Системи управління асинхронними вентильними стартер-генераторами транспортних енергоустановок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

УДК 621. 314. 4: 622. 271

АВТОРЕФЕАРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Системи управління асинхронними вентильними стартер-генераторами транспортних енергоустановок

Спеціальність: 05. 09. 03 - Електротехнічні комплекси та системи

Левчук Анатолій Павлович

Київ-2001

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Потреба забезпечення ефективного використання енергоресурсів у транспортних енергоустановках, а також сучасні реалії структурної перебудови народного господарства України, коли виробничі потужності у промисловості завантажені неповністю, а існуюча енергосистема працює нестабільно з тривалими перервами в енергопостачанні, обумовлюють постійно зростаючий попит на автономні системи електропостачання з підвищеними показниками надійності, економічності, мобільності тощо.

Актуальність теми. Сучасні автономні системи електропостачання складаються з приводного двигуна (дизельного, газотурбінного і т. ін.), електричної машини і системи управління роботою енергоустановки. Як електричні машини останнім часом все більше розповсюдження набувають безконтактні асинхронні генератори (АГ) і синхронні, які поступово замінюють контактні. Використання АГ дозволяє підвищити ККД і надійність, зменшити масу і габарити, покращити симетрування навантаження т. ін. Підключення до АГ джерела реактивної потужності (ДРП) є необхідною умовою його роботи. Традиційно для цього використовувались конденсатори. З досягненнями в галузі напівпровідникової техніки і впровадженням ДРП на основі вентильних регуляторів (ВР) асинхронні вентильні стартер-генератори (АВСГ) набули нових конкурентоспроможних якостей.

Система управління (СУ) сучасного АВСГ включає підсистему керування ВР, який для транспортних енергоустановок доцільний на основі автономного інвертора напруги (АІН), і комбінацію зворотніх зв'язків АВСГ за частотою, напругою і струмом в залежності від основних функцій регулювання. У сукупності це забезпечує ефективність керування енергопроцесами в системі АВСГ-навантаження і, як наслідок, дозволяє регулювати частоту, амплітуду вихідної напруги, отримувати випрямлену напругу, здійснювати стартерний режим тощо. Основним суттєвим недоліком ДРП на основі ВР є порівняно низька якість вихідної електричної енергії, що в свою чергу знижує ККД та інші енергетичні показники АВСГ, електромагнітну сумісність, звужує сферу його застосування.

Тому робота, в якій пропонується сукупність заходів з підвищення якості управління АВСГ і розширення його функціональних можливостей на цій основі, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувались в Інституті загальної енергетики НАН України у відповідності з координаційним планом науково-пошукових робіт з комплексної проблеми «Наукові основи енергозбереження», затверджених Президією НАН України за темами: «Модуль» (1989-1992 рр.) ; «Комплекс», № ДР 01934019931 (1992-1996 рр.) ; «Комплекс-II», № ДР 0197U006438 (1996-1998 рр.) і ряду госпдоговірних робіт. Роль автора у виконаних роботах: покращені якість напруги і пускові характеристики АВСГ в стартерному режимі; розроблені алгоритми визначення похибки енергетичних характеристик АВСГ, створені макети СУ АВСГ з високими техніко-економічними показниками.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є підвищення ефективності та якості управління АВСГ на базі розширеної кодо-імпульсної обробки інформації, нової структури системи управління та оригінальних алгоритмів дискретного регулювання напруги АВСГ.

Для досягнення цієї мети були розв'язані такі задачі:

- теоретичне та експериментальне дослідження впливу підсистеми управління ВР на його керованість, швидкодію в перехідних режимах, роботу на знижених частотах, енергетичні показники;

- розробка структури АВСГ з її зворотніми зв'язками з підвищеними показниками по керованості, швидкодії у перехідних режимах та незалежності регулювання напруги АВСГ від кутової швидкості АМ;

- розробка математичного апарату синтезу та порівняльного аналізу алгоритмів дискретного регулювання напруги АВСГ з мінімізацією його заданого енергетичного критерію.

- розробка структури та способів керування вентильного регулятора з використанням алгоритмів дискретного регулювання напруги АВСГ на базі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) ;

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є АВСГ як електромеханічна система, що містить у собі асинхронну машину, вентильний регулятор з його системою керування та зворотні зв'язки за частотою і напругою АВСГ.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є системи управління АВСГ, вдосконалення їх структур, схемних рішень, способів і алгоритмів роботи для підвищення енергоефективності, керованості та швидкодії.

Методи дослідження. В дисертації використані наступні методи дослідження: еквівалентних схем заміщення, накладення, безперервної апроксимації при розрахунку енергетичних характеристик АВСГ з заданою точністю; гармонічного аналізу при синтезі алгоритмів дискретного регулювання напруги АВСГ; перетворення Лапласа; експериментальних досліджень електромеханічних систем в лабораторних умовах. Достовірність теоретичних положень та висновків підтверджена дослідженнями на діючих макетах.

