Перетворювачі частоти і напруги з широтно-імпульсною модуляцією: аналіз та наукове обґрунтування шляхів підвищення якості електроенергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

УДК 621.313.3: 621.314.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Перетворювачі частоти і напруги з широтно-імпульсною модуляцією: аналіз та наукове обґрунтування шляхів підвищення якості електроенергії

Спеціальність 05.09.12 напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Михальський Валерій Михайлович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі перетворення та стабілізації електромагнітних процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Чехет Едуард Михайлович, Інститут електродинаміки НАН України, провідний науковий співробітник відділу перетворення та стабілізації електромагнітних процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Щерба Анатолій Андрійович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділу електроживлення технологічних систем;

доктор технічних наук, професор Жемеров Георгій Георгійович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, професор кафедри промислової та біомедичної електроніки;

доктор технічних наук, професор Переверзєв Анатолій Васильович, Запорізький інститут економіки та інформаційних технологій Міністерства освіти і науки України, проректор з наукової роботи.

Захист відбудеться «5» жовтня 2010 р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за вищевказаною адресою.

Автореферат розісланий «2» вересня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Ю.М. Гориславець

Загальна характеристика роботи

Забезпечення високої якості електроенергії на вході та виході напівпровідникових перетворювачів набуває все більшого значення з огляду на те, що на сучасному етапі технічного розвитку майже половина генерованої в світі електроенергії перед кінцевим використанням піддається перетворенню своїх параметрів. В основному це стосується перетворення частоти і напруги. Розробка принципів перетворення систем змінного струму однієї частоти і напруги в системи змінного струму іншої частоти і напруги (в тому числі з їх регулюванням), із забезпеченням при цьому високої якості перетвореної напруги і струму, що споживається від первинної системи живлення, та забезпеченням максимально можливого коефіцієнта використання первинної напруги при перетворенні є однією з основних проблем в сучасній електротехніці. Найбільше розповсюдження при вирішенні цієї проблеми отримали напівпровідникові дискретні (ключові) перетворювачі електроенергії, що обумовлено прогресуючим удосконаленням силових напівпровідникових приладів та засобів керування ними. Дуже важливими є питання аналізу існуючих та створення нових принципів і методів підвищення якості електроенергії на вході та виході перетворювачів частоти і напруги. Забезпечення формування високоякісної вихідної напруги та струму, що інжектується перетворювачем в мережу живлення, є рівноправними складовими проблеми електромагнітної сумісності в системі «мережа живлення - перетворювач - навантаження». Збільшення процентного відношення нелінійних навантажень мережі живлення, до яких належать напівпровідникові перетворювачі з обмеженими можливостями для формування синусоїдального вхідного струму, приводить до додаткових спотворень напруг мережі, що, в свою чергу, викликає подальші спотворення кривих вхідного струму перетворювачів.

Значний внесок у вирішення проблеми підвищення якості електроенергії на вході та виході напівпровідникових перетворювачів частоти і напруги внесли вітчизняні та зарубіжні вчені: А.К. Шидловський, Г.Г. Півняк, І.В. Волков, А.Ф. Жаркін, В.Г. Кузнецов, О.В. Новосельцев, В.Ю. Тонкаль, А.А. Щерба, П.Д. Андрієнко, О.Г. Булатов, О.В. Волков, Е.М. Гречко, О.І. Денисов, Г.Г. Жемеров, В.Я. Жуйков, Г.С. Зінов'єв, М.С. Комаров, К.О. Липківський, В.І. Олещук, В.Б. Павлов, А.В. Переверзєв, Б.Є. П'яних, В.С. Руденко, В.І. Сенько, Є.І. Сокол, В.С. Федій, С.А. Харитонов, Е.М. Чехет, Р.Т. Шрейнер, М.М. Юрченко, І.А. Баховцев, В.М. Берестов, Д.Б. Ізосімов, Ю.Є. Кулєшов, Г.О. Москаленко, Є.Є. Чаплигін, F. Blaabjerg, S.R. Bowes, D. Casadei, J.C. Clare, M. Depenbrock, D.G. Holmes, J. Holtz, M. Kazmierkowski, J.W. Kolar, T. Lipo, A.M. Trzynadlowski, H.W. Van der Broeck, M. Venturini, P. Wheeler і багато інших.

Основними шляхами цього підвищення якості є пасивна фільтрація вихідної напруги і вхідного струму, збільшення числа рівнів вхідного джерела живлення (еквівалентного числа фаз), застосування активних фільтрів та модифікація існуючих і створення нових методів широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Найперспективнішим і найпоширенішим підходом до формування високоякісних вихідної напруги і вхідного струму перетворювачів є ШІМ. Незважаючи на те, що вивченню ШІМ присвячено більшу частину досліджень згаданих вчених, до цього часу не знайшли вирішення питання системного визначення стаціонарних станів перетворювачів, їх взаємного розташування та відносних тривалостей застосування при побудові циклів модуляції, а саме від цього визначення залежить як якість вихідної напруги та вхідного струму, так і можливість забезпечення максимально можливих коефіцієнтів використання напруги джерела живлення.

Актуальність теми. Застосування в перетворювачах електроенергії сучасних силових ключів на повністю керованих напівпровідникових приладах, керування якими здійснюється за принципами ШІМ, суттєво розширило можливості підвищення якості електроенергії на вході та виході цих перетворювачів. Принципи ШІМ знаходяться в стані неперервного розвитку для задоволення зростаючих вимог до якості формування вихідних напруг та вхідних струмів перетворювачів.

