Введение к работе
Актуальность проблемы. Преобразование частоты требуется для потребителей, нуждающихся в нестандартной частоте. В частности, таким потребителем является групповая двигательная нагрузка (ГДН) цеха внутришлифовальных станков. Другой важной областью применения мощных преобразователей частоты (ПЧ) являются локальные системы электроснабжения. В указанных областях в качестве инверторов целесообразно применение автономных инверторов тока (АИТ) ввиду требований большой мощности при высоком качестве кривой питающего напряжения. Функциональное назначение и условия эксплуатации нагрузки предъявляют к источнику электропитания ряд требований, тесно связанных с его динамическими свойствами. Одним из основных является требование стабилизации напряжения на нагрузке с заданной точностью при изменениях нагрузки и напряжения питающей сети. Допустимые значения отклонения напряжения частоты от номинальных значений в цепях различных приемников электроэнергии устанавливаются требованиями ряда ГОСТов. Так, ГОСТ 13109-97 устанавливает допустимые отклонения на выводах приемников электрической энергии в пределах от –5 до +5 % от номинального напряжения.
Несмотря на наличие различных методов стабилизации выходного напряжения автономных источников электропитания, по-прежнему остается актуальной проблема поиска решений, обеспечивающих повышение качества стабилизации при изменении нагрузки от холостого хода до номинального значения. Здесь имеются в виду динамические показатели качества стабилизации, такие, как время установления и колебательность переходного процесса. Анализ проблемы показывает, что ее решение находится на пути учета реальных динамических свойств функциональных частей ПЧ и придания системе стабилизации свойств адаптации к изменению величины и характера нагрузки.
Определяющими для всего ПЧ являются динамические свойства автономного инвертора. Связь динамических свойств АИТ с эффективностью системы стабилизации выходного напряжения очевидна: АИТ наряду с фильтром звена постоянного тока (ЗПТ) и компенсатором реактивной мощности являются основными инерционными звеньями этой системы. Это является основанием для глубокого исследования динамических свойств АИТ, работающего совместно с входным фильтром и компенсатором. Важность таких исследований определяется также тем, что динамика АИТ взаимосвязана с другими показателями ПЧ. В частности, влияние динамики на КПД преобразователя проявляется при резкопеременной нагрузке, поскольку при этом возникают дополнительные потери энергии тем большие, чем больше колебательность переходного процесса и его длительность. Повышение входного коэффициента мощности ПЧ часто достигается применением дополнительных фильтрокомпенсирующих устройств, что также усложняет динамику преобразователя.
Исследованиям динамики преобразователей частоты посвящены работы многих советских и российских ученых. Особенно большой вклад в решение проблем динамики преобразователей частоты внесли Г. А. Белов, А. А. Булгаков, А. С. Васильев, Г. С. Зиновьев, А. Д. Поздеев, Ю. К. Розанов, Ю. Г. Толстов, В. А. Чванов, В. П. Шипилло. Несмотря на это, ряд вопросов, связанных с исследованием влияния отдельных факторов на динамические характеристики ПЧ на основе АИТ не получил достаточного освещения в литературе. Сказанное, в частности, касается использования этой информации при синтезе адаптивных систем управления преобразователями для указанных областей применения. Таким образом, исследования по повышению качества стабилизации выходного напряжения ПЧ за счет адаптации к изменению величины и характера нагрузки являются актуальными.
Целью работы является повышение качества стабилизации выходного напряжения преобразователей частоты на основе инверторов тока за счет учета особенностей их динамики и адаптации системы управления к изменению нагрузки.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
-
Разработка методики построения дискретных динамических моделей инверторов тока.
-
Разработка методики исследования динамических свойств инверторов тока по спектрам матриц их дискретных динамических моделей.
-
Исследование динамических характеристик основных схем АИТ.
-
Разработка и исследование адаптивных нечетких систем стабилизации ПЧ на основе АИТ, построенных по методам Такаги-Сугено и Мамдани.
Методы исследования. Математическое моделирование, аппарат функций от матриц, методы нахождения собственных значений и собственных векторов матриц.
Научная новизна
-
Разработана оригинальная методика построения дискретных динамических моделей АИТ, основанная на учете структурной симметрии трехфазных мостовых схем в сочетании с использованием аппарата функций от матриц.
-
Проведенные исследования спектров матрицы дискретных динамических моделей АИТ позволили установить зависимость параметров переходных процессов от величины и характера нагрузки и параметров схемы.
-
На основании проведенных исследований дискретных динамических моделей АИТ доказано, что для повышения качества стабилизации выходного напряжения ПЧ, работающего на изменяющуюся в широких пределах нагрузку, необходимо применение адаптивных регуляторов.
-
Построены адаптивные системы стабилизации на основе нечетких регуляторов Мамдани и Такаги-Сугено, обеспечивающие высокое качество стабилизации в статическом и динамическом режимах при изменении нагрузки в широком диапазоне.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Результаты исследований позволяют проектным организациям и промышленным предприятиям при проектировании источников питания технологической нагрузки повысить качество регулирования и стабилизации выходного напряжения, а также надежность преобразователей за счет исключения бросков токов и напряжения в динамических режимах работы.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в ЗАО «Промышленная электроника» (г. Саратов) и в научно-производственной фирме ЭлЭс при Саратовском государственном техническом университете при синтезе систем управления преобразователей частоты для технологических целей.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007), XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Ростов-на-Дону, 2007), XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008), Международной научно-практической конференции «Интернет и инновации» (Саратов, 2008), XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Псков, 2009), V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2009), XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010).
Положения, выносимые на защиту
-
Учет структурной симметрии трехфазных мостовых схем АИТ в сочетании с аппаратом функции от матрицы позволяет увеличить частоту дискретизации их динамических моделей в шесть раз, что способствует повышению статической и динамической точности систем стабилизации выходного напряжения ПЧ.
-
Анализ спектра матриц дискретных динамических моделей АИТ позволяет установить характер влияния параметров силовой схемы преобразователя и величины и характера нагрузки на колебательность и время переходных процессов в ПЧ.
-
Параметры дискретных динамических моделей и субоптимальных регуляторов системы стабилизации выходного напряжения ПЧ существенно меняются при изменении величины и характера нагрузки. Так, величина субоптимального значения демпфирующего коэффициента усиления регулятора k1 при изменении параметров нагрузки в диапазонах, характерных для ГДН, изменяется в 1.8-2 раза, что требует применения адаптивных регуляторов.
-
Адаптивные нечеткие регуляторы, построенные по методам Мамдани и Такаги-Сугено, позволяют достичь высокого качества стабилизации выходного напряжения ПЧ, характеризующегося временем затухания переходных процессов, не превосходящим 3-7 периодов выходной частоты при изменении нагрузки в диапазоне, характерном для ГДН.
-
Длительность переходных процессов при коммутациях конденсаторов в предлагаемой схеме АИТ со структурой БКК, изменяемой с целью повышения качества стабилизации выходного напряжения и уменьшения потерь энергии в компенсаторе, не превосходит 7-10 периодов выходной частоты.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 139 наименований, и трех приложений, содержит 140 страниц основного текста, 59 рисунков, 2 таблицы.