Наукова новизна результатів роботи:

- розроблена нова структура системи управління АВСГ з вентильним регулятором на базі автономного інвертора напруги, як практично безінерційною ланкою у порівнянні з машиною, з комбінаціями додаткових зворотних зв'язків за частотою, напругою та струмом, синтезованих на основі розширеної кодо-імпульсної обробки інформації;

- дістав подальший розвиток комплексний підхід до аналізу впливу якості електричної енергії на характеристики АВСГ в стартерному і генераторному режимах при різних алгоритмах роботи ВР, в якому на відміну від інших коливання моменту і частоту початку покрокового режиму асинхронної машини знайдено з урахуванням енергетичних характеристик АВСГ та напруг машини;

- розроблено оригінальні алгоритми дискретного регулювання напруги АВСГ та відповідні оригінальні методики синтезу цих алгоритмів, в яких на відміну від інших синтез і оптимізація параметрів проводяться одночасно, а кути перемикань ключів ВР знаходяться як результат рішення оптимізаційної задачі на кожному кроці дискретного регулювання величини першої гармоніки;

- розроблено раніше невідомий спосіб, що дозволяє розширити частотний діапазон роботи АВСГ в стартерному режимі та зменшує коливання моменту АМ в процесі запуску АВСГ шляхом дискретного регулювання гармонічного складу напруги таким чином, що кожний новий імпульс призводить до подавлення двох додаткових гармонік в спектрі вихідної напруги;

- вперше розроблені функціональні перетворювачі з цифровим регулюванням величини ковзання АМ для системи управління АВСГ.

Практичне значення і реалізація результатів роботи. В результаті виконаних теоретичних досліджень розроблено структуру АВСГ, яка дала можливість покращити енергетичні характеристики, підвищити керованість та швидкодію системи в стартерному і генераторному режимах, розширити її діапазон роботи за частотою і напругою, покращити масо-габаритні показники. Розроблений математичний апарат синтезу алгоритмів дискретного регулювання напруги АВСГ дозволяє синтезувати ці алгоритми при мінімумі числа перемикань ключів вентильного регулятора з одночасною оптимізацією заданого енергетичного критерію АВСГ. Математичний апарат порівняльного аналізу ефективності дискретних алгоритмів регулювання напруги АВСГ дозволяє знаходити основні енергетичні критерії АВСГ, напруги і струми в різних елементах схеми заміщення, коливання моменту АМ від несинусоїдальності кривої струму статора, початок покрокового режиму АМ на низьких частотах.

Результати дисертаційної роботи знайшли впровадження: у Науково-дослідному інституті двигунів, м. Москва (дев'ятифазний ВР з малими масо-габаритними показниками, для запуску синхронної машини переважно асинхронізованої) ; Київському вищому танковому інженерному училищі, (трифазний ВР з підвищеною якістю вихідної напруги для запуску АМ) ; Інституті електродинаміки НАН України, м. Київ (СУ асинхронного вентильного генератора з регулюванням напруги у функції ковзання АМ).

Особистий внесок дисертанта. Наукові положення та прикладні результати, що містяться в дисертації, отримані здобувачем особисто. У роботах, що опубліковані в співавторстві, автору належать: [2]-покращення енергетичних показників ВР при широтно-імпульсному регулюванні напруги; [5] - форсований вивід зарядів з бази біполярного транзистора вентильного регулятора одночасним перезарядом обох переходів; [6] і [7] - розробка додаткового каналу зворотного зв'язку за частотою ВР з програмним регулюванням величини і гармонічного складу напруги; [9] - знаходження координат передніх і задніх фронтів імпульсів при синтезі з квантуванням за тривалістю величини кривої, що апроксимується; [10] - розбиття частотного діапазону на три, тривалість імпульсів вихідної напруги у яких незалежна від змін частоти; [11] - розробка каналу зворотного зв'язку за електричною частотою статора АМ з регулюванням напруги у функції ковзання АМ.

Апробація результатів дисертації була проведена на конференціях: «Оптимізація напівпровідникових пристроїв перетворювальної техніки». -К. : ІЕД АН УРСР, 1987р. ; «Наукові основи створення енергозберігаючої техніки і технології». -М. : МЕІ, 1990; «Proceedings of International Scientific-Technical Conference on Unconventional and Electromechanical and Electrotechnical systems, ISTS UEES»95/Sevastopol, Ukraine, July 1015, 1995. /Szczecin, Poland: Technical University Press, 1995 та засіданнях наукових семінарів Інституту загальної енергетики НАН України (м. Київ, 2000, 2001)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, у тому числі: 3 статті у фахових наукових виданнях і одна в нефахових, 3 авторських свідоцтва (СРСР), один патент на винахід (Україна), 3 тези доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних першоджерел та додатку. Загальний обсяг дисертації - 178 сторінок, у т. ч. на 48 сторінках розміщено 46 рисунків, 13 таблиць, список використаних першоджерел із 130 найменувань та додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

система управління обробка інформація

У вступі обгрунтована актуальність підвищення якості вихідної напруги АВСГ, покращення інших енергетичних показників шляхом вдосконалення структури АВСГ та алгоритмів його функціонування. Викладено зв'язок роботи з основними принципами державної політики енергозбереження та державними науково-технічними програмами; сформульовано мету і задачі наукового дослідження; надано коротку анотацію нових наукових положень; наведено відомості про наукове та практичне використання результатів досліджень; зазначено особистий внесок здобувача у наукових працях; вказано публікації, апробація результатів досліджень.

В першому розділі розглянуто основні схеми систем збудження АГ з точки зору їх функціонування, проведена їх класифікація з позицій можливості керування протіканням електромагнітних процесів у АВСГ. Розглянуто системи, в яких можливе керування електромагнітними процесами, реалізоване на етапі конструювання (пасивне керування). Показано, що їх розвиток можливий шляхом вдосконалення і доповнення силових регулюючих елементів в АГ. Розглянуто також системи, в яких можливе активне керування електромагнітними процесами шляхом реалізації відповідних алгоритмів у їх системах керування. До них належать ДРП на основі реактивних елементів і керованих напівпровідникових вентилів.