В широкому розумінні поняття якості електроенергії включає більше десяти різних критеріїв, передбачених нормативними документами. В даному дослідженні показники якості умовно зводяться до показників несинусоїдальності відповідних кривих в зв'язку з тим, що для підвищення якості електроенергії використовуються засоби і можливості керування перетворювачами.

Вимоги нормативних документів до показників несинусоїдальності вихідної напруги напівпровідникових перетворювачів з широтно-імпульсною модуляцією в переважній більшості випадків передбачають застосування вихідних згладжуючих фільтрів у всіх вихідних фазах перетворювачів. Для живлення відповідальних споживачів часто необхідно застосовувати цілий комплект резонансних LC- фільтрів, кожен з яких розраховується на придушення однієї або декількох сусідніх гармонічних складових у спектрі вихідної напруги. Масогабаритні показники та вартість таких фільтрів збільшуються пропорційно до амплітудних значень відповідних гармонічних складових та до близькості їх розташування на шкалі частот до частоти основної гармоніки вихідної напруги. З цих причин спектральний склад кривої напруги для оцінки несинусоїдальності має не менше значення, ніж коефіцієнт гармонік цієї напруги.

Покращення гармонічного складу вихідного струму перетворювачів частоти (ПЧ) при роботі в складі електроприводів змінного струму дозволяє зменшити додаткові втрати в електричній машині, зменшити пульсації моменту двигуна та небажані додаткові навантаження в механічній частині приводу, що здатні викликати резонансні явища та створювати акустичний шум.

Не менш важливим аспектом підвищення якості електроенергії в перетворювачах частоти та напруги з широтно-імпульсною модуляцією є формування квазісинусоїдального вхідного струму, причому вимоги до гармонічного складу цього струму відрізняються від вимог, які лімітують спектральний склад вихідної напруги, і полягає ця різниця в тому, що ступінь впливу гармонік струму на спотворення кривих напруги на вході перетворювача зростає з номером складової в частотному спектрі кривої вхідного струму, оскільки опір мережі живлення носить індуктивний характер.

З названих причин створення нових методів ШІМ в ПЧ для підвищення якості електроенергії на вході та виході цих перетворювачів з одночасним забезпеченням максимально можливих коефіцієнтів передачі по напрузі є важливою науково-прикладною проблемою, а тема досліджень, направлених на створення цих методів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувались в Інституті електродинаміки відповідно до планів НДР НАН України за темами: «Дослідити та розробити перетворювачі частоти з векторним керуванням на базі цифрових сигнальних процесорів» (шифр 1.7.3.180, «Сигнал», затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 23.03.2000р., протокол №3, № ДР 0100U000278); «Дослідити засоби покращення якості керування матричними перетворювачами» (шифр 1.7.3.243, «Сигнал-2», затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 22.02.2005р., протокол №4, № ДР 0105U002313); «Розробка та дослідження засобів підвищення якості електроенергії на вході і виході напівпровідникових перетворювачів частоти, напруги і струму в умовах несиметрії та несинусоїдальності напруг мережі живлення» («Модулятор», затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 06.10.2009р., протокол №13, № ДР 0109U006757); «Розробка, дослідження та підготовка до впровадження у виробництво енергозберігаючих багатофункціональних електроприводів з підвищеним ККД» програми «Науково-технічні основи вирішення проблем енергозбереження» («Енергозбереження», затверджена розпорядженням Президії НАН України від 18.04.06 №239, № ДР 0107U000068); прикладних НДР: «Дослідити особливості вдосконалення процесу створення перетворювачів частоти, напруги та струму за рахунок нової генерації мікропроцесорної техніки і засобів візуалізації та моніторингу» («База-П3», затверджена рішенням вченої ради Інституту електродинаміки НАН України від 11.12.2003р., протокол №11, № ДР 0104U003446); «Дослідити електромагнітні процеси та розробити алгоритми адаптивного керування системами з регуляторами напруги, струму, частоти і потужності, орієнтованими на застосування в нових електротехнологіях» («База-П4», затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 23.01.2007р., протокол №1, № ДР 0107U001690). При виконанні цих робіт автор розробив основні концепції вибору стаціонарних станів ключів, визначення їх взаємного розташування та відносних тривалостей застосовування при здійсненні ШІМ для підвищення якості електроенергії на вході та виході перетворювачів і реалізації безпечних комутацій змінного струму, та був відповідальним виконавцем або науковим керівником НДР.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення нових методів широтно-імпульсної модуляції для формування вихідних напруг та вхідних струмів напівпровідникових перетворювачів частоти і напруги, які полягають в системному визначенні стаціонарних станів перетворювачів, їх взаємного розташування та відносних тривалостей використання при побудові циклів модуляції, що дозволяє підвищити якість цих напруг та струмів. Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі основні задачі:

* формулювання проблеми підвищення якості електроенергії на вході та виході напівпровідникових перетворювачів частоти і напруги з ШІМ;

* обґрунтування доцільності застосування системи зважених показників несинусоїдальності вихідних напруг і вхідних струмів в ПЧ з ШІМ;

* визначення границь області існування сімейства імплементаційних функцій, що є складовими нульової послідовності по відношенню до системи сигналів завдання вихідних напруг автономних інверторів напруги (АІН) при неспотворюючому формуванні цих напруг з максимальним теоретично можливим коефіцієнтом модуляції;

