автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Анализ и синтез преобразователей напряжения на основе теории моментов

ВВЕДЕНИЕ.

I- МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

1.1. Особенности вентильных преобразователей.

1.2. Методы анализа вентильных преобразователей.

1.3. Методы синтеза выходного напряжения вентильных преобразователей.

1Л. Особенности применения моментов при анализе и синтезе вентильных преобразователей.

Выводы.

2. АНАЛИЗ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ

МОМЕНТНЗГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

2.1. Моментное преобразование функций на конечном интервале.

2.2. Свойства моментного преобразования.

2.3. Расширенное моментное преобразование.

2Л. Анализ вентильных преобразователей с постоянной структурой и параметрами.

2.5. Анализ вентильных преобразователей с переменной структурой.

Выводы. П

3. СИНТЕЗ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

3.1. Оценка качества синтезированного выходного напряжения полупроводниковых преобразователей.

3.2. Оптимизация параметров кусочно-постоянного выходного напряжения статических преобразователей.

Выводы.

4. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ МОМЕНТОВ.

4.1. Стабилизация выходного переменного напряжения преобразователей.

4.2. Адаптивное управление вентильными преобразователями.

Выводы.

В области энергетики, согласно принятой на период до 1990 г. "Долгосрочной целевой программе сотрудничества стран СЭВ"»основной упор делается на более рациональное использование и потребление энергетических ресурсов [2] » среди которых особое место занимает электрическая энергия. Провозглашенный Обществом польских электриков лозунг "Тиристоризации промышленности" /13б7 и выдвинутая в утвержденных ХХУ1 съездом КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" проблема "Совершенствования методов преобразования и передачи электроэнергий" отражает важность роли преобразовательной техники в этой области народных хозяйств СССР и ПНР.

Среди 30 видов полупроводниковых преобразователей (ГОСТ 234-14—79) электроэнергии, особое место занимают преобразователи напряжения. Современный этап их развития характеризуется ростом, предъявляемых к ним требований. Непременным условием повышения эффективности их использования является применение электронно-вычислительной аппаратуры в качестве управляющих устройств и средств проектирования.

С учетом повышенных требований к преобразователям напряжения, разработка новых методов анализа и синтеза, а также создание на их основе с использованием современной элементной базы, устройств управления этими преобразователями, являются актуальными и соответствуют современным тенденциям развития преобразовательной техники.

Алгоритмы анализа и синтеза преобразователей напряжения,требуют обычно разделения задачи исследования от задачи расчета качественных показателей электроэнергии. В силу этого использование этих методов для управления преобразователями в замкнутых системах затруднительно.

Разработка новых методов и алгоритмов анализа и синтеза, учитывающих характерные особенности, возможные режимы работы полупроводниковых преобразователей напряжения и непосредственно качество преобразованной электроэнергии приемлемых для управления этими преобразователями позволит упростить и сократить объем работы при проектировании, а их программная реализация на ЭВМ,позволит повысить эффективность цроектирования и управления преобразователями напряжения.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- анализ характерных особенностей и выявление области применяемости классической теории моментов для анализа и синтеза преобразователей напряжения;

- разработка моментного и расширенного моментного преобра -зований функции на конечных интервалах;

- разработка способов и алгоритмов анализа преобразователей напряжения на основе моментного преобразования, ориентированных на применение ЭВМ;

- разработка способов оценки качества выходного напряжения преобразователей с помощью квадратической ошибки и синтеза оптимальных параметров кусочно-постоянного выходного напряжения преобразователей;

- создание систем стабилизации и управления преобразовате -лями напряжения на основе разработанного метода.

Данная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Первый раздел посвящен обоснованию разработки метода моментного преобразования функции . на конечных интервалах, применяемого для анализа, синтеза и управления преобразователями напряжения. Во втором разделе изложены теории моментного и расширенного моментного преобразований и алгоритмы анализа схем вентильных преобразователей с постоянной и переменной структурой, при любых воздействиях, построенные на основе изложенных теорий. В третьем разделе развит метод оценки качества выходного напряжения преобразователей с помощью квадра-тической ошибки, на основе которого предложены методики опреде -ления оптимальных параметров ступенчатого выходного напряжения преобразователей. Четвертый раздел посвящен разработке на осно -вании изложенной теории моментов систем управления, стабилизации и регулирования преобразователями напряжения.

К защите представляются:

- разработанные на основе теории моментного и расширенного моментного преобразований способы и алгоритмы анализа электромагнитных процессов преобразователей напряжения;

- способ оценки качества выходного напряжения преобразователей с помощью квадратической ошибки;

- приближенный способ оптимизации параметров кусочно-постоянного выходного напряжения преобразователей;

- разработанные на основе теории моментов системы управления преобразователями напряжения.

