Введение к работе
Актуальность темы. В связи с бурным развитием силовой электроники в
настоящее время сфера использования инверторов напряжения для питания
различных потребителей постоянно расширяется. Более того, во всем мире
наблюдается тенденция перехода от инверторов тока (АИТ) на тиристорах к
инверторам напряжения (АИН), построенным либо на базе IGBT-модулей, либо
на основе запираемых тиристоров IGCT. » *
Таким образом, на современном этапе развития преобразовательной техники доминирует принцип коммутации напряжения, что обусловлено созданием мощных силовых полупроводниковых приборов с полной управляемостью, параметры которых улучшаются из года в год.
В этой связи приобретает особое значение решение задачи структурного синтеза автономных инверторов напряжения с заданными свойствами при использовании того или иного критерия синтеза.
В отношении выбора критерия синтеза АИН следует учесть, что данный класс устройств обладает жесткой внешней характеристикой, поэтому критерий жесткости внешней характеристики ідесБне является актуальным (в отличие от АИТ, где данный параметр имеет решающее значение). Вследствие этого в случае АИН основное внимание уделяется гармоническому составу выходного напряжения. Именно этот факт послужил причиной выбора в качестве критерия синтеза АИН улучшение спектрального состава выходного сигнала инвертора.
Известные в настоящее время методы синтеза вентильных преобразователей не позволяют решить задачу структурного синтеза схем АИН в ее общей постановке, то есть синтезировать не только силовую часть, но и алгоритм управления вентилями устройства. Большая часть исследований относительно АИН модуляционного типа посвящена либо синтезу численными методами оптимального выходного сигнала (ШИМ или АИМ) по критерию подавления ближайших к основной гармоник, либо параметрической оптимизации АИН, при этом структурный синтез АИН почти не затрагивается.
Следовательно, решение задачи формализованного синтеза АИН модуляционного типа по критерию подавления высших гармоник на выходе инвертора является актуальным. Критерием синтеза в данном случае может быть либо устранение наибольшего числа высших гармоник, ближайших к основной, либо минимизация коэффициента' нелинейных искажений (КНИ) выходного напряжения АИН. Указанные критерий синтеза отличаются тем, что первый из них ориентирован лишь на несколько близких к основной гармоник, тогда как КНИ учитывает весь спектр высших гармоник на выходе АИН, что в наибольшей степени соответствует Международному стандарту ШЕЕ 519-1981, который ограничивает содержание высших гармоник до 49-й включительно.
Таким образом, задача структурного синтеза схем АИН модуляционного
типа по критерию минимума КНИ до сих пор не решена; і Решению данной
задачи уделено основное внимание в диссертационной работе. u,
Цель работы. Целью настоящей работы является* создание методов и алгоритмов формализованного синтеза автономных'инверторов напряжения модуляционного типа, а также исследование и расчет полученных схемных решений.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- синтез оптимального (в смысле'того или иного критерия) выходного
напряжения АИН модуляционного типа; ' '""''"' '«;
синтез силовой схемы и алгоритма управления вентилями АИН;
анализ полученных схемных решений.
Методы исследования. В диссертационной работе применялись:
методы эволюционной кибернетики и теория генетических алгоритмов;
теория дифференциальных уравнений;
переключающие функции вентилей;
спектральный метод (аппарат рядов Фурье);
метод основной гармоники; г,і,.
методы объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна
-
Впервые для решения задачи синтеза преобразовательных устройств использованы современные методы эволюционного, моделирования и аппарат теории генетических алгоритмов, что позволило решить задачу синтеза не только силовой части АИН, но также и алгоритма управления вентилями устройства. Кроме того, методы эволюционной кибернетики обеспечивают синтез наиболее оптимальной формы выходного напряжения АИН модуляционного типа в смысле того или иного критерия.
-
Разработан генетический алгоритм синтеза оптимального по критерию минимума КНИ одно- и трехфазного выходного напряжения АИН со ступенчатой модуляцией (СМ), при этом обеспечивается устранение на выходе АИН бесконечных массивов высших гармоник, что позволяет в подавляющем большинстве случаев на практике обойтись без введения LC-фильтров на выходе инвертора.
-
Предложены эволюционные методы синтеза различных видов ШИМ по критерию подавления ближайших к основной гармоник. Генетические алгоритмы синтеза ШИМ разработаны таким образом, чтобы обеспечить устранение максимального числа высших гармоник, ближайших к основной, при минимальных динамических потерях на коммутацию вентилей АИН - это позволяет сократить потери мощности и уменьшить габариты выходных фильтров для АИН с ШИМ.
-
Разработан генетический алгоритм синтеза по критерию минимума КНИ силовой части и законов управления вентилями АИН с СМ при заданной форме выходного напряжения и заданных исходных ветвях схемы. Это открывает возможности поиска при помощи ЭВМ новых схемных решений АИН с СМ. Приведены результаты работы генетического алгоритма в случае синтеза АИН с 1- и 2-ступенчатой оптимальной модуляцией. Рассмотрены новые схемы одно- и трехфазных АИН с СМ, причем новизна некоторых из них подтверждена свидетельствами РФ на полезную модель (ПМ).