* визначення гармонічного складу та показників якості вихідної напруги АІН при застосуванні основних перервних модуляційних функцій для максимального розширення лінійного діапазону модуляції та порівняльний аналіз цих показників якості по відношенню до керування із застосуванням інших методів ШІМ, визначення показників якості вихідної напруги АІН при застосуванні методів ШІМ в режимі перемодуляції;

* розробка методів регулювання співвідношень між амплітудами неперервних імплементаційних функцій та амплітудами перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги АІН в залежності від значення коефіцієнта модуляції для підвищення якості вихідної напруги у повному лінійному діапазоні її регулювання;

* визначення верхніх границь діапазонів неспотворюючого формування вихідної напруги АІН при застосуванні для ШІМ неперервних імплементаційних функцій з різними значеннями співвідношень їх амплітуд та амплітуд перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги;

* розробка нових принципів безпечної комутації змінного струму ключами двосторонньої провідності матричних перетворювачів (МП) при глибокому регулюванні кута зсуву між вхідними струмами та відповідними фазними напругами мережі живлення, проведення порівняльного аналізу показників несинусоїдальності вихідних напруг та вхідних струмів МП при використанні скалярних та векторних підходів до їхнього формування з одночасним застосуванням розроблених принципів комутації струму як в умовах забезпечення нульового фазового зсуву між вхідними струмами перетворювача та відповідними фазними напругами, так і з можливістю глибокого регулювання вхідного cosц, а також інших конструкціях модуляційних циклів, які дозволяють зберегти при цьому мінімально можливу кількість перемикань ключів МП на циклі модуляції;

* розробка методу формування струмів в системі «мережа живлення з несиметричними напругами - матричний перетворювач»;

* розробка концепції компенсації «мертвого часу» в ПЧ з ШІМ з використанням геометричного підходу шляхом зміни масштабів складових заданих просторових векторів вихідної напруги через визначення і вибір альтернативних комплектів стаціонарних векторів на циклах модуляції, що дозволить максимально підняти нижню межу значень відносних тривалостей застосування стаціонарних станів (векторів) та забезпечити точне формування вихідної напруги та вхідного струму;

* розробка методу коригування тривалостей застосування стаціонарних станів МП з ШІМ шляхом визначення векторів похибки з урахуванням особливостей формування нульових стаціонарних векторів на циклах модуляції;

* розробка та впровадження у виробництво ПЧ, що забезпечують підвищення якості електроенергії шляхом використання розроблених концепцій і методів ШІМ.

Об'єкт дослідження - процеси формування вихідної напруги та вхідного струму напівпровідникових перетворювачів частоти і напруги.

Предмет дослідження - шляхи підвищення якості електроенергії на виході та вході перетворювачів частоти і напруги з широтно-імпульсною модуляцією.

Методи досліджень. Приведені в роботі результати отримано з використанням спектрального методу розрахунку енергетичних показників перетворювальних пристроїв; теорії лінійних диференціальних рівнянь; гармонічного аналізу та синтезу кривих вихідних напруг перетворювачів із застосуванням співвідношень Якобі-Ангера з використанням функцій Беселя; елементів матричного числення; теорії миттєвих потужностей Акагі-Небаї і методів перетворення координат при створенні стратегії формування струмів в системі «мережа живлення з несиметричними напругами - матричний перетворювач»; теорії просторових векторів; теорії електричних кіл; математичного та фізичного моделювання процесів формування вихідної напруги та вхідного струму перетворювачів з широтно-імпульсною модуляцією.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

1. Вперше визначено границі області існування сімейства імплементаційних функцій, що є складовими нульової послідовності по відношенню до системи сигналів завдання вихідних напруг АІН при неспотворюючому формуванні вихідної напруги з максимальним теоретично можливим коефіцієнтом модуляції. Вперше доведено, що будь-яка імплементаційна функція (перервна чи неперервна), графік якої не виходить за межі цієї області, дозволяє формувати неспотворену вихідну напругу у повному лінійному діапазоні зміни коефіцієнта модуляції від 0 до .

2. Вперше аналітично визначено гармонічний склад та показники якості вихідної напруги АІН при застосуванні для максимального розширення лінійного діапазону модуляції основних перервних модуляційних функцій.

3. Розроблено новий метод регулювання співвідношення між амплітудами неперервних імплементаційних функцій та амплітудами перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги АІН в залежності від значення коефіцієнта модуляції, що дозволяє підвищити якість вихідної напруги у повному лінійному діапазоні її регулювання.

4. Вперше аналітично визначено верхні границі діапазонів неспотворюючого формування вихідної напруги АІН при застосуванні для ШІМ неперервних імплементаційних функцій з різними значеннями співвідношень їх амплітуд та амплітуд перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги.

5. Розроблено нові принципи безпечної комутації змінного струму ключами двосторонньої провідності матричних перетворювачів при глибокому регулюванні кута зсуву між вхідними струмами та відповідними фазними напругами мережі живлення. Вперше виконано порівняльний аналіз показників несинусоїдальності вихідних напруг та вхідних струмів МП при їхньому формуванні за новими принципами безпечної комутації струму та при формуванні просторових векторів напруги та струму з використанням для отримання нульових стаціонарних векторів під'єднання фаз навантаження до фаз мережі живлення, які набувають на поточному інтервалі періоду вхідної напруги максимальних, середніх чи мінімальних значень, залишаючи при цьому кількість перемикань ключів МП на циклі модуляції мінімально можливою.

