автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Моделирование регулируемых преобразователей частоты и разработка эффективных алгоритмов управления

На правах рукописи.

Коровин Владимир Викторович

Моделирование регулируемых преобразователей частоты и разработка эффективных алгоритмов управления

Специальность 05.09.12 - силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре Промышленной электроники Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Обухов Станислав Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Краснопольский Александр Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент Изосимов Дмитрий Борисович

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное

предприятие Головное особое конструкторское бюро Прожектор

Защита состоится « 20 » января 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу 111250 Москва, ул. Красноказарменная, дом 14, ауд. Е 603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан «_»_2005 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12 кандидат технических наук, доцент

Буре И. Г.

2X 570(9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современные преобразователи частоты (ПЧ) обеспечивают формирование и регулирование основной гармоники выходного напряжения методами импульсной модуляции. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) по синусоидальному закону получила наибольшее распространение на практике, несмотря на низкое использование напряжения источника питания. Низкое использование напряжения источника питания ПЧ в режиме синусоидальной центрированной ШИМ, например в области электропривода, приводит к недоиспользованию асинхронного двигателя по напряжению приблизительно на 15%. Поэтому одной из задач проектирования и разработки ПЧ является увеличение полезной составляющей выходного напряжения на нагрузке.

Существуют два подхода к решению данной задачи: модифицирование алгоритмов синусоидальной центрированной ШИМ путем введения третьей гармоники синусоидального сигнала, пилообразного сигнала и т.д. и переход к широтно-импульсной модуляции базовых векторов или векторной ШИМ (ВШИМ). Модификации синусоидальной центрированной ШИМ имеют существенный недостаток - ухудшение гармонического состава выходного напряжения ПЧ. Более перспективным средством достижения поставленной цели является векторная ШИМ, которая позволяет увеличить выходное напряжение преобразователя частоты при снижении коммутационных потерь в силовых ключах инвертора на 1/3.

Вместе с тем возможности ВШИМ не исчерпываются известными алгоритмическими решениями: формированием и регулированием выходного напряжения ПЧ методами синхронной ВШИМ. Не исследованы возможности векторной ШИМ для получения максимального неискаженного линейного напряжения, равного напряжению источника питания на выходе ПЧ, отсутствуют модели АИН - нагрузка в режиме векторной ШИМ, пригодные для инженерной практики, не исследованы возможности снижения коммутационных потерь в силовых ключах инвертора, за счет перехода к асинхронной ВШИМ (АВ-ШИМ).

Дель работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании трехфазного мостового регулируемого преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ для разработки алгоритмов управления с минимизацией коммутационных потерь и выходным напряжением, равным напряжению источника питания.

Основные задачи. Для выполнения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

• Исследованы возможности трехфазного мостового регулируемого преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной

и векторной ШИМ при помощи миидц обобщенного вектора;

^Рос. НАЦИОНАЛЬНАЯ [ БИБЛИОТЕКА

" 1.1Ш л

• Проведен анализ результатов исследований с тем, чтобы распространить преимущества векторной ШИМ на другие виды импульсной модуляции.

• Разработано оригинальное программное обеспечение в среде МаЯ-аЪ, предназначенное для исследования трехфазных мостовых преобразователей частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ, доступное для инженерной практики;

• Разработано оригинальное программное обеспечение в среде МаЛаЬ для компактного и наглядного представления процессов в системе АИН-АД;

• Сопоставлены результаты теоретического исследования с экспериментальным.

Методика исследований базируется на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования МаИ^аЬ и МаЛСМ).

Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах Ма&аЬ и МаЙгСАБ, сравнениями с решениями других авторов и практическим экспериментированием на преобразователе частоты мощностью 750 Вт.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ШИМ.

2. Разработаны методы восстановления информации о трехфазной системе напряжений в режимах амплитудных, фазовых и частотных искажений.

3. Исследованы способы моделирования регулируемых преобразователей частоты в режимах синхронной и асинхронной векторной ШИМ при помощи метода обобщенного вектора.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработано оригинальное программное обеспечение в среде МаИ,аЬ для расчета обобщенного вектора при асинхронной векторной ШИМ, пригодное для инженерной практики.

2. Разработано оригинальное программное обеспечение в среде Ма1ЬаЬ для сжатия информации о процессах в системе АИН - нагрузка, позволяющее наглядно представлять амплитудные, фазовые и частотные искажения трехфазной системы напряжений (токов).

3. Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде Май,аЪ, пригодные для инженерной практики.

На защиту выносится:

1. Разработанный способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ШИМ.

э

2. Разработанный способ смещения интервала «привязки» при сохранении преимуществ векторной ШИМ.

Реализация результатов работы.

• Разработанные методы оценки амплитудных и фазовых искажений могут быть применены при тестировании блоков КП600-А (ДЕШК.436237.001) и БП2,0-хх (ДЕШК.436237.007), входящих в состав источников бесперебойного питания на предприятии ЗАО «Связь Инжиниринг П» (Москва).

• Разработанные модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ применяются на кафедре «Промышленная Электроника» в учебном и лабораторном курсе «Микропроцессорные устройства управления и диагностики», читаемые в Московском Энергетическом Институте.

