автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Сергей Витальевич

УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ ФУНКЦИЙ УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА МАТРИЧНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность: 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

11 НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2015 005564522

005564522

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре электромеханики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рогинская Любовь Эммануиловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шрейнер Рудольф Теодорович

Российский государственный

профессионально-педагогический

университет

профессор кафедры электрооборудования и автоматизации промышленных предприятий

кандидат технических наук, доцент Хакимьянов Марат Ильгизович ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» доцент кафедры электротехники и электрооборудования предприятий

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ульяновский

государственный технический университет», г. Ульяновск

Защита диссертации состоится 11 декабря 2015 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 на базе ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на сайте www.ugatu.su.

Автореферат разослан « 21 » октября 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор техн. наук, доцент

А. Ю. Демин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день достижения в науке и технике привели к тому, что управляемый электропривод является основой всех используемых приводных устройств. Электропривод обеспечивает высокие показатели работы технологических механизмов и, как следствие, качество технологических процессов. В качестве одного из элементов электропривода, преобразующего электрическую энергию в механическую, используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Анализ использования асинхронных двигателей для управления технологическими процессами на предприятиях Российской Федерации показывает, что их количество составляет в среднем 135 миллионов единиц. Потребление электроэнергии, используемое данными двигателями, составляет 60 % от всех потребителей. Из них 70 % асинхронных двигателей используются в энергоемких отраслях промышленности.

Массовость использования асинхронных электроприводов требует разработки для них энергоэффективных режимов работы. Применение энергоэффективных режимов работы асинхронных электроприводов позволяет уменьшить энергопотребление на 6 ТВт-ч. Экономия выраженная в денежном эквиваленте, при этом составит более 12 миллиардов рублей в год.

В настоящее время проблема создания энергоэффективных асинхронных электроприводов связана с проблемой синтеза выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением такого показателя качества, как коэффициент гармоник.

За формирование выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода отвечает такой элемент системы управления электропривода, как устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты.

Устройство формирования переключающих функций является основным элементом, обеспечивающим синтез выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода.

В современных системах управления устройства формирования переключающих функций имеют однотипную структуру, состоящую из трех идентичных каналов. Основой данных каналов является элемент сравнения. Работа устройства основана на сравнении модулирующего и синхронизирующего сигналов, в соответствии с определенным алгоритмом.

Структура современного устройства, а также алгоритмы формирования переключающих функций, основанные на сравнении сигналов, не позволяют получать выходное синусоидальное напряжение системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением такого показателя качества, как коэффициент гармоник. В свою очередь, развитие современных электронных компонентов привело к возникновению новых принципов управления, которые не могли быть реализованы до недавнего времени. Это дает возможность вести разработку систем управления, позволяющих снизить значение коэффициента гармонических составляющих.

Несинусоидальность выходного напряжения системы частотного управления электропривода приводит к возникновению высших гармоник. При этом высшие гармоники обратной последовательности создают тормозной момент асинхронного двигателя. Высшие гармоники прямой последовательности - полезный момент двигателя, а гармоники нулевой последовательности создают пульсирующее поле.

В результате, высшие гармоники выходного напряжения системы частотного управления приводят к потерям электроэнергии в асинхронном двигателе. Происходит перегрев асинхронного двигателя, уменьшается полезный момент и возникают существенные помехи в электрической сети.

Поэтому улучшение качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода путем уменьшения коэффициента гармоник является актуальной задачей.

Решению этой задачи посвящена данная диссертационная работа. Исследованиям в данной области посвящены работы таких ученых, как Г. В. Грабовецкий, Л. А. Рутманис, Р. Т. Шрейнер, А. А. Ефимов, А. Г. Народицкий, Е. Е. Чаплыгин, Ь. Оущу1, В. Я. Ре11у.

Работа выполнена в рамках НИОКР № 115011460049 от 14.01.2015 «Устройство формирования переключающих функций системы управления матричным преобразователем частоты» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» филиал в г. Кумертау.

Целью диссертационной работы является разработка устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, позволяющего синтезировать синусоидальное выходное напряжение системы частотного управления электропривода с существенным снижением значения коэффициента гармоник. Основные задачи исследования:

1. Разработка алгоритма формирования, а также компьютерных имитационных моделей выходного напряжения системы частотного управления электроприводом, позволяющих осуществлять его гармонический анализ.

