автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование и разработка трёхфазных активных выпрямителей с пофазным управлением

На правах рукописи

Вилков Андрей Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРЕХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ПОФАЗНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 В МАЙ 2013

Москва 2013

005058701

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Министерства образования и науки Российской Федерации на кафедре Промышленной Электроники.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, Чаплыгин Евгений Евгеньевич, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», профессор Рыбкин Сергей Ефимович, доктор технических наук, Институт проблем управления РАН, главный научный сотрудник.

Калугин Николай Георгиевич,

кандидат технических наук, ООО "Сименс - научно-исследовательский центр", ведущий инженер. ЗАО "ММП-Ирбис", г. Москва.

Защита состоится « 6 » июня 2013 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-511. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан _» у^У$$ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент

Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока. Введенные в последние годы международные и государственные стандарты жестко ограничивают эмиссию в сеть высших гармоник тока и создаваемые преобразователями кондуктивные искажения напряжения сети. Применение активных выпрямителей напряжения (АВН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) позволяет кардинально улучшить влияние сетевых преобразователей на питающую сеть, увеличить коэффициент мощности, получить требуемое напряжение на стороне постоянного тока, необходимое для работы преобразователей частоты в системах электропривода и гарантийного питания.

Одной из нерешённых проблем при создании трехфазных АВН является проблема анализа и синтеза замкнутого контура управления, обусловленная перекрестными связями и взаимовлиянием процессов управления в разных фазах. До сих пор не существует никаких способов анализа замкнутых систем с учетом влияния перекрестных связей. В то же время, как показывает опыт применения трехфазных АВН, наличие перекрестных связей может вызывать потери устойчивости работы систем управления и даже приводить к аварийным процессам. Одним из способов решения данной проблемы является применение АВН с четырехпроводным подключением к сети.

При четырехпроводном подключении активных выпрямителей (АВ) к сети возможно применение схем, в которых осуществляется пофазное управление и перекрестные связи отсутствуют, при этом сохраняются высокие технико-экономические показатели АВ. В то же время остаются мало исследованными вопросы управления преобразователей с ШИМ.

Решение этих задач является актуальным и обеспечит более эффективное внедрение трёхфазных АВ в промышленность, улучшит их технико-экономические показатели и упростит процесс проектирования преобразователей.

Степень разработанности проблемы. При разработке как АВН с пофазным управлением, так и при разработке однофазных АВН и корректоров коэффициента мощности, имеются нерешенные проблемы динамики преобразователей, поскольку существующие методы анализа заимствованы из теории преобразователей, в которых отсутствует широтная модуляция коэффициента заполнения (выпрямители, преобразователи постоянного напряжения). Во-первых, мало исследована специфика работы замкнутого контура управления при реализации различных видов ШИМ. Во-вторых, отсутствуют исследования реализации ШИМ с пассивной фазой (т.н. «векторной» ШИМ) в подобных устройствах и оценка потерь в таких системах. В-третьих, недостаточно разработаны вопросы построения микропроцессорных систем управления при работе от реальной (несимметричной и несинусоидальной) сети.

Целью работы является исследование способов построения трёхфазных АВН с пофазовым управлением, выявлении специфики работы замкнутого контура управления трехфазных АВН при реализации различных видов ШИМ, определения влияния этой специфики на устойчивость работы замкнутого контура управления и выработка уточненных способов расчета контуров обратной связи, а также исследование перспектив применения в АВН с пофазным управлением ШИМ с пассивной фазой

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Произведено сравнение параметров АВН при трехпроводном и четырехпроводном подключении к сети с учетом неидеальности сети.

2. Разработаны спектральные модели для анализа АВН как звена передачи информации на основе модифицированного метода переключающих функций.

3. Разработана модель АВН, учитывающая модуляцию коэффициента передачи во времени, и позволяющая осуществить выбор параметров контура обратной связи.

4. Произведено сравнение работы АВН с дополнительным полумостом при реализации «классической» ШИМ и ШИМ с пассивной фазой.

5. Произведена разработка алгоритма МП управления АВН с дополнительным полумостом.

Методология и методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений и использовании современных инструментальных систем моделирования: нелинейные модели преобразователя основе пакета МаЙаЬ, спектральные модели на основе модифицированного метода переключающих функций. Проведены эксперименты на макете АВН с дополнительным полумостом мощностью 1 кВт.

Достоверность научных результатов обеспечена сочетанием компьютерного моделиврования и воспроизведением основных зависимостей на физической модели (макете) устройства.

Научная новизна работы:

1. На основании анализа схемы инвертора напряжения как звена передачи информации установлено, что коэффициент передачи на периоде основной гармоники модулирован во времени и эту модуляцию необходимо учитывать при проектировании контура управления поскольку возможны потери устойчивости. Выявлено наличие второй критической частоты, равной 1/3 частоты коммутации, которая отсекает область с интенсивной низкочастотной модуляцией коэффициента передачи.

2. Предложен способ анализа устойчивости системы управления при учёте влияния низкочастотной модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени.

