автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Методология структурно-алгоритмического синтеза малоискажающих устройств силовой электроники для электротехнических комплексов автономных объектов

ГЛАВА 1. Постановка задачи и ее обоснование (вместо введения).

1.1. Некоторые общие проблемы и тенденции совершенствования инженерной деятельности.

1.2. О взаимосвязи государства, науки и образования.

1.3. Краткая характеристика современного уровня развития исследуемой области знаний.

1.3.1.Об общности проблем инженерного проектирования и инженерной подготовки.

1.3.2. Дополнительное обоснование постановки решаемой задачи.

1.4. Об основных положениях используемого в работе методологического подхода.

1.4.1. О необходимости официального, нормативного уточнения содержания процесса современного инженерного проектирования.

1.4.2. Классификация статических преобразователей (ПС) по основному функциональному признаку и по роду тока на входе и выходе -как фактор обобщения, систематизации и обоснования фронта исследования и границ применимости МИП.

1.4.3. Специфика задач по силовой электронике в составе электротехнических комплексов автономных объектов (ЭКАО).

1.5. Цель работы и средства ее достижения.

1.5.1. Используемые в работе концепции и подходы.

1.6. Структура работы и краткая аннотация глав.

ГЛАВА 2. Методология синтеза и анализа малонскажающнх преобразователей постоянного напряжения в переменное - инверторов напряжения.

2.1. Математическая модель идеального однофазного инвертора напряжения (без модуляции проводимости преобразующего тракта).

2.2. Математическая модель идеального однофазного инвертора напряжения с неискажающим выходом (без модуляции проводимости преобразующего тракта).

2.3. Расчетная модель для буферного конденсатора идеального по качеству выходного напряжения идеального однофазного инвертора.

2.4. Идеальный однофазный неискажающий инвертор (с модуляцией проводимости преобразуюьцего тракта).

2.5. Математическая модель ш2-фазных идеальных инверторов напряжения.

2.6. Принципы перехода от идеальных функциональных моделей к структурно-алгоритмической организации (САОр) инверторов.

2.7. Формулировка многоканального принципа преобразования (МКП).

2.8. Некоторые не всегда используемые положения, полезные при синтезе инверторов.

2.9. Исследование возможностей синтеза и критериальных поккза-телей реальных структурно-алгоритмических решений малоискажающих

3-фазных инверторов напряжения (ТИН).

2.9.1. Использование одного свойства 3-х фазных цепей при синтезе и анализе 3-фазных инверторов (нетрадиционная информация о традиционной схеме 3-фазного мостового инвертора).

2.9.2. Упрощенные модели потребляемого 3-х фазным инвертором тока и емкости буферного конденсатора.

2.9.3. Использование способа вектор-веерного формирования (ВВФ) сигналов при синтезе многоканальных (МК) инверторов.

2.9.4. Использование фазокомпенсационного (ФК) способа формирования выходного напряжения при синтезе 3-фазных многоканальных (МК-) инверторов.

2.9.5. R-канальные фазокомпенсационные 3-фазные инверторы напряжения (ROK-ТИН) при нечетном R и четном R >2.

2.9.6. Обобщенные аналитические модели выходного напряжения и входного тока 3-фазных инверторов типа R<DK-THH.

2.9.7. Критериальные показатели многоканальных 3-фазных инверторов типа ROK-THH.

2.9.8. Совместное использование фазокомпенсационного (ФК) способа и способа вектор-веерного формирования (ВВФ).

2.10. Использование многофазной широтно-импульсной модуляции (МШИМ) при реализации многоканального преобразования (МКП).

2.10.1. Математические модели используемых в работе модификаций ШИМ-сигналов.

2.10.2. Однофазные МК-инверторы с многофазной ДШИМ (МФ-ДШИМ) напряжения на базе полумостовой инверторной ячейки (ПМИЯ).

2.10.3. Однофазные МК-инверторы с многофазной ОШИМ (МФ-ОШИМ) напряжения на базе мостовой ИЯ (МИЯ).

2.10.4. Трехфазные инверторы с МФ-ШИМ (МФ-ШИМ-ТИН).

2.10.5. Некоторые системные рекомендации по структурно-алгоритмическому синтезу (САС) инверторов.

2.11. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Структурно-алгоритмические способы и приемы улучшения технических показателей преобразователей (ПС).

3.1. Алгоритмические возможности улучшения энергетической

•J Of эффективности статических преобразователей (ПС).

