Введение к работе
з
Актуальность темы. Подавляющее большинство первичных источников, в особенности нетрадиционных, таких, например, как солнечные и термоэлектрические элементы, являются дискретными по своей природе. В современной преобразовательной технике этой дискретностью часто пренебрегают, сводят ее к одному постоянному по величине источнику. При таком подходе в конструкции инвертора напряжения неизбежно будет присутствовать или низкочастотный трансформатор, или выходной фильтр, что приводит к снижению энергетических и увеличению массогабаритных характеристик устройства. Если же принять во внимание дискретность первичных источников, то появится возможность создания бесфильтрозых, бестрансформаторных автономных инверторов напряжения (АИН) на базе ступенчатой модуляции (СМ), что существенно улучшает их мас-согабаритныё и энергетические характеристики. При соответствующей схемной реализации задача оптимального синтеза СМ АИН сводится к задачам аппроксимации и регулирования напряжения.
Задача аппроксимации заключается в выборе оптимальных параметров ступенчатой функции с точки зрения минимизации коэффициента гармоник формируемого напряжения. Поэтому актуальным является углубление теории оптимального синтеза выходного напряжения АИН со ступенчатой формой кривой посредством нахождения математических моделей ступенчатых функций и исследование с их помощью влияния различных параметров на основные показатели качества электрической энергии.
В большинстве случаев задача регулирования напряжения в АИН осуществляется с помощью дополнительных силовых устройств, что приводит к снижению энергетических и увеличению массогабаритных характеристик устройства. Поэтому актуальным является создание автономных инверторов напряжения с совмещенными функциями формирования и регулирования выходного напряжения путем разработки алгоритмов, так называемого, внутреннего регулирования, учитывающих особенности ступенчатой модуляции.
Цель работы. Целью работы является развитие теории оптимального синтеза автономных инверторов напряжения со ступенчатой модуляцией посредством разработки математических моделей ступенчатых квазисинусоидальных кривых, формируемых по синусоидальному закону, споссбов-регулирования действующего значения выходного напряжения за счет использования внутренних ресурсов инвертора с одновременным сохранением высокого качества получаемой электрической энергии.
Задачи исследования. Для достижения данной цели в работе поставлены и
решены следующие основные задачи:
выбор критерия подобия для синтеза равноугловых ступенчатых кривых по синусоидальному закону;
создание математических моделей квазисинусоидальной ступенчатой кривой для выбранного критерия подобия и поиск аналитических зависимостей основных показателей качества в функции параметров ступенчатой кривой;
разработка и реализация программно-аппаратного комплекса математического и физического моделирования (ПАК МФМ) и исследование с его помощью основных закономерностей аппроксимации;
разработка алгоритма внутреннего регулирования для равноугловой модуляции по синусоидальному закону;
разработка алгоритма внутреннего регулирования для общего случая модуляции в постановке задачи оптимального синтеза;
- разработка методики расчета потерь мощности в силовой части СМ АИН.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались
методы гармонического анализа, математической статистики и нелинейного программирования, численного, имитационного и натурного моделирования, математической обработки результатов эксперимента.
Научная новизна. Найдены математические модели равноугловой ступенчатой кривой, синтезированной по синусоидальному закону, обладающие теми же видами симметрии и их сочетанием, что и базовая синусоида.
Найдены и приведены к виду, удобному для анализа, аналитические зависимости основных показателей качества электрической энергии в функции параметров ступенчатой кривой.
Проведено экспериментальное исследование найденных аналитических зависимостей с помощью специально разработанного программно-аппаратного комплекса математического и физического моделирования
Разработан алгоритм регулирования действующего значения напряжения при синтезе квазисинусоидальной ступенчатой кривой за счет изменения угла регулирования с поддержанием минимального значения коэффициента гармоник.
Определен диапазон внутреннего регулирования для ступенчатых кривых, обладающих одновременно симметрией II и Ш рода.
Показана возможность сведения задачи оптимального синтеза ступенчатой кр.чвой к задаче условно-оптимального синтеза для случая равноступенчатой модуляции.
Разработан алгоритм внутреннего регулирования действующего значения выходного напряжения за счет изменения координат ступенек для равноступен-
5--. чатой модуляции.
Разработан алгоритм внутреннего регулирования действующего значения напряжения за счет изменения амплитуд ступенек.
Практическая ценность работы. Разработанные математические модели и найденные аналитические зависимости могут быть использованы при составлении различного рода критериев оптимизации, что позволит получать решение задачи оптимального синтеза СМ АИН в общем виде.
Разработан и реализован программно-аппаратный комплекс математического и физического моделирования, позволяющий проводять всесторонние исследования уже имеющихся и вновь созданных математических моделей ступенчатых кривых.
Разработаны алгоритмы внутреннего регулирования действующего значения напряжения для равноугловой и равноступенчатой модуляций, найдены пределы регулирования для различных групп потребителей, даны рекомендации по применению. Это. позволит создавать бесфильтровые, бестрансформаторные регулируемые СМ АИН с улучшенными массогабарипшми характеристиками и высоким качеством получаемой электрической энергии.
Найдено аналитическое выражение, позволяющее оценить потери мощности в силовой части СМ АИН.
Разработанный и созданный рабочий макет СМ АИН мощностью 1кВт позволяет прозодить экспериментальные исследования различных режимов работы инвертора.
Предложен вариант универсального преобразователя на базе СМ АИН.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при проектировании автономной фотозлектрігческой системы электроснабжения для эксплуатации накопителя минеральной воды, расположенного на 82 км. автодорога «Краснодар - Джубга» и дипломном проектировании по специальности 21.01 «Автоматика и управление в технических системах».
Автор защищает:
математические модели квазисинусоидальных равноугловых ступенчатых кривых, обладающих теми же видами симметрии, что и базовая синусоида;
аналитические зависимости основных показателей качества в функции параметров ступенчатой кривой;
результаты теоретических и модельных исследований найденных математических моделей ступенчатых квазиеннусондальных кривых неполученных аналитических зависимостей;
алгоритмы внутреннего регулирования действующего значения напряжения для равноугловой модуляции;
- алгоритмы внутреннего регулирования действующего значения напряже
ния для равносгупенчатой модуляции;
- методику расчета потерь мощности в силовой части СМ АИН.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуж-
датись на: Международной научной конференции по тематике «Рациональные пути исследования вторичных ресурсов агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, 1997г); международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1997г); научно-практической конференции «Повышение эффективности работы систем электроснабжения и электрооборудования Кубани» (г. Краснодар, 1995г); научно-практической конференции «Улучшение характеристик электрических комплексов, энергетических систем и систем промышленного электроснабжения» (г. Краснодар, 1996г); региональной научно-практической конференции «Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергетических систем» (г. Краснодар, 1998г); научной. студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 1997г); на расширенном заседании кафедры электротехники Кубанского государственного технологического университета.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных работах, в том числе одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы, содержащего 109 наименований, 5 приложений, написана на 165 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков, 29 таблиц.