Розглянуто принципи побудови СУ АВГ з ВР, що відповідають основним відомим схемам напівпровідникових перетворювачів. У залежності від принципу регулювання напруги АМ, частотному чи фазовому, ця група напівпровідникових перетворювачів розбита на дві. В меншу групу з частотним управлінням входять: автономні інвертори струму, АІН і спеціально розроблені вентильні перетворювачі. При зміні алгоритмів управління за допомогою цих перетворювачів може бути реалізоване фазове управління. Показано, що ВР за схемою АІН найбільш повно задовольняють вимогам до АВСГ транспортної енергоустановки, оскільки крім простого і надійного частотного принципу регулювання напруги дозволяють здійснювати стартерний режим. СУ АВГ з такими ВР також поділені на дві групи за належністю зворотного зв'язку за електричною частотою обертання ротора АМ. Доведено, що СУ АВГ, в яких відсутній цей зворотний зв'язок, мають такі недоліки: менш надійні збудження і робота в зоні робочих ковзань; ускладнення СУ АВГ при оптимізації режимів роботи АМ в залежності від значення електричної частоти обертання ротора та ковзання АМ тощо.

У другому розділі описано узагальнену структуру АВСГ, на базі якої отримані нові функціонально спрямовані структури АВСГ, які використовують додаткові зворотні зв'язки та функціональні елементи. На рис. 1 подана вищеописана узагальнена структура АВСГ, де ДВ - привідний двигун; ДЧ - давач електричної частоти обертання ротора; Сф - ємність фільтра; АБ - акумуляторна батарея; VD - діод; К1... К3 - три канали відбору потужності; fр - зворотний зв'язок за електричною частотою ротора; I1, U1... I3, U3 - зворотні зв'язки за струмом і напругою відповідних каналів відбору потужності; РІ - розподілювач імпульсів; ШІМ-МОД - ШІМ модулятор. На рис. 2 представлена деталізована структура АВСГ у генераторному режимі, де ЗН1, ЗН2 - задатчики напруги каналів змінного і постійного струмів відповідно; f-N, N-f - відповідно перетворювачі частота-код і код-частота; ЕС1, ЕС3 - електричні аналогові суматори; ЕС2 - електричний суматор кодів.

Ця структура дозволяє регулювання напруги генератора як за рахунок регулювання амплітуди першої гармоніки, так і за рахунок зміни величини ковзання. На її основі розроблені функціонально спрямовані структури АВСГ, такі як генератори постійного струму, напруга яких не залежить від кутової частоти обертання ротора зі стабілізацією статичного перевантаження АМ за законом U1/ (?) Ѕ=const, де U1 - амплітуда першої гармоніки, ? - кутова частота обертання ротора, або генератори змінного струму з фіксованою частотою, при коливаннях кутової частоти обертання приводного двигуна в межах декількох відсотків тощо.

Показано, що застосування розширеної кодо-імпульсної обробки інформації, і реалізація на цьому принципі основних функціональних ланок дозволяють організовувати різноманітні додаткові зворотні зв'язки АВСГ, які покращують його техніко-економічні показники. Так застосування основного зворотного зв'язку за електричною частотою ротора принципово недоцільне без застосування перетворювачів частота-код і код-частота, оскільки використання аналогових величин призводить до втрат точності при перетворенні частоти в пропорційну аналогову величину і зворотному перетворенні, з урахуванням того, що зміна регулюючого сигналу складає долі відсотка від його величини. Доведено, що використання зворотного зв'язку за електричною частотою статора дозволяє застосовувати більш ефективні алгоритми управління АВСГ, в тому числі регулювати частоту модуляції вихідної напруги ВР та й саму величину напруги в залежності від частоти статора, що призводить до покращення енергетичних показників АВСГ в стартерному режимі. Щодо генераторного режиму, то використання зворотного зв'язку за електричною частотою ротора дозволяє розробляти системи управління з регулюванням вихідної напруги в залежності від ковзання. Доведено, що такі системи мають підвищену надійність збудження і роботи АМ в зоні робочих ковзань та й в них досягається незалежність величини вихідної напруги АВСГ від частоти обертання ротора, що важливо для транспортних машин.

Представлені результати експериментального дослідження системи, яка відповідає приведеній на рис. 2 при відсутності контура регулювання амплітуди першої гармоніки. Показано, що застосування такого типу АВСГ дозволяє живити навантаження відразу по трьом каналам живлення: по гальванічно-розв'язаному від інших ланцюгів АВСГ каналу змінного струму з зажимів другої обмотки статора; по каналу змінного струму з зажимів першої обмотки АВСГ і по каналу постійного струму ВР. Представлено систему автоматичного управління АВСГ, що регулює частоту поля збудження за допомогою ВР, яка менша від електричної частоти ротора на величину ?f, пропорційну розходженню між заданою і фактичною напругою АВСГ. У процесі управління АВСГ регулюється частота струму статора, що викликає вимушену зміну ковзання АВСГ і відповідно його вихідної напруги. При цьому на перші входи ЕС2 по ланцюгу ДЧ, перетворювач частота-код (f-N) подається код, пропорційний електричній частоті обертання ротора, а на другі входи по ланцюгу електричний суматор ЕС3, перетворювач аналого-цифровий АЦП - код, пропорційний різниці аналогових напруг задатчика ЗН2 і напруги зворотного зв'язку Uз. Код суматора ЕС2 перетворюється в частоту в перетворювачі код-частота (N-f) і надходить в ШІМ модулятор, з якого через РІ на ключі ВР.