3. Установлено, что применение ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом позволяет значительно снизить коммутационные потери в силовых ключах преобразователей как за счет снижения среднего коммутируемого тока, так и за счет снижения напряжения в цепи постоянного тока.

4. На основании исследования влияния влияния несинусоидальности и несимметрии сети предложена структура системы управления отличающаяся введением введением блоков для расчёта эталонных токов на основе дискретного преобразования Фурье, определены параметры этих блоков.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Использование рекомендаций для анализа устойчивости системы управления при учёте влияния низкочастотной модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени позволяет повысить устойчивость и надежность работы АВН. Эта часть работы может использоваться при разработке цепей обратной связи для любых, в том числе однофазных, преобразователей напряжения с ШИМ.

2. Использование ШИМ с пассивной фазой для уменьшения динамических потерь в преобразователе, повышения КПД и снижения затрат на охлаждение приборов.

3. Использование блоков расчёта эталонного сигнала тока при помощи ДПФ позволяет повысить коэффициент мощности и, снизить кондуктивные искажения сети.

4. Использование приведенных в работе количественных зависимостей позволяет упростить процессы проектирования АВН.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Спектральная модель для исследования коэффициента передачи преобразователя напряжения с ШИМ и результаты модельного эксперимента.

2. Модель для анализа устойчивости системы управления АВН с пофазовым управлением, учитывающая низкочастотную модуляцию коэффициента передачи и методику определения параметров цепи обратной связи.

3. Способ количественной оценки снижения потерь на переключения при реализации ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом.

4. Модифицированная система управления АВН, содержащая блок для расчета эталонных токов, работа которого основана на применении дискретного преобразования Фурье.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2010, 2011 и 2012 г.г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 3 публикации тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 173 стр. текста (без приложений), 27 таблиц и 97 рисунков. Список литературы содержит 98 элементов на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрена степень её разработанности, сформулированы цели и задачи исследований, определены методы исследования и положения, выносимые на защиту, рассмотрена степень достоверности полученных результатов.

В первой главе рассмотрены различные схемы построения трехфазных АВН. Показано, что при трехпроводном подключении к сети фазные напряжения зависят не только от работы канала управления данной фазы, но определяется и работой каналов управления других фаз, т.е. имеет место взаимовлияние фаз. И показаны интервалы потери управляемости (см. Рис. 1). На этом основании сделан вывод, о перспективности применения схем с пофазным управлением, в которых принципиально исключается взаимовлияние фаз.

Проведён анализ и сравнение показателей работы АВН с пофазным управлением и АВН с трехпроводным подключением. Анализ выполнен при учете реальных показателей качества сети, определяемых ГОСТ Р 54149-2010, а именно влияние несимметрии и несинусоидальности сети на работу АВН.

іЛІ

йі^йШШШ

чііч: я і і! і; тпНчшх

О 0Л7 0.35 0.52 0.7 0.87 1-05 1.22 1.4 1.57 1.75 152 2.09 2.27 2.44 2.62 2.79 2.97 3.14 А в те

Рис. 1. Временные диаграммы одной из фаз преобразователя (стрелками выделены межкоммутационные интервалы на которых происходит потеря управляемости)

Было проведено моделирование и сравнение решений:

• Схемы трехфазного мостового инвертора напряжения (см. Рис. 2);

• АВН по схеме «три однофазных полумоста»;

• Схемы АВН с дополнительным полумостом (см. Рис. 3);

• Схемы Виенна-выпрямителя;

"в"

"а

-е-

Л " і

и

я

О*»

и

г к

и

\г„

Рис. 2. Схема трехфазного мостового АВН

Рис. 3. Схема АВН с дополнительным полумостом

В силу большого объема модельного эксперимента в качестве основного выбран спектральный метод моделирования - модифицированный метод переключающихся функций, отличающийся повышенной

производительностью. Результаты моделирования проверены на имитационных моделях и макете инвертора.

Проведённое моделирование позволило сделать следующие выводы: • Среди схем АВН с пофазовым управлением наилучшими показателями обладает схема на базе трехфазного инвертора с дополнительным полумостом.

• Схема Виенна-выпрямителя немного уступает по коэффициенту мощности схемам АВН с дополнительным полумостом и мостовому трехфазному АВН, но превосходит по показателям схему "Три однофазных полумоста".

Поскольку схема Виенна-выпрямителя обладает однонаправленным потоком энергии, в дальнейшем она не рассматривается. Главное внимание уделено схеме с дополнительным полумостом, но результаты последующих глав применимы для любых АВН с пофазным управлением, как и для однофазных преобразователей.

Во второй главе рассмотрен вопрос правомочности переноса способов анализа устойчивости преобразователей постоянного напряжения на преобразователи с ШИМ на примере схемы АВН с дополнительным полумостом.

При анализе замкнутых систем управления традиционно используется два метода:

• рассмотрение системы как непрерывной цепи, при этом широко используются усредненные модели.

• представление системы в дискретном виде, где для анализа используется в том или ином виде аппарат решетчатых функций.

