Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 11
1.1. Основные этапы развития и опыт использования НПЧ 11
1.2. Анализ методов и алгоритмов управления НПЧ 16
1.3. Постановка задач исследования 26 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СХЕМ МАТРИЧНОГО И ДВУЗВЕННОГО НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ 28
2.1. Дискретная математическая модель ДНПЧ 28
2.2. Непрерывная математическая модель ДНПЧ 38
2.3. Согласование моментов коммутации ключей АВ и АИ двухзвенного непосредственного преобразователя частоты 43
2.4. Способы распределения образующих векторов АВ и АИ на периоде ШИМ 44
2.5. Анализ переменных состояния в статическом режиме работы НПЧ 47
2.6. Выводы по главе 53 ГЛАВА 3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НПЧ НА ОСНОВЕ ОДНОТАКТНОГО АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРУЮЩЕГО РЕЛЕЙНО-ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ 55
3.1. Принцип построения системы автоматического регулирования НПЧ на основе однотактного алгоритма прогнозирующего релейно-векторного управления 55
3.2. Реализация векторной САР НПЧ на основе однотактного алгоритма ПРВ управления 61
3.3 Результаты компьютерного моделирования и экспериментальные исследования основных режимов работы ДНПЧ при однотактном алгоритме ПРВ управления 63
3.4 Выводы по главе 69
ГЛАВА 4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НПЧ НА ОСНОВЕ МНОГОТАКТНОГО АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРУЮЩЕГО РЕЛЕЙНО-ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ 70
4.1. Синтез системы автоматического управления НПЧ 70
4.2. Моделирование и экспериментальные исследования режимов работы ДНПЧ на RLE нагрузку 80
4.3. Принцип построения системы автоматического регулирования асинхронного электропривода на базе НПЧ 86
4.4. Результаты моделирования САР асинхронного электропривода 88
4.5. Выводы по главе 90 ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДНПЧ 91
5.1 Основные энергетические показатели активных преобразователей 91
5.2 Методика расчета потерь и энергетических коэффициентов ДНПЧ 92
5.3 Результаты расчета энергетических показателей ДНПЧ 99
5.4 Методика выбора параметров входного и выходного RLC фильтра НПЧ 107
5.5 Влияния алгоритмов управления на энергетические показатели ДНПЧ 112
5.6 Выводы по главе 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
ЛИТЕРАТУРА 118
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 128
Введение к работе
В настоящее время все большую остроту принимает проблема энергосбережения, обусловленная не только ростом потребления электроэнергии в промышленности, но и ограниченностью запасов природных ископаемых. Одним из направлений решения указанной выше проблемы в областях силовой преобразовательной техники является использование перспективных схем преобразователей частоты (ПЧ) и применение эффективных алгоритмов для их управления.
Одной из широких областей применения силовой преобразовательной техники является электропривод переменного тока, где в большинстве случаев используются двухзвенные полупроводниковые преобразователи частоты, выполненные по схемам: неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения, управляемый выпрямитель - автономный инвертор тока. Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность, что существенно снижает их энергетическую эффективность. Кроме этого они вносят значительные искажения в питающую сеть вследствие низкого качества потребления входного тока. В связи с этим требования к влиянию различных потребителей на питающую сеть постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе преобразователей частоты. Эти обстоятельства стимулируют к использованию в составе преобразователя частоты входных квазирезонансных фильтров и фазокомпенсирующих устройств, которые частично решают выше отмеченные проблемы, но при этом увеличивают стоимость и массогабаритные показатели. Поэтому при разработке энергосберегающего электропривода переменного тока следует особо обратить внимание на вопросы согласования преобразователя частоты с питающей сетью.
Помимо требований качества потребляемой электроэнергии преобразователи частоты должны обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть. В тиристорных преобразователях частоты эта задача решается включением в состав преобразователя дополнительного вентильного комплекта, работающего в режиме зависимого инвертора. Для маломощных ПЧ используется транзистор с рекуперативным резистором в звене постоянного тока. Однако такие подходы не решают отмеченных выше проблем потребления реактивной мощности и вносимых в сеть искажений.