6. Розроблено новий метод формування струмів в системі «мережа живлення з несиметричними напругами - матричний перетворювач».

7. Розроблено нову концепцію компенсації «мертвого часу» в ПЧ з ШІМ з використанням геометричного підходу шляхом зміни масштабів складових заданих просторових векторів вихідної напруги через визначення і вибір альтернативних комплектів стаціонарних векторів на циклах модуляції, що дозволяє максимально підняти нижню межу значень відносних тривалостей застосування стаціонарних станів (векторів) та забезпечує точне формування вихідної напруги та вхідного струму перетворювачів (в тому числі при глибокому регулюванні вихідних напруги та частоти).

8. Розроблено новий метод коригування тривалостей застосування стаціонарних станів МП з ШІМ шляхом визначення векторів похибки з урахуванням особливостей формування нульових стаціонарних векторів на циклах модуляції.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Визначено і доведено доцільність використання при практичній реалізації ШІМ фіксованої амплітуди неперервної імплементаційної функції, яка відповідає верхній межі області лінійного регулювання, у повному діапазоні зміни коефіцієнта модуляції від 0 до для підвищення якості вихідної напруги АІН.

2. Визначено й доведено доцільність використання при практичній реалізації ШІМ підмодулюючих функцій, графіки яких проходять як можна ближче до геометричної середини області існування неспотворюючих імплементаційних функцій, що дозволяє запобігти спотворенням вихідної напруги АІН.

3. Показано можливість простої в реалізації трансформації результатів визначення відносних тривалостей застосування стаціонарних станів ключів перетворювача за методом векторної широтно-імпульсної модуляції в тривалості згаданих станів для кожного з методів скалярної перервної ШІМ, а також можливість зворотної трансформації, що значно спрощує практичну реалізацію цих методів.

4. Розроблено і проведено експериментальну перевірку перетворювачів частоти із застосуванням для керування ними контролерів на основі сучасних цифрових сигнальних процесорів з фіксованою комою TMS320F2812, та з плаваючою комою TMS320F28335.

5. Розроблено і виготовлено станцію швидкого прототипного тестування (СШПТ) для тестування нових алгоритмів керування електромеханічними системами при живленні від МП.

6. Розроблено та досліджено алгоритм векторного керування асинхронною машиною при живленні від МП.

На основі запропонованого методу регулювання співвідношення між амплітудами неперервних імплементаційних функцій та амплітудами перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги розроблено перетворювачі частоти ПТ3-220-400 на основі АІН, які використовуються у складі спеціальних комплексів для створення локальних трифазних мереж живлення з напругою 220 В і частотою 400 Гц. Перетворювачі частоти ПТ3-220-400 випускаються серійно ДержККБ «Луч», м. Київ. Практична цінність розроблених методів ШІМ в АІН полягає в тому, що вони дозволяють повною мірою задовольнити вимоги нормативних документів до якості вихідної напруги ПТ3-220-400.

Розроблені методи ШІМ в АІН застосовано також при створенні діагностичних пристроїв ДУ-1 на базі статичних перетворювачів частоти з ШІМ, які застосовуються при налагодженні і технічному обслуговуванні агрегатів гарантованого живлення систем безпеки атомних електростанцій та інших енергогенеруючих об'єктів. Пристрої ДУ-1 застосовуються на Хмельницькій АЕС, Ігналінській АЕС (Литва) та на низці енергогенеруючих потужностей ТОВ «Східенерго», ВАТ «Центренерго», ВАТ «Донбасенерго», що дозволило значно підвищити надійність експлуатації цих об'єктів.

Ці ж методи використовувались при розробці систем керування АІН, покладених в основу перетворювачів частоти МТ2ТЕТ-1 для електроприводів турбомолекулярних насосів ТМН-500, які випускались серійно на п/с В-2335, м. Нарва, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати, які виносяться на захист, належать авторові особисто. У наукових працях, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: [1, 13] ? розробка стратегії ШІМ; [4] ? визначення границь розташування підмодулюючих функцій для неспотворюючого формування вихідної напруги АІН із забезпеченням максимально можливого коефіцієнта модуляції; [5] ? розробка загальної концепції визначення вибору стаціонарних станів ключів, їх взаємного розташування на циклах модуляції та відносних тривалостей застосування на цих циклах для підвищення якості електроенергії; [6, 17, 18, 19, 20, 24, 25, 26, 29, 33, 47, 48, 49] ? розробка принципів ШІМ для керування МП у складі електроприводу; [7, 36, 37, 38, 39] ? розробка принципів побудови циклів широтно-імпульсної модуляції для безпечної комутації змінного струму силовими ключами МП в умовах регулювання кута зсуву між вхідними струмами перетворювача та відповідними вхідними фазними напругами без визначення напрямків протікання струмів навантаження; [8, 16, 22] - визначення енергетичних співвідношень; [10, 11, 15] ? розробка стратегії формування неспотворених просторових векторів вихідної напруги та вхідного струму перетворювачів в нижній частині діапазону регулювання вихідних параметрів; [12] ? стратегія формування струмів; [21, 23] ? побудова алгоритму векторної ШІМ; [27, 28, 44, 45, 46] - розробка силових схем перетворювачів та алгоритмів ШІМ для керування ними; [30] ? розробка структури систем керування; [31, 42, 43] ? адаптація систем керування МП в складі електроприводу до умов роботи на високоінерційне навантаження; [32, 41] ? розробка транзисторних ключів, аналіз комутаційних процесів; [34, 35] ? визначення границь піддіапазонів вихідної частоти МП, в яких використовуються різні алгоритми керування; [40] ? порівняльний аналіз енергетичних показників силових схем МП.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи і результати досліджень доповідались та обговорювались на двох всесоюзних і двадцяти міжнародних науково-технічних конференціях, а саме: всесоюзних науково-технічних конференціях «Проблемы преобразовательной техники» (Київ, 1983, 1991 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях «Силова електроніка та енергоефективність» (Алушта, 2003-2009 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми сучасної електротехніки» (Київ, 2004, 2006, 2008 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика» (Харків, 1997, 2003-2009 рр.); науково-практичній конференції «Нетрадиційні і поновлювальні джерела енергії як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні» (Львів, 2005 р.); міжнародних науково-технічних конференціях «11th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC`2004» (Riga, Latvia, 2004 р.), «The IEEE Industry Applications Society Workshop Renewable Energy Based Units and Systems REBUS» (St. Petersburg, Russia, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 61 наукову працю, в тому числі 1 навчальний посібник, 31 статтю у фахових наукових виданнях, 12 авторських свідоцтв СРСР, 5 патентів України, США, Великобританії та Російської Федерації, 1 препринт, 11 тез доповідей на міжнародних та всесоюзних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, трьох додатків та списку використаних джерел з 299 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 488 сторінок, у тому числі 310 сторінок основного тексту, 215 рисунків, 33 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі наукових досліджень, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено дані про їх апробацію, публікацію та впровадження.