-
Впервые предложен генетический алгоритм идентификации параметров нагрузки АИН, питающего индуктор. Это дает возможность контроля и анализа текущих параметров нагрузки в случае, когда АИН используется в качестве источника вторичного электропитания (ИВЭП) для индукционной установки.
Практическая ценность
1. Созданные на базе теории эволюционного моделирования методы синтеза оптимальной формы выходного сигнала инверторов напряжения модуляционного типа позволяют:
- в случае СМ обеспечивать минимум КНИ выходного напряжения инвертора и
подавление бесконечных массивов высших гармоник, что в ряде практических
применений исключает введение LC-фильтров на выходе АИН с СМ;
- в случае ШИМ устранять наибольшее число высших гармоник, ближайших к основной, при минимальных динамических потерях, что улучшает энергетические показатели АИН с ШИМ и уменьшает габариты выходных фильтров и их установленную мощность.
-
Генетический алгоритм синтеза по критерию минимума КНИ силовой части и законов управления АИН с СМ при заданной форме выходного напряжения и заданных исходных ветвях схемы позволяет автоматизировать процесс поиска новых схемных решений в данном классе преобразовательных устройств.
-
Синтезированные и исследованные в различных режимах работы схемы одно- и трехфазных АИН со ступенчатой модуляцией могут быть использованы для питания потребителей, критичных к форме выходного напряжения АИН и требующих для оптимального функционирования малых значений КНИ питающего напряжения. При этом все однофазные АИН с СМ разработаны таким образом, чтобы их выходной сигнал удовлетворял условию трехфазной системы напряжений, что дает возможность использовать данные устройства в трехфазных системах.
4.Предложенный генетический алгоритм идентификации текущих параметров нагрузки АИН, питающего индуктор, обеспечивает с помощью ЭВМ для обслуживающего персонала индукционной установки возможность непрерывного контроля и анализа текущих параметров нагрузки АИН в течение всего цикла технологической операции.
-
Разработанные методы расчета входного коэффициента мощности (ВКМ) для одно- и трехфазных АИН с СМ (при отсутствии выходных фильтров) позволяют оценивать энергетические показатели преобразовательной установки в целом еще на этапе проектирования. При этом доказано, что ВКМ инвертора превышает коэффициент мощности активно-индуктивной нагрузки - этот факт говорит об экономической целесообразности использования АИН в качестве ИВЭП. Необходимость учета ВКМ при проектировании АИН обусловлена жесткими требованиями на ВКМ преобразовательных установок как в нашей стране, так и за рубежом (так называемый Power Factor). Например, согласно международному стандарту IEEE 519-1992 при любых параметрах нагрузки ВКМ должен быть не менее 0,95.
-
Выведенные формулы для расчета конденсатора на входе одно- и трехфазного АИН с СМ позволяют оценить нижнюю границу необходимой емкости входного конденсатора АИН, при которой отклонения напряжения на входном конденсаторе, обусловленные возвратом реактивной мощности нагрузки, не превышают заданной допустимой величины.
Реализация и внедрение результатов работы
Все предложенные в диссертационной работе эволюционные методы синтеза доведены до практических алгоритмов и реализованы в виде программ на объектно-ориентированном языке Borland Pascal 7.0.
Создан отдельный комплекс программ исследования и расчета различных режимов работы автономных инверторов со ступенчатой модуляцией (для всех АИН, рассмотренных в работе). При этом для расчета установившегося режима работы используется спектральный метод, а моделирование переходных процессов осуществляется на базе теории дифференциальных уравнений с использованием переключающих функций вентилей.
Разработана программа расчета гармонического состава выходного напряжения АИН (как с ШИМ, так и с СМ).
Реализован в виде программы генетический алгоритм идентификации параметров нагрузки АИН, питающего индуктор.
По итогам теоретических и экспериментальных исследований создан лабораторный образец схемы АИН с СМ, синтезированной с помощью генетических алгоритмов. Исследование макетного образца инвертора и моделирование на ЭВМ различных режимов его работы показали высокую степень соответствия теоретических и экспериментальных результатов, а также работоспособность полученного нового схемного решения.
Результаты работы использованы в Институте проблем точной механики и управления ( ИПТМУ ) РАН ( г. Саратов ) для создания прецизионного электропривода переменного тока. Материалы диссертации применяются в учебном процессе, в том числе при курсовом и дипломном проектировании.
Приводятся акты о внедрении результатов диссертационной работы в промышленность, подтверждающие их экономическую эффективность.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:
на Международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 1997 г.);
на 9-й зимней школе-семинаре в рамках стран СНГ "Современные проблемы теории функций и их приложения" (Саратов, 1998 г.);
на VI Международной конференции "Проблемы современной электротехники - 2000" (Киев, 2000 г.).
В полном объеме материалы диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на кафедре СТ СГТУ (Саратов, 2000 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 7 печатных работах, а также использованы при составлении одного отчета""о" НИР. Кроме того, по результатам исследований получено 2 свидетельства РФ на ПМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа содержит 210 стр. машинописного текста, 50 стр. иллюстраций и 28 таблиц.
