автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергоэффективные алгоритмы в электроприводе с многоуровневым преобразователем частоты

На правах рукописи

КОРОТКОВ Александр Александрович

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С МНОГОУРОВНЕВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ОКТ 2013

00553471О

Иваново - 2013

005534710

Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».

Научный руководитель Виноградов Анатолий Брониславович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Онищенко Георгий Борисович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени B.C. Черномырдина», заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Родионов Роман Вячеславович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», доцент кафедры «Мехатроника и электронные системы автомобилей»

Ведущая организация ОАО «ЧЭАЗ» (Чебоксарский электроаппаратный

завод), г. Чебоксары

Защита состоится «1» ноября 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д212.064.02 при ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корпус «Б», аудитория 237.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, Учёный совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12, 26-98-61, факс: (4932) 38-57-01, e-mail: uch sovet@ispu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета. Автореферат диссертации размещён на сайте ИГЭУ www.ispu.ru

Автореферат разослан "27" сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор I1 Тютиков Владимир Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие любой современной отрасли народного хозяйства, использующей высоковольтное приводное электрооборудование, предполагает повышение эффективности производства и энергосбережение. В большинстве случаев это достигается за счёт перехода к высоковольтному частотно-регулируемому электроприводу (ВЧРП), обеспечивающему эффективное преобразование электроэнергии и регулирование технологических переменных. Повышение энергоэффективности ВЧРП представляется актуальной задачей и решается выбором схемотехнического решения и разработкой на его основе оптимального по энергетическим показателям алгоритма управления высоковольтным преобразователем частоты (ВПЧ).

Значительный вклад в исследование структур и разработку алгоритмов управления ВПЧ внесли российские учёные: Лазарев Г.Б., Шрейнер Р.Т., Онищенко Г.Б., Аль-тщуллер М.И., Берестов В.М., Колпаков А.И. Необходимо также отметить достижения зарубежных учёных, среди которых: Corzine К. А., Fazel S.S., Gupta А.К., McGrath В.Р., McKenzie K.J., Celanovic N. Известно достаточно много различных вариантов силовых схем ВПЧ, среди которых наибольший интерес в плане энергоэффективности представляют высоковольтные многоуровневые преобразователи частоты (ВМПЧ), отличающиеся снижением напряжения, прикладываемого к полупроводниковым вентилям, и повышением качества преобразования энергии. Анализ представленных на рынке ВПЧ российских фирм-производителей показывает, что наиболее распространённым схемотехническим решением является ВМПЧ каскадной структуры с алгоритмом синусоидальной ШИМ. В настоящее время вопросы синтеза энергоэффективных алгоритмов управления ВМПЧ исследованы недостаточно, тогда как именно векторная стратегия ШИМ, по сравнению с альтернативным и широко применяемым методом синусоидальной ШИМ, обладает большим потенциалом оптимизации и энергосбережения.

Важной отличительной особенностью каскадного ВМПЧ является питание ячеек от изолированных вторичных обмоток входного трансформатора. При этом напряжение в звене ячейки определяется состоянием её ключей, общим фазным током преобразователя и не зависит от состояний других ячеек той же фазы. Неэффективное управление может приводить к существенному рассогласованию (небалансу) напряжений в звене ячеек, а также превышению допустимого напряжения в звене отдельной ячейки. Точность регулирования выходных переменных привода напрямую зависит от степени небаланса. Другой особенностью каскадного преобразователя является модульность конструкции, обеспечивающая возможность поддержания работоспособности привода в случае аварийного отключения (шунтирования) ячеек. Решение вопросов компенсации небаланса напряжений и шунтирования аварийных ячеек в рамках стратегии векторного формирования ШИМ каскадного преобразователя частоты позволяет повысить качество регулирования переменных и надёжность высоковольтного электропривода, представляет значительный научно-практический интерес и в литературных источниках рассмотрено в недостаточной степени.

з

Работа выполнялась в рамках договора №13.025.31.0060 (от 22 октября 2010 г.) «Разработка и организация серийного производства мощных частотно-регулируемых приводов» между ОАО «ЧЭАЗ» (г. Чебоксары) и Минобрнауки России.

Целью работы является разработка, исследование и практическая реализация оптимального по энергопотерям алгоритма векторного формирования ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя частоты с функциями компенсации небаланса напряжений и шунтирования аварийных ячеек при работе в составе высоковольтного электропривода.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи.

1. Провести анализ существующих методов и выбрать рациональные критерии формирования ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя в рамках координатной и векторной стратегий управления.

2. Разработать векторный алгоритм ШИМ каскадного преобразователя с минимизацией коммутационных потерь, функциями шунтирования аварийных ячеек и компенсации небаланса входных напряжений.

3. Разработать программный комплекс для исследования статических и динамических режимов работы высоковольтного электропривода, его энергетических характеристик и показателей точности регулирования выходных переменных при различных вариантах ШИМ каскадного преобразователя.

4. Разработать методики и выполнить сравнительный анализ энергоэффекгивно-сти высоковольтного электропривода на компьютерной модели с разработанным алгоритмом векторной ШИМ и традиционным способом синусоидальной ШИМ.

5. Выполнить исследование внутренней архитектуры и разработать алгоритмы сетевого взаимодействия элементов каскадного преобразователя в процессе работы.

6. Реализовать разработанные алгоритмы формирования ШИМ на макетном и опытном образце каскадного преобразователя и провести лабораторные испытания в составе низковольтной физической модели электропривода.

Научная новизна работы

1. Предложена методика синтеза алгоритма управления п-уровневым каскадным преобразователем, построенная в рамках стратегии векторного формирования ШИМ с жестко заданным законом коммутации и обеспечивающая минимизацию коммутационных потерь в силовых элементах ячеек.

2. Разработаны структуры управления, алгоритмы работы и математические модели высоковольтного электропривода, учитывающие реальную конфигурацию силовой схемы каскадного преобразователя, способ формирования ШИМ, параметры трансформатора, силовых ячеек и нагрузки, а также обеспечивающие шунтирование аварийных ячеек и компенсацию небаланса их входных напряжений.

3. Предложена методика оптимизации алгоритмов векторной и синусоидальной ШИМ каскадного преобразователя, позволяющая на основе математического моделирования высоковольтного электропривода и анализа его энергетических характеристик с учётом реальных параметров силовой схемы определить оптимальную частоту ШИМ по потерям энергии и уровню искажения синусоидальности.

4. Выполнен сравнительный анализ энергоэффективности высоковольтного привода с разработанным векторным и традиционным синусоидальным алгоритмами ШИМ на основе математического моделирования, показывающий снижение суммарных потерь в преобразователе при векторном способе ШИМ.

5. Предложена система классификации и символьно-графического обозначения векторов и треугольников диаграммы напряжений многоуровневого преобразователя, отличающаяся универсальностью подхода для любого числа уровней и позволяющая выделять определённые вектора из группы совпадающих, записывая их в установленной последовательности переключения.

Практическая ценность работы

1. Разработанные структуры и алгоритмы управления многоуровневым каскадным преобразователем частоты могут использоваться при создании высокоэффективных систем управления высоковольтным электроприводом переменного тока.