2. Формирование зависимостей коэффициентов гармонических составляющих сигналов от частоты для определения возможности улучшения качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода.

3. Разработка способа формирования переключающих функций, обеспечивающего синтез выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.

4. Разработка устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.

Методологическая база и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и имитационного моделирования, ряды Фурье, аналитические и численные методы анализа с использованием ЭВм! При разработке компьютерных имитационных моделей был использован пакет «МаЛСасЬ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм формирования выходного напряжения системы частотного управления электропривода, полученный на основе математических моделей.

2. Зависимости коэффициентов гармонических составляющих сигналов от частоты, определяющие возможности улучшения качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода.

3. Способ формирования переключающих функций, обеспечивающий синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.

4. Устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электропри водом.

Научная новизна:

1. На основе компьютерных имитационных моделей выходного напряжения системы частотного управления электроприводом было доказано, что коэффициент гармоник, независимо от структуры устройства формирования переключающих функций, практически не зависит от частоты. Установлена зависимость среднего значения коэффициента гармоник выходного напряжения системы частотного управления электроприводом от числа фаз входного напряжения матричного преобразователя частоты для устройства формирования переключающих функций с алгоритмом циклического переключения фаз.

2. Разработан способ формирования переключающих функций, обеспечивающий синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода, в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.

3. Разработано устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.

Практическая значимость результатов исследований. Предложенный способ и устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, обеспечивающее синтез выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре электроснабжения промышленных предприятий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» филиал в г. Кумертау.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Международной научно-практической конференции «Роль технических наук в развитии общества» (Уфа, 2014), XII Международной научно-практической конференции «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований» (Новосибирск, 2014), XXXVII Международной научно-практической конференции «Технические

науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2014), VII Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2014), XIV Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2014).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 24 печатные работы, в том числе 7 статей в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, 11 публикаций в трудах конференции, получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, содержит 171 страницу машинописного текста, библиографический список из 103 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы выбранного направления исследований, дана общая характеристика, сформированы цели и задачи научной работы.

В главе 1 производится обзор современного состояния и перспективы развития систем управления преобразователями частоты, применяемых в электроприводах переменного тока, их достоинства и недостатки.

При проектировании систем управления преобразователя частоты для частотного управления электроприводом наиболее значимым критерием является качество выходного напряжения системы частотного управления электропривода. С целью улучшения гармонического состава выходного напряжения системы частотного управления электропривода (управляющего сигнала) в преобразователях вносят изменения в силовую часть либо в ее систему управления, либо изменяют обе части преобразователя.

В данной работе рассмотрены различные алгоритмы модуляции и устройства формирования переключающих функций системы управления, реализующие данные алгоритмы.

Первым из рассмотренных алгоритмов является прямое формирование управляющего сигнала, которое осуществляется в непосредственных преобразователях частоты с однократной модуляцией. Формирование управляющего сигнала осуществляется путем циклического подключения нагрузки поочередно к каждой из фаз источника.

Структура устройства формирования переключающих функций управляющего блока преобразователя для системы частотного управления электроприводом, построенного по данному принципу, приведена на рисунке 1, а. Результат моделирования управляющего сигнала при линейной синхронизации и синусоидальной модулирующей функции показан на рисунке 1, б.

В каждом канале модулирующий сигнал М{() вычитается из синхронизирующего сигнала /¡„(0 (/,„(/), /¡с('))- Полученный в результате этого сигнал с элемента сравнения ЭС подается на вход нуль-детектора (компаратора) К. Образовавшийся в момент пересечения двух сигналов сигнал 1 с компаратора поступает в генератор импульсов (ГИ). Генератор импульсов вырабатывает импульс, который поступает на триггер Т. Триггер Т выдает сигнал 1 для соответствующей

переключающей функции. При этом каждый триггер сбрасывается импульсом, поступающим из следующего канала. Результатом работы данного устройства является формирование переключающих функций А, _,(«)> Л1Я(/), /;|С(/).

АЛО у, , у,

а б

Рисунок 1 - Устройство формирования переключающих функций и управляющий сигнал электропривода а - структура устройства формирования переключающих функций; б-результат моделирования управляющего сигнала

Достоинство данного алгоритма — простота системы управления.

Недостатком является то, что управляющий сигнал состоит из участков синусоидальных кривых, сформированных входным многофазным напряжением.

