Напівпровідникові перетворювачі модуляційного типу (системне моделювання, аналіз електромагнітних процесів)

Шостий розділ присвячено розробці нових методик моделювання та аналізу електромагнітних процесів у різновиді НП модуляційного типу в деяких режимах їхньої роботи, основою яких став метод БМФ. До складу розробок увійшли методики моделювання електромагнітних процесів: у перетворювачах в несиметричних та в перехідних режимах роботи, в інверторах з ШІМ вихідної напруги, у ПЧ з КМ при ШІМ еквівалентних модулюючих впливів.

Перша зі згаданих методик дозволяє отримати математичні моделі процесів формування вихідних КСН, а також узагальнити результати моделювання несиметричних режимів роботи ПЧ за рахунок введення в математичне забезпечення методу БМФ низки коефіцієнтів, таких як: - небалансу амплітуд фазних напруг, - несиметрії початкових кутів напруг мережі живлення та модулюючих напруг відповідно, , - зміни частот напруг мережі живлення та модулюючих напруг СУ.

В розробленій методиці моделювання електромагнітних процесів у перетворювачах у перехідних режимах роботи поєднані методи умовних рівнянь, припасовування та БМФ для визначення впливів на неперервні частини НП у перехідних режимах роботи ПСЕЖ. У НП з багатократною модуляцією напруг ПСЕЖ, в яких міститься вхідна ланка постійного струму (ЛПС) і проміжна ЛВЧ з демодулятором на виході, визначення таких впливів здійснюється у три етапи. На першому з них за відомими відхиленнями напруги ПСЕЖ від мінімального рівня до максимального рівня моделюється її вплив на силовий тракт НП де вихідна напруга ПСЕЖ до і після моменту часу переключення з мінімального до максимального рівнів; вихідна напруга ПСЕЖ до і після моменту часу переключення з максимального до мінімального рівнів.

На другому етапі з урахуванням впливу зі сторони ПСЕЖ моделюється вплив ЛПС на ЛВЧ у вигляді вихідної напруги згладжувального фільтра ЛПС з припущенням, що випрямляч працює в режимі джерела напруги з малим внутрішнім опором.

Тому аналіз процесів у НП розглядається як реакція на вплив зі сторони ПСЕЖ, що проходить через силовий тракт ЛПС на навантаження активно-індуктивного характеру, підключене до нього через ЛВЧ і демодулятор. На цьому етапі аналізу можна зробити припущення, що вихідний фільтр ЛПС з деяким опором навантаження, який відповідає вихідній потужності НП, імітує загальне активно-індуктивне навантаження перетворювача.

На третьому етапі з урахуванням вихідної напруги ЛПС моделюється вплив вихідної напруги демодулятора на навантаження, взяте разом з вихідним фільтром, і знаходиться відповідна реакція на цей вплив.

На другому та третьому етапах моделювання використовується метод умовних рівнянь, який, як уже йшлося, дозволяє урахувати внутрішні опори ключових елементів на процес формування вихідних напруг складових частин НП. Окремі інтервали процесів формування впливів на інтервалах періодичності у ході моделювання припасовуються у загальних виразах, які їх описують.

На прикладі моделювання електромагнітних процесів у перетворювачі напруги u(i,t) мережі пасажирського літака показано формування її впливу в перехідному режимі на силовий тракт перетворювача за умовним рівнянням, а також вихідну напругу ud трифазного випрямляча ЛПС та напругу uak на одному з його діодів. Третій етап моделювання, результати якого дозволяють визначити напругу на навантаженні, його струм, струми в елементах вихідного фільтра (індуктивності -і конденсатора -) та струм на вході ЛВЧ.

Методика аналізу електромагнітних процесів у інверторах з ШІМ вихідної напруги, передбачає проведення досліджень в два етапи. На першому з них при визначенні струмів через ключові елементи з урахуванням характеру навантаження, з метою максимальної формалізації та спрощення моделювання, процес подання моделюючої функції синхронізовано з розгортаючою напругою і з координатами періодів високочастотної комутації силових ключів та вихідної напруги, а також нормованої еталонної напруги управління та знакової функції від вихідної напруги.

