до некоторого уровня Д/„ вблизи нулевого пересечения. Обратная замена способа КН на КТ произойдет либо при выходе из критической области КТ, либо при входе в критическую область КН, определяемую величиной Ди1.

Таким образом, критерий для динамической смены способа коммутации определяется

t

К

к,

X

¡А \

ш:

кт

X

______/______

' /иа у •

X

X

кт

Ai

КТ: ': КТ

КТ : КТ

КН КН КН КН КН КН

Рис. 2. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей: КН - коммутация по напряжению: КТ- коммутация по току

величиной зон нечувствительности по току Д/„ и по напряжению Ла,. Предложенный алгоритм позволяет существенно сократить количество неверных коммутаций

во всем диапазоне частот выходного напряжения.

т, г.

Г-Н

ко

S,,: Л.

V ■У...

и>()

и<0

Рис. 3. Последовательность переключения при 4-х ходовом способе коммутации с контролем направления выходного тока

Рис. 4. Последовательность переключения

при 4-х ходовом способе коммутации с контролем величины входного напряжения

Комбинированный алгоритм коммутации реализован на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) МАХ3000 фирмы Altera. Структурная схема работы ПЛИС изображена на рис. 5. Управление ключами выполнено по группам выходных фаз МПЧ а.Ь.с. Для каждой группы поступают сигналы с выхода ШИМ, выбора способа коммутации и направления коммутации. В каждой группе реализовано управление тремя ключами с входных фаз А,В,С. Блок-схема управления ключом с двунаправленной проводимостью изображена на рис. 6 и содержит обозначения:

- TON - таймер с задержкой Т, или 2Г, на включение;

- ТОТ - таймер с задержкой Та. или 2Г, на выключение;

- 5И7/ - переключатель стратегий коммутации;

- 5(^2 - переключатель направления коммутации.

(.* нмх{н)и

шим

Фа ¡и сыхчол с

ТОN

По току

ТОР

ЯП'!

5И-?

Фа '.а Л

Сп,

'¡Чип а

^ V > Л — .V

-ч ..и

я Г Л . .4'

Ч Г" с и .....У «■■■■' — .V

Напраб.1епие_

Рис. 5. Структурная схема работы ПЛИС

г„

том

тог ток

т

1_______

2Т, ь

■ s,,

■

По напряжению

Способ /{оправление

Рис. 6. Блок-схема управления ключом с двунаправленной проводимостью

Для демонстрации комбинированного алгоритма безопасной коммутации ключей были проведены многочисленные экспериментальные тесты, им сопоставлялись отдельно взятые способы коммутации. Результаты представлены на рис. 7-9.

6 4' ¡0 ¡2 14 16 ,'.< иг

I) 4 4 К 10 12 ¡4 1А 1Я I. ж

Рис. 8. Временные диаграммы: ток выходных фаз МПЧ (а), выходное линейное напряжение при комбинированном алгоритме безопасной коммутации ключей (6)

Также предлагается способ коррекции ширины управляющих импульсов, компенсирующий задержку переключения присущую 4-х ходовым стратегиям коммутации. Схема коррекции длительности импульсов задающей ШИМ реализована на цифровом сигнальном процессоре и представлена на рис. 10.

I/ : 4 в г) 12 14 ¡6 ш г 1 Рис. 7. Временные диаграммы: ток выходных фаз МПЧ (а), выходное линейное напряжение при коммутации по току (о)

Экспериментально полученные зависимости коэффициента нелинейных искажений (ТНО) входного и выходного токов от выходной мощности преобразователя представлены на рис. 11. Для сравнения там же представлены экспериментально полученные данные без коррекции ШИМ.

Наибольший эффект от коррекции длительности импульсов ШИМ достигается на высоких мощностях преобразования (800 Вт) и снижается по мере уменьшения мощности. Так, для входного тока наименьшее значение ТНО равное 6% достигается применением коммутации по току (рис. 11, а) и для выходного тока, наименьшее значение ТНО равное 4,5% достигается при коммутации по напряжению (рис. 11, 6). На рис. 11 обозначено символом «•» - обычная коммутация по току, символом «м» - обычная коммутация по напряжению и символом «А» -комбинированный алгоритм с коррекцией длительностей импульсов ШИМ.

77/0. "а

16 *

УН)

400

№

т I' Вт

ТИП.1 М

Л' !

:

А

О I

о у» т т ноп р. Вт Рис. 11. Экспериментально полученная зависимость коэффициента нелинейных искажений от выходной мощности МПЧ: входного тока (а), выходного тока (б)

о /

■V V г. ж

I) I : .! 4 .1 Л 7 Л 9 I, №

Рис. 9. Временные диаграммы: входные фазные напряжения МПЧ (а), ток одной

входной фазы при коммутации по напряжению (б), ток одной входной фазы при комбинированном алгоритме безопасной коммутации ключей (в)

Г

Т,

Т.

Рис. 10. Схема коррекции длительности импульсов ШИМ

В Главе 3 рассматриваются основные принципы модуляции входного тока и вопросы устойчивости системы МПЧ с входным ЬС или ЛЬС-фильтром (рис. 12). Показано, что на устойчивость системы влияют характеристики входного фильтра и потребляемая нагрузкой мощность. Для каждого типа входного фильтра проводится анализ устойчивости системы, и определяются зависимости максимальной выходной мощности МПЧ и максимального коэффициента передачи напряжения от параметров фильтра. Проводится анализ влияния цифровой коррекции системы управления на устойчивость системы. Приводятся результаты моделирования. Разработанные программы для ЭВМ позволяют оценить устойчивость системы.

я,

г—О

//< 1ик ,иыи;ч гати-, ,Чхо<-1н,>й I ( -фи -\ьт/:•

а)

Паип-л-.ьтш <<.пи,

Нх/ы)>и>и Н/Х'-фмып]*

б)

Рис. 12. Исследуемая система МПЧ с входным ЬС-фильтром (а) и с ЛЬС-фильтром (б)

Для системы МПЧ с входным ЬС-фильтром (рис. 12, а) без учета параметров нагрузки строгий аналитический анализ на устойчивость по Ляпунову собственных чисел приводит к следующему критерию устойчивости

-РГ<Р0<РГ, (3)

где Р™°* - максимальная выходная мощность МПЧ, при которой сохраняется устойчивость.