2. Разработанный комплекс программ имитационного моделирования высоковольтного электропривода позволяет на основе задания параметров силовой схемы каскадного преобразователя, асинхронного двигателя и нагрузки определить работоспособность привода в заданных режимах работы в рамках частотной системы управления, энергоэффективность алгоритмов ШИМ и соответствие качества регулирования требованиям технологического процесса и может использоваться в научных исследованиях и в учебном процессе.

3. Разработанные алгоритмы сетевого взаимодействия главного контроллера и контроллеров ячеек многопроцессорной архитектуры каскадного преобразователя позволяют эффективно организовать информационные потоки обмена данными и распределить задачи управления при реализации алгоритмов синусоидальной и векторной ШИМ в современных системах высоковольтного электропривода.

4. Результаты экспериментальных исследований опытного образца каскадного преобразователя в составе низковольтной физической модели привода показывают возможность практической реализации разработанных методик и алгоритмов векторной ШИМ с использованием комплекса программ имитационного моделирования и могут использоваться при оценке эффективности известных и новых технических решений в области высоковольтного электропривода.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика синтеза, структуры и алгоритмы формирования векторной ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя.

2. Методика расчёта оптимальной частоты модуляции векторной ШИМ.

3. Математические модели высоковольтного привода с каскадным многоуровневым преобразователем и алгоритмами векторного формирования ШИМ.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы:

в части формулы специальности - «... исследования по общим закономерностям преобразования, ... и использования электрической энергии, а также принципы

и средства управления объектами, определяющие функциональные свойства действующих или создаваемых электротехнических комплексов и систем промышленного, ... и специального назначения. В рамках научной специальности объектами изучения являются ... электропривода, ... могут рассматриваться как самостоятельные технологические комплексы и должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование ...»;

в части области исследования - п. 1: «... изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем»; п. 2: «Обоснование совокупности технических, технологических, ... критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания ... электротехнических комплексов и систем»; п. 3: «Разработка ... электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления»; п. 4: «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях».

Достоверность и обоснованность изложенных в диссертации данных и выводов обеспечивается использованием современных информационно-технических средств, применением технологии моделирования для решения основных исследовательских задач, сравнением результатов моделирования с результатами, полученными опытным путем и при использовании общедоступной программы ЗЕМКЕЬ, распространяемой фирмой ЭЕМЖИОХ - одного из лидеров на рынке силовой электроники.

Личное участие автора

Автор принимал активное участие в разработке математического аппарата созданных моделей, а так же самостоятельно разрабатывал программы, реализующие модели. Автор разработал структуры и алгоритмы управления каскадным преобразователем в рамках векторной стратегии ШИМ, предложил методики и формулы для компенсации небаланса напряжений ячеек и шунтирования аварийных ячеек. Автором были разработаны математические модели высоковольтного электропривода с каскадным преобразователем и модуляторами векторного и синусоидального алгоритмов ШИМ. Автором предложены методики поиска оптимальной частоты модуляции и сравнительного анализа энергоэффективности различных алгоритмов ШИМ. Автор показал эффект энергосбережения в высоковольтном электроприводе с разработанным векторным алгоритмом ШИМ, выполнив сравнение по предложенной им методике с известным алгоритмом синусоидальной ШИМ. Автором исследована многопроцессорная архитектура каскадного преобразователя и предложены алгоритмы взаимодействия контроллеров. Автор участвовал в написании программ для контроллеров и проводил лабораторные испытания опытного образца высоковольтного каскадного преобразователя.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2011, 2013), Международной научно-

технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения, г. Иваново, 2011, 2013), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия-2011» (г. Иваново, 2011), Международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффективность» (СЭЭ, Крым, г. Алушта, 2012), Международной конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП, г. Иваново, 2012).

Публикации

Материалы диссертации нашли отражение в 10 опубликованных работах, в том числе в 2 статьях в ведущих рецензируемых журналах и изданиях (по списку ВАК).

Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, списка используемой литературы из 52 наименований и 6 приложений. Количество страниц 174, в том числе рисунков 63, таблиц в тексте 15.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность результатов и дана общая характеристика структуры работы.

Первая глава посвящена анализу основных схемотехнических решений и принципов построения ВПЧ, исследованы известные методы и алгоритмы формирования ШИМ ВМПЧ каскадной структуры.

Обобщённая структурная схема ВПЧ с промежуточным звеном постоянного тока/напряжения включает в себя: входной трансформатор, выпрямитель, звено постоянного тока/напряжения, инвертор и выходной фильтр. Известные силовые схемы многоуровневых инверторов напряжения, характеризуемые снижением напряжения на силовых управляемых ключах, в рамках представленной структуры ВПЧ составляют отдельный класс ВМПЧ. Типовыми схемотехническими решениями многоуровневых инверторов у большинства производителей ВПЧ являются схемы трёхуровневого автономного инвертора напряжения (АИН) с фиксированной нулевой точкой (ЗЬ-ОТС-УБС), четырёхуровневого АИН с плавающими конденсаторами (4Ь-РЬС-У8С) и многоуровневого каскадного АИН (МЬ-БСНВ-УБС). Сравнительный анализ этих схем выявил преимущества многоуровневой каскадной топологии: низкий уровень гармонических искажений выходного напряжения; модульность конструкций; возможность наращивания мощности добавлением в каждой фазе требуемого числа однотипных низковольтных модулей - ячеек; изолированность низковольтных источников питания ячеек; электромагнитная совместимость (ЭМС) с сетью и приводным двигателем и возможность шунтирования избыточных или аварийных ячеек. Пример силовой схемы пятиуровневого каскадного инвертора показан на рис.1.

В настоящее время известны и широко используются следующие методы ШИМ каскадного ВМПЧ: синусоидальная ШИМ (БРУ/М) и векторная ШИМ (ЭУРХУМ).

Рис.1. Схема инвертора каскадного 5-уровневого ВМПЧ

Метод заключается в сравнении управляющих и опорных сигналов.

Управляющий сигнал представляет собой желаемый сигнал синусоидальной формы с добавлением составляющей нулевой последовательности (в частном случае, 1/6 третьей гармоники). Методы синусоидальной ШИМ подразделяются на методы сдвига по фазе (РБР\УМ) и смещения по уровню (СОР\УМ), отличающиеся формированием системы опорных сигналов. Анализ известных методов синусоидальной ШИМ показал, что основным для каскадного ВМПЧ является метод Р8Р\УМ, обеспечивающий баланс мощностей, потребляемых ячейками в каждой фазе. При этом частота коммутации ключей составляет (12р)-/0, где р - число ячеек в фазе, /0 - частота ШИМ.