Апробация работы. По результатам диссертации опубликовано 8 работ: 4 статьи и 4 публикации тезисов докладов. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры «Промышленной Электроники» МЭИ и 4-х международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов.

Работа была дважды награждена почетными дипломами 2-ой степени за научный вклад на девятой и десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва, 2003г, 2004г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Содержит 211 стр. текста, 100 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 95 наименований на 8 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В первой главе приводятся требования, предъявляемые к регулируемым преобразователям частоты с импульсной модуляцией. Рассмотрены способы формирования и регулирования выходного напряжения в преобразователях частоты. Приведены методы исследования электромагнитных процессов в системе преобразователь частоты - нагрузка. Показана специфика применения программ PSpice, OrCAD, Electronics WorkBench, MathCAD и MatLab для исследования процессов в системе преобразователь частоты - нагрузка.

Показано, что при исследовании регулируемого преобразователя частоты (ПЧ) при работе на асинхронный двигатель (АД) можно выделить следующие виды процессов:

1. медленные (единицы - десятки секунд), связанные с разгоном, остановом и реверсом асинхронного двигателя;

2. быстрые (десятки - сотни миллисекунд), связанные с формированием кривой выходного напряжения преобразователя частоты методами импульсной модуляции;

3. сверхбыстрые (единицы - десятки микросекунд), связанные с коммутацией силовых ключей преобразователя частоты.

Эти процессы характерны тем, что протекают в существенно различающихся масштабах времени, т.е. в масштабах времени, которые не могут быть одновременно отображены при осциллографировании. Такие исследования сопряжены с необходимостью получения, хранения и обработки больших объемов экспериментальных данных в реальном масштабе времени.

Показано, что при исследовании процессов в системе АИН-АД актуален вопрос сжатия огромного количества отсчетов экспериментальных данных и представление их в компактной и наглядной форме. Такое представление может быть получено как в реальном, так и в измененном (виртуальном) масштабе времени, т.е. возможно представление процессов в сжатой форме, когда физический процесс уже закончен, а информация сохранена в виде отсчетов на персональном компьютере. Эти отсчеты экспериментальных данных затем математически обрабатываются и представляются в сжатой форме. Сжатое представление процессов должно обладать и обратной силой, т.е. должна существовать возможность восстановления информации о трехфазных токах и напряжениях без ее потери.

Компактное представление многомерных процессов было достигнуто при использовании метода обобщенного вектора. Для этих целей было разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для компактного представления многомерных процессов в виде годографа обобщенного вектора на комплексной плоскости.

Вторая глава посвящена исследованию трехфазных систем напряжений (токов) при помощи метода обобщенного вектора. Показано, что в случаях ам-

плитудных и фазовых искажений трехфазного напряжения, годограф обобщенного вектора позволяет четко идентифицировать по какой из фаз произошел сбой, рис. 1.

симметричная система

симметричная система

Рис. 1. Годографы обобщенного вектора при а) амплитудных, б) фазовых искажениях.

Особое место в главе уделено прямым и обратным преобразованиям трехфазных систем токов и напряжений в виде обобщенного вектора при амплитудных, фазовых и нелинейных искажениях. Разработано оригинальное программное обеспечение в среде МаСаЬ для расчета годографа обобщенного вектора при амплитудных, фазовых и частотных искажениях.

Предложено использовать метод симметричных составляющих для расчета обобщенного вектора и в случае амплитудных, фазовых и частотных искажений:

О=и1+и2+и0; а)

где (У,, 02, О0- обобщенные векторы соответственно прямой, обратной и нулевой последовательности.

Модуль и фаза их могут быть рассчитаны следующим образом:

(2)

Ф. = агс1%ткч (3)

имЫ3

где иА„ ив„ иа - напряжения соответственно прямой, обратной и нулевой последовательности, 1=1, 2, 0.

В случае нелинейных искажений трехфазной системы напряжений при условии, что амплитуда вводимой гармоники удовлетворяет требованию:

и >и,, (4)

m fin v '

таким образом, что сумма напряжений:

UfA(t)+UfB(t)+Ufc(t)*0, (5)

обобщенный вектор при частотных искажениях может быть представлен суммой обобщенных векторов fc-ых гармонических:

и=?ик. к

(6)

Модуль и фаза обобщенного вектора каждой гармонической могут быть рассчитаны согласно выражениям (2) и (3), переписанным для ¿-ых гармонических.

Векторные диаграммы трехфазного напряжения и рассчитанный годограф обобщенного вектора при введении 3-ей и 5-ой гармоник приведены на рис. 2.

Ua5 \/ Ua3

UA

симметричйая-система

X. . ---1 v.%.

б)

Фаза А +3-ая и 5-ая гармоника

Рис. 2. Векторная диаграмма при наличии 3-ей и 5-ой гармоник а) трехфазного напряжения б) годограф обобщенного вектора.