Струм навантаження інвертора знайдемо з рішення диференціального рівняння, що описує процеси у вихідному фільтрі та навантаженні під дією напруги.

На другому етапі результати моделювання уточнюються визначенням напруги на вході вихідного фільтра за методом умовних рівнянь з використанням схеми заміщення інвертора.

Формалізований підхід та спрощення досліджень в методиці моделювання електромагнітних процесів у ПЧ з КМ при ШІМ еквівалентних моделюючих впливів стали можливими за рахунок поєднання математичного забезпечення ПЧ з КМ на основі ІВН з математичним описом багатоканальних СУ, що дозволило подання множини БМФ ІВН синхронізованою з множиною розгортаючи напруг, а також з координатами періодів високочастотної та низькочастотної комутацій силових ключів і множини напруг управління, які подаються в багато параметричній формі запису.

Вихідна напруга ПЧ з КМ може подаватись, що дозволяє узагальнення результатів досліджень електромагнітних процесів за розробленою методикою їхнього моделювання у ПЧ з КМ при ШІМ еквівалентних моделюючих впливів.

Сьомий розділ присвячено моделюванню та аналізу електромагнітних процесів у системі “мережа живлення НП модуляційного типу” з імпульсним характером струму споживання з урахуванням еквівалентних внутрішніх параметрів мережі за активним опором та індуктивністю. На основі методів БМФ та накладання розроблено раніше невідому методику моделювання та аналізу процесів у вхідних колах НП, яка дозволяє провести розрахунки стосовно взаємної залежності електромагнітних процесів у мережі та НП, що мають властивості джерел напруги.

Для визначення струмів, які споживаються з мережі, а також напруг на енергообмінних конденсаторах методика передбачає подання узагальненої еквівалентної схеми заміщення вхідних контурів силових каналів НП у вигляді двох джерел енергії, що діють на енергообмінний конденсатор. Ними є: джерело вхідного струму НП, який залежить від струму навантаження і визначається за результатами попереднього моделювання за методом БМФ, з одної сторони, та джерело напруги з внутрішніми еквівалентними опором та індуктивністю мережі живлення, з другої сторони. У такому разі, для проведення розрахунків у вхідних контурах силових каналів НП доречним є метод накладання дії згаданих джерел енергії на їхні елементи.

Обгрунтовано, що в НП з імпульсним характером струму споживання необхідність установки енергообмінних конденсаторів на їхніх входах навіть за умов активного навантаження надає додаткового тлумачення термінологічному сенсу словосполучення “енергообмінний конденсатор”, а саме, як конденсатора, що обмінюється енергією з еквівалентною індуктивністю мережі живлення, яка запасається в ній під дією струму, пропорційного струму навантаження НП. Завдяки цьому за критерій розрахунку ємності енергообмінного конденсатора НП вибрано енергію, що накопичується в еквівалентній індуктивності мережі під дією максимального за величиною вхідного струму НП, який проходить через неї, а також наперед заданий приріст напруги на конденсаторі на інтервалах переривчатості вхідного струму НП.

Для моделювання та аналізу взаємного впливу мережі на електромагнітні процеси в НП модуляційного типу доречними стають результати моделювання процесів у вхідних колах НП стосовно миттєвих значень напруги на енергообмінних конденсаторах, що враховують роботу НП від мережі живлення з внутрішніми еквівалентними параметрами.

Результати моделювання показують, що вихідна напруга ІЗН відображає пульсації напруги живлення, амплітуда яких залежить від величини коефіцієнта трансформації узгоджувального трансформатора. Причому пульсації високочастотних складових вихідної напруги ІЗН, що визначаються різницею миттєвих значень напруг, мають вигляд коливань з затухаючою амплітудою відносно низькочастотної складової напруги на енергообмінному конденсаторі. Оскільки амплітуда низькочастотної напруги на конденсаторі має незначне підвищення відносно амплітудного значення напруги джерела (розрахунки показують, що за згаданими величинами напуги живлення напруга може перевищувати на 0,001 … 0,18 В при відповідній ємності конденсатора, яка лежить у межах 1 … 100 мкФ), то струм навантаження, а отже і вхідний струм будуть змінюватись порівняно з результатами попередніх розрахунків лише за рахунок високочастотних складових вихідної напруги ІЗН в залежності від співвідношення сталої часу навантаження та періоду пульсацій цих складових вихідної напруги.