Для анализа был предложен способ, в котором использован традиционный подход: проанализирован преобразователь при разомкнутой цепи обратной связи и использован анализ в малых приращениях, однако при анализе не проводилось усреднения и ШИМ-последовательность моделировалась на всем периоде повторения.

На рисунке 4 представлена функциональная схема исследуемых узлов. На вход ШИМ-модулятора подается сумма управляющего сигнала иу синусоидальной формы с частотой /„„, и сигнала обратной связи иос. Импульсы с выхода модулятора поступают на драйверы ключевого блока силовой схемы

инвертора, на выходе ключевого блока формируется выходное напряжение инвертора — ШИМ-последовательность импульсов.

Рис. 4. Схема АВН с дополнительным полумостом

Алгоритм исследования следующий. Вначале находим стационарные составляющие процесса на стороне переменного тока при отсутствии сигнала обратной связи. Затем вводим малый сигнал обратной связи определенной частоты и находим те же составляющие процесса. Вычитаем из результата стационарную составляющую, остается реакция системы на сигнал обратной связи. Результаты моделирования позволили получить спектр напряжения АВН на стороне переменного тока при отсутствии обратной связи (см. Рис. 5), а также спектр напряжения, обусловленный сигналом обратной связи (см. Рис. 6).

Анализ коэффициента передачи инвертора с ШИМ-2 и с ШИМ-1 показывает, что характер процессов в инверторе с ШИМ коренным образом отличаются от процессов в широтно-импульсных преобразователях постоянного напряжения. Частотная характеристика инвертора напряжения с ШИМ содержит не одну критическую частоту к=А//2 (где А/ — частота коммутации ключей), а область критических частот, в которой модуль и аргумент коэффициента передачи изменяются скачком и зависят от фазового угла сигнала обратной связи (Таблица 1).

0.86 0.71 0.5 7

Ск

х 0.43 029 0.1 4

0

О 20 40 60 80 100 120

к

Рис. 5. Спектр напряжения АВН на стороне переменного тока

2 1.6 12 0.8 0.4

|Сб0.2О о

-0.4 "О Л -12 -1.6

2 0 20 40 60 80 100 120

Í

Рис. 6. Спектр напряжения, обусловленный сигналом обратной связи

Вторым важным отличием динамики

систем с ШИМ является модуляция коэффициента передачи во времени. Эта модуляция обусловлена спектром, где видны комбинационные гармоники второго порядка (см. Рис. 6), вызванные сигналом обратной связи. При совпадении частоты комбинационной гармоники с частотой сигнала обратной связи коэффициент передачи инвертора резко изменяется.

Анализ модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени позволил установить, что существует вторая критическая частота, соответствующая k=Af/3. Коэффициент передачи для частот выше второй

Таблица 1.Однофазная двухполярная ШИМ-2 по фронту.срезу

Фазовый Значения модуля и аргумента К ПрИ частоте

СДВИГ Кос А/2 - 3 Aj!2-2 А/2-1 АД

0 1.00? lf=-0.16 0.986 Ч<**0 . 1.027 ЧМ) 1.965 ¥-0

я/4 0.992 У=-0.1 0.993 1<=-0.38 1.018 Ч<=-2.29 1.404 ¥=-43.6

я/2 0.99 ¥-0.22 0.996 ЧМЫ5 0.972 ¥=4.924 0.023 с

критической частоты имеет интенсивную низкочастотную амплитудную и фазовую модуляцию (см. Рис. 7). И эту модуляцию нужно учитывать при синтезе замкнутого контура управления, поскольку на части периода при приближении ко второй критической частоте коэффициент передачи может резко возрастать и вызывать кратковременную потерю устойчивости.

■II!

Рис. 7. Диаграмма модуляции амплитуды (а) и фазы (б) коэффициента передачи.

В третьей главе на основании результатов главы 2 было проведено исследование устойчивости работы контура обратной связи при учёте модуляции коэффициента передачи во времени и предложена методика выбора цепей обратной связи.

Поскольку стандартные методы анализа замкнутого контура управления не учитывают модуляцию коэффициента передачи во времени, была предложена объединенная модель, вобравшая в себя нелинейную модель преобразователя и спектральную модель ШИМ. Нелинейная модель реализована по методике проф. Мелешина В.И.

На рисунке 8 представлена функциональная схема исследуемых узлов:

Б - предфильтр;

С - звено коррекции;

в - объект системы, который представлен моделью нашего преобразователя.

Рис. 8. Функциональная схема исследуемых узлов.

На первом этапе была получена нелинейная схема (в) и синтезированы корректирующие звенья (С) для стабильности системы, получены АЧХ и ФЧХ без учёта модуляции (см. Рис. 9).

На втором этапе в блок Н модели были добавлены результаты моделирования преобразователя с ШИМ как звена передачи информации, т.е. модуляция коэффициента передачи во времени (см. Рис. 9). Результаты моделирования показали, что для всех видов ШИМ при учёте модуляции коэффициента передачи во времени система теряет устойчивость, что приводит к искажениям формы сетевого тока. Поэтому требуется введение дополнительного корректирующего звена (либо модификация существующего). При этом понижается граничная частота контура.

