Моделирование регулируемых преобразователей частоты и разработка эффективных алгоритмов управления

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 МаЙЬаЬ, предназначенное для исследования трехфазных мостовых преобразователей частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ, доступное для инженерной практики;

• Разработано оригинальное программное обеспечение в среде Ма? ЬаЬ 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:

1. Предложен способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ШИМ.

2. Разработаны методы восстановления информации о трехфазной системе напряжений в режимах амплитудных, фазовых и частотных искажений.

3. Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде MatLab, пригодные для инженерной практики.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработано оригинальное программное обеспечение в среде MatLab для расчета обобщенного вектора при асинхронной векторной ШИМ, пригодное для инженерной практики.

2. 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).

3. Разработаны модели преобразователя частоты в режимах синусоидальной центрированной и векторной ШИМ в среде MatLab, пригодные для инженерной практики.

На защиту выносится:

1. Разработанный способ снятия ограничения на период усреднения обобщенного вектора при сохранении преимуществ векторной ТТТИМ.

2. 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.436 237.001) и БП2,0-хх (ДЕШК.436 237.007), 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, 2004 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 211 стр. текста, 100 рисунков и 6 таблиц.

Список литературы

содержит 95 наименований на 8 страницах.

1. Ануфриев И. Е. Самоучитель MatLab 5.3/б.х. СПб., БХВ-Петербург, 2002 г., 736с.

2. Аранчий Г. В., Жемеров Г. Г. Эпштейн И.И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. Энергия, 1968 г.

3. Бедфорд Д. Хофт Р. Теория автономных инверторов. Энергия, 1969 г.

4. Беспалов В. Я. Исследование асинхронных двигателей при несинусоидальном напряжении. Канд. дис., МЭИ, 1968 г.

5. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М. Высшая школа, 1983 г.

6. Бродовский В. Н. Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. Энергия, 1974 г.

7. Булатов О. Г. Олещук В.И. Автономные тиристорные инверторы с улучшенной формой выходного напряжения. Кишинев: Штииница, 1980 г., 113с.

8. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными электроприводами. Наука, 1966 г.

9. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0." Учебник для вузов, СПб.: Корона-принт, 2001 г, 320с.

10. Глазенко Т. А. Гончаренко Р. Б Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Энергия, 1969 г.

11. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. JI, Энергия, 1973 г, 304с.

12. Грабовецкий Г. В. Применение переключающих функций для анализа электромагнитных процессов в силовых цепях вентильных преобразователей частоты. Электричество № 6, 1973 г, с.42−46.

13. Дмитриев A.A. К вопросу оптимизации асинхронного двигателя с учетом динамики и несинусоидальности напряжения. Канд. дис, МЭИ, 1971 г.

14. Дьяконов В. П. Руководство по применению системы MathCad. Смоленск, Смоленский филиал МЭИ, 1992 г, 114с.

15. Дьяконов В. П. Система MathCad. Справочник, М, Радио и Связь, 1993 г.

16. Дьяконов В. П. Справочник по MathCad PLUS 7.0 PRO. CK Пресс, M, 1998 г.

17. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М. Высшая школа, 1982 г.

18. Забродин Ю. С. Скороход Ю.Ю. Трехпозиционный инвертор напряжения с широтно-импульсным регулированием. Электротехника и электромеханика № 2, 1999 г.

19. Забродин Ю. С. Критерии оценки качества выходного напряжения автономных инверторов. Электричество № 3, 1987 г.

20. Забродин Ю. С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием. М., Энергия, 1977 г., 136с.

21. Зевеке Г. В, Ионкин П. А, Нетушил А. В, Страхов C.B. Основы теории цепей. Учебник для вузов, М., Энергоатомиздат, 1989 г., 528с.

22. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. Учебное пособие изд. 2-е, Новосибирск, НГТУ, 2003 г. 664 стр.

23. Зиновьев Г. С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. Новосибирск, 1990 г. 220 стр.

24. Зиновьев Г. С. Вентильные преобразователи частоты с фазовой модуляцией для частотного электропривода. Канд. дис. НЭТИ Новосибирск, 1966 г.

25. Зиновьев Г. С. Баховцев И.А. О синтезе алгоритмов управления для АНН с ШИМ. Тиристорные преобразователи. Новосибирск, НЭТИ, 1985 г. стр.23−34.

26. Изосимов Д. Б. Рыбкин С. Е, Шевцов C.B. Симплексные алгоритмы управления трехфазным автономным инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Электротехника, № 12, 1993 г.

27. Изосимов Д. Б. Рыбкин С.Е. Широтно-импульсная модуляция напряжения трехфазных автономных инверторов напряжения. Электричество № 6, 1997 г.