При решении обратной задачи - синтеза трехфазной системы напряжений 11а, Ив, ис по известному обобщенному вектору сначала находят симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности обобщенного вектора, а затем рассчитывают искомые напряжения по формулам:

А2+Ъи АО; (7)

к к к

В2+^и В0\ (8)

к к к

йс=1.икс1+Ликс2+1йксо; (9)

к к к

Показано, что при работе системы АИН-АД процессы на периоде несущей частоты ШИМ отображаются точкой на комплексной плоскости, процессы на периоде выходной частоты П - точками, расположенными по окружности, разгон, останов привода - точками, расположенными по спирали, рис. 3. Таким способом была достигнута цель сжатого представления многомерных процессов в системе инвертор - нагрузка.

Рис. 3. Годограф обобщенного вектора при регулировании выходной частоты инвертора.

Третья глава посвящена анализу процессов в трехфазном мостовом преобразователе частоты в режиме синусоидальной центрированной ШИМ. Показаны достоинства и недостаток синусоидальной центрированной ШИМ-неполное использование напряжения питания. Особое место в главе уделено способам повышения выходного напряжения преобразователя частоты в режиме синусоидальной центрированной ШИМ за счет предмодуляции третьей гармоникой синусоидального сигнала,

пилообразным сигналом, рис. 4 и рис. 5, а также за счет «привязки» потенциальной зоны нагрузки к потенциальной зоне источника питания на 60° интервале выходной частоты инвертора П, рис. 6 и рис. 7.

Показано, что в случаях модификаций синусоидальной центрированной ШИМ на выходе инвертора невозможно получить напряжение, равное напряжению источника питания.

Четвертая глава посвящена анализу процессов формирования и регулирования выходного напряжения в трехфазном мостовом преобразователе частоты в режиме векторной ШИМ. Показано, что для получения максимального линейного напряжения, равного напряжению источника питания, рис. 8, необходимо использовать алгоритм векторной ШИМ.

Рис. 4. Ток фазы инвертора (^=10кГц, т„=0,5мс) при введении в систему управления третьей гармоники синусоидального сигнала а), симметричного пилообразного сигнала б).

Рис. 5. Годографы обобщенного вектора тока при введении в систему управления третьей гармоники синусоидального сигнала а), симметричного пилообразного сигнала б).

альной зоны нагрузки к потенциальной зоне источника питания.

Рис. 7. Годограф обобщенного вектора тока в случае «привязки».

Получены законы модуляции потенциалов фаз преобразователя частоты (табл. 1), для обеспечения максимального линейного напряжения, равного напряжению источника питания при снижении коммутационных потерь в силовых ключах инвертора. Разработаны модели в среде МаЛаЬ, позволяющие исследовать установившиеся электромагнитные процессы в системе инвертор-нагрузка в режиме векторной ШИМ.

Таблица 1

Доля периода иА/Е Ив/Б Чс/Е

0-60 Ял(П* + >г/6)-1/2 -1/2 -1/2 + Сол(П0

60-120 1/2 1/2-Аи(С2* + я76) С<м(£2/ + я73) + 1/2

120-180 -1/2-С<и(Пг + ;г/3) -1/2-СО5(П0 -1/2

180-240 Ят(С1г + я76) + 1/ 2 1/2 -1/2-Со5(Пг)

240-300 -1/2 -1/2-&и(Пг + тг/6) Со*(Ы + я/3)-\/2

300-360 -1/2 + С05(О/ +л-/3) 1/2-Ом(Ог) 1/2

о

и

о зо во м 1» ио мо аю ж ш мо по зво

Рис. 8. Фазные и линейные напряжения на выходе преобразователя частоты в

режиме векторной ШИМ.

идв иве Уса

Интервал привязки

О и ¡0 I] й) » Н 105 130 Ш ИС 165 .80

| 120 интервал, на ■ котором возможна «привязка»

Рис. 9. Выбор оптимального интервала «привязки».

Показано, что для обеспечения максимального линейного напряжения, равного напряжению источника питания возможны различные варианты положения 60° интервала «привязки» в пределах периода выходного напряжения инвертора, рис. 9. Получены законы модуляции потенциалов фаз преобразователя частоты для граничных случаев «привязки» (А и В, рис. 10).

Разработаны модели в среде МаЛаЬ, позволяющие исследовать электромагнитные процессы в обоих случаях «привязки» (рис. 11).

Показана возможность сохранения преимуществ векторной ШИМ и дополнительного снижения коммутационных потерь в силовых ключах инвертора при отступлении от единого генератора несущего сигнала и переходу к асинхронной векторной модуляции. Рассмотрены вопросы выбора интервала усреднения при асинхронной векторной ШИМ (АВШИМ). Предложен способ снятия ограничения на интервал усреднения обобщенного вектора при АВШИМ за счет перехода к анализу коэффициента регулирования у при допущении о малости интервала усреднения по сравнению с постоянной времени цепи нагрузки.

иув«

б)

О и 30 »5 «О 75 90 103 1» 135 130 161 МО 195 310 311 »0 335 170 »5 300 31} 330 345

Рис. 10. Управляющие сигналы инвертора в случае смещения интервала «привязки» а) вариант А, б) вариант В.

тг

а)

¡а«

Рис. 11. Ток фазы инвертора в случае смещения интервала «привязки» а) вариант А, б) вариант В.