Несинусоидальный управляющий сигнал приводит к возникновению высших гармоник, создающих помехи в питающей сети, а также вызывающих нежелательные потери в оборудовании.

С целью исключения высших гармоник из спектра управляющего сигнала применяются выходные фильтры низких частот. Применение фильтров повышает стоимость и массогабаритные показатели преобразователя.

Вторым алгоритмом формирования управляющего сигнала является применение широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Структура устройства формирования переключающих функций управляющего блока преобразователя для системы частотного управления электроприводом по принципу ШИМ приведена на рисунке 2, а. На рисунке 2, б приведены диаграммы 3-фазной синусоидальной ШИМ.

*.(0 м 1 3

А?

! МО *»(0

•

♦V •

• ¿2.5.8«

т*

^г^J^J^J^_л_J^_Jl_Jl

ллогггчгтгтгтгтггг

[иТГТП-П_П-ЛиЪЛ_Г1Г~

Рисунок 2 - Устройство формирования переключающих функций и диаграммы синусоидальной ШИМ а - структура устройства формирования переключающих функций; б-диаграммы 3-фазной синусоидальной ШИМ

Управляющая часть 1 (рисунок 2, а) содержит блок 2 (рисунок 2, а), входы которого служат для подачи 3-фазного задающего сигнала ха (!), хь (/), хД/) гармонической формы. Имеется также блок модулятора-распределителя 3 (рисунок 2, а), на входах которого происходит обычное для скалярных систем управления сравнение модулирующих и поступающего из блока 4 (рисунок 2, а) опорного *нп (/) сигналов, результатом которого является получение на выходах блока 3 (рисунок 2, а) девяти последовательностей переключающих функций А,(/) - /г, (/).

Основными недостатками использования широтно-импульсной модуляции в системах управления электроприводом являются наличие шумов на частоте коммутаций и их повторяемость. Увеличение частоты несущего сигнала не приводит к исключению высших гармоник из спектра управляющего сигнала, а к смещению их в более высокочастотную область. При этом величина полного коэффициента гармоник не соответствует требованиям, предъявляемым к качеству управляющего сигнала.

Таким образом, возникает задача определения возможностей по уменьшению коэффициента искажения синусоидальности управляющего сигнала с помощью существующих алгоритмов модуляции и систем управления, реализующих данные алгоритмы, а также разработка новых принципов управления, нереализуемых ранее ввиду своей сложности, позволяющих повысить качество управляющего сигнала по сравнению с существующими принципами управления.

Результатом проведенного анализа явилось формирование цели и задач научного исследования.

В главе 2 для количественного анализа качества управляющего сигнала на основе математических моделей были разработаны алгоритмы построения управляющего сигнала для систем управления с циклическим переключением входных сигналов и широтно-импульсной модуляцией. Для этого был рассмотрен преобразователь, присоединенный к «-фазному источнику переменного напряжения с частотой /вх и управляемый таким образом, чтобы получить 3-фазное выходное напряжение с желаемой частотой /вых.

В качестве источника многофазного входного напряжения можно использовать напряжение с выхода многофазного фазообразующего трансформатора.

Так как кривые управляющего сигнала образуются из участков следующих друг за другом кривых входного напряжения, то мгновенное значение управляющего сигнала ивых1, иВЬ]Х2, ишю может быть описано соотношениями:

1-0

Здесь единичная ступенчатая функция: 1(г,)=0 при 1<1Ч, 1(г?)=1 при

Коэффициенты при входных напряжениях представляют собой суммы прямоугольных единичных импульсов называемых переключающими функциями:

=¿Ьк)-!^,)]; - = ¿Ьк.^)-!^)];... й^со=¿Ьк^-,)-!^»)]-

Таким образом,

Увы*? = 0Х/вХ1 + (0^ВХ2 + ... + (О^ВХ, + -» + *,» (ОЬ'вх» •

Функция Л (0 0?=1, 2, 3; <7=1,2,...,«) математически описывает действие силового ключа, подающего входное фазное напряжение ЦВХд на выход р. При Ля=1 входное напряжение (Увх? подается на вывод р; при ¿^=0 £/вх? на этом выводе нет.

На рисунке 3 приведен алгоритм построения управляющего сигнала электропривода.

