Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время наиболее актуальным становится сокращение количества этапов преобразования электрической энергии на пути от источника до потребителя. Одним из направлений достижения указанной выше тенденции является использование перспективных схем преобразователей частоты (ПЧ) и применение эффективных алгоритмов для их управления.
Одной из наиболее широких областей применения силовой преобразовательной техники является частотно-регулируемый электропривод переменного тока, поскольку он обладает большими потенциальными возможностями оптимизации производственных процессов, роста производительности, экономии трудовых и энергетических ресурсов. В большинстве случаев в них используются двухзвенные полупроводниковые ПЧ, выполненные по схемам «неуправляемый выпрямитель - инвертор» и «управляемый выпрямитель - инвертор». Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии от сети переменного тока, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность, что существенно снижает их энергетическую эффективность. Кроме того, они вносят значительные искажения в питающую сеть вследствие низкого качества входного тока.
Требования к питающей сети постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе ПЧ. Эти обстоятельства стимулируют использование в их составе входных фильтров, которые частично решают отмеченные выше проблемы, но при этом увеличивают стоимость и ухудшают массогаба-ритные и динамические показатели. Поэтому особого внимания заслуживают вопросы согласования ПЧ с питающей сетью. Помимо требований по качеству потребляемой электроэнергии, современные ПЧ также должны обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть.
Одним из перспективных направлений уменьшения потребления реактивной мощности из питающей сети при одновременной возможности рекуперации энергии и снижения уровня высших гармоник сетевого тока является применение схем активных ПЧ, использующих в своей схеме полностью управляемые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульсно-модуляционными методами. С точки зрения схемотехнических решений активные ПЧ можно разделить на две группы:
Упомянутые выше двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ), состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН) или тока (АИТ) один из которых работает в режиме выпрямления. В промежуточном звене постоянного тока устанавливается сглаживающий конденсатор для АИН или реактор для АИТ. Наличие громоздкого фильтра в промежуточном звене является одним из наиболее существенных недостатков схем ДПЧ.
Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в структуре которых отсутствует промежуточное звено. В настоящее время все больший интерес вызывает такая разновидность схем НПЧ, как матричный преобразователь частоты (МПЧ). МПЧ, обладая лучшими массогабаритными и динамическими показателями, так же
как и ДПЧ, представляет собой многомерный объект, который требует использования современных методов управления. Помимо сложности управления, остро стоит вопрос повышения надежности коммутации ключей МПЧ, которая осуществляется более сложно, чем в схемах ДПЧ.
Можно добавить, что развитие современной элементной базы и новые технические возможности дали толчок к развитию новых принципов управления, нереализуемых ранее ввиду своей сложности. Все это позволяет вести разработку экономичных, высокопроизводительных и компактных систем.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании и реализации перспективных способов управления МПЧ, позволяющих помимо задач регулирования обеспечить электромагнитную совместимость с питающей сетью и улучшить энергетическую эффективность.
Актуальность выбранной цели подтверждается большим числом публикаций в отечественной и зарубежной литературе, посвященных этой проблематике. Для достижения поставленной цели была проведена следующая работа:
Разработка математической и имитационной моделей МПЧ, исследование режимов работы и алгоритмов управления.
Повышение надёжности коммутации ключей в МПЧ и улучшение качества преобразования электрической энергии.
Исследование влияния несимметричности напряжения питающей сети на качество входного тока.
Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром.
Практическая реализация экспериментального образца МПЧ для регулируемого асинхронного электропривода в составе лабораторного стенда.
Методы исследования базируются на общих положениях теории цепей, методах математического и численного моделирования, линейной алгебре, теории нелинейных и дискретных систем управления и теории цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования, примененным в данной работе, является метод математического моделирования. Результаты экспериментальных исследований фиксировались с помощью современных средств измерения. При обработке результатов теоретических и экспериментальных исследований широко применялось современное программное обеспечение.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается как на этапе моделирования разработанных систем, так и многочисленными экспериментальными результатами.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ.
Способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ.
Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром и методика расчёта параметров входного фильтра.
Результаты исследований составленных имитационных моделей МПЧ и экспериментального образца.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработанный комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ отличается от известных сочетанием преимуществ 4-х ходовых способов коммутации по току и напряжению.
Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ позволяет компенсировать задержку переключения присущую 4-х ходовым способам коммутации.
Проведённый анализ устойчивости системы и предложенная методика расчёта параметров входного фильтра используют методы усреднения и линеаризации системы, что облегчает выполнение расчетов.
Практическая ценность работы определяется следующими положениями:
Разработанный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ обеспечивает существенное сокращение количества неверных коммутаций и повышает надежность системы в целом.
Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ обеспечивает уменьшение искажений в кривых входных и выходных токов и напряжений.
Установленные зависимости максимальной выходной мощности МПЧ и максимального коэффициента передачи напряжения от параметров входного фильтра позволяют оценить устойчивость системы и рассчитать необходимые параметры входного фильтра.
Разработанные имитационные модели системы позволяют проводить исследования работы МПЧ при изменении параметров силовой схемы в режимах потребления и рекуперации, а также алгоритмов модуляции.
Реализованный в лабораторных условиях экспериментальный образец МПЧ может быть использован для дальнейших исследований.
Основные практические результаты диссертации состоят из исследований экспериментального образца преобразователя частоты матричного типа и реализованного на его основе регулируемого асинхронного электропривода мощностью 4 кВт.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Системы автоматического управления электроприводами» Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова; научной конференции студентов и аспирантов «Электротехника, электромеханика и электротехнологии в XXI веке» (к 80-летию профессора А. Д. Поздеева), г. Чебоксары, 2009 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано четыре научных работы, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы (76 наименований), приложений и изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 102 рисунка. Приложение к диссертации представлено на одной странице. Основные результаты работы получены автором лично.
