Многоуровневые и многофазные преобразователи напряжения прецизионных систем электропривода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Вертегел Денис Александрович

• Вертегел Денис Александрович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Вертегел Денис Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ТОПОЛОГИЙ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

1.1 Трехфазный инвертор с блокирующими диодами

1.2 Трехфазный инвертор с навесными конденсаторами

1.3 Трехфазный инвертор с Н-мостовыми ячейками

1.4 Трехфазный несимметричный инвертор

1.5 Пятифазный инвертор

1.6 Анализ различных алгоритмов ШИМ для многоуровневых инверторов напряжения

1.7 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНАЯ ШИМ В МНОГОУРОВНЕВЫХ И МНОГОФАЗНЫХ ИНВЕРТОРАХ НАПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Разработка математической модели многоуровневого инвертора напряжения с ПВШИМ

2.2 Разработка математической модели многофазного инвертора напряжения с ПВШИМ

2.3 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШИМ НА УРОВЕНЬ ПУЛЬСАЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1 Разработка математической модели многофазного вентильного электропривода

3.2 Оценка влияния импульсного характера источника питания ВД

3.3 Исследование электромагнитных процессов в трехфазном ВД при питании его от многоуровневого инвертора напряжения

3.4 Исследование электромагнитных процессов в пятифазном ВД при питании его от многофазного инвертора напряжения

3.5 Сравнительный анализ характеристик прецизионного электропривода на базе трехфазного многоуровневого и пятифазного инверторов напряжения

3.5 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОФАЗНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЕГО РАБОТЫ

4.1 Симметричные полигармонические многофазные системы

4.2 Несимметричные полигармонические т-фазные системы

4.3 Влияние асимметрии на величину тока и электромагнитного момента

4.4 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты моделирования для 3-, 4- и 5-уровневого трехфазного инвертора напряжения

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты моделирования для пятифазного инвертора напряжения

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Модель многоуровневого трехфазного инвертора напряжения в MatLab/Simulink

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Модель пятифазного инвертора напряжения в MatLab/Simulink

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоуровневые и многофазные преобразователи напряжения прецизионных систем электропривода»

ВВЕДЕНИЕ

Разработка систем прецизионного электропривода телескопов траекторных измерений (ТТИ) относится к одной из наиболее сложных задач электромеханики. Это обусловлено тем, что особенности проектирования электропривода подобных систем требуют обеспечения уникально высокой точности наведения (порядка единицы угловой секунды) в процессе совмещения оптической оси ТТИ с линией визирования наблюдаемого движущегося объекта при одновременном обеспечении пространственной стабилизации поля зрения ТТИ и оптического изображения в его фокальной плоскости. Вместе с тем к электроприводу ТТИ предъявляются жесткие требования по обеспечению широкого диапазона регулирования скорости вращения, который для современных ТТИ составляет от единиц угловых секунд в секунду до десятков градусов в секунду [1, 2, 3, 64].

Рисунок 1 - Станция наблюдения «Сажень-ТМ» системы ГЛОНАСС на базе

университета Де Бразилиа

В настоящее время ТТИ играют ключевую роль при обнаружении и сопровождении движущихся объектов как в околоземном пространстве, так и на больших удалениях от Земли. Современные широкопольные и узкопольные ТТИ, которые проектируются в нашей стране с применением перспективных

прецизионных электроприводов, разработанных на базе НПЦ «ПЭ» Университета ИТМО, обеспечивают уникальный точностные и динамические характеристики, удовлетворяя самым жестким требованиям к условиям эксплуатации (рис. 1) [1, 2, 64].

В общем случае ТТИ можно рассматривать в качестве двухосных (по азимуту и углу места) роботехнических комплексов, при этом вращающиеся массы телескопов могут определяться значениями от десятков килограммов вплоть до десятков тонн. При этом важно учитывать, что на динамические и точностные характеристики ТТИ постоянно оказывается существенное негативное воздействие со стороны таких факторов, как сухое и вязкое трение кабельных переходов и подшипниковых узлов, неидеальность электрической машины в виде пульсаций зубцового момента, хаотический характер ветровых и динамических нагрузок, нежесткость и резонансы конструкции опорно-поворотного устройства (ОПУ) [64, 66, 67].

В связи со всем вышеперечисленным, в качестве ключевых проблем, которые возникают в ходе проектирования прецизионных электроприводов телескопов, следует выделить:

• реализация широкого диапазона регулирования скорости вращения (на уровне 1:20000) при одновременном обеспечении минимального значения среднеквадратической ошибки слежения (порядка 1-2");

• поддержание плавности перемещения оптической оси ТТИ при обеспечении инфранизких скоростей вращения с учетом конечной жесткости конструкции ОПУ, которая обуславливает возможность проявления низкочастотных резонансных эффектов;

• неполное соответствие между реальными параметрами ОПУ и расчетными значениями, в связи с чем на этапе разработки системы управления отсутствует возможность исследовать процессы с использованием достоверной математической модели [64, 67].

Таким образом, в процессе проектирования прецизионного электропривода ТТИ следует уделять особое внимание упрощению кинематических передач. В связи с чем в конструкции ОПУ, как правило, применяется безредукторный электропривод с интегрированным высокоточным датчиком положения ротора [64, 65].

Таким образом, для обеспечения высокой точности в процессе слежения за движущимися объектами важно уделять особое внимание конструктивному исполнению каждого из узлов ТТИ, ключевыми из которых являются оси ОПУ, которые в ходе моделирования и проектирования электропривода описываются многомассовыми моделями (рис. 2). При этом быстродействие системы управление определяется в первую очередь частотами резонанса осей ОПУ, обусловленными нежесткостью конструкции [1, 2, 64].

Рисунок 2 - Структурная схема имитационной модели ОПУ большого

алтайского телескопа

Таким образом, для достижения требуемых точностных и динамических характеристик всей системы на прецизионный электропривод возлагается задача компенсации негативных воздействий, вызванных неидеальностью конструкции ОПУ [1, 2, 64].

В свою очередь, проектирование частотно-регулируемого электропривода неразрывно связано с применением автономных инверторов напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которые выступают в роли управляемых усилителей мощности. При этом важно учитывать, что в основе работы данного типа преобразователей заложен импульсный режим работы полупроводниковых ключей, в связи с чем помимо основной гармоники тока и напряжения данные преобразователи генерируют высокочастотные гармоники, частоты которых кратны частоте коммутации полупроводниковых ключей. Высокочастотные пульсации тока в результате неизбежно приводят к формированию высокочастотных пульсаций электромагнитного момента в электрической машине, что безусловно ухудшает точность наведения, в связи с чем пульсации момента являются крайне нежелательными для систем прецизионного электропривода [4].

В силу этих причин при проектировании прецизионных электроприводов ТТИ необходимо учитывать не только упругие связи осей опорно-поворотных устройств и возмущающие воздействия, обусловленные силами трения в подшипниках и кабельных переходах, но и дискретный характер протекания электромагнитных процессов в электрической машине и инверторе напряжения [1, 2, 3].