02Х. Я. г, .V. ЛТ. Л'о /"

ееж - частота входного напряжения д-параметр, определяющий тип синхронизирующих функций <ч=1 для функций положительного типа, д=-1 дпя функций отрицательного типа) г • параметр, определяющий вид модулирующей функции ?)=агс эIп{•'-еIп(с-гь^ П] для треугольной функции. /=0.5 для синусоидальной функции) N • значения, определяющие выходную частоту

N7- число периодов выходного напряжения Ыо • номер модулирующей функции

що-

а^. а^К л/3

л/3, л/3 £ < 2л/3 л-да^д*. 27Г{Ъ1а>вихС<Ал{3 -яг/3, 4л-/3 1 ет^ < 5л-/3 -2л *ашгс. 5л/ 3 ^ ш^аг < 2л

Т нет

_______-----

<:' Ло-э

- да^л, 01 »,„,1 < 2гг

М(О ~ агсяа[г- гш'О»^']

Нет

Л»

АГ(0 -

л/3,

-л/3, л1г>л^<2тг

/ Д ,Апшо /

/ =0

=0

<' «V», > ЛТ-7" ~ Нет

ггте. ■ с:гке_:

_ ''Х^Д»

= + Д/.":«

17>Г€. = .\Т-Г =1

. 4л 0л . 2л Л- — А-—А-— г=0 п 3 и 3 и 3

{ Конец ^

Рисунок 3 - Алгоритм построения управляющего сигнала

В качестве синхронизирующей была выбрана линейная функция. В качестве модулирующих были выбраны пять функций: трапецеидальная, линейная, треугольная, синусоидальная, прямоугольная. Тип синхронизирующих функций — положительный или отрицательный.

На основе данных алгоритмов были созданы компьютерные имитационные модели управляющего сигнала электропривода.

В главе 3 на основе имитационных моделей управляющего сигнала, полученных во второй главе, была проведена оценка качества данного сигнала, создаваемого устройствами формирования переключающих функций систем управления рассмотренными в первой главе. '

В качестве критерия оценки алгоритмов модуляции, отражающего качество управляющего сигнала, был выбран коэффициент коэффициентов гармонических составляющих согласно ГОСТ 32144-2013. Проведено разложение в рад Фурье

управляющего сигнала, формируемого преобразователем для управления электроприводом.

Составлен алгоритм спектрального анализа управляющего сигнала. На основе данного алгоритма была создана компьютерная имитационная модель спектрального анализа управляющего сигнала. Произведен его спектральный анализ.

Анализ гармонического состава управляющего сигнала, получаемого за счет устройства формирования переключающих функций системы управления на основе прямого преобразования частоты, производился для различных алгоритмов модуляции с целью определения возможностей системы управления по улучшению его гармонического состава.

Результатом данного анализа явились зависимости (рисунок 4), где приведены совмещенные графики коэффициентов гармоник для модулирующих функций при линейной и синусоидальной синхронизации (/V - номер частоты управляющего сигнала, савых =3-швх/ЛГ):

1с - совмещенный график коэффициента гармоник Кт при треугольной модуляции

для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации;

2с - совмещенный график коэффициента гармоник Кг при 'синусоидальной

модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации-

Зс - совмещенный график коэффициента гармоник ЛГг при трапецеидальной

модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации;

1л - совмещенный график коэффициента гармоник Кг при треугольной модуляции

для линейной положительной и отрицательной синхронизации;

2л - совмещенный график коэффициента гармоник Кг' при синусоидальной

модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации;

Зл - совмещенный график коэффициента гармоник Кг при трапецеидальной

модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации;

4л - совмещенный график коэффициента гармоник Кг при линейной модуляции для

линейной положительной и отрицательной синхронизации.

Анализ зависимостей показал (рисунок 4), что устройство формирования переключающих функций управляющего блока преобразователей для системы частотного управления электроприводами на основе прямого преобразования частоты не позволяет получить качественного управляющего сигнала за счет изменения алгоритмов модуляции: наименьшее значение коэффициента гармоник получается при трапецеидальной модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации. Значение Кг при этом получается не менее 53,9 % (на частоте от 1,5 Гц).