Враховуючи взаємозалежність електромагнітних процесів у системі ”мережа живлення - НП модуляційного типу”, для уточнення розрахунків можна провести повторне моделювання процесів відносно напруги на енергообмінному конденсаторі та відповідних змін у протіканні процесів у силовому каналі перетворення енергії, приймаючи за вхідний струм ІЗН, струм, отриманий з урахуванням внутрішніх параметрів мережі. Варто зауважити, що повторні моделювання доцільні лише за умов активного навантаження, струм якого змінює характер у відповідності до зміни напруги на навантаженні, на відміну від струму активно-індуктивного навантаження.

В розділі розроблено системний метод визначення еквівалентних опорів сталих структур НП, що в єдиному системному підході дозволяє врахувати вплив еквівалентних внутрішніх опорів ключових елементів на процеси формування вихідних напруг різновиду НП модуляційного типу.

Метод полягає у поданні наявності внутрішніх опорів силових ключів у вигляді функціональних елементів за їхніми диференціальними значеннями, які проявляють свою дію у відповідних контурах тільки впродовж інтервалів проходження через них струму навантаження, тобто на інтервалах сталості відповідних структур НП, що визначаються знаковими функціями їхніх вхідних струмів.

Причому математичне позначення опорів напівпровідникових елементів проводиться функціями багатопараметричного виду, що дозволяє одним виразом подати всю їхню множину на інтервалах сталості розгалужених структур перетворювачів. Наприклад, у ПЧ з КМ з ШІР вихідної напруги інтервали сталості структур його ІЗН співпадають з інтервалами процесів енергообміну між навантаженням і мережею, а також процесів розсіяння енергії навантаження на інтервалах дії нульових пауз у вихідних напругах інверторів.

Розроблений метод дозволяє моделювати електромагнітні процеси у НП як в усталених і перехідних режимах роботи, так і з урахуванням еквівалентних параметрів мережі за її опором та індуктивністю. У такому разі системне моделювання та аналіз електромагнітних процесів у НП модуляційного типу доцільно проводити з використанням результатів моделювання процесів у вхідних колах НП стосовно миттєвих значень напруги на енергообмінних конденсаторах, а також методу визначення еквівалентних опорів сталих структур НП.

Варто відмітити одну особливість, пов'язану з системним представленням впливів еквівалентних внутрішніх опорів ключових елементів на процеси формування вихідних напруг різновиду НП.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія системного аналізу електромагнітних процесів у напівпровідникових перетворювачах модуляційного типу на основі розробки методів системного моделювання таких процесів, створення нових структур інверторів напруги та алгоритмів управління ними у напівпровідникових перетворювачах зі змінними та постійними вихідними напругами. Отримані в дисертації результати у сукупності складають суттєвий внесок у подальший розвиток теорії системного моделювання та аналізу напівпровідникових перетворювачів модуляційного типу.

1. Обгрунтовано доцільність подальшого розвитку теорії системного аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу, за якою дослідження, що окреслюють межі та властивості систем, котрі подають їхню цілісність і підсистемну декомпозицію при визначеній меті та зовнішніх впливах, обумовлюють розробку математичного забезпечення та створення нових методів системного моделювання електромагнітних процесів у НП зі змінними та постійними вихідними напругами.

2. Розроблено метод багатопараметричних модулюючих функцій, заснований на представленні алгоритмічних рівнянь роботи НП багатопараметричними функціями, аргументами яких є системні параметри, які подають числові множини силових модуляторів та інверторів, стійок силових ключів та їхніх елементів, напруг та кутів управління, фаз мережі живлення та вихідних напруг і час, що забезпечує єдину методологію проведення системного моделювання та аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу як в усталених, так і в перехідних режимах роботи.

3. Запропоновані багатопараметричні функції, які входять до алгоритмічних рівнянь роботи НП, як систем, відображають своїми дискретними параметрами їхню побудову за підсистемними складовими, що дозволяє спростити процес моделювання за рахунок узагальнення отриманих рівнянь для множин силових модуляторів, інверторів напруги, стійок силових ключів і окремих ключових елементів, при тому, що часова залежність цих функцій дозволяє віддзеркалити рух систем, їхніх підсистемних складових та елементів під дією зовнішніх впливів.