Проведено дослідження макета такого АВСГ, яке підтвердило правильність запропонованого підходу до розробки СУ АВСГ. Експериментально підтверджено, що при номінальній частоті обертання ротора і підключенні номінального навантаження з боку змінного струму (на виході обмотки з підключеним ВР) зниження напруги дорівнювало 0. 8%, а при підключені навантаження з боку постійного струму - 0. 5%. При одночасному підключенні навантаження з боку постійного і змінного струмів цей показник відповідно дорівнював 0. 8% і 1. 5%. На всьому діапазоні зміни частоти обертання (25% від номінальної) при роботі на навантаження відхилення напруги від заданих значень не перевищувало 1. 5%. При відборі потужності від гальванічно розв'язаної обмотки при номінальній частоті обертання і навантаженні зниження напруги складало 1. 5%. Відхилення напруги на всьому діапазоні зміни частоти обертання (25% від номінального значення) не перевищувало 1. 2%.

Показано, що СУ забезпечує достатні динамічні характеристики та швидкодію генератора. Час затухання перехідного процесу при підключенні і відключенні допустимого навантаження при зміні частоти обертання 25% від номінальної становить 2... 4 періоди основної частоти генератора.

Розглянуто алгоритми порівняльного розрахунку енергетичних показників АВСГ при роботі з розповсюдженим алгоритмом однократного перемикання і з алгоритмом оптимальної ШІМ з п'ятьма перемиканнями на чверті періоду вихідної частоти ВР. Проведено розрахунок енергетичних показників АВСГ в кожному випадку з наперед заданою точністю, який показав, що енергетичні характеристики АВСГ з оптимальною ШІМ близькі до характеристик АВСГ з синусоїдальною вихідною напругою.

Проведено розрахунок енергетичних показників АВСГ на основі методу безперервної апроксимації, в якому змінна напруга на зажимах АМ подана у вигляді напруги першої гармоніки і суми вищих гармонік.

При цьому в кожному випадку для отримання результатів з наперед заданою точністю враховувалась задана кількість гармонік, прилеглих до основної. Для розрахунку енергетичних показників АВСГ в генераторному режимі використовувалась Г-подібна схема заміщення, як така, що спрощує розрахунки і рекомендована в літературі, оскільки в Т-подібній схемі заміщення при заданій напрузі Ud=const, що визначається ЕРС акумуляторної батареї, напруга на контурі намагнічування АМ непостійна. В роботі використовувались дві Г-подібні схеми заміщення: одна - для розрахунків на частоті першої гармоніки (ковзання s - величина від'ємна) і друга - для розрахунків на частотах, вищих основної (s - величина додатня) з відповідною частотною корекцією величин опорів АМ. Похибка у розрахунку енергетичних характеристик АВСГ у порівнянні з дослідними даними не перевищує 15%.

Аналогічно проведено розрахунок енергетичних показників АВСГ в стартерному режимі, тільки в цьому випадку використана Т-подібна схема, яка є більш точною ніж Г-подібна. На рис. 3. а, б представлені енергетичні показники АВСГ для генераторного і стартерного режимів відповідно, де суцільною лінією показані енергетичні характеристики АВСГ в ідеальному випадку, коли на виході ВР присутня тільки синусоїдальна напруга, штрих-пунктирною - характеристики при алгоритмі оптимальної ШІМ, і пунктирною - характеристики при алгоритмі однократного перемикання.

Розрахунки дозволяють знаходити такі залежності АВСГ, як I, s, cos, ?, ?=F (Рн) з заданою точністю, і показують несуттєву відмінність характеристик АВСГ при роботі з алгоритмом оптимальної ШІМ від характеристик АВСГ при роботі з синусоїдальною напругою (зниження ККД на 0. 5%) і суттєву при роботі з алгоритмом однократного перемикання (при якому відбувається зниження ККД на 2-3%, струм п'ятої та сьомої гармонік дорівнює відповідно 32% і 16% від струму основної гармоніки).

В стартерному режимі розглянута електромагнітна сумісність АВСГ при роботі з алгоритмами однократного перемикання і оптимальної ШІМ.

Розглядались коливання моменту АМ при роботі від цих алгоритмів ШІМ. Оптимальним алгоритмом для цього параметру є алгоритм з мінімальним коефіцієнтом гармонік вихідного струму kгi=min, але для його реалізації необхідний зворотний зв'язок за величиною коефіцієнта потужності (cos), тоді як алгоритм оптимальної ШІМ, що розглядається, не потребує такого зворотного зв'язку і дає близькі результати (відмінність в kгi до 10%, тоді як при алгоритмі однократного перемикання - до 30%).

З застосуванням перетворення Лапласа одержані криві струмів АВСГ при роботі від алгоритмів, що розглядаються, з моделюванням АМ як активно-індуктивного навантаження (рис. 4. а). Показано (рис. 4. б), що частота коливань модулів струмів статора АМ в п'ять разів більша при алгоритмі оптимальної ШІМ і амплітуда їх в два рази менша, ніж при алгоритмі однократного перемикання, це відповідає коливанням моменту АМ з точністю до 10%. Такі коливання легше згладити. Крім того, на основі аналізу струму статора показано, що покроковий режим роботи АМ при алгоритмі оптимальної ШІМ настає при частоті в стільки раз нижчій, ніж при алгоритмі однократного перемикання, в скільки збільшено число кутів перемикання плеч інвертора на чверті періоду вихідної частоти.