Были проведены модельные эксперименты АВН с полученной системой управления в динамических режимах.

Анализ динамических режимов показал, схема с дополнительным корректирующим звеном сохраняет устойчивость при переходных процессах, но при заданном запасе устойчивости снижаются динамические показатели системы управления (граничная частота контура обратной связи уменьшается на 15-17%).

В четвертой главе диссертации было проведено исследование перспективности использования в АВН с пофазным управлением ШИМ с «пассивной фазой».

0.01 0.1 1 10 100 1101 11 о4 1 -ш*

а)

0.01 0.1 1 10 100 1-103 11 о" 11 о5

б)

Рис. 9. АЧХ (а) ФЧХ (б) разомкнутой СУ (Сплошная линия - без учёта модуляции, пунктирная линия - с учётом модуляции)

Предпосылкой данного исследования служит то, что в настоящее время при создании инверторов напряжения, активных выпрямителей и сетевых активных фильтров наблюдается тенденция замены «классической» ШИМ иными современными разновидностями ШИМ, которые обеспечивают ряд преимуществ. В частности, используя ШИМ с «пассивной фазой» при определённом формировании сигнала перемодуляции, можно добиться уменьшения коммутационных потерь.

Для определения целесообразности использования ШИМ с «пассивной фазой» было произведено сравнение коммутационных потерь в преобразователе, а так же сравнение показателей работы АВН с дополнительным полумостом при использовании ШИМ с «пассивной фазой» и «классической» ШИМ.

Поскольку расчёт переходных процессов очень громоздок, то для качественной оценки потерь использован расчёт среднего переключаемого тока через п/п элемент. При этом, как видно из диаграммы, для ШИМ с пассивной фазой из переключающего тока будет исключаться весь пассивный интервал работы ключа (см. Рис. 10).

О 5000 МО4 lf-104 2-104 2.5 IО4 3-104

п

а)

mill life, ......................._

Щ рг

О 5 ООО 1 • 1 о4 1 .5 • 1 о4 2 ■ 1 о4 2 S ■ 1 О4 3 • 1 О4

б)"

Рис. 10. Диаграмма полного тока через ключи (а) диаграмма переключаемого тока через ключи (б)

Результаты Таблица 2. Токи через п/п приборы для двухсторонней ШИМ (ШИМ с пассивной фазой/классическая ШИМ)

моделирования

показали, что Параметр Симметричная сеть Кобр-0,02 кнул=0 Кобр=0,02 кнул=0,02 К.обр=0,04 кнул=0,04

при 0.066/0,064 0,066/0,062 0.067/0,058 0.070/0,052

использовании W 0,230/0,239 0,232/0,231 0,236/0,222 0,247/0,205

пассивной фазы 0.390/0,386 0,394/0,390 0,401/0,391 0,425/0,399

наблюдается Iriuod.t/I 0,680/0,668 0,686/0,673 0,698/0,674 0,739/0,681

выигрыш по (Icp.mp.ocn.mttJi) * 1 0'; 3,231/5,905 3.169/5,948 3.141/5.949 3,405/5.925

коммутационны 2,920/5,904 2,873/5,874 2,845/5,876 2,810/5,605

м потерям почти в 2 раза, поскольку в 'I - ч г 1 !■ 'h *' 'J 2,022/3,660 4,026/3,657 4,052/3.666

(LvA«*.mJI)*l<r3 4,641/7,136 4,567/7,163 4,650/7,183 4,833/7,090

4.353/7.129 »..¡О' ■,:'!" 4,272/7,136 4,213/6,99*1

4,019/3,662 4,020/3,660 4,024/3,658 4,041/3,665

основных

полумостах не происходит переключения на максимуме тока (см. Табл. 2). Что касается гармонического состава выходного напряжения, то происходит лишь незначительное его ухудшение, как и незначительное снижение коэффициента мощности (см. Табл. 3).

На этом основании был сделан вывод о перспективности использования ШИМ с «пассивной фазой» в АВН с пофазным управлением.

Во второй части главы было произведено исследование АВН с дополнительным полумостом как звена передачи при использовании ШИМ с «пассивной фазой» и сравнение процессов в преобразователе с процессами при использовании «классической» ШИМ.

Для анализа была использована методика главы 2. Проведённые модуельные

эксперименты позволили сделать следующие

выводы:

• Как и при реализации «классической» ШИМ, частотная характеристика инвертора напряжения с ШИМ с пассивной фазой содержит не одну критическую частоту к=А//2, а область критических частот, в которой модуль и аргумент коэффициента передачи изменяются скачком и зависят от фазового угла сигнала обратной связи.

• При реализации ШИМ с пассивной фазой, как и при «классической» ШИМ. коэффициент передачи на периоде основной гармоники модулирован во времени. Установлено, что существует вторая критическая частота, соответствующая к=А//3. Коэффициент передачи для частот выше второй критической частоты имеет интенсивную низкочастотную амплитудную и фазовую модуляцию (см. Рис. 11).