В то же время генерация высших гармоник напряжения и тока преобразователями частоты может также приводить к нарушению нормальной работы вычислительной техники, возникновению ложных срабатываний защитной аппаратуры, отказам источников питания и силовых конденсаторов, перегреву изоляции двигателей, а также к ухудшению уровня помех в системе управления. Таким образом, повышение качества, тока, формируемого инвертором, является важным мероприятием для обеспечения высокой точности и надежности

функционирования всей системы электропривода ТТИ. В связи с этим, к инверторам напряжения систем прецизионных электроприводов предъявляются все более жесткие требования по качеству преобразования электроэнергии и энергоэффективности [5, 6].

Одним из основных и наиболее перспективных методов улучшения гармонического состава выходного тока и напряжения АИН является применение многоуровневых инверторов напряжения (МУИН). Это обусловлено тем, что данные преобразователи сочетает в себе два типа модуляции: амплитудную и широтно-импульсную. Данная особенность многоуровневых инверторов позволяет значительно улучшить характеристики прецизионного электропривода, а именно:

• снизить пульсации электромагнитного момента;

• расширить диапазона регулирования скорости вращения;

• понизить класс рабочего напряжения полупроводниковых ключей инвертора;

• обеспечить высокие энергетические показатели качества электроэнергии, как со стороны электрической машины, так и со стороны электросети [8, 10, 11];

• снизить уровень электромагнитной эмиссии, что также позволяет отказаться от громоздких и дорогостоящих сетевых фильтров [9, 13].

Важно также отметить, что в связи с конечным временем переключения транзисторов в АИН необходимо вводить задержки при коммутации последовательно включенных силовых ключей (данная задержка обычно называется «мертвым временем»). В связи с этим в любых АИН присутствует нелинейность регулировочной характеристики, которая обусловлена величиной «мертвого времени» и, как следствие, минимально допустимой длительностью формируемых импульсов ШИМ. Однако, как уже было отмечено, многоуровневые инверторы напряжения позволяют применять полупроводниковые ключи с меньшим классом рабочего напряжения, которые обладающие меньшим временем переключения и меньшими коммутационными потерями. Таким образом, с ростом числа уровней инвертора напряжения обеспечивается уменьшение величины

«мертвого времени», что позволяет снизить зону нечувствительности регулировочной характеристики и расширить диапазон регулирования скорости вращения электропривода [5, 6, 43].

Более того, за счет формирования многоступенчатого выходного напряжения, которое приближается к синусоидальному с ростом числа уровней, МУИН позволяют использовать меньшую частоту коммутации для обеспечение схожего уровня пульсаций электромагнитного момента, чем в двухуровневом АИН, за счет чего может быть достигнуто дополнительное снижение потерь в полупроводниковых ключах инвертора напряжения.

Как альтернатива многоуровневому трехфазному электроприводу может быть рассмотрен многофазный электропривод на базе двухуровневого многофазного инвертора напряжения (МФИН). Это обусловлено тем, что в двухуровневом многофазном инверторе при коммутации ключей в нагрузке формируются напряжения нескольких уровней, что аналогично увеличению числа уровней в трехфазной системе электропривода [37]. Основным преимуществом МФИН является его относительна простота и меньшая токовая нагрузка на силовые ключи относительно традиционных МУИН, однако сложность алгоритмов управления для многофазных систем электропривода значительно выше, чем для трехфазных МУИН с аналогичным числом уровней.

Наибольший интерес с точки зрения использования в системах прецизионного привода вызывают пятифазные инверторы и двигатели, так как они позволяют увеличить число уровней модуляции до четырех при относительно небольшом усложнении системы управления. Кроме того, увеличение числа фаз потенциально должно позволить увеличить надежность привода, обеспечив сохранение его работоспособности при полном или частичном отказе одной или двух фаз [38].

Следует также отметить, что улучшение показателей качества электроэнергии (как на стороне нагрузки, так и питающей сети) может быть достигнуто не только за счет внедрения многоуровневой топологии инвертора, но и за счет совершенствования алгоритмов коммутации силовых ключей.

В связи с этим в последнее время особое внимание уделяется исследованиям относительно алгоритмов пространственно-векторной ШИМ (ПВШИМ), к преимуществам которой следует отнести высокий уровень первой гармоники выходного напряжения, малый коэффициент искажения тока в нагрузке, низкий уровень потерь в силовых ключах преобразователя и хорошая совместимость с микропроцессорными системами управления [18, 64].

В разное время в разработку многоуровневых и многофазных систем, внесли большой вклад такие отечественные и зарубежные специалисты, как Т.А. Глазенко, А.В. Кобзев, Г.С. Зиновьев, С.Г. Герман-Галкин М.В. Пронин, А.Г. Воронцов, С.А. Харитонов, Г.Я. Михальченко, А.Б. Виноградов, Б.Ф. Дмитриев, Н.В. Донской, В.М. Михальский, Р.Т Шрейнер, В.М. Берестов, И.А. Баховцев, Е.Е. Чаплыгин, А.И. Колпаков, M. Kazmierkowski, S.R. Bowes; D.G. Holmes; T. Lipo, A. Iqbal, E. Levi и многие другие [30-32, 37,38 75-93]. Однако основным направлением исследования многоуровневых инверторов является разработка и внедрение высоковольтных преобразователей частоты на базе низковольтных транзисторных модулей [8, 10, 11], за счет чего данный класс преобразователей отличается высокой энергоэффективностью и низким уровнем искажения выходного напряжения.

Тем не менее данные исследования слабо касаются вопросов, связанных с системами прецизионного электропривода робототехнических комплексов и систем, где ключевую роль играют такие требования, как:

• минимизация уровня пульсаций электромагнитного момента;

• обеспечение широкого диапазона регулирования скорости;

• повышение быстродействия и устойчивости всей системы электропривода.

Очевидно, что многоуровневые преобразователи обладают рядом

недостатков, к основными из которых относятся большее число полупроводниковых силовых приборов и более ресурсоемкие схемы и алгоритмы управления. Но несмотря на это, применение многоуровневых преобразователей

являются одним из наиболее перспективных направлений развития и совершенствования прецизионного электропривода ТТИ.

С другой стороны, увеличение числа уровней формируемого инвертором выходного напряжения может быть достигнуто за счет применения формально двухуровневых многофазных топологий преобразователей, обладающих свойствами многоуровневых. В связи с этим представляет интерес сравнение характеристик электроприводов на базе трехфазного многоуровневого и пятифазного двухуровневого инверторов напряжения. При этом очевидно, что в качестве основного критерия оценки, позволяющего обосновать целесообразность применения той или иной топологии инвертора для прецизионного электропривода, следует рассматривать уровень пульсаций электромагнитного момента.

Целью диссертационной работы является минимизация пульсаций электромагнитного момента путем совершенствования алгоритма широтно-импульсной модуляции в электроприводах с многоуровневыми и многофазными инверторами напряжения.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Обзор современных топологий и алгоритмов управления транзисторными инверторами напряжения систем автоматизированного электропривода;

2. Сравнительный анализ различных алгоритмов ШИМ для многоуровневых и многофазных инверторов напряжения;

3. Разработка математических моделей, позволяющих исследовать пульсации электромагнитного момента в приводах с многоуровневым трехфазным и двухуровневым пятифазным инверторами напряжения при различных алгоритмах пространственно-векторной ШИМ;

4. Исследование влияния последовательности формирования базовых векторов на величину пульсаций тока статора и электромагнитного

момента двигателя в приводе с многоуровневым трехфазным и двухуровневым пятифазным инвертором напряжения;

5. Исследование возможности оценки уровня пульсаций электромагнитного момента двигателя по уровню пульсаций тока статора.

