Автономные инверторы напряжения с улучшенными энергетическими характеристиками в переходных и установившихся режимах

Значение преобразовательной техники в промышленности, автоматизации технологических процэссов, быту постоянно увеличивается, благодаря всё возрастающим потребностям в преобразовании электрической энергии в наиболее рациональные для пользователя вид и форму, совершенствованию элементной базы вентильных преобразователей и систем управления ими, совершенствованию методов преобразования электрической энергии. Область применения вентильных преобразователей постоянно расширяется, однако, в ряде случаев они не соответствуют требованиям к качеству электроэнергии как на их выходе так и потребляемой из питающей сети/?73) 78, 79/.

Поскольку вентили преобразователей работают в импульсном режиме, в спектре их выходного напряжения (или тока), присутствуют высшиегармоническиесоставляющие-,. Решение задачи повышения качества электроэнергии, потребляемой нагрузкой, идет в двух основных направлениях: путём совершенствования силовой части преобразователей и путём синтеза систем управления ими, реализующих Ф такие законы переключения вентилей, при которых улучшается качество электроэнергии. Наиболее известны в этой области работы Института электродинамики АН Украины, Московского энергетического, Киевского политехнического институтов, других научных и высших учебных заведений/40) 43, 48 /.

Первое направление включает, в частности, разработку трансформаторно-ключевых исполнительных структур, компенсацию реактивной мощности, мощности искажений и т. д. / 34, 69/ Вопросы, касающиеся законов управления вентилями, обеспечивающих соответствие качества электроэнергии заданному критерию (минимизации коэффициента гармоник, снижению удельного веса гармоник, ближайших к основной и т. д.), чаще всего исследованы для статических режимов или ню разомкнутых систем. В замкнутых системах преобразовательной техники, особенно при наличии быстроизменяющегося сигнала ошибки, сохранение заданного закона управления вентилями целесообразно только в установившемся режиме, если диапазон регулирования напряжения не является широким.

В переходных режимах работы, а таюке при широком диапазоне регулирования необходимо обеспечить другие законы управления, которые позволяют уменьшить длительность переходных процессов или обеспечивают благоприятные энергетические характеристики. Такую возможность можно реализовать, используя адаптивные или программноуправляемые вентильные преобразователи, т. е. преобразователи с переменной структурой системы управления. При этом необходимо организовать контроль текущих параметров качества и использовать необходимый закон управления вентилями, оптимизирующий показатели ' энергетики, ж динамики. Закон управления можно, реализовать используя либо ' - спектрально-корреляционную обработку сигналов, либо модель системы//, 7//.

Построение систем управления с моделью в последние годы существенно 'упростилось в связи с широким распространением быстродействующих микропроцессоров, позволяющих обрабатывать сигналы частотой сотни Герц по сложным законам, одновременно поддерживая обмен информацией с различными частями системы. Так как при построении модели основная часть вычислений выполняется заранее, (то не возникает принципиальных затруднений с точным учётом свойств и характеристик отдельных звеньев системы. Результатом предварительных расчётов должна являться совокупность управляющих воздействий, представленная, например, в матричном вид©и хранящаяся в постоянной памяти. Процесс регулирования «сводится к обработке, ошибки, считыванию указанных значений управляющих воздействия и передаче их на вентили преобразователя.

Наилучшим спектральным составом обладает выходное напряжение, сформированное с помощью амплитудно-импульсной модуляции //?', 62/. другой перспективный путь улучшения качества выходного напряжения преобразователей связан с использованием многозонной импульсной модуляции/4 0, 43″ /• Системы, использующие эти разновидности модуляции позволяют, как правило, обходиться без выходных фильтров, имеющих высокие массогабаритные показатели. Однако, в ряде практических задач выдвигается требование разработки бестрансформаторных систем электропитания, использующих один источник питания, что приводит к необходимости применения широтно-импульсной модуляции <�ПШМ) при формировании выходного напряжения. Существующие разновидности ШИМ либо имеют значительную долю низкочастотных гармонических составляющих з выходном спектре в. установившихся и тем более в переходных режимах работы, либо, — обеспечивая улучшенный гармонический состав выходного напряжения, не подцаются практической реализации/^О/.

Таким образом, одно из перспективных направлений создания замкнутых систем электропитания, оптимальных по' энергетическим и динамическим характеристикам, связано с разработкой систем управления автономными инверторами напряжения (АЙН), реализующих методы ШИМ и обеспечивающих улучшенный спектральный состав выходного нвпряжения и тока нагрузки путем использования соответствующих законов управления вентилями.