/''"'" определяется из выражения

I

я;

ппшх = _и2 ( у- I + щ

(4)

где И, и (£>- входное напряжение и частота; й и /л - параметры питающей сети; I, и С, - параметры входного фильтра.

Полученные при аналитическом анализе результаты, соответствуют результатам проведенного имитационного моделирования, что позволяет использовать полученные модели для дальнейших исследований.

Так, для системы с входным ЬС-фильтром, методом числового моделирования были получены значения определяющего собственного числа матрицы коэффициентов в зависимости от выходной мощности и емкости фильтра (рис. 13).

Далее, для той же системы, но учитывая параметры нагрузки МПЧ, была установлена зависимость максимального коэффициента передачи напряжения ц от выходной частоты (рис. 14). Анализируя полученные результаты можно сделать важные выводы:

- Принятые параметры входного ЬС-фильтра обеспечивают максимальную выходную мощность МПЧ равную 300; 600 и 900 Вт для значений ёмкости фильтра С,

равных 3,3; 6,8 и 10 мкФ соответственно;

- Принятые параметры нагрузки МПЧ ограничивают максимальный коэффициент напряжения q значениями 0,1 8; 0,26 и 0,32 соответственно.

mono

тт

7ll¡¡¡¡

Г."»«.«Я '

P'-fíllm

■ Р>4ЩШ;

.ЗикФ

Неуспчшчише состояние

успюичииие col таяние

Р. 600Вт ■ Р-ОВт

Р 4líi;¡i.¡

■ Рг Ж. Вт ■

Р =101)0 Вт

S* Р„?<)ШВт Р =0 Вт

III муф

Г -ЧМ»т

Re

■ 100 -50 0 ¡0 100 150 УЮ

Рис. 13. Положение определяющего собственного числа матрицы коэффициентов при разных выходных мощностях в зависимости от величины ёмкости фильтра С. для системы

МПЧ с ЬС-фильтром без учета параметров нагрузки

ч

0.45 0 40 0.35 0J0 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0

{) 54 100 ¡50 200 С 1 К.

Рис. 14. Зависимость максимального коэффициента передачи напряжения q от выходной частоты fo для системы МПЧ с LC-фильтром с учетом параметров нагрузки

С. 3.3 мкФ

Устойчивое состояние

Далее, показано теоретически и доказано результатами моделирования, что включение добавочного гасящего сопротивления параллельно индуктивности входного фильтра (рис. 12, б) положительно влияет на устойчивость системы и значительно расширяет диапазон мощностей преобразования.

Анализ на устойчивость проведен тем же методом, что и для системы с ЬС-фильтром. Как и в предыдущем случае, расчеты выполнены как без учета параметров нагрузки, так и с её учетом. Анализируя полученные результаты можно сделать важные выводы:

- Принятые параметры входного ЯЬС-фильтра обеспечивают максимальную выходную мощность МПЧ равную 9 и 1 I кВт для значений гасящего сопротивления

равных 10 и 5 Ом соответственно (рис. 15);

- Максимальный коэффициент напряжения ограничен своим максимальным значением ц=0,87 (рис. 16).

Можно заключить, что предложенный подход анализа на устойчивость и разработанные программы для ЭВМ могут быть полезными при проектировании входных фильтров, обеспечивая доступный метод проверки возникновения неустойчивости.

Im I МНЮ

/гш iiooo

lOOOu

woo xaao 'mm

Р.-ШО Вт P'MUOBm P-^ltrniSm

fi -2 Ом

P • r.-dit'! Hn

'SHOD Вт

P -HOOD Вт

, R'iOM

R -5 Ом

Устойчивое aiammme

P. SHOO Вт

Htvc/fto:}'mtioc «Кiiloniii?

P •»•»» 'im

Г - t- V':4) й.я

i R - К) Ом Re

-400 -M) в 200

Рис. 15. Положение определяющего собственного числа матрицы коэффициентов при разных мощностях в зависимости от величины гасящего сопротивления R, для

системы МПЧ с RLC-фильтром без учета параметров нагрузки

Неустойчивое атпонние ^ к, 5 Ом

гтоичиме ытоя'гие

О 50 100 ¡'.и/ 2'К: /, Г*

Рис. 16. Зависимость максимального коэффициента передачи напряжения д от выходной частоты /о для системы МПЧ с ШХ-фильтром с учетом параметров нагрузки

Показано, что применение цифровой коррекции системы управления для выделения основной гармоники вектора входного напряжения ил/) позволяет существенно расширить диапазон выходных мощностей МПЧ

du,

Ш

dt

/_ /_

= -и. —и, г ' г

(5)

где г - постоянная времени цифрового фильтра.

С помощью числового моделирования установлено, что применение ЬС-фильтра совместно с цифровой коррекцией дает результат, аналогичный применению ЯЬС-фильтра:

- Значение постоянной времени цифрового фильтра т =0,326 мс позволяет достичь максимального теоретического значения коэффициента передачи напряжения (/= 0,87 (рис. 17), находясь при этом в зоне устойчивой работы.

Проведенное математическое и имитационное моделирование в полной мере подтверждает выполненные расчеты, поэтому можно заключить, что предложенный подход анализа устойчивости является верным.

О 0.0} 0.1 0.15 и.: 0.25 Iи 0.25 «'

Рис. 17. Максимальный коэффициент передачи напряжения ц, как функция постоянной времени цифрового фильтра г

В Главе 4 подробно изложено имитационное моделирование МПЧ, управляемого с помощью различных алгоритмов модуляции и работающего при разных параметрах питающей сети, входного фильтра и нагрузки. Для освещения вопроса моделирования, приводятся схемы ключевых блоков, реализующие заданные функции, и описание их работы.

