Исследование и разработка трёхфазных активных выпрямителей с пофазным управлением

Актуальность проблемы. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока. Введенные в последние годы международные и государственные стандарты жестко ограничивают эмиссию в сеть высших гармоник тока и создаваемые преобразователями кондуктивные искажения напряжения сети. Применение корректоров коэффициента мощности и активных выпрямителей (АВ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) позволяет кардинально улучшить влияние сетевых преобразователей на питающую сеть, увеличить коэффициент мощности, получить требуемое напряжение на стороне постоянного тока, необходимое для работы преобразователей частоты в системах электропривода и гарантийного питания.

Трёхфазные АВ обладают лучшими технико-экономическими показателями среди них наибольшее распространение получили активные выпрямители напряжения (АВН), выполняемые на базе инверторов напряжения. Если разработка силовой части таких преобразователей основывается на многолетнем опыте создания инверторов напряжения, то одной из нерешённых проблем при их создании является сложность анализа и синтеза замкнутого контура управления, обусловленная перекрестными связями и взаимовлиянием процессов управления в разных фазах. Как показывает опыт применения трехфазных АВН, наличие перекрестных связей может вызывать потери устойчивости работы систем управления и даже приводить к аварийным процессам.

При четырехпроводном подключении АВ к сети возможно применение схем, в которых осуществляется пофазное управление и перекрестные связи отсутствуют, при этом сохраняются высокие технико-экономические показатели АВ [89, 90, 92]. Среди схемных решений известны, но мало исследован АВН с дополнительным полумостом. Наряду с этим и при пофазном управлении, как и при разработке однофазных АВН и корректоров коэффициента мощности, имеются нерешенные проблемы динамики преобразователя, поскольку существующие методы анализа заимствованы из теории преобразователей, в которых отсутствует широтная модуляция коэффициента заполнения (выпрямители, преобразователи постоянного напряжения). Мало исследована специфика работы замкнутого контура управления при реализации различных видов ШИМ. Отсутствуют исследования реализации ШИМ с пассивной фазой (т.н. «векторной» ШИМ) в подобных устройствах и оценка потерь в таких системах. Недостаточно разработаны вопросы построения микропроцессорных систем управления при работе от реальной (несимметричной и несинусоидальной) сети. Решение этих задач является актуальным и обеспечит более эффективное внедрение трёхфазных АВ в промышленность, улучшит их техникоэкономические показатели и упростит процесс проектирования преобразователей.

Цель работы заключается в исследовании способов построения трёхфазных АВН с пофазовым управлением, выявлении специфики работы замкнутого контура управления трехфазных АВН при реализации различных видов ШИМ, определения влияния этой специфики на устойчивость работы замкнутого управления и выработка уточненных способов расчета контуров обратной связи, а также исследование перспектив применения в АВН с пофазным управлением ШИМ с пассивной фазой.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Произведено сравнение параметров АВН при трехпроводном и четырехпроводном подключении к сети с учетом неидеальности сети.

• Разработаны спектральные модели для анализа АВН как звена передачи информации на основе модифицированного метода переключающих функций.

• Разработана модель АВН, учитывающая модуляцию коэффициента передачи во времени, и позволяющая осуществить выбор параметров контура обратной связи.

• Произведено сравнение работы АВН с дополнительным полумостом при реализации «классической» ШИМ и ШИМ с пассивной фазой.

• Произведена разработка алгоритма МП управления АВН с дополнительным полумостом.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использованы, спектральные модели на основе модифицированного метода переключающих функций, нелинейные модели преобразователя основе пакета МаЙаЬ. Проведены эксперименты на макете Виенна-выпрямителя мощностью 1 кВт.

Достоверность научных результатов обеспечена проверкой основных результатов, полученных на основе различных методов математического моделирования, и воспроизведением зависимостей на физической модели (макете) ККМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Анализ схемы инвертора напряжения как звена передачи информации показал, что коэффициент передачи на периоде основной гармоники модулирован во времени и эту модуляцию необходимо учитывать при проектировании контура управления. Выявлено наличие второй критической частоты, равной 1/3 частоты коммутации, которая отсекает область с интенсивной низкочастотной модуляцией коэффициента передачи.

2. Предложен способ анализа устойчивости системы управления при учёте влияния низкочастотной модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени.

3. Установлено, что применение ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом позволяет значительно снизить коммутационные потери в силовых ключах преобразователей как за счет снижения среднего коммутируемого тока, так и за счет снижения напряжения в цепи постоянного тока.

4. Предложена система управления АВН с дополнительным полумостом с введением блоков для расчёта эталонных токов на основе дискретного преобразования Фурье, определены параметры этих блоков.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Использование рекомендаций для анализа устойчивости системы управления при учёте влияния низкочастотной модуляции коэффициента передачи петли обратной связи во времени позволяет повысить устойчивость и надежность работы АВН. Эта часть работы может использоваться при разработке цепей обратной связи для любых, в том числе однофазных, преобразователей напряжения с ШИМ.