О 20 40 60 ДГ

Рисунок 4 - Совмещенные графики коэффициентов гармоник для модулирующих функций при линейной и синусоидальной синхронизации

Существенное улучшение качества управляющего сигнала на основе прямого преобразования частоты возможно только при увеличении числа фаз входного напряжения, т.е. за счет изменения силовой части преобразователя. Это было подтверждено в результате спектрального анализа управляющего сигнала на основе прямого преобразования (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимости Кг от N для шестифазно-трехфазного (1), девятифазно-трехфазного (2), двенадцатифазно-трехфазного (3) управляющего сигнала

Значения коэффициента гармоник, приведенных на рисунке 5, были получены при линейной модуляции и линейной синхронизации:

• при 6-фазном входном напряжении Кг изменяется в пределах 31,8 %>КГ >27,3 %;

• при 9-фазном входном напряжении Кг изменяется в пределах 21,1 %>АГг>16 %;

• при 12-фазном входном напряжении Кг изменяется в пределах 15 %>КУ>\ 1,9 %;

• при 18-фазном входном напряжении Кг изменяется в пределах 9,8 %>КГ>7,9 %;

• при 24-фазном входном напряжении Кг изменяется в пределах 7,3 %>£г>4,3 %.

Ввиду того, что значение коэффициента гармоник не значительно изменяется во всем частотном диапазоне, это дает возможность усреднить его значения для различного числа фаз входного напряжения. При этом установлена зависимость среднего значения коэффициента гармоник от числа фаз входного напряжения для выходного напряжения системы управления с циклическим переключением фаз

- 0,206 -лг

*ГСр= 0,774- е

(-0,061,

где ЛТГСр - среднее значение коэффициента гармоник; - число фаз входного напряжения, что позволят принимать проектные решения при разработке системы управления преобразователя для определенного качества управляющего сигнала.

Анализ гармонического состава управляющего сигнала, получаемого за счет устройства формирования переключающих функций системы управления на основе ШИМ, производился с целью определения возможностей системы управления по улучшению гармонического состава.

Результат такого анализа привел к тому, что устройство формирования переключающих функций системы управления на основе ШИМ не приводит к уменьшению искажения синусоидальности управляющего сигнала, а приводит к смещению гармоник в области частот, кратных несущей частоте. При этом коэффициент гармоник принимает значения в пределах 64,9 %>АГг>63,5 % для диапазона частот 50 Гц>у>5 Гц. Более того, ШИМ вносит дополнительные искажения управляющего сигнала и, как следствие, увеличение коэффициента гармоник. Так, коэффициент гармоник принимает значения в пределах 51,1 %>КГ>39,1 % для диапазона частот 50 Гц>у>5 Гц без ШИМ.

В главе 4 был предложен способ формирования переключающих функций, обеспечивающий синтез синусоидального управляющего сигнала электропривода в соответствии с требуемым показателем качества несинусоидальности гармонических сигналов, а также устройство формирования переключающих функций системы управления, реализующее данный способ.

Для этого в качестве силовой части используется классическая мостовая схема трехфазно-трехфазного преобразователя частоты с нулевым выводом.

Сигнал управления электроприводом образуется как из линейных напряжений, формирующихся как разность напряжений двух фаз, так и фазных, формирующихся как разность напряжения фазы и нуля.

В результате на нагрузку подается 12-фазное напряжение. Характер данного напряжения не позволяет использовать его для формирования выходного напряжения на основе рассмотренного ранее прямого преобразования. Для этого способа возможно использование только 6 фаз линейного или 6 фаз фазного напряжения. При этом среднее значение коэффициента гармоник составит 28,9 %.

Сигнал управления электроприводом, являющийся выходным напряжением преобразователя, формируется по принципу аппроксимации эталонной синусоиды ступенями, полученными из участков 12-фазного напряжения, длительностью, равной периоду дискретизации Гд. В качестве периода дискретизации Гд принято время между пересечением какой-либо из 12 фаз нулевого значения. Время дискретизации Тя составляет величину, равную Г0/12, где Т0 - период входного 12-фазного сигнала.

Аппроксимация эталонного синусоидального напряжения осуществляется 6 положительными и 6 отрицательными ступенями.

Выбор такого количества ступеней связан с тем, что на всем периоде дискретизации Тд 12-фазное входное напряжение представлено 12 участками с различными средними значениями.

Таким образом, выходное напряжение будет составлено из ступеней с разным средним значением.

Данные ступени представляют собой участки входного 12-фазного напряжения длительностью Тд. Переключение с одной фазы на другую будет осуществляться при пересечении нулевого значения (рисунок 6).