Тема диссертации неразрывно связана с работами, проводимыми на кафедре промышленной электроники Киевского политехнического института в соответствии с координационным планом Научного Совета АН УССР по проблеме "Научные основы электроэнергетики".

I. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ I.I. Особенности вентильных преобразователей

Вентильные преобразователи,применяемые для преобразования и управления потоком электрической энергии, уже во время создания мощных ионных приборов /257» нашли широкое применение в различ -ных областях науки и техники.

Однако их активное развитие началось лишь в 60-е годы при появлении тиристоров,а затем и силовых транзисторов /15,112,14-27.

Вентильные полупроводниковые преобразователи (ПП) применяются в цветной металлургии,химической промышленности,электроприводе,электрохимии,электротермии,автоматике,для питания светотехнических установок,зарядке аккумуляторных батарей,экспериментальных физико-химических исследований,в качестве имитаторов колебаний сети и в других,различных областях науки и техники ^34,38,51,69, 75/.

В зависимости от конкретного применения ПП,при его разработке возникают различные задачи,среди которых на одно из первых мест выдвигается проблема синтеза требуемой формы напряжения (тока) ПП. Такой синтез,предполагающий обеспечение показателей качества /107,108,115,116,143/ должен учитывать функциональные возможности заданного типа преобразователя.Отметим,что,в частности, при применении ПП в имитаторах сети,для зарядки аккумуляторных батарей и в экспериментальных физико-химических исследованиях, требуемое выходное напряжение может быть различное,не только синусоидальное и постоянное/б9,76,103/.

С синтезом требуемой формы выходного напряжения непосредст -венно связан синтез структуры преобразователя.Этот этап лишь в последнее время стал для определенных типов ПП формализованным

34, 94, 105, 106, 1457.

Форма синтезированного напряжения и структура ПП обусловливают соответствующий синтез законов управления. При этом необходимо учитывать как свойства применяемой элементной базы, так и возможности обеспечения этими законами заданных регулировочных характеристик преобразователя.

Последним этапом разработки ПП является анализ полученного варианта преобразователя,включающий: расчет соответствующих токов и напряжений; расчет показателей качества и проверка их на соответствие заданным требованиям/12,50,51,52,75,98,147/. Несмотря на то, что при разработке ПП необходимо учитывать такие вопросы, как обеспечение технологичности,надежности, приемлемых массо-габаритных показателей и другие, рассмотренные этапы являются основными.Их можно представить в виде алгоритма,приведенного на рисунке 1.1. Методы выполнения отдельных этапов различные, обусловлены спецификой, разновидностями и назначением ПП. Область их применяемости определяется в основном математическим описанием электромагнитных процессов,во многом зависящим от принятых моделей силовых полупроводниковых элементов ПП/43,120,134/.

Наиболее часто используются /? - и логические модели [31, 120,1317. Последние,носящие также название идеального ключа,применяются в основном для выявления функциональных возможностей и качественного анализа процессов в ПП. При более точных расчетах используют /? -модели. Однако неоднократно при работе ПП на высоких частотах или при больших токах существует необходимость расширения модели таким образом, чтобы учесть определяемые физикой работы, их динамические параметры 120,132,134 .

Математическое описание электромагнитных процессов можно определить по следующей классификации Ш, разделяющей их на три

С Этапы разработки ПП

Техническое задание 7

Синтез, формы

Ьыходного напряжения

Синтег структуры ПП

Синтез законоВ упраВления

Нет

Анс/лиз процесс о 8 $ ПП

Разработка Закончена инженерный проект

Нет

Рис '/./ группы ¿"137:

1) 1-я группа ПП с неизменной структурой и неизменными параметрами на протяжении всех интервалов периода.Дискретные измене -ния претерпевают только внешние воздействия, причем эти изменения совпадают с моментами переключения ключей по цепям управления. Электромагнитные процессы в таких ПП описываются линейными (если пассивные элементы линейные) дифференциальными уравнениями с неизменной структурой. Применяемая модель - идеальный ключ.

2) Л. ~*я группа - ПП с переменной от интервала к интервалу периода структурой,причем изменение структуры происходит в момент переключения ключей по цепям управления.Электромагнитные процессы в этих преобразователях описываются линейными дифференциальными уравнениями,значения коэффициентов которых и порядок,могут изменяться при переходе от интервала к интервалу. Применяемые модели - идеальный ключ, К - модель, комбинированная.