Имитационная модель системы с МПЧ, изображена на рис. 18. На входе МПЧ установлен фильтр, на выходе - симметричная 3-х фазная резистивно-индуктивня нагрузка. Имитационная модель содержит блоки:

- Питающую 3-х фазную электрическую сеть «Three-Phase Source»;

- Входной фильтр «Filter»;

- Преобразователь матричного типа «Matrix Converter IGBTs»;

- Симметричную 3-х фазную RL-нагрузку «RL Load»;

- Блок прямой пространственно-векторной модуляции «SVM».

Рис. 18. Имитационная модель системы МПЧ с входным фильтром и RI.-нафузкой

Системой управления ключами МПЧ является блок прямой пространственно-векторной модуляции «SVM». На вход блока «SVM» поступают синусоидальные модулирующие сигналы, формирующие входной ток и выходное напряжение МПЧ. На выходе блока «SVM» формируется шина управляющих сигналов «С» для девяти ключей Sir .S МПЧ. Эти сигналы через блок «matrix converter switching» поступают непосредственно в блок преобразователя «Matrix Converter IGBTs».

Имитационная модель блока «Matrix Converter IGBTs» представлена на рис. 19 и состоит из девяти ключей S1a...Src. С входа и выхода блока снимаются сигналы фазного напряжения U, и тока 1о соответственно. Имитационная модель ключа с двунаправленной проводимостью изображена на рис. 20.

Результаты имитационного моделирования полно отражают изложенные в предыдущих главах теоретические исследования и выводы.

Практическая реализация экспериментального образца МПЧ включает в себя разработку силовой схемы, схемы драйверов силовых транзисторов и схемы цифровой системы управления.

Для изготовления силовой части экспериментального образца МГГЧ применены транзисторы IRG4PH50KD фирмы International Rectifier со встроенным ультрабыстрым обратным диодом. Монтаж IGBT транзисторов выполнен на трёх радиаторных пластинах, как показано на рис. 21.

Шесть плат драйверов IGBT содержат по три микросхемы драйверов затворов со встроенным оптроном HCPL-2631 фирмы Fairchild Semiconductor и схемы определения направления протекания выходного тока и определения входного напряжения, выполненные на операционном усилителе. Каждая плата драйверов питается от индивидуального источника питания напряжением 15 В постоянного тока.

Таким образом, три радиаторные пластины на каждой из которых располагаются по шесть IGBT транзисторов и две платы драйвера, соединяются внешним проводным монтажом через силовые клеммники. Фотография собранного экспериментального образца МПЧ с микропроцессорной системой управления показана на рис. 22.

Для реализации задач управления был выбран цифровой сигнальный процессор (ЦСП) Texas Instruments серии F28335, который благодаря своей высо-

Рис. 19. Имитационная модель блока «Matrix Converter IGBTs»

Рис. 20. Имитационная модель ключа с двунаправленной проводимостью

ifsEL

fCivwmvM

0;0fcp;ci0|

j hi'itv/nik'u

il

О-О О О о?

¡0:0 о;о[ою| ioioso-'olc-io;

7/аm «I

' <и)1НШ

_г

Рис. 21. Монтаж IGBT транзисторов и плат драйверов на радиаторах

кои производительности и поддержке операции с числами с плавающей запятой, позволил реализовать все программные алгоритмы регуляторов и контуров управления. Для разработки применен отладочный набор е7^р ТМ8320Р28335 выполненный на малогабаритной печатной плате и имеющий предустановленный ЦСП серии Р28335 и наличие всей необходимой периферии. Экспериментальный образец микропроцессорной системы управления содержит:

- плату егёвр ТМ8320Р28335 с цифровым сигнальным процессором, реализующим все функции управления и регулирования, а также разъём питания и необходимые последовательные интерфейсы;

- плату сопряжения и измерения (устанавливается под егсЬр), содержащую схемы нормализации входных аналоговых сигналов (8 каналов), ПЛИС для формирования управляющих сигналов на драйверы ЮВТ и необходимые клеммники для подключения внешних цепей.

а) б)

Рис. 22. Фотография экспериментального образца МПЧ (а) и микропроцессорной системы управления (б)

Экспериментальные результаты переходных и установившихся процессов для различных режимов работы МПЧ и электропривода на его основе представлены на рис. 23.

тш

ШШ

А А А

\

/О Л) М) ••}

ы V» ! •„< а)

А А

V /

А АА

4

\

/ \

н х ¡л

!

II т № щ в)

О /'*' ■{} М> 40 51? 60 ■(! $0 % ; !„

V

л А л Д А

V V

1] !?> 37 ¡(1 60 Ж У'!

Рис. 23. Осциллограмма тока (а) и линейного напряжения (б) на выходе МПЧ; тока (в фазного напряжения (г) на входе МПЧ при работе на активно-резистивную нагрузк

Экспериментальный образец регулируемого электропривода с МПЧ и асинхронным электродвигателем типа 4ВР10014 (4 кВт, 1500 об/мин) успешно опробован на лабораторном стенде. Реализованная система векторного управления построена по принципу прямого управления моментом (ОТС) и обеспечивает точное регулирование момента при низких частотах, включая и нулевую скорость. Экспериментальные результаты представлены на рис. 24-26.

Ш,. ri.ii И

ю

а -¡и

¡и а)

т

«.а

Рис. 24. Осциллограмма скорости (а) и электромагнитног о момента (о) при пуске на номинальную скорость без нагрузки

V.

1' >!- !.'.л «п /,!) /,; ¡1 _-.iv

Рис. 25. Осциллофамма скорости при реверсе с номинальной скорости и обратно без нафузки

е. «л V т гщ о.!

Рис. 26. Осциллофамма тока статора при реверсе с номинальной скорости без нагрузки (время 1=0,2...0.5 с)

Экспериментальные результаты в статических режимах при работе образца регулируемого электропривода с МПЧ без нагрузки представлены на рис. 27.