3.2. Кусочно-линейная аппроксимация трапецеидального сигнала. 127 3.2.1. Параметры трапецеидального сигнала для однофазных преобразователей (ПС).

3.2.2. Параметры трапецеидального сигнала для трехфазных ПС.

3.2.3. Использование свойств трапецеидального сигнала при многоканальном преобразовании (МКП) на основе способа ВВФ.

3.3. Исходная информация для структурно-алгоритмического синтеза (САС) преобразователей (ПС) с двумя модификациями амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) по трапецеидальному закону.

3.3.1. Пятиключевая инверторная ячейка (ИЯ).

3.3.2. Шестиюпочевая инверторная ячейка (ИЯ).

3.4. Исходная информация для структурно-алгоритмического синтеза (САС) ПС с модификациями ШИМ по трапецеидальному закону.

3.4.1. Математическая модель квазитрапецеидального сигнала с двухполярной ШИМ (ДШИМ).

3.4.2. Математические модели квазитрапецеидального сигнала с однополярной ШИМ (ОШИМ) и амплитудно-широтно-импульсной модуляцией (АШИМ).

3.4.3. Прием укорочения ("усечения") алгоритмов управления трехфазным инвертором напряжения (ТИН). I

3.5. Структурно-алгоритмические возможности использования промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП) при инвертировании постоянного напряжения.

3.5.1. Инвертирование с промежуточным высокочастотным преобразованием (ПВЧП) и промежуточным выпрямлением.

3.5.2. Инвертирование с ПВЧП и использованием принципа непосредственного преобразования частоты (НПЧ).

3.5.3. Инвертирование с ПВЧП и совмещением в нем амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) для уменьшения искажений выходного напряжения. I

3.5.4. Инвертирование с ПВЧП на двух разных частотах (принцип биений).

3.5.5. Инвертирование с ПВЧП и совмещением в нем ОШИМ или АШИМ для уменьшения искажений выходного напряжения.

3.5.6. Инвертирование с ПВЧП и использованием принципа ква-зиоднополосной модуляции (КОМ).

3.5.7. Инвертирование с ПВЧП и использованием многофазной ШИМ (МФ-ШИМ).

3.6. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Системно-ориентированные проектные модели низкочастотного Г-образного ЬС-фильтра (для ПС).

4.1. К постановке задачи. !

4.2. Базовая (проектно-ориентированная) информация о свойствах ИЬС-контура.

4.3. Режим холостого хода (XX) Г-образного ЬС-фильтра.

4.3.1. Исходная упрощенная формулировка идеи фильтрации.

4.3.2. Упрощенная модель коэффициента ослабления (передачи) для п-й гармоники напряжения (в режиме холостого хода ПС) и определение через этот параметр коэффициента гармоник.

4.3.3. Оценка точности упрощенных расчетных моделей.

4.4. Выбор рационального соотношения между параметрами Ь и С фильтра.

4.4.1. Влияние добротности ЬС-контура на точность моделей.

4.5. Режим работы Г-образного ЬС-фильтра с учетом нагрузки.

4.5.1. Уточненная модель коэффициента передачи (ослабления) для п-ой гармоники.

4.5.2. Результаты исследования уточненной модели коэффициента передачи для высших гармоник фильтруемого напряжения.

4.6. Влияние на фильтрацию величины нагрузки и ее характера.

4.7. Токовая подгрузка преобразователей LC-фильтром.

4.7.1. Коэффициент подгрузки по полному току.

4.7.2. Модели для входного тока фильтра по основной гармонике.

4.7.3. Мгновенное значение входного тока фильтра.

4.7.4. Комплексная амплитуда основной гармоники входного тока фильтра.

4.7.5. Фазовый угол основной гармоники входного тока фильтра.

4.8. Влияние параметров фильтра на фазу основной гармоники выходного напряжения.

4.9. Проверка моделей на адекватность.

4.10. Результаты апробации сформированных моделей на различных спектрах напряжения.

4.10.1 Прохождение через ЬС-фильтр сигналов с АИМ с селективно подавленными массивами гармоник.

4.10.2. Прохождение через ЬС-фильтр сигнала меандр с широтным регулированием - ШР (с регулируемой паузой а между полуволнами.

4.10.3. Прохождение через ЬС-фильтр сигнала с простейшим двухсторонним двухполярным широтно-импульсным регулированием (ДДШИР-1).

4.10.4. Прохождение через ЬС-фильтр сигналов меандр и квазимеандр с однополярным широтно-импульсным регулированием (ШИР).