Рисунок 6 - Участки 12-фазного напряжения, используемые в качестве ступеней

На рисунке 7 показано выходное шестиступенчатое напряжение, полученное в результате модуляции в МаШсас! 14.0, с частотой 3 Гц.

¿/.и- <о

Рисунок 7 - Выходное шестиступенчатое напряжение с частотой 3 Гц

В соответствии с ГОСТ 32144-2013 была построена зависимость коэффициента

гармоник Кг от номера частоты выходного напряжения N (сових =3■aDX/N) при

числе гармонических составляющих равном 40 (рисунок 8). ■Кг

0.4Г

О.З

- О 13

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента гармоник Кг от номера частоты N

Анализ графика, приведенного на рисунке 8, позволяет сделать вывод, что данный способ позволяет получать выходное напряжение следующего качества:

• в диапазоне частот от 5.2 Гц и ниже Кт не превышает 8 %. Согласно требованиям ГОСТ 32144-2013 нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения при (/1ЮМ=380 В составляет 8 %;

• в диапазоне частот от 13,6 Гц до 5,4 Гц коэффициент гармоник Кг не превышает предельно допустимого значения 12 % согласно требованиям ГОСТ 32144-2013. Т.е. не требуется дополнительных средств (например, ШИМ) для улучшения выходного напряжения;

• в диапазоне от 50 Гц до 15 Гц Кг изменяется от 16,8 % до 13,1 %, что требует применение ШИМ для смещения гармоник в область высоких частот.

Была разработана схема устройства формирования переключающих функций управляющего блока преобразователей для системы частотного управления электроприводами с алгоритмом на основе амплитудной модуляции (рисунок 9), состоящая из 6 идентичных блоков квантования и записи линейного напряжения (БКиЗл) и 6 идентичных блоков квантования и записи фазного напряжения (БКиЗф), блока квантования и записи модулирующего напряжения (БКиЗм), 12 блоков сравнения (БС), а также блока синхронизации, состоящего из 12 компараторов (К), 12 генераторов импульсов (ГИ) и логического элемента ИЛИ (1).

^ О) о-

£-'.71 (О <>-

с.'.72сг> о-

о-

£-'".7 а (О

БКпЗл

БКиЗл

БКиЗл

БКиЗл

ЕС

ВС

БС

^ *1 (О о-

г-^Оо-- л,-

№ О-

и.ло <

■ У-п.

и Ж « о-

2«С

БЬСпЗф

БКнЗф

БКиЗф

БКиЗф

БКиЗф

БКиЗф

ЕС

БС

БС

БС

Рисунок 9 - Устройство формирования переключающих функций в системе частотного управления электроприводами с алгоритмом на основе амплитудной модуляции

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований достигнута поставленная цель, заключающаяся в разработке устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, позволяющего синтезировать синусоидальное выходное напряжение системы частотного управления электропривода с существенным снижением значения коэффициента гармоник. К основным результатам работы можно отнести следующее:

1. Разработан алгоритм, позволяющий производить исследования влияния различных параметров на качество выходного напряжения системы частотного управления электропривода за счет использования математической модели, построенной на основе переключающих функций:

• Предложенный алгоритм формирования сигнала является наиболее адекватным, т.к. он учитывает влияние как системы управления, так и силовой части преобразователя на его форму, что является более полным отражением влияния параметров на качество выходного напряжения системы частотного управления электропривода.

• Алгоритм позволяет оперативно определить структуру устройства формирования переключающих функций в соответствии с заданным качеством выходного напряжения системы частотного управления электропривода.

• Разработанный алгоритм является универсальным, поскольку позволяет применять его для формирования сигнала различных принципов управления.

2. Установлены следующие возможности принципов управления по улучшению качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода, которые доказывают, что достижение требуемого качества сигнала согласно ГОСТ 32144-2013 возможно только за счет значительного усложнения силовой части преобразователей:

• Устройство формирования переключающих функций с прямым формированием сигнала не позволяет получить качественного сигнала за счет изменения алгоритмов модуляции: наименьшее значение коэффициента гармоник получается при трапецеидальной модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации. Значение коэффициента гармоник Кг при этом составляет не менее 53,9 % (при 50 Гц>у>1,5 Гц).