и V я? Ма) * я/ «.' 11 ;«

Рис. 27. Ток статора (а) и опенка значения электромагнитного момента (б) в установившемся режиме без нагрузки (задание частоты вращения 5 Гц)

-б)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований преобразователя частоты матричного типа с его последующим применением в регулируемом электроприводе переменного тока можно сделать следующие выводы:

1. Разработанные имитационные модели системы позволяют:

- проводить исследования в статических и динамических режимах работы при различных алгоритмах управления;

- проводить исследования устойчивости системы в зависимости от параметров сетевого напряжения, входного и выходного фильтров и нагрузки;

- проводить исследования методов модуляции;

- проводить проектно-исследовательские расчеты.

2. Разработанный алгоритм безопасной коммутации ключей матричного преобразователя обеспечивает существенное сокращение количества неверных коммутаций.

3. Разработанный способ коррекции длительности управляющих импульсов ШИМ обеспечивает компенсацию задержки времени переключения, присущую 4-х ходовым способам коммутации, что позволило уменьшить искажения форм входного и выходного напряжений и токов.

4. Проведённый анализ устойчивости системы и предложенная методика расчёта входного фильтра позволяют оценить устойчивость системы и рассчитать необходимые параметры входного фильтра.

5. Реализован в лабораторных условиях экспериментальный образец матричного преобразователя частоты и на его базе опробован регулируемый электропривод с системой прямого управления моментом.

6. Разработан алгоритм управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера TMS320F28335 фирмы Texas Instruments и программируемой логической схемы МАХЗООО фирмы Altera.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при исследовании, расчётах и проектировании непосредственных преобразователей частоты матричного типа.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кокорин, Н.В. Анализ устойчивости системы с матричным преобразователем частоты и входным фильтром / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Электричество. 2010. №1. С.43-47.

2. Кокорин, Н.В. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей матричного преобразователя / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Электричество. 2009. №11. С.52-56.

3. Кокорин, Н.В. Электропривод с матричным преобразователем / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Электричество. 2008. №10. С.57-60.

Опубликованных в других научных изданиях

4. Кокорин, Н.В. Моделирование матричного преобразователя / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. 2009. №1. С.47-52.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве и использованных в диссертации: в [1] соискателю принадлежит разработка основных допущений и теоретических положений, а также проведение математического моделирования и анализ полученных результатов; в [2] - разработка основных положений комбинированного алгоритма безопасной коммутации и проведение экспериментальных результатов; в работах [3-4] - постановка задачи, разработка имитационных моделей и анализ полученных результатов исследований.

Автор выражает глубокую благодарность соавторам опубликованных работ за плодотворное сотрудничество.

Формат 60x84/16. Бумага писчая. Объём 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № ¡24

Отпечатано в типографии Чувашского госуниверситета. 428015, Чебоксары, Московский проспект, 15

Введение.

Глава 1. Общие положения.

1.1. Введение.

1.2. Обзор современных полупроводниковых преобразователей.

1.2.1. Двухзвенные преобразователи частоты.

1.2.2. Непосредственные преобразователи частоты.

1.3. Математическая модель матричного преобразователя.

1.4. Алгоритмы скалярной модуляции.

1.4.1. Алгоритм Алесиной - Вентарини.

1.4.2. Оптимизированный алгоритм Вентарини.

1.4.3. Алгоритм Роя.

1.5. Пространственно-векторная модуляция.

1.5.1. Понятие пространственного вектора.

1.5.2. Метод косвенной пространственно-векторной модуляции.

1.5.3. Метод прямой пространственно-векторной модуляции.

1.6. Выводы.

Глава 2. Методы коммутации ключей в матричном преобразователе.

2.1. Введение.

2.2. Топология ключей с двунаправленной проводимостью.

2.2.1. Ключ на одном транзисторе.

2.2.2. Ключи на двух транзисторах.

2.3. Анализ существующих методов коммутации ключей.

2.3.1. Основные правила коммутации.51.

2.3.2. Простые способы коммутации.

2.3.3. Улучшенные способы коммутации.

2.4. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей.

2.4.1. Экспериментальные результаты.

2.5. Алгоритм коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ.

2.5.1. Коррекция в случае коммутации по току.

2.5.2. Коррекция в случае коммутации по напряжению.

2.5.3. Экспериментальные результаты.

2.6. Выводы.

Глава 3. Устойчивость системы с матричным преобразователем.

3.1. Введение.

3.2. Анализ принципов модуляции входного тока.

3.2.1. Понятие вектора модуляции входного тока.

3.2.2. Влияние неидеальности питающей сети на качество входного тока.

3.2.3. Анализ входного тока при несбалансированной синусоидальной питающей сети.

3.2.4. Результаты моделирования.

3.3. Входной фильтр.

3.3.1. Анализ устойчивости системы с входным ЬС-фильтром.

3.3.2. Анализ устойчивости системы с входным КЬС-фильтром.97 :

3.3.3. Результаты моделирования.101.

3.4. Цифровая,коррекция системы управления.

3.4.1. Анализ устойчивости системы с цифровым фильтром.

3.4.2. Результаты моделирования.109, '

3.5. Выводы.

Глава 4. Моделирование и практическая реализация матричного преобразователя.

4.1. Введение.

4.2. Моделирование матричного преобразователя.

4.2.1. Силовая часть матричного преобразователя.

4.2.2. Система управления.

4.2.3. Анализ возникновения напряжения смещения нейтрали.

4.2.4. Результаты моделирования.

4.3. Практическая реализация экспериментального образца матричного преобразователя частоты.

4.3.1. Силовая часть матричного преобразователя.

4.3.2. Микропроцессорная система управления.

4.3.3. Экспериментальные результаты работы экспериментального образца МПЧ на резистивно-индуктивную нагрузку.

4.3.4. Применение МПЧ для прямого управления моментом асинхронного электродвигателя.

4.3.5. Экспериментальные результаты работы электропривода с системой прямого управления моментом и МПЧ.

4.4. Выводы.

В настоящее время наиболее актуальным становится сокращение количества этапов преобразования электрической энергии на пути от источника до потребителя [2, 8]. Одним из направлений достижения указанной выше тенденции является использование перспективных схем преобразователей частоты (ПЧ) и применение эффективных алгоритмов для их управления.