2. Использование ШИМ с пассивной фазой для уменьшения динамических потерь в преобразователе, повышения КПД и снижения затрат на охлаждение приборов.

3. Использование блоков расчёта эталонного сигнала тока при помощи ДПФ позволяет повысить коэффициент мощности и, снизить кондуктивные искажения сети.

4. Использование приведенных в работе количественных зависимостей позволяет упростить процессы проектирования АВН.

На защиту выносится:

1. Спектральная модель для исследования коэффициента передачи преобразователя напряжения с ШИМ и результаты модельного эксперимента.

2. Модель для анализа устойчивости системы управления АВН с пофазовым управлением, учитывающая низкочастотную модуляцию коэффициента передачи и методику определения параметров цепи обратной связи.

3. Способ количественной оценки снижения потерь на переключения при реализации ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом.

4. Модифицированная система управления АВН, содержащая блок для расчета эталонных токов, работа которого основана на применении дискретного преобразования Фурье.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2010 и 2012 г. г.

Публикации: по результатам работы опубликовано 5 работ: 3 статьи и 2 публикации тезисов докладов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, приложений. Содержит 173 стр. текста, 27 таблиц и 97 рисунков.

Список литературы

состоит из 98 наименований на 7 страницах.

5.3. Выводы.

Исследование построения системы управления для АВН с дополнительным полумостом при реализации «классической ШИМ» и «ШИМ с пассивной фазой» позволило установить следующее:

• для исключения влияния несимметрии и несинусоидальности сети на работу системы управления необходимо введение алгоритма расчёта эталонных токов системы управления на основе ДПФ;

• введение ДПФ накладывает дополнительные ограничения на минимальную частоту дискретизации, что в свою очередь влияет на требования к вычислительной мощности;

• в схеме при реализации «классической ШИМ» обилие фильтров для каждого вводного параметра, а так же сложной функции передаточного звена делают данную процедуру обработки сигнала обратной связи очень критичной к вычислительной мощности микропроцессора;

• в схеме же при реализации «ШИМ с пассивной фазой» это требование ещё жестче благодаря появлению дополнительного сигнала предмодуляции;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. При проектировании и использовании АВН на базе трехфазных мостовых инверторов напряжения возникают нерешенные проблемы, связанные с взаимным влиянием цепей управления разных фаз друг на друга. Указанные проблемы снимаются при применении АВН с пофазовым управлением при четырехпроводном подключении к сети. Среди них преимуществами обладает схема на базе трехфазного инвертора с дополнительным полумостом, которая лишь незначительно уступает мостовому трехфазному АВН по коэффициенту мощности и создание которой не требует значительных дополнительных затрат.

2. Свойства и характеристики инвертора с широтно-импульсной модуляцией значительно отличаются от аналогичных показателей преобразователей без модуляции во времени коэффициента заполнения (преобразователи постоянного напряжения и т. п.). Частотная характеристика преобразователя с ШИМ содержит не одну критическую частоту к=АШ, а область критических частот, в которой модуль и аргумент коэффициента передачи изменяются скачком и зависят от фазового угла сигнала обратной связи.

3. Коэффициент передачи преобразователя на периоде основной гармоники модулирован во времени. Установлено, что существует вторая критическая частота, соответствующая к=АШ. Коэффициент передачи для частот выше второй критической частоты имеет интенсивную низкочастотную амплитудную и фазовую модуляцию, и эту модуляцию коэффициента передачи во времени необходимо учитывать при разработке контуров обратной связи преобразователей с ШИМ, снижая граничную частоту контура обратной связи. В противном случае при работе преобразователя возможна потеря устойчивости.

4. Предложен алгоритм выбора структуры и параметров цепей обратной связи с учетом эффекта низкочастотной модуляции коэффициента передачи.

5. Применение ШИМ с пассивной фазой в активных выпрямителях с дополнительным полумостом позволяет значительно (на ?? %) снизить коммутационные потери в силовых ключах преобразователей как за счет снижения среднего коммутируемого тока, так и за счет снижения напряжения в цепи постоянного тока. Произведена количественная оценка.

6. При использовании ШИМ с пассивной фазой происходит незначительное снижение коэффициента мощности, а так же увеличиваются пульсации в цепи постоянного тока.

7. Для исключения влияния несимметрии и несинусоидальности сети на работу АВН необходимо введение в систему управления блоков для расчёта эталонных токов на основе дискретного преобразования Фурье. Найдены расчетные соотношения для построения таких блоков микропроцессорных систем управления АВН.