Получены законы модуляции коэффициента регулирования у в режиме АВШИМ при обеспечении максимального линейного напряжения, равного напряжению источника питания и снижении коммутационных потерь в силовых ключах инвертора на 1/3. Например, на интервале Сй е {о-нбо'} закон модуляции у может быть записан следующим образом:

Рассчитаны законы модуляции коэффициента регулирования у при регулировании выходного напряжения инвертора в широких пределах в режиме АВШИМ. Например, на интервале А? е|0^60'} закон модуляции у при регулировании может быть записан следующим образом:

где ¡х- глубина модуляции.

В случае асинхронных принципов формирования трехфазного выходного напряжения с регулируемой выходной частотой возникает проблема выбора периода усреднения для определения мгновенного положения обобщенного вектора.

Если период усреднения варьировать, получим различные формы представления обобщенного вектора. В одном предельном случае при т„ 0 обобщенный вектор будет в каждый момент совпадать с одним из восьми базовых векторов. По мере увеличения Туср положение вектора будет все более приближаться к точке годографа, имеющего форму окружности.

Очевидно, увеличивая время усреднения Туср, уменьшаем разброс модуля обобщенного вектора, однако при этом возрастает погрешность фазы этого обобщенного вектора, поскольку в пределах Туср этот модуль может соответствовать любому промежуточному моменту в пределах Туср. Таким образом, для асинхронной векторной ШИМ должны учитываться следующие ограничения:

- интервал усреднения Туср должен быть достаточно мал, чтобы выявлять существенные высшие гармонические в пульсациях тока, а следовательно и вращающего момента привода:

Гв=

ус = Соз(П^,

(10)

(П)

Нмакс'

- ТУср должен быть достаточно велик для того, чтобы пульсации модуля обобщенного вектора не нарушали представления годографа как непрерывного процесса:

Т >гТ

усрНмакс •

Таким образом, модуль обобщенного вектора можно представить как: исР (кТусР)=иусР (г)+иш.кв;

где иш кв - шум квантования.

Если приведенные неравенства для Туср можно выполнить при значениях вис порядка единиц, то удается реализовать импульсную модуляцию любого вида (ШИМ, ЧИМ, релейно-импульсная) с целью минимизации коммутационных потерь и обеспечения более широкого набора возможностей формирования и регулирования выходного напряжения инвертора.

В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. Все результаты экспериментальных исследований и компьютерного моделирования были получены на разработанных автором аппаратных и программных средствах.

Приведены годографы обобщенного вектора при разгоне (останове) электропривода, полученные с помощью физического макета и компьютерной модели. Показано, что скачкообразное изменение коэффициента регулирования у при модуляции выходной частоты инвертора приводит к тому, что разгон двигателя происходит не по спирали, а скачками от начальной скорости к конечной.

Рассчитаны и представлены годографы обобщенного вектора при амплитудных, фазовых и частотных искажениях при помощи разработанного программного обеспечения в среде МаИ,аЬ.

Приведены результаты усреднения обобщенного вектора в случае асинхронной векторной ШИМ при помощи разработанного программного обеспечения в среде МаЛаЬ.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе.

Приложения. В приложении 1 представлен текст программы для компактного представления информации в системе АИН - нагрузка.

В приложении 2 представлен текст программы для расчета обобщенного вектора при амплитудных, фазовых и частотных искажениях.

В приложении 3 представлен текст программы для усреднения обобщенного вектора в режиме асинхронной векторной ШИМ.

1Ь

Основные результаты диссертационной работы

1. Показано, что преобразователь частоты в режиме векторной ШИМ позволяет получить на выходе максимальное неискаженное линейное напряжение, равное напряжению источника питания. Рассчитаны потенциалы фаз инвертора при регулировании выходного напряжения в широких пределах.

2. На основе разработанных моделей показано, что векторная ШИМ допускает смещение фиксированного 60' интервала «привязки» в пределах 120° интервала выходной частоты инвертора, при сохранении своих преимуществ. Рассчитаны потенциалы фаз преобразователя частоты для граничных условий смещения интервала «привязки» при сохранении требования максимума линейного напряжения.

3. Предложено расширение понимания векторной ШИМ, позволяющее распространить ее преимущества на различные виды импульсной модуляции. Для построения и анализа систем управления и регулирования предложено использовать аналоговый параметр коэффициента регулирования у при ограничениях на длительность интервалов существования базовых векторов и периода усреднения. Рассчитаны коэффициенты регулирования, позволяющие получить максимальное линейное напряжение, равное напряжению источника питания при снижении коммутационных потерь.

4. Разработаны методы синтеза системы трехфазных напряжений (токов) при известном обобщенном векторе в случае амплитудных, фазовых и частотных искажениях при помощи метода симметричных составляющих.

5. Разработано программное обеспечение в среде МаСаЬ, которое позволяет в сжатой форме обобщенного вектора представлять процессы при амплитудных, фазовых и частотных искажениях трехфазных систем, пригодное для инженерной практики.

6. Разработаны модели в среде Ма&аЬ, позволяющие исследовать установившиеся электромагнитные процессы в системе АИН - нагрузка в режиме векторной ШИМ, пригодные для инженерной практики.

Публикации по теме диссертации.

1. Коровин В. В. Обухов С. Г. Виртуальные эксперименты в силовой электронике// Практическая силовая электроника. - 2003. -№11. - С. 42-46.