6. Исследование асимметрии питания и электромагнитной асимметрии многофазной машины на уровень пульсаций электромагнитного момента и потери энергии.

Методы исследования. Основной метод исследования, который был использован в работе - метод математического моделирования. Математический аппарат, который был использован при разработке математических моделей и исследовании электромагнитных процессов в полупроводниковом инверторе напряжения и нагрузке, основан на численных методах анализа, матричной алгебре, теории нелинейных и дискретных систем. В работе также использованы основные положения из теории электропривода и автоматического регулирования.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработаны математические модели электроприводов с многоуровневыми и многофазными инверторами напряжения, реализующие ПВШИМ и позволяющие исследовать электромагнитные процессы в приводе с любыми параметрами алгоритма коммутации: последовательности формирования базовых векторов, величины «мертвого времени», числа уровней инвертора, частоты модуляции.

2. Выполнен математический анализ влияния последовательности формирования базовых векторов инвертора напряжения при ПВШИМ на электромагнитный момент синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) и предложен алгоритм коммутации, обеспечивающий минимизацию пульсаций момента.

3. Показана неадекватность оценки пульсаций электромагнитного момента двигателя по амплитудному спектру фазного тока (коэффициенту гармонических

искажений - ТНО) и предложено использовать для этой цели коэффициент вариации пульсаций модуля вектора тока, как более достоверный критерий.

4. На основе математического анализа выявлено влияние асимметрии питания и электромагнитной асимметрии многофазной машины с нечетным числом фаз некратным трем на уровень пульсаций электромагнитного момента и потери энергии. Доказано, что любой вид асимметрии приводит к возникновению связей между моментообразующей плоскостью отображения электромагнитных процессов и плоскостями отображения паразитных гармоник, что создает дополнительные пульсации электромагнитного момента и потери энергии в многофазной машине, отсутствующие в трехфазном приводе, так как электромагнитные процессы в нем описываются обобщенными векторами на одной плоскости.

Практическая ценность диссертационной работы:

1. Предложены алгоритмы коммутации транзисторов многоуровневых и многофазных инверторов с ПВШИМ, позволяющие уменьшить пульсации электромагнитного момента путем адекватного выбора последовательности формирования базовых векторов.

2. Установлено, что за счет увеличения числа уровней многоуровневые инверторы позволяют расширить диапазон регулирования напряжения на нагрузке в п раз, где п - число уровней выходного напряжения инвертора.

3. Проведен сравнительный анализ качества пятифазного синхронного привода и трехфазного привода с инвертором напряжения, имеющим равное число уровней базовых векторов, с учетом и без учета наличия «мертвого времени», и показано, что, несмотря на большее число базовых векторов, пятифазный привод при прочих равных условиях:

• обладает более высоким уровнем пульсаций электромагнитного момента;

• требует алгоритма управления инвертором, обеспечивающего подавления паразитных токов, которые формируются на второй плоскости

базовых векторов и приводят к дополнительным потерям энергии в многофазном электроприводе;

• обладает большей зоной нечувствительности регулировочной характеристики, связанной с наличием «мертвого времени»;

• подвержен сильному влиянию асимметрии питания и электромагнитной асимметрии электрической машины.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в АО «НПК» СПП» при разработке прецизионного электропривода азимутальной оси информационного телескопа Алтайского оптико-лазерного центра имени космонавта Г.С. Титова.

5. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре робототехники и автоматизации производственных систем университета «ЛЭТИ» при чтении лекций и проведении практических занятий.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Общий анализ влияния последовательности формирования базовых векторов инвертора напряжения на пульсации электромагнитного момента двигателя при ПВШИМ.

2. Способы минимизации пульсаций электромагнитного момента двигателя путем построения алгоритма ПВШИМ с монотонной траекторией годографа вектора напряжения в пределах периода модуляции и с минимальной длительностью формирования нулевых базовых векторов.

3. Влияние «мертвого времени» коммутации на пульсации электромагнитного момента и зону нечувствительности регулировочной характеристики в многоуровневом и многофазном приводе.

4. Методика оценки пульсаций электромагнитного момента двигателя по величине коэффициента вариации модуля вектора тока статора.

5. Общий анализ влияния асимметрии питания и электромагнитной асимметрии многофазной машины с нечетным числом фаз некратным трем на величину пульсаций электромагнитного момента и потребляемого тока.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Конгресс молодых ученых (КМУ) в 2019, 2021, 2022; 11th International Conference on Electrical Power Drive Systems (ICEPDS 2020); CPE-POWERENG 2020 - 14th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering; Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО в 2016, 2018, 2019, 2020; Навигация и управление движением - XX конференция молодых ученых с международным участием в 2018.

Публикации. По теме исследования опубликовано 14 статей, в том числе 4 публикации в изданиях, входящих в список Scopus, и 2 публикаций, рекомендованных ВАК. Еще 8 публикации входят в систему цитирования РИНЦ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 145 страниц и состоит из 11 разделов: введения, 4 основных глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Основной текст работы изложен на 119 страницах и включает в себя 52 иллюстрации и 1 таблицу.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ ТОПОЛОГИЙ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

В настоящее время применяются три основные топологии силовой части многоуровневых инверторов напряжения:

- Схема с блокирующими диодами или с фиксированной нейтральной точкой;

- Схема с «плавающими» или «навесными» конденсаторами;

- Каскадный инвертор с Н-мостовыми ячейками.

Также существуют более сложные гибридные схемы, построенные на базе вышеперечисленных.

1.1 Трехфазный инвертор с блокирующими диодами

В данном инверторе каждое плечо состоит из четырех последовательно включенных полностью управляемых ключей, шунтированных обратными диодами. Источник питания разделен на два уровня конденсаторами, а нулевая точка входного напряжения соединена посредством блокирующих диодов со средними точками плеч инвертора [8-12].

+

Рисунок 1.1 - Трехуровневый трехфазный инвертор с блокирующими диодами

Различными комбинациями управления транзисторами можно реализовать три варианта схемы замещения (рис.1.2): при отпирании двух нижних ключей плеча к выходу фазы инвертора подключается минус источника питания (рис.1.2а), при отпирании двух центральных ключей выход фазы инвертора подключается к средней точке делителя напряжения (рис.1.2Ь), а при отпирании двух верхних ключей - к плюсу источника питания (рис.1.2с). К моменту отпирания одной из пар ключей плеча остальные должны быть надежно заперты, иначе возможно возникновение сквозного тока, что может повлечь за собой выход преобразователя из строя [8-12].

Рисунок 1.2 - Схемы замещения состояний одного плеча трехуровневого инвертора с блокирующими диодами

Проанализировав схемы замещения, можно выделить четыре ненулевых

1112

ступени фазного напряжения: - иа,- иа,- иа,- иа. Они реализуются при включении

трехфазной нагрузки в соответствии с примером, приведенным на рисунке 1.3:

первой строке возможных комбинаций соответствуют уровни фазного напряжения

1 2 1 1 1 -иа и - иа, второй - 0 и -иа, третьей - ~иа и ~иа.

Достоинства:

- Меньшее число конденсаторов, по сравнению с остальными рассмотренными топологиями, что позволяет снизить стоимость и габариты преобразователя. Один источник питания на входе преобразователя.