4. Розроблено метод умовних рівнянь, який передбачає подання впливів на неперервні частини НП алгебраїчними виразами, записаними багатопараметричними функціями, аргументами яких є системні параметри НП та час, з представленням електричного стану силових ключів, як функціональних елементів з еквівалентними внутрішніми опорами, діючими на визначених інтервалах, що забезпечило можливість системного моделювання та аналізу електромагнітних процесів у НП з урахуванням внутрішніх опорів ключових елементів.

5. Обгрунтовано теоретичні положення та розроблено метод визначення еквівалентних опорів сталих структур НП, що в єдиному системному підході дозволяє врахувати вплив еквівалентних внутрішніх опорів ключових елементів на процеси формування вихідних напруг різновиду НП модуляційного типу. Запропоновано багатопараметричний умовний вираз, який в узагальненому виді подає закон зміни еквівалентного внутрішнього опору силових ключів будь-якої чарунки НП у відповідності до зміни сталих структур чарунок на інтервалах періодичності їхньої роботи, що дозволило запис процесу припасовування розрахунків у замкненій формі.

6. Проаналізовано запропоновану узагальнену математичну модель для аналізу електромагнітних процесів у НП з багатоканальним способом перетворення параметрів електромагнітної енергії при симетричних напругах живлення, яка стала основою розроблених методик аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу в несиметричних режимах роботи, з ШІМ вихідної напруги, в перехідних режимах роботи, що забезпечують єдину системну методологією їхнього дослідження у НП зі змінними та постійними вихідними напругами і з різними видами модулюючих впливів.

7. Запропоновано математичне забезпечення одно- і багатоканальних СУ з повною адаптацією до математичного опису розробленого методу багатопараметричних модулюючих функцій, що обумовлює можливість узагальненого подання впливів з боку СУ та спрощення процесів моделювання.

8. З'ясовано, що ПЧ з КМ з трифазною вихідною напругою дозволяють широтно-імпульсне регулювання вихідної квазісинусоїдальної напруги у повному діапазоні при відсутності струму в нульовому проводі мережі живлення тільки за умови симетричного навантаження. Визначено умови управління напівпровідниковими ключами інверторів, за якими однофазні ПЧ з КМ виступають симетричним навантаженням для мережі живлення у повному діапазоні регулювання вихідної напруги, а трифазні - навіть при власному несиметричному навантаженні, що дозволило просту їхню реалізацію, за якою вибраний алгоритм управління силовими ключами забезпечує формування фіксованої нульової паузи тривалістю у 60 у вихідних напругах кожного з інверторів.

9. Створено інвертори змінної та випрямленої напруг з додатковими контурами енергообміну між навантаженням і мережею живлення, що забезпечує роботу їхніх силових ключів і навантаження НП без перенапруг як в усталених режимах, так і на інтервалах вимикання від мережі живлення.

10. Визначено умови сумісності силових модуляторів на основі інверторів випрямленої напруги з перетворювачами систем електроживлення на основі ПЧ з КМ, що дозволяє їхню розробку на ключах постійного струму, які мають у два рази меншу кількість транзисторів порівняно з ключами змінного струму.

11. Запропоновано алгоритми управління силовими модуляторами НП за структурами ПЧ з КМ з багатопараметричним поданням як фазних, так і лінійних напруг мережі живлення і асинхронних до них однофазних еквівалентних модулюючих впливів з боку СУ, що забезпечує можливість системного моделювання та аналізу процесів формування, а також одно- та багатозонного регулювання знакопостійних напруг.

12. Розроблено узагальнену методику моделювання та аналізу процесів у вхідних колах НП, яка дозволяє за відомими вхідними струмами НП та внутрішніми параметрами мережі врахувати взаємний вплив роботи НП на мережу живлення і навпаки, внутрішніх параметрів мережі на НП.