2. Коровин В.В. Обухов С.Г. Визуализация эксперимента в силовой электронике// Практическая силовая электроника. - 2003. - №11. - С.47-53.

3. Коровин В.В. Обухов С.Г. Модуляционные методы построения импульсных преобразователей// Практическая силовая электроника. -2005.-№19.-С.38-43.

4. Коровин В.В. Обухов С.Г. Математическое моделирование и визуализация процессов при исследовании устройств силовой электроники в учебной лаборатории// Практическая силовая электроника. - 2004. -№13. -С.38-46.

5. Коровин В.В Построение многоуровневых моделей устройств силовой электроники// X международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/ Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2004. - С. 215 - 216.

6. Коровин В.В. Исследование виртуальных трехфазных импульсных модуляторов для силовой электроники // IX международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов./ Тезисы докладов. -М.: МЭИ, 2003.-С. 189- 190.

7. Коровин В. В. Учебный стенд для исследования инвертора в системе электропривода// VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов / Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2002. - С. 191.

8. Коровин В. В. Исследование средств силовой электроники с помощью виртуальных приборов// VII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов / Тезисы докладов. - М.: МЭИ, 2001. -С. 183.

Подписано в печать '¿> гал'ЬгЗак. Тир. (СО П.л. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ч'

/

№25 8 30

РНБ Русский фонд

2006-4 28744

Введение.

1. Общая характеристика регулируемых преобразователей частоты с импульсной модуляцией.

1.1. Требования, предъявляемые к регулируемым преобразователям частоты с импульсной модуляцией.

1.2. Способы формирования и регулирования выходного напряжения в преобразователях частоты.

1.3. Методы исследования системы преобразователь частоты - нагрузка.

1.4. Необходимость компактного представления информации о процессах в системе преобразователь частоты - нагрузка.

1.5. Постановка задач исследования.

2. Представление информации о системе АИН-нагрузка с помощью обобщенного вектора.

2.1. Разработка дискретной модели обобщенного вектора трехфазной симметричной системы напряжений.

2.2. Разработка дискретных моделей обобщенного вектора при амплитудных, фазовых и частотных искажениях трехфазной системы напряжений.

2.3. Разработка дискретной модели обобщенного вектора в системе АИН - нагрузка.

Выводы по главе 2.

3. Анализ возможностей трехфазного мостового преобразователя частоты в режиме синусоидальной центрированной ШИМ.

3.1. Специфика применения метода обобщенного вектора для анализа возможностей трехфазного мостового ПЧ.

3.2. Учет влияния высокочастотных гармонических составляющих в выходном напряжении ПЧ на обобщенный вектор.

3.3. Расчет годографа обобщенного вектора в режиме синусоидальной центрированной ШИМ.

3.4. Исследование режима вырождения синусоидальной центрированной ШИМ.

3.5. Анализ способов повышения выходного напряжения ПЧ. Достоинства и недостатки предлагаемых методов.

Выводы по главе 3.

4. Анализ возможностей трехфазного мостового преобразователя частоты в режиме векторной ШИМ.

4.1. Расчет годографа обобщенного вектора в режиме векторной ШИМ.

4.2. Получение максимального линейного напряжения методами векторной ШИМ.

4.3. Регулирование выходного напряжения преобразователя частоты в режиме векторной ШИМ.

4.4. Выбор оптимального положения интервала «привязки».

4.5. Расчет напряжения смещения в режиме ВШИМ.

4.6. Исследование режима вырождения векторной ШИМ.

4.7. Учет влияния интервала «мертвого» времени на выходное напряжение преобразователя частоты и годограф обобщенного вектора.

4.8. Разработка основных принципов асинхронной векторной модуляции.

Выводы по главе 4.

5. Экспериментальные исследования преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ.

5.1. Макет для экспериментальных исследований.

5.2. Компактное представление информации о процессах в системе АИН - нагрузка.

5.3. Индикация годографа обобщенного вектора при амплитудных и фазовых искажениях.

5.4. Получение максимального линейного напряжения методами векторной ШИМ.

5.5. Выбор интервала усреднения обобщенного вектора.

Актуальность проблемы. Современные преобразователи частоты (ПЧ) обеспечивают формирование и регулирование основной гармоники выходного напряжения методами импульсной модуляции. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) по синусоидальному закону получила наибольшее распространение на практике, несмотря на низкое использование напряжения источника питания. Низкое использование напряжения источника питания ПЧ в режиме синусоидальной центрированной ШИМ, например в области электропривода, приводит к недоиспользованию асинхронного двигателя по напряжению приблизительно на 15%. Поэтому одной из задач проектирования и разработки ПЧ является увеличение полезной составляющей выходного напряжения на нагрузке.

Существуют два подхода к решению данной задачи: модифицирование алгоритмов синусоидальной центрированной ШИМ путем введения третьей гармоники синусоидального сигнала, пилообразного сигнала и т.д. и переход к широтно-импульсной модуляции базовых векторов или векторной ШИМ (ВШИМ). Модификации синусоидальной центрированной ШИМ имеют существенный недостаток - ухудшение гармонического состава выходного напряжения ПЧ. Более перспективным средством достижения поставленной цели является векторная ШИМ, которая позволяет увеличить выходное напряжение преобразователя частоты при снижении коммутационных потерь в силовых ключах инвертора на 1/3.