4.10.5. Результаты аналогичных исследований для других типов сигналов.

4.11. Фильтрация постоянного напряжения с искажениями (пульсациями).

4.11.1. Относительные значения параметров нагрузки и фильт

4.11.2. Коэффициент передачи напряжения для nM-ой гармоники выпрямленного напряжения.

4.11.3. Модель пульсаций выпрямленных напряжения и тока.

4.11.4. Взаимосвязь пульсаций с коэффициентом гармоник.

4.11.5. Модель коэффициента токовой подгрузки.

4.12. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. Систематизация и исследование функциональных возможностей 3-фазной мостовой схемы инверторного и выпрямительного типов.

5.1. Перечень возможных режимов трехфазной мостовой инвер-торной схемы типа ТМС(И) (трехвентильный режим работы).

5.2. Режим автономной работы трехфазного мостового инвертора (ТИН) на ИЬ-нагрузку без выходного ЬС-фильтра.

5.3. Режим работы трехфазного инвертора напряжения (ТИН) параллельно с промышленной сетью.

5.3.1. Результаты имитационного компьютерного моделирования.

5.4. Работа ТМС(И) в режиме малоискажающего 3-фазного выпрямителя (МИТВ).

5.4.1. Взаимосвязи между входным и выходным токами и напряжениями МИТВ.

5.4.2. Основные функциональные модели МИТВ.

5.4.3. Результаты имитационного компьютерного моделирования.

5.4.4. Сравнительный анализ программного и следящего алгоритмов управления МИТВ.

5.5. Режим регулируемого емкостного сопротивления - режим компенсатора реактивной мощности (КРМ).

5.5.1. Случай идеального компенсатора реактивной мощности.

5.5.2. Случай компенсатора реактивной мощности (КРМ), близкого к реальному.

5.6. Трехфазная мостовая схема типа ТМС(И) в режиме регулируемого индуктивного сопротивления.

5.7. Исследование возможностей улучшения электромагнитной совместимости 3-фазной мостовой схемы выпрямительного типа - ТМС(В).

5.7.1.Формулировка распределенного алгоритма управления для мостовой схемы типа ТМС(В) (при угле регулирования а = 0).

5.7.2. Идеализированная модель фазного тока (и ЭМВ) с однопо-лярной ШИМ по квазитрапецеидальному закону и с ШИР.

5.7.3. Использование принципа многоканального преобразования (МКП) для формирования фазных токов (и ЭМВ).

5.7.4.Идеализированная модель выпрямленного напряжения с распределенным алгоритмом управления (РАУ).

5.7.5. Модель выходного напряжения m-L-преобразователя.

5.7.6. Модель эквивалентного модулирующего воздействия (ЭМВ) с однополярной ШИМ (ОШИМ) по трапецеидальному закону и исследование его предельных возможностей.

5.7.7. Модель идеального (неискажающего) mi-фазного преобразования.

5.8. Выводы по главе 5.

ГЛАВА 6. Методология синтеза и анализа малоискажающих преобразователей Ш]-фазного напряжения одной частоты (ft) в ш2-фазное напряжение другой частоты (f2).

6.1. Краткий исторический обзор развития научного направления.

6.2.Функциональные модели идеального преобразования частоты.

6.3. Основные принципы и приемы структурно-алгоритмической организации преобразователей частоты с КОМ.

6.3.1. Улучшение качества преобразования за счет уменьшения искажений эквивалентного модулирующего воздействия (ЭМВ).

6.3.2. Улучшение качества преобразования за счет использования традиционного приема - увеличения эквивалентной фазности т1Э.

6.3.3. Приемы структурного упрощения преобразователей частоты с квазиоднополосной модуляцией.

6.3.4. Принципы введения в структурно-алгоритмическую организацию преобразователей промежуточного ВЧ преобразования (ПВЧП).

6.4. Обобщенные по т^ модели выходного напряжения и входного тока преобразователей частоты с квазиоднополосной модуляцией.

6.5. Основные принципы и приемы структурно-алгоритмической организации преобразователей частоты с амплитудной и многофазной амплитудной модуляцией.Г. 3^

6.6. Выводы по главе 6.

выходу.