Одной из наиболее широких областей применения силовой преобразовательной техники является частотно-регулируемый электропривод переменного тока, поскольку он обладает большими потенциальными возможностями оптимизации производственных процессов, роста производительности, экономии трудовых и энергетических ресурсов. В большинстве случаев в них используются двухзвенные полупроводниковые ПЧ, выполненные по схемам «неуправляемый выпрямитель — инвертор» и «управляемый выпрямитель - инвертор» [20]. Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии от сети переменного тока, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность, что существенно снижает их энергетическую эффективность. Кроме того, они вносят значительные искажения в питающую сеть вследствие низкого качества входного тока.

Требования к питающей сети постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе ПЧ. Эти обстоятельства стимулируют использование в их составе входных фильтров, которые частично решают отмеченные выше проблемы, но при этом увеличивают стоимость и ухудшают массогабаритные и динамические показатели. Поэтому особого вни5 мания заслуживают вопросы согласования ПЧ с питающей сетью. Помимо требований по качеству потребляемой электроэнергии, современные ПЧ также должны обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть.

Одним из перспективных направлений уменьшения потребления реактивной мощности из питающей сети при одновременной возможности рекуперации энергии и снижения уровня высших гармоник сетевого тока является применение схем активных ПЧ, использующих в своей схеме полностью управляемые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульс-но-модуляционными методами [7, 16, 20]. С точки зрения схемотехнических решений активные ПЧ можно разделить на две группы:

1. Упомянутые выше двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ), состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН) или тока (АИТ) один из которых работает в режиме выпрямления. В промежуточном звене постоянного тока устанавливается сглаживающий конденсатор для АИН или реактор для АИТ. Наличие громоздкого фильтра в промежуточном звене является одним из наиболее существенных недостатков схем ДПЧ.

2. Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в структуре которых отсутствует промежуточное звено. В настоящее время всё больший интерес вызывает такая разновидность схем НПЧ, как матричный преобразователь частоты (МПЧ) [27-30, 46, 49., 53, 67, 69]. МПЧ, обладая лучшими массогаба-ритными и динамическими показателями, так же как и ДПЧ, представляет собой многомерный объект, который требует использования современных методов управления. Помимо сложности управления, остро стоит вопрос повышения надежности коммутации ключей МПЧ, которая осуществляется более сложно, чем в схемах ДПЧ.

Можно добавить, что развитие современной элементной базы и новые технические возможности дали толчок к развитию новых принципов управления, нереализуемых ранее ввиду своей сложности. Все это позволяет вести разработку экономичных, высокопроизводительных и компактных систем управления.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании и реализации перспективных способов управления МПЧ, позволяющих помимо задач регулирования обеспечить электромагнитную совместимость с питающей сетью и улучшить энергетическую эффективность.

Актуальность выбранной цели подтверждается большим числом публикаций в отечественной и зарубежной литературе, посвященных этой проблематике. Для достижения поставленной цели была проведена следующая работа:

1. Разработка математической и имитационной моделей МПЧ, исследование режимов работы и алгоритмов управления.

2. Повышение надёжности коммутации ключей в МПЧ и улучшение качества преобразования электрической энергии.

3. Исследование влияния несимметричности напряжения питающей сети на качество входного тока.

4. Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром.

5. Практическая реализация экспериментального образца МПЧ для регулируемого асинхронного электропривода в составе лабораторного стенда.

Методы исследования базируются на общих положениях теории цепей, методах математического и численного моделирования, линейной алгебре, теории нелинейных и дискретных систем управления и теории цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования, примененным в данной работе, является метод математического моделирования. Результаты экспериментальных исследований фиксировались с помощью современных средств измерения. При обработке результатов теоретических и экспериментальных исследований широко применялось современное программное обеспечение.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается как на этапе моделирования разработанных систем, так и многочисленными экспериментальными результатами.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ. 7

2. Способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ.

3. Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром и методика расчёта параметров входного фильтра.

4. Результаты исследований составленных имитационных моделей МПЧ и экспериментального образца.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработанный комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ отличается от известных сочетанием преимуществ 4-х ходовых способов коммутации по току и напряжению.

2. Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ позволяет компенсировать задержку переключения присущую 4-х ходовым способам коммутации.

3. Проведённый анализ устойчивости системы и предложенная методика расчёта параметров входного фильтра используют методы усреднения и линеаризации системы, что облегчает выполнение расчетов.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработанный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ обеспечивает существенное сокращение количества неверных коммутаций и повышает надежность системы в целом.

2. Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ обеспечивает уменьшение искажений в кривых входных и выходных токов и напряжений.

3. Установленные зависимости максимальной выходной мощности МПЧ и максимального коэффициента передачи напряжения от параметров входного фильтра позволяют оценить устойчивость системы и рассчитать необходимые параметры входного фильтра.

4. Разработанные имитационные модели системы позволяют проводить исследования работы МПЧ при изменении параметров силовой схемы в режимах потребления и рекуперации, а также алгоритмов модуляции.

5. Реализованный в лабораторных условиях экспериментальный образец МПЧ может быть использован для дальнейших исследований.

Практическая реализация результатов работы:

1. Созданные имитационные модели МПЧ позволяют проводить исследования в статических и динамических режимах работы при различных алгоритмах управления с возможностью изменения параметров питающей сети, входного и выходного фильтров, регуляторов и нагрузки.

2. Результаты исследований диссертационной работы нашли практическое применение при разработке экспериментального образа МПЧ и регулируемого электропривода на его базе мощностью 4 кВт, обеспечивающего синусоидальность сетевого тока, рекуперацию электрической энергии в питающую сеть и регулирование входного коэффициента мощности.

3. Разработаны алгоритмы управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера TMS320F28335 фирмы Texas Instruments и программируемой логической интегральной схемы МАХ3000 фирмы Altera.

Структура диссертации

Диссертация разделена на четыре главы, каждая глава посвящена отдельному вопросу и затрагивает необходимые для его решения области знаний.'

4.4. Выводы

В этой главе суммируются все знания, полученные в предыдущих главах при исследовании МПЧ как объекта управления, поскольку моделирование и тем более практическая реализация немыслимы без глубокого понимания исследуемого вопроса. Ко всему этому, сама попытка создания такого сложного устройства как электрический привод, обязывает разработчика владеть хорошими знаниями в области схемотехники и программирования, быть в курсе последних достижений в области микропроцессорной техники и силовой электроники.