В настоящее время одним из перспективных направлений уменьшения потребления реактивной мощности из питающей сети при одновременной возможности двухстороннего обмена энергией и снижения уровней высших гармоник в кривой сетевого тока является применение схем активных ПЧ, использующих в силовой схеме полностью управляемые силовые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульсно-модуляционными методами. В этом случае такие преобразователи частоты, выполненные на современной элементной базе устройств силовой электроники: IGBT, IGCT, MOSFET, МСТ, GTO, обладают широкими возможностями экономичного преобразования параметров электрической энергии при соответствующем построении их силовых схем и реализации прогрессивных алгоритмов управления. С точки зрения схемотехнических решений активные преобразователи можно разделить на две группы. Первая - это двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ), состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН) или двух автономных инверторов тока (АИТ) один из которых работает в режиме выпрямления. В промежуточном звене постоянного тока устанавливается сглаживающая ёмкость для АИН или реактор для АИТ. Наличие громоздкого фильтра в промежуточном звене является одним из наиболее существенных недостатков схем ДПЧ. Однако сегодня наибольший интерес вызывает вторая группа преобразователей - непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в структуре которых отсутствует промежуточный фильтр. Как следствие, НПЧ обладает лучшими массогабаритными и динамическими показателями по сравнению с активными двухзвенными ПЧ и также как и они, представляет собой многомерный, многосвязный объект, который требует использования современных методов управления.
Поэтому поиск и реализация перспективных способов управления ПЧ, позволяющих помимо задач регулирования обеспечить электромагнитную совместимость и улучшить энергетическую эффективность НПЧ, является актуальной задачей, что подтверждается большим числом публикаций в отечественной и зарубежной литературе, посвященных этой проблематике.
Поэтому ЦЕЛЬ данной диссертационной работы состоит в повышении электромагнитной совместимости и энергетической эффективности НПЧ с помощью современных алгоритмов управления, обеспечивающих это улучшение.
Для достижения поставленной цели была проведена работа по следующим основным направлениям:
1. Обзор современных алгоритмов и методов управления ПЧ;
2. Выбор математического описания НПЧ, как объекта дискретных и непрерывных систем управления, и синтез на его основе алгоритмов управления силовыми ключами преобразователя;
3. Разработка цифровой математической модели, позволяющей исследовать работу непосредственного преобразователя частоты при изменении параметров силовой схемы и нагрузки в режимах потребления и рекуперации;
4. Разработка систем автоматического регулирования (САР) НПЧ, реализующих прогнозирующие алгоритмы управления;
5. Исследование эффективности полученных САР НПЧ;
6. Проведение экспериментальных исследований макетных и опытных образцов НПЧ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основным методом исследования, примененным в данной работе, является метод математического моделирования. Математический аппарат, используемый для моделирования работы преобразователя, базируется на теории нелинейных и дискретных систем управления, матричной алгебре и численных методах вычисления. Моделирование работы НПЧ базировалось на векторном подходе с преобразованием анализируемых величин во вращающуюся систему координат. Синтез регуляторов проводился с использованием методов теории автоматического управления и непрерывной аппроксимации дискретных коммутационных вектор-функций НПЧ. Разработка программного комплекса моделирования проводилась с помощью объектно-ориентированного программирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА представляемой диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработан алгоритм управления комплектами силовых ключей двухзвенного непосредственного преобразователя частоты (ДНПЧ), использующий векторную широтно-импульсную модуляцию (ВШИМ) в соответствии с которым предложена оптимальная по переключениям последовательность распределения образующих векторов активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ) на периоде ВШИМ.
2. Синтезированы структуры и алгоритмы САР НПЧ на основе однотактного и многотактного алгоритмов прогнозирующего релейно-векторного управления.