Алгоритмы пространственно-векторного формирования ШИМ включают в себя две основные задачи: синтез закона модуляции и синтез закона коммутации. Известные алгоритмы в рамках симплексного закона модуляции выделяют три ближайших вектора, образующих на плоскости векторной диаграммы треугольник, и определяют длительности их включения. Векторная диа1рамма на примере 5-уровневого каскадного преобразователя в первом секторе с указанием всех комбинаций состояния ключей (за,зь,зс), соответствующих векторам выходного напряжения, представлена на рис.2. Задача синтеза закона коммутации векторной ШИМ ВМПЧ не имеет однозначного решения и основана на задании критериев, определяющих оптимальную последовательность переключения и выбор комбинаций состояния ключей векторов, вклю-

чаемых за цикл ШИМ. К таким критериям относят минимизацию числа коммутаций силовых ключей и снижение отклонения напряжения в звене ячеек от общего среднего значения, рассчитываемого по всем ячейкам.

Для удобства описания последовательностей переключения векторов предложено символьное обозначение групп векторов в вершинах треугольников I и II типов как показано на рис.3,а. Выделить определённый вектор означает указать номер его комбинации состояния ключей в верхнем индексе названия соответствующей группы I, I или К. Так, последовательность коммутации векторов треугольника I типа (рис.3,а) за период «симметричной» ШИМ может быть записана в следующем виде: 1<о .¡(О к« -> 1(/+,) -> 1(,Ч1) к'0 -»г'0.

Во второй главе разработаны методика синтеза алгоритма коммутации и структуры управления многоуровневым каскадным преобразователем в рамках векторного формирования ШИМ с функциями компенсации небаланса входных напряжений ячеек и шунтирования аварийных ячеек в процессе работы.

В основу разработанного алгоритма управления каскадным ВМПЧ положена известная методика расчёта длительностей включения векторов в рамках симплексного закона модуляции векторной ШИМ. Данная методика определяет номер сектора векторной диаграммы (рис.2), а также тип и номер треугольника, в котором расположена вершина заданного вектора. Рассматривая найденный треугольник как первый сектор условно выделенной диаграммы напряжений, соответствующей двухуровневому преобразователю, алгоритм вычисляет проекции вершины заданного вектора в рамках новой системы координат и определяет длительности включения векторов I, Л, К в вершинах треугольника по известным формулам двухуровневого АИН.

Рис.2. Векторная диаграмма напряжений пяти- Рис.3. Обозначение векторов

уровневого каскадного преобразователя в первом секто- в вершинах треугольников (а) и ре расчёт их проекций (б)

Как показано на рис.3,б, для каждого вектора в вершинах треугольника I или II типа предложено ввести набор коэффициентов (/г,,£;), значения которых составляют

коэффициенты к, и к2, определяющие проекции этих векторов и рассчитываемые по известным формулам:

£]=1м(и0.+и/?/Л/3), к2 = иЛ(ирIИ), (!)

где иа,ир - проекции нормализованного заданного вектора напряжения, Л = >/з/2, ш^лт) - функция выделения целой части аргумента.

Разработанная методика синтеза алгоритма коммутации для векторной стратегии ШИМ каскадного ВМПЧ основана на принципе симметричного формирования импульсов напряжения (закон «центрированной» ШИМ), является инвариантной к числу уровней и включает в себя следующие этапы:

1. Выбор одной из установленных «разрешённых» комбинаций векторов. «Разрешённой» комбинацией векторов предложено обозначать группу образующих векторов, выбранных для найденного треугольника векторной диаграммы и записанных в оптимальном порядке их коммутации по предложенной системе обозначения. Всего составлено 2 вида таких комбинаций для треугольников I типа:

- 1а'' <=> «=>Как) <=>1°1+1) » <=>К(^+1) «=>1°1+2), если -четно,

- Л(1,) « К0к) <=> 1а1) <=> 1с'1+1) <=> К('к+1) <=> 1('1+1) <=> 3{'1+2) <=> К('"+2), если /с, - нечётно, и 2 вида для треугольников II типа:

- К('к) <=> <=> 1('1> <=> К('к+1) <=> Ла'+1) «1а'+1) <=> К°к+2) <=> 3('1+2>, если кх - чётно,

- I0"' <=> К('к) <=> о1(',+" к('к+1) <=> «1(1'+2), если кх - нечётно,

Индексы ii.ij.iK - номера первой используемой комбинации состояния ключей векторов I, I, К треугольника, определяемые по значению коэффициента этих векторов и числу уровней п преобразователя по формулам:

^ =т1((п-^)/2), ¡, = Ы((л-ка)/2), ¡к =ш1((/1-^к)/2). (2)

2. Расчёт комбинаций состояния ключей для каждого вектора «разрешённой» комбинации в первом секторе (Б1=1) диаграммы напряжений по формулам:

для вектора 1(,,): за =ка-тъ +¡1 -1, ~кд-т3+11-1, хс = -т3-н,-1,

для вектора .Т^: = ка-тъ+1}-\, ¡ь =к]1~т3+1]-1, зс=-т3+1]-1, (3)

для вектора К('к): =к1К-т3+\К-\, ¡¡,=к^-т3+1К-1, зе =-тг +1К-1,

где щ = (л-1)/2.

Модификация составленных комбинаций (за,зь,зс) в соответствии с номером сектора

заданного вектора напряжения, если $¡=2...6.

3. Определение псевдо-нулевого вектора (ПНВ) как вектора с максимальной длительностью включения. Псевдо-нулевым вектором предложено называть один из векторов I, I или К треугольника, включаемый в начале и в конце полупериода «центрированной» ШИМ. Псевдо-нулевой вектор выделяет две-три комбинации состояния ключей с последовательными номерами в записи «разрешённой» комбинации.

4. Составление «элементарной» последовательности. "Элементарной" последовательностью предложено называть последовательность коммутации векторов на пе-

10

риоде ШИМ, составленную из векторов «разрешённой» комбинации в соответствии с законом «центрированной» ШИМ и выбранным ПИВ. Пример составления такой последовательности для треугольника П типа с чётным коэффициентом к{ и ПИВ I:

_>К((к+1) Л0:+1) ->1('1+1) -> ->К('к+1) -*1(Ч

Прямая послед-ть Обратная послед-ть

5. Выбор одной из двух-трёх комбинаций состояния ключей ПИВ, включаемого в начале цикла ШИМ, по условию минимума числа переключений.

6. Равномерное распределение коммутаций по ячейкам в фазах ВМПЧ. Предложенная методика моделирует переключения за период ШИМ и отбирает коммутируемые ячейки в каждой фазе ВМПЧ по условиям чередования нулевых (0+ и 0") и ненулевых (+1 и -1) состояний одной ячейки (при этом ненулевые состояния ячеек в одной фазе должны быть одного знака) и выбора ячейки с наименьшим счётчиком числа коммутаций. Алгоритм идентифицирует и хранит состояния всех ячеек ВМПЧ.

Разработанная методика синтеза алгоритма коммутаций и исходный алгоритм расчёта длительностей включения векторов составляют базовую (основную) часть алгоритма векторного формирования ШИМ каскадного преобразователя. По исходным проекциям заданного вектора напряжения базовый алгоритм векторной ШИМ формирует управление ячейками, определяя номера (порядковые индексы) коммутируемых ячеек, их состояния и моменты коммутации относительно начала цикла ШИМ.