Недостатки:

- Необходимость поддержания одинакового уровня напряжения на конденсаторах.

- Большее число полупроводниковых ключей (диодов и транзисторов) по сравнению с остальными рассмотренными топологиями при увеличении числа уровней [9].

Рисунок 1.3 - Схемы замещения трехфазного трехуровневого инвертора с блокирующими диодами и нагрузкой, включенной по схеме «звезда»

1.2 Трехфазный инвертор с навесными конденсаторами

Многоуровневый преобразователь с навесными конденсаторами реализуется за счет замены блокирующих диодов на конденсаторы с «плавающим» уровнем напряжения на них. Напряжение между выводами средних точек плеч преобразователя формируется путем последовательного соединения определенного числа конденсаторов. При формировании выходного сигнала

трехуровневого инвертора необходимо поддерживать на конденсаторах Са, Сь и Сс требуемый уровень напряжения, равный половине напряжения источника питания. Аналогично рассмотренному выше трехуровневому инвертору с блокирующими диодами, при отпирании пары верхних или нижних ключей плеча вывод фазы преобразователя подключается соответственно либо к плюсу источника питания, либо к его минусу (рис.1.5а, рис.1^). Для формирования на выводе фазы плеча напряжения, равного половине напряжения источника питания, требуется открыть ключи плеча преобразователя через один (рис.1.5Ь, рис.1.5с). Таких возможных комбинации две, что позволяет при формировании одного и того же уровня напряжения в фазе обеспечивать различное направление протекания тока через «навесной» конденсатор, что необходимо для поддержания на нем заданного уровня напряжения [8-9, 11-12].

Рисунок 1.4 - Трехуровневый трехфазный инвертор с «навесными»

конденсаторами

Схемы замещения трехфазного трехуровневого инвертора с «навесными» конденсаторами, работающего на симметричную трехфазную нагрузку, включенную по схеме «звезда», соответствуют схемам, приведенным для трехфазного трехуровневого инвертора с блокирующими диодами (рис.1.3.)

Достоинства:

Процессы равномерного распределения напряжения на конденсаторах могут быть рассмотрены в каждом полумосте независимо от других, в отличие от схемы с фиксированной нулевой точкой.

Недостатки:

- Используется большее количество конденсаторов, по сравнению с остальными схемами, что существенно увеличивает габариты преобразователя.

- Необходимость поддержания требуемого уровня напряжения на «навесных» конденсаторах.

- Необходимость увеличения частоты переключения с ростом числа уровней для улучшения контроля напряжения на конденсаторах. [9]

Рисунок 1.5 - Схемы замещения состояний одного плеча трехуровневого инвертора с «навесными» конденсаторами

1.3 Трехфазный инвертор с Н-мостовыми ячейками

Топология каскадного многоуровневого инвертора напряжения основана на последовательном включении Н-мостовых ячеек в каждой из его фаз (рис. 1.6). Отличительной особенностью данной топологии относительно

вышерассмотренных является необходимость обеспечения индивидуального изолированного источника питания для каждой Н-мостовой ячейки. Одним из наиболее распространенных решений данной проблемы является применение на входе каждой такой ячейки выпрямителя, на вход которого поступает питание от отдельной вторичной обмотки многообмоточного трансформатора. Принцип работы отдельной Н-мостовой ячейки соответствует трехуровневому преобразователю, который позволяет на выводе фазы формировать три уровня напряжения (±2^, ±иа и 0) относительно общей точки ячейки [11-12].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вертегел Денис Александрович, 2024 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Vasiliev V.N., Tomasov V.S., Sadovnikov M.A., Shargorodsky V.D. Precision Electric Drive Systems Used in High Accuracy Complexes of Space Objects Watching. Current Statement and Development Prospects // Izv.vusov. Priborostroenie. 2008. Vol. 51, no. 6. pp.5-12

2. Sadovnikov M.A., Tomasov V.S., Tolmachev V.A. Precision Electric Drive of Optical Space Control Systems. // Izv.vusov. Priborostroenie. 2011. Vol. 54, no. 6. pp.8186 .

3. Sinitsyn V. A, Tolmachev V.A. Tomasov V.S. Control Systems of a Positioning and Tracking Complex// Izv.vusov. Priborostroenie. 1996. Vol. 39, no. 6. pp.22-27

4. Е.Е. Чаплыгин. Спектральное моделирование преобразователей с широтно-импульсной модуляцией // Москва, Кафедра Промышленной электроники МЭИ, 2009. 56с.

5. Ю.А. Кумаков. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник // Новости электротехники - 2005 - №26(36).

6. И. Стаудт. 3-уровневые преобразователи: Инструкция по эксплуатации //Силовая электроника - 2012. - №1. - С. 32-37.Ю.А.

7. Е. Курышева. Силовые приборы компании Cree на основе карбида кремния// Компоненты и технологии. 2011. №6.

8. Г.Б. Лазарев. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода // Построение различных схем. Новости электротехники. - 2005. - №2(32).

9. Mikheev K.E., Tomasov V.S. Analysis of Energy Performance of Multilevel Semiconductor Converters of Electric Drive Systems // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2012, vol. 12, no. 1, pp. 46-52.

10. Н. Донской, А. Иванов, В. Матисон, И. Ушаков. Многоуровневые автономные инверторы для электропривода и электроэнергетики // Силовая электроника. 2008. - №1. - С. 43-46.

11. К. Мильский, В. Остриров. Рациональные схемы преобразователей частоты для мощных синхронных индукторных электроприводов // Электронные компоненты. - 2008. - №11.

12. Seyed Saeed Fazel. Investigation and Comparison of Multi-Level Converters for Medium Voltage Applications // Technische Universität Berlin, LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2010.

13. Е. Карташев, А. Колпаков. Алгоритмы управления многоуровневыми преобразователями // Силовая электроника. - 2009. - №2. - С. 57-65.

14. Шавёлкин А.А. Вариант схемы несимметричного многоуровневого преобразователя частоты для электроприводов переменного тока//Донецкий национальный технический университет. 2008.

15. В. Филатов. Направление развития модулей MiniSKiip от компании SEMIKRON // Вестник электроники. - 2012. - №3.

16. Д. Хофманн. Основное отличие между стандартными IGBT и RB-IGBT — обратная запирающая способность // Силовая электроника. - 2013. - №4.

17. Усольцев А.А. Современный асинхронный электропривод оптико-механических комплексов/Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2011.

18. Tomasov V.S., Usoltcev A.A.,Vertegel D.A., Strzelecki R. Space vector modulation in multilevel inverters of the servo drives of the trajectory measurements telescopes // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2017, Vol. 60, No. 7, pp. 624-636

19. Mathew J., Mathew K., Azeez N. A., and Gopakumar K., A Hybrid Multilevel Inverter System Based on Dodecagonal Space Vectors for Medium Voltage IMdrives // IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 8, pp. 3723-3732, Aug. 2013.

20. McGrath, B.P., Holmes, D.G., Lipo, T.: Optimized Space Vector Switching Sequences for Multilevel Inverters // IEEE Trans. Power Electron., 2003, 18, (6), pp. 1293-1301.