• Так же как и в «классической» ШИМ, в ШИМ с пассивной фазой модуляцию коэффициента передачи во времени необходимо учитывать при разработке контуров обратной связи преобразователей с ШИМ. В противном случае при работе преобразователя возможны потери устойчивости.

Таблица 3. Сравнение показателей качества раооты АВН (ШИМ с пассивной фазой/классическая ШИМ)

Параметр Симметричная сеть Кобр=0,02 кнул=0 Кобр-0,02 кнул=0,02 Кобр=0,04 кнул=0,04

Двухсторонняя ШИМ

7. 0,993/0,997 0,993/0,996 0,994/0,999 0,994/0,997

С/С» % 1,802/0,207 4,053/2,177 4,104/2,272 8,664/4,012

ШИМ по фронту/срезу

X 0,996/0,998 0,996/0,998 0,996/0,998 0,997/0,999

С2/Со, % 1,870/0,207 4,089/2,173 4,141/2,271 5,686/4,008

П пП []]( гг | М| Г г! Л

II ! ! 1

п: ч I I! ! И

НИШ! НИ III Ш ! I ш

Явр5

а)

-429

-857

-12.86 Vos.eps

-17.14

-2 1.43

-25.71

"3 0

0 13.33 26.67 40 53.33 66.67 80

б) """

Рис. 11. Диаграмма модуляции амплитуды (а) и фазы (б) коэффициента передачи петли обратной связи для ШИМ с «пассивной фазой»

Таким образом, при разработке контура управления АВН с ШИМ с «пассивной фазой» необходимо так же, как и для АВН с «классической» ШИМ, использовать алгоритм, предложенный в главе 3.

В пятой главе диссертации было рассмотрено построение микропроцессорной системы управления (СУ) АВН.

Проанализировано влияние несимметрии сети на работу СУ АВН. Показано, что при использовании традиционных для однофазных преобразователей СУ со слежением за током несимметрия сети вызывает кондуктивные искажения сети, и для исключения которого необходим синтез трехфазного симметричного эталонного тока, синфазного основной гармонике прямой последовательности напряжения сети, который можно сделать при помощи дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Было проанализировано влияние несинусоидальности сети на работу процедуры ДПФ. Результаты исследования показали, что ошибки вычисления ДПФ (см. Табл. 4) накладывают дополнительные ограничения на минимальную частоту дискретизации системы.

Предложена структура МП СУ, отличающаяся наличием блока для формирования трехфазного эталонного тока. Критичными по быстродействию

блоки в которой являются: процедура обсчёта ДПФ и процедура обработки передаточных функций корректирующих звеньев.

Сравнение структур СУ схемы с дополнительным полумостом при реализации «классической» ШИМ и ШИМ с «пассивной фазой» позволили сделать следующие выводы:

• в схеме при реализации «классической ШИМ» обилие фильтров для каждого вводного параметра, а так же сложной функции передаточного звена делают данную процедуру обработки сигнала обратной связи очень критичной к вычислительной мощности микропроцессора;

• в схеме же при реализации «ШИМ с пассивной фазой» это требование ещё жестче благодаря появлению дополнительного сигнала предмодуляции;

Заключение

На основании исследований, проведенных в Диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. При проектировании и использовании АВН на базе трехфазных мостовых инверторов напряжения возникают нерешенные проблемы, связанные с взаимным влиянием цепей управления разных фаз друг на друга. Указанные проблемы снимаются при применении АВН с пофазовым управлением при четырехпроводном подключении к сети. Среди них преимуществами обладает схема на базе трехфазного инвертора с дополнительным полумостом, которая лишь незначительно уступает мостовому трехфазному АВН по коэффициенту мощности и создание которой не требует значительных дополнительных затрат.

2. Свойства и характеристики инвертора с широтно-импульсной модуляцией значительно отличаются от аналогичных показателей преобразователей без модуляции во времени коэффициента заполнения

Таблица 4. Ошибки вычисления ДПФ

N 8 16 32 64 128 200

Амплит., В 355.157 350.611 346.98 344.758 343.537 343.079

Фаза, град 20 10.588 5.455 2.769 1.395 0.896

(преобразователи постоянного напряжения и т.п.). Частотная характеристика преобразователя с ШИМ содержит не одну критическую частоту к=А/}2, а область критических частот, в которой модуль и аргумент коэффициента передачи изменяются скачком и зависят от фазового угла сигнала обратной связи.

3. Коэффициент передачи преобразователя на периоде основной гармоники модулирован во времени. Установлено, что существует вторая критическая частота, соответствующая к=А]1Ъ. Коэффициент передачи для частот выше второй критической частоты имеет интенсивную низкочастотную амплитудную и фазовую модуляцию, и эту модуляцию коэффициента передачи во времени необходимо учитывать при разработке контуров обратной связи преобразователей с ШИМ, снижая граничную частоту контура обратной связи. В противном случае при работе преобразователя возможна потеря устойчивости.

4. Предложен алгоритм выбора структуры и параметров цепей обратной связи с учетом эффекта низкочастотной модуляции коэффициента передачи.