Базовый векторный алгоритм ШИМ использует ил - среднее напряжение всех ячеек и не учитывает возможное рассогласование (небаланс) напряжений, что приводит к амплитудной и фазовой ошибке формирования выходного вектора. Разработанная методика компенсации небаланса напряжений ячеек заключается в «косвенной» коррекции вектора выходного напряжения. На основе установленной последовательности коммутации векторов У0 V] —» \2 ^о за полуцикл «симметричной» ШИМ и полученной информации о напряжении в звене коммутируемых ячеек алгоритм определяет требуемое допустимое смещение моментов коммутации по формулам:

АЛ АУга(У2р-У0р)-ЬУге(Уга "Ура) ____ . ,

Л?/, ----£----, при а, = а, +Ла, > О,

<Угр --У0а)~(У2а -У0аЩр -(4)

М0 =-Мх -М2, при ¿о = -°> (6)

где ДУга=3-Ы0(ДУо1«+АУо2а)/2-А^1-ДУ2^2)/2^ , ДКг/? =3-Ыо(ДУО1Д + ДУО2/0>/2-Д-Д^2)/2ил ,

Vq.Vi.V2 - включаемые за полуцикл ШИМ векторы напряжения, соответствующие векторам I, I, К треугольника векторной диаграммы ВМПЧ, У0а,У0р, У2а,У2р

- проекции векторов У0,У],У2, рассчитываемые по коэффициентам кх и к2 (рис. 3,6), АУМа,Щ„р, ЩПаЛУ01р, Ща,6Ухр, АУ2а,ЛУ2р - смещения проекций ПНВ У0 (в начале и в конце полуцикла ШИМ) и векторов У|,У2 при учёте небаланса напряже-

ний, и (1ц,<1{,(1'2 - относительные длительности включения векторов до и по-

сле компенсации небаланса.

Если условия в формулах (4)-(6) не выполняются, относительные длительности включения пересчитываются по условиям:

если ¿,'<0 и <1{<0, то = 0, ^ = 0, ¿/о = I,

если ¿{<0 и (1'2>0, то ¿,'=0, <1'й -с1'й -0.5с1{, ¡¿2=1- с1д, О)

если <1'2<0 и с1{ > 0, то {¿2=0, (¡¿=¿/¿-0.5^, (¡{=\-с1$.

Векторный алгоритм ШИМ каскадного преобразователя поддерживает работоспособность системы при срабатывании защиты в одной гаи нескольких ячейках схемотехнически - шунтированием выхода аварийной ячейки и алгоритмически - авто настройкой на изменяемые параметры структуры преобразователя (число уровней). Предложенная методика шунтирования ячеек обрабатывает флаги срабатывания защит, передаваемые контроллерами ячеек, и рассчитывает количество отключённых в каждой фазе ВМПЧ ячеек и соответствующее новой конфигурации число уровней п по формуле:

"=Ртт + РШ+1> (8)

где ртЫ, ртШ - минимальное и среднее количество готовых к работе ячеек в фазах

преобразователя, причём ртт < рт1а .

Параметр п (взамен параметра п) введён для унификации векторного алгоритма ШИМ и имеет смысл изменяющегося в процессе работы ВМПЧ числа уровней.

Интеграция модулей шунтирования аварийных ячеек и компенсации небаланса напряжений ячеек в структуру базового алгоритма векторной ШИМ представлена на рис.4.

а) б)

Рис.4. Модули компенсации небаланса (а) и шунтирования ячеек (б) базовой структуры векторного алгоритма ШИМ

Компьютерное моделирование 17-уровневого каскадного ВМПЧ с разработанным векторным алгоритмом ШИМ показало, что модуль компенсации небаланса напряжений ячеек снижает действующее значение ошибок выходного напряжения по модулю и по фазе на 70-80% (при заданном распределении постоянных напряжений ячеек), а алгоритм шунтирования обеспечивает работоспособность ВМПЧ при срабатывании защиты в ячейках.

В третьей главе проведён сравнительный анализ предложенного векторного алгоритма ШИМ базовой структуры с традиционным алгоритмом синусоидальной ШИМ (метод Р8Р\УМ). Критерием сравнения алгоритмов выбран критерий энергоэффективности, основанный на расчёте энергетических показателей и потерь мощности в системе «высоковольтный преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ВПЧ-АД).

Для численной оценки и сравнения энергоэффективности алгоритмов ШИМ разработана компьютерная модель ВЧРП, показанная на рис.5. По известным параметрам и характеристикам силовых ЮВТ-модулей преобразователя модель ВЧРП определяет зависимые от алгоритма и частоты ШИМ потери мощности в системе «ВПЧ-АД», к которым относятся:

- суммарные потери мощности в преобразователе, представляющие собой сумму коммутационных потерь и потерь проводимости инверторов всех ячеек преобразователя;

- дополнительные потери от ШИМ в обмотках статора и ротора АД.

Рис.5. Математическая модель ВЧРП с каскадным преобразователем частоты

Сравнение энергоэффективности различных алгоритмов ШИМ предложено выполнять в одинаковых режимах работы и на оптимальной для каждого алгоритма частоте модуляции. Разработанная методика поиска оптимальной частоты модуляции включает в себя:

1. Определение минимально допустимой частоты модуляции /0 min в заданных

режимах работы по условию достижения коэффициентом искажения синусоидальности выходного напряжения нормально допустимого уровня, устанавливаемого в соответствии с ГОСТом

2. Определение частоты минимума потерь fo_Pmin по зависимостям суммарных

потерь мощности в преобразователе от частоты модуляции.

3. Выбор оптимальной частоты модуляции /0 ор1 как наибольшей из частот

fo_min и fo_Pmin-

Модель ВЧРП на рис.5 представлена блоком управления по статическому закону u/f-регулирования, блоком модулятора, формирующего сигналы управления ячейками многоуровневого инвертора, блоком многоуровневого инвертора, представляющего собой модель каскадной структуры 17-уровневого ВМПЧ, и блоком модели асинхронного высоковольтного двигателя типа АОД-1СЮО-6ДУ1. Результаты расчёта потерь в преобразователе при синусоидальном алгоритме ШИМ, полученные на модели ВЧРП и с использованием программы SEMISEL, сведены в таблицу.

Расчёт потерь мощности в каскадном преобразователе

Потери мощности в силовых вентилях ВПЧ Задание по частоте, Гц

20 50 100

Модель ВЧРП общие коммутационные потери, Вт 29,9 30,3 27,8

общие потери проводимости, Вт 45,8 48,5 42,3

БЕМИБЬ потери проводимости транзистора, Вт 32 43 41

потери проводимости диода, Вт 14 5 3

коммутационные потери транзистора, Вт 22 22 21

потери обратного восстановления диода, Вт 7 7 7

Сопоставление представленных в таблице данных подтверждает достоверность результатов расчёта, полученных на математической модели ВЧРП.

На рис.6 и рис.7 приведены результаты компьютерного моделирования ВЧРП с модулятором векторного алгоритма 11ШМ (отмечены символом «•») и синусоидального алгоритма ШИМ (отмечены символом «А»). Рассчитанные по предложенной методике значения оптимальной частоты модуляции /0_орг (рис.6) в диапазоне 10100Гц совпадают с минимальной частотой /0_т1П, соответствующей нормально допустимому уровню коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (5%). Частоты минимума потерь /0_ятш определяют минимум суммарных потерь

мощности в преобразователе.