У третьому розділі показані практичні шляхи підвищення техніко-економічних показників АВСГ, які отримані зі збереженням якості вихідної напруги при регулюванні величини її першої гармоніки. Розроблено математичний апарат синтезу алгоритмів ШІМ з оптимізацією заданих енергетичних критеріїв, за умови, що цільова функція цих критеріїв виражена хоча б у вигляді суми нескінченного ряду. Розглянуто його застосування та знайдені алгоритми управління ВР при регулюванні величини першої гармоніки вихідної напруги і подавленні заданих гармонік, а також алгоритми управління ВР при дискретному регулюванні величини першої гармоніки з мінімізацією коефіцієнта гармонік вихідного струму в стартерному режимі АВСГ.

При необхідності подавити задану кількість гармонік вихідної напруги кути перемикань ?i ключів регулятора знаходяться з системи трансцендентних рівнянь:

(1)

де k - число перемикань ключів інвертора на чверті періоду вихідної частоти; i-номер кута перемикання ?i; b1 - величина, пропорційна першій гармоніці вихідної напруги; n=3i-1 при i парному, n=3i-2 при i непарному.

У роботі система трансцендентних рівнянь (1) наведена для знаходження кутів перемикання ключів ВР при двохполярній ШІМ (ДШІМ) і рішення задачі подавлення всіх гармонік, прилеглих до основної, не кратних трьом (для трифазного симетричного навантаження) при заданому числі перемикань ключів інвертора. Зміною в системі (1) величини b1 і розв'язанням її числовими методами одержано можливість регулювання першої гармоніки вихідної напруги АВСГ з подавленням заданих гармонік.

Оскільки числові методи не дають абсолютно точних рішень, а також і ВР не може точно реалізовувати отримані кути перемикань (завжди є кінцевий фронт перемикання ключів), то і система (1) може бути вирішена з деякою точністю. При цьому, наприклад, рішення першого рівняння із системи (1) буде мати такий вигляд:

(2)

де ? - прийнята допустима похибка вирішення системи (1). При цьому, наприклад, якщо необхідна точність знаходження першої гармоніки b1 вимірюється десятими або сотими долями відсотка, то і ? буде знайдене таким чином: ?=b1/ (103104).

Загальне рівняння діючого значення n-ї гармоніки для ДШІМ має вигляд

(3)

де U - величина вхідної постійної напруги. Враховуючи (2), (3), система (1) перепишеться:

(4)

Система трансцендентних нерівностей (4), отримана з системи трансцендентних рівнянь (1) з урахуванням похибки розрахунків і неточності фізичної реалізації, є додатковою умовою при вирішенні системи (1).

При цьому розрахунок йде як процес вирішення систем трансцендентних рівнянь (1), а придатність їх рішень перевіряється за допомогою системи трансцендентних нерівностей (4). Cистеми трансцендентних рівнянь (1) вирішуються числовими методами. Добру збіжність при вирішенні таких систем показали такі методи: градієнтний, Гауса-Зейделя та ін.

Розроблено методику для розрахунку кутів перемикань регулятора з ШІМ і подавленням заданого числа гармонік, прилеглих до основної, показано, що існує «характерна точка» в діапазоні регулювання U1-першої гармоніки, в якій число подавлених гармонік рівне числу перемикань ключів ВР. Застосована при розрахунку кутів перемикань ключів ВР цільова функція у вигляді , де Ui-величини гармонік, що подавляються, а обмеженням є значення величини першої гармоніки.

При необхідності оптимізувати заданий критерій якості АВСГ або коефіцієнт гармонік вихідного струму, або коефіцієнт гармонік вихідної напруги, або інший енергетичний показник з одночасним регулюванням величини першої гармоніки, теж вирішується аналогічна оптимізаційна задача.

Так, наприклад, при роботі АВСГ в стартерному режимі ефективним є регулювання вихідної напруги ВР з одночасною мінімізацією коефіцієнта гармонік вихідного струму

де U? - амплітуда ?-ї гармоніки з урахуванням cosн. Така оптимізаційна задача вирішена за допомогою покоординатного методу Гауса-Зейделя з таким кроком дискретизації величини першої гармоніки, щоб не зійти з глобального оптимуму.

В розробленій методиці розрахунку кутів перемикання ключів регулятора з мінімізацією коефіцієнта гармонік вихідного струму АВСГ перша точка знаходиться при ?1поч. =?паузи. min/2, де ?1поч. - початкове значення ?1; ?паузи. min - величина кута в градусах (при заданій частоті), яка відповідає мінімальній паузі між перемиканням ключів ВР. Інші кути ?к-1 знаходяться з умови мінімізації цільової функції kгimin. Потім, з не дуже великим кроком, U1 зменшується, а кути ?к-1 знаходяться із умови мінімізації цільової функції. Аналогічно може бути вирішена задача оптимізації іншого, залежного від ШІМ (ККД, коефіцієнт гармонік вихідної напруги, показники електромагнітної сумісності і т. п.) енергетичного показника АВСГ. Одержані кути перемикань ключів регулятора записані у відповідні програмовані запам'ятовуючі пристрої підсистеми керування ВР, які потім з них ініціюються і керують роботою ВР в залежності від сигналів управління і сигналів зворотного зв'язку.