3) Ш -я группа - ПП с переменными структурой и параметрами, изменяющимися в зависимости от величины и направления токов отдельных ветвей и характера нагрузки, причем моменты изменения структуры и параметров могут не совпадать с моментами переключе -ния вентилей по цепям управления. Электромагнитные процессы в таких нелинейных системах, описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с дискретно изменяющимися коэффициентами.

Таким образом,выбор соответствующих методов выполнения отдельных этапов алгоритма,приведенного на рисунке 1.1,возможен лишь'после определения принадлежности ПП к соответствующей группе, Эта принадлежность во многом определяется видом коммутаций силовых ключей, в связи с чем преобразователи с искусственной комму -тацией/з,10,29,51,56,74,75/принадлежат обычно первой и второй группе, а преобразователи с естественной коммутацией/21,42,51,64,

74,75] - третьей.

Преобразователи с искусственной коммутацией /51,56,74-,75/, в которых зачастую можно пренебречь коммутационными процессами,обладают возможностью перевода тока с одного на другой силовой ключ,в любой период,заданного момента времени. Это обусловливает их широкие функциональные возможности и возрастающий к ним интерес разработчиков/*17,51,58,75,79,139,144-7. В ПП с искусственной коммутацией, зачастую выполняемых на полностью управляемых ключах, двуоперационных тиристорах и транзисторах/15,112,14-27 отсутствует серьезный недостаток ПП с естественной коммутацией,каким является потребление реактивной мощности от сети переменного тока /29,64,74/. Кроме этого, они дают возможность генерировать реактивную мощность /29,51,75/. В ПП на полностью управляемых ключах отсутствуют дополнительные коммутирующие цепи. В случае, если ток через соответствующий двуоперационный тиристор, транзистор должен протекать в двух направлениях, их соединяют встречно-параллельно или включают в диагональ диодного моста. Такие цепи, называемые полностью управляемыми ключами с двусторонней прово -димостью, могут применяться при разработке любого типа преобра -зователя. Их модели применяются наиболее часто при синтезе структуры и анализе ПП, согласно алгоритму, приведенному на рисунке I.I /17,34,58,95,105,139,141,1457.

Среди ПП, построенных на основе применения полностью управляемых ключей,наиболее широкое распространение нашли: автономные инверторы (АИ) /з,6,17,22,33,51,57,74,75^; широтно-импульсные преобразователи постоянного и переменного напряжения (ШИМ) /14-, 34,51,69,75,87/; непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) /29,5I,75,I33,I44j. Автономные инверторы разделяют на АИ тока (АКТ) /51,59,757 и АИ напряжения (АИН) /"3,6,51,75/. Последние,обладающие жесткостью внешней характеристики и независимостью формы выходного напряжения от нагрузки являются наиболее распрост -раненной группой ПП. Это позволяет любой такой преобразователь представить в виде эквивалентного генератора.

Отметим, что из разнообразия форм выходного напряжения ПП, приведенных в таблице 1.1, определяемым главным образом областью их применения, наиболее широкое распространение получили синусоидальное и постоянное напряжения. Однако в любом случае, синтез требуемой формы является одной из основных задач при разработке преобразователей.Наиболее часто его приводят на основе модуляционных принципов /II,17,29,57,58,139,1467- При этом ключевой характер ПП, обусловливает кусочно-постоянный характер сигналов, в силу чего возникает необходимость обеспечения в требуемом диапазоне регулирования выходного напряжения, при соответствующих ограничениях, заданных показателей качества.

Регулирование выходного напряжения приводит обычно к ухуд -шению показателей качества. Поэтому после синтеза структуры ПП, проводимого обычно на базе элементарных структур с помощью теоретико-множественного подхода /34,94,105,1457, необходим синтез соответствующих законов управления, осуществляемых как в разомкнутых, так и замкнутых системах.Последний случай предполагает определение направления изменения соответствующих показателей и изменение управления таким образом,чтобы заданные показатели оставались постоянными.Для этого необходимо обеспечить соответст -вующий анализ процессов ПП,который должен проводиться одновременно с управлением. Это обусловливает целесообразность применения единого метода как при синтезе требуемой формы выходного напря -жения,так и при управлении и анализе ПП напряжения.