Проведён анализ возникновения напряжения смещения нейтрали, которое губительно сказывается на долговечности изоляции обмоток и подшипников электродвигателя. Рассмотрены методы модуляции, которые позволяют снизить величину напряжения смещения нейтрали, путём использования нулевых векторов, имеющих наименьшее значение. Представлены результаты моделирования для каждого метода модуляции.

Цель, поставленная в начале главы, успешно решена. Выполнено моделирование системы с матричным преобразователем, приводятся схемы ключевых блоков модели, реализующие заданные функции, и описание их работы. Созданная модель успешно использовалась для решения других задач диссертации и исследования МПЧ в целом.

Несомненно, актуален адаптированный к схеме МПЧ принцип построения системы регулируемого электропривода с прямым управлением моментом. Этот принцип является развитием принципа прямого управления моментом для схем ДПЧ. В результате проведённых исследований, на современной элементной базе был создан автономный регулируемый электропривод с маломощным асинхронным двигателем и преобразователем частоты матричного типа. Разработан алгоритм управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера ТМ832(Ш28335 фирмы

Texas Instruments и программируемой логической схемы MAX3000 фирмы Altera.

Суммируя и проводя параллели результатов исследований предыдущих глав, можно с уверенностью сказать, что высокие качественные показатели электропривода с МПЧ, несомненно, открывают для него широкие перспективы. Все же, несмотря на все свои преимущества над схемами ДПЧ, схемы МПЧ пока не нашли широкого применения ввиду увеличенного количества силовых транзисторов и сложности управления.

Заключение

В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований преобразователя частоты матричного типа с его последующим применением в регулируемом электроприводе переменного тока можно сделать следующие выводы:

1. Разработанные имитационные модели системы позволяют:

- проводить исследования в статических и динамических режимах работы при различных алгоритмах управления;

- проводить исследования устойчивости системы в зависимости от параметров сетевого напряжения, входного и выходного фильтров и нагрузки;

- проводить исследования методов модуляции;

- проводить проектно-исследовательские расчеты.

2. Разработанный алгоритм безопасной коммутации ключей матричного преобразователя обеспечивает существенное сокращение количества неверных коммутаций.

3. Разработанный способ коррекции длительности управляющих импульсов ШИМ обеспечивает компенсацию задержки времени переключения, присущую 4-х ходовым способам коммутации, что позволило уменьшить искажения форм входного и выходного напряжений и токов.

4. Проведённый анализ устойчивости системы и предложенная методика расчёта входного фильтра позволяют оценить устойчивость системы и рассчитать необходимые параметры входного фильтра.

5. Реализован в лабораторных условиях экспериментальный образец матричного преобразователя частоты и на его базе опробован регулируемый электропривод с системой прямого управления моментом.

6. Разработан алгоритм управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера TMS320F28335 фирмы Texas Instruments и программируемой логической схемы МАХ3000 фирмы Altera.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при исследовании, расчётах и проектировании непосредственных преобразователей частоты матричного типа.

1. Белов, Г.А. Влияние входного фильтра на динамику импульсного преобразователя / Г.А. Белов, И.В. Ильин // Электричество. 2005. №12. С.59-67.

2. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учебник для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов,

3. B.Н. Поляков. М.: Изд-во Академия. 2004. 256 с.

4. Виноградов, А.Б. Новые алгоритмы пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты / А.Б. Виноградов // Электричество. 2008. №3. С.41-52.

5. Воеводин, В.В. Линейная алгебра: учеб. пособие для вузов изд. 3-е, стереотип. / В.В. Воеводин. СПб.: Изд-во Лань. 2006. 416 с.

6. Воронин, П.А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применения / П.А. Воронин. М.: Изд-во Додэка XXI. 2005. 384 с.

7. Душин, С.Е. Теория автоматического управления: учеб. для вузов /ч

8. C.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др. М.: Высшая школа, 2003. 567 с.

9. Ефимов, A.A. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока / A.A. Ефимов под ред. Р.Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НГТИ. 2001.

10. Ильинский, Н.Ф. Электропривод. Энерго- и ресурсосбережение: учебник для студ. высш. учеб. Заведений / Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко. М.: Изд-во Академия. 2008. 208 с.

11. Карташов, Р.П. Тиристорные преобразователи частоты с искусственной коммутацией / Р.П. Карташов, А.К. Кулиш, Э.М. Чехет. К., Изд-во Техника, 1979. 152 с.

12. Климов, В.Н. Двунаправленные ключи в матричных структурах преобразователей переменного тока / В.Н. Климов, C.B. Климова // Силовая электроника. 2008. №4. С.20-24.

13. Кокорин, Н.В. Анализ устойчивости системы с матричным преобразователем частоты и входным фильтром / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Электричество. 2010. №1. С.43-47.

14. Кокорин, Н.В. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей матричного преобразователя / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Электричество. 2009. №11. С.52-56.

15. Кокорин, Н.В. Моделирование матричного преобразователя / А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики. 2009. №1. С.47-52.

16. Кокорин, Н.В. Электропривод с матричным преобразователем /

17. А.К. Аракелян, Н.В. Кокорин // Электричество. 2008. №10. С.57-60.

18. Народицкий, А.Г. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов / А.Г. Народицкий., Санкт-Петербургская Электротехническая компания. 2004. 127 с.

19. Поздеев, А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в. частотно-регулируемых асинхронных электроприводах / А.Д. Поздеев^ Чебок- . сары: Изд-во Чувашского гос. ун-та. 1998г. 172 с.

20. Розанов, Ю.К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, A.A. Кваснзок. М.: Изд-во МЭИ. 2009. 632 с.

21. Сидоров, С.Н. Матричный преобразователь частоты объект скалярного управления / С.Н. Сидоров // Силовая электроника. 2009. №3.

22. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г. Соколовский. М.: Изд-во Академия. 2006. 272 с.

