Содержание к диссертации
Введение 5
1. Общая характеристика регулируемых преобразователей частоты
с импульсной модуляцией 9
Требования, предъявляемые к регулируемым преобразователям частоты с импульсной модуляцией 9
Способы формирования и регулирования
выходного напряжения в преобразователях частоты 11
1.3. Методы исследования системы преобразователь
частоты - нагрузка 14
Необходимость компактного представления информации о процессах в системе преобразователь частоты - нагрузка 23
Постановка задач исследования 25
2. Представление информации о системе АИН-нагрузка с
помощью обобщенного вектора 27
Разработка дискретной модели обобщенного вектора трехфазной симметричной системы напряжений 27
Разработка дискретных моделей обобщенного вектора при
амплитудных, фазовых и частотных искажениях трехфазной
системы напряжений 33
2.3. Разработка дискретной модели обобщенного вектора в
системе АИН - нагрузка 43
Выводы по главе 2 47
3. Анализ возможностей трехфазного мостового преобразователя
частоты в режиме синусоидальной центрированной ШИМ 48
3.1. Специфика применения метода обобщенного вектора
для анализа возможностей трехфазного мостового ПЧ 48
Учет влияния высокочастотных гармонических составляющих в выходном напряжении ПЧ на обобщенный вектор 54
Расчет годографа обобщенного вектора в режиме синусоидальной центрированной ШИМ 65
Исследование режима вырождения синусоидальной центрированной ШИМ 71
Анализ способов повышения выходного напряжения ПЧ. Достоинства и недостатки предлагаемых методов 79
Выводы по главе 3 92
4. Анализ возможностей трехфазного мостового преобразователя
частоты в режиме векторной ШИМ 93
4.1. Расчет годографа обобщенного вектора в режиме
векторной ШИМ 93
4.2. Получение максимального линейного напряжения
методами векторной ШИМ 98
Регулирование выходного напряжения преобразователя частоты в режиме векторной ШИМ 106
Выбор оптимального положения интервала «привязки» 111
Расчет напряжения смещения в режиме ВШИМ 120
Исследование режима вырождения векторной ШИМ 126
Учет влияния интервала «мертвого» времени на выходное напряжение преобразователя частоты и
годограф обобщенного вектора 130
4.8. Разработка основных принципов асинхронной
векторной модуляции 134
Выводы по главе 4 143
5. Экспериментальные исследования преобразователя частоты
в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ 144
Макет для экспериментальных исследований 144
Компактное представление информации о процессах
в системе АЙН - нагрузка 147
Индикация годографа обобщенного вектора при амплитудных и фазовых искажениях 150
Получение максимального линейного напряжения методами векторной ШИМ 154
Выбор интервала усреднения обобщенного вектора 155
Заключение о проделанной работе 157
Список использованных источников 158
Приложение 1. Программа для компактного представления
процессов в системе АИН- нагрузка 166
Приложение 2. Программа для расчета обобщенного вектора при
амплитудных, фазовых искажениях и получения
максимального линейного напряжения, равного
напряжению источника питания 177
Приложение 3. Программа для усреднения обобщенного вектора при
синхронной и асинхронной ВШИМ 201
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные преобразователи частоты (ПЧ) обеспечивают формирование и регулирование основной гармоники выходного напряжения методами импульсной модуляции. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) по синусоидальному закону получила наибольшее распространение на практике, несмотря на низкое использование напряжения источника питания. Низкое использование напряжения источника питания ПЧ в режиме синусоидальной центрированной ШИМ, например в области электропривода, приводит к недоиспользованию асинхронного двигателя по напряжению приблизительно на 15%. Поэтому одной из задач проектирования и разработки ПЧ является увеличение полезной составляющей выходного напряжения на нагрузке.
Существуют два подхода к решению данной задачи: модифицирование алгоритмов синусоидальной центрированной ШИМ путем введения третьей гармоники синусоидального сигнала, пилообразного сигнала и т.д. и переход к широтно-импульсной модуляции базовых векторов или векторной ШИМ (ВШИМ). Модификации синусоидальной центрированной ШИМ имеют существенный недостаток - ухудшение гармонического состава выходного напряжения ПЧ. Более перспективным средством достижения поставленной цели является векторная ШИМ, которая позволяет увеличить выходное напряжение преобразователя частоты при снижении коммутационных потерь в силовых ключах инвертора на 1/3.
Вместе с тем возможности ВШИМ не исчерпываются известными алгоритмическими решениями: формированием и регулированием выходного напряжения ПЧ методами синхронной ВШИМ. Не исследованы возможности векторной ШИМ для получения максимального неискаженного линейного напряжения, равного напряжению источника питания на выходе ПЧ, отсутствуют модели АИН - нагрузка в режиме векторной ШИМ, пригодные для инженерной практики, не исследованы возможности
снижения коммутационных потерь в силовых ключах инвертора, за счет перехода к асинхронной ВШИМ (АВШИМ). Данная работа призвана восполнить вышеуказанные пробелы.
В диссертации исследуются возможности преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ с целью распространения преимуществ векторной ШИМ на другие виды импульсной модуляции.
Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании трехфазного мостового регулируемого преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ для разработки алгоритмов управления с минимизацией коммутационных потерь и выходным напряжением, равным напряжению источника питания.
Для выполнения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
Исследованы возможности трехфазного мостового регулируемого преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ при помощи метода обобщенного вектора;
Проведен анализ результатов исследований с тем, чтобы распространить преимущества векторной ШИМ на другие виды импульсной модуляции.
Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab, предназначенное для исследования трехфазных мостовых преобразователей частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ, доступное для инженерной практики;
Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для компактного и наглядного представления процессов в системе АИН-АД;
Сопоставлены результаты теоретического исследования с экспериментальными.
Методика исследований базируется на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования MatLab и MathCAD.
Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах MatLab и MathCAD, сравнениями с решениями других авторов и практическим экспериментированием на преобразователе частоты мощностью 750 Вт. Научная,новизна работы заключается в следующем:
Предложен способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ШИМ.
Разработаны методы восстановления информации о трехфазной системе напряжений в режимах амплитудных, фазовых и частотных искажений.
Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде MatLab, пригодные для инженерной практики.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для расчета обобщенного вектора при асинхронной векторной ШИМ, пригодное для инженерной практики.
Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для сжатия информации о процессах в системе АИН-нагрузка, позволяющее наглядно представлять амплитудные, фазовые и частотные искажения трехфазной системы напряжений (токов).
Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде MatLab, пригодные для инженерной практики.
На защиту выносится:
Разработанный способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ШИМ.
Разработанный способ смещения интервала «привязки» при сохранении преимуществ векторной ШИМ.
Реализация результатов работы.
Разработанные методы оценки амплитудных и фазовых искажений могут быть применены при тестировании блоков КП600-А (ДЕШК.436237.001) и БП2,0-хх (ДЕШК.436237.007), входящих в состав источников бесперебойного питания на предприятии ЗАО «Связь Инжиниринг П» (Москва).
Разработанные модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ применяются на кафедре «Промышленная Электроника» в учебном и лабораторном курсе «Микропроцессорные устройства управления и диагностики», читаемые в Московском Энергетическом Институте.
Апробация работы. По результатам диссертации опубликовано 8 работ: 4 статьи и 4 публикации тезисов докладов. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры «Промышленной Электроники» МЭИ и 4-х международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов.
Работа была дважды награждена почетными дипломами 2-ой степени за научный вклад на девятой и десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва, 2003 г, 2004г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 211стр. текста, 100 рисунков и 6 таблиц. Список литературы содержит 95 наименований на 8 страницах.