Вместе с тем возможности ВШИМ не исчерпываются известными алгоритмическими решениями: формированием и регулированием выходного напряжения ПЧ методами синхронной ВШИМ. Не исследованы возможности векторной ШИМ для получения максимального неискаженного линейного напряжения, равного напряжению источника питания на выходе ПЧ, отсутствуют модели АИН - нагрузка в режиме векторной ШИМ, пригодные для инженерной практики, не исследованы возможности снижения коммутационных потерь в силовых ключах инвертора, за счет перехода к асинхронной ВШИМ (АВШИМ). Данная работа призвана восполнить вышеуказанные пробелы.

В диссертации исследуются возможности преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ с целью распространения преимуществ векторной ШИМ на другие виды импульсной модуляции.

Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании трехфазного мостового регулируемого преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ для разработки алгоритмов управления с минимизацией коммутационных потерь и выходным напряжением, равным напряжению источника питания.

Для выполнения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

• Исследованы возможности трехфазного мостового регулируемого преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ при помощи метода обобщенного вектора;

• Проведен анализ результатов исследований с тем, чтобы распространить преимущества векторной ШИМ на другие виды импульсной модуляции.

• Разработано оригинальное программное обеспечение в среде МаЙЬаЬ, предназначенное для исследования трехфазных мостовых преобразователей частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ, доступное для инженерной практики;

• Разработано оригинальное программное обеспечение в среде Ма£ЬаЬ для компактного и наглядного представления процессов в системе АИН-АД;

• Сопоставлены результаты теоретического исследования с экспериментальными.

Методика исследований базируется на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования MatLab и MathCAD.

Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах MatLab и MathCAD, сравнениями с решениями других авторов и практическим экспериментированием на преобразователе частоты мощностью 750 Вт.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ШИМ.

2. Разработаны методы восстановления информации о трехфазной системе напряжений в режимах амплитудных, фазовых и частотных искажений.

3. Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде MatLab, пригодные для инженерной практики.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для расчета обобщенного вектора при асинхронной векторной ШИМ, пригодное для инженерной практики.

2. Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для сжатия информации о процессах в системе АИН-нагрузка, позволяющее наглядно представлять амплитудные, фазовые и частотные искажения трехфазной системы напряжений (токов).

3. Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде MatLab, пригодные для инженерной практики.

На защиту выносится:

1. Разработанный способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ТТТИМ.

2. Разработанный способ смещения интервала «привязки» при сохранении преимуществ векторной ШИМ.

Реализация результатов работы.

• Разработанные методы оценки амплитудных и фазовых искажений могут быть применены при тестировании блоков КП600-А (ДЕШК.436237.001) и БП2,0-хх (ДЕШК.436237.007), входящих в состав источников бесперебойного питания на предприятии ЗАО «Связь Инжиниринг П» (Москва).

• Разработанные модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ применяются на кафедре «Промышленная Электроника» в учебном и лабораторном курсе «Микропроцессорные устройства управления и диагностики», читаемые в Московском Энергетическом Институте.

Апробация работы. По результатам диссертации опубликовано 8 работ: 4 статьи и 4 публикации тезисов докладов. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры «Промышленной Электроники» МЭИ и 4-х международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов.

Работа была дважды награждена почетными дипломами 2-ой степени за научный вклад на девятой и десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва, 2003г, 2004г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 211 стр. текста, 100 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 95 наименований на 8 страницах.

1. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. СПб., БХВ-Петербург, 2002г., 736с.

2. Аранчий Г.В., Жемеров Г.Г. Эпштейн И.И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. Энергия, 1968г.

3. Бедфорд Д. Хофт Р. Теория автономных инверторов. Энергия, 1969г.

4. Беспалов В.Я. Исследование асинхронных двигателей при несинусоидальном напряжении. Канд. дис., МЭИ, 1968г.

5. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М. Высшая школа, 1983г.

6. Бродовский В.Н. Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. Энергия, 1974г.

7. Булатов О.Г. Олещук В.И. Автономные тиристорные инверторы с улучшенной формой выходного напряжения. Кишинев: Штииница, 1980г., 113с.

8. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными электроприводами. Наука, 1966г.

9. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0.» Учебник для вузов, СПб.: Корона-принт, 2001 г, 320с.

10. Глазенко Т.А. Гончаренко Р.Б Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Энергия, 1969г.

11. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. JI, Энергия, 1973г, 304с.

12. Грабовецкий Г.В. Применение переключающих функций для анализа электромагнитных процессов в силовых цепях вентильных преобразователей частоты. Электричество №6, 1973г, с.42-46.

13. Дмитриев A.A. К вопросу оптимизации асинхронного двигателя с учетом динамики и несинусоидальности напряжения. Канд. дис, МЭИ, 1971г.

14. Дьяконов В.П. Руководство по применению системы MathCad. Смоленск, Смоленский филиал МЭИ, 1992г, 114с.

15. Дьяконов В.П. Система MathCad. Справочник, М, Радио и Связь,1993г.

16. Дьяконов В.П. Справочник по MathCad PLUS 7.0 PRO. CK Пресс, M, 1998г.

17. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М. Высшая школа,1982г.

18. Забродин Ю.С. Скороход Ю.Ю. Трехпозиционный инвертор напряжения с широтно-импульсным регулированием. Электротехника и электромеханика №2, 1999г.

19. Забродин Ю.С. Критерии оценки качества выходного напряжения автономных инверторов. Электричество №3, 1987г.

20. Забродин Ю.С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием. М., Энергия, 1977г., 136с.

21. Зевеке Г.В, Ионкин П.А, Нетушил А.В, Страхов C.B. Основы теории цепей. Учебник для вузов, М., Энергоатомиздат, 1989г., 528с.

22. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Учебное пособие изд. 2-е, Новосибирск, НГТУ, 2003г. 664 стр.

23. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. Новосибирск, 1990г. 220 стр.

24. Зиновьев Г.С. Вентильные преобразователи частоты с фазовой модуляцией для частотного электропривода. Канд. дис. НЭТИ Новосибирск, 1966г.

25. Зиновьев Г.С. Баховцев И.А. О синтезе алгоритмов управления для АНН с ШИМ. Тиристорные преобразователи. Новосибирск, НЭТИ, 1985г. стр.23-34.

26. Изосимов Д.Б. Рыбкин С.Е, Шевцов C.B. Симплексные алгоритмы управления трехфазным автономным инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Электротехника, №12, 1993г.

27. Изосимов Д.Б. Рыбкин С.Е. Широтно-импульсная модуляция напряжения трехфазных автономных инверторов напряжения. Электричество №6, 1997г.

28. Изосимов Д.Б. Байда. Векторный подход к задаче синтеза скользящего движения. Симплексные алгоритмы. Автоматика и телемеханика №7, 1985г. стр. 56-73.

29. Изосимов Д.Б. Рыбкин С.Е. Алгоритмические пути улучшения качества энергопотребления промышленными полупроводниковыми преобразователями. Электричество №4, 1996г.

30. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Госэнергоиздат часть III, 1956г.

31. Каганов И.Л. Забродин Ю.С. Автономный инвертор напряжения с широтно-импульсным регулированием. Труды МЭИ, вып. 91, 1971г.

32. Карпов Р.Г. Карпов Н.Р. Преобразование и математическая обработка широтно-импульсных сигналов. М., Машиностроение, 1977г.

33. Ключев В.И. Теория электропривода М. Энергоатомиздат, 1998г.704с.

34. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов, 3-е изд. перераб. и доп., М., Высшая школа, 2001г., 327с.

35. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов, 3-е изд. перераб. и доп., М., Высшая школа, 1996г., 248с.

36. Ковач К.П. Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М. ГЭИ, 1963г, 744с.

37. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. Chip News, №1(34) 1999г, стр. 2-9.

38. Козярук А.Е. Системы прямого цифрового управления в асинхронном приводе. Санкт-Петербургский государственный горный институт. АЭП-2001, Нижний Новгород, 2001г.

39. Коровин В.В., Обухов С.Г. Виртуальные эксперименты в силовой электронике. Практическая силовая электроника. Выпуск 11/2003. стр.42-46.

40. Коровин В.В., Обухов С.Г. Визуализация эксперимента в силовой электронике. Практическая силовая электроника. Выпуск 11/2003. стр.47-53.

41. Коровин В.В., Обухов С.Г. Построение многоуровневых моделей устройств силовой электроники. X международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 215-216, М., 2004.

42. Коровин В.В., Обухов С.Г. Исследование виртуальных трехфазных импульсных модуляторов для силовой электроники. IX международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 189-190, М., 2003.

43. Коровин В.В., Обухов С.Г. Учебный стенд для исследования инвертора в системе электропривода. VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 191, М, 2002.

44. Коровин В.В., Обухов С.Г. Исследование средств силовой электроники с помощью виртуальных приборов. VII международная научнотехническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 183, М., 2001.

45. Коровин В.В., Обухов С.Г. Модуляционные методы построения импульсных преобразователей. Практическая силовая электроника. Выпуск 19/2005.

46. Кочергин В.И. Влияние гармонических составляющих на характеристики асинхронной машины, в сб. Проектирование устройств электропитания и электропривода. Т.2, 1973г.

47. Кочетков В.П. Троян В.А. Оптимальное управление электроприводами. Красноярск, 1987г.

48. Кривицкий С.О. Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. Энергия, 1970г.

49. Кривицкий С.О. Анализ переходных процессов в системе с идеальным инвертором напряжения. Электротехника №1, 1968г.

50. Лабунцов В.А. Анализ и синтез тиристорных автономных инверторов напряжения. Докт. дис., МЭИ, 1973г.

51. Лабунцов В.А. Ривкин Г.А. Шевченко Г.И. Автономные тиристорные инверторы. Энергия, 1967г.

52. Лабунцов В.А. Забродин Ю.С. Особенности работы инверторов напряжения на асинхронный двигатель. Электротехника №11, 1971г.

53. Лабунцов В.А. Алгоритмы переключения вентилей в автономных мостовых инверторах напряжения. Электротехника №4, 1971г.

54. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М., Энергия, 1978г.

55. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями. М., Энергия, 1975г., 264с.

56. Платы Ь-761, Ь-780 и Ь-783. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗАО "Л-Кард", 1999 г. www.lcard.ru .

57. Мищенко. Теория, способы и системы векторного и оптимального управления электроприводами переменного тока. Теоретические вопросы электропривода. АЭП-2001., Нижний Новгород, 2001г.

58. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. М., Радио и Связь, 1992г.

59. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (Pspice). М., CK Пресс, 1996г., 272с.

60. Рудаков В.В. Столяров И.М. Дартау В.А. Асинхронные приводы с векторным управлением. Энергоатомиздат. 1987, 136с.

61. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М Основы преобразовательной техники. М, Высшая школа, 1980г.

62. Сандлер A.C. Частотное управление асинхронными двигателями. Энергия, 1966г.

63. Сандлер. A.C. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. Энергия, 1974г.

64. Сандлер A.C. Сарбатов P.C. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. Энергия, 1966г

65. Сандлер A.C. Спивак JIM. Методы расчета статических и динамических режимов асинхронного двигателя с тиристорными преобразователями частоты. АИ СССР ВНИИ машиностроения. Электромагнитные процессы в приводах с частотным управлением. Наука, 1972г.

66. Слепов H.H. Дроздов Б.В. Широтно-импульсная модуляция. М, Энергия, 1978г.

67. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы, сб. Преобразовательные устройства в электроэнергетике. Наука, 1964г.

68. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. Пер. с нем., М., Мир, 1982г, 512с.

69. Толстов Ю.Г. Скороваров В.Е. Инвертор напряжения, работающий на противо-ЭДС. Электричество №12, 1972г/

70. Харкевич А.А. Спектры и анализ. Изд. 4-е, Гос. изд. физ.-мат. лит-ры, М, 1962г.

71. Чаплыгин Е.Е. Квазивекторная широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения. Практическая силовая электроника №8, 2002г.

72. Чуев П.В. Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе микроконтроллера. Канд. дис. МЭИ, АЭП, 2004г.

73. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УрО РАН. 2000г., 654с.

74. Шрейнер Р.Т. Поляков В.Н. Экстремальное частотное управление асинхронным двигателем. Электротехника №9, 1979г.

75. Шрейнер Р.Т. Кривицкий. Оптимальное частотное управление асинхронным электроприводом с учетом электромагнитных явлений. Электротехника №1, 1974г.

76. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. Под общей ред. Панфилова Д.И. в 2-х т., М., ДОДЭКА, 1999, 304с.

77. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока., М., Энергоатомиздат, 1982г.

78. Blasche F. Das Prinzip der Feldorietierung die Grundlage fur Transvector Regelung von Drehfeldmasschienen/Siemens-Zeitschrift. 1971. Bd 45 H.10s.761-764.

79. Bose В., Sutherland H.A. A high performance pulse-width modulation for an invertor-fed drive system using a microcomputer. IEEE IA-19, 1983, 3, 235243.

80. Bowes S.R., Davies T. Microprocessor-based development syste for PWM variable-speed drivers. IEEProcB, 1985, 132, 18-45.

81. Duarte J.L. Alternative method of estimating the rotor time constant for vector control of inductor machines. Technical University of Eindhoven, Nederland, VSD-2001, Nizhny Novgorod.

82. Egan M.G., Murphy J.M. A novel analytical study of distortion minimization PWM. EPE Conf. Ree., 1985, 1, 2.113-2.119.

83. Holtz J. Pulsewidth modulation IEEE Trans. Ind. Electron., 1992, vol. 39, №4.

84. H. van der Broelc. Analysis of the harmonics in voltage fed inverter drives by causes by PWM schemes with discontinuous switching operation. Proceeding of EPE-91 Conference, Frieze, Italy 1991.

85. Kramarz W., Afonin A., Cierzniewski P. Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacja electronika. Szczecin, 2000. 242 p.

86. Kazmierkowski M., Tunia H. Automatic Control of Converter Fed Drives. ELSEVIER Amsterdam-London-New York-Tokio. PWN-POLLISH SCIENTIFIC PUBLISHERS. Warszawa, 1994, s.559.

87. Leonard W. Control of Electrical Drives. Springer Verlag 1985.

88. Koulisher J., Mathys P., Bingen G. Computer-aided Choice of Digital PWM Stratygies. Department of Industrial Electronics, Universe Libre de Bruxelles (Belgium). 0275-9306/86/0000-0049 IEEE 1986.

89. Murphy J.M., Egan M.G. A comparison of PWM strategy for invertor-fed induction motor. IEEE IA-19, 1983, 363-369.

90. Mathys P., Koulischer J. Modulauteur hautes performance pour onduleurs a tranzitors. EPE Conf. Ree., 1985, 1, 2.105-2.111.

91. MOTOR DRIVE STARTER KIT ASM750. Manual and Design Guide. Infineon Technologies AG 1999 r.

92. Pfaff G. Wick A. Direkte Stromregelung bei Drehstromantrieben mit Pulsewechselrichter // Regelungstechnische Praxis 24/1983 №11, s.472-477.

93. Szczesny R. Komputerowa symulaeja ukladow energoelektronicznych. Wyd. Politechniki Gdanskej, 1999.1