21. Tomasov V.S., Usoltsev A.A. Comparative analysis of the energy efficiency of the scalar and space-vector PWM in a three-phase inverter // Russian Electrical Engineering - 2014, Vol. 85, No. 2, pp. 111-114

22. Aleenejad M., Iman-Eini H., Farhangi S. A Minimum Loss Switching Method Using Space Vector Modulation for Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter // Proceedings of the XX Iranian Conference on Electrical Engiineering nternational, 2012. pp.546-551

23. Neelima.A, Hari krishna. Ch. Neural Network Based Space Vector PWM Control Of Induction Motor // International Journal of Engineering Research and Applications, Vol. 2, no 6, November- December 2012, pp. 104-116.

24. Amol Shrikishan Thoratl, Ganesh D, Shingade, Avinash D, Matrel. Performance Investigation of Space Vector Pulse Width Modulated Inverter fed Induction Motor Drive, Proceedings of the International Conference on Computation of Power, Energy, Information and Communication. 2014, pp. 118-123.

25. Bowes S.R., Holliday D. Comparison of pulse-width-modulation control strategies for three-phase inverter systems // IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 153, No. 4, July 2006, pp. 575-584.

26. Manoj Hirani, Sushma Gupta, D.M. Deshpande. Comparison of Performance of Induction Motor fed by Sine Pulse Width Modulated Inverter and Multi Level Inverter using XILINX // Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Communication Control and Computing Technologies, 2014, pp. 264-269.

27. Воронин И. Интегральный силовой модуль IGBT для трехуровневых инверторов напряжения с повышенной эффективностью преобразования электроэнергии// Силовая электроника 2013 №6

28. А. Колпаков. Расчет конденсаторов шин питания мощных преобразовательных устройств // Компоненты и технологии. - 2004. - №2. - С. 1824.

29. Ю.А. Кумаков. Импульсные регуляторы постоянного напряжения для питания многоуровневых инверторов // Новости электротехники. - 2006. - №4(40).

30. Берестов В.М. Алгоритм управления многоуровневым инвертором напряжения / В.М. Берестов, С.А. Харитонов // Электротехника. - 2007. - № 11. -С. 7-15.

31. Duran M.J., Levi E., Multi-dimensional approach to multi-phase space vector modulation, in Proc. IEEE Annual Conf of the Industrial Electronics Society IECON, Paris, France, 2006, pp. 2103-2108.

32. Duran M.J., Barrero F., Toral S., Levi E., Multi-dimensional space vector pulse width modulation scheme for five-phase series-connected two-motor drives, in Proc. IEEE Int. Electric Machines and Drives Conf. IEMDC, Antalya, Turkey, 2006.

33. Barton T. H., Dunfield C. J. Poly-phase to two axis transformation for real windngs", IEE Trans, Power App Sys, PAS87(5), pp. 1342-1346, (1968).

34. Symmetrical Components in the Time Domain and Their Application to Power Network Calculations, IEEE Trans. on Power Sys, vol. 15, no. 2, pp. 522-528,2000

35. Ryu H.M., Kim J.H., Sul S.K. Analysis of multi-phase space vector pulse width modulation based on multiple d-q spaces concept, IEEE Trans. On Power Electronics, vol. 20, no. 6, ,pp.1364-1371, 2005.

36. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. 840 с.

37. Levi E. Advances in Converter Control and Innovative Exploitation of Additional Degrees of Freedom for Multiphase Machines. IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol. 63, no. 1, pp. 433-448, 2016

38. Levi E., Bojoi R., Profumo F., Toliyat H. A., Williamson S., "Multiphase induction motor drives—A technology status review," IET Elect. Power Appl., vol. 1, no. 4, pp. 489-516, Jul. 2007.

39. Pavithran K. N., Parimelalagan R., Krishnamurthy M. R. Studies on Inverter-Fed Five-phase Induction Motor Drive. IEEE Trans on Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp. 224-235, 1988

40. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока / Пер. с нем. М.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.

41. Bermúdez M., González-Prieto I., Barrero F., Durán M.J., Kestelyn X. Open-Phase Fault Operation of 5-Phase Induction Motor Drives using DTC Techniques. Conf. IECON2015-Yokohama November 9-12, 2015

42. Tomasov V.S., Usoltsev A., Vertegel D., Szczepankowski P., Strzelecki R. Asymmetric modes in multiphase electric drives // 11th International Conference on Electrical Power Drive Systems, ICEPDS 2020 - 2020, pp. 9249085

43. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А. Особенности использования многоуровневых инверторов в системах прецизионного сервопривода // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 12. С. 1052-1059.

44. Вертегел Д.А. Исследование алгоритма пространственно-векторной модуляции в многоуровневых инверторах напряжения // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО. 2018. Т. 1. С. 273-275.

45. Tomasov V., Usoltsev A., Zolov P., Gribanov P. The effect of space vector modulation algorithm on characteristics of three-phase voltage inverter for drives of optical telescopes // Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. 2017. V. 65. N 5. P. 629-637.

46. Lei Wang, Shuanghui Hao, Minghui Hao, Baoyu Song. A Hybrid PWM Strategy Combining Modified SpaceVector and Sinusoidal Pulse Width Modulation Methods // Proceeding of the 11th World Congress on Intelligent Control and Automation. 2014. P. 4431-4434.

47. Keliang Zhou, Danwei Wang. Relationship between space-vector modulation and three-phase carrier-based PWM: a comprehensive analysis [three-phase inverters] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2002. V. 49. N 1. P. 186-196.

48. Holmes D.G., Lipo T.A. Pulse Width Modulation For Power Converters. Principles and Practice. IEEE PRESS, 2003. 724 p.

49. Brukner T., Holmes D.G. Optimal Pulse-Width Modulation for Three-Level Inverters // IEEE TRANS. Power Electron. 2005. V. 20. N 1. P. 82-89

50. Stumpf P., Jardan R.K., Nagy I. Subharmonics Generated by Space Vector Modulation in Ultrahigh Speed Drives // IEEE Trans. On Industrial Electronics. 2012. V. 59. N 2. P. 1029-1037

51. Mengoni M, Zarri L., Tani A., Parsa L., Serra G.,Casadei D: High- Torque-Density Control of Multiphase Induction Motor Drives Operating Over a Wide Speed Range, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 2, pp. 814-825, Feb. 2015.

52. Kim N.,Baik W. :A five-phase IM vector control system including 3rd current harmonics component," in Power Electronics and ECCE Asia, 2011 IEEE 8th International Conference on, 2011, pp. 2519-2524.

53. Parsa L.: On advantages of multi-phase machines IECON Proceedings, 2005, pp. 1574-1579.

54. А. Виндрич, А. Николаи, Т. Райманн, В. Турски. Управление изолированными затворами MOSFET/IGBT, базовые принципы и основные схемы //, Силовая электроника. - 2013 - №5.

55. А. Колпаков. IGBT: инструкция по эксплуатации, или об уважительном отношении к силовой электроники // Силовая электроника. - 2007. - №1.

56. В.С. Томасов, С.Ю. Ловлин, С.А. Тушев, Н.А. Смирнов. Искажение выходного напряжения широтно-импульсного преобразователя прецизионного электропривода // Вестник ИГЭУ. 2013 г. №1.

