Введение к работе
Актуальность работы. Одной из тенденций современного промышленного производства является рост энергоемких технологий при возрастающей сложности получения энергии и дефиците доступных энергоресурсов. В связи с этим задачами, стоящими перед промышленностью и наукой, являются широкое внедрение энергосберегающих технологий и расширение производства менее энергоемкого оборудования.
Одним из путей решения поставленных задач является повышение эффективности преобразования электрической энергии вентильными преобразователями, в частности автономными инверторами напряжения (АИН), которые благодаря своим характеристикам нашли широкое применение в системах электроснабжения' переменным током и установках частотно-регулируемого электропривода. Энергоэффективность прежде всего зависит от качества входной и выходной энергии, определяющего дополнительные потери соответственно во входных цепях и нагрузке инвертора, и от потерь в самом преобразователе.
Энергетические характеристики инвертора напряжения во многом определяются способами его управления, которых к настоящему времени разработано большое количество. Причем, у разработчиков большой интерес вызывают способы программного управления (СПУ). Во-первых, это связано с тем, что АИН благодаря свои свойствам (жесткость внешней характеристики, независимость выходного напряжения от нагрузки) вполне обеспечивают многие требования к его выходным параметрам без замыкания по ним обратных связей. Во-вторых, многие способы управления с обратными связями (например, по отклонению) имеют в своей основе тот или иной СПУ. Данные способы управления АИН с синусоидальной широтио-импульсной модуляцией (ШИМ) и являются предметом настоящей работы.
В современных условиях помимо эффективности преобразования электрической энергии в пакет требований к преобразователям обязательно включаются способность их систем управления к комплексной диагностике и защите всей системы в целом, высокая надежность работы, а также необходимость целого ряда дополнительных сервисных возможностей, реализация которых позволяет адаптировать преобразователь к конкретной задаче пользователя. Перечисленным требованиям в полной мере могут удовлетворить только микропроцессорные системы управления (МПСУ).
Таким образом, с учетом растущих требований к вентильным преобразователям электрической энергии, работающим в составе различного электрооборудования, задача разработки энергооптимальных законов программного управления автономными инверторами напряжения и их микропроцессорная реализация является актуальной.
Тема диссертации тесно связана с тематикой научно-исследовательских работ, проводимых в НИЛ Энергооптимизации преобразовательных систем (ЭОПС) на кафедре промышленной электроники Новосибирского государственного технического университета.
Целью диссертационной работы является разработка подходов к синтезу энергооптимальных способов программного управления АИН, сравнительный анализ синтезированных способов с известными, а также их реализация средствами микропроцессорной техники.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались прямые методы анализа энергетических показателей вентильных преобразователей, аппарат коммутационных функций и функций Бесселя, интегральные преобразования Фурье, теория бесконечных и конечных рядов, теория графов, численные методы решения трансцендентных уравнений. Количественные расчеты проводились с применением ЭВМ типа IBM PC.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
в декомпозиции как способа программного управления АИН, так и процесса его синтеза, на три относительно независимые составляющие;
в разработке методик синтеза компонент способа управления;
в предложении нового критерия сравнительного анализа энергоэффективности различных способов управления АИН - приведенного интегрального коэффициента гармоник напряжения;
в полученных аналитических выражениях, описывающих поведение составляющих выходного напряжения трехфазного АИН и его интегральных энергетических показателей для классических способов ШИМ;
- в результатах сравнительного анализа синтезированных способов
управления с известными способами.
Практическая ценность работы.
-
Разработаны способы программного управления АИН (СШИМ-1, СШИМ-2, СШИМ-3).
-
Полученные в замкнутом виде выражения позволяют без проведения гармонического анализа вычислить все составляющие и ряд интегральных характеристик выходного напряжения трехфазного АИН с классиче-
5 скими способами ШИМ при соединении нагрузки в звезду как с нулевым, так и без нулевого провода.
-
Разработаны алгоритмы микропроцессорной реализации синусоидальной двусторонней ШИМ в АИН для случая кратных и некратных частот модуляции и коммутации, в разомкнутых и замкнутых системах (в частности, в частотном электроприводе и в автономных системах электроснабжения). Выявлены особенности и пути микропроцессорной реализации синтезированных программных способов управления АИН.
-
Для ряда из перечисленных случаев разработаны структурные схемы аппаратного и программного обеспечения МПСУ, для остальных даны рекомендации по реализации.
Практические результаты работы нашли свое отражение в МПСУ и соответствующем программном обеспечении как собственно инвертором напряжения, так и частотным электроприводом в целом, разработанных при выполнении совместных работ кафедры с рядом предприятий Москвы, Санкт-Петербурга, Запорожья и Новосибирска. Некоторые результаты диссертационной работа также использованы автором в учебном процессе - в курсе лекций для студентов 4-5-го курсов факультета РЭФ НГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", Киев, 1979 г.; Восьмой научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу, Ташкент, 1979 г.; Всесоюзном совещании "Проблемы управления промышленными электромеханическими системами", Тольятти, 1982 г.; Всесоюзном совещании "Цифровые методы управления преобразовательными устройствами и электроприводами на их основе", Запорожье, 1984 г.; Седьмой научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями", Свердловск, 1986 г.; 3-й международной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы автоматики", Новосибирск, 1996; 3-й международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-96, Новосибирск, 1996; 4-й международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-98, Новосибирск, 1998.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, из которых две - в центральных журналах, а также получены авторское свидетельство на изобретение и патент.
., Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, содержит 186 стр. основного текста, 45 стр. иллюстраций, 18 таблиц, 183 наименовашш использованной литературы, 37 стр. приложений.