400!) 3600

К) :о 30 4» 50 «о 70

Рис.7. Зависимости потерь в преобразователе от частоты задания напряжения на оптимальной частоте ШИМ /о ор, (1), на частоте 2,9кГц (2) и З.ЗкГц (3)

II) 20 30 ДО 50 «> 70 «О ЧО 100

Рис.6. Зависимости частоты ШИМ, соответствующей минимуму потерь /0_ртт

(1), и оптимальной частоты ШИМ /0_ор, (2)

от частоты задания напряжения

Модельный расчёт дополнительных потерь от ШИМ в обмотках АД показал, что на оптимальной частоте модуляции и выше величина этих потерь мала по сравнению с суммарными потерями в преобразователе и не учитывается в оценке энергоэффективности. При снижении частоты модуляции ниже оптимальной величина дополнительных потерь от ШИМ возрастает и может составить значительную часть потерь мощности в системе «ВПЧ-АД». Таким образом, суммарные потери в преобразователе, рассчитанные на оптимальной частоте ШИМ (рис.7), являются показателем энергоэффективности алгоритма. Принимая частоту модуляции постоянной во всём диапазоне регулирования и равной максимальному из значений /0_ор,, векторный алго-

ритм ШИМ (на частоте 3,ЗкГц), по сравнению с синусоидальным алгоритмом ШИМ (на частоте 2,9кГц), показывает снижение суммарных потерь в преобразователе на 4346%.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации алгоритмов ШИМ и экспериментальным исследованиям на низковольтном макете и опытном образце многоуровневого каскадного преобразователя.

Архитектура многопроцессорной системы управления каскадного ВМПЧ показана на рис.8 и состоит из центрального контроллера и контроллеров силовых ячеек. Центральный контроллер (ЦК) в секции управления объединяет в единую сеть контроллеры ячеек (КЯ) и организует потоки обмена информацией по линиям волоконно-оптической связи (ВОЛС). Устройство управления служит для мониторинга параметров и задания регулируемой переменной, а вводная секция - для контроля напряжений и токов в сети питания.

Основные задачи практической реализации алгоритмов ШИМ на базе представленной архитектуры включают в себя: организацию информационно-вычислительных потоков, обеспечение мониторинга напряжений в звене ячеек и компенсацию небаланса напряжений ячеек.

(

\

Устройство fi-управления sp

MODBUS

CAN ETHERNET

Вводная секция

с с о

Q.

H

т о

>s

ш ZT

А

ВОЛС-А1 ' | Л Контроллер ячейки А1

ГГ"1-■-

—I—NT

Контроллер ячейки А2

ВОЛС-Ар I

^ Контроллер ячейки Ар

<1

волс-вр I

ВОЛС-Ср

3 t

t

Группа ячеек фазы В ,

Группа ячеек фазы С ,

V Сеп&я управления^ __

Рис.8. Сетевая топология многопроцессорной архитектуры ВМПЧ

Задача организации информационно-вычислительных потоков и разделения функций управления между ЦК и КЯ решается неоднозначно. Например, векторному алгоритму ШИМ характерна централизация управления и сосредоточение основных расчётов в ЦК. При этом ЦК по сети непосредственно управляет и контролирует состояние каждой ячейки. Напротив, синусоидальный алгоритм ШИМ распределяет управление по ячейкам, передавая основную функцию ШИМ в КЯ.

Задача мониторинга напряжений в звене ячеек устанавливает частоту обновления данных в ЦК по текущим напряжениям ячеек и может решаться путём трансляции в каждом цикле ШИМ напряжений от всех ячеек, либо выборочно, например, только от одной ячейки в каждой фазе преобразователя.

15

"2/3 -1/3 -1/3"

где [Я] = -1/3 2/3 -1/3

-1/3 -1/3 2/3 _

Задачу компенсации небаланса напряжений ячеек для векторного алгоритма ШИМ, при синфазном колебании напряжений ячеек в фазах ВМПЧ, предложено решать коррекцией управления по отклонениям средне-фазных напряжений ячеек иаА, и¿в, V¿с от общего среднего напряжения. Компенсационная составляющая ик , в этом случае, рассчитывается по текущим значениям средне-фазных напряжений и эквивалентным относительным уровням напряжений с предыдущего цикла расчёта -^е'Че^се п0 формуле:

ик =[Я]-[л«Д1/,и чАУт хьАи<1вТ< (9)

- матрица преобразований, ДУ^.ДС/^д.Д!/^ - отклонения

средне-фазных напряжений и¿¿,11 ¿в,иас от общего среднего значения, определяемого выражением иа = (и +им +иас)/Ъ.

Исследование эффективности управления выполнялось на уточнённой компьютерной модели ВЧРП, разработанной с учётом физических процессов перераспределения энергии между ячейками ВМПЧ и нагрузкой - асинхронным двигателем, приводящих к периодическим колебаниям напряжений на конденсаторах в звене ячеек. Основными критериями оценки предложены: критерий перенапряжения, оценивающий работоспособность привода по условию превышения мгновенного напряжения в звене ячеек допустимого уровня, критерий энергоэффективности, определяющий потери мощности в системе «ВПЧ-АД» и технологический критерий, оценивающий пульсации выходной переменной привода (скорости, момента).

Оценка технологического критерия на уточнённой компьютерной модели ВЧРП с векторным формированием ШИМ показала, что эффект от предложенной методики компенсации по-фазного небаланса заключается в снижении пульсаций момента АД с 80-90% до 5-10% внизу диапазона регулирования (10Гц) в режимах близких к холостому ходу (<1кНм).

Экспериментальное исследование первого опытного образца каскадного 17-уровневого ВПЧ (рис.11) на низком напряжении выполнено по схеме, приведённой на рис.9.

На испытательном стенде, включающем в себя трёхфазный входной трансформатор БКЖИ.671131.006, формирующий напряжение в звене каждой ячейки на уровне 31В, опытный образец 17-уровневого ВМПЧ, трёхфазный АД типа 5А80МВ6УЗ мощностью 1,1 кВт и нагрузочный агрегат, собранный на базе преобразователя частоты ЭПВ-ТТПТ-32-380-ЗСП-УХЛ4 и синхронного двигателя 5ДВМ215 А25ЕТ2УХЛ4, проведены экспериментальные исследования разработанных алгоритмов. На рис.10 показаны осциллограммы работы ВЧРП на холостом ходу в установившемся режиме с номинальной частотой 50 Гц.

Разработанные алгоритмы управления также использованы на низковольтном макете и во втором опытном образце каскадного преобразователя (ЮкВ, 1300кВт).

Сходимость экспериментальных кривых напряжение! н токов с реэультаыми компьютерного моделирования показана на рнс.12 при /г =501ц н подтверждает адекватность разработанных математических моделей ВЧРП.