23. Усольцев, A.A. Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие / A.A. Усольцев. СПб: СПбГУ ИТМО. 2006. 94 с.

24. Чаплыгин, Е.Е. Анализ искажений выходного напряжения и сетевого тока матричного преобразователя частоты / Е.Е. Чаплыгин // Электричество. 2007. №11. С.24-38.

25. Чаплыгин, Е.Е. Несимметричные режимы трехфазного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности / Е.Е. Чаплыгин // Электричество; 2005. №9. С.55-63.

26. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MAT-LAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных. СПб.: Питер, 2008. 288 с.

27. Чехет, Э.М. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода /Э.М. Чехет, В.П. Мордач, В.Н. Соболев. Киев: Думка, 1988. 224 с.

28. Шипилло, В.П. Взаимодействие стабилизированных полупроводниковых преобразователей с источниками питания постоянного напряжения / В.П. Шипилло, Н.Д. Левицкая // Электричество. 1989. №7.

29. Шрейнер, Р.Т. Концепция построения двухзвенных непосредственных преобразователей частоты для электроприводов переменного тока / Р.Т. Шрейнер, A.A. Ефимов, А.И. Калыгин и др. // Электротехника. 2002. №12.

30. Шрейнер, Р.Т. Координатная стратегия управления непосредственными преобразователями частоты с ШИМ для электроприводов переменного тока / Р.Т. Шрейнер, В.К. Кривовяз, А.И. Калыгин // Электротехника. 2003. №6.

31. Aaltonen, М. Direckt Torque Control of AC motor drives / M. Aaltonen, P. Tiitinen, J. Laku, S. Heikkilla// ABB Review No.3, 1995, pp.l9-24.

32. Alesina A. Analysis and Design of Optimum-Amplitude Nine-Switch Direct AC-AC Converters / A. Alesina, M. Venturini // IEEE Transactions on Circuits and Systems Vol.4, No.l, January 1989, pp.l01-112.

33. Alesina, A. Intrinsic amplitude limits and optimum design of 9-switches direct PWM ac-ac converters / A. Alesina, M. Venturini // IEEE PESC'88, Vol.2, 1988, pp.1284-1291.

34. Alesina, A. The Generalized Transformer: A New Bi-directional Sinusoidal Waveform Frequency Converter With Continuous Variable Adjustable Input Power Factor / A. Alesina, M. Venturini // IEEE PESC'80, 1980,pp.242-252.

35. Apap, M. Analysis and comparison of AC-AC matrix converter control strategies / M. Apap, J. Clare, P. Wheeler, K. Bradley // IEEE PESC'03, Vol.3, Aca-pulco, Mexico, June 2003, pp.l287-1292. v

36. Bernet, S. A Matrix Converter Using Reverse Blocking NPTIGBT's and Optimised Pulse Patterns / S. Bernet, T. Matsuo, T. Lipo // IEEE PESC'96, Baveno, Italy, Jule 1996, pp. 107-113.

37. Czarnecki, R. Input filter stability of drives fed from voltage inverters controlled by direct flux and torque control methods / R. Czarnecki, K. Hasse, A. Walc-zyna // IEEE Electr. Power Appl. Vol Л 43, No.5, September 1996, pp.396-402.

38. Bland, M. Comparison of bi-directional switch components for direct AC-AC converters / M. Bland, P. Wheeler, J. Clare, L. Empringham // 35th Annual IEEE PESC'04, Vol.4, 2004, pp.2905-2909.

39. Blaabjerg, F. Comparison of Two Current Modulation Strategies for Matrix Converters under Unbalanced Input Voltage Conditions / F. Blaabjerg, D. Casadei, C. Klumpner, etc.// IEEE Trans, on IE, Vol.49, No.2, April 2002, pp.289-296.152

40. Casadei, D. Space vector control of matrix converters with unity input power factor and sinusoidal input/output waveforms / D. Casadei, G. Grandi, G. Serra, A. Tani // Proc. of ШЕЕ РЕ' 93, Vol.7, 1993, pp.170-175.

41. Casadei, D. A general approach for the analysis of the input power quality in matrix converters / D. Casadei, G. Serra, A. Tani // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.13, No.5, September 1998, pp.882-891.

42. Casadei, D. Reduction of the input current harmonic content in matrix converter under input/output unbalance / D. Casadei, G. Serra, A. Tani // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.45, No.3, June 1998, pp. 401-411.

43. Casadei, D. Effects of Input Voltage Measurement on Stability of Matrix Converter Drive System / D. Casadei, G. Serra, A. Tani, L. Zarri // IEEE Proceedings on Electric Power Applications, Vol.151, No.4, July 2004, pp.487-497.

44. Casadei, D. Matrix converter modulation strategies: a new general approach based on space vector representation of the switch state / D. Casadei, G. Serra, A. Tani, L. Zarri // IEEE Trans, on IE, Vol.49, No.2, pp.3 70-81, 2002.

45. Cha, H. An approach to reduce common-mode voltage in matrix converter / H. Cha, P. Enjeti // IEEE Trans, on Industry App., Vol.39, July 2003, pp.1151-1159.

46. Clare, J. Introduction to Matrix Introduction to Matrix Converter Technology / J. Clare, P. Wheeler // Power Electronics, Machines and Control. The University of Nottingham, UK.

47. Empringham, L. Bi-directional switch current commutation for matrix converter applications / L. Empringham, P. Wheeler, J. Clare // The University of Nottingham, United Kingdom.

48. Empringham, L. Matrix converter protection for more electric aircraft applications / L. Empringham, Liliana de Lillo* P. Wheeler, J. Clare // The 32nd Annual IEEE Trans, on IE'06, November 2006, pp. 2564 2568,.

49. Erickson, R. A New Family of Matrix Converters / R. Erickson, O. Al-Naseem // IEEE Industrial Electronics Society Annual Conference (IECON'Ol), Vol.2, Nov./Dec. 2001, pp. 1515-1520.

50. Jun-Koo, К. Analysis and Evaluation of Bi-directional Power Switch Losses for Matrix Converter Drive / K. Jun-Koo, H. Нага, E. Yamamoto, E. Watanabe // IEEE of the Industry App, Vol.1, 13-18 Oct. 2002, pp.438-443.