У першому розділі проведено аналіз сучасних методів підвищення якості електроенергії на вході та виході напівпровідникових перетворювачів частоти і напруги, розглянуто стан досліджень, спрямованих на вирішення різних аспектів проблеми підвищення якості вихідних напруг та вхідних струмів перетворювальних пристроїв. Проведено класифікацію перетворювачів (рис. 1), у функції яких входить перетворення первинної системи змінного струму з частотою f₁ та напругою U₁ в систему змінного струму з частотою f₂ та напругою U₂. Наведено основні вимоги до характеристик ПЧ: забезпечення високої точності відпрацювання заданої вихідної напруги; створення можливості для двонаправленого потоку енергії від мережі до навантаження і навпаки; відповідність вимогам електромагнітної сумісності, регульований вхідний коефіцієнт потужності.

Окреслено типи перетворювачів, які досліджуються в роботі - перетворювачі частоти і напруги з вихідними характеристиками джерела напруги та автономні інвертори напруги. На рис. 1 умовно показано можливості різних типів ПЧ щодо формування квазісинусоїдального вхідного струму. До основних методів підвищення якості електроенергії на вході та виході напівпровідникових перетворювачів належать наступні:

- пасивна фільтрація вихідної напруги та вхідного струму;

- збільшення числа рівнів вхідного джерела живлення (еквівалентного числа фаз у МП);

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1.

- застосування активних фільтрів для підвищення якості електроенергії на вході перетворювачів частоти і напруги;

- застосування ШІМ при керуванні перетворювачами.

Найпоширенішим і найперспективнішим в плані підвищення якості електроенергії способом керування перетворювачами є ШІМ. Дослідження існуючих та створення нових методів ШІМ в АІН та МП, направлених на забезпечення максимальної якості електроенергії на вході та виході перетворювачів при забезпеченні формування неспотвореної вихідної напруги з максимально можливим коефіцієнтом використання напруги джерела живлення, і визначають основний напрямок і зміст дисертаційної роботи.

Для врахування дискретного характеру процесів перетворення електроенергії в ключових перетворювачах частоти і напруги систематизовано основні показники для оцінки несинусоїдальності кривих напруг та струмів на вході і виході цих перетворювачів. Зі всього переліку показників якості електроенергії основна увага приділяється показникам несинусоїдальності з огляду на те, що предметом дослідження в роботі є шляхи підвищення якості електроенергії в перетворювачах з використанням саме засобів і можливостей ШІМ, а такий підхід стосується в першу чергу показників несинусоїдальності кривих напруг і струмів.

Обґрунтовано твердження про низьку інформативність незважених показників несинусоїдальності кривих напруги і струму на виході і вході перетворювачів з ШІМ. До таких показників належать коефіцієнти гармонік напруги

та струму

,

де U_k, I_k - діючі значення k-их гармонік напруги та струму, I₁, U₁ - діючі значення перших гармонік напруги та струму. Коефіцієнти гармонік є синонімами термінів: коефіцієнт несинусоїдальності, коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої і, нарешті, найбільш вживаного терміну THD (Total Harmonic Distortion) - коефіцієнт сумарних гармонічних спотворень. Показано доцільність застосування зважених (інтегральних та диференціальних) коефіцієнтів гармонічних спотворень, які дозволяють оцінювати міру несинусоїдальності кривих з урахуванням місця розташування гармонічних складових в частотному спектрі: зваженого коефіцієнта сумарних гармонічних спотворень (Weighted Total Harmonic Distortion) напруги:

,

де L - умовна індуктивність навантаження

(для RL навантаження:

).

зваженого коефіцієнта сумарних гармонічних спотворень вхідного струму перетворювача (для чисто індуктивного опору мережі):

.