а) б)

Рис. 12. Диа1раммы выходною линейною напряженна (а) и фазного кка АД 1б). полу-'(енные на математической модели и женериментальном стсндс

Рис.9. Низковольтная схема испытания опытного образца ВМПЧ

Рис.10. Экспериментальные кривые выход- Рис. 11. Опытны* образец каскад-

ного линейного напряжения и фазного тока АД кого ВМПЧ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

I. Сравнительный анализ известных схемотехнических решений высоковольтных многоуровневых преобразователей частоты и методов формирования ШИМ показа.! актуальность разработки нового энергоэффективного алгоритма векторного формирования ШИМ. обеспечивающего: минимизацию частоты коммутаций без превы-

17

шения допустимого уровня гармонических искажений выходного напряжения, равномерное распределение коммутаций по всем ячейкам в фазах, возможность шунтирования аварийных ячеек, компенсацию небаланса напряжений в звене ячеек и минимизацию ресурсов процессора.

2. С использованием предложенной системы символьного обозначения векторов в пределах треугольника по номеру комбинации состояния ключей был разработан новый векторный алгоритм формирования ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя, отличающийся инвариантной к числу уровней процедурой синтеза алгоритма коммутации с минимизацией коммутационной составляющей потерь преобразователя, равномерным распределением коммутаций по ячейкам, компенсацией небаланса напряжений ячеек за счёт коррекции относительных длительностей включения векторов за цикл ШИМ и шунтированием минимально возможного числа ячеек при их выходе из строя без нарушения работоспособности преобразователя.

3. Разработан комплекс программ имитационного моделирования высоковольтного электропривода с каскадным преобразователем частоты, позволяющий для различных способов формирования ШИМ: традиционной синусоидальной ШИМ и предложенного алгоритма энергоэффективной векторной ШИМ, - по известным параметрам и характеристикам силовых модулей ячеек, входного трансформатора и неуправляемого выпрямителя с ёмкостным фильтром оценить потери энергии и нормируемые показатели качества выходного напряжения. Сопоставление результатов моделирования с результатами низковольтных лабораторных испытаний опытного образца электропривода с 17-уровневым каскадным преобразователем, показало адекватность предложенных математических моделей электропривода.

4. Предложены универсальные для различных алгоритмов ШИМ и основанные на модельном расчёте энергетических характеристик высоковольтного привода методика поиска оптимальной частоты модуляции, обеспечивающая оптимум потерь энергии в преобразователе при допустимом уровне искажений выходного напряжения, и методика анализа энергоэффективности ШИМ, позволяющая на оптимальной частоте модуляции получить количественную оценку потерь. Сравнительный анализ энергоэффективности алгоритмов синусоидальной и векторной ШИМ, выполненный на основе моделирования процессов в электроприводе с 17-уровневым каскадным преобразователем частоты, показал снижение потерь в преобразователе при векторном формировании ШИМ с частотой З.ЗкГц, по сравнению с синусоидальной ШИМ на частоте 2,9кГц, на 43-46% в диапазоне регулирования 10-100Гц.

5. Разработаны алгоритмы сетевого взаимодействия элементов многопроцессорной архитектуры каскадного преобразователя, обеспечивающие практическую реализацию алгоритмов синусоидального и векторного формирования ШИМ с распределением функций управления между центральным контроллером и контроллерами ячеек. Разработанные структуры, методики и алгоритмы векторного формирования ШИМ реализованы на низковольтном макетном образце и двух высоковольтных опытных образцах (ЮкВ, 1300кВт) каскадного преобразователя частоты, собранных по заказу и при участии ООО «ЧЭАЗ-ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные « изданиях по списку ВАК

1. Короткое, A.A. Анализ энергоэффектнвности алгоритмов управления преобразователем высоковольтного частотно-регулируемого привода / A.A. Короткой, А.Б. Виноградов // Вестник ИГЭУ. - 2013. - №2. - С.47-52.

2. Короткое, A.A. Новый алгоритм векторного формирования ШИМ высоковольтного преобразователя с минимизацией коммутационных потерь / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов // Вестник ИГЭУ. - 2013. -№4. - С.64-69.

Публикации в других изданиях

3. Короткое, A.A. Управление многоуровневым преобразователем напряжения / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов, П.А. Колосов // Материалы XVII Междунар. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М.: МЭИ. - 2011. - Т.2. - С. 149-150.

4. Короткое, A.A. Разработка алгоритма управления многоуровневым преобразователем / АА. Короткой, А.Б. Виноградов, C.B. Журавлёв // Материалы XVI Междунар. научн,-техн. конф. «Бенардосовские чтения» - Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2011. - Т.З. - С. 35-36.

5. Короткое, A.A. Синтез алгоритма управления многоуровневым высоковольтным преобразователем / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов // Материалы региональной науч.-тех. конф. студ и асп. «Энергия 2011». - Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2011. - Т.2. - С. 11-12.

6. Короткое, A.A. Оценка энергоэффективности и сравнительный анализ алгоритмов ШИМ высоковольтного преобразователя / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов, А.Н. Сибирцев, Д.А. Монов // Техшчна Електродинамша. Тематичний випуск. Силова електрошка та енергоефектившсть. Частина 1. -Харюв, 2012. - С. 90-95.

7. Короткое, A.A. Сравнительный анализ энергетических показателей алгоритмов управления высоковольтным многоуровневым преобразователем / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов, А.Н. Сибирцев, Д.А. Монов // Труды VII Междунар. (XVIII Всероссийской) конфер. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2012). - Иваново, 2012г. - С. 109-113.

8. Короткое, A.A. Управление высоковольтным электроприводом с многоуровневым каскадным преобразователем частоты / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов // Материалы IXX Междунар. науч.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М: МЭИ,-2013.-Т.2.- С. 258.

9. Короткое, A.A. Разработка алгоритма векторного управления высоковольтным каскадным преобразователем / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов И Материалы XVII Междунар. научн.-техн. конф. «Бенардосовские чтения». - Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2013. - Т.З. - С. 42-45.

10. Короткое, A.A. Дополнительные функции и экспериментальная апробация алгоритма векторного управления высоковольтным каскадным преобразователем / A.A. Короткое, А.Б. Виноградов // Материалы XVII Междунар. научн.-техн. конф. «Бенардосовские чтения». - Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2013. - Т.З. - С. 45-48.

П.Виноградов А.Б., Короткое A.A., Журавлёв C.B. Модель высоковольтного частотно-регулируемого электропривода каскадной топологии с векторным формированием ШИМ / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности. - 25.06.2013. - № 2013616006.