• Значения коэффициента гармоник при линейной модуляции и линейной синхронизации для прямого преобразования частоты следующие:

при 6-фазном напряжении Кг изменяется в пределах 31,8 %> Кг >27,3 %; при 9-фазном напряжении Кг изменяется в пределах 21,1 %>ЛГг>16 %; при 12-фазном напряжении Кг изменяется в пределах 15 %> А^г>11,9 %; при 18-фазном напряжении Кг изменяется в пределах 9,8 °/о>Кг>7,9 %; при 24-фазном напряжении Кг изменяется в пределах 7,3 %> АГг>4,3 %.

• Устройство формирования переключающих функций для системы частотного управления электроприводами, построенное по принципу ШИМ, приводит не к уменьшению искажения синусоидальности сигнала, а к смещению гармоник в области частот кратных несущей частоте. Коэффициент гармоник принимает значения в пределах 64,9 %>КГ >63,5 % для диапазона частот 50 Гц>у>5 Гц.

• ШИМ вносит дополнительные искажения сигнала и, как следствие, увеличение коэффициента гармоник. Так, Кг принимает значения в пределах 51,1 %> Кг >39,1 % для диапазона частот 50 Гц>у>5 Гц без ШИМ.

Таким образом, существенное улучшение качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода на основе прямого преобразования частоты возможно только при увеличении числа фаз входного напряжения, т.е. за счет изменения силовой части преобразователя. ШИМ не обеспечивает требуемого, согласно ГОСТ 32144-2013, качества сигнала. Применение ШИМ возможно только в качестве дополнительного способа для смещения отдельных гармоник в высокочастотную область.

3. Предложен способ формирования переключающих функций, обеспечивающий синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода на основе амплитудной модуляции. Он позволяет получать сигнал следующего качества:

• в области частот ниже 5,2 Гц коэффициент гармоник Кг не превышает 8 %;

• в области частот от 13,6 Гц до 5,4 Гц Кг не превышает предельно допустимого значения 12 % согласно ГОСТ 32144-2013;

• в области от 50 Гц до 15 Гц Кг изменяется от 16,8 % до 13,1 %, что требует применение ШИМ для смещения гармоник в область высоких частот. Данный способ позволяет существенно снизить Кг сигнала, а в области частот

до 13,6 Гц получать управляющий сигнал требуемого качества.

4. Разработано устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом с алгоритмом на основе амплитудной модуляции, состоящее из отдельных идентичных блоков. Его структура, состоящая из отдельных идентичных блоков, позволяет упростить процесс производства и обслуживания.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Федоров, С. В. Анализ гармонического состава выходного напряжения преобразователей с АИМ // Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн./ ФГУП «ВИМИ», 2007. № 1. С. 102 - 107.

2. Федоров, С. В. Способ формирования выходного напряжения преобразователей частоты с пониженным содержанием гармонических составляющих. Автоматизация и современные технологии. 2009. № 5. С. 28 - 34.

3. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Способы широтно-импульсной модуляции на основе сравнения синхронизирующих сигналов с сигналами модуляции матричных преобразователей частоты. Вестник ОГУ №3 (164)/март 2014. С. 180- 186.

4. Федоров, С. В., Бондарев, А. В., Яппаров, Ф. К. Анализ гармонического состава выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты. Практическая силовая электроника/ Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», № 4(52)/2013. С. 48 - 50.

5. Федоров, С. В., Рогинская, Л. Э., Бондарев, А. В. Влияние алгоритмов формирования выходного напряжения системой управления на качественные показатели матричного преобразователя частоты. Практическая силовая электроника/ Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», № 4(56)/2014. С. 27 - 31.

6. Федоров, С. В., Рогинская, JI. Э., Бондарев, А. В. Способ формирования выходного напряжения двенадцатифазно-однофазного непосредственного преобразователя частоты на основе цифрового квантования. Практическая силовая электроника / Изд-во ЗАО «ММП-Ирбис», № 4(56)/2014. С. 32 - 36.

7. Федоров, С. В., Рогинская, JI. Э., Бондарев, А. В. Устройство формирования переключающих функций системы управления матричным преобразователем частоты // Современные проблемы науки и образования. - 2014. № 6; URL: www.science-education.ru/120-15973.

Свидетельства и программы для ЭВМ:

8. Федоров, С. В., Бондарев, А. В., Яппаров, Ф. К. Расчет коэффициента гармоник выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с трехфазным входным напряжением при треугольной и синусоидальной модуляции. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615359 от 05.06.2013 г.

