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

Розроблено метод регулювання співвідношення між амплітудами неперервних імплементаційних функцій та амплітудами перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги АІН в залежності від значення коефіцієнта модуляції, що забезпечує підвищення якості вихідної напруги у повному лінійному діапазоні її регулювання.

Аналітично визначено верхні границі діапазонів неспотворюючого формування вихідної напруги АІН при використанні для ШІМ неперервних імплементаційних функцій з різними значеннями співвідношень їх амплітуд та амплітуд перших гармонік сигналів завдання вихідної напруги, що дозволяє визначити піддіапазони доцільного застосування цих функцій. Визначено показники якості вихідної напруги та передаточні характеристики АІН в режимі перемодуляції при застосуванні різних методів ШІМ, що дозволило класифікувати ці методи за критерієм здатності забезпечувати високі енергетичні показники в режимі перемодуляції і визначити доцільність їх застосування в цьому режимі.

Доведено повну тотожність у фізичній реалізації векторних та скалярних підходів до ШІМ в АІН, що дозволило використовувати взаємозамінність векторних і скалярних методів ШІМ на всіх етапах їх реалізації, оскільки відносні тривалості застосування стаціонарних станів ключів на циклах модуляції, обраховані за допомогою співвідношень для перервних скалярних модуляційних функцій, легко трансформуються в тривалості використання стаціонарних векторів для векторної ШІМ шляхом ділення загальної нульової складової на дві рівних частини для кожного циклу модуляції, а зворотна трансформація здійснюється через синтез будь-якої перервної ШІМ-функції з використанням розрахункових даних для складових функції векторної ШІМ.

Проведено порівняльний аналіз якості вхідних струмів АІН для різних методів ШІМ за критерієм впливу на величину пульсацій напруги на ємності фільтра, обумовлених цими струмами, із застосуванням зваженого коефіцієнта загальних гармонічних спотворень WTHD_i, що забезпечує оптимальний вибір стратегії модуляції для різних умов роботи АІН.

Розроблено принципи безпечної комутації змінного струму в МП при глибокому регулюванні кута зсуву між вхідними струмами та відповідними фазними напругами мережі живлення і виконано порівняльний аналіз 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 мережі живлення, так і з можливістю глибокого регулювання вхідного cosц, а також при інших конструкціях модуляційних циклів, які дозволяють зберегти при цьому мінімально можливу кількість перемикань ключів МП на циклі модуляції, що забезпечило при керуванні МП раціональне поєднання покращення гармонічного складу кривих напруги і струму з безпечною комутацією ключів.

Розроблено метод формування струмів в системі «мережа живлення з несиметричними напругами - матричний перетворювач», що дозволило за допомогою напівпровідникового компенсатора забезпечити синусоїдальність струмів мережі та виключити циркуляцію реактивних складових потужності, імітуючи для мережі лінійне активне симетричне навантаження.

Розроблено концепцію компенсації «мертвого часу» в перетворювачах частоти і напруги з ШІМ шляхом зміни масштабів складових заданих просторових векторів вихідної напруги, що дозволяє визначати альтернативні комплекти стаціонарних векторів для застосування на циклах модуляції, за рахунок чого максимально підняти нижню межу значень тривалостей застосування стаціонарних станів (векторів) та забезпечити реалізацію точної передаточної характеристики перетворювача.

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, що дозволяє підвищити якість електроенергії на вході та виході перетворювача.

Обґрунтованість та достовірність результатів дисертаційної роботи підтверджуються збігом результатів аналітичних та чисельних рішень, а також збігом рішень при подвійному зменшенні інтервалів табуляції у досліджуваних функцій в процесі застосування чисельних методів.

Розроблено (з проведенням повномасштабної експериментальної перевірки) перетворювачі частоти із застосуванням для керування ними контролерів на основі сучасних цифрових сигнальних процесорів з фіксованою комою TMS320F2812, та з плаваючою комою TMS320F28335; розроблено і виготовлено станцію швидкого прототипного тестування для тестування нових алгоритмів керування електромеханічними системами при живленні від МП; розроблено та досліджено алгоритм векторного керування асинхронним двигуном при живленні від МП.