51. Kazmierkowski, M. Control in Power Electronic. Selected Problems,/ M. Kazmierkowski, R. Krishnan, F. Blaabjerg // Academic Press, Elsevier Science, California, USA, 2002.

52. Klumpner, C. A new modulation method for matrix converters / C. Klumpner, F. Blaabjerg // The 36th IEEE industry App. Society (IAS'2001), Vol.3, pp.2143-2150, Chicago, IL, USA, 2001.

53. Klumpner, C. A new class of hybrid AC/AC direct power converter / C. Klumpner, T. Wijekoon, P. Wheeler // IEEE Industry . App. Conference, 2005, Vol.4, pp.2374-2381.

54. Huber, L. Input Filter Design of Forced Commutated Cycloconverters / L. Huber, D. Borojevic // Proceedings-of 6th Mediterranean Electrotechnical Conference, 1991, Vol.2, pp. 1356-1359.

55. Julian, A. Elimination of common-mode voltage in three-phase sinusoidal power converters / A. Julian, G. Oriti, T. Lipo // IEEE Trans, on Power Electronics, vol.14, Sep. 1999, pp. 982-989.

56. Lee, K. Improved direct torque control for sensorless matrix converter drives with constant switching frequency and torque ripple reduction / K. Lee, F. Blaabjerg. International Journal of Control, Automation, and Systems, 2006, No.l, pp.113-123.

57. Lee, H. A common-mode voltage reduction method modifying the distribution of zero voltage vector in PWM converter/inverter System / H. Lee, S. Sul // IEEE IAS Annu. Meeting, Vol.3, 1999, pp. 1596-1601.

58. Liliana de Lillo. A Matrix Converter Drive System for an Aircraft Rudder Electro-Mechanical Actuator / Ph.D. thesis Liliana de Lillo // University of Nottingham, England, 2006.

59. MAunzer, M. EconoMAC the first all-in-one IGBT module for matrix converters / M. MAunzer, M. LoddenkAotter, M. Hornkamp, O. Simon, M. Bruckmann // IEEE PESC'Ol, March 2001, pp. 35-39.154

60. Mohan, N. Power Electronics: Converters, Applications, and Design / N. Mohan, T. Undeland, W. Robbins. NJ: John Wiley & Sons, 2003.

61. Muroya, M. Four-step commutation strategy of PWM rectifier of converter without DC link components for induction motor drive / M. Muroya, K. Shinohara // .In Proc. IEMDC, 2001, pp.770-772.

62. Nielsen, P. Novel Solution for Protection of Matrix Converter to Three Phase Induction Machine / P. Nielsen, F. Blaabjerg, J. Pedersen // IEEE IAS Conference Record, New Orleans, 1997, pp. 1447-1454.

63. Roy, G. Asynchronous operation of cycloconverter with improved voltage gain by employing a scalar control algorithm / G. Roy, L. Duguay, S. Manias, G. April //IEEE IAS Conference Record, 1987, pp.889-898.

64. Vas, P. Sensorless Vector and Direct Torque Control / P. Vas. Oxford: Oxford University Press, 1998.

65. Venturini, M. A new sinewave in, sinewave out conversion technique eliminates reactive elements / M. Venturini // in Proc. POWERCON'80, 1980, pp.E3-l.

66. Wei, L. A novel matrix converter topology with simple commutation / L. Wei, T. Lipo // in Conference Record of the 2001 IEEE Industry App. Conference. 36th IAS Annual Meeting, Chicago, USA, 2001, pp.1749.

67. Wheeler, P. Matrix converters: The technology and pptential for exploitation / P. Wheeler, J. Clare, L. Empringham, M. Apap, M. Bland // The Drives and Controls Power Electronics Conference, 2001.

68. Wheeler, P. Optimized Input Filter Design and Low-loss Switching Techniques for a Practical Matrix Converter / P. Wheeler, D. Grant // IEEE Proc. Electric Power Applications, Vol.144, 1997, pp.53-60.

69. Wheeler, P. Matrix converters: a technology review / P. Wheeler, J. Rodriguez, J. Clare, L. Empringham, A. Weinstein // IEEE Transactions on Industrial Elecr tronics, Vol.49, No.2, 2002, pp.276.

70. Zanchetta, P. Control design of a three-phase matrix-converter-based ac-ac mobile utility power supply / P. Zanchetta, P. Wheeler, J. Clare, ,M. Bland, L. Empringham, D. Katsis // IEEE Trans. On IE, Vol.55, No.l, 2008, pp.209-217.155

71. Ziegler, M. A new two steps commutation policy for low cost matrix converter / M. Ziegler, W. Hofmann // Proc. of the 41st International PCIM Conference, 2000, pp. 445-450.

72. Literature: MAX 3000 Devices. Электронный ресурс.: Altera. Электрон, дан. [2009-]. Режим доступа: http://www.altera.com/literature/Ht-m3k.isp. Загл. с экрана.

73. HCPL-2631. 8-Pin DIP Dual-Channel High Speed 10 MBit/s Logic Gate Output Optocoupler. Электронный ресурс.: Fairchild Semiconductor. Электрон, дан. [2009-]. Режим доступа: http ://www.fairchildsemi. com/pf/HC/HCPL-2631 .html. Загл. с экрана.

74. IRG4PH50KD insulated gate bipolar transistor with ultrafast soft recovery diode Электронный ресурс.: International Rectifier. Электрон, дан. [2009-]. Режим доступа: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irg4ph50kd.pdf. Загл. с экрана. /

75. TMS320F28335 Digital Signal Processor. Электронный ресурс.: Texas Instuments. Электрон, дан. [2009-]. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/gpn/ tms320f28335. Загл. с экрана.

76. TMS320F28335 eZdsp Starter Kit. Электронный ресурс.: Texas Instuments. Электрон, дан. [2009-]. Режим доступа: http://focus.ti.com/docs/toolsw/ folders/print/tmdsez2833 5.html. Загл. с экрана.