13. Отримані теоретичні результати використані в науково-дослідних роботах кафедри теоретичної електротехніки НТУУ “КПІ”, при створенні імітатора системи електроживлення апаратури автономних об'єктів, розробленого для НВО “Волна” (м. Москва), в розробках НДІ “Квант” та НДП “УкрАртсистеми” (м. Київ), а також в навчальному процесі у Національному технічному університеті України “КПІ”.

14. Сформульовані в дисертації наукові положення, рекомендації і висновки є достатньо обгрунтовані, базуються на глибокому теоретичному аналізі, коректній постановці розв'язуваних завдань, узгодженням моделей з експериментальними даними і раніше відомими з літературних джерел результатами, апробацією основних положень та результатів на представницьких наукових конференціях.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Макаренко Н.П. Анализ и моделирование электромагнитных процессов в силовых преобразовательных устройствах методом модулирующих функций Техн. електродинаміка. Системи електроживлення електротехнічних установок і комплексів. - Темат. вип. - 1999. - С.44-47.

2. Макаренко М.П., Абарка Г. Аналіз безпосередніх перетворювачів частоти, як основи багатофункціональних перетворювачів електромагнітної енергії з лінеаризованими характеристиками регулювання // Наукові вісті Нац. техн. ун-ту України “Київський політехнічний інститут”. - 1998. - №1 (2). - С.17-21.

3. Макаренко Н.П. Преобразователи для электромеханических комплексов с многозонным регулированием напряжения // Вестн. Харьков. гос. политехн. ун-та. Пробл. автоматизированного электропривода. Теория и практика. - Харьков: ХГПУ, 1999. - С.279-280.

4. Макаренко Н.П. Сетевые преобразователи электроэнергии комплексов технических средств промышленных предприятий // Вісник УБЕНТЗ. - 1999. - №1.-С.13-17.

5. Макаренко Н.П. Анализ и моделирование несимметричных режимов работы преобразователей частоты методом многопараметрических модулирующих функций // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. - Темат. вип. - 2000.- Ч. 3. - С.29-32.

6. Макаренко Н.П. Анализ электромагнитных процессов в инверторах переменного и выпрямленного напряжения // Электроника и связь - 2000.- № 8.- Т. 1. - С. 164-167.

7. Макаренко Н. П. Анализ процессов преобразования энергии в силовом тракте инверторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. - Темат. вип. - 2000. - Ч. 2. - С.109-112.

8. Макаренко Н.П. Анализ процессов в устройствах с многоканальным способом преобразования параметров электромагнитной энергии // Электроника и связь. - 2001.- № 11. - С. 40-43.

9. Макаренко Н.П. Математическое описание компьютерно ориентированных моделей элементов и узлов систем управления преобразовательных устройств модуляционного типа // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. - Темат. вип. - 2001. - Ч. 2. - С.45-48.

10. Макаренко Н.П., Абарка А.Г. Математическая модель процесса формирования выходных напряжений преобразователей частоты // Электроника и связь. - 1999. - №6.- Т. 2. - С. 60-64.

11. Макаренко Н.П., Абарка Г., Небрат Е.В. Экологические вопросы сетей вторичных систем электроснакбжения промышленных предприятий // Вісник УБЕНТЗ.- 1999. - №5. - С. 7-12.

12. Макаренко М.П. Метод системного макромоделювання процесів у напівпровідникових перетворювачах модуляційного типу // Праці Інституту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАН України. - 2003. № 1 (4). - С. 54-61.

13. Макаренко М.П., Михайленко В.В. Математична модель перетворювача трифазної напруги в постійну напругу // Электроника и связь.- 2002.- №14.- С. 73-75.

14. Макаренко М.П., Михайленко В.В. Перетворювач трифазної напруги в постійну з багатозонним регулюванням // Праці Інституту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАН України. - 2002.- №2 (2). - С. 46-51.

15. Макаренко М.П., Михайленко В.В. Аналіз електромагнітних процесів у перетворювачах з багатозонним регулюванням вихідної напруги функціями багатопараметричного виду // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. - Темат. вип. - 2002. - Ч.1. - С.19-22.

16. Макаренко М. П., Михайленко В.В., Сенько В.І. Математичний опис перетворювача трифазної напруги в постійну з ланкою високої частоти // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія технічні науки. - Чернігів: ЧДТУ.- 2002. - № 15. - С.118-123.