На прикладі підходів, застосованих при розробці Міжнародного стандарту IEC 61000-3-12:2004, що лімітує інжекцію споживачами гармонічних складових струму в системи електропостачання загального призначення, показано шляхи визначення апроксимаційних множників, або порядку зваженості при застосуванні інтегральних та диференціальних (зважених) коефіцієнтів сумарних гармонічних спотворень.

В загальному випадку можна записати:

де q - порядок зваженого коефіцієнта гармонік, який відображає якість напруги чи струму після умовного фільтрування їх інтегральними або диференціальними фільтрами q-го порядку, причому порядок q може набувати як цілих, так і дробових значень.

Зроблено висновок про те, що застосування в Міжнародному стандарті IEC 61000-3-12:2004 частково зваженого коефіцієнта гармонік струму

не вирішує повною мірою проблему адекватної зваженої оцінки якості струму, що інжектується напівпровідниковими перетворювачами з ШІМ в мережу живлення, перш за все з причин неврахування в спектрі струму складових з частотами модуляції та складових на бокових частотах, адже в переважній більшості випадків справедливим є співвідношення:

f_ШІМ > 40f_{вх ПЧ}.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В зв'язку з тим, що якість електроенергії на вході та виході перетворювачів з ШІМ залежить від системного визначення стаціонарних станів перетворювачів, взаємного розташування та відносних тривалостей використання цих станів при побудові циклів модуляції, детально розглянуто модуляційні процеси в автономному інверторі напруги як основному елементі для побудови більш складних перетворювальних систем. Спрощену схему трифазного АІН приведено на рис. 2. Коректні (дозволені) стани ключів інвертора передбачають, що в кожній зі стійок (послідовно з'єднані ключі ,; ,; _,) один з ключів перебуває у ввімкненому стані, а другий - у розімкненому стані. Основних коректних станів ключів АІН є вісім: два нульових (пасивних) - S₀(000), в якому увімкнуто ключі ,,, та S₇ (111), в якому увімкнуто ключі _,,, і шість ненульових (активних) станів S₁ (100), S₂ (110), S₃ (010), S₄ (011), S₅ (001), S₆ (101). В активних станах одна з фаз з'єднаного в «зірку» навантаження під'єднується до однієї шини джерела живлення, а дві інші фази навантаження - до другої шини джерела живлення. В табл. 1 для восьми стаціонарних станів S₀чS₇ ключів інвертора показано значення напруг U_a0, U_b0, U_c0; лінійних вихідних напруг U_ab, U_bc, U_ca; фазних вихідних напруг U_aN, U_bN, U_cN та напруги U_N0 між середньою точкою навантаження та віртуальною середньою точкою 0 джерела живлення U_dc-. Дані табл. 1 дозволяють визначити всі співвідношення між вихідними напругами АІН для кожного зі стаціонарних станів

Таблиця 1. Значення вихідних напруг АІН

	Ua0	Ub0	Uc0	Uab	Ubc	Uca	UaN	UbN	UcN	UN0
S0	-Udc/2	-Udc/2	-Udc/2	0	0	0	0	0	0	-Udc/2
S1	Udc/2	-Udc/2	-Udc/2	Udc	0	-Udc	2Udc/3	-Udc/3	-Udc/3	-Udc/6
S2	Udc/2	Udc/2	-Udc/2	0	Udc	-Udc	Udc/3	Udc/3	-2Udc/3	Udc/6
S3	-Udc/2	Udc/2	-Udc/2	-Udc	Udc	0	-Udc/3	2Udc/3	-Udc/3	-Udc/6
S4	-Udc/2	Udc/2	Udc/2	-Udc	0	Udc	-2Udc/3	Udc/3	Udc/3	Udc/6
S5	-Udc/2	-Udc/2	Udc/2	0	-Udc	Udc	-Udc/3	-Udc/3	2Udc/3	-Udc/6
S6	Udc/2	-Udc/2	Udc/2	Udc	-Udc	0	Udc/3	-2Udc/3	Udc/3	Udc/6
S7	Udc/2	Udc/2	Udc/2	0	0	0	0	0	0	Udc/2

Трифазна система заданих вихідних напруг записується таким чином:

;

;

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

де u_m - амплітудне значення синусоїд заданих вихідних напруг; и - поточний кут на періоді вихідної напруги АІН. У масштабі сигналів завдання умовно приймається u_dc /2 як еквівалент U_dc /2 на рис. 3 та в табл. 1. Відношення u_m/(u_dc/2) є коефіцієнтом модуляції m. Період ШІМ позначається як T_S, амплітуда опорного сигналу ШІМ відповідає значенню u_dc /2_- (+1 - +u_dc/2; -1 - -u_dc/2 у відносних одиницях). При реалізації ШІМ за синусоїдальним законом (СИНШІМ) максимальне значення вихідної напруги отримується, коли амплітуди сигналів u_a0, u_b0, u_c0 досягають амплітуди опорного сигналу ±1, тобто при m=1. З використанням гармонічного аналізу Фур'є визначається, що амплітуда першої гармоніки АІН в режимі шестикутника дорівнює U_{1m гекс} = 2U_dc/р. Відношення поточного значення амплітуди першої гармоніки вихідної напруги до U_{1m гекс} називається нормованим індексом М. Для значення коефіцієнта модуляції m=1 запишеться:

 .