Таким образом, с целью выработки рекомендаций о целесообраз

Та5щц/$ Н

ЧЪрма ¿хорного напряжения ПП Требуемая срормо доходного напряжения ПП Регулируемые параметры Характерные оШлаагш применении

2 ■ - з я

Вих и нереберсибный 9лек<-тропри&од постоянного тома; ЗортоВыз. темы; стадштато - ры, итр.} 4 • * £ и&щх ~ 1 1 1 1 ? вдп реВерсиВнш ¿мех— троприЬоо, аЗгпомл-¡пит1 и тд. ;

Ут » иТ"2'п/Т; электроприбор переменного ток о, Вор то-Взяв и резербные системы, электротермия . 7 3

Ыб-Х № т г и?=2Я/Т; имитаторы колебаний сети/ и т-1\ Чьь ; ; Т ; * 5 а ряд аккумуляторных Батарей, гож-Ьанотехник 0; о»| I * аг Т У -♦ Т, '> Ъ ; Ъ \ » Ч 5 * ¿4 ; физико-химически®, геснризи Vеские исследовании ,* б

Л Л

Пр одолжен и а таблицы / /

2 3 4 5

Us*. Ugsax f¥\ I ¿4 ; Ч> ; Электропривод переменного токо, систз-мы электропитания стаВильной частоту источники реохтиВ-ной мощности; 7 Г1 ± Sin(u?4t+2ir(i-i)/ / лЛ / \ и^Г ^ ; регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения 7 электроприбод переменного тока ; 8

X * i fi/- число фаз; t * / - покер сразы-, Utux \ уг Т ; ъ Z ; ^ ; U2 ; г альЬано -техника^ заряд аккумуляторных. реи7 шаговый электропривод ; 9

T, тг Ъ Tt,

Другие pop - мы напряжений нл. 1,2. Ь,5УБ CoomSemcm^ изщие срор-мсич напряжений СоотбетстЗун) -щие срорно/ч V напряжении ; 10 ности применения методов моментного и расширенного моментного преобразований для анализа процессов в ПП, синтеза выходного напряжения и управления этими преобразователями, необходимо, учитывая наиболее существенные черты Ш, рассмотреть известные методы решения этих задач, и особенности применения для этих цепей теории моментов.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. На основе проведенной классификации установлено, что для повышения эффективности проектирования и управления преобразователями напряжения необходимо использовать спектрально-оператор -ные методы анализа и синтеза преобразователей, которые целесообразно основывать на теории моментов, индуцированных на конечном интервале чебышевской системой степенных функций.

2. Предложены моментное и расширенное моментное преобразо -вания, учитывающие поведение как аналитических, так и неаналитических функций на любом конечном интервале и в начальной точке заданного интервала.

3. Обоснованы и разработаны на основе моментного и расширенного моментного преобразований способы, алгоритмы и программы анализа схем преобразователей напряжения, в которых расчет переходных и установившихся режимов работы преобразователей право -дится на основе рекуррентных зависимостей без стыковки решений в моменты коммутации вентилей.

Развит метод оценки качества выходного напряжения с помощью квадратической ошибки, позволяющей проводить оптимальный синтез любой формы выходного напряжения при различных способах регулирования и фильтрации.

5. Предложена инженерная методика определения оптимальных параметров выходных ступенчатых напряжений преобразователей,при различных ограничениях на синтезируемое напряжение.

6. На основе проведенных теоретических исследований разработаны схемы:

- устройства стабилизации переменного напряжения;

- устройства управления, обеспечивающего слежение за требуемой формой эталонного сигнала по минимуму заданного квадратичес-кого функционала качества;

- регулятора с прогнозом использующего моменты 0-го и 1-го порядка.

Теоретические результаты исследований и практически созданные схемы внедрены во ВНИАИ, г. Ленинград: и в учебный процесс кафедры промышленной электроники Киевского политехнического института.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года". - М.: Политиздат, 1981. - 96 с.

2. Экономическое сотрудничество стран членов СЭВ, 1982, № I.

3. Автономные инверторы. Под ред. Г.В.Чалого Кишинев: Штиин-ца, 1974. - 336 с.

4. Ахиезер Н.И. Классическая проблема моментов и некоторые вопросы, связанные с нею. М.: Гос.издат.физ.-мат.лит., 1961. -312 с.

5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. школа, 1983. - 536 с.

6. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1968. - 280 с.

7. Береговенко Г.Я., Пухов Г.Е. Ступенчатые изображения и их црименение. Киев: Наук.думка, 1983. 216 с.

8. Берг Й, Лефстрем Й. Интерполяционные пространства. Введение. М.: Мир, 1980. - 264 с.

9. Бессонов Л.А. Линейные электрические цепи. Новые разделы курса теоретических основ электротехники. М.: Высш.школа, 1983. - 336 с.

10. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. М.: Энергия, 1974. 256 с.

11. Булатов О.Г., Олещук В.И. Автономные тиристорные инверторы с улучшенной формой выходного напряжения. Кишинев: Штиин-ца, 1980. - ИЗ с.

12. Волков И.В., Шлапак В.А. Машинные методы расчета систем стабилизированного тока. Киев: Наук.думка, 1978. - 152 с.

13. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Е. Полупроводниковые преобразовав14