5. Применение ШИМ с пассивной фазой в активных выпрямителях с дополнительным полумостом позволяет значительно (до 50 %) снизить коммутационные потери в силовых ключах преобразователей, как за счет снижения среднего коммутируемого тока, так и за счет снижения напряжения в цепи постоянного тока. Произведена количественная оценка.

6. При использовании ШИМ с пассивной фазой происходит незначительное снижение коэффициента мощности, а так же увеличиваются пульсации в цепи постоянного тока.

7. Для исключения влияния несимметрии и несинусоидальности сети на работу АВН необходимо введение в систему управления блоков для расчёта эталонных токов на основе дискретного преобразования Фурье. Найдены расчетные соотношения для построения таких блоков микропроцессорных систем управления АВН.

¥

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Е.Е. Чаплыгин, А.Е. Вилков. Исследование коэффициента передачи инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией. //Электричество. 2010 № 8, с. 52-59.

2. Е.Е. Чаплыгин, А.Е. Вилков. Трехфазные активные выпрямители с пофазным управлением// Практическая силовая электроника. 2011 №43 с. 14-20.

3. Е.Е. Чаплыгин, А.Е. Вилков, С.В. Хухтиков. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в инверторах напряжения с дополнительным полумостом // Электричество. 2012 № 8, с. 36-43.

4. А.Е. Вилков. Исследование трёхфазных корректоров коэффициента мощности с дополнительным полумостом и замкнутым контуром управления. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVI Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.: В 3-х т. -М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 1, с. 240

5. А.Е. Вилков. Исследование МП СУ трёхфазных корректоров коэффициента мощности с дополнительным полумостом. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т. 1, с. 246

6. А.Е. Вилков. Разработка регулятора для активного выпрямителя. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.: В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. Т.1, с. 261

Подписано в печать 4 Ч,^!/. /¿Оак. ¿Цд Тир. /(€' Пл.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»

ВИЛКОВ АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА

ТРЁХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ПОФАЗНЬЩ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук

На правах рукописи

04201357648

профессор Чаплыгин Е. Е.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список принятых сокращений............................................................................................4

Введение...............................................................................................................................6

Глава 1. Способы построения трехфазных активных выпрямителей напряжения.....10

1.1. Постановка вопроса.................................................................................................10

1.2. Основные соотношения..........................................................................................17

1.2.1. Анализ по усредненной составляющей...........................................................17

1.2.2. Влияние комбинационных составляющих......................................................18

1.3. Спектральное моделирование АВН.......................................................................21

1.4. Трёхфазный мостовой АБН....................................................................................31

1.5. АВН по схеме "Три однофазных полумоста".......................................................34

1.6. АВН с дополнительным полумостом....................................................................39

1.7. Виенна-выпрямитель...............................................................................................46

1.8. Выводы по Главе 1...................................................................................................51

Глава 2. Исследование коэффициента передачи преобразователя...............................52

2.1. Выбор метода исследования...................................................................................52

2.2. Спектральное моделирование преобразователя...................................................54

2.2.1. Определение алгоритма моделирования.........................................................54

2.2.2. Реализация алгоритма.......................................................................................55

2.2.3. Результаты моделирования..............................................................................63

2.3 Выводы по Главе 2....................................................................................................86

Глава 3. Исследование контура обратной связи при учёте модуляции коэффициента передачи во времени...................................................................................................................87

3.1. Теоретические положения......................................................................................87

3.1.1. Метод гармонического баланса.......................................................................87

3.1.2. Основа синтеза импульсных систем управления...........................................89

3.1.3. Анализ запаса устойчивости............................................................................92

3.2. Методика исследования с помощью моделей Ма11аЬ ЗтиНпк...........................96

3.3. Синтез замкнутого контура управления и анализ запаса устойчивости............98

3.3.1. Реализация алгоритма.......................................................................................98

3.3.2. Результаты моделирования............................................................................102

3.4. Анализ динамических режимов...........................................................................110

3.4.1. Реализация модели..........................................................................................110

3.4.2 Результаты моделирования.............................................................................111

3.5. Выводы по Главе 3.................................................................................................113

< ч

Глава 4. Исследование ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом................................................................................................................................114

4.1. Принципы формирования ШИМ с пассивной фазой.........................................114

4.2. Реализация пассивной фазы в инверторе с дополнительным полумостом......117

4.3. Анализ коэффициента мощности и коэффициентов пульсации.......................119

4.3.1. Определение алгоритма моделирования.......................................................119

4.3.2. Реализация алгоритма.....................................................................................119

4.3.3. Результаты моделирования............................................................................128

4.4. Оценка коммутационных потерь.........................................................................129

4.4.1. Описание алгоритма моделирования............................................................129

4.4.2. Реализация алгоритма.....................................................................................129

4.4.3. Результаты моделирования............................................................................133

4.5. Инвертор с пассивной фазой и дополнительным полумостом как звено передачи информации............................................................................................................135

4.5.1. Определение алгоритма моделирования.......................................................135

4.5.2. Реализация модели..........................................................................................136

4.5.3. Результаты моделирования............................................................................136

4.6. Выводы по Главе 4.................................................................................................144