При цьому амплітудні значення вихідних лінійних напруг АІН дорівнюють , в той час як в однофазному мостовому інверторі амплітуда вихідної напруги дорівнює

,

з чого випливає недовикористання вхідної напруги U_dc при формуванні вихідних напруг трифазного АІН із застосуванням СИНШІМ на коефіцієнт: . На рис. 3 показано чергування стаціонарних станів АІН (а), діаграми напруг завдання u_a0, u_b0, u_c0 (б) і векторну діаграму напруг u_aN, u_bN, u_cN (в) для алгоритму СИНШІМ (m=1). Позначення T₁, T₂, T₃, T₄, T₅, T₆, T₀, T₇, T_Z (де ) на рис. 3 відповідають абсолютним тривалостям застосування відповідних стаціонарних станів АІН на періоді модуляції T_S. Абсолютні тривалості стаціонарних станів для СИНШІМ визначено з використанням даних табл. 1 та рис. 3:

;(1)

; (2)

;(3)

; (4)

;(5)

; (6)

;(7)

. (8)

Показано, що при значеннях коефіцієнта модуляції m>1 для СИНШІМ починаються спотворення вихідної напруги АІН, адже амплітуди кривих u_a0, u_b0, u_c0 при m=1 досягають значень ±u_dc/2, що задають межі потенціального коридору, перевищення яких вихідними напругами неможливе фізично.

Окреслено шляхи розширення лінійного діапазону регулювання вихідної напруги АІН до значень, що відповідають коефіцієнту модуляції m=, з імплементацією в сигнали завдання складових з потроєною та кратними їй частотами, які є складовими нульової послідовності по відношенню до системи сигналів завдання вихідних напруг.

Визначено коло невирішених задач в розробці теорії імплементації, спрямованих на підвищення якості електроенергії при керуванні АІН з ШІМ із забезпеченням максимального теоретично можливого коефіцієнта використання напруги вхідного джерела живлення. Обґрунтовано доцільність створення нової стратегії комутації змінного струму ключами матричних перетворювачів в умовах глибокого регулювання кута зсуву між кривими вхідних струмів і відповідними фазними напругами мережі живлення, а також доцільність проведення порівняльних досліджень якості електроенергії на вході та виході МП в залежності від особливостей побудови циклів модуляції, направлених на реалізацію безпечних комутацій силових ключів у випадках, коли вхідний cos ц ? 1, при глибокому регулюванні вхідного cos ц та при виборі і розташуванні стаціонарних станів МП на циклах модуляції за іншими критеріями.

Показано необхідність розробки концепції компенсації «мертвого часу» для вирішення проблеми реалізації точної передаточної характеристики в ПЧ з ШІМ, особливо в нижній частині діапазону регулювання вихідних частоти і напруги.

У другому розділі розглянуто шляхи підвищення якості електроенергії АІН з використанням нових підходів до реалізації методів ШІМ. Показана необхідність введення системного підходу в дослідження особливостей застосування різних методів імплементації складових нульової послідовності в систему сигналів завдання з метою забезпечення максимального теоретично можливого коефіцієнта використання напруги джерела живлення при неспотворюючому формуванні вихідної напруги АІН.

Ретельне дослідження особливостей модуляційного процесу при максимальних значеннях коефіцієнта модуляції та в нижній частині області перемодуляції дозволило виявити низку закономірностей, використання яких забезпечує суттєве підвищення якості електроенергії в АІН з ШІМ.

На рис. 4 показано механізм імплементації в систему сигналів завдання при m= мінімальної за амплітудою підмодулюючої функції u_N01, яка при одночасному додаванні до функцій u_a0, u_b0, u_c0 фіксує їх амплітуди в межах потенціального коридору ?u_dc/2ч+u_dc/2, що дозволяє розширити діапазон неспотворюючого формування вихідної напруги до значення коефіцієнта модуляції m=:

,

,

. (9)

На рис. 4а показано діаграми напруг u_a0, u_b0, u_c0 і функції u_N01, а на рис. 4б - векторна діаграма напруг u_aN, u_bN, u_cN при m=.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 5 показано імплементацію в систему сигналів завдання при m= максимальної за амплітудою підмодулюючої функції u_N03, яка виконує ту ж роль, що і розглянута функція u_N01.

Розглянуто принципи формування імплементаційних функцій. Для кожного сектора періоду вихідної напруги АІН (рис. 4, 5) ці функції формуються, виходячи з таких співвідношень:

I - ;

II -;

III-;

IV-;(10)

V -;

VI -.

Таким чином, функції підмодуляції формуються зі складових, що залежать від тривалостей активних стаціонарних станів Т₁чТ₆, і складових, що залежать від тривалостей застосування нульових стаціонарних станів Т₀ та Т₇, причому «внесок» тривалостей Т₁чТ₆ є незмінним для всіх способів підмодуляції, а співвідношення тривалостей Т₀ та Т₇ на циклах ШІМ протягом періоду вихідної напруги АІН і визначає, власне, спосіб модуляції, який, в свою чергу, забезпечує максимально можливий «неспотворюючий» коефіцієнт модуляції та, при цьому, визначає якість вихідної напруги інвертора.

Функції імплементації, що мають перервний характер, показано на рис. 6 разом зі своїми складовими (10) для m=. Перервні підмодулюючі функції на рис. 6 позначено як ПШІМ0, ПШІМ1, ПШІМ2, ПШІМ3, ПШІММАКС, ПШІММІН. Показана на рис.4 мінімальна за амплітудою функція імплементації u_N01 відповідає функції ПШІМ1, а показана на рис. 6 максимальна функція u_N03 відповідає функції ПШІМ3. Саме ці функції утворюють відповідно нижню та верхню границі області існування множини підмодулюючих функцій для неспотворюючого формування вихідної напруги АІН при забезпеченні максимального теоретично можливого коефіцієнта модуляції m=.