Проведено порівняльний аналіз двох алгоритмів з дискретним регулюванням величини першої гармоніки і подавлення заданого числа прилеглих до основної гармонік та за критерієм мінімуму kгi, при однаковому числі перемикань ключів ВР, відношення коефіцієнтів гармонік струму kгi яких зведене в квадрат дорівнює відношенню потужності, що виділяється на активних опорах АМ на високих частотах. Показано, що при зміні амплітуди першої гармоніки від нуля до 0. 7 її значення в «характерній точці», для оптимальної ШІМ з регулюванням величини першої гармоніки, це відношення близьке до одиниці, при подальшому збільшенні амплітуди першої гармоніки це відношення зростає до величини 1. 4-1. 5, після чого знову зменшується до величини, близької до одиниці в «характерній точці», а потім знову зростає так, що якби можливо було б при оптимальній ШІМ з регулюванням досягти величини першої гармоніки, що досягається при регульованій ШІМ з мінімізацією коефіцієнта гармонік вихідного струму, то це відношення наближалось би до чотирьох при трьох перемиканнях на чверті періоду вихідної частоти для ДШІМ.

В четвертому розділі наведені результати оптимізації енергетичних і масо-габаритних показників АВСГ, які досягнуті на основі покращення якості регулювання їх вихідної електроенергії, і нові схемні рішення СУ АВСГ.

Доведено, що для зменшення вихідних фільтрів ВР типу «m», близьких до оптимальних за масо-габаритними показниками, при заданому обмеженні коефіцієнта гармонік вихідної напруги доцільно використовувати новий алгоритм керування ВР, який дозволяє підтримувати вищевказаний параметр при глибокому регулюванні вихідної напруги в режимі пуску АМ.

Висока частота модуляції в даному ВР і відсутність в спектральному складі цілого масиву гармонік (присутні гармоніки з номерами n=12k1, де k=0, 1, 2...), а також алгоритм широтно-імпульсного регулювання напруги ВР із збереженням якості вихідної електричної енергії при збільшеному діапазоні регулювання вихідної напруги дозволили реалізувати масо-габаритні показники вихідних фільтрів менше 10% і 5% відповідно маси і об'єму СУ АВСГ та ВР. Показано, що використання пристрою форсованого закривання біполярних транзисторів ВР [5] дозволяє зменшувати втрати енергії на перемикання транзисторів і форсовано закривати їх в аварійних режимах автономно, без участі підсистеми керування. Доведено, що застосування перетворювачів частота-код і код-частота в СУ АВСГ дозволяє покращити енергетику пуску дев'ятифазної синхронної машини в асинхронному режимі, збільшуючи частоту модуляції при зменшенні вихідної частоти ВР, а також забезпечити роботу АГ в широкому діапазоні зміни частоти обертання ротора при регулюванні вихідної напруги в залежності від ковзання, причому використання програмованих запам'ятовуючих пристроїв в СУ АВСГ дозволяє реалізовувати в АВСГ задані вихідні характеристики (Uвих=f (Iвих)).

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі на основі запропонованих структур з реалізацією розширеної кодо-імпульсної обробки інформації та комплексного підходу до аналізу впливу якості електричної енергії на характеристики АВСГ, синтезованих алгоритмів дискретного регулювання напруги та схемотехнічних рішень, розроблено методи підвищення ефективності та якості роботи асинхронних вентильних стартер-генераторів та показана їх практична реалізація. Одержані науково обгрунтовані результати (вдосконалена структура АВСГ, методики синтезу, схемотехнічні рішення) у сукупності є суттєвими для створення асинхронних вентильних стартер-генераторів.

1. Показано, що автономні системи електропостачання на базі АВСГ з вентильним регулятором і новими структурами систем управління є одними з найбільш перспективних для впровадження в транспортних енергоустановках, оскільки ці системи управління дозволяють активно керувати електромагнітними процесами в генераторному і стартерному режимах, цілеспрямовано змінюючи їх експлуатаційні характеристики.

2. Запропоновано комплексний підхід щодо усунення основного недоліку АВСГ з ВР - низької якості вихідної електроенергії, що дозволяє підвищити ККД і інші енергетичні показники АВСГ, їх електромагнітну сумісність, розширити сферу їх застосування.

3. Розроблено структуру АВСГ з додатковими зворотними зв'язками і функціональними елементами, які побудовані на основі розширеної кодо-імпульсної обробки інформації, що дозволяє розширити функціональні можливості АВСГ, покращити його енергетичні характеристики в стартерному режимі, а в генераторному - використанням двох каналів регулювання за частотою та напругою АМ.

4. Розроблено перетворювачі частота-код і код-частота, зворотного зв'язку за електричною частотою ротора, який дозволяє надійно збуджувати генератор і працювати в зоні робочих ковзань, підвищити його керованість та швидкодію.

5. Проаналізовано можливості покращення якості вихідної напруги АВСГ за допомогою впровадження сучасних алгоритмів ШІМ в АВСГ, що дозволяє одночасно дискретно регулювати першу гармоніку вихідної напруги на всьому діапазоні і оптимізувати спектр високочастотних гармонік згідно з заданим критерієм.

6. Синтезовано алгоритми подавлення небажаних гармонік вихідної напруги АВСГ та алгоритми з мінімумом коефіцієнта гармонік вихідного струму kгi при одночасному дискретному регулюванні першої гармоніки вихідної напруги на всьому діапазоні регулювання; розроблені відповідні розрахункові методики.

7. Запропоновано алгоритми визначення з заданою точністю енергетичних характеристик АВСГ. Їх аналіз показав, що при застосуванні розроблених алгоритмів керування з ШІМ, енергетичні показники АВСГ наближаються до таких, як при синусоїдальній вихідний напрузі, а також, що розроблені алгоритми керування АВСГ суттєво зменшують коливання моменту на валу АМ і їх легше згладити, що важливо при роботі на низьких частотах, а також зменшити частоту початку покрокового режиму. У сукупності це дозволяє розширити діапазон роботи АВСГ за частотою та напругою.