Глава 5. Микропроцессорная система управления.......................................................145

5.1. Структура системы управления...........................................................................145

5.2. Влияние несимметрии на структуру системы управления................................148

5.3. Схема работы алгоритма.......................................................................................153

5.3.1. Процедура инициализации и основной цикл................................................153

5.3.2. Подпрограмма обработки прерывания системного таймера 50мкс...........155

5.3.3. Процедура формирования значений регистров ШИМ................................158

5.3.4. Процедура вычисления ДПФ.........................................................................159

5.3.5. Подпрограмма формирования эталонного тока...........................................161

5.3.6. Модификация алгоритма для работы с "ШИМ с пассивной фазой"..........162

5.3. Выводы...................................................................................................................164

Заключение.......................................................................................................................165

Литература........................................................................................................................167

Список иллюстраций.......................................................................................................174

Список таблиц..................................................................................................................178

Приложение 1. Matlab модель преобразователя...........................................................180

Приложение 2. Модель АВН с анализом потерь на коммутацию...............................185

Приложение 3. Макет трёхфазного АВН с дополнительным полумостом................194

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Переменные

А/ величина отношения частоты коммутации к выходной частоте

АВН

/к Частота коммутации

/ос Частота обратной связи (одна из гармоник)

/оси Частота работы сети (50 Гц)

¡сг коэффициент гармоник

£н коэффициент, определяющий величину напряжения нулевой

последовательности

£обр коэффициент, определяющий величину напряжения обратной и

последовательности

к коэффициент регулирования, определяющий активную

мощность активного выпрямителя

Ь Индуктивность

Р Мощность активная

и() стабилизированное напряжение на стороне постоянного тока

АВН

иь фазное напряжение на стороне переменного тока

^ ширина области, в которой располагаются существенные по

величине комбинационные составляющие

и фазовый угол нулевой последовательности

иобр фазовый угол обратной последовательности

(р потенциалы фазы

X коэффициент мощности

В номер гармоники обратной связи

С1 амплитуда основной гармоники выходного напряжения

С эквивалентная комбинационная гармоника

Индексы

а, Ь, с обозначения фаз в трёхфазной системе

А,В,С обозначения фаз в трёхфазной системе к номер гармоники относительно частоты сети

п Индекс номера вычисления дискетной модели

Аббревиатуры

АВ активный выпрямитель

к.п.д. Коэффициент полезного действия

ККМ Корректор коэффициента мощности

МПС Микропроцессорная система

мэк Международная электротехническая комиссия

СУ Система управления

шим широтно-импульсная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока. Введенные в последние годы международные и государственные стандарты жестко ограничивают эмиссию в сеть высших гармоник тока и создаваемые преобразователями кондуктивные искажения напряжения сети. Применение корректоров коэффициента мощности и активных выпрямителей (АВ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) позволяет кардинально улучшить влияние сетевых преобразователей на питающую сеть, увеличить коэффициент мощности, получить требуемое напряжение на стороне постоянного тока, необходимое для работы преобразователей частоты в системах электропривода и гарантийного питания.

Трёхфазные АВ обладают лучшими технико-экономическими показателями среди них наибольшее распространение получили активные выпрямители напряжения (АВН), выполняемые на базе инверторов напряжения. Если разработка силовой части таких преобразователей основывается на многолетнем опыте создания инверторов напряжения, то одной из нерешённых проблем при их создании является сложность анализа и синтеза замкнутого контура управления, обусловленная перекрестными связями и взаимовлиянием процессов управления в разных фазах. Как показывает опыт применения трехфазных АВН, наличие перекрестных связей может вызывать потери устойчивости работы систем управления и даже приводить к аварийным процессам.

При четырехпроводном подключении АВ к сети возможно применение схем, в которых осуществляется пофазное управление и перекрестные связи отсутствуют, при этом сохраняются высокие технико-экономические показатели АВ [89, 90, 92]. Среди схемных решений известны, но мало исследован АВН с дополнительным полумостом. Наряду с этим и при пофазном управлении, как и при разработке однофазных АВН и корректоров коэффициента мощности, имеются нерешенные проблемы динамики преобразователя, поскольку существующие методы анализа заимствованы из теории преобразователей, в которых отсутствует широтная модуляция коэффициента заполнения (выпрямители, преобразователи постоянного напряжения). Мало исследована специфика работы замкнутого контура управления при реализации различных видов ШИМ. Отсутствуют исследования реализации ШИМ с пассивной фазой (т.н. «векторной» ШИМ) в подобных устройствах и оценка потерь в таких системах. Недостаточно разработаны вопросы построения микропроцессорных систем управления при работе от реальной (несимметричной и несинусоидальной) сети. Решение этих задач является актуальным и обеспечит более эффективное внедрение трёхфазных АВ в промышленность, улучшит их технико-

экономические показатели и упростит процесс проектирования преобразователей.

