автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Повышение эффективности преобразовательных комплексов модульной структуры в условиях нестабильности питающей сети и нагрузки

На правах рукописи

Раднонова Мария Валентиновна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ МОДУЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ В УСЛОВИЯХ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ И НАГРУЗКИ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005050077

Саратов-2012

005050077

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Митяшин Никита Петрович

Официальные оппоненты: Степанов Сергей Федорович,

доктор технических наук, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Ильин Михаил Владимирович, кандидат технических наук, Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва, доцент кафедры автоматики

Ведущая организация Уфимский государственный авиационный

технический университет, г. Уфа

Защита состоится 27 декабря 2012 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « » ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета _ __Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время силовые преобразовательные комплексы (ПК) находят новые области и формы применения в связи с развитием автономных и нетрадиционных систем генерирования, передачи и потребления электроэнергии. Одной из особенностей таких ПК является блочно-модульный принцип их построения. Находят применение комплексы, содержащие несколько выпрямительных и инверторных модулей, оказывающих взаимное влияние друг на друга и работающих на различные нагрузки. Интенсивное развитие элементной базы преобразовательной техники и систем управления открывает перспективы в направлении повышения эффективности модульных ПК как в направлении качества переходных процессов в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах, так и при управлении их структурой. Решение этой задачи является основой для оптимального взаимодействия питающей сети и нагрузки. Этому способствуют новые схемотехнические решения и разработка специальных алгоритмов обработки информации, основанных на методах искусственного интеллекта (искусственные нейронные сети, нечеткие системы вывода и др.).

Особый интерес представляет динамика комплексов модульной структуры, поскольку сложность их структуры вызывает и сложный характер переходных процессов в них.

Вопросам исследования динамики устройств силовой электроники посвящено большое число работ. Особенно большой вклад в этом направлении внесли отечественные и зарубежные учёные: Г.А. Белов, Г.С. Зиновьев, П.Ф. Мерабишвили, А.Д. Поздеев, В.П. Шипилло, В.Т. Долбня, И.И. Кантер, А.Ф. Резчиков, И.И. Артюхов, В.А. Иванов, А.Г. Придатков и др. Однако анализ существующих разработок по вопросам динамики преобразователей показывает, что существующих методов исследования недостаточно для анализа и синтеза комплексов, имеющих сложную модульную структуру. Поэтому тема настоящей диссертации, посвященной развитию методик исследования динамики модульных ПК, является актуальной.

Объектом исследования являются преобразовательные комплексы, имеющие сложную модульную структуру, работающие в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах.

Предметом исследования являются динамические режимы модульных ПК, работающих в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах, а также способы управления 1ГХ структурой.

Цель работы

Повышение эффективности преобразовательных комплексов модульной структуры в условиях нестабильности питающей сети и нагрузки.

Под эффективностью модульных ПК в динамических режимах в настоящей работе понимается высокое качество стабилизации выходного напряжения в преобразователях на основе инверторов напряжения и снижение потерь энергии в цепях компенсации реактивной мощности в преобразователях на основе инверторов тока.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка методики построения непрерывных динамических моделей инверторов напряжения и тока, работающих в составе ПК для питания нагрузок на нескольких частотах с общим звеном постоянного тока.

2. Разработка методики построения передаточных функций инверторов тока и напряжения как непрерывных элементов систем управления многочастотного преобразовательного комплекса с общим звеном постоянного тока (МПК).

3. Исследование динамических характеристик МПК с адаптивной системой стабилизацией выходных напряжений.

4. Разработка и исследование способов управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока.

Методы исследования включают аналитические и численные методы анализа и синтеза импульсных систем с конечным временем съёма данных, аппарат функций от матриц, методы современной теории управления и устройств силовой электроники, методы нечеткой математики и нейронных сетей, а также современный аппарат компьютерного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана методика построения непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши, позволяющих решать задачи анализа динамики и синтеза систем управления преобразовательными комплексами, содержащими инверторные модули, работающие на различных частотах. Методика позволяет переносить модульную структуру ПК на модульную структуру модели, что упрощает процедуру перестройки модели при изменении модульного состава ПК.

2. Разработана методика получения передаточных функций инверторных модулей, позволяющих исследовать динамику комплексов классическими аналитическими методами.

3. Проведены исследования двухчастотного преобразовательного комплекса с адаптивной системой стабилизации выходных напряжений, позволившие установить закономерности взаимовлияния инверторных модулей, питающих нагрузки на разных частотах.

4. Предложен и обоснован способ управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока, обеспечивающий снижение потерь в цепях компенсации реактивной мощности.

Практическую ценность и полезность работы представляют: способы управления структурой многомодульных преобразовательных комплексов, обеспечивающие адаптацию режимов работы комплексов к изме-

няющимся условиям эксплуатации; методика формирования правил вывода нечеткого регулятора, осуществляющего адаптацию системы управления модульного комплекса к изменениям параметров нагрузок; пользовательские программы расчета передаточных функций инверторных модулей, позволяющих применять при анализе и синтезе систем управления ПК классические методы теории автоматического регулирования.

Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:

1. При анализе и синтезе ПК для питания нагрузок на нескольких частотах необходим переход к непрерывным динамическим моделям инверторных модулей от дискретных ввиду трудностей согласования частот квантования информации.

2. Предложенная методика построения непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши позволяет получить передаточные функции инверторных модулей, что дает возможность исследовать динамику ПК классическими аналитическими методами;

3. Применение адаптивного регулятора в системе стабилизации выходных напряжений ПК с несколькими частотами выходных напряжений, работающего в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузок в широких пределах, позволяет существенно улучшить качество стабилизации и устранить взаимовлияние выходных сетей.

4. Предложенный способ управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока обеспечивает снижение потерь в цепях компенсации реактивной мощности и способствует повышению совместимости ПК с питающей сетью за счет использования высвобождающейся части конденсаторной батареи во входном фильтро-компенсирующем устройстве.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы внедрены:

- в ЗАО «Промышленная электроника» (г. Саратов) при синтезе систем управления преобразователей частоты для технологических целей;

- учебном процессе кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Методы оптимизации»;

- учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Моделирование электротехнических комплексов».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008), XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010), XXIV Международной на-

учной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Пенза, Киев, 2011), Конференции молодых учёных СГТУ (Саратов, 2011), XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2012)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК РФ. Кроме того, получен патент на полезную модель.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 111 наименований. Объем работы составляет 136 страниц, в тексте 41 иллюстрация.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, отмечаются научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе определяются область исследований, анализируется состояние проблемы, формулируются и обосновываются принимаемые допущения, выбирается вид динамической модели и выделяются основные задачи, подлежащие решению.

Одним из направлений создания энергетических систем нового поколения является использование агрегатно-модульного метода их построения. Его достоинством является сочетание специализации и универсализации оборудования, а также возможность изменения структуры силовой схемы в реальном масштабе времени.

Применение модульных ПК целесообразно в системах электропитания групповой двигательной нагрузки, в которой мощность каждого двигателя группы не превышает нескольких процентов мощности всей нагрузки. Важными примерами многомодульного комплекса для этой цели являются преобразователи с промежуточной сетью постоянного тока для питания группы двигателей на нескольких повышенных частотах.

Анализ таких многомодульных комплексов позволяет сформулировать основные направления исследований: анализ и синтез систем стабилизации выходных напряжений многомодульных преобразователей для питания нагрузки на нескольких частотах на основе разработки адекватных динамических моделей инверторных модулей, а также разработка и исследование схем управления их структурой.

Во второй главе излагается методика построения моделей инверторных модулей для исследования динамики многомодульных преобразовательных комплексов для питания групповой нагрузки на одной или нескольких повышенных частотах при нестабильной величине напряжения питающей сети.

На рис, 1. приведена схема, в которой инверторы, питающие группу двигателей, в свою очередь, питаются от общего мощного источника постоянного напряжения. Преимущества такого варианта перед обычно применяемой схемой, в которой каждый инвертор получает питание от индивидуального звена постоянного тока - упрощение схемы преобразователя, уменьшение числа систем управления и соответствующее удешевление всей системы. Такой комплекс можно назвать многочастотным преобразователем с промежуточной сетью постоянного тока (МП с ПСПТ).

В этом преобразователе в качестве инверторов целесообразно применение автономных инверторов напряжения (ИН), что связано с возможностью строить систему стабилизации напряжения, замыкая обратную связь, минуя инверторы. Это обеспечивается жёсткой внешней характеристикой ИН, что делает достаточным обеспечить стабильность напряжения общего звена постоянного тока.

Тем не менее для звена постоянного тока ИН представляют собой сложную нагрузку, имеющую высокий дифференциальный порядок. Поэтому при анализе и синтезе замкнутой системы стабилизации необходимо иметь их адекватные динамические модели. По своей природе инверторные модули являются дискретно-непрерывными объектами. Их динамические свойства, существенные, например, при работе системы стабилизации, проявляются через средние за интервал между коммутациями вентилей значения токов и напряжений элементов схемы. В то же время динамические модели инверторного модуля являются дискретными, период квантования которых кратен частоте инвертирования. Однако в многочастотном преобразовательном комплексе возникает несколько частот квантования. Это существенно усложняет исследование и тем более аналитический синтез системы управления. Выход может быть найден за счёт перехода к непрерывным, «огибающим» моделей всех ин-верторных модулей. В результате такого перехода модель всей системы оказывается непрерывной, описывается системой дифференциальных уравнений и может исследоваться методами анализа и синтеза теории непрерывных систем.

Управляющим воздействием для инверторного модуля в рассматриваемом случае является напряжение питания инвертора. Дискретная динамическая модель инвертора имеет вид векторного разностного уравнения:

хп+[ =Охп +с!ип.

Рис. 1. Схема многочастотного электроснабжения с промежуточной сетью постоянного тока

Здесь дискретная вектор-функция хп связана с непрерывной вектор-функцией переменных состояния инвертора формулой

ипт) = К"-%,

где т - длительность интервала симметрии, п - номер интервала от начала переходного процесса, "„есть значение напряжение на входе инвертора «(!:) на п-м интервале, а матрица К имеет индивидуальный вид для каждой схемы инвертора.

В качестве инвертора рассматривается трехфазный автономный инвертор напряжения с активно-индуктивной нагрузкой с параметрами Я, Ь. В этом случае для матриц и векторов имеют место формулы

2'

к-

;А = е ь Е;0 = ке ; х =

;Ь

ЪЬ .

— К[еЛт —Е)а~'Ь.

Двухмерность пространства состояния ИН объясняется тем, что между фазными токами симметричной нагрузки имеется линейная связь. Для преобразования дискретной динамической модели к огибающей непрерывной модели вводится непрерывная вектор-функция }>(?)> совпадающая в моменты коммутаций с вектором хп.

Дифференциальное уравнение для огибающего вектора ищется в виде

у = + /и (1)

Параметры непрерывной модели связаны с параметрами дискретной с помощью формул

5=-1п(0); ,/ = (2)

т

где 1п(£>) есть матричный логарифм, который в случае невысокой размерности находится с помощью формулы Лагранжа - Сильвестра. Расчет в данном случае дает следующее значение матрицы непрерывной модели

я__Я 2л-

зТз т Ь 2 к

(3)

Зл/Зг Зл/Зг

Формулы (1), (2) и (3) составляют непрерывную динамическую модель ИН при управлении по каналу постоянного тока. При этом огибающая модель построена относительно значений вектора состояния в моменты коммутаций. Такая модель точна и достаточна для исследования собственной динамики инвертора, однако для включения ее в общую модель комплекса необходимо перейти к приближенной модели, относительно вектора средних за интервал симметрии значений токов нагрузки. Матрица 5 этой модели связана с матрицей из (3) следующим образом:

5 =

(4)

где

V/ =-кл(ел г

Используя модель (1) с матрично-векторными параметрами (2), (3), (4), построена динамическая модель многочастотного преобразователя частоты на основе ИН с общим звеном постоянного тока по рис. 1. Для каждого ИН уравнение (1) примет вид

ук=81ук+/ки , к = 1,2,...п. (5)

Здесь верхний индекс к обозначает номер инвертора, п - число ИН. В векторном виде такую модель будем искать в виде

Й=ЕХ+пУ, (6)

где V - напряжение на выходе звена постоянного тока ( управляемого выпрямителя или импульсного преобразователя и на входе фильтра низкой частоты, который считаем выполненным как Г-образная ЬС-цепь с параметрами ,С). При этом векторы X и Т] имеют вид

Х=со1итп[и, ¡0, ¡,„ 1п, ..., ¡ы, ¡ц> ..., ¡п, ¡п2];

ц = соктт [о, 1/Ц,, 0, 0, ..., О, 0, ..., О, 0]. Здесь и - напряжение на емкости фильтра, которое фигурирует в правой части формул (5) для каждого ИН, включенного на выходе фильтра. Далее ¡о - ток индуктивности фильтра, \кхАк1 - средние за соответствующий интервал значения токов первой и второй фаз нагрузки к-го инвертора. С учетом структуры ЬС-фильтра и способа подключения к нему ИН строится матрица Е модели (6). Она имеет блочную структуру:

4

г о

А'ф 0 ... 5'

0

А"ф 0 ... О ... 5"

где каждый блок имеет размерность 2x2, причем

О 1

с

Я1 =\У'

1 О с

о о

з7згк

!к и

2 к

2л: Зл/Згк к

(IV" )"

Ак -ЛФ ~

3л/3гк 3л/3гк

Л

Здесь И, Ък параметры нагрузки, Тк - интервал, /,\/21-координаты вектора /" к-го инвертора.

Блочная структура матрицы — является преимуществом применяемой матричной методики: синтез модели осуществлялся из матриц моделей отдельных инверторов подобно тому, как сам комплекс агрегируется из инверторных модулей,

В третьей главе проводится аналитическое и компьютерное исследования построенной модели МП с ПСПТ, при его работе в замкнутой системе стабилизации выходных напряжений.

Для избегания громоздких формул далее рассматривается случай двухчастотного преобразователя. На структурной схеме системы стабилизации выходного напряжения звена постоянного тока обозначено: ИППТ-импульсный преобразователь постоянного тока , Ф - ЬС-фильтр, Р- пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор, ВНР - вспомогательный нечеткий регулятор, задающий значения коэффициентов усиления регулятора Р в зависимости от нагрузки, АИН1 и АИН2 - инверторы напряжения, Н1, Н2 - их нагрузка, и0 ,ц - требуемое и текущее значения стабилизируемого напряжения, £ = 11^-11 — ошибка стабилизации, а = /(¡е + к2е, ис— выпрямленное напряжение входной сети, V - среднее за период квантования ИППТ значение напряжения на входе фильтра, ¡л, ¡¿2 - токи, потребляемые инверторами.

ИППТ 1 v -І ф

ы

АИН,

АИН,

Н,

Рис. 2. Структура модели системы стабилизации выходного напряжения звена постоянного тока двухчастотного преобразователя частоты

Система дифференциальных уравнений замкнутой системы стабилизации при отсутствии ВНР в векторно-матричной форме имеет вид

к =Е(*11*г)£+7(*|)ии> (7)

где

Ч(к„*2> Г(к2) Г(к2)~

Н(*„Л,) =

5' О

О

52

Т(к,) =

с к2

и,С

О

(к,+1)

N

К К, ^С ц,

; т)(к1)=со1итп[0, к/Ц, О, О, О, О].

Задача анализа системы стабилизации состоит в установлении статической точности и показателей качества переходных процессов при заданных параметрах схемы комплекса и нагрузки. В диссертации построены годографы собственных значений матрицы Е(,кг,кг) модели замкнутой системы в функции параметров нагрузок и коэффициентов усиления ПД регулятора. Это дало возможность построить семейство зависимостей показателей качества переходного процесса в системе - колебательности и степени устойчивости - от параметров схемы, нагрузки и коэффициентов усиления регулятора. Пример такой зависимости показан на рис 3.

Задача параметрического синтеза состоит в выборе коэффициентов усиления регулятора^, и к2, непосредственно входящих в матрицу Е(к,,к2) и вектор ?7(к|) и обеспечивающих заданные точность стабилизации и качество переходных процессов в системе.

/1 / / Г П / п / / / / л

птг-пнН

Рис. 3. Зависимости колебательности {'и степени устойчивости 1] от величины сопротивлений нагрузки первого и второго инвертора при следующих значениях параметров: Ь= 500 мкГн, С=4000 мкФ. Частоты инверторов /1 =200 Гц, =400 Гц

На основании анализа семейства годографов построены зависимости значения коэффициентов регулятора, обеспечивающие заданные показатели качества переходных процессов в системе, от величины токов нагрузок. Реализация этих зависимостей с целью адаптации системы к изменению нагрузок комплекса достигается за счет аппроксимирующего эти зависимости вспомогательного нечеткого регулятора (ВРН).

Результаты синтеза системы стабилизации выходных напряжений двухчастотного и четырехчастотного ПК тестировались на компьютерной модели на частотах ^ =200/'ц, 1'2 =300Л/, = 400Гг1,(, = 600 Гц при независимом изменении полного сопротивления активно-индуктивной нагрузки в выходных сетях в диапазонах от 1 до 10 Ом и при изменении напряжения входной сети ±25%. В компьютерных экспериментах в указанных диапа-

зонах обеспечивалась стабилизация напряжений с точностью ± 5% и колебательности переходных процессов не более 15.

В четвертой главе исходя из построенных непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши, имеющих общий вид

у = Бу + Ви,

строятся их модели в форме «вход-выход». Это позволит исследовать системы автоматического управления ПК, содержащих инверторы, классическим аппаратом передаточных функций.

Пусть вектор у имеет размерность п, вектор управления и - т, тогда размерности матриц 5 и В равны соответственно п х п и пхт . Перейдя к операторной форме, получим

ру(р) = 8у(р) + Ви(р).

Решая это уравнение относительно }ЧР), находим Это означает, что искомые передаточные функции

являются элементами матрицы, называемой передаточной матрицей:

>,.</>) Ц,(р) Щт(р) 1

ЩЛр) ЩР): Щ,ЛР) ■ (В)

}УАр) П^р) П„(Р\

В работе обращение матрицы (5 - рЕ), содержащей параметр р, производится методом интерполяции.

В качестве примера приведем полученные передаточные функции трехфазного ИН и однофазного АИТ.

В стандартной форме передаточная функция трехфазного мостового инвертора напряжения для входного тока по входному напряжению имеет вид:

Здесь

иЧ> и(р) Т-рг+2Цр + \'

Т у

т= . с =

9

2.Я7-Зст-.$

к =

(а + 5 )(2* а - Зет - 5) + 2а(3еа + (а+,г)(25сг -3а - 5) + 2а(Ъеа - ¿-л + 2$) (1+£2-£)(52 + 3 а)

R , .„ Л

s= —;r=l sr;.£ = e \<r = —p- .

L ' Зл/Зг

Расчет передаточных функций инвертора тока проводился с помощью разработанной автором компьютерной программы. Выражение передаточной функции для огибающей входного тока однофазного АИТ ij по входному напряжению и в общей форме имеет вид

W. (р)-'<|(р) - k(pJ +Ь>Р + Ъ°) "' и(р) р3 +а:р2 +а2р + а,

Параметры передаточной функции зависят от параметров схемы и нагрузки. Их зависимости от полного сопротивления нагрузке Z (при cos <р=0.7) приведены в таблице. Остальные параметры фиксированы: коммутирующая емкость С=4000 мкФ, частота выходного напряжения 400 Гц, параметры входного реактора: Ld=().0l Гн, Rd =0.01 Ом.

Зависимость параметров передаточной функции ИТ от полного сопротивления нагрузки

Z,OM ь2,\о8 я,,102 Я,,105 я,,10* К

1 1,601 1,201 24,63 16,75 1,551 0,744

2 2,596 1,569 24,63 17.96 3,071 0,511

3 3,727 2,082 24,63 19,16 4,574 0,455

4 5,017 2,768 24,63 20,36 6,061 0,457

5 6,49.4 3,662 24.63 21,56 7,533 0,486

7 10,15 6,265 24,63 23,59 10,43 0,601

8 12,44 8,102 24,63 25,14 10.85 0,684

9 15,11 10,041 24,63 26,34 13,26 0,786

10 18,28 13,33 24,63 27,53 14,65 0,91

В пятой главе рассматриваются способы управления структурой ПК модульной структуры и приводятся результаты исследования реализующих их схем.

При реализации ПК часто используют структуру с явным звеном постоянного напряжения и АИТ в выходном звене, гибкость которой позволяет строить перестраиваемые адаптивные системы электропитания. Для того, чтобы время реакции системы было соизмеримо с текущим процессом, необходимы алгоритмы обработки информации, основанные на методах искусственного интеллекта. В работе рассмотрены системы управления структурой ПК на основе нейронных сетей и нечетких регуляторов. На величину выходного напряжения существенно влияет изменение в широких пределах коэффициента передачи ИТ по напряжению в соответствии с изменением нагрузки, причиной которого является нескомпенсированная часть реактивной мощности КБ. Для решения этой проблемы к выходу инвертора обычно подключают вентильно-реакторное компенсирующее уст-

ройство (ВРКУ). Их недостатками является ухудшение качества кривой выходного напряжения и потери мощности в реакторах компенсатора.

В диссертации рассматриваются многочастотные ПК с явным звеном постоянного тока, инверторная часть которых выполняется на основе инверторов тока (ИТ) с многосекционной батареей (КБ) коммутирующих конденсаторов. КБ состоит из N+1 секций: основной и N дополнительных, подключаемых и отключаемых коммутаторами при изменении величины и характера нагрузки параллельно основной. Управление коммутаторами осуществляется системой управления (СУ), на вход которой поступают показания о величине выходных токов нагрузок. Стабилизация выходных напряжений в периоды постоянства структуры осуществляется с помощью импульсных регуляторов постоянного напряжения (ИРПН).

Секционирование КБ позволяет выбрать модуль ВРКУ минимальной установленной мощности, сведя тем самым к минимуму указанные негативные последствия. С целью улучшения качества кривой выходных напряжений используются сложно-мостовые ИТ с расщепленной основной КБ0, что обеспечивает уничтожение в кривых выходных напряжений преобразователя нежелательных гармоник. Дополнительные секции ДКБ]...ДКБм подключаются параллельно основной при изменении нагрузки, оставляя качество кривой выходного напряжения в тех пределах, которые обеспечиваются схемотехническим решением основной ступени ИТ+КБо+ВРКУ.

Таким образом, величина реактивной мощности КБ является функцией величины нагрузки, что при ступенчатом управлении обеспечивает приемлемую величину избыточной реактивной мощности, исключающей изменение коэффициента передачи АИТ по напряжению в широких пределах.

Для управления структурой КБ построена искусственная нейронная сеть (ИНС) - однослойный персептрон (рис. 4). На входы сети поступают соответственно значения напряжений и тока нагрузки. ИНС используется для определения состояния КБ, адекватного нагрузке. Нейронная сеть, распознавая область в пространстве параметров, определяет состояние управляемых ключей, изменяя, таким образом, емкость коммутирующих конденсаторов.

Рис. 4. Однослойный персептрон для управления структурой КБ

Применительно к двухчастотному ПК (рис. 5) предлагается дополнительную секционированную КБ использовать в трех сетях: входной частоты 50 Гц и двух выходных. В этом случае нейронная сеть распознает области в трехмерном пространстве параметров: входного коэффициента мощности С08^И токов выходных сетей 1,,12. Цель управления состоит в оптимальном распределении секций дополнительной КБ между сетями выходных сетей и использовании оставшихся секций во входном фильтро-компенсирующем устройстве для получения максимально возможного значения входного коэффициента мощности.

Входная сеть 1 В1

тг

т

СУ

т

ДКБ,

1 т

ДКБ,

±

т

Выхолная <«1ь 1

ИТ 2

Выходна я сеть 2

ВРКУ1

Н1

ВРКУ2

1 т

Рис. 5. Двухчастотный комплекс с секционированной дополнительной конденсаторной батареей

При разбиении области изменения каждой из переменных на три интервала, потребовалось введение двадцати семи классов распознавания нейронной сети - подобластей изменения входных переменных и соответствующего числа правил управления ИРПН и ключами. Эффективность предлагаемой схемы управления двухчастотным комплексом подтверждена результатами компьютерного моделирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана методика построения непрерывных динамических моделей автономных инверторов, необходимая при анализе и синтезе многочастотных преобразовательных комплексов ввиду трудностей согласования частот квантования информации в дискретных моделях.

2. Переход от дискретных моделей инверторов к эквивалентным непрерывным позволяет построить общую динамическую модель многочастотного комплекса в форме Коши. Модель имеет блочную форму, структура которой соответствует структуре комплекса, что позволяет автоматически перестраивать модель с изменением инверторного состава самого комплекса.

3. Исследование динамики многочастотного комплекса корневым методом позволяет сделать выводы о влиянии отдельных параметров на качество переходных процессов. Степень устойчивости мало меняется при нагрузке, близкой к номинальной, однако при разгрузке инверторов резко уменьшается, что приводит к затягиванию переходного процесса. Колебательность более равномерно зависит от параметров нагрузки, причем главная тенденция сводится к ее увеличению при разфузке преобразователя и уменьшении коэффициента мощности нагрузки более загруженного инвертора.

4. Сравнительный анализ переходных процессов в двухчастотном ПК с адаптивной системой стабилизации с ВНР и классическим ПД-регулятором для характерных режимов изменения нагрузок выходных сетей в широких пределах показывает, что применение предлагаемого вспомогательного нечеткого регулятора снижает колебательность в 2,5 раза, а время регулирования в 1,5 раза, т.е. улучшает динамические показатели стабилизации, а также устраняет взаимовлияние выходных сетей.

5. Предложена и реализована методика построения передаточных функций инверторов тока и напряжения, как непрерывных элементов систем управления, что позволяет при проектировании и исследовании преобразователей использовать классические методы теории автоматического регулирования.

6. Доказана работоспособность и эффективность применения двух-частотного ПК на основе инверторов тока с перестраиваемой конденсаторной батареей, обеспечивающего при характерных графиках изменения нагрузок уменьшение потерь в компенсаторах до 10% при одновременном повышении совместимости ПК с питающей сетью за счет использования высвобождающейся части конденсаторной батареи во входном фильтро-компенсирующем устройстве.

Основные публикации по теме диссертации Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК РФ

1. Радионова М.В. Непрерывная динамическая модель преобразовательного комплекса на основе инвертора напряжения / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4(59) Вып. 1. С. 199-203.

2. Радионова М.В. Динамика многочастотного преобразовательного комплекса на основе инверторов напряжения / Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова, П.П. Говорухин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. №2(66) Вып. 2. С. 119-124.

3. Радионова М.В. Управление структурой преобразовательного комплекса при реализации технологии «Smart grid» / Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. №4(51). Вып. 3. С. 121-125.

4. Радионова М.В. Исследование динамики автономных инверторов корневым методом/Е.Е Миргородская., Н.П. Митяшин, М.В. Радионова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4(62). Вып. 4. С. 140-144.

Публикации в других изданиях

5. Радионова М.В. Принципы управления структурой гибких объектов /Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, Д.В. Михайлов, М.В. Радионова // Актуальные задачи управления социально-экономическими и техническими системами: сб. науч. ст. Саратов: Научная книга, 2008. С. 122-125.

6. Радионова М.В. Нейронные сети в адаптивных системах управления силовыми преобразовательными комплексами/ Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Д.В. Михайлов, М.В. Радионова II Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. Т. 2. С. 290-293.

7. Радионова М.В. Нейронные сети в адаптивных преобразовательных комплексах / Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова, О.В. Грицак // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. С. 19-28.

8. Радионова М.В. Преобразовательный комплекс с управляемой структурой / Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. Т. 7. С. 25-27.

9. Радионова М.А. Регулировочные характеристики импульсного преобразователя с управляемым фильтром / Е.Е. Миргородская, М.В. Радио-

нова // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. С. 34-38.

10. Радионова М.В. Аппроксимация на основе теории нечеткости / П.П. Говорухин, М.В. Радионова, В.В. Спиридонов, Д.Э. Тарасов // Сборник трудов конференции молодых ученых и студентов Саратовского государственного технического университета. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011.С. 58-60.

11. Радионова М.В. Сравнительные исследования динамики параллельного инвертора тока и компенсированного инвертора / Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. трудов Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. С. 4-12.

12. Радионова М.В. Динамическая модель автономного инвертора напряжения// М.В. Радионова, Д.И. Яковлева // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. трудов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. С. 127-129.

13. Радионова М.В. Система стабилизации выходного напряжения многоуровневого инвертора / P.A. Билюков, М.В. Радионова, В.В. Абрамов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. Участники школы молодых ученых и программы УМНИК. Саратов, 2012. С. 335-337.

14. Радионова М.В. Модель автономного инвертора напряжения в схеме многочастотного преобразователя / П.П. Говорухин, М.В. Радионова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. Участники школы молодых ученых и программы УМНИК. Саратов, 2012. С. 375-376.

15. Радионова М.В. Синтез адаптивной системы стабилизации напряжения преобразовательного комплекса / Е.Е Миргородская, М.В. Радионова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 6. Секция 6 / под общ. ред. B.C. Балакирева. Киев: Национ. техн. ун-т Украины «КПИ», 2011. С. 143144.

16. Патент на полезную модель № 98079 от 27.09.2010. Преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова.

Подписано в печать 20.11.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 196 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Введение

1. Преобразовательные комплексы модульнойктуры

1.1. Предпосылки внедрения преобразовательных комплексов модульной структуры

1.2. Примеры преобразовательных комплексов с изменяемой структурой

1.3. Многомодульный преобразовательный комплекс с промежуточной сетью постоянного тока

1.4. Методы исследования динамических режимов преобразователей частоты

1.5. Метод функций от матрицы исследования импульсных систем

1.6. Формулирование направлений исследований 33 Основные результаты, полученные в главе

2. Динамические модели инверторов напряжения

2.1. Основные виды систем автоматического управления многомодульными преобразовательными комплексами

2.2. Схема построения динамической модели автономного инвертора напряжения

2.3. Дискретная динамическая модель трехфазной мостовой схемы АИН

2.4. Непрерывная динамическая модель АИН

2.5. Непрерывная модель трехфазной мостовой схемы АИН относительно средних за интервал симметрии значений токов 46 Основные р

С3> лЬ 1и11>19 ПСл^ Х^ШхЫС Ь 1 лииу ^ » >

3. Исследование многочастотного преобразовательного комплекса 50 3.1. Динамическая модель многочастотного преобразователя частоты тока многочастотного преобразователя частоты

S.S. Показатели качества стабилизации выходных напряжении преобразовательных комплексов

3.4. Результаты исследования модели двухчастотного преобразователя

3.5. Исследование замкнутой системы стабилизации напряжения на емкости

ЧИРНЯ ПОСТОЯННОГО ТОКЯ КГ>МПТТРКТЯ

3.6. Моделирование стабилизированного многочастотного преобразовательного комплекса 72 Основные пезультатьт, полученные в главе

4. Построение передаточных функций инверторных модулей 79 4.1. Построение передаточной функции инвертора, исходя из модели в пространстве состояний 79 t.z. Расчет передаточных функций инверторов напряжения 82 4.3. Расчет передаточных функций инвертора тока 88 Основные результаты, полученные в главе

5. Повышение качества управления преобразовательными комплексами за счет изменения их структуры

5.1. Управление структурой преобразовательных комплексов как основа внедрения интеллектуальных технологий в электроэнергетику

5.2. Преобразователи на основе инверторов тока с изменяемой структурой коммутирующей батареей

5.3. Способы управления структурой преобразовательного комплекса

5.4. Двухчастотный преобразовательный комплекс на основе инверторов тока с

1 никой оатареей коммутирующих конденсаторов

Основные результаты, полученные в главе

Актуальность работы. В настоящее время силовые преобразовательные комплексы (ПК) находят новые области и формы применения в связи с развитием автономных и нетрадиционных систем генепипования. пепелачи и потпебления злектпоэнепгии. Олной из особенностей таких ПК является блочно-модульный принцип их построения. Находят применение комплексы, содержащие несколько выпрямительных и инверторных модулей, оказывающих взаимное влияние друг на друга и работающих на различные нагрузки. Интенсивное развитие элементной базы преобразовательной техники и систем управления открывает перспективы в направлении повышения эффективности модульных ПК как в направлении качества переходных процессов в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах, так и при управлении их структурой. Решение этой задачи является основой для оптимального взаимодействия питающей сети и нагрузки. Этому способствуют новые схемотехнические решения и разработка специальных алгоритмов оораоотки информации, основанных на методах искусственного интеллекта (искусственные нейронные сети, нечеткие системы вывода и др.).

Особый интерес представляет динамика комплексов модульной структуры, поскольку сложность рос структуры вызывает и сложный характер переходных процессов в них. исшрисам и^слсдиьапмл дипамилл иплиоии Л1сь 1рогитчп посвящено большое число работ. Особенно большой вклад в этом направлении внесли отечественные и зарубежные учёные: Г.А. Белов, Г.С. Зиновьев, П.Ф. Мерабишвили, А.Д. Поздеев, В.П. Шипилло, ВЛ. Долбня, И.И. Кантер, А.Ф. Резчиков, И.И. Артюхов, В.А. Чванов, А.Г. Придатков и др. Однако анализ существующих разработок по вопросам динамики преооразователеи показывает, что существующих методов исследования недостаточно для анализа и синтеза комплексов, имеющих сложную модульную структуру. Поэтому тема настоящей диссертации, посвященной развитию методик исследования динамики модульных ПК, является актуальной.

Объектом исследования являются преобразовательные комплексы, имеющие сложную модульную структуру, работающие в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах.

Предметом исследования являются динамические режимы модульных ПК, работающих в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузки в широких пределах, а также способы управления их структурой.

Цель работы

Повышение эффективности преобразовательных комплексов модульной структуры в условиях нестабильности питающей сети и нагрузки.

Под эффективностью модульных ПК в динамических режимах в настоящей работе понимается высокое качество стабилизации выходного напряжения в преобразователях на основе инверторов напряжения и снижение потерь энергии в цепях компенсации реактивной мощности в преобразователях на основе инверторах тока.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка методики построения непрерывных динамических моделей инверторов напряжения и тока, работающих в составе ПК для питания нагрузок на нескольких частотах с общим звеном постоянного тока.

2. Разработка методики построения передаточных функций инверторов тока и напряжения как непрерывных элементов систем управления многочастотного преобразовательного комплекса с общим звеном постоянного тока (МПК).

3. Исследование динамических характеристик МПК с адаптивной системой стабилизацией выходных напряжений.

4. Разработка и исследование способов управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока.

Методы исследования включают аналитические и численные методы анализа и синтеза импульсных систем с конечным временем съёма данных, аппарат функций от матриц, методы современной теории управления и устройств силовой электроники, методы нечеткой математики и нейронных сетей, а также современный аппарат компьютерного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Разработана методика построения непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши, позволяющих решать задачи анализа динамики и синтеза систем управления преобразовательными комплексами, содержащими инверторные модули, работающие на различных частотах. Методика позволяет переносить модульную структуру ПК на модульную структуру модели, что упрощает процедуру перестройки модели при изменении модульного состава ПК.

2. Разработана методика получения передаточных функций инверторных модулей, позволяющих исследовать динамику комплексов классическими аналитическими методами.

3. Проведены исследования двухчастотного преобразовательного комплекса с адаптивной системой стабилизации выходных напряжений, позволившие установить закономерности взаимовлияния инверторных модулей, питающих нагрузки на разных частотах.

4. Предложен и обоснован способ управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока, обеспечивающий снижение потерь в цепях компенсации реактивной мощности.

Практическую ценность и полезность работы представляют: способы управления структурой многомодульных преобразовательных комплексов, обеспечивающие адаптацию режимов работы комплексов к изменяющимся условиям эксплуатации; методика формирования правил вывода нечеткого регулятора, осуществляющего адаптацию системы управления модульного комплекса к изменениям параметров нагрузок; пользовательские программы расчета передаточных функций инверторных модулей, позволяющих применять при анализе и синтезе систем управления ПК классические методы теории автоматического регулирования.

Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:

1. При анализе и синтезе ПК для питания нагрузок на нескольких частотах необходим переход к непрерывным динамическим моделям инверторных модулей от дискретных ввиду трудностей согласования частот квантования информации.

2. Предложенная методики построения непрерывных динамических моделей инверторных модулей в форме Коши позволяет получить передаточные функций инверторных модулей, что дает возможность исследовать динамику ПК классическими аналитическими методами;

3. Применение адаптивного регулятора в систему стабилизации выходных напряжений ПК с несколькими частотами выходных напряжений, работающего в условиях нестабильности напряжения питающей сети и изменения нагрузок в широких пределах, позволяет существенно улучшить качество стабилизации и устранить взаимовлияние выходных сетей.

4. Предложенный способы управления структурой батареи коммутирующих конденсаторов МПК на основе инверторов тока обеспечивает снижение потерь в цепях компенсации реактивной мощности и способствует повышению совместимости ПК с питающей сетью за счет использования высвобождающейся части конденсаторной батареи во входном фильтро-компенсирующем устройстве.

Реализация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы внедрены

- в ЗАО «Промышленная электроника» (г. Саратов) при синтезе систем управления преобразователей частоты для технологических целей;

- в учебном процессе кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Методы оптимизации».

- в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Моделирование электротехнических комплексов».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008), XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Пенза, Киев, 2011), Конференции молодых учёных СГТУ (Саратов, 2011), XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2012)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК РФ:

1. Радионова М.В. Непрерывная динамическая модель преобразовательного комплекса на основе инвертора напряжения / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Вестник СГТУ. 2011. №4(59) Вып.1. С. 199-203

2. Радионова М.В. Динамика многочастотного преобразовательного комплекса на основе инверторов напряжения/ Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова, П.П. Говорухин // Вестник СГТУ. 2012.

3. Радионова М.В. Управление структурой преобразовательного комплекса при реализации технологии «Smart grid» /Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Вестник СГТУ. - 2010. - №4(51). - Вып. 3. - С. 121-125.

4. Радионова M.B. Исследование динамики автономных инверторов корневым методом// Е.Е Миргородская., Н.П. Митяшин, М.В. Радионова // Вестник СГТУ. 2011. №4(62) Вып.4. С.140-144 Публикации в других изданиях:

5. Радионова М.В. Принципы управления структурой гибких объектов / Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, Д.В. Михайлов, М.В. Радионова // Актуальные задачи управления социально-экономическими и техническими системами: сб. науч. ст. Саратов: Научная книга, 2008. С. 122-125.

6. Радионова М.В. Нейронные сети в адаптивных системах управления силовыми преобразовательными комплексами/ Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Д.В. Михайлов, М.В. Радионова// Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т. Саратов: СГТУ, 2008. Т. 2. С. 290-293.

7. Радионова М.В. Нейронные сети в адаптивных преобразовательных комплексах / Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова, О.В. Грицак // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 19-28.

8. Радионова М.В. Преобразовательный комплекс с управляемой структурой / Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23: сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Саратов: СГТУ, 2010. Т. 7. С. 25-27.

9. Радионова М.А. Регулировочные характеристики импульсного преобразователя с управляемым фильтром / Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. С. 34-38.

10. Радионова М.В. . Аппроксимация на основе теории нечеткости // Говорухин П.П., Радионова М.В., Спиридонов В.В., Тарасов Д.Э. / Сборник трудов конференции молодых ученых и студентов СГТУ / Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. с.58-60

11. Радионова М. В. Сравнительные исследования динамики параллельного инвертора тока и компенсированного инвертора / Е. Е. Миргородская, М. В. Радионова / Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. научн. трудов - Саратов: СГТУ,2011. с.4-12.

12. Радионова М.В. Динамическая модель автономного инвертора напряжения // М.В. Радионова, Д.И. Яковлева / Проблемы электроэнергетики: сб. научн. трудов - Саратов СГТУ,2011. с. 127-129

13. Радионова М.В. Система стабилизации выходного напряжения многоуровневого инвертора // P.A. Билюков, М.В. Радионова, В.В. Абрамов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. Участники школы молодых ученых и программы Умник / Саратов, 2012. С. 335-337

14. Радионова М.В. Модель автономного инвертора напряжения в схеме многочастотного преобразователя// П.П. Говорухин, М.В. Радионова // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. Участники школы молодых ученых и программы Умник / Саратов, 2012. с.375-376

15. Радионова М.В. Синтез адаптивной системы стабилизации напряжения преобразовательного комплекса // Е.Е Миргородская., М.В. Радионова / Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в Ют. Т. 6. Секция 6. 7 / под общ. ред. B.C. Балакирева. -Киев: Национ. техн. ун-т Украины «КПИ», 2011. -С. 143-144.

Патент на полезную модель:

16. Радионова М.В. Преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова; Патент на полезную модель № 98079 от 27.09.2010.

Основные результаты диссертации состоят в следующем

1.Разработана методика построения непрерывных динамических моделей автономных инверторов, необходимая при анализе и синтезе многочастотных преобразовательных комплексов при анализе и синтезе многочастотных преобразовательных комплексов ввиду трудностей согласования частот квантования информации в дискретных моделях.

2.Переход от дискретных моделей инверторов к эквивалентным непрерывным позволяет построить общую динамическую модель многочастотного комплекса в форме Коши. Модель имеет блочную форму, структура которой соответствует структуре комплекса, что позволяет автоматически перестраивать модель с изменением инверторного состава самого комплекса.

3.Исследование динамики многочастотного комплекса корневым методам позволяет сделать выводы о влиянии отдельных параметров на качество перходных процессов. Степень устойчивости мало меняется при нагрузке, близкой к номинальной, однако при разгрузке инверторов резко уменьшается, что приводит к затягиванию переходного процесса. Колебательность более равномерно зависит от параметров нагрузки, причем главная тенденция сводится к ее увеличению при разгрузке преобразователя и уменьшении коэффициента мощности нагрузки более загруженного инвертора.

4. Сравнительный анализ переходных процессов в двухчастотном ПК с адаптивной системой стабилизации с ВНР и классическим ПД-регулятором для характерных режимов изменения нагрузок выходных сетей в широких пределах показывает, что применение предлагаемого вспомогательного нечеткого регулятора снижает колебательность в 2.5 раза, а время регулирования в 1.5 раза т.е. улучшить динамические показатели стабилизации и устранить взаимовлияние выходных сетей.

5.Предложена и реализована методика построения передаточных функций инверторов тока и напряжения, как непрерывных элементов систем управления, что позволяет при проектировании и исследовании преобразователей использовать классические методы теории автоматического регулирования.

6. Доказана работоспособность и эффективность применения двухчастотного ПК на основе инверторов тока с перестраиваемой конденсаторной батареей, обеспечивающего при характерных графиках изменения нагрузок уменьшение потерь в компенсаторах до 10% при одновременном повышении совместимости ПК с питающей сетью за счет использования высвобождающейся части конденсаторной батареи во входном фильтро-компенсирующем устройстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высш. шк., 1989. 263 с.

2. Алиев P.A., Абдикеев Н.М., Шахназаров М.М. Производственные системы с искусственным интеллектом. М.: Радио и связь. 1990. 264 с.

3. Абгарян К.А. Матричное исчисление с приложениями в теории динамических систем. М.: Физматлит, 1994. 544 с.

4. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебания. М.: Физматгиз, 1959. — 915 с.

5. Артюхов И.И., Митяшин Н.П. Тиристорные источники для группового электропривода и их проектирование с применением ЭВМ. Саратов, 1990. 68 с.

6. Артюхов И.И., Митяшин Н.П., Серветник В.А. Автономные инверторы тока в системах электропитания Сарат. политехи, ин-т. Саратов, 1992, 152 с.

7. Артюхов И.И., Томашевский Ю.Б., Серветник В.А. Тиристорные преобразователи частоты с перестраиваемой структурой // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. политехи, ин-т, 1985. С. 47-53.

8. Артюхов И.И., Степанов С.Ф. Сотовая энергетика как стратегическая инновация // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. научн. трудов. Саратов: СГТУ, 2005. С. 99-101.

9. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001.- 368 с.

10. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов /Пер. с англ. — М.: Энергия, 1969. — 280 с.

11. П.Белов Г.А. Динамика импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2001. 528 с.

12. Бромберг П.В. Матричные методы в теории релейного и импульсного регулирования / М. Наука. 1967. 341 с.

13. Брон Л.П. О моделировании электрических цепей со сосредоточенными параметрами // Электричество. 1974. № 2. С.83-85.

14. Булгаков А. А. К расчету переходных процессов в цепях с управляемыми выпрямителями. — Электричество. 1953, № -4, с. 29—34.

15. Веников В.А., Цовьянов А.Н, Худяков В.В. Новые источники реактивной мощности, позволяющие улучшить использование генераторов и синхронных компенсаторов // Вестник электропромышленности, 1957, №12, с. 59-65.

16. Вентильные преобразователи переменной структуры / Тонкаль В.Е., Руденко B.C. Жуйков В.Н. и др. Киев: Наук, думка, 1989. 336 с.

17. Гарднер М. Ф., Берне Д. Л. Переходные процессы в линейных системах /Пер. с англ. — М.: Физматгиз, 1961. — 552 с.

18. Голембиовский Ю.М. Неканонические структуры оперативно перестраиваемых преобразовательных сетей // Технічна електродинаміка, 1998. Спец. випуск 2. ТІ. С. 217-220.

19. Голембиовский Ю.М. Тензорные модели многомостовых оперативно перестраиваемых преобразовательных сетей // Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл. V Всесоюзной науч.-техн. конф. / АН УССР, Киев, Ч. I. 1991. С. 243-245.

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

21. Д'Анжело Г. Линейные системы с переменными параметрами. Анализ и синтез / Пер. с англ. Под ред. Н.Т. Кузовкова. М.: Машиностроение, 1974. 288 с.

22. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования /Пер. с англ. — М.: Физматгиз, 1963. — 456 с.

23. Долбня В. Н., Дегтярев Е. Н. Метод анализа зависимых преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока. — Вестник ХПИ, 1966, № 10(58), с. 22—30.

24. Долбня В. Т., Я г у п В. Г. Применение направленных графов при анализе цепей, содержащих вентили. — В кн.: Преобразование параметров электрической энергии.— Киев: Наукова думка, 1975, с. 5—15.

25. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Новосибирск: НГТУ, 2003. 664 с.

26. Зиновьев Г.С. Анализ инвертора напряжения как компенсатора реактивной мощности // Преобразовательная техника. Новосибирск, 1978. С. 74-89.

27. Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. Новосибирск : Изд—во Новосиб. ун-та, 1990. 220с.

28. Каганов И. JL Электронные и ионные преобразователи. — М.— Л.: Госэнергоиздат, ч. 1, 1950. — 664 с; ч. И., 1955. — 456 с; .III, 1956. — 528 с.

29. Калиткин Н. Н. Численные методы. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1978.

30. Кантер И.И. Теория работы многофазных несамоуправляемых инверторов с конденсаторной коммутацией // Электричество. 1951. №3. С. 16-21.

31. Кантер И.И., Голембиовский Ю.М. Исследование установившихся и переходных режимов вентильных преобразователей частоты // Электротехника. 1974. №8. С. 26-30.

32. Кантер И.И., Резчиков А.Ф. Метод исследования переходных режимов вентильных преобразователей частоты // Изв. вузов. Электромеханика. 1968. №10. С. 18-20.

33. Кантер И.И., Резчиков А.Ф. Структурные схемы вентильных преобразователей частоты с явным звеном постоянного тока // Расчет элементов и систем автоматики: Научные труды СПИ, 1969. Вып. 43. С.36-38.

34. Конев Ф.Б., Ярлыкова Н.Е. Построение линейной динамической модели (идентификация) автономного инвертора тока на ЦВМ. Материалы семинара по кибернетике, часть I. Динамика систем управления, 1975, Кишинев, изд-во Штиинца. 1975. С. 71-77.

35. Конев Ф. Б. Моделирование вентильных преобразователей на вычислительных машинах (Обзор). — В кн.: Силовая полупроводниковая техника. Т. 1. — М.: ВИНИТИ, 1976. — 84 с.

36. Кузьмиченко Б.М. Методы и средства создания агрегатно-модульной системы роботизированного сборочного оборудования в приборо- и машиностроении. Дис. доктора техн. наук. Саратов, 1999. 306 с.

37. Лабунцов В. А. Анализ и синтез тиристорных автономных инверторов напряжения. Автореф. дис. .д-ра техн. наук.— М.: МЭИ, 1973.66 с.

38. Мерабишвили П. Ф. Операторный метод расчета переходных процессов в однофазных автономных инверторах, — Электричество, 1970, № 5, с. 52—56.

39. Мерабишвили П. Ф. Математическая модель цепей с вентильными преобразователями. — Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1980, № 4, с. 57—70.

40. Мерабишвили П. Ф. Теория переходных процессов в цепях с вентильными преобразователями // Изд-во тбилисского университета. Тбилиси. 1990. 292 с.

41. Миргородская Е.Е. Повышение качества стабилизации выходного напряжения преобразователей частоты на основе инверторов тока за счет применения адаптивных регуляторов. Дис. кандидата техн. наук. Саратов, 2010. 140 с.

42. Миргородская Е.Е. Нечеткое управление преобразователем частоты / Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская // Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП-2007: материалы IV Междунар. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. С. 39-41

43. Миргородская Е.Е. Дискретные динамические модели структурно симметричных инверторов / Э.К. Нугаев, Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, A.A. Щербаков // Управление сложными системами: сб. науч. ст. Саратов: СГТУ, 2009. С. 3-9.

44. Миргородская Е.Е. Дискретные динамические модели автономных инверторов тока с диодно-реактивным компенсатором / Э.К. Нугаев, Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская//Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С. 4-7.

45. Миргородская Е.Е. Оценка динамических свойств автономных инверторов тока по спектру матрицы дискретной модели / Е.Е. Миргородская И Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 68-74.

46. Митяшин Н.П. Агрегированные преобразовательные комплексы для питания цеховой двигательной нагрузки на частотах, отличных от общепромышленной. Дис. доктора техн. наук. Саратов, 2003. 450 с.

47. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б. // Гибкие преобразовательные комплексы. Саратов: СГТУ. 2003. 123 с.

48. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б. Системный анализ гибких электромеханических объектов: Учеб. пособие. Саратов: СГТУ. 2000. 65 с.

49. Митяшин Н.П., Артюхов И.И., Степанов С.Ф. Адаптируемый преобразовательный комплекс / Вестник СГТУ. Саратов: Саратов. СГТУ гос. техн. ун-т, 2005. - №3(8).

50. Митяшин Н.П. Модели нагрузки электротехнических комплексов ограниченной мощности // Автоматизация и управление в приборо- и машиностроении: Межвуз. науч. сб. СГТУ.2002. С. 130-134.

51. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Артюхов И.И. Адаптивные системы электроснабжения на базе агрегированных преобразователей частоты // Проблемы энергетики. Изв. вузов, №5-6, 2002, С. 93-103

52. Митяшин Н.П., Артюхов И.И, Томашевский Ю.Б. Об абсолютной устойчивости двухмостового инвертора тока с расщепленной батареей коммутирующих конденсаторов // Энергетика. Известия высших учебных заведений: Беларусск. политехи, ин-т №5,1990.с.53-56.

53. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Артюхов И.И., Голембиовский Ю.М. Преобразовательные комплексы повышенной частоты с расщепленной конденсаторной батареей // Изв. вузов. Электромеханика. 2002. № 6. С. 1925.

54. Митяшин Н.П., Томашевский Ю.Б., Голембиовский Ю.М. Преобразовательные комплексы с изменяющейся структурой // Технічна електодинамика. Силова електроніка и енергоефективность. Ч. 2. Киів. 2002. С. 24-26.

55. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат. 1986. 376 с.

56. Мыцык Г.С. Улучшение электромагнитной совместимости статических преобразователей повышенной частоты// Электричество, 2000. №8, С. 42-52.

57. Нейман J1. Р. Обобщенный метод анализа переходных и установившихся процессов в цепях с преобразователями с учетом активных сопротивлений. — Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1972. № 2, с. 3—15.

58. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под. ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука, Гл. ред. физ.- мат. лит. 1986. 321с.

59. Папалекси Н. Д. О процессах в цепи переменного тока, содержащей электрический вентиль. — В кн.: Собрание трудов (под ред. проф., С. М. Рытова) — М.: Изд-во АН СССР, 1948, с. 52—68.

60. Поздеев А.Д., Никитин В.М., Пименов В.М. Динамическая модель для малых отклонений систем с двусторонней широтно-импульсной модуляцией // Электричество. 1981. №9. С. 66-68.

61. Поссе А. В. Применение метода разностных уравнений для расчета переходных процессов п преобразователях — В кн.: Передача энергии постоянным и переменным током. — Труды НИШII, вып. 18. — Л.: Энергия, 1972, с. 3—8.

62. Придактов А. Г., Исхаков А. С. Устойчивость вентильных преобразователей с системой управления интегрального типа. — Электричество, 1977, № 10, с. 39—44.

63. Пухов Г. Е. Методы анализа и синтеза квазианалоговых электронных цепей. — Киев: Наукова думка, 1967. — 568 с.

64. Радионова М.В. Нейронные сети в адаптивных преобразовательных комплексах / Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова, О.В. Грицак // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 19-28.

65. Радионова М.А. Регулировочные характеристики импульсного преобразователя с управляемым фильтром / Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. С. 34-38.

66. Радионова М.В. Аппроксимация на основе теории нечеткости // П.П. Говорухин, М.В. Радионова, В.В. Спиридонов, Д.Э. Тарасов / Сборник трудов конференции молодых ученых и студентов СГТУ / Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. с.58-60

67. Радионова М. В. Сравнительные исследования динамики параллельного инвертора тока и компенсированного инвертора / Е. Е. Миргородская, М. В.

68. Радионова / Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. научн. трудов Саратов: СГТУ ,2011. с.4-12.

69. Радионова М.В. Динамическая модель автономного инвертора напряжения// М.В. Радионова, Д.И. Яковлева / Проблемы электроэнергетики: сб. научн. трудов Саратов СГТУ,2011. с. 127-129

70. Радионова М.В. Преобразователь частоты на базе инвертора тока с изменяемой структурой конденсаторной батареи / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова; Патент на полезную модель № 98079 от 27.09.2010.

71. Радионова М.В. Непрерывная динамическая модель преобразовательного комплекса на основе инвертора напряжения / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Вестник СГТУ. 2011. №4(59) Вып.1. С. 199203

72. Радионова М.В. Динамика многочастотного преобразовательного комплекса на основе инверторов напряжения/ Н.П. Митяшин, Е.Е. Миргородская, М.В. Радионова, П.П. Говорухин // Вестник СГТУ. 2012.

73. Радионова М.В. Управление структурой преобразовательного комплекса при реализации технологии «Smart grid» /Е.Е. Миргородская, Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский, М.В. Радионова // Вестник СГТУ. 2010. - №4(51). -Вып. 3. - С. 121-125.

74. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. М.: Энергия, 1979. 392 с.

75. Розенфельд А. С. , Яхинсон Б. И. Переходные процессы и обобщенные функции, — М.: Наука, 1966. — 440 с.

76. Руденко B.C., Жуйков В.Я., Сучик В.Е. Анализ и синтез преобразователей с постоянной и переменной структурой. Киев. 1983. 65 с.

77. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский JI. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. Пер. с польск. И. Д. Рудинского. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. 452 с.

78. Справочник по преобразовательной технике / И.М. Чиженко, П.Д. Андриенко, A.A. Баран, Ю.Ф. Выдолоб и др. Киев: Технпса, 1978. 447 с.

79. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. Ч. I. Теория линейных систем автоматического управления / Под ред. А. А. Воронова. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. 367 с.

80. Теория вентильного и цифрового электропривода. Анализ и синтез линеаризованных структур электроприводов: учеб. пособие / А.Д. Поздеев. -Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1994. 79 с.

81. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. М.: Энергия, 1980. 208 с.

82. Толстов Ю. Г. Придатков А. Г. Переходные процессы в автономных инверторах с независимым возбуждением. — Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1967, № 2, с. 79—85.

83. Цыпкин Я 3. Теория импульсных систем. — М-: Физматгиз, 1958. — 724 с.

84. Чалый Г. В. Некоторые современные проблемы развития методов исследования динамики вентильных систем. — В кн.: Динамика систем управления Материалы семинара по кибернетике, ч. I., Кишинев: Штиинца, 1975, с. 3-7.

85. Чванов В.А. Динамика автономных инверторов с прямой коммутацией. М.: Энергия. 1978. 168 с.

86. Чиженко И. М., Руденко В. С, Сенько В. И. Основы преобразовательной техники. — М.: Высшая школа, 1974. — 432 с.

87. Шапиро C.B., Сабанеева Г.И., Киселёва Л.П. Новый метод определения передаточных функций кусочно-линейных объектов. Межвузовский научный сборник №7, Уфа, 1977, С. 76-81.

88. Шипилло В. П. Вентильный преобразователь как элемент системы автоматического регулирования. — Электричество, 1967, № 11, с. 63- 70.

89. Шипилло В.П. Операторно-рекуррентный анализ электрических цепей и систем. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 312 с.

90. Шор И. Я. Метод анализа динамики автономных инверторов тока по импульсным моделям. — В кн.: Материалы семинара по кибернетике, вып. 31. Кишинев: Штиинца, 1971, с. 3—38.