8. Запропоновано оригінальні схемні рішення, які дозволяють завдяки запису кутів перемикання плеч регулятора в програмовані запамятовуючі пристрої, реалізувати наперед задані дискретні алгоритми керування підсистеми управління ВР з ШІМ в складі АВСГ.

9. Проведені експериментальні дослідження, які підтвердили вірогідність та обгрунтованість наукових висновків і практичних рекомендацій узгодженням розрахунків з дослідними даними.

10. Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень та практичних розробок знайшли впровадження у ряді дослідних організацій та учбових закладах: Науково-дослідному інституті двигунів, м. Москва (дев'ятифазний ВР з малими масо-габаритними показниками, для запуску синхронної машини переважно асинхронізованої) ; Київському вищому танковому інженерному училищі, (трифазний ВР з підвищеною якістю вихідної напруги для запуску АМ) ; Інституті електродинаміки НАН України, м. Київ (система управління асинхронного вентильного генератора, вихідна напруга якого регулюється в функції ковзання АМ).

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Левчук А. П. Работа однофазного автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией на активно-индуктивную нагрузку //Техн. электродинамика. -1989. -№2 -С. 45-52.

2. Гречко Э. Н., Левчук А. П. Характеристики и энергетические показатели трёхфазного инвертора с модернизированной амплитудно-импульсной модуляцией// Техн. электродинамика. -1984. -№5. -С. 57-61.

3. Левчук А. П. Алгоритмы оптимального дискретного регулирования в ШИМ//Праці Інституту електродинаміки НAH України. Електродинаміка. -К. : Інститут електродинаміки НAH України. -2000. -С. 87-94.

4. Левчук А. П. Расчет энергетических показателей и других интегральных характеристик автономных инверторов напряжения с заданной точностью //Проблемы преобразовательной техники. -Ч. II. -Киев: ИЭД АН УССР, 1987. -С. 162-165.

5. А. с. №1403309 СССР, МКИ НО2М 7/538. Ключевой преобразователь напряжения /Тонкаль В. Е., Гречко Э. Н., Левчук А. П., Туваржиев В. К., Алымов О. П. (СССР). -№4159915/24-07; Заявлено 10. 12. 86; Опубл. 15. 06. 88, Бюл. №22. -3 с.

6. А. с. №1823119 СССР, МКИ Н02Р 1/50. Устройство для пуска синхронной m-фазной машины преимущественно асинхронизированной // Назаров В. И., Соколов А. И., Левчук А. П., Гречко Э. Н., Фирсов О. И., Василенко В. В., Меланьин А. А. (СССР). -№4822936/07; Заявлено 02. 04. 90; Опубл. 23. 06. 93. Бюл. №22. -2с.

7. А. с. №1737678 СССР, МКИ Н02М 7/48. Устройство для програмного управления инвертором напряжения в электроприводе переменного тока //Левчук А. П., Гречко Э. Н. (СССР). -№484773/07; Заявлено 07. 05. 90; Опубл. 30. 05. 92. Бюл. №20. -2с.

8. Деклараційний пат. України, МПК 6 02М1/08. Спосіб регулювання спектрального складу квазисинусоїдальної напруги з широтно-імпульсною модуляцією та пристрій для його здійснення/ А. П. Левчук (Україна) //Бюл. -2001. -№1. -C. 120.

9. Тонкаль В. Е., Гречко Э. Н., Левчук А. П. Синтез квазисинусоидальных кривых выходного напряжения автономных инверторов на основе широтноимпульсной модуляции //Проектирование, расчет, моделирование и контроль полупроводниковых приборов и преобразовательных устройств. Межвед. сб. научн. трудов. -Саранск: Мордовский ун-т, 1987. -С. 73-78.

10. Гречко Э. Н., Левчук А. П., Назаров В. И., Соколов А. И. Система управления пуском синхронной m-фазной машины преимущественно асинхронизированной //Всесоюзн. конф. «Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии». -М. : МЭИ, 1990. -С. 120-130.

11. Лищенко А., Мазуренко Л., Елизаренко И., Левчук А. Система автоматического управления асинхронным генератором с вентильным возбуждением //Proceedings of ITERNATIONAL SCIENTIFIC-TECHNICAL CONFERENCE ON UNCONVENTIONAL ELECTROMECHANICAL AND ELECTROTECHNICAL SYSTEMS, ISTS UEES95, Sevastopol, Ukraine, 1995. -SZCZECIN (Poland) : Technical University Press. -1995. -p. 199-204.

АНОТАЦІЇ

Левчук А. П. Системи управління асинхронними вентильними стартер-генераторами транспортних енергоустановок. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 09. 03 - електротехнічні комплекси та системи. -Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, 2001.

Дисертацію присвячено створенню систем управління асинхронних вентильних стартер-генераторів (АВСГ). У роботі на основі розширеної кодо-імпульсної обробки інформації розроблена узагальнена структура системи управління АВСГ, що містить в собі додаткові зворотні зв'язки за електричною частотою ротора, струмами і напругами каналів відбору потужності. Функціонально спрямовані структури асинхронних генераторів отримуються з узагальненої з використанням необхідних зворотних зв'язків і функціональних ланок в системі управління. Проведений порівняльний аналіз ефективності використання алгоритмів широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) в АВСГ. Розроблено математичний апарат синтезу алгоритмів дискретного цільового регулювання гармонічного складу вихідної напруги АВСГ для оптимізації заданого параметра якості або іншого залежного енергетичного показника при ШІМ. Розроблені інженерні методики їх розрахунків.