електроенергія напівпровідниковий перетворювач інвертор



Размещено на http://www.allbest.ru/

Графіки всіх інших ПШІМ-функцій є комбінаціями з відрізків графіків цих двох функцій. Доведено, що будь-яка імплементаційна функція, графік якої не виходить за межі згаданої області, дозволяє формувати неспотворену вихідну напругу у повному лінійному діапазоні регулювання коефіцієнта модуляції (від 0 до ).

На рис. 7 показано функції імплементації ВШІМ і неперервну функцію НШІМ разом зі своїми складовими.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функції НШІМ, на відміну від перервних функцій ПШІМ, носять гармонічний характер, їх частота дорівнює потроєній частоті сигналів завдання вихідної напруги. Основною відмінністю в аспекті фізичної реалізації є те, що при застосуванні ПШІМ на періоді вихідної напруги чергуються сектори, в яких використовується тільки один з нульових стаціонарних станів (S₀ або S₇), а при застосуванні НШІМ і ВШІМ на кожному циклі модуляції використовуються обидва стани S₀ і S₇.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 8 показано діаграми модуляційних функцій з інжекцією складових нульової послідовності, опорного сигналу ШІМ і сигналів керування АІН. Приведено співвідношення для формування підмодулюючих функцій та нульові складові T₀, T₇ на прикладі функції ВШІМ (складові періоду модуляції T₁чT₆ визначаються за рівняннями (3 - 8):

;

(11)

Виходячи зі скалярної інтерпретації функції ВШІМ (рис. 7 та співвідношення (11)), можна помітити, що її графік ділить область існування підмодулюючих функцій на дві рівних частини, що наділяє цю функцію деякими особливими властивостями, адже таке розташування дозволяє «захистити» функцію від вимушеного чи невимушеного виходу за границі цієї області, який міг би призвести до спотворень формованої вихідної напруги. Таке розташування дозволяє легко синтезувати функцію ВШІМ шляхом ділення визначених для функцій ПШІМ складових T₀ та T₇ на дві рівних частини протягом кожного циклу модуляції, а також цілком коректним буде зворотній синтез кожної з ПШІМ-функцій з використанням складових T₀ та T₇, обрахованих для ВШІМ.

Розглянуто питання про вибір амплітуди гармонічної функції імплементації для НШІМ (рис. 8) по відношенню до амплітуди першої гармоніки сигналів завдання. У виразах для визначення нульових складових НШІМ-функцій

коефіцієнт k є згаданим відношенням амплітуд третьої і першої гармонік модуляційної функції. Вихід модуляційної функції за межі потенціального коридору призводить до спотворення вихідних напруг АІН. Для визначення оптимального співвідношення розв'язано рівняння:

, (12)

де и_екс - кут на періоді модуляції, при якому функція набуває екстремального значення.

Після знаходження

,

де та, обмежуючись діапазоном , визначаємо:

.

Після підстановки и_екс в модуляційну функцію знаходимо максимально досяжні значення коефіцієнта модуляції m для неспотворюючого формування вихідної напруги АІН при різних співвідношеннях k:

,

(при k = 1/3 m?1,0606; при k = 1/4 m?1,1222; при k=1/5 m?1,1481; при k=1/6 m?1,1547; при k=1/7 m?1,1502; при k=1/8 m?1,1394).



Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 9 показано часові діаграми півперіоду неперервних підмодулюючих функцій з різними k при m=, з яких випливає, що за границі області існування функцій імплементації, які забезпечують неспотворююче формування вихідної напруги АІН, не виходять графіки тільки двох функцій та ВШІМ.

Для порівняльного аналізу якості вихідної напруги АІН при застосуванні різних методів підмодуляції використано поняття коефіцієнта гармонічних спотворень HDF (Harmonic Distortion Factor), який визначається через пульсації струму на умовному індуктивному навантаженні L_у інвертора і характеризує особливості конструкції циклу модуляції для кожного зі способів. Коефіцієнт HDF відображає ті ж характеристики ШІМ-послідовності, що і зважений коефіцієнт WTHD, і між ними завжди існує однозначна залежність. Коефіцієнт HDF є складовою, залежною від способу модуляції, при визначенні показника гармонічних втрат ШІМ-послідовності:

,

де f(m) і є HDF. Для всіх функцій НШІМ:

. (13)

На рис. 10 показано залежність HDF від k та m. Знайдено k, що відповідає мінімуму HDF, з (13) шляхом диференціювання

,

Размещено на http://www.allbest.ru/

звідки . Після визначення HDF ПШІМ-функцій та СИНШІМ на рис. 11а показано залежності HDF від m в повному лінійному діапазоні регулювання, а на рис. 11б - у верхній частині лінійного діапазону. Найменший коефіцієнт HDF відповідає відношенню амплітуд третьої та першої гармонік модуляційної функції k = 1/4 у всьому діапазоні регулювання, дещо більший HDF відповідає k = 1/5 і ще більший ? k = 1/6. На рис. 11б показано запропонований новий метод регулювання співвідношення амплітуд третьої та першої гармонічних складових, який поєднує переваги застосування різних k при регулюванні коефіцієнта модуляції m у верхній частині лінійного діапазону (крива НШІМ 1/4 - 1/5 - 1/6).

...