57. Вертегел Д.А., Усольцев А.А., Томасов В.С. Прецизионный электропривод на базе многофазного инвертора с пространственно-векторной модуляцией // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2020. - Т. 63. - № 7. - С. 600-610

58. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А., Денисов К.М. Исследование пульсаций электромагнитного момента в прецизионном сервоприводе при синусоидальной широтно-импульсной модуляции// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2019. - Т. 19. - № 2(120). - С. 359-368

59. www.infineon.com/dgdl/Infineon-IRF300P226-DS-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462602a9dc8016038801939199d

60. www.infineon.com/dgdl/Infineon-IPB044N15N5-DS-v02_00-EN.pdf?fileId=5546d462576f347501576ffd3e582757

61. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADuM5230.pdf

62. www.infineon.com/dgdl/Infineon-IPP_I_110N20N3G_IPB107N20N3G-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a3043243b5f170124968e7d1f18e7

63. Б.Ф. Дмитриев. Анализ переходных и квазиустановившихся процессов в ступенчатых преобразователях [Текст] / Б.Ф. Дмитриев // Электричество. - 2001. - №8. - С.50-56.

64. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А., Денисов К.М. Многоуровневые инверторы напряжения в прецизионном сервоприводе // Силовая электроника - 2019. - № 2(77). - С. 42-48

65. Venturini M., Vismara A. Design and test of very large diameter, brushless permanent magnet torque motors for the very large telescope. Proceedings of the powersystems world conference Las Vegas, USA, 1996.

66. Lovlin S., Abdullin A. Adaptive system for compensation of periodic disturbances in servo drive//9th International Conference on Power Drives Systems, ICPDS 2016 - Conference Proceedings, 2016, pp. 7756719

67. Subbotin D.A., Lovlin S.Y., Tsvetkova M.H. Accuracy Improve Methods for Magnetoelectric Converter Based Scanning System//WSEAS Transactions on Systems, 2015, Vol. 14, pp. 26-32

68. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А., Денисов К.М. Использование пространственно-векторной ШИМ с переменной частотой модуляции в многоуровневых инверторах систем прецизионного электропривода // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2019. - Т. 62. - № 5. - С. 355-363

69. Вертегел Д.А. Исследование различных алгоритмов широтно-импульсной модуляции в многоуровневых инверторах напряжения приводов переменного тока // Навигация и управление движением: Материалы XX конференции молодых ученых с международным участием - 2018. - С. 59-60

70. Вертегел Д.А. Прецизионный электропривод на базе многофазной машины переменного тока с пространственно-векторной модуляцией // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - 2019. - Т. 2. - С. 56-61

71. Szczepankowski P., Jakub K.S., Strzelecki R., Vertegel D.A., Poliakov N. A New Concept of PWM Duty Cycle Computation Using the Barycentric Coordinates in a Three-Dimensional Voltage Vectors Arrangement // IEEE Access - 2020, Vol. 8, pp. 8019 - 8031

72. Tomasov V.S., Usoltsev A., Vertegel D., Szczepankowski P., Strzelecki R., Poliakov N. Optimized Space-Vector Modulation Schemes for Five-Phase Precision Low-Speed Drives with Minimizing the Stator Current Ripple // 14th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering 2020 - 2020, pp. 279-284

73. Томасов В.С., Усольцев А.А., Моравец М., Щепанковский П., Стшелецкий Р. Несимметричные режимы в многофазных двигателях и приводах // Электротехника - 2021 - №7 - С. 2-12

74. Калантаров П.Л., Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники. Часть вторая. Теория переменных токов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. 411 с.

75. Pinto J.O.P., Bose B.K., Silva L.E.B., Kazmierkowski M.P. A Neural-Network-Based Space-Vector PWM Controller for Voltage-Fed Inverter Induction Motor Drive // IEEE Transactions on Industry Applications, 2000, no. 6(36), рp. 1628-1636,

76. Iqbal A., Levi E. Space vector modulation schemes for a five-phase voltage source inverter // European Conf. on Power Electronics and Applications, Dresden, Germany. 2005. P. 12

77. Iqbal A., Levi E. Space vector PWM for a five-phase VSI supplying two five-phase series-connected machines // Proc. Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. — EPE-PEMC, Portoroz, Slovenia, 2006. P. 222—227.

78. Iqbal A., Moinuddin S., Khan M. Space vector model of a five-phase voltage source inverter // Proc. IEEE Intern. Conf. on Industrial Technology. 2006. P. 488—493.

79. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах / Т. А. Глазенко, Р. Б. Гончаренко. - Л. : Энергия. Ленингр. отд-ние, 1969. - 184 с. : рис., схем., табл. - Библиогр.: с. 177-183. - 00.65 р.

80. Кобзев А.В., Коновалов Б.И., Семенов В.Д. Энергетическая электроника: Учебное пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2010 — 164 с.

81. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием / А.В. Кобзев, Ю.М. Лебедев, Г.Я. Михальченко и др. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 152 с

82. Томасов В.С., Усольцев А.А., Моравец М., Щепанковский П., Стшелецкий Р. Несимметричные режимы в многофазных двигателях и приводах // Электротехника. 2021. № 7. С. 2-12.

83. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие / Г.С. Зиновьев. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

84. Баховцев И.А. Способы широтно-импульсной модуляции в автономных инверторах для частотного электропривода / Баховцев И.А., Зиновьев Г.С., Попов В.И. и др. // Электротехника. - 1990. - № 3. - С. 46-50.

85. Баховцев И.А. Обобщенный анализ выходной энергии многофазных многоуровневых инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией / И.А. Баховцев, Г.С. Зиновьев // Электричество. - 2016. - № 4. - С. 26-33.

86. Баховцев И.А. Анализ и синтез энергооптимальных способов управления инверторами с ШИМ: дис. ... д-ра техн. наук.: 05.09.12 / Баховцев Игорь Анатольевич. - Челябинск, 2017. - 452 с.

87. Михальский В.М. Преобразователи частоты и напряжения с широтноимпульсной модуляцией: анализ и научное обоснование путей повышения качества электроэнергии : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Михальский Валерий Михайлович. - Киев. 2010.

88. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Электромеханотронные комплексы и их моделирование на ЭВМ по взаимосвязанным подсистемам // СПб., изд-во "Ладога", 2020 г. - 334 с.

89. Воронцов А.Г., Глушаков В.В., Пронин М.В., Сычев Ю.А. Каскадные преобразователи частоты и особенности их управления // Записки Горного института, 2020, №2. 7. Vorontsov A.G.,

90. Glushakov V.V., Pronin M.V., Stotckaia A.D. Symmetric and asymmetric operating modes of hybrid cascade frequency converters // EPE'20. 7-11 September 2020, Lyon, France.

91. Vorontsov A.G., Pronin M.V., Stotckaia A.D., Glushakov V.V., Sokur P.V. Asynchronized electromechanical converter in the electrical supply system of powerful energy consumers // EPE'20. 7-11 September 2020, Lyon, France.

92. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.

93. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

94. Гельвер Ф.А. Каскадный преобразователь частоты для гребных электроприводов большой мощности // Судостроение. - 2021. - № 3 (856). - С. 4751.

95. Гельвер Ф.А., Белоусов И.В., Самосейко В.Ф. Способы повышения качества синтезируемого напряжения каскадного преобразователя частоты // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2020. - № 33. - С. 21-45.