9. Федоров, С. В., Бондарев, А. В., Яппаров, Ф. К. Расчет коэффициента гармоник выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с трехфазным входным напряжением при прямоугольной модуляции. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615360 от 05.06.2013 г.

10. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты, получаемого исходя из минимума интегрального квадратичного критерия. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014660192 от 02.10.2014 г.

11. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты, получаемого с помощью метода прямого преобразования. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014660465 от 08.10.2014 г.

12. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты, получаемого путем синтеза синусоиды участками двенадцатифазного входного напряжения. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014660563 от 10.10.2014 г.

13. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты, получаемого с помощью широтно-импульсной модуляции. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014660062 от 01.10.2014 г.

В других изданиях:

14. Федоров, С. В., Гаврилова, Е. Н. Улучшение качества выходного напряжения преобразователей частоты как способ повышения энергосбережения электропривода. Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Стерлитамак: Типография «Фобос», 2013. С. 347 - 348.

15. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Анализ влияния структуры системы управления непосредственным преобразователем частоты на основе прямого преобразования на качество выходного напряжения. Роль технических наук в развитии общества: сборник статей Международной научно-практической конференции (22 августа 2014 г.). - Уфа: Аэтерна, 2014. С. 50 - 55.

16. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Способы образования выходного напряжения различных классов преобразователей частоты. Научная дискуссия: вопросы технических наук. № 8 (20): сборник статей по материалам XXV Международной заочной научно-практической конференции. - М.: Изд-во «Международный центр науки и образования», 2014. С. 17 - 26.

17. Федоров, С. В., Рогинская, Л. Э. Современные направления развития полупроводниковых преобразователей частоты. Теория и практика актуальных исследований: Материалы VII Международной научно-практической конференции. 19 августа 2014 г.: сборник научных трудов. - Краснодар, 2014. С. 205 - 210.

18. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Анализ влияния структуры системы управления матричными преобразователями частоты на основе широтно-импульсной модуляции на качество выходного напряжения. Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований: сборник материалов XII Международной научно-практической конференции / под общ. ред. С. С. Чернова. - Новосибирск: Изд-во ЦРНС, 2014. С. 138 - 145.

19. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Анализ гармонического состава выходного напряжения матричного преобразователя частоты формируемого системой управления на основе широтно-импульсной модуляции. Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по материалам XXXVII Междунар. науч.-практ. конф. № 8(33). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2014. С. 45 - 52.

20. Федоров, С. В., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения n-фазно-трехфазного матричного преобразователя частоты с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты. Техника и технология: новые перспективы развития: Материалы XIV Международной научно-практической конференции (25.08.2014). - М.: Изд-во «Спутник+», 2014. С. 51 - 57.

21. Федоров, С. В., Рогинская, Л. Э., Бондарев, А. В. Математическое описание спектрального состава выходного напряжения матричного преобразователя частоты // Universum: Технические науки: электрон, науч. журн. 2014. № 9 (10). URL: http://7universum.com/en/tech/archive/item/1612.

22. Федоров, С. В., Рогинская, Л. Э., Бондарев, А. В. Моделирование выходного напряжения матричного преобразователя частоты. Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. Материалы Международной научно-практической конференции. 30 сентября 2014. Том 1. С. 50 - 59.

23. Федоров, С. В., Рогинская, Л. Э., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения, формируемого системой управления матричного преобразователя частоты, на основе метода прямого преобразования при линейной синхронизации. Научно-практический журнал «Приволжский научный вестник» № 10(38)/2014. С. 36-44.

24. Федоров, С. В., Рогинская, Л. Э., Бондарев, А. В. Спектральный анализ выходного напряжения, формируемого системой управления матричного преобразователя частоты, на основе метода прямого преобразования при синусоидальной синхронизации. Научно-практический журнал «Приволжский научный вестник», № 10(38)72014. С. 45 - 52.

Диссертант

С. В. Федоров

ФЕДОРОВ Сергей Витальевич

УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ ФУНКЦИЙ УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА МАТРИЧНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность: 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 08.10.15 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 100 экз. Заказ 167. Гарнитура «Т1те5№\у!1отап». Отпечатано в типографии «ПЕЧАТНЫЙ ДОМЪ» ИП ВЕРКО. Объем 1 п.л. Уфа, Карла Маркса 12 корп. 5, т/ф: 27-27-600, 27-29-123