17. Макаренко Н.П., Михайленко В.В, Юрченко Н.Н. Анализ электромагнитных процессов в двенадцатипульсном преобразователе с зонным регулированием выходного напряжения // Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.- Харьков: НТУ “ХПИ”.- 2002.- Вып. 12.- Т. 1. - С.233-234.

18. Макаренко Н.П., Сенько В.И., Абарка Г. Компенсационно-параметри-ческие системы автоматического регулирования выходного напряжения непосредственных преобразователей частоты // Вестн. Харьков. гос. политехн. ун-та. Пробл. автоматизированного электропривода. Теория и практика. - Харьков: ХГПУ.- 1998. - С.291-292.

19. Макаренко Н.П., Сенько В.И., Абарка Г. Непосредственные преобразователи частоты в системах электропитания постоянного тока // Техн. електродинаміка. Силовая электроника и энергоэффективность.- Спец. вип. 2. - 1998. - Т.1. - С. 64-67.

20. Макаренко Н.П., Сенько В.И., Терновой В.М., Абарка Г. Моделирование электромагнитных процессов энергообмена в инверторах переменного напряжения // Электроника и связь. - 1998. - Вып. 4.- Ч. 3. - С. 482-486.

21. Макаренко Н.П., Сенько В.И., Терновой В.М., Абарка Г. Непосредственные преобразователи частоты с обратными выпрямителями // Техн. електродинаміка. Силовая электроника и энергоэффективность.- Спец. вип. 2.-1998.- Т.1.- С. 68-71.

22. Макаренко Н.П., Сенько В.И., Юрченко Н.Н. Варианты включения и построения силовых модуляторов переменного напряжения в преобразователях частоты // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. - Темат. вип. - 2002.- Ч. 3. - С.88-91.

23. Макаренко Н.П., Сенько В.И., Юрченко Н.Н., Пархоменко Н.А. Моделирование и анализ процессов преобразования энергии в силовом тракте преобразователя напряжения автономного объекта // Праці Інституту електродинаміки НАН України. Електротехніка: Зб. наук. пр. - Київ: ІЕД НАН України. - 2001. - С. 21 - 28.

24. Макаренко М.П., Юрченко М.М., Сенько В.І., Юрченко О.М. Математичне і комп'ютерне моделювання електромагнітних процесів в перетворювачах частоти з широтно-імпульсною модуляцією вихідної напруги // Вісник Нац. ун-ту “Львівська політехника”. Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 2001. - № 421. - С. 110-116.

25. Пат. 16883 України, МКІ Н02М1/08. Пристрій для керування силовим напівпровідниковим ключем. Сенько В.І., Макаренко М.П., Святненко В.А., Калініченко О.П. (Україна); “Київський політехнічний інститут” (Україна).- №4884504/SU; Заявл. від 21.11.90; Опубл. 29.08. 1997. Бюл. №4.- 5 с.

26. Пат. 29199 А України, МКІ Н02М1/02. Інвертор напруги / М.П. Макаренко (Україна), А.А. Густаво (Мексика); Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (Україна). - №98010493; Заявл. 29.01.98; Опубл. 16.10. 2000. Бюл. № 5-11.- 2 с.

27. Пат. 31013 А України, МКІ Н02М1/02. Силовий модулятор / М.П. Макаренко (Україна), А.А. Густаво (Мексика); Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (Україна).- №98073422; Заявл. 01.07.98; Опубл. 15.12. 2000. Бюл. № 7-11. - 2 с.

28. Калиниченко А.П., Макаренко Н.П., Святненко В.А., Сенько В.И. Принципы построения цифровых систем управления автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией // Преобразование параметров электрической энергии в энергетических и технологических установках. - Киев: Ин-т электродинамики АН УССР. - 1991. - С. 11-16.

29. Макаренко Н.П. Математическая модель преобразователей частоты // Труды XVIII научн.-техн. конф. “Актуальные проблемы электроэнергетики”.- Нижний Новгород: - НГТУ. - 1999. - С.51-53.

30. Макаренко Н.П., Святненко В.А., Сенько В.И. Система электропитания с параллельным включением резонансных инверторов // Труды 2-й научн.-техн. конф. “Устройства и системы автоматики автономных объектов Красноярск: Изд-во Красноярского филиала АН СССР. - 1990.- С. 136-137.