Результати роботи впроваджено: в ДержККБ «Луч» (м. Київ) в процесі розробки та серійного випуску перетворювачів частоти ПТ3-220-400 для використання у складі спеціальних систем; на підприємстві п/с В-2335 (м. Нарва) в процесі розробки та серійного випуску перетворювачів частоти МТ2ТЕТ-1 для електроприводів турбомолекулярних насосів ТМН-500; на Хмельницькій АЕС, Ігналінській АЕС (Литва), ТОВ «Східенерго», ВАТ «Центренерго», ВАТ «Донбасенерго» при промисловій експлуатації серії діагностичних пристроїв ДУ-1 та пристроїв компенсації ємності УКЕ220-100, УКЕ220-200 на базі статичних перетворювачів частоти з ШІМ, які використовуються для технічного обслуговування систем безпеки цих енергогенеруючих об'єктів.

Результати роботи рекомендовано для подальшого впровадження на підприємствах електротехнічного профілю Міністерства промислової політики України.

Основні публікації за темою дисертації

1. Михальський В.М. Векторна широтно-імпульсна модуляція в матричних перетворювачах. Навчальний посібник / В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет - Київ : Інститут електродинаміки НАН України, 2003. - 74 с.

2. Михальський В.М. Широтно-імпульсна модуляція при векторному керуванні автономними інверторами напруги / В.М. Михальський // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: ІЕД НАНУ. - 2010. - № 25. - С. 105-114.

3. Михальський В.М. Режим перемодуляції при керуванні автономним інвертором напруги з широтно-імпульсною модуляцією / В.М. Михальський // Техн. електродинаміка. - 2010. - № 3. - С. 33-43.

4. Михальський В.М. Керування автономними інверторами напруги із забезпеченням максимального коефіцієнта модуляції при неспотворюючому формуванні вихідної напруги засобами модифікованої ШІМ / В.М. Михальський, В.М. Соболєв, В.В. Чопик, І.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. - 2010. - № 1. - С. 49-59.

5. Михальський В.М. Визначення гармонічного складу та показників якості вихідної напруги АІН при застосуванні для широтно-імпульсної модуляції перервних модуляційних функцій / В.М. Михальський, В.М. Соболєв, В.В. Чопик, І.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. - 2010. - № 2. - С. 41-51.

6. Михальский В.М. Станция быстрого прототипного тестирования электромеханических систем с матричным преобразователем / В.М. Михальский, С.М. Пересада, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет, И.А. Шаповал // Электротехника. - 2004. - № 6. - С. 31-34.

7. Михальский В.М. Способы безопасной коммутации силовых ключей матричных преобразователей с векторной широтно-импульсной модуляцией при регулировании входного cos / В.М. Михальский, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2003. - Ч. 3. - С. 15-20.

8. Михальский В.М. Энергетические соотношения в матричных преобразователях систем регулируемого асинхронного электропривода / В.М. Михальский, С.И. Полищук, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет, И.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2004. - Ч. 2. - С. 12-15.

9. Михальский В.М. Коммутация тока в матричных преобразователях с векторной широтно-импульсной модуляцией / В.М. Михальский // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: ІЕД НАНУ. - 2004. - № 2(8). - С. 37-38.

10. Михальский В.М. Геометрический аспект решения проблемы «мертвого времени» в преобразователях частоты с векторной широтно-импульсной модуляцией / В.М. Михальский, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет, В.В. Чопик, И.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2008. - Ч. 2. - С. 89-94.

11. Михальский В.М. Компенсация «мертвого времени» в преобразователях частоты с пространственной векторной модуляцией / В.М. Михальский, С.И. Полищук, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет, В.В. Чопик, И.А. Шаповал, // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2008. - Ч. 1. - С. 12-17.

12. Михальський В.М. Особливості формування струмів в системі «мережа живлення з несиметричними напругами - матричний перетворювач» / В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет, В.В. Чопик, І.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2009. - Ч. 1. - С. 16-23.

13. Михальський В.М. Перетворювачі частоти, напруги та струму з векторною широтно-імпульсною модуляцією / В.М. Михальський, В.М. Соболєв // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: ІЕД НАНУ. - 2008. - № 20. - С. 65-67.

14. Михальський В.М. Особливості комутації ключів двосторонньої провідності матричних перетворювачів при регулюванні кута зсуву між вхідними напругою та струмом / В.М. Михальський // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: ІЕД НАНУ. - 2005. - № 2(11). - Ч. 2. - С. 55-56.

15. Михальский В.М. Стратегия формирования пространственного вектора выходного напряжения матричного преобразователя в нижней части диапазона регулирования электропривода переменного тока / В.М. Михальский, С.И. Полищук, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет, И.А. Шаповал, В.В. Чопик // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного техн. ун-ту (технічні науки). Темат. вип. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - 2007. - С. 126-131.

16. Михальский В.М. Передача реактивной энергии в матричных преобразователях / В.М. Михальский, С.И. Полищук, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет, И.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2006. - Ч. 1. - С. 15-18.