28. Изосимов Д. Б. Байда. Векторный подход к задаче синтеза скользящего движения. Симплексные алгоритмы. Автоматика и телемеханика № 7, 1985 г. стр. 56−73.

29. Изосимов Д. Б. Рыбкин С.Е. Алгоритмические пути улучшения качества энергопотребления промышленными полупроводниковыми преобразователями. Электричество № 4, 1996 г.

30. Каганов И. Л. Электронные и ионные преобразователи. Госэнергоиздат часть III, 1956 г.

31. Каганов И. Л. Забродин Ю.С. Автономный инвертор напряжения с широтно-импульсным регулированием. Труды МЭИ, вып. 91, 1971 г.

32. Карпов Р. Г. Карпов Н.Р. Преобразование и математическая обработка широтно-импульсных сигналов. М., Машиностроение, 1977 г.

33. Ключев В. И. Теория электропривода М. Энергоатомиздат, 1998 г.704с.

34. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов, 3-е изд. перераб. и доп., М., Высшая школа, 2001 г., 327с.

35. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов, 3-е изд. перераб. и доп., М., Высшая школа, 1996 г., 248с.

36. Ковач К. П. Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М. ГЭИ, 1963 г, 744с.

37. Козаченко В. Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам. Chip News, № 1(34) 1999 г, стр. 2−9.

38. Козярук А. Е. Системы прямого цифрового управления в асинхронном приводе. Санкт-Петербургский государственный горный институт. АЭП-2001, Нижний Новгород, 2001 г.

39. Коровин В. В., Обухов С. Г. Виртуальные эксперименты в силовой электронике. Практическая силовая электроника. Выпуск 11/2003. стр.42−46.

40. Коровин В. В., Обухов С. Г. Визуализация эксперимента в силовой электронике. Практическая силовая электроника. Выпуск 11/2003. стр.47−53.

41. Коровин В. В., Обухов С. Г. Построение многоуровневых моделей устройств силовой электроники. X международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 215−216, М., 2004.

42. Коровин В. В., Обухов С. Г. Исследование виртуальных трехфазных импульсных модуляторов для силовой электроники. IX международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 189−190, М., 2003.

43. Коровин В. В., Обухов С. Г. Учебный стенд для исследования инвертора в системе электропривода. VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 191, М, 2002.

44. Коровин В. В., Обухов С. Г. Исследование средств силовой электроники с помощью виртуальных приборов. VII международная научнотехническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов, том 1, стр. 183, М., 2001.

45. Коровин В. В., Обухов С. Г. Модуляционные методы построения импульсных преобразователей. Практическая силовая электроника. Выпуск 19/2005.

46. Кочергин В. И. Влияние гармонических составляющих на характеристики асинхронной машины, в сб. Проектирование устройств электропитания и электропривода. Т.2, 1973 г.

47. Кочетков В. П. Троян В.А. Оптимальное управление электроприводами. Красноярск, 1987 г.

48. Кривицкий С. О. Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. Энергия, 1970 г.

49. Кривицкий С. О. Анализ переходных процессов в системе с идеальным инвертором напряжения. Электротехника № 1, 1968 г.

50. Лабунцов В. А. Анализ и синтез тиристорных автономных инверторов напряжения. Докт. дис., МЭИ, 1973 г.

51. Лабунцов В. А. Ривкин Г. А. Шевченко Г. И. Автономные тиристорные инверторы. Энергия, 1967 г.

52. Лабунцов В. А. Забродин Ю.С. Особенности работы инверторов напряжения на асинхронный двигатель. Электротехника № 11, 1971 г.

53. Лабунцов В. А. Алгоритмы переключения вентилей в автономных мостовых инверторах напряжения. Электротехника № 4, 1971 г.

54. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М., Энергия, 1978 г.

55. Писарев А. Л., Деткин Л. П. Управление тиристорными преобразователями. М., Энергия, 1975 г., 264с.

56. Платы Ь-761, Ь-780 и Ь-783. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗАО «Л-Кард», 1999 г. www.lcard.ru .

57. Мищенко. Теория, способы и системы векторного и оптимального управления электроприводами переменного тока. Теоретические вопросы электропривода. АЭП-2001., Нижний Новгород, 2001 г.

58. Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. М., Радио и Связь, 1992 г.

59. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (Pspice). М., CK Пресс, 1996 г., 272с.

60. Рудаков В. В. Столяров И.М. Дартау В. А. Асинхронные приводы с векторным управлением. Энергоатомиздат. 1987, 136с.

61. Руденко B.C., Сенько В. И., Чиженко И. М Основы преобразовательной техники. М, Высшая школа, 1980 г.

62. Сандлер A.C. Частотное управление асинхронными двигателями. Энергия, 1966 г.

