Исследование и разработка трёхфазных активных выпрямителей с пофазным управлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Вилков, Андрей Евгеньевич

• Вилков, Андрей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вилков, Андрей Евгеньевич

Список принятых сокращений.

Введение.

Глава 1. Способы построения трехфазных активных выпрямителей напряжения.

1.1. Постановка вопроса.

1.2. Основные соотношения.

1.2.1. Анализ по усредненной составляющей.

1.2.2. Влияние комбинационных составляющих.

1.3. Спектральное моделирование АВН.

1.4. Трёхфазный мостовой АБН.

1.5. АВН по схеме "Три однофазных полумоста".

1.6. АВН с дополнительным полумостом.

1.7. Виенна-выпрямитель.

1.8. Выводы по Главе 1.

Глава 2. Исследование коэффициента передачи преобразователя.

2.1. Выбор метода исследования.

2.2. Спектральное моделирование преобразователя.

2.2.1. Определение алгоритма моделирования.

2.2.2. Реализация алгоритма.

2.2.3. Результаты моделирования.

2.3 Выводы по Главе 2.

Глава 3. Исследование контура обратной связи при учёте модуляции коэффициента передачи во времени.

3.1. Теоретические положения.

3.1.1. Метод гармонического баланса.

3.1.2. Основа синтеза импульсных систем управления.

3.1.3. Анализ запаса устойчивости.

3.2. Методика исследования с помощью моделей Ма11аЬ ЗтиНпк.

3.3. Синтез замкнутого контура управления и анализ запаса устойчивости.

3.3.1. Реализация алгоритма.

3.3.2. Результаты моделирования.

3.4. Анализ динамических режимов.

3.4.1. Реализация модели.

3.4.2 Результаты моделирования.

3.5. Выводы по Главе 3.

Глава 4. Исследование ШИМ с пассивной фазой в АВН с дополнительным полумостом.

4.1. Принципы формирования ШИМ с пассивной фазой.

4.2. Реализация пассивной фазы в инверторе с дополнительным полумостом.

4.3. Анализ коэффициента мощности и коэффициентов пульсации.

4.3.1. Определение алгоритма моделирования.

4.3.2. Реализация алгоритма.

4.3.3. Результаты моделирования.

4.4. Оценка коммутационных потерь.

4.4.1. Описание алгоритма моделирования.

4.4.2. Реализация алгоритма.

4.4.3. Результаты моделирования.

4.5. Инвертор с пассивной фазой и дополнительным полумостом как звено передачи информации.

4.5.1. Определение алгоритма моделирования.

4.5.2. Реализация модели.

4.5.3. Результаты моделирования.

4.6. Выводы по Главе 4.

Глава 5. Микропроцессорная система управления.

5.1. Структура системы управления.

5.2. Влияние несимметрии на структуру системы управления.

5.3. Схема работы алгоритма.

5.3.1. Процедура инициализации и основной цикл.

5.3.2. Подпрограмма обработки прерывания системного таймера 50мкс.

5.3.3. Процедура формирования значений регистров ШИМ.

5.3.4. Процедура вычисления ДПФ.

5.3.5. Подпрограмма формирования эталонного тока.

5.3.6. Модификация алгоритма для работы с "ШИМ с пассивной фазой".

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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.

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Вилков, Андрей Евгеньевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вилков, Андрей Евгеньевич, 2013 год

1. Под. ред. М. Джамжиди и др.: Пер. с англ. В.Г. Дунаева и А.Н. Косилова. М.: Машиностроение, 1989.-344 с.

2. Алямкин Д.И., Анучин A.C., Дроздов A.B., Козаченко В.Ф., Тарасов A.C. Встраиваемые высокопроизводительные цифровые системы управления — М.: Издательский дом МЭИ, 2010. — 270 с

3. Белов Т. А. Динамика импульсных преобразователей / Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2001

4. Белов Г.А. Сигналы и их обработка в электронных устройствах: учеб. пособие для вузов/ Г.А. Белов. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1996.-376с.

5. Белов Г.А. Теория автоматического управления. Дискретные и нелинейные системы автоматического управления: учеб. Пособие. -Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2009

6. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы / В.А. Бесекерский. М.: Наука. - 576 с.

7. Вилков. А.Е. Исследование управления активным выпрямителем с дополнительным полумостом. Магистерская диссертация. М. МЭИ, 2010.

8. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом Додэка-ХХ1. 2001.

9. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0. Учебное пособие Спб: Корона принт. 2001, 320 с.

10. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения М.: Госстандарт 1998

11. ГОСТ 23875-79 Качество электрической энергии. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов. 1979.

12. Душин С.Е. Теория автоматического управления: учебник для вузов/ С.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др.; под ред. В.Б. Яковлева. -2-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2005. - 276 с.

13. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.:Энергоатомиздат, 1974.

14. Забродин Ю.С. Промышленная электроника, учебник для ВУЗов, М.: Высшая школа, 1982,496 с.

15. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники, учебное пособие, изд. 3-е Новосибирск: изд. НГТУ, 2004, 672 с.

16. Иванов B.C., Панфилов Д.И. Типовые схемы корректоров коэффициента мощности // Chip News (Новости о микросхемах), 1997. №9-10.

17. Калугин Н. Г. Чаплыгин Е. Е. Коррекция динамических процессоввыходных фильтрах инверторов напряжения// Электричество. 2004. -№11.-С. 25-32.

18. Каюков Д.С., Недолужко И.Г. Анализ и проектирование корректора коэффициента мощности//Практическая силовая электроника, №11, 2003.

19. Климов В.П., Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания/ДТрактическая силовая электропика, №5, 2002.

20. Козаченко В., Соловьев А. Новые DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices ADMC300/330 для высокопроизводительных систем векторного управления электроприводами переменного тока// CHIP NEWS. — 1998.—№5. —С. 16-21.

21. Козаченко В.Ф. Перспективная микропроцессорная элементная база и опыт разработки современных систем управления электроприводами и силовыми преобразователями энергии // www.motorconirol.ru/publicaiions/conirollers.pdf

22. Козаченко В.Ф., Обухов H.A., Трофимов С.А., Чуев П.В. Применение DSP-микроконтроллеров фирмы «Texas Instruments» в преобразователях частоты«Универсал» с системой векторного управления// Электронные компоненты. N4, 2002, -с. 61-64;

23. Кондратьев Д.Е. Трехфазные выпрямители с активной коррекцией коэффициента мощности и двунаправленной передачей энергии: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ, 2008. 20 с.

24. Кондратьев Д.Е., Обухов С.Г. Управление трехфазным активным выпрямителем при искажениях напряжения сети // Электричество, № 6, 2007, с. 21-32.

25. Круг К. А. Основы электротехники. Т2. М.- Ленинград- М.: Государственное энергетическое издательство. 1946.

26. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. -М. из-во Техносфера, 2011, 576 с.

27. Московка А. А. Автономные инверторы напряжения с симплексным управлением. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Москва. МЭИ. 2001.

28. МЭК 61000-3-2-95 Эмиссия гармонических составляющих токов техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний.

29. Нгуен Хоанг Ан Несимметричные режимы Виенна-выпрямителя // XII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/Тезисы докладов. М.МЭИ, 2006. с. 191

30. Нгуен Хоанг Ан Спектральный анализ корректоров коэффициента мощности с синхронным и асинхронным управлением // XI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов/Тезисы докладов. М.МЭИ, 2005. с. 188.

31. Нгуен Хоанг Ан Управление трехфазными выпрямителями с активной коррекцией коэффициента мощности: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М. МЭИ, 2006, 20 с.

32. Нечагин М.А. Исследование и разработка сетевых выпрямителей с активной коррекцией коэффициента мощности. канд. дисс., М.МАИ, 1999

33. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульсная модуляция в трехфазных инверторах напряжения// Электричество, № 8, 2008, с. 23-31.

34. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Герасимов А.А Однофазные выпрямители с корректором коэффициента мощности//Практическая силовая электроника, № 7, 2002.

35. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин A.B., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощносги//Практическая силовая электроника, №6, 2002.

36. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю., Лукин A.B., Малышков Г.М., Герасимов A.A. Моделирование повышающего преобразователя в среде Ма1:1аЬ-81ти1^//Практическая силовая электроника, № 8. 2002.

37. Олещук В.И., Чаплыгин Е.Е. Вентильные преобразователи с замкнутым контуром управления Кишинев: из-во «Штиинца», 1982, 148 с.

38. Попков О.З. Основы преобразовательной техники. Автономные преобразователи, М.: МЭИ. 2003.

39. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений. М.: «Додэка». 2000.39