КОРОТКОВ Александр Александрович

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С МНОГОУРОВНЕВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печатьЛ££Й013. Формат 60x84 1/16. Печать плоская. Усл. печ. л/. Тираж 100 экз. Заказ № ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34. Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшею профессионального образования

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ В.И. ЛЕНИНА»

Ыа правах рукописи

04201363113

КОРОТКОЙ Александр Александрович

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С МНОГОУРОВНЕВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата 'технических наук

Hay ч н ы й ру ковод и тел ь доктор технических наук, доцент Виноградов Анатолий Брониславович

Иваново - 2013

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ТОПОЛОГИИ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ МНОГОУРОВНЕВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ......................................................................................................................................................................14

1.1. Топология и принципы построения высоковольтных преобразователей............................................................................................................................................................14

1.2. Анализ методов ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя..................................................................................................................................................................23

1.2.1. Алгоритмы синусоидальной ШИМ..................................................................25

1.2.2. Алгоритмы векторной ШИМ....................................................................................30

1.3. Термины и определения............................................................................................................45

1.3.1. Анализ терминологии многоуровневого преобразователя.... 45

1.3.2. Классификация векторов и треугольников диаграммы напряжений..............................................................................................................................46

1.3.3. Ячейка и её состояния....................................................................................................48

Выводы по главе 1........................................................................................................................................49

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫМ КАСКАДНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ В РАМКАХ ВЕКТОРНОЙ СТРАТЕГИИ ШИМ..................................................................................................................................................51

2.1. Закон модуляции векторной ШИМ....................................................................................51

2.2. Синтез алгоритма коммутации............................................................................................52

2.3. Алгоритм распределения коммутаций по ячейкам............................................62

2.4. Небаланс напряжений ячеек многоуровневого каскадного преобразователя................................................................................................................................................66

2.4.1. Векторное формирование ШИМ с модулем компенсации небаланса....................................................................................................................................67

2.4.2. Алгоритм компенсации небаланса напряжений....................................69

2.4.3. Коррекция в режиме ограничения компенсации..................................74

2.4.4. Результаты моделирования........................................................................................76

2.5. Шунтирование ячеек многоуровневого каскадного преобразователя................................................................................. 81

2.5.1. Режимы функционирования ячеек.................................. 82

2.5.2. Векторное формирование ШИМ с модулем шунтирования

ячеек........................................................................ 84

2.5.3. Результаты моделирования............................................ 88

Выводы по главе 2.................................................................... 93

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ

ШИМ МНОГОУРОВНЕВОГО КАСКАДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ....... 95

3.1. Цифровая модель высоковольтного электропривода................... 95

3.2. Потери мощности в системе «ВПЧ-АД»................................... 99

3.2.1. Дополнительные потери от высших гармоник................... 101

3.2.2. Критерий оценки дополнительных потерь в обмотках двигателя..................................................................... 102

3.2.3. Потери в силовых IGBT модулях.................................... 104

3.3. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения................................................................................. 108

3.4. Результаты моделирования. Методика поиска оптимальной частоты ШИМ......................................................................... 109

Выводы по главе 3................................................................... 118

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С МНОГОУРОВНЕВЫМ КАСКАДНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ................................. 119

4.1. Внутренняя организация каскадного ВМПЧ и алгоритмы взаимодействия его элементов........................................................ 119

4.2. Практические вопросы реализации алгоритмов ШИМ каскадной структуры ВМПЧ............................................................... 122

4.3. Первичная компенсация небаланса напряжений ячеек................. 126

4.4. Уточнённая модель высоковольтного частотно - регулируемого привода........................................................................... 131

4.5. Технологический критерий как показатель работоспособности привода......................................................................................................................................................133

4.6. Испытание опытного образца каскадного ВМПЧ на низком напряжении..............................................................................................................................................138

Выводы по главе 4........................................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................152

Приложение 1. Справочные данные на высоковольтный асинхронный

двигатель АОД-1000-6ДУ1............................................................................................................152

Приложение 2. Диаграммы спектров выходных напряжений и токов

многоуровневого каскадного преобразователя..........................................................153

Приложение 3. Внешний вид шкафов опытного образца ВМПЧ....................157

Приложение 4. Справочные данные на асинхронный двигатель

5А80МВ6УЗ. Результаты испытаний опытного образца ВМПЧ................159

Приложение 5. Результаты испытаний низковольтного макета каскадного преобразователя..........................................................................................................................165

Приложение 6. Материалы по внедрению результатов работы..........................171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Стратегия развития и модернизации любой современной отрасли народного хозяйства (промышленности, электроэнергетики, коммунального хозяйства), использующей высоковольтное приводное электрооборудование, заключается не только в наращивании мощностей производства, но и в совершенствовании и внедрении новых перспективных технологий и технологических процессов, направленных на повышение эффективности и энергосбережение.

Переход к высоковольтному частотно-регулируемому приводу (ВЧРП) механизмов насосно-вентиляторной группы в ряде мощностей 250-8000кВт [17-20] позволяет получить значительный эффект энергосбережения, повысить надёжность эксплуатации и увеличить ресурс технологического и электрического оборудования. Таким образом, задача разработки энергоэффективных систем ВЧРП представляется перспективной и решается выбором схемотехнического решения и разработкой на его основе оптимального по энергетическим показателям алгоритма управления высоковольтным преобразователем частоты (ВПЧ).

Анализ потенциальной потребности российской промышленности в регулируемых электроприводах большой мощности [17,18] подтверждает актуальность вышеуказанных задач, комплексное решение которых должно обеспечивать максимальный коэффициент полезного действия (КПД) ВЧРП, минимальную себестоимость, синусоидальную форму потребляемого из сети тока, минимальный коэффициент гармонических искажений выходного напряжения и эксплуатационную надёжность.

Выбор оптимальной топологии ВПЧ во многом определяется требованиями технологического характера и является сложной, многокритериальной задачей. Характеристики двухтрансформаторных схем ВПЧ [19] с промежуточным низковольтным преобразователем в области высоковольтного электропривода показывают относительно низкий КПД и ограничение по мощности (порядка 5001250кВт). С появлением новых полупроводниковых силовых приборов: полностью управляемых ОТО, ЮСТ, 8ССТ-тиристоров и ЮВТ-гранзисторов - тополо-

гия двухзвенных высоковольтных преобразователей получает всё большее распространение. На сегодняшний день, в схемной топологии двухзвенных ВПЧ сформировался ряд основных принципиально отличающихся подходов [9,12,19,20,30-34,45,48]: автономный инвертор тока (АИТ) по мостовой схеме на обычных (SCR) тиристорах и АИТ по мостовой схеме на полностью управляемых симметричных тиристорах (GTO, SGCT); 3-уровневый автономный инвертор напряжения (АИН) по схеме с ёмкостным делителем напряжения; 4-уровневый АИН по схеме с плавающими конденсаторами и многоуровневый АИН по схеме с каскадным соединением ячеек.

С одной стороны, современные высоковольтные полупроводниковые ключи IGBT (с рабочим напряжением 3,3kB, 4,5кВ, 6,5кВ) или высоковольтные IGCT модули позволяют использовать классическую мостовую схему двухуровневого АИН. Однако, такое схемотехническое решение в области средних и высоких напряжений малоэффективно с экономической и технической точки зрения, поскольку высоковольтные ключи обладают более низким КПД, высокой стоимостью и сложностью обслуживания. Сравнение КПД трёхфазных автономных инверторов на силовых ключах трёх классов напряжения (1700В, 3300В, 7500В) [12,13,14] показало, что применение низковольтных (1700В) транзисторов IGBT позволяет создавать преобразовательные устройства с большей мощностью и КПД.