3. Установлено, что синтезированная САР напряжения нагрузки и сетевого тока НПЧ, использующая многотактный алгоритм прогнозирующего релейно-векторного (ПРВ) управления, обладает лучшими энергетическими показателями по сравнению с САР, реализованной на основе однотактного алгоритма ПРВ управления в диапазоне изменения коэффициента гармоник сетевого напряжения [0... 4 -г 5 ] %.
4. В результате математического и физического моделирования установлены зависимости средних частот переключения комплектов силовых ключей ДНПЧ от частоты дискретизации при однотактном алгоритме ПРВ управления и частоты ШИМ при многотактном алгоритме ПРВ управления, а проведенная оценка эффективности управления по гармоническому составу сетевых токов и выходных напряжений позволяет произвести рациональный выбор этих частот.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы:
1. Предложенный алгоритм, управления комплектами ключей АВ и АИ, обеспечивает близкие к синусоидальным формы токов на входе и выходе ДНПЧ, регулируемый сетевой коэффициент сдвига и двусторонний обмен энергии между питающей сетью и нагрузкой.
2. Математическая модель преобразователя частоты, в которой реализованы алгоритмы ПРВ управления, является удобным инструментом для исследования его характеристик функционирования, синтеза регуляторов и анализа алгоритмов управления.
3. Разработаны практические рекомендации по выбору частоты дискретизации при однотактном алгоритме ПРВ управления и частоты управления для многотактного алгоритма прогнозирующего управления в зависимости от желаемого значения среднего коэффициента гармоник по составляющим сетевого тока и напряжения нагрузки.
4. Анализ переменных состояния ДНПЧ позволил в зависимости от поставленных задач управления преобразователем частоты и параметров нагрузки, сформулировать рекомендации по выбору параметров силовой схемы и ключей полупроводникового коммутатора ДНПЧ.
5. Установлена возможность реализации мягкой коммутации одного из комплектов ключей в схеме ДНПЧ. В связи с этим разработана оптимальная по переключениям схема распределения образующих векторов АВ и АИ на периоде широтно-импульсной модуляции.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ результатов работы: 1. На основе созданной математической модели разработана компьютерная программа, которая позволяет:
— проводить исследования в статических и динамических режимах работы НПЧ при различных алгоритмах управления с возможностью изменения параметров сетевого напряжения, входного и выходного фильтров, регуляторов и нагрузки.
— снизить затраты времени и средств за счет предварительных модельных испытаний.
— проводить проектно-исследовательские расчеты.
2. Данная программа используется в учебном процессе НГТИ в курсе "Силовая преобразовательная техника", а также внедрена в ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск) и используется в исследованиях по созданию быстродействующих приводов на базе асинхронного двигателя.
3. Результаты исследований диссертационной работы нашли практическое применение при разработке и создании перспективных систем электропривода в НИИ АЭМ (г. Томск). В рамках сотрудничества при проведении совместных научных работ был создан макетный образец ДНПЧ, мощностью 4 кВА для асинхронного электропривода, обеспечивающий синусоидальность сетевого тока, возможность рекуперации электрической энергии в питающую сеть и регулирование коэффициента мощности. Разработан алгоритм управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера TMS320LF2407A, фирмы Texas Instruments.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения:
1. Предложенный алгоритм управления комплектами силовых ключей ДНПЧ, позволяющий обеспечить практически синусоидальную форму входного и выходного тока преобразователя, а также реализующий мягкую коммутацию в одном из комплектов ключей.
2. Комплекс математических моделей и результаты исследования ДНПЧ, как объекта управления.
3. Структуры и алгоритмы функционирования систем автоматического регулирования напряжения (тока) нагрузки и сетевого тока НПЧ, построенных на основе ПРВ управления, которые обеспечивают требуемое качество регулирования и позволяют демпфировать колебания напряжения и тока входного и выходного LC фильтров ПЧ.
4. Результаты сопоставительного анализа энергетической эффективности ПЧ при однотактном и многотактном алгоритмах ПРВ управления.
Похожие диссертации на Непосредственный преобразователь частоты с прогнозирующим управлением