96. Томасов В.С., Усольцев А.А., Вертегел Д.А. Минимизация пульсаций электромагнитного момента в пятифазном асинхронном электроприводе // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2022. - Т. 65. - № 12. - С. 874-885.

97. Томасов В.С., Усольцев А.А., Моравец М., Щепанковский П., Стшелецкий Р. Несимметричные режимы в многофазных двигателях и приводах // Электротехника. 2021. № 7. С. 2-12.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Результаты моделирования для 3-, 4- и 5-уровневого трехфазного инвертора

напряжения

Рисунок А. 1 - СУ тока / /6 /1, Дф = 0, сИ = 0)

Рисунок А.2 - СУ тока / /6 /1, Дф = 90, С = 0)

Ma

Рисунок А.3 - CV тока (f - const, Дф = 90, dt = 0)

Ma

Рисунок А.4 - CV тока (f /6 fi, Дф = 0, dt = 2мкс)

Ма

Рисунок А. 5 - СУ момента / /6/¡, Дф = 0, Л = 0)

Ма

Рисунок А.6 - СУ момента / /6/¡„ Дф = 90, С = 0)

Ma

Рисунок А.7 - CV момента (fc - const, Дф = 90, dt = 0)

Ma

Рисунок А.8 - CV момента (fc /6 f1, Дф = 0, dt = 2мкс)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты моделирования для пятифазного инвертора напряжения

Ма

Рисунок Б. 1 - СУ тока / /10 /1, Дф = 0, Ж = 0)

Ма

Рисунок Б.2 - СУ тока / /10 /}, Дф = 90, С = 0)

Рисунок Б.3 - CV тока (f - const, Дф = 90, dt = 0)

Рисунок Б.4 - CV тока (fc /10 fi, Дф = 0, dt = 2мкс)

Ма

Рисунок Б. 5 - СУ момента (/ /10/1, Дф = 0, А = 0)

Ма

Рисунок Б. 6 - СУ момента (/с /10 /1, Дф = 90, Л = 0)

Рисунок Б.7 - CV момента (fc - const, Дф = 90, dt = 0)

Рисунок Б. 8 - CV момента (fc /10 f1, Дф = 0, dt = 2мкс)

Рисунок Б. 9 - Амплитуда вектора тока плоскости С2д2 (/ /10 /1, Дф = 0, А = 0)

Рисунок Б. 10 - Амплитуда вектора тока плоскости С2д2 (/ /10 /1, Дф = 90, А = 0)

Рисунок Б. 11 - Амплитуда вектора тока плоскости d2q2 (f - const, Дф = 90, dt = 0)

Рисунок Б. 12 - Амплитуда вектора тока плоскости d2q2 (f /10 f1, Дф = 0, dt = 2мкс)

ПРИЛОЖЕНИЕ В Модель многоуровневого трехфазного инвертора напряжения в

MatLab/Simulink

На рисунке В.1 представлен общий вид модели трехфазного вентильного электропривода с многоуровневым инвертором напряжения в среде MatLab/Simulink.

К основным функциональным блокам относятся:

1) блок «Projection» (рис. В.2). Данный блок вычисляет значения, номер текущего сектора, косоугольных проекция на фазные оси текущего сектора, а также угол формируемого вектора напряжения;

2) блок «Segment» (рис. В.3). Данный блок вычисляет номер и тип сегмента в текущем секторе;

3) блок «Selector» (рис. В.4). Блок «Selector» вычисляет длительности импульсов ШИМ для заданного алгоритма;

4) блок «Control» (рис. В.5). Блок «Control» распределяет сгенерированные импульсы ШИМ на соответствующие силовые ключи, а также вводит требуемую величину «мертвого времени»;

5) блок «5L-mvertor» (рис. В.6) - модель трехфазного пятиуровневого инвертора с H-мостовой топологией;

6) блок «Motor_Model» (рис. В.7). Данный блок вычисляет коэффициент вариации электромагнитного момента вентильного электропривода;

7) блок «Is vector» (рис. В. 8) - вычисление вектора тока статора;

8) блок «CV» (рис. В.9) - расчет коэффициента вариации;

9) блок «STOP» (рис. В.10). Данный блок обеспечивает оптимизацию времени моделирования при обеспечении требуемой точности расчет коэффициента вариации вектора тока.

Is vector CV

Рисунок В.1 - Модель трехфазного вентильного электропривода с

многоуровневым инвертором

Рисунок В. 2 - Блок «Projection»

Рисунок В.3 - Блок «Segment»

Рисунок В. 4 - Блок «Selector»

Рисунок В. 5 - Блок «Control»

Рисунок В.6 - Блок «5L-invertor»

Psi_r_mag

Ps mag

Рисунок В.7 - Блок «Motor_Model»

Рисунок В.8 - Блок «Is vector»

Рисунок В. 9 - Блок «CV»

Рисунок В. 10 - Блок «STOP»

Ниже приведено содержание m-файла, в котором задаются начальные значения переменных, необходимых для выполнения расчета рассмотренной модели вентильного электропривода с многоуровневым инвертором:

clear all % очистка рабочей области программы clc

%% задание начальных значений E=50; % ЭДС источника питания, В

K_um = sqrt(3)*2/3; % коэффициент амплитуды фазного

напряжения

f=50; % частота выходного сигнала инвертора, Гц fc=500 0; % частота пилы ШИМ, Гц R=7; % активное сопротивление фазы, Ом L=23e-3; % индуктивность фазы, Гн

Psi r mag = 0.18;% Амплитуда потокосцепления ротора zp = 10; % число пар полюсов

a=0.8; % задание амплитуды вектора напряжения 0...1, о.е.

A=1; % алгоритм для А-сегмента

V=3; % алгоритм для V-сегмента

tk=0.1; % время моделирования

dead time=2e-6; % мертвое время, с

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Модель пятифазного инвертора напряжения в MatLab/Simulink

На рисунке Г. 1 представлен общий вид модели вентильного электропривода с пятифазным инвертором напряжения в среде MatLab/Simulink.

К основным функциональным блокам представленной модели относятся:

1) блок «Sector» (рис. Г.2) - вычисление номера сектора и признака четности;

2) блок «Selector» (рис. Г.3). Данный блок формирует требуемую коммутационную функцию для каждого сектора;

3) блок «dead time» (рис. Г.4) - формирование заданной величины «мертвого времени»;

4) блок «Motor_Model» (рис. Г.5). Данный блок вычисляет коэффициент вариации электромагнитного момента вентильного электропривода;

5) блок «CV» (рис. Г.6) - расчет коэффициента вариации;

6) блок «STOP» (рис. Г.7). Данный блок обеспечивает оптимизацию времени моделирования при обеспечении требуемой точности расчет коэффициента вариации вектора тока.