Высоковольтные многоуровневые (3-х и более) преобразователи частоты (ВМПЧ), построенные по классической двухзвенной топологии, используют предложенный около 20 лет назад принцип преобразования энергии, основанный на переключении по заданному закону разрешённых дискретных уровней напряжения. К преимуществам многоуровневых схем ВПЧ относят повышение качества выходной энергии и снижение коммутационных потерь в полупроводниковых вентилях [31,32,34,45].

Значительный вклад в исследование структур и разработку алгоритмов управления ВМПЧ внесли российские учёные: Лазарев Г.Б., Шрейнер Р.Т., Они-щенко Г.Б., Альтшуллер М.И., Берестов В.М., Колпаков А.И. Существенных ре-

зультатов в развитии теории и практической реализации высоковольтных преобразователей различных структур достигли иностранные учёные: Corzine К.А., Fazel S.S., Gupta A.K., McGrath B.P., McKenzie K.J., Celanovic N.

Разработкой и производством ВПЧ занимается ряд российских фирм: ОАО «Электровыпрямитель» (ВПЧ типа ВПЧА с номинальным напряжением 6кВ и мощностью 500-2000кВт), ООО «Л-Старт» (ВПЧ типа ВПЧА или ВПЧС с номинальным напряжением 3,6,ЮкВ и мощностью 250-7600кВт), ОАО ВНИИР (ВПЧ типа ABS Drive А с номинальным напряжением 6, ЮкВ и мощностью 2505600кВт), ЗАО «Энергокомплект» (ВПЧ типа EK-AV6 с номинальным напряжением 6кВ и мощностью 2000кВт), ЗАО «Эрасиб» (ВПЧ типа ВЧРП с номинальным напряжением 3,6,ЮкВ и мощностью 250-8000кВт), ЗАО НТЦ «Приводная техника» (ВПЧ типа ВЧРП с номинальным напряжением 3,6,ЮкВ и мощностью 250-5000кВт). Зарубежными фирмами Allen Bradley, Siemens, ABB, General Electric, Toshiba, Mitsubishi организовано серийное производство и освоено внедрение мощных регулируемых высоковольтных электроприводов в различные отрасли промышленности.

Типовым схемотехническим решением ВМПЧ представленных на рынке российских фирм-производителей является многоуровневая каскадная структура АИН, обеспечивающая снижение гармонических искажений выходного напряжения, возможность расширения мощности путём увеличения числа уровней, эффективность и надёжность в процессе эксплуатации.

Большинство производителей каскадных ВМПЧ для управления используют методы синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [14,17,34,42, 51,52], либо ШИМ с избирательным подавлением гармоник [23,33,44,46,47], тогда как пространственно-векторный способ ШИМ [2,21,35-38,40,43,45,50] обладает большим потенциалом оптимизации и энергосбережения. Анализ литературных источников показывает, что на данный момент в недостаточной мере исследованы вопросы синтеза энергоэффективных векторных алгоритмов формирования ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя и их сравнение с традиционными алгоритмами ШИМ.

Применение векторного подхода ШИМ позволяет по-новому подойти к таким актуальным вопросам построения каскадного ВМПЧ, как шунтирование вышедших из строя ячеек [17] для повышения надёжности работы ВЧРП и компенсация небаланса напряжений [21,33], возникающего вследствие колебания напряжений в звене ячеек в процессе работы. Небаланс напряжений каскадного преобразователя напрямую определяет точность регулирования выходных переменных привода (скорости, момента). Алгоритмы ограничения [36,41] в рамках векторной стратегии ШИМ обеспечивают максимальное использование преобразователя по напряжению.

Диссертационная работа посвящена решению указанных вопросов и выполнялась в Научно-техническом центре электропривода «Вектор» кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» (ЭП и АПУ) в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (ИГЭУ) по заказу ООО «ЧЭАЗ-ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода в рамках договора №13.025.31.0060 (от 22 октября 2010 г.) «Разработка и организация серийного производства мощных частотно-регулируемых приводов» между ОАО «ЧЭАЗ» (г. Чебоксары) и Минобрнауки России.

Целью работы является разработка, исследование и практическая реализация оптимального по энергопотерям алгоритма векторного формирования ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя частоты с функциями компенсации небаланса напряжений и шунтирования аварийных ячеек при работе в составе высоковольтного электропривода.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи.

1. Провести анализ существующих методов и выбрать рациональные критерии формирования ШИМ многоуровневого каскадного преобразователя в рамках координатной и векторной стратегий управления.

2. Разработать векторный алгоритм ШИМ каскадного преобразователя с минимизацией коммутационных потерь, функциями шунтирования аварийных ячеек и компенсации небаланса входных напряжений.

3. Разработать программный комплекс для исследования статических и динамических режимов работы высоковольтного электропривода, его энергетических характеристик и показателей точности регулирования выходных переменных при различных вариантах ШИМ каскадного преобразователя.

4. Разработать методики и выполнить сравнительный анализ энергоэффективности высоковольтного электропривода на компьютерной модели с разработанным алгоритмом векторной ШИМ и традиционным способом синусоидальной ШИМ.

5. Выполнить исследование внутренней архитектуры и разработать алгоритмы сетевого взаимодействия элементов каскадного преобразователя в процессе работы.

6. Реализовать разработанные алгоритмы формирования ШИМ на макетном и опытном образце каскадного преобразователя и провести лабораторные испытания в составе низковольтной физической модели электропривода.

Научная новизна работы

1. Предложена методика синтеза алгоритма управления п-уровневым каскадным преобразователем, построенная в рамках стратегии векторного формирования ШИМ с жестко заданным законом коммутации и обеспечивающая минимизацию коммутационных потерь в силовых элементах ячеек.

2. Разработаны структуры управления, алгоритмы работы и математические модели высоковольтного электропривода, учитывающие реальную конфигурацию силовой схемы каскадного преобразователя, способ формирования ШИМ, параметры трансформатора, силовых ячеек и нагрузки, а также обеспечивающие шунтирование аварийных ячеек и компенсацию небаланса их входных напряжений.

3. Предложена методика оптимизации алгоритмов векторной и синусоидальной ШИМ каскадного преобразователя, позволяющая на основе математического моделирования высоковольтного электропривода и анализа его энергетических характеристик с учётом реальных параметров силовой схемы определить оптимальную частоту ШИМ по потерям энергии и уровню искажения синусоидальности.

4. Выполнен сравнительный анализ энергоэффективности высоковольтного привода с разработанным векторным и традиционным синусоидальным алгоритмами ШИМ на основе математического моделирования, показывающий снижение суммарных потерь в преобразователе при векторном способе ШИМ.

5. Предложена система классификации и символьно-графического обозначения векторов и треугольников диаграммы напряжений многоуровневого преобразователя, отличающаяся универсальностью подхода для любого числа уровней и позволяющая выделять определённые вектора из группы совпадающих, записывая их в установленной последовательности переключения.

Практическая ценность работы

1. Разработанные структуры и алгоритмы управления многоуровневым каскадным преобразователем частоты могут использоваться при создании высокоэффективных систем управления высоковольтным электроприво