Цель работы заключается в исследовании способов построения трёхфазных АВН с пофазовым управлением, выявлении специфики работы замкнутого контура управления трехфазных АВН при реализации различных видов ШИМ, определения влияния этой специфики на устойчивость работы замкнутого управления и выработка уточненных способов расчета контуров обратной связи, а также исследование перспектив применения в АВН с пофазным управлением ШИМ с пассивной фазой.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Произведено сравнение параметров АВН при трехпроводном и четырехпроводном подключении к сети с учетом неидеальности сети.

• Разработаны спектральные модели для анализа АВН как звена передачи информации на основе модифицированного метода переключающих функций.

• Разработана модель АВН, учитывающая модуляцию коэффициента передачи во времени, и позволяющая осуществить выбор параметров контура обратной связи.

• Произведено сравнение работы АВН с дополнительным полумостом при реализации «классической» ШИМ и ШИМ с пассивной фазой.

• Произведена разработка алгоритма МП управления АВН с дополнительным полумостом

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы, спектральные модели на основе модифицированного метода переключающих функций, нелинейные модели преобразователя основе пакета МаЙаЬ. Проведены эксперименты на макете Виенна-выпрямителя мощностью 1 кВт.

Достоверность научных результатов обеспечена проверкой основных результатов, полученных на основе различных методов математического моделирования, и воспроизведением зависимостей на физической модели (макете) ККМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Анализ схемы инвертора напряжения как звена передачи информации показал, что коэффициент передачи на периоде основной гармоники модулирован во времени и эту модуляцию необходимо учитывать при проектировании контура управления. Выявлено наличие второй критической частоты, равной 1/3 частоты коммутации, которая отсекает область с интенсивной низкочастотной модуляцией коэффициента передачи.

2. Предложен способ анализа устойчивости системы управления при учёте влияния низкочастотной модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени.

3. Установлено, что применение ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом позволяет значительно снизить коммутационные потери в силовых ключах преобразователей как за счет снижения среднего коммутируемого тока, так и за счет снижения напряжения в цепи постоянного тока.

4. Предложена система управления АВН с дополнительным полумостом с введением блоков для расчёта эталонных токов на основе дискретного преобразования Фурье, определены параметры этих блоков.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Использование рекомендаций для анализа устойчивости системы управления при учёте влияния низкочастотной модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени позволяет повысить устойчивость и надежность работы АВН. Эта часть работы может использоваться при разработке цепей обратной связи для любых, в том числе однофазных, преобразователей напряжения с ШИМ.

2. Использование ШИМ с пассивной фазой для уменьшения динамических потерь в преобразователе, повышения КПД и снижения затрат на охлаждение приборов.

3. Использование блоков расчёта эталонного сигнала тока при помощи ДПФ позволяет повысить коэффициент мощности и, снизить кондуктивные искажения сети.

4. Использование приведенных в работе количественных зависимостей позволяет упростить процессы проектирования АВН.

На защиту выносится:

1. Спектральная модель для исследования коэффициента передачи преобразователя напряжения с ШИМ и результаты модельного эксперимента.

2. Модель для анализа устойчивости системы управления АВН с пофазовым управлением, учитывающая низкочастотную модуляцию коэффициента передачи и методику определения параметров цепи обратной связи.

3. Способ количественной оценки снижения потерь на переключения при реализации ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом.

4. Модифицированная система управления АВН, содержащая блок для расчета эталонных токов, работа которого основана на применении дискретного преобразования Фурье.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2010 и 2012 г.г..

Публикации: по результатам работы опубликовано 5 работ: 3 статьи и 2 публикации тезисов докладов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, приложений. Содержит 173 стр. текста, 27 таблиц и 97 рисунков. Список литературы состоит из 98 наименований на 7 страницах.

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1. Постановка вопроса

Увеличение доли устройств силовой электроники в энергетических сетях требует широкого применения сетевых преобразователей с активной коррекцией коэффициента мощности, использующих широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). При мощности установок выше нескольких кВт применяют трехфазные активные выпрямители [40], которые главным образом выполняются на основе силовых схем инверторов напряжения (активные выпрямители напряжения АВН). Активные выпрямители позволяют повысить коэффициент мощности до значений, максимально близких к единице, повысить напряжение на выходе выпрямителя до требуемых значений и стабилизировать его, обеспечить при необходимости двухсторонний обмен энергией между сетью и нагрузкой.

При создании активных выпрямителей необходимо учитывать свойства реальной питающей сети, нормируемые ГОСТ 13109-97 [10], в частности несимметрию и несинусоидальность сети. Как показано в [51,23] для исключения кондуктивных искажений [13, 18], генерируемых АВН в сеть, основная гармоника сетевого тока выпрямителя должна быть синфазна прямой последовательности основной гармоники напряжения сети. Отступления от этого закона приводят к усилению несимметрии напряжения сети, снижению коэффициента мощности и увеличению пульсации на стороне постоянного тока.

В настоящее время трехфазные АВН создаются на основе трехфазного мостового инвертора напряжения [16] (см. Рис. 1.1,а). Формирование сетевого тока в таком устройстве аналогично принципу работы корректора коэффициента мощности: к дросселю Ь прикладывается напряжение, основная гармоника которого с частотой сети опережает ту же гармонику нап