31. Победаш К.К., Макаренко Н.П., Гапченко Ю.В. Анализ духзвенных преобразователей частоты методом наложения переходных реакций // Труды Всесоюзной научн.-техн. конф. “Проблемы преобразовательной техники”. - Ч. 4. - Киев: ИЭД АН УССР.- 1987. - С. 97-100.

32. Сенько В.И., Макаренко Н.П., Победаш К.К., Филинов В.В. Особенности применения компенсационно-параметрических систем авторегулирования в преобразователях частоты // Труды Всесоюзной научн.-техн. конф. “Проблемы преобразовательной техники”. - Ч. 4. - Киев: ИЭД АН УССР.- 1987. - С. 198-200.

33. Макаренко Н.П., Святненко В.А., Сенько В.И., Трубицын К.В. Преобразовательное устройство с гибко перестраиваемой выходной мощностью // Труды 4 научн.-техн. совещ. “Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей”. - Таллин: АН Эстонии.- 1990. - С. 50-51.

34. Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н., Гуцалюк В.Я., Сенько В.И., Макаренко Н.П. Транзисторные преобразователи с секционированной структурой для электротехнологических установок // Всероссийская научно-техническая конференция “Устройства и системы энергетической электроники”. - Москва: Академия наук России (РАН). - 2002. - С.14-15.

АНОТАЦІЇ

Макаренко М.П. Напівпровідникові перетворювачі модуляційного типу (системне моделювання, аналіз електромагнітних процесів). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена розвитку теорії системного аналізу електромагнітних процесів у напівпровідникових перетворювачах модуляційного типу за розробленими методами системного моделювання, які в роботі названі як: метод багатопараметричних модулюючих функцій, метод умовних рівнянь, метод визначення еквівалентних опорів сталих структур та методиками моделювання електромагнітних процесів на їхній основі. Запропоновано узагальнені математичні моделі для аналізу перетворювачів з розгалуженими структурами, математичне забезпечення систем управління, нові структури інверторів напруги і алгоритми управління ними у перетворювачах зі змінними та постійними вихідними напругами. Досліджено способи регулювання вихідних напруг перетворювачів при забезпеченні їхньої симетрії відносно мережі, а також взаємозалежність процесів у перетворювачах та мережі живлення.

Ключові слова: системне моделювання електромагнітних процесів, багатопараметричні модулюючі функції, силові модулятори.

Makarenko M.P. Semiconductor converters of modulation type (system modeling, analysis of electromagnetic processes). - Manuscript.

Thesis for obtaining degree of Doctor of Technical Sciences on specialty 05.09.12 - Semiconductor Converters of the Electrical Energy. - Institute of the Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003.

Thesis is dedicated to development of the theory of system analysis of electromagnetic processes in semiconductor converters of modulation type using developed methods of system modeling, which are called in the Thesis as: method of the multiparametric modulating functions, method of the conditional equations, method of the determination of steady structures equivalent resistances and methods of modeling electromagnetic processes on their basis. Generalized mathematical models for analysis of the converters with branched structures, mathematical support of the control systems, new voltage inverter structures and algorithms for controlling them in converters with alternative and direct output voltages have been proposed. Methods of regulation of the converter's output voltages ensuring their symmetry with the network as well as interdependency of the processes in the converters and supply network have been researched.

Keywords: system modeling of electromagnetic processes, multiparametric modulating functions, power modulators.

Макаренко Н.П. Полупроводниковые преобразователи модуляционного типа (системное моделирование, анализ электромагнитных процессов). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертация посвящена развитию теории системного анализа электромагнитных процессов в полупроводниковых преобразователях (ПП) модуляционного типа на основе разработки методов и методик системного моделирования таких процессов, создания новых структур инверторов напряжения и алгоритмов управления ими в преобразователях с переменными и постоянными выходными напряжениями.