17. Михальський В.М. Реалізація алгоритму керування матричним перетворювачем за допомогою DSP-мікроконтролера / В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет, І.А. Шаповал, В.В. Чопик // Міжвідомчий наук.-техн. збірник «Електромашинобудування і електрообладнання». Темат. вип. «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - 2006. - С. 289-290.

18. Михальський В.М. Розробка і дослідження експериментального зразка матричного перетворювача з керуванням від DSP-мікроконтролера / В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет, В.В. Чопик, І.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2007. - Ч. 1. - С. 11-14.

19. Кутрань И.С. Лабораторный стенд для экспериментальных исследований алгоритмов управления асинхронным электроприводом и электрогенерирующей системой на основе машины двойного питания с матричным преобразователем / И.С. Кутрань, В.М. Михальский, В.Н. Соболев, С.И. Полищук, Э.М. Чехет, С.М. Пересада, И.А. Шаповал // Вестник НТУ «ХПИ». Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - 2003. - Т. 1. - С. 37-43.

20. Мисак Т.В. Застосування програмованих логічних інтегральних схем в системах керування матричними перетворювачами / Т.В. Мисак, В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет, В.В. Чопик, І.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». - 2005. - Ч. 1. - С. 61-64.

21. Chekhet E. Control and commutation technique for matrix converters / E. Chekhet, V. Mikhalsky, V. Sobolev, I. Shapoval // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2006. - Ч. 1. - С. 56-67.

22. Акинін К.П. Підвищення ефективності електромеханічних та напівпровідникових перетворювачів енергії / К.П. Акинін, О.Є. Антонов, В.Г. Кіреєв, В.М. Михальський, В.М. Соболєв, І.А. Шаповал // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: ІЕД НАНУ. - 2009. - № 23. - С. 3-12.

23. Чехет Э.М. Матричные преобразователи для электромеханических систем переменного тока / Э.М. Чехет, В.М. Михальский, С.М. Пересада, В.Н. Соболев, И.А. Шаповал // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2004. - Ч. 1. - С. 92-103.

24. Чехет Э.М. Тенденции развития матричных преобразователей для асинхронного электропривода / Э.М. Чехет, В.Н. Соболев, В.М. Михальский, И.А. Шаповал, С.И. Полищук // Вестник НТУ «ХПИ». Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - 2005. - Вып. 45. - С. 32-37.

25. Пересада С.М. Векторне керування моментом і реактивною потужністю машини подвійного живлення з матричним перетворювачем / С.М. Пересада, І.А. Шаповал, В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - 2008. - № 30. - С. 72-77.

26. Chekhet E. Experimental Evaluation of the High Performance Vector Controlled Matrix Converter-Fed Induction Motor / E. Chekhet, S. Peresada, V. Sobolev, V. Mikhalsky, S. Kovbasa // Automatika Journal. - Zagreb, Croatia. - Vol. 44-2003. - No. 1-2. - P. 47-54.

27. Михальский В.М. Высоковольтный источник питания мощностью 15 кВА на базе IGBT модулей для магнетронов промышленного назначения / В.М. Михальский, В.В. Голобородько, Т.В. Мисак, С.И. Полищук, Э.М. Чехет, В.К. Синицын, В.П. Дзюба, И.К. Завора, А.Н. Токовенко // Техн. електродинамiка. Темат. вип. «Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем». - 1999. - Ч. 2. - С.91-94.

28. Голобородько В.В. Высоковольтный источник питания мощностью 15 кВА на базе IGBT модулей для технологических установок / В.В. Голобородько, С.И. Полищук, В.М. Михальский, Т.В. Мисак, Э.М. Чехет, В.К. Синицын // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». - 2000. - Ч. 4. - С. 92-95.

29. Чехет Е.М. Матричні перетворювачі для електромеханічних систем змінного струму / Е.М. Чехет, В.М. Михальський, В.М. Соболєв, І.А. Шаповал // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: ІЕД НАНУ. - 2007. - №1. - Ч. 2. - С. 76-85.

30. Соболев В.Н. Многофункциональная система управления непосредственным преобразователем частоты / В.Н. Соболев, В.М. Михальский // Проблемы преобразовательной техники. - Киев. - 1991. - Ч. 4. - С. 200-202.

31. Кутрань И.С. Структура частотного управления асинхронным приводом турбомолекулярного насоса с использованием непосредственного преобразователя частоты с однократной модуляцией / И.С. Кутрань, В.Н. Лутай, В.М. Михальский, В.Н. Соболев // Проблемы преобразовательной техники. - