автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование импульсных преобразователей в составе автономных систем электропитания электротехнических комплексов

На правах рукописи

Пьей Пьо Тун

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальности: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 1,^/12014

005556030

Санкт-Петербург 2014

005556030

Работа выполнена на кафедре электротехники и электрооборудования судов ФГБОУ ВПО «Санкт- Петербургский государственный морской технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Дмитриев Борис Федорович.

Официальные оппоненты:

Ефимов Александр Андреевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Управление в технических системах» ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, СПбГУАП», Санкт-Петербург.

Томасов Валентин Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электротехники и прецизионных электромеханических систем», ФГАОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, НИУ ИТМО», Санкт-Петербург.

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, ПГУПС», Санкт-Петербург.

Защита состоится « 29 » декабря 2014 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03,

созданного на базе СПбГМТУ по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, ауд. А-313.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГМТУ http://yyww.smtu.ru

Автореферат разослан_

Отзывы просим направлять в 2-х экземплярах по адресу:

по почте - 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел ученого секретаря).

при наличии электронной подписи — e-mail: disser@smtu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

А. П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современных производственных технологий характеризуется широким распространением автономных комплексов, способных решать технические задачи при разнообразных условиях эксплуатации. Как правило, подобные объекты оснащаются автономными системами электропитания (АСЭ), содержащими полупроводниковые преобразователи, которые работают на разветвленную сеть потребителей. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств силовой электроники стало особенно актуальной в последнее время. Это связано как с усилением обратного влияния полупроводниковых преобразователей на питающую сеть в связи с их расширяющимся распространением, так и с ростом требований к качеству электроэнергии в сети из-за роста числа ответственных потребителей, чувствительных к качеству электрической энергии.

Степень и характер влияния качества электроэнергии на работу электротехнических систем определяется характеристиками и свойствами преобразовательных устройств. Достижения в области микроэлектроники, непрерывное совершенствование силовых полупроводниковых приборов и средств реализации импульсно-модуляционных методов преобразования позволяют повысить скорость управления энергетическим потоком и на этой основе улучшить ЭМС, снизить загрузку питающих сетей неактивными составляющими мощности.

Этим вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Гер-маи-Галкина С.Г., Глазенко Т.А., Джури Э., Дмитриева Б.Ф, Дмитрикова В.Ф., Ефимова A.A., Зиновьева Г.С., Кобзева A.B., Козярука А.Е., Лабунцова В.А., Липковского К.А., Михальченко Г.Я., Мыцыка Г.С., Пронина М. В., Розанова Ю.К., Томасова В. С., Харитонова С. А., Шрейнера Р.Т., Ясакова Г. С. и других.

Наиболее перспективной возможностью обеспечения энергосбережения и повышения экономичности использования электрической энергии в полупроводниковых преобразователях является повышение качества энергопотребления за счёт использования топологий многоуровневого преобразования, связанных с новыми стратегиями управления (например, релейно-векторного) при реализации силовых схем полупроводниковых преобразователей с учётом современной элементной базы.

Дальнейшее развитие структур построения преобразователей для АСЭ достигается переходом к многоуровневому принципу преобразования параметров электроэнергии. При этом осуществляется практически синусоидальное потребление тока из питающей сети, синфазное с напряжением сети во всем диапазоне регулирования выходного напряжения. Важным фактором рассматриваемого принципа является возможность двустороннего обмена энергией между питающей сетью и нагрузкой, существенно влияющего на энергетические показатели АСЭ.

Целью работы является развитие топологий силовой части многоуровневых преобразователей и практическая реализация преобразователей переменного напряжения в постоянное (переменное) с многоуровневым принципом преобразования параметров электрической энергии и методов управления этими преобразователями в составе АСЭ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - выполнить сопоставительный анализ современного состояния и перспективы применения импульсных полупроводниковых преобразователей для систем автономного электропитания;

- обосновать целесообразность применения многоуровневого принципа формирования выходного напряжения для полупроводниковых преобразователей в системах автономного электропитания;

- выполнить математическое и схемотехническое моделирование многоуровневых преобразователей с целью сравнения их спектрального состава выходного напряжения (тока) и входного тока;

- исследовать энергетические характеристики многоуровневых преобразователей при различных законах управления;

- разработать рекомендации по практической реализации многоуровневых преобразователей для АСЭ.

Методы исследования. Для выполнения поставленных задач использовались методы теории электрических цепей, методы гармонического анализа и сшггеза, методы теории автоматического управления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации подтверждена результатами математического моделирования с применением пакета Mathcad, схемотехнического моделирования в пакете MatLab (Siraulink/SimPowerSystems) и достаточной сходимостью с результатами исследований других авторов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в обосновании применения многоуровневого принципа формирования выходного напряжения (тока) и входного тока для полупроводниковых преобразователей в составе АСЭ. В частности:

- разработаны математические модели, отражающие процесс преобразования параметров электрической энергии в многоуровневых преобразователях, позволяющие проводить требуемый комплекс расчетов, конечной целью которых является создание АСЭ с заданными показателями качества электроэнергии;

- предложены способы формирования и регулирования выходного напряжения с использованием многоуровневого принципа формирования и широтно-импульсного регулирования, позволяющие повысить качество выходной и потребляемой энергии в широком диапазоне регулирования напряжения, обеспечить ЭМС преобразователя с питающей сетью, улучшить энергетические показатели.

- разработаны математические модели для определения спектрального состава выходного напряжения и входного тока многоуровневого преобразователя с использованием коммутационных функций Ft(t), рядов Фурье и функций Бесселя.

- определены спектральные характеристики (THD) выходного напряжения и входного тока многоуровневого преобразователя при питании от переменного (постоянного) тока с применением синусоидальной ШИМ для активно-индуктивной нагрузки.

- разработана подсистема «Measurements» для определения энергетических показателей многоуровневых преобразователей.

- обоснована взаимосвязь между частотой коммутации и коммутационными потерями и определено их влияние на тепловые процессы в транзисторных модулях. На защиту выносятся:

1. Способы формирования и регулирования выходного напряжения с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии с широтно-импульсным регулированием.

2. Математические модели для определения спектрального состава выходного напряжения и входного тока многоуровневых преобразователей с использованием коммутационных функций Ft(/), рядов Фурье и функций Бесселя.

3. Спектральные характеристики выходного напряжения, выходного и входного токов многоуровневого преобразователя при питании от переменного и постоянного тока.

4. Подсистема «Measurements» для определения энергетических показателей многоуровневых преобразователей.

5. Схемотехническое моделирование применения многоуровневых преобразователей в качестве источника питания в составе ПЧ-АД.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе теоретические положения и аналитические выражения доведены до конкретных алгоритмических решений и практических рекомендаций по применению многоуровневых преобразователей в автономных системах электропитания. Результаты работы используются при выполнении научно-исследовательских работ в СПбГМТУ и в учебном процессе на кафедре Электротехники и электрооборудования судов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на:

- семинарах кафедры Электротехники и электрооборудования судов СПбГМТУ, 2012-2014г.

- П-ой Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции СПбГМТУ, 2013.

- Ш-ей Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции СПбГМТУ, 2014.

- научно-техническом семинаре в Доме учёных им. М. Горького Российской Академии наук, секция Электромагнитной совместимости в техно- и биосфере, СПбГМТУ, 2013.

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 печатных работ. Все в соавторстве, доля автора 50%. Количество трудов в журналах Перечня ВАК Минобрнауки РФ составляет 2 статьи. Все в соавторстве, доля автора 50%. Личный вклад автора.

1. Обоснование применения многоуровневых преобразователей в составе АСЭ электротехнических комплексов.

2. Создание математических моделей для определения спектрального состава выходного напряжения и входного тока многоуровневых преобразователей с использованием коммутационных функцийFk(t), рядов Фурье и функций Бесселя.

3. Определение спектральных характеристик выходного напряжения, выходного и входного токов многоуровневого преобразователя при питании от переменного и постоянного тока.

4. Разработка подсистемы «Measurements» для определения энергетических показателей многоуровневых преобразователей.

5. Проведение схемотехнического моделирования применения многоуровневых преобразователей в качестве источника питания в составе ПЧ-АД. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 5 приложений. Объем работы составляет 188 стр., включая 106 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержит 90 наименований на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе анализируется состояние и перспективы применения полупроводниковых преобразователей для систем автономного электропитания. К современным системам электропитания, в составе различных технологий, предъявляется ряд требований, важнейшие из которых определяются статическими, динамическими и массогаба-ритными показателями. Кроме того, системы должны удовлетворять требованиям электромагнитной и энергетической совместимости.

Развитие модуляционных методов преобразования параметров электрической энергии, а также освоение промышленностью новых типов силовых высокочастотных полупроводниковых приборов создало основу для разработки высокоэффективных преобразовательных устройств с принципиально новыми схемотехническими решениями, обеспечивающими высокие статические и динамические показатели при приемлемых массе и габаритах.

Проведенный анализ показывает перспективность импульсно-модуляционных преобразователей, которые с ростом коммутируемой мощности и динамических показателей становятся основным инструментом для реализации практически всех видов преобразования параметров электрической энергии. Существенное снижение динамических потерь в полностью управляемых полупроводниковых приборах позволяет улучшить ЭМС, снизить загрузку питающих сетей неактивными составляющими мощности.

Возросшие требования к степени электромагнитной совместимости преобразвате-лей с питающей сетью потребовали новых технических решений для преобразователей с приданием им свойств активной коррекции коэффициента мощности. В настоящее время существуют топологии силовой части многоуровневых преобразователей электрической энергии, которые можно считать базовыми, поскольку на их основе реализуются более сложные структуры. К ним относятся:

- Двухуровневая трёхфазная топология;

- Трёхуровневая трёхфазная топология (в английской литературе - neutral point

clamped inverter «NPC»);

- Трёхфазная «Н» топология, состоящая из трёх однофазных «Н» топологий,

имеющая общий накопитель на стороне постоянного тока.

В диссертационной работе рассматривается класс преобразователей переменного напряжения в регулируемое постоянное (переменное) для АСЭ с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии и применением многократной коммутации, позволяющие получить выходное напряжение как меньше входного, так и больше входного, без использования внутри себя реактивных элементов.

Во второй главе приведено математическое описание способов формирования выходного напряжения и входного тока однофазного многоуровневого преобразователя на основе коммутационных функций. Показано, что для каждого этапа преобразования выходные напряжения можно представить через входные и коммутационные функции. Так система уравнений на L-ом этапе преобразования имеет вид:

"¿1 FKu{t) FKn(t) . ■ FKtm(t)

"¿2 = FK2l{t) FK22(t) . ■ FK2m{t) ■ "(¿-1)2 (1)

U1S ■ FKSm{t) "(¿-l)m

где uLb «(L.,)| — мгновенные значения выходного напряжения; FKsm(t) —коммутационная функция, математически описывает состояние ключа либо подающего, либо не подающего входное напряжение К(Ц)1ш на выход S. В тригонометрической форме коммутационная функция имеет вид

FK(t) = y + YUmlcosmt + a) (2)

1

Во второй главе рассмотрены способы формирования выходного напряжения с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии за период сетевого напряжения. Анализ гармонического состава выходного напряжения и входного тока выполнен для однофазного (рис. 1. а) многоуровневого преобразователя.

Критерием оценки качества напряжения на выходе преобразователя является коэффициент пульсаций (Кп)

(3)

где Ud - среднее значение выходного напряжения; Uj - действующее значение Гй гармонической составляющей выходного напряжения.

Эффективность потребления электрической энергии определена при помощи коэффициента мощности Км, который является одним из наиболее важных показателей преобразователя, питающегося от сети переменного тока, так как определяет установленную мощность оборудования.

Км=Кн'С °s<P, (4)

Ки = л/ (5)

I]-действующее значение первой гармонической составляющей потребляемого тока; Ii - действующее значение i - й гармонической составляющей потребляемого тока; cos ф! - коэффициент сдвига по фазе первой гармоники тока питающей сети относительно первой гармоники напряжения питания.

Во второй главе показано, что расширение функциональных возможностей многоуровневых преобразователей достигается в реверсивных схемах на полностью управляемых силовых переключающих элементах (рис. 1. б). Применение таких схем позволяет повысить быстродействие систем, осуществить рекуперацию энергии в сеть.

а) б)

Рис. 1. Принципиальные схемы многоуровневых преобразователей

Показатели качества входного тока и выходного напряжения в общем случае зависят от характера коммутационных функций. Путем оптимального выбора коммутационных функций могут быть оптимизированы отдельные показатели для того, чтобы удовлетворить частным условиям применения преобразователя.

В общем виде выходное напряжение многоуровневого преобразователя при управляющем воздействии, нарастающем по линейному закону имеет вид:

ивь1х(1) = Ъуиао + у £ С/.,, [1+(-1)' 2 соз /«и 1Ш

+ иао £ итк[\ + (-1)к2оо&к-]со^кСи (6)

°к = 1 3

10000 7-1- 1. 1 + к + -11 иткит,[1 + НУ ± * 2 газ —- х] 003(2/« ± кП)1 2* = 1/ = 1 3

где {/Л = — постоянная составляющая напряжения однофазного неуправляе-ж

мого выпрямителя; ит - амплитуда напряжения источника питания; ит^=2?лалку1лк -

амплитуда к - ой гармонической составляющей для к=1,2,3,...,со; 11т, = л(\ - 4/2)—

амплитуда £ - ой гармоники составляющей, обусловленной пульсациями выпрямления;

Т^и/Тк - относительная продолжительность замкнутого состояния ключа Кл 1 (Кл 2, Кл 3); С2=2цш- угловая частота коммутационной функции ; ц — количество коммутаций на интервале я.

Проведенный анализ способов формирования и регулирования выходного напряжения однофазных преобразователей позволил получить основные характеристики преобразователей:

и„ = Кг),кп=/(у),км=Яу).

В зависимости от конкретных требований (линейность регулировочной характеристики, уменьшение коэффициента пульсаций, увеличение коэффициента мощности можно рекомендовать соответствующий способ формирования и регулирования выходного напряжения.

Для подтверждения результатов теоретического исследования гармонического состава выходного напряжения было выполнено математическое моделирование с использованием пакета МаШсас! 14. Результаты математического моделирования приведены на рис. 2.

а)

б)

ивых. В

700г

т,

500 400 300-2Ш>-100

-1-1-1-1-1-)-1-1-\-г

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.013 0.02

В)

Рис. 2. Выходное напряжение преобразователя при Ян = 20 Ом, Ьн = 0,1 Гн, Л< = 1 кГц. а)у = 0,25 ; б)у = 0,75 ; в)у= 1,0

На рис. 3. представлена схемотехническая модель однофазного многоуровневого преобразователя в пакете МаЙаЬ БигшНпк.

Результаты схемотехнического моделирования выходного напряжения (рис. 4) представлены при аналогичных параметрах нагрузки и частоте коммутации.

9

А_гт' (Лу

с.гт'ГЛ^

м-

Рис. 3 Схемотехническая модель однофазного многоуровневого преобразователя

400 300 200

100

Гбыл. Е

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

а)

700 600 500 400 300 200 100

ивыж,В

ЩИ

_1_ г, с

0 0.002 0.004 0.006 0.003 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

б)

О 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.015 0.018 0.02 В)

Рис.4. Выходное напряжение преобразователя при Ян = 20 Ом, Ьн = 0,1 Гн, йс = 1 кГц. а) у = 0,25 ; б) у = 0,75 ; в) у = 1,0

Рассмотренные способы формирования и регулирования выходного напряжения позволяют повысить энергетические характеристики, расширить диапазон регулирования выходного напряжения, уменьшить отрицательное влияние преобразователей на сеть.

Анализ гармонического состава выходного напряжения и входного тока многоуровневых преобразователей для различных способов формирования и регулирования выходного напряжения при различном характере нагрузки позволяет выбрать соответствующий способ регулирования и число коммутаций для повышения входных (коэффициент мощности) и выходных (коэффициент пульсаций) показателей качества электроэнергии.

Проведенные исследования статических и энергетических характеристик однофазных многоуровневых преобразователей показали целесообразность многоуровневого принципа формирования и широтно-импульсного регулирования выходного напряжения.

Применение многоуровневых преобразователей в качестве регулируемых источников вторичного электропитания для автономных систем вызвало необходимость исследования их частотных свойств при различных нагрузках преобразователя.

В третьей главе выполнены исследования частотных свойств реверсивного многоуровневого преобразователя (рис. 5) при воздействии синусоидальной модулирующей функции. Эти свойства имеют определенную специфику и при воздействии периодических сигналов могут вызвать отклонения от нормальных условий работы преобразователя. В общем виде выходное напряжение реверсивного многоуровневого преобразователя при воздействии синусоидального управляющего сигнала с частотой а имеет вид:

1=\

о ОО СО

£ X Ак32р+^м)5т[(2р + 1±к3)0и + (,2р + 1)ч,у] +

2 ¿--1 п=П

ОО 00

(7)

к=1 р=0

^ 00 00 00 4 у. у. у

^оооооо о

+ 2 ^ £ £ ит,А^мЩ)яп[(2р + 1±-±кЗ)ш + (2р + 1У9у1

| 00 00 00

2г

21 2:

2 ^

25 2:

21

21

Е-н

Рис. 5. Реверсивный многоуровневый преобразователь

«2 (0 = ^ту + <РУ]

-л со со 2 £=1 /5=0

. Ю СО СО о

2е=\к=\р=о

где ил

2£/,

(9)

(10)

(П)

—— постоянная составляющая напряжения однофазного неуправляе-

мого выпрямителя; ит - амплитуда напряжения источника питания; ит} = 2IIт[1 + 2соч(Ап1/У)\/л(~\ - 4£2 ) - амплитуда £ - ой гармоники составляющей, обусловленной пульсациями выпрямления; И = 2[1 + (-1)^ ]эш лку/тгк — амплитуда к-ой гармоники составляющей, обусловленной принудительной коммутацией; 32/,+] - функция Бесселя первого рода (2р+1)-го порядка, р = 0,1,2,...со; М = яШщ,- аргумент функции Бесселя; + коэффициент, определяемый к-ой гармоникой

коммутации; а- количество коммутаций на интервале п\3,^ = 1,2,3,...со;5' = — - коэффи-

а

циент, показывающий во сколько раз частота коммутации больше частоты управляющего сигнала, 5 = 2,3,4,...оо.

Пусть управляющее напряжение имеет вид:

иу = иту ^(а* + Ф>)»

(12)

где Umy - ■

U,

ту

U„

— относительная амплитуда напряжения управления; Un - макси-

мальное значение пилообразного напряжения; а — частота управляющего сигнала; сру — начальная фаза управляющего сигнала; т = 7.л!Т- угловая частота источника напряжения; Q= 2л-/7£ - угловая частота пилообразного напряжения; - период коммутаций.

Для подтверждения результатов теоретического исследования гармонического состава выходного напряжения было выполнено математическое моделирование с использованием пакета Mathcad 14.

На рис. 6. приведены выходные напряжения преобразователя при математическом моделировании при fy = 50 Гц; fie = 2000 Гц; ц/у = 0" ; и различных индексах модуляции: а) ш=0,4; б) т=0,8; в) т=1.

рЕЫЗцВ

I БЫ\, В

Рис. 6. Выходное напряжение преобразователя при = 50 Гц; Гк = 2 кГц и при различных индексах модуляции: а) т=0,4; б) т=0,8; в)т=1.

На рис. 7 приведена схемотехническая модель реверсивного многоуровневого преобразователя от трёхфазной сети в пакете МаЙаЬ БтиНпк и было выполнено схемотехническое моделирование реверсивного многоуровневого преобразователя при питании от трёхфазной сети.

Эпюры выходного напряжения реверсивного преобразователя при использовании синусоидальной широтно-импульсной модуляции для активно-индуктивной нагрузки (Ян = 20 Ом; Ьн = 0,1 Гн), частоте управляющего сигнала fy = 50 Гц; частоте коммутации йс = 2 кГц и индексах модуляции: а) т=0,4; б) т=0,8; в) т=1 изображены на рис 8.

1

1

иГ

|сбг?а»;иа|

Рис. 7. Схемотехническая модель реверсивного многоуровневого преобразователя

1'вых, в _____

Рис. 8. Эпюры выходного напряжения трехфазного мостового преобразователя при 1у= 50 Гц; & = 2 кГц ; Г<н = 20 Ом; Ьн = 0,1 Гн и различных индексах модуляции: а) т=0,4; б) т=0,8; в)т=1.

Определены спектральные характеристики (ТШЗ) при различных индексах модуляции (т = 0,2-И), использовании синусоидальной ШИМ (fy = 50 Гц) для активно-индуктивной нагрузки (Ян = 20 Ом; Ьн = 0,1 Гн ) и различных частотах коммутации: йс = 1 кГц, Гк = 2 кГц, йс = 3 кГц, йс = 4 кГц. В таблице 1 приведены результаты исследования реверсивного многоуровневого преобразователя.

Таблица 1

Коэффициент Коэффициент гармоник (THD, %) при ft = 1 кГц Коэффициент гармоник (THD, %) при йс = 2 кГц Коэффициент гармоник (THD, %) при fk = 3 кГц Коэффициент гармоник (THD, %) при fit = 4 кГц

m К н кгт Кг.т Кг н Кг.т К„т Кг.н Кг.т К„т Кги Кгт Кр.т

(UBWX) (1вых) (1вх) (Ubmx) (1вых) (Ьх) (ивых) (1вых) (1вх) (Ubwx) (1вых) Ох)

0,2 160,14 3,84 45,3 158,85 2,07 45,54 162,17 1,54 45,55 158,12 2,08 44,98

0,4 82,33 2,17 40,26 81,58 1,34 40,06 84,40 1,22 41,06 81,81 1,23 40,42

0,6 47,06 1,44 35,38 47,39 1,19 35,73 46,61 1,18 34,95 46,97 1,17 34,9

0,8 40,05 1,43 32,37 40,08 1,13 32,39 41,21 1,06 32,44 39,85 1,06 32,12

1,0 28,04 1,29 28,56 28,11 1,08 28,75 28,17 1,01 28,75 28,27 0,99 28,09

На рис. 9 представлена разработанная подсистема «Measurements», позволяющая определить активную ( Р ), реактивную ( Q ), полную ( S ) мощности в фазах, а также мощность искажения ( Т ), коэффициент искажения напряжения (Ки_ц), коэффициент искажения тока (Ки_0, коэффициент мощности (Км), коэффициент гармоник напряжения (Кг_и ), коэффициент гармоник тока (Kr_i ). В скобках приведены обозначения параметров, используемые в пакете Matlab при построении подсистемы и её моделировании.

Показатели качества электроэнергии при использовании синусоидальной ШИМ (fy = 50 Гц) и частоте коммутации (йс = 2 кГц) приведены в таблице 2.

Рис. 9 Подсистема «Measurements» для определения энергетических показателей реверсивного многоуровневого преобразователя

Таблица 2

Коэффициент модуляции, m Активная мощность РФ, Вт Реактивная мощность Оф, Вар Мощность искажения Тф, Вт Полная мощность ВА Коэффициент мощности, К„ Коэффициент искажения Коэффициент Гармоник

К„.н Кит Кг.н (Цвых) к,т (1вых) Кгт (1вх)

0,2 92,88 145,9 267,1 318,2 0,29 0,54 0,99 1,54 0,021 0,45

0,4 377,2 592,4 563,6 900,5 0,42 0,78 0,99 0,80 0,014 0,40

0,6 862,2 1354 757,6 1775 0,49 0,90 0,99 0,47 0,013 0,35

0,8 1554 2442 1159 3118 0,50 0,93 0,99 0,40 0,011 0,32

1,0 2463 3869 1273 4760 0,52 0,96 0,99 0,28 0,010 0,29

Зависимость коэффициента гармоник выходного напряжения, выходного и входного токов от индекса модуляции при использовании синусоидальной ШИМ (1у = 50 Гц; йс = 2 кГц) представлена на рис.10, а и б.

а) б)

Рис. 10. Зависимость коэффициента гармоник а) выходного напряжения и входного тока; б) выходного тока от индекса модуляции при использовании синусоидальной ШИМ

Зависимость (рис. 10) показывает, что с уменьшением входного сигнала коэффициент гармоник (ТН1)) увеличивается. Из результатов исследования видно, что многоуровневые преобразователи существенно улучшают качество выходного напряжения (тока) во всем диапазоне регулирования по сравнению с двухуровневыми преобразователями. Количество уровней определяется требуемыми параметрами качества выходной энергии, мощностью АСЭ.

В приложении 5 диссертации приведены результаты исследования гармонического состава выходного напряжения, выходного и входного токов при различных частотах коммутации и даны рекомендации по выбору частоты коммутации.

В третьей главе выполнены исследования по реализации многоуровневого инвертора с питанием от источников постоянного напряжения (тока).

На рис. 11. представлена упрощённая принципиальная схема многоуровневого инвертора, а на рис. 12. приведена схемотехническая модель инвертора в пакете МаИаЬ 81тиПпк.

Рис. 11. Упрощённая принципиальная схема многоуровневого инвертора при питании от источника постоянного напряжения 17

Рис. 12. Схемотехническая модель многоуровневого инвертора при питании от источника постоянного напряжения

Эпюры выходного напряжения при использовании синусоидальной ШИМ для активно-индуктивной нагрузки (Ян = 20 Ом; Ь = 0,1 Гн), частоте коммутации йс = 2 кГц и различных индексах модуляции: а) т = 0,2; б) т = 0,4; в) т = 1, изображены на рис 13.

в)

Рис. 13. Эпюры выходного напряжения многоуровневого инвертора

18

Показатели качества электроэнергии на выходе многоуровневого инвертора, полученные в результате моделирования, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Коэффициент модуляции, ш Активная мощность Рф, Вт Реактивная мощность <3ф, Вар Мощность искажения Тф, Вт Полная мощность вф, ВА Коэффициент мощности, Км Коэффициент искажения Коэффициент гармоник

Ки.н Кит Кгн Кг.т

0,2 247,9 389,4 491,5 674,3 0,37 0,68 0,99 1,07 0,011

0,4 991,6 1558 1373 2301 0,43 0,80 1 0,74 0,009

0,6 2231 3504 2281 4739 0,47 0,88 1 0,55 0,007

0,8 3967 6230 2853 7917 0,50 0,93 1 0,39 0,005

1,0 6276 9856 3075 12080 0,52 0,97 1 0,26 0,004

Из анализа спектрального состава выходного напряжения и выходного тока видно, что многоуровневые преобразователи существенно улучшают качество выходного напряжения (тока) во всем диапазоне регулирования по сравнению с двухуровневыми преобразователями.

В третьей главе разработаны математические модели для определения спектрального состава выходного напряжения и входного тока реверсивного многоуровневого преобразователя с использованием коммутационных функций ¡7к(1), рядов Фурье и функций Бесселя.

Показано, что результаты математического моделирования выходного напряжения реверсивного многоуровневого преобразователя в пакете Ма1Нсас1 при различных индексах модуляции ш, частоте управляющего сигнала fy и частоте коммутации /К совпадают с результатами схемотехнического моделирования в пакете МайЬаЬ.

Спектральные характеристики (ТНО) выходного напряжения, выходного и входного токов многоуровневого преобразователя при питании от переменного (постоянного) тока исследуются в зависимости от различных индексов модуляции т, частоты управляющего сигнала /у и частоты коммутации /к при управлении с синусоидальной ШИМ для активно-индуктивной нагрузки.

Из анализа гармонического состава выходного напряжения (тока) и входного тока следует, что с уменьшением значения управляющего сигнала коэффициент гармоник (ТНО) увеличивается. Из результатов исследования видно, что многоуровневые преобразователи существенно улучшают качество выходного напряжения (тока) во всем диапазоне регулирования по сравнению с двухуровневыми преобразователями. Количество уровней определяется требуемыми параметрами качества выходной энергии, мощностью АСЭ.

В четвертой главе представлена техническая реализация многоуровневых преобразователей в составе АСЭ. В зависимости от технико-экономических показателей предъявляемых к системе ПЧ-АД, используются структуры ПЧ с раздельным и совместным управлением частотой и напряжением. В настоящее время наибольшее распространение получили преобразователи частоты с неуправляемым выпрямителем и автоном-

19

ным инвертором напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией, которые минимизируют влияние процессов преобразования на первичную сеть.

В работе показана взаимосвязь частоты коммутации с коммутационными потерями и их влияние на тепловые процессы в ЮВТ-модуле. Составляющая динамических потерь зависит от частоты коммутации ключа. Потери мощности в силовом модуле непосредственно влияют на КПД преобразователя и поэтому их снижение является одной из основных задач разработчиков полупроводниковых преобразователей.

В таблице 4 приведены формулы для расчета статических и динамических потерь в силовом модуле с учетом коэффициента заполнения управляющих импульсов и фазового угла.

Таблица 4

ГСВТ (Т1/Т4) Р ЗУсе0 X[(71 -ф) X соэф + эикр] + 2гсе1 X [1 + совср]21

Р.™ = х 11~п К, X / •> I Кс I/ Ку X-[1 + СОЭ ф] X С}] 271

ЮВТ (Т2АГЗ) Кео х [12 + ЗМ (ф сое ср - эт ф)] + гсеТ х ^Зтг - 2М (1 - соэ ф)2 |

Р = т хЕ ж ЭТУ ^м» К, X {V ^ т сс /ге/) Ку х—[1-созф]хО, 271

Диоды (05/06) У/0 х[12 +- ЗМ[(2ф - я) сояф - гвшф]] + /у/ х [Зя - 4М(1 + сое2 ф)]|

К, X г ч | Кс У"Г ) ку ] X-[1 + СОЗф]хО, 2п

Диоды (В1/04) Р ЗУ/0 х [-ф совф + вш ф] + 2ту7 Х[1-С05ф]2}

~ У™ Х ^я» К, X ( \ К, 1 у Ку 1 X-[1-СОЗф]х07 271

Диоды (02/03) Р ~ 1271 * ЗК/0 х[-фС08ф+8Шф] + 2г/ х[1-С08ф]2}

^ = 0

В этой же главе исследованы электромагнитные процессы в системе ПЧ-АД при прямом пуске. На рис. 14 приведена схемотехническая модель многоуровневого преобразователя при питании от трёхфазной сети в пакете МаНаЬ БтиПпк.

Эпюры токов в обмотках ротора и статора АД при управлении с синусоидальной широтно-импульсной модуляции, частоте управляющего сигнала 1у = 50 Гц; частоте коммутации йк = 2 кГц; С=100 мкФ и индексе модуляции т=0,8 изображены на рис 15 и 16.

г1

■ф

I_1_

1-г

1_и

?

М I

Рис. 14. Схемотехническая модель многоуровневого преобразователя

Ток ротора. А

ОЛ 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 О.З

Рис. 15.Ток в обмотках ротора при индексе модуляции т=0,8; С=100 мкФ; fy = 50 Гц; йс = 2000 Гц.

Ток статора. А

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.Б 0.7 0.8 0.9

Рис. 16.Ток в обмотках статора при индексе модуляции ш=0,8; С=100 мкФ; (у = 50 Гц; (к=2000 Гц.

Графики изменения частоты вращения ротора и электромагнитного момента при индексе модуляции ш=0,8; С=100 мкФ; Гу = 50 Гц; Ас = 2000 Гц изображены на рис 17, 18 и 19.

1500 1000 500 0

-500

0

0.1

0.2 03 0.4 0.5

0.8

0.7 0.8 0.3

Рис. 17. Частота вращения ротора при индексе модуляции т=0,8; С=100 мкФ;

1у=50 Гц; Ас=2000 Гц.

Момент, Ям

Рис. 18. График изменения электромагнитного момента при индексе модуляции т=0,1 С=100 мкФ; 1у = 50 Гц; Ас = 2000 Гц.

Момент. Ым

0.35 0.955 0.98 0.965 0.97 0.975 0.98 0.985 0.99 0.995 1

Рис. 19. График изменения электромагнитного момента при индексе модуляции ш=0,8;

С=100мкФ;1у = 50Гц;А< = 2000Гц.

Для рационального использования ресурсов управления в системе ПЧ-АД необходимо применять адаптивный подход к выбору вида широтно-импульсной модуляции в зависимости от частоты электромагнитного поля (ротора АД), заключающегося в переходе от прямоугольного закона управления АМН в верхнем диапазоне частот электромагнитного поля к синусоидальному на повышенных частотах квантования в диапазоне низких частот, реализация которых требует использования микропроцессорного управления и разработки соответствующего алгоритмического обеспечения.