63. Сандлер. A.C. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. Энергия, 1974 г.

64. Сандлер A.C. Сарбатов P.C. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями. Энергия, 1966 г.

65. Сандлер A.C. Спивак JIM. Методы расчета статических и динамических режимов асинхронного двигателя с тиристорными преобразователями частоты. АИ СССР ВНИИ машиностроения. Электромагнитные процессы в приводах с частотным управлением. Наука, 1972 г.

66. Слепов H.H. Дроздов Б. В. Широтно-импульсная модуляция. М, Энергия, 1978 г.

67. Толстов Ю. Г. Автономные инверторы, сб. Преобразовательные устройства в электроэнергетике. Наука, 1964 г.

68. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство. Пер. с нем., М., Мир, 1982 г, 512с.

69. Толстов Ю. Г. Скороваров В.Е. Инвертор напряжения, работающий на противо-ЭДС. Электричество № 12, 1972г/.

70. Харкевич А. А. Спектры и анализ. Изд. 4-е, Гос. изд. физ.-мат. лит-ры, М, 1962 г.

71. Чаплыгин Е. Е. Квазивекторная широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения. Практическая силовая электроника № 8, 2002 г.

72. Чуев П. В. Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе микроконтроллера. Канд. дис. МЭИ, АЭП, 2004 г.

73. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УрО РАН. 2000 г., 654с.

74. Шрейнер Р. Т. Поляков В.Н. Экстремальное частотное управление асинхронным двигателем. Электротехника № 9, 1979 г.

75. Шрейнер Р. Т. Кривицкий. Оптимальное частотное управление асинхронным электроприводом с учетом электромагнитных явлений. Электротехника № 1, 1974 г.

76. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. Под общей ред. Панфилова Д. И. в 2-х т., М., ДОДЭКА, 1999, 304с.

77. Эпштейн И. И. Автоматизированный электропривод переменного тока., М., Энергоатомиздат, 1982 г.

78. Blasche F. Das Prinzip der Feldorietierung die Grundlage fur Transvector Regelung von Drehfeldmasschienen/Siemens-Zeitschrift. 1971. Bd 45 H.10s.761−764.

79. Bose В., Sutherland H.A. A high performance pulse-width modulation for an invertor-fed drive system using a microcomputer. IEEE IA-19, 1983, 3, 235 243.

80. Bowes S.R., Davies T. Microprocessor-based development syste for PWM variable-speed drivers. IEEProcB, 1985, 132, 18−45.

81. Duarte J.L. Alternative method of estimating the rotor time constant for vector control of inductor machines. Technical University of Eindhoven, Nederland, VSD-2001, Nizhny Novgorod.

82. Egan M.G., Murphy J.M. A novel analytical study of distortion minimization PWM. EPE Conf. Ree., 1985, 1, 2.113−2.119.

83. Holtz J. Pulsewidth modulation IEEE Trans. Ind. Electron., 1992, vol. 39, № 4.

84. H. van der Broelc. Analysis of the harmonics in voltage fed inverter drives by causes by PWM schemes with discontinuous switching operation. Proceeding of EPE-91 Conference, Frieze, Italy 1991.

85. Kramarz W., Afonin A., Cierzniewski P. Elektromechaniczne przetworniki energii z komutacja electronika. Szczecin, 2000. 242 p.

86. Kazmierkowski M., Tunia H. Automatic Control of Converter Fed Drives. ELSEVIER Amsterdam-London-New York-Tokio. PWN-POLLISH SCIENTIFIC PUBLISHERS. Warszawa, 1994, s.559.

87. Leonard W. Control of Electrical Drives. Springer Verlag 1985.

88. Koulisher J., Mathys P., Bingen G. Computer-aided Choice of Digital PWM Stratygies. Department of Industrial Electronics, Universe Libre de Bruxelles (Belgium). 0275−9306/86/0000−0049 IEEE 1986.

89. Murphy J.M., Egan M.G. A comparison of PWM strategy for invertor-fed induction motor. IEEE IA-19, 1983, 363−369.

90. Mathys P., Koulischer J. Modulauteur hautes performance pour onduleurs a tranzitors. EPE Conf. Ree., 1985, 1, 2.105−2.111.

91. MOTOR DRIVE STARTER KIT ASM750. Manual and Design Guide. Infineon Technologies AG 1999 r.

92. Pfaff G. Wick A. Direkte Stromregelung bei Drehstromantrieben mit Pulsewechselrichter // Regelungstechnische Praxis 24/1983 № 11, s.472−477.

93. Szczesny R. Komputerowa symulaeja ukladow energoelektronicznych. Wyd. Politechniki Gdanskej, 1999.1.