Анализ процессов преобразования в 3-фазном ПЧНС (на уровне идеальных ФМ) позволил выявить новый существенно более простой прием подавления одной боковой частоты за счет возможности сокращения числа преобразованных и суммируемых в выходной цепи составляющих с трех до двух [6-42], [6-35]. Примером может служить решение, предложенное в [6-42]. При равных условиях по трансформаторному оборудованию и примерно одинаковом с традиционным решением ПЧНС качестве преобразования решение [6-42] содержит вдвое ( ! ) меньшее число ключевых элементов. Оно может служить неплохой иллюстрацией известного изречения: "Открытие сделано на кончике пера". В данном случае речь идет, правда, не об открытии, а всего лишь об изобретении, однако, как говорится, тем не менее. Представляется, что, не опираясь на функциональную модель усеченной ОМ (УОМ), синтезировать решение [6-42] достаточно сложно, поскольку без нее оно характеризуется факторами явной непрозрачности и неожиданности.

Нужно заметить, что число возможных решений, синтезированных на основе использования приема УОМ (и, соответственно - УКОМ), далеко не исчерпывается лишь вариантом, предложенным в [6-42]. На основе его использования может быть разработана серия новых решений с различным качеством преобразования ЭП. Некоторые из них предложены, например, П.М. Фридманом [3-54], [6-55].

Резюмируя выше изложенное, можно констатировать, что благодаря использованию новой трактовки (в сравнении с традиционной трактовкой [6-48], [6-50]) процесса непосредственного преобразования частоты (на основе принципа ОМ) и наиболее адекватного понятийно-терминологического базиса (- ЭМВ) оказалось возможным найти концептуально новый эффективный подход к структурно-алгоритмическому синтезу преобразователей класса ПЧНС.

Данное качество проектной информации представляется полезным не только для разработчиков, но и особенно ценным для создания современных образовательных технологий по преобразовательной технике, нацеленных на мотивационный, деятельностный подход к обучению а, в конечном счете, на конкурентно-ориентированное развитие.

На общей методологической основе с другими, рассмотренными в работе, классами ПС получены необходимые на начальных проектных этапах структурно-алгоритмической организации и оптимизации (САОр и САОп) модели выходных напряжений и входных токов преобразователей класса ПЧНС.

Показано, что:

- для улучшения технико-энергетических показателей ПЧНС с КОМ целесообразно использовать ЭМВ трапецеидальной формы с отношением верхнего основания к нижнему равным 2/3;

- при синусоидальной форме питающего напряжения искажения выходного напряжения 3-фазного ПЧНС с КОМ равны искажениям ЭМВ без учета в нем гармоник нулевой последовательности.

На основе использования свойств гармоник нулевой последовательности в 3-фазных системах синтезирована серия технических решений, защищенных авторскими свидетельствами.

Для улучшения массогабаритных показателей предложены приемы введения в САОр ПЧНС промежуточного высокочастотного преобразования (ПВЧП).

Для упрощения и снижения стоимости предложены приемы структурного упрощения ПЧНС.

Независимо от работы [6-50] выявлена и подтверждена (зафиксированная в [6-50] на совершенно иной понятийно-терминологической основе) возможность построения ПЧНС с входным cos фщ) «1.

Показано, что в устройствах класса ПЧНС, по существу своей структурно-алгоритмической организации уже реализующих mi-канальный принцип преобразования, результирующая канальность преобразования в зависимости от конкретных требований применения (по ЭМС, КПД, по диапазону мощности, динамическим показателям и стоимости) может быть увеличена в требуемое число раз.

Учитывая возможность работы 3-фазных ПЧНС с КОМ в фазоинверюр-ном режиме и, следовательно, возможность их использования в качестве компенсатора реактивной мощности (КРМ), рассмотренное в главе 5 решение КРМ на основе структуры ТМС(И) нельзя считать безальтернативным вариантом. Оба направления решения данной задачи имеют свои достоинства и недостатки и в каждом конкретном случае применения должны рассматриваться в сопоставлении.

Сформирована (двумя способами) и проверена на адекватность необходимая на этапах САОр и САОп модель выходного напряжения ПЧНС другого типа - с многофазной амплитудной модуляцией (МФАМ). Показано, что при прочих равных условиях с помощью МФАМ достигаются существенно меньшие искажения, чем при КОМ. Приведена идеальная функциональная модель МФАМ.

Установлена взаимосвязь способа квазиоднополосной модуляции (КОМ) со способом многофазной амплитудной модуляции (МФАМ). На этой основе показана возможность построения ПЧНС с МФАМ на основе двух ПЧНС с КОМ.

Используя разработанную во многом автором и его сотрудниками и коллегами методологию синтеза ПЧНС с КОМ (или с УКОМ) можно синтезировать технические решения, обеспечивающие значения выходной частоты не только ниже, но и выше частоты питающего напряжения при заданном качестве преобразования.