Достижение заданных технико-экономических показателей многоуровневых преобразователей энергии в сильной степени определяется гармоническим составом выходного напряжения и потребляемого тока, методы анализа и синтеза которых для систем с импульсно-модуляционным управлением недостаточно сформализованы и требуют дальнейшего развития на основе использования коммутационных функций.

Заключение

Проведенные исследования показывают перспективность использования многоуровневых преобразователей, которые с ростом коммутируемой мощности становятся основным инструментом для реализации практически всех видов преобразования пара-

метров электрической энергии. Существенное снижение динамических потерь в полностью управляемых полупроводниковых приборах позволяет улучшить ЭМС, снизить загрузку питающих сетей неактивными составляющими мощности.

В диссертационной работе рассматривается класс преобразователей переменного напряжения в регулируемое постоянное (переменное) для АСЭ с использованием многоуровневого принципа преобразования параметров электрической энергии и применением многократной коммутации.

Приведено математическое описание способов формирования выходного напряжения (тока) и входного тока многоуровневых преобразователей на основе коммутационных функций.

Рассмотрены способы формирования выходного напряжения в однофазных многоуровневых преобразователях и определены их статические и энергетические показатели.

Представлены способы управления многоуровневыми преобразователями напряжения.

Выполнено математическое и схемотехническое моделирование многоуровневых преобразователей для определения статических и энергетических характетистик.

Приведен расчет установленной мощности многоуровневых преобразователей для различных топологий.

Рассмотрены способы управления АИН в составе ПЧ-АД с использованием многоуровневых преобразователей напряжения.

Разработаны математические модели для определения спектрального состава выходного напряжения и входного тока реверсивного многоуровневого преобразователя с использованием коммутационных функций ^(0, рядов Фурье и функций Бесселя.

Показано, что результаты математического моделирования выходного напряжения реверсивного многоуровневого преобразователя в пакете МаЙ1сас1 при различных индексах модуляции ш, частоте управляющего сигнала /у и частоте коммутации /к совпадают с результатами схемотехнического моделирования в пакете МаИлЬ.

Спектральные характеристики (Т1ГО) выходного напряжения, выходного и входного токов многоуровневого преобразователя при питании от переменного (постоянного) тока исследуются в зависимости от различных индексов модуляции т, частоты управляющего сигнала /у и частоты коммутации /к при применении синусоидальной ШИМ для активно-индуктивной нагрузки.

Из анализа гармонического состава выходного напряжения (тока) и входного тока следует, что с уменьшением значения управляющего сигнала коэффициент гармоник (ИГО) увеличивается. Из результатов исследования видно, что многоуровневые преобразователи существенно улучшают качество выходного напряжения (тока) во всем диапазоне регулирования по сравнению с двухуровневыми преобразователями. Количество уровней определяется требуемыми параметрами качества выходной энергии, мощностью АСЭ.

Анализ гармонического состава выходного напряжения и входного тока многоуровневых преобразователей для различных способов формирования и регулирования выходного напряжения, при различном числе коммутаций и различном характере нагрузке позволяет выбрать соответствующий способ регулирования и число коммутаций для повышения входных ( коэффициента мощности) и выходных (коэффициент пульсаций) показателей, а также для улучшения качества входного тока и выходного напряжения.

В диссертационной работе приведена реализация применения многоуровневых преобразователей в качестве источника питания в составе ПЧ-АД.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих изданиях:

Научные статьи, опубликованные в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун. Топологии силовой части многоуровневых преобразователей электрической энергии для судовых электроэнергетических систем // Морской Вестник,спец. Выпуск №2 (125), 2013, с.22-24. (автор-50%)

2. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун. Математическое описание электромагнитных процессов в многоуровневых преобразователях для автономных систем электропитания // Морской Вестник, спец. выпуск, №2 (125), 2013, с.40-45. (автор-50%)

Научные статьи в сборниках трудов конференций:

3. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун, Писарев. А. Ю. Структуры силовой части многоуровневых преобразователей электрической энергии для транспортных средств // Актуальные проблемы морской энергетики. П-ая Всероссийская межотраслевая НТК. Изд-во СПбГМТУ, 2013., с.216-221. (автор-50%)

4. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун. Исследование частотных свойств многоуровневых преобразователей напряжения // Актуальные проблемы морской энергетики. Ш-я Всероссийская межотраслевая НТК. Тезисы докладов., Изд-во СПбГМТУ, 2014., с. 149-150. (автор-50%)

5. Дмитриев Б.Ф., Пьей Пьо Тун, Писарев. А. Ю. Рекомендации по выбору преобразователей частоты для гребной энергетической установки // Военная радиоэлектроника: Опыт использования и проблемы, подготовка специалистов. 24-ая Межвузовская НТК. Изд-во СПбГМТУ, 2013., с.135-140. (автор-50%)

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 30.10.2014. Зак. 4707. Тир_70. 1,2 печ. л.