В работе обоснована актуальность системного подхода к решению задач анализа электромагнитных процессов в ПП модуляционного типа.В качестве основного метода системного моделирования в диссертации разработан универсальный обобщающий метод, названный методом многопараметрических модулирующих функций (ММФ). Название метода учитывает как специфику его применения для целого класса ПП с многоразветвленными структурами, так и физическую суть преобразования энергии, при котором процессы формирования выходных напряжений описываются алгоритмическими уравнениями, отображающими процессы одно- или многократной модуляции напряжений первичных систем электроснабжения различного вида эквивалентными модулирующими воздействиями. В основу математического аппарата метода ММФ положены многопараметрические функции - для записи искомых электрических величин, многопараметрические модулирующие функции - для представления эквивалентных модулирующих воздействий, простейшие многопараметрические модулирующие функции, совпадающие с положением импульсов управления силовыми ключами, и многопараметрические коммутирующие функции - для определения интервалов изменения внутренних структур ПП как в стационарных, так и в переходных режимах роботы. Аргументами таких функций являются системные параметры, которые представляют множества подсистем и элементов, а также время, указывающее на движение систем. Многопараметрическая форма записи алгоритмических уравнений работы ПП, как систем преобразования електроэнергии, позволяет получить обобщенные результаты моделирования процессов в полных множествах их подсистем и элементов.

На основе метода ММФ разработан метод системного моделирования, названный в работе методом условных уравнений. Он позволяет по схемам замещения описывать воздействия на непрерывные части ПП алгебраическими выражениями, полученными с представлением электрического состояния силовых ключей, как функциональных элементов с эквивалентными внутренними сопротивлениями, в составе условных уравнений, записанных многопараметрическими функциями, аргументами которых являются системные параметры ПП и время.

Максимально формализовать моделирование электромагнитных процессов в ПП позволяет созданный в работе метод определения эквивалентных сопротивлений постоянных структур ПП, который в едином системном подходе позволяет учесть влияние эквивалентных внутренних сопротивлений ключевых элементов на процессы формирования выходных напряжений различных ПП модуляционного типа. Предложена запись эквивалентного сопротивления множества инверторных ячеек ПП в виде условного многопараметрического выражения, обобщающего закон его изменения относительно изменения постоянства структур ячеек и представляющего результаты припасовывания процессов моделирования в замкнутой форме.

Разработано математическое обеспечение систем управления ПП с полной его адаптацией с математическим аппаратом метода ММФ.

В диссертации созданы технические решения инверторов напряжения, входящих в состав силовых модуляторов напряжений питающей сети, отличающиеся от известных наличием дополнительных контуров энергообмена между нагрузкой и входными цепями, позволяющих обеспечить работу силовых элементов без возникновения перенапряжений на них. Обоснована особенность силовых модуляторов, построенных на разработанных инверторах с ключами постоянного тока, быть полностью совместимыми с ПП, реализующими принципы квазиоднополосной модуляции, что позволяет при построении таких преобразователей уменьшить вдвое число силовых ключей по сравнению с традиционными техническими решениями.

Разработаны и исследованы модели электромагнитных процессов регулирования выходных напряжений одно- и трехфазных ПП при обеспечении их симметрии относительно питающей сети. Определены условия, а также их простая реализация, при которых ПП с трехфазным выходным напряжением представляются симметричными нагрузками для питающей сети при собственных несимметричных нагрузках.

Теоретически обоснованы и показаны варианты технической реализации возможности использования силовых структур преобразователей частоты с квазиоднополосной модуляцией в качестве центральных при построении ПП с постоянными выходными напряжениями. На основе математического обеспечения метода ММФ разработаны модели электромагнитных процессов одно- и многозонного регулирования выходных напряжений таких преобразователей.

Предложены методики анализа электромагнитных процессов в ПП модуляционного типа в несимметричных и переходных режимах работы, с широтно-импульсной модуляцией выходных напряжений, с широтно-импульсной модуляцией эквивалентных модулирующих воздействий при единой системной методологии их исследований в ПП с переменными и постоянными выходными напряжениями. Разработана обобщающая методика моделирования электромагнитных процессов во входных цепях ПП, позволяющая при известных входных токах ПП и внутренних параметрах питающей сети провести анализ взаимной зависимости процессов в преобразователях и питающей сети.

Ключевые слова: системное моделирование электромагнитных процессов, многопараметрические модулирующие функции, силовые модуляторы.

Размещено на Allbest.ur