Характерным для преобразователей класса ПЧНС является возможность принципиального отказа от конденсаторов в преобразующей цепи и полная их обратимость (за счет возможности двухстороннего обмена как активной, так и реактивной мощностью между генерирующей и пот ребляющей сетями).

380

К заключению

7-1. Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники на рубеже столетий. (Анализ рынка) // Электротехника. -1999.-№4.- С.2-10.

7-2. Андриенко П.Д., Ковалев Г.В., Машьянов В.Г., Саньков С.А. Состояние и перспективы развития силовой электроники для электротехнологии // 5-й симпозиум "Электротехника, 2010 год: Перспективы, направления в развитии энергетического и электротехн.-о оборудования в 2000 - 2010 г.г.", Моск. обл., 19-22 окт., 1999: Сб. тезисов докл.: Москва, 1999. - С. 115-116. - Рус.

7-3. Барский В.А., Дубров H.H., Уфимцев Н.Р. Улучшение электромагнитной совместимости преобразователей частоты с питающей сетью и нагрузкой // 5-й симпозиум "Электротехника, 2010 год: Перспективы, направления в развитии энергетического и электротехн.-о оборудования в 2000 - 2010 г.г.", Моск. обл., 19-22 окт., 1999: Сб. тез. докл.: Москва, 1999. - С. 109. - Рус.

7-4. Патент 5889668 США, МПК6 H 02М 5/45 / H 02М 3/24 (НПК 363/137). Three-phase DC-to-AC power inverter with three-level poles. Трехфазный силовой инвертор с трехуровневыми полюсами / Schander Colin David, Williams Scott Lawrense. Опубл. 30.03.99. (заявка № 924392, заявл. 05.10.97).

7-5. Заявка 19725629 Германия, МПК6 НО 2М 7/44, НО 2Н 9/02, F03 D 7/00. Инвертор для формирования синусоидального тока // Wobben Aloys. Опубл. 04.02.99. (заявл. 17.06.97., №1925629.5).

7-6. Drofenik U., Kolar J.W. VIENN rectifier: Grundfunktion und Vergleich hochfrequent getakteter ein- und zweistufiger Dreiphasen-Pulsgleichrichtersysteme mit sinusförmiger Stromaufhahme. Основные функции выпрямителя VIENNA и сравнение одно- и двухкаскадных трехфазных выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией и синусоидальной формой входного тока // Elektrotechn. und Informationstechn. 2000. -117, №2. - С.141-146. - Нем.

7-7. Ooi Boon Teck, Joos Geza, Huang Xiaogang. Operating principles of shunt Statcom based on 3-level diode-clanped converters. Принцип действия шунтирующего статического компенсатора, основанного на трехуровневых преобразователях с диодным ограничением // IEEE Trans. Power. Deliv. - 1999. - 14, №4.-C.1504-1510.-Англ.

7-8. Newton С., Sumner M. Novel techique for maintaining balanced internal DC line voltage in diode clamped five-level inverters. Новый метод поддержания симметрии напряжений контура постоянного тока в пятиуровневом инверторе с диодным ограничением // IEE Proc. Elec. Power Appl. - 1999. -146, №3. - С.341-349. - Англ.

7-9. Патент 5559686 США, МПК6 НО 2 М 1/12. Stepped waveform inverterr control. Управление инвертором, формирующим ступенчатое напряжение / Patel Sunil, Ng Chai-Nam, Dhyanchand P. John, Nguhen Vietson M., Teagardin Michael. Опубл. 24.09.96. (Заявл.08.07.94, заявка №273039, НПК 363/43).

7-10. Патент 5886888 США, МПК6 НО 2М 7/515. Voltage source type power converting apparatus. Силовая установка для преобразования напряжения / Akamatsu Masahiko, Tamai Shinzo, Nakamura Fuminori, Murakami Shotaro, Aritsuka Tomohiko, Asaeda Takeaki. Опубл. 23.03.99. (Приоритет 27.04.95., заявка №7103691, НПК 263/65).

7-11. Takahashi Jsao, Ando Jtaru, Ito Youichi, Amei Kenji. Разработка долговечного трехфазного источника бесперебойного питания с использованием преобразователя (инвертора, не содержащего электролитических конденсаторов)// Denki gakkai rombunshi. D. Sangyo oyo bumonshi = Trans. Inst.Elec. Eng. Jap.D. - 1998. -118, Ks2. - C. 173-178. -Яп.