7) блок «Vectors» - вычисление взаимных векторов для расчета проекций вектора задания на оси сектора;

8) блок «G mth fcn» - расчет длительностей формирования базовых векторов;

9) блок «G switch fcn» - формирование требуемой коммутационной функцию для первого сектора;

Рисунок Г. 1 - Модель вентильного электропривода с пятифазным инвертором

напряжения

Рисунок Г.2 - Блок «Sector»

Рисунок Г.3 - Блок «Selector»

Рисунок Г.4 - Блок «dead time»

Рисунок Г.5 - Блок «Motor_Model»

Рисунок Г.6 - Блок «CV»

Рисунок Г. 7 - Блок «STOP»

Текстовый файл блока «Vectors»:

function [y1, y2] = fcn(u) %#codegen

y1=(1/cos(3*pi/10))*exp(-1i*(-3*pi/10+u*pi/5)); y2=(1/cos(3*pi/10))*exp(-1i*(pi/2+u*pi/5));

Текстовый файл блока «G mth fcn»:

function[alg,G] = fcn(m,U,Alg)

%#codegen

u1=U(1);

u2=U(2);

u3=U(3);

m1=m(1);

m2=m(2);

g_1=0; g_2=0; g_3=0; g_4=0; g_5=0;

alg=Alg(1); d2=m2/(u1+u3); d4=d2*u3/u2; d1=m1/(u1+u3); d3=d1*u3/u2; d0=1-d1-d2-d3-d4; % temp condition

d0=-1; %если d0 всегда отрицательный, то включен

алгоритм 2M2L, иначе - 2M2L2S if (d0>=0) if(alg==01234) g_1=d2+d3+d4; g_2=1-d0; g_3=d3+d4; g_4=d4; end

if(alg==01432)

g_1=d2+d3+d4;

g_2=1-d0;

g_3=d3+d2;

g_4=d2;

end

if(alg==02143)

g_1=d1+d3+d4;

g_2=1-d0;

g_3=d4+d3;

g_4=d3;

end

if(alg==02341)

g_1=d1+d3+d4;

g_2=1-d0;

g_3=d4+d1;

g_4=d1;

end

if(alg==10234)

g_1=d2+d3+d4;

g_2=1-d1;

g_3=d4+d3;

g_4=d4;

end

if(alg==20143)

g_1=d1+d3+d4;

g_2=1-d2;

g_3=d4+d3;

g_4=d3;

end

if(alg==32014)

g_1=d1+d0+d4;

g_2=1-d3;

g_3=d4+d1;

g_4=d4;

end

else

alg=Alg(2);

d6=m2/(u1+u3);

d4=d6*u1/u2;

d5=m1/(u1+u3);

d3=d5*u1/u2;

d0=1-d3-d4-d5-d6;

if(alg==03654) g_1=1-d0; g_2=d4+d5+d6; g_3=d4; g_4=0; g_5=d4+d5; end

if(alg==03456)

g_1=1-d0;

g_2=1-d0-d3;

g_3=d5+d6;

g_4=0;

g_5=d6;

end

if(alg==04365) g_l=l;

g_2=l-d0-d4;

g_3=l-d0;

g_4=d6+d5;

g_5=d5;

end

if(alg==04563) g_l=l;

g_2=l-d0-d4;

g_3=l-d0;

g_4=d6+d3;

g_5=d3;

end

if(alg==30456) g_l=l;

g_2=1-d0-d3;

g_3=l-d3;

g_4=d6+d5;

g_5=d6;

end

if(alg==40365) g_l=l;

g_2=l-d0-d4;

g_3=l-d4;

g_4=d6+d5;

g_5=d5;

end

if(alg==54036) g_l=l;

g_2=l-d5-d4;

g_3=l-d5;

g_4=d6+d3;

g_5=d6;

end

end

G = [g_l g_2 g_3 g_4 g_5]';

Текстовый файл блока «G switch fcn»:

function g = fcn(Alg,G) %#codegen ga=false; gb=false; gc=false; gd=false; ge=false; alg=Alg;

if(alg==01234)

ga=G(1);

gc=G(4);

gd=and(G(1),not(G(3)));

ge=or(and(not(G(1)),G(2)),G(4));

gb=or(gd,ge);

end

if(alg==01432) ga=G(1);

gc=and(not(G(3)),G(1)); gd=G(4);

ge=and(not(G(3)),G(2));

gb=or(gd,ge);

end

if(alg==02143) ga=or(not(G(1)),G(3)); gb=not(G(4)); gd=not(G(1));

ge=or(not(G(2)),and(not(G(4)),G(1)));

gc=and(ga,ge);

end

if(alg==02341)

ga=not(G(4));

gb=or(not(G(1)),G(3));

gd=not(G(1));

ge=or(not(G(2)),G(3));

gc=and(not(G(4)),ge);

end

if(alg==10234)

ga=G(1);

gc=G(4);

gd=and(not(G(3)),G(1)); ge=or(not(G(2)),G(4));

gb=or(gd,ge); end

if(alg==20l43)

ga=or(not(G(2)),G(3));

gc=and(not(G(4)),G(3));

gd=not(G(2));

ge=and(not(G(4)),G(l));

gb=or(gd,ge);

end

if(alg==320l4)

ga=or(not(G(l)),G(4));

gc=G(4);

gd=and(not(G(l)),G(2));

ge=G(3);

gb=or(gd,ge);

end

if(alg==03 654) ga=G(l); gb=G(2); gc=G(3); gd=G(4); ge=G(5); end

if(alg==03456)

ga=G(l);

gb=G(2);

gc=and(not(G(3)),G(2)); gd=G(4);

ge=and(not(G(5)),G(2)); end

if(alg==04365)

ga=G(l);

gc=not(G(2));

gd=not(G(3));

gb=or(gc,G(4));

ge=or(gc,G(5));

end

if(alg==04563)

ga=G(l);

gb=not(G(5));

gc=not(G(2));

gd=not(G(3));

ge=not(G(4)); end

if(alg==30456)

ga=or(not(G(3)),G(2));

gb=G(2);

gc=and(not(G(4)),G(2)); gd=not(G(l)); ge=and(not(G(5)),G(2)); end

if(alg==4 03 65)

ga=G(l);

gc=not(G(2));

gd=and(not(G(2)),G(3));

ge=or(gc,G(5));

gb=or(gc,G(4));

end

if(alg==54036)

ga=G(l);

ge=not(G(4));

gb=or(G(5),ge);

gc=and(ge,G(3));

gd=and(ge,G(2));

end

g = [ga gb gc gd ge]';

Ниже приведено содержание ш-файла, в котором задаются начальные значения переменных, необходимых для выполнения расчета рассмотренной модели вентильного электропривода с многофазным инвертором напряжения:

clc

clear all % очистка рабочей области программы f = 50; % частота выходного сигнала инвертора, Гц Udc=22 0; % напряжение источника питания, В zp=10; % число пар полюсов

Psi r mag = 0.18; % Амплитуда потокосцепления ротора K um = 1; % коэффициент амплитуды фазного напряжения fc = 5000; % частота пилы ШИМ, Гц alg1=01234; % алгоритм для малого сегмента alg2=03654; % алгоритм для большого сегмента m = 0.3; % индекс модуляции амплитуды 0...0.52 55, о.е. a = exp(1i*2*pi/5);% оператор поворота 5-фазной системы

координат

al = exp(1i*2*pi/3);% оператор поворота 3-фазной системы

координат

% амплитуды базовых векторов L, M, S

u1 = 2/5*(-2/5 + 3/5*a - 2/5*aA2 - 2/5*aA3 + 3/5*aA4); u2 = 0.4;

u3 = 2/5*(3/5 + 3/5*a - 2/5*aA2 - 2/5*aA3 + 3/5*aA4);

R = 7; % активное сопротивление фазы, Ом L = (23e-3); % индуктивность фазы, Гн dead time=2e-6; % мертвое время, с K dt=1/dead time;