Результати роботи впроваджено в Науково-дослідному Інституті двигунів, м. Москва; Київському вищому інженерному танковому училищі; Інституті електродинаміки НАН України, м. Київ.

Ключові слова: системи керування, асинхронні вентильні стартер-генератори, широтно-імпульсна модуляція.

Левчук А. П. Системы управления асинхронными вентильными стартёр-генераторами транспортных энергоустановок. -Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05. 09. 03 - электротехнические комплексы и системы. -Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена созданию систем управления асинхронных вентильных стартер-генераторов (АВСГ). В работе на основе расширенной кодо-ипульсной обработки информации разработана обобщенная структура системы управления АВСГ, включающая дополнительные обратные связи по электрической частоте ротора, токам и напряжениям каналов отбора мощности, функциональные элементы. Показано, что функционально направленные структуры АВСГ, такие как генераторы переменного напряжения нестабильной частоты, постоянного напряжения заданного уровня, переменного напряжения постоянной частоты и уровня и т. п. получаются из обобщённой с использованием соответствующих дополнительных обратных связей и функциональных элементов.

Использование дополнительной обратной связи по электрической частоте ротора с применением преобразователей частота-код и код-частота позволило улучшить энергетические показатели в стартерном режиме рассматриваемых электротехнических систем, регулируя величину и качество выходного напряжения вентильных регуляторов в зависимости от частоты, и создавать их с регулированием выходного напряжения в функции скольжения асинхронной машины вне зависимости от угловой скорости в генераторном режиме. Кроме этого, наличие такой обратной связи позволило надёжно возбуждать генератор и работать в зоне рабочих скольжений, повысить его управляемость и быстродействие. Проведён сравнительный анализ эффективности использования алгоритмов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в АВСГ, включающий в себя: расчет с заданной точностью энергетических показателей АВСГ в генераторном и стартерном режимах с соответственно Г и Т-образными схемами замещения при учете известного числа членов бесконечного ряда; анализ электромагнитной совместимости АВСГ по выделению мощности в асинхронной машине от высокочастотных гармоник, колебаниям её момента в установившемся режиме, определению нижней частотной границы наступления пошагового режима асинхронной машины в стартерном режиме.

Синтезированы алгоритмы дискретного целенаправленного регулирования гармонического состава выходного напряжения автономных инверторов с ШИМ в составе АВСГ для оптимизации таких выходных энергетических параметров этих электротехнических систем с учётом их нагрузок, как коэффициент отсутствующих гармоник kог, коэффициент гармоник выходного тока kгi, коэффициент гармоник выходного напряжения kгu или других каких-либо энергетических параметров этих систем, зависящих от ШИМ выходного напряжения, при одновременном регулировании первой его гармоники от максимально возможного значения до нуля с минимизацией числа переключений ключей вентильного регулятора (ВР).

Синтез вышеописанных алгоритмов произведен численными методами на основе решения оптимизационной задачи на каждом шаге регулирования величины первой гармоники, в которой функцией цели является тот или иной энергетический параметр АВСГ, а ограничением -величина первой гармоники.

Разработана инженерная методика расчета алгоритмов дискретного регулирования в оптимальной ШИМ с применением целевой функции в виде суммы квадратов амплитуд подавляемых гармоник при одновременном дискретном регулировании величины первой гармоники выходного напряжения с минимальным числом переключений ключей ВР.

Разработана инженерная методика расчета алгоритмов дискретного регулирования первой гармоники при минимизации коэффициента гармоник выходного тока, определяемого с заданной точностью с учётом известного числа членов бесконечного ряда, и при минимуме переключений ключей регулятора.

Предложены оригинальные схемные решения, которые позволяют оптимизировать режимы работы АВСГ, улучшать его энергетические характеристики, управляемость, быстродействие, расширять диапазон работы по частоте и напряжению, формировать необходимый вид внешних характеристик. Благодаря записи углов переключений ключей ВР в постоянные запоминающие устройства реализованы алгоритмы дискретного регулирования подсистемы управления ВР в составе АВСГ.

Результаты работы внедрены в Научно-исследовательском институте двигателей, г. Москва, Киевском высшем инженерном танковом училище, Институте электродинамики НАН Украины, г. Киев.

Ключевые слова: системы управления, асинхронные вентильные стартёр-генераторы, широтно-импульсная модуляция.

Levchuk A. P. The control systems an asynchronous valve starter-generator of transport propulsive plants. -Manuscript.

Thesis for a candidates degree by speciality 05. 09. 03-Electrotechnical complexes and systems. -The Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis is dedicated to creation of management systems an asynchronous valve starter-generator «AVSG». In activity on the basis of data processing, expanded the code-pulse, the generalized structure of a system of control AVSG is designed which one comprises padding feedbacks on destrical frequency of a rotory table, currents and pressure of channels of a power take-off. Functionly directional patterus of induction generators are received from generalized at usage of indispensable feedbacks and functional links in a management system. The comparative analysis of efficiency of usage of algorithms of a pulse-width modulation in AVSG is conducted. The mathematical vehicle of synthesizing of algorithms of discrete regulation of a harmonic composition of voltage output an autonomous valve starter- generator for optimization of given parameter of quality or divers dependent power parameter is designed at a pulse-width modulation. The engineering techniques of their calculations are designed.

The outcomes of activity are inserted in The Scientific-research Institute of engines, Moscow; The Kiev Higher engineering tank school, Kiev; The Institute of an electrodynamics of a National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev.

Key words: control systems, asynchronous valve starter-generator, pulse-width modulation.

Размещено на Allbest.ru