Целью настоящей работы является решение задачи улучшения качества выходного напряжения АШ в замкнутых системах электропитания в переходных и установившихся режимах. •

Поставленная цель потребовала решения следующих задач: — разработки и исследования метода ШИМ, позволяющего улучшить гармонический состав выходного напряжения АЙН,

— определения законов управления вентилями АЙН, обеспечивающих улучшенный спектр его выходного напряжения при отработке ошибки в процессе регулирования,

— разработки способов реализации такого вида ШММ и алгоритмов его использования в замкнутых системах электропитания,

— разработки и исследования методов улучшения спектра выходного напряжения АИН в переходных режимах работы замкнутых систем,

— практической реализации систем управления АИН, реализующих предложенные методы, их исследования и внедрения в системах электропитания для точных электроприводов.

Работа производилась в рамках рядахоздоговорных тем, выполнявшихся Северо-Кавказским горнометаллургическим институтом и Черниговским технологическим институтом по заказу КНПО «Маяк» в 1988;1990 г. г., а также в соответствии с п. 1.9.2,2.1.2.9 координационного плана научных работ по комплексной проблеме «Научные основы' электроэнергетики» на" основании которого Чериговскому технологическому институту поручено разработать методы и средства управления качеством энергетических и динамических, характеристик, полупроводниковых преобразователей. Методика исследований. При анализе напряжения и тока нагрузки в переходных и установившихся режимах использовалось непрерывное преобразование Лапласа, решение трансцендентных уравнений и их систем производилось численными методамипри анализе спектров сигналов применялась теория рядов и гармонический анализ в базисах «Фурье и Уолшасинтез модулирующих функций проводился с использованием матричного исчисленияэкспериментальные исследования по проверке теоретических положений выполнены на лабораторном образце. Научная новизна.

I. Предложен для использования новый вид широтшэ-импульсной модуляции с улучшенным гармоническим составом. Анализ показателей качества выходного напряжения АИН и тока нагрузки показал преимущество предложенной специальной ШИМ перед используемыми в настоящее время.

2. Синтезированы модулирующие функции и рассчитаны регулировочные характеристики системы управления АИН с использованием данной ПШМдля них рассчитаны коэффициенты аппроксимации.

3. Предложен метод улучшения гармонического состава выходного напряжения АШ и тока нагрузки в переходных режимах на основе цифровой фильтрации сигнала ошибкипроведён анализ показателей качества для предложенного метода и анализ влияния на них пульсаций напряжения питания.

Практическая ценность. I,. Разработаны структурные. схемы устройств, ~geавизующих-законы управления вентилями АИН по предложенной ШИМ', предложен алгоритм их функционирования.

2. Разработаны структурные схемы устройств, позволяющих улучшать спектр выходного напряжения АИН в переходных режимах работы.

3. На основе разработанных структурных схем созданы замкнутые системы электропитания, обладающие улучшенными энергетическими показателями, лабораторные исследования которых показали правильность теоретических положений.

Реализация результатов работы. Результаты ' исследований были использованы при проектировании и создании систем электропитания для прецизионных электроприводов, входящих в состав аппаратов точной магнитной записи, питающихся от сети соизмеримой мощности, на КНПО «Маяк», г. Киев. Реальный экономический эффект от внедрения составляет IDO тыс. рублей в год, а ожидаемый экономический эффект — 150 тыс. рублей в ценах 1990 г. Доля автора от внедрения составляет, соответственно, 25 и 30 тыс. рублей. Основные результаты работы обсуждались на iv и v Всесоюзных научно-технических конференциях «Проблемы преобразовательной техники» (г. Чернигов 1987 г., 1990 г.) — на П-ой и 13-ой отраслевых научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов «'Методы и средства записи и воспроизведения сигналов в системах передачи и обработки информации» (г. Киев, КНПО «Маяк», 1988 г., 1990 г.) — на 4-ой Республиканской школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Преобразование параметров электрической энергии в энергетических и технологических установках» (г. Алушта, 1989 г.) — на научно-методическом совете по специальности «Промышленная электроника» — при MB и CG0 СССР (г. Чернигов, 1991 г.) — на' семинаре «Методы и средства управления качеством энергетических и динамических характеристик полупроводниковых преобразователе^» — 'научного совета ' АН Украины по ' комплексной проблеме «Научные основы электроэнергетики» (г. Чернигов, — 1988;1992 г. г.). Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 10 статей и тезисов докладов, 2 научно-технических отчета, получены 2 авторских свидетельства СССР.

Данная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы, изложено её краткое содержание и преведены основные результаты.

В первой глав©рассмотрены основные методы построения • систем электропитания на базе АИН, критерии качества их выходного напряжения. Предложен новый вид ШИМ с частичным исключением низкочастотных гармоник. Рассчитаны рабочие точки инвертора для различных форм выходного напряженияПолучены выражения для спектральных коэффициентов выходного напряжения и тока нагрузки в замкнутой системе и выражение дяя коэффициентов гармоник по току и напряжению. Получены регулировочные характеристики системы.

Во второй главе произведён синтез различных видов модулирующих функций, обеспечивающих предложенный вид ШШ при работе АЙН. Предложен алгоритм работы и структурные схемы систем электропитания с улучшенными энергетическими показателями, определены диапазоны регулирования для различных форм используемого выходного напряжения. ;

В третьей главе предложен метод улучшения гармонического состава выходного напряжения замкнутых систем с АЙН в переходных режимах работы на о с, но ейцифровой фильтрации сигнала ошибки. Предложены и описаны структурные схемы устройств, реализующих этот метод. Произведён «анализ спектра выходного «напряжения АЙН для предложенных устройств. Рассмотрений влияние пульсаций питающего напряжения на этот спектр.

Четвертая глава посвящена разработке конкретных схем, как аналоговых, так и микропроцессорных, реализующих предложенные структурные схемы, и их исследованию. Проведены сравнительный анализ предложенных решений и сравнение с теоретическими результатами.

В приложении приводятся: программы численного решения систем трансцендентных уравнений, программы расчётов спектральных коэффициентов выходного напряжения и тока нагрузки для предлагаемых структурных и схемных решенийрезультаты расчётов, программа работы микропроцессорной системы управления на ассемблере, документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

— II

На защиту выносятся:

1. Новый вид широтно-импульсной модуляции, позволяющий сформировать выходное напряжение АИН с улучшенным спектральным составом.

2. Методика расчёта коэффициентов аппроксимации различных видов модулирующей функции, позволяющей сформировать указанную ЩММ.

3. Метод улучшения гармонического состава выходного напряжения АМН в замкнутых системах на основе цифровой фильтрации сигнала ошибки в переходных режимах работы.

4. Структурные и принципиальные схемы устройств, улучшающих энергетические показатели систем электропитания с АЙН в переходных и установившихся режимах, а также программное обеспечение приведенных микропроцессорных систем.

I. Ш№ОХНО-ШШ1ЪиНЛЯ МОДУЛЯЦИЯ О с ВЫбОГОЧНЫМ ИСКЛЮЧЕНИЕМ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ГАРМОНИК.

4.6 Выводы. —.. .

1. Разработаны электрические принципиальныесхемы тшкропроце с сорных систем управления: АИН, входящие в замкнутую САР электропривода, разработано и отлажено программное обеспечение систем на языке ассемблера. Показана возможность синтеза модулирующей функции, обеспечивающей улучшенные энергетические показатели системы, для различных форм опорного напряжения по приведенной ранее методике.

2. Разработаны устройства, позволяющие улучшить спектральный состав выходного напряжения замкнутой системы электропитания в переходных режимах работы.

3. Результаты проведенных экпериментальных исследований хорошо совпадают с теоретическими расчетами спектральных коэффициентов и показывают преимущество предложенных способов обработки сигнала ошибки в переходных режимах перед традиционными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Предложен, новый вид 11ШМ с фиксированными в определенных точках серединами импульсов выходного напряжения. Проведен анализ спектрального состава выходного напряжения и тока нагрузки АМН, использующего данный вид ШШ, показавший преимущество его перед используемыми в настоящее время видами с точки зрения• энергетических показателей.

2. Рассчитаны рабочие точки и нелинейные регулировочные характеристики АИН для предложенной ШИМ.

3. Для стационарного режима и при изменении выходного напряжения в процессе. регулированияполучены выражения для расчета спектральных коэффициентов и коэффициента гармоник тока нагрузки и выходного напряжения.

4. Предложены вида модулирующих функций в кусочно-линейном виде, позволяющих сформировать законы управления вентилями АИН, улучшающие его энеретические показатели, рассмотрены способы синтеза модулирующих функций, получены соответствующие коэффициенты аппроксимации.

5. Предложен алгоритм работы системы управления АИН с улучшенным спектральным составом выходного напряжения в динамическом режиме: Описаны разработанные структурные схемы замкнутых систем электропитания, реализующие рассмотренные законы управления вентилями.

6. Предложен метод улучшения гармонического состава выходного напряжения замкнутых систем электропитания в переходных режимах работы на основе цифровой фильтрации сигнала ошибки.

— 156

7. Проведен анализ показателей качества джя предложенного метода, а также анализ влияния на них пульсаций питающего напряжения, предложены структурные схемы следящих систем, учитывающих пульсации напряжения питания.

8. Разработаны структурные схемы систем, использующих цифровую фильтрацию сигнала ошибки в переходных режимах работы. у. Разработаны схемы и программное обеспечение замкнутых микропроцессорных систем электропитания для точного электропривода, позволяющие улучшать энергетические показатели выходного напряжения АИН.

10. Создано устройство, позволяющее улучшать спектр выходного напряжения АИН в переходных режимах работы. Экспериментальные исследования показали хорошее согласование измеренного спектрального состава с теоретическим, а также преимущество 'предложенныхвидов ¦ структур «системыуправления АИН ¦ передтрадиционными.

11. Разработанные устройства вошли в состав изделий, созданных по хоздоговорной’тематике, и внедрены на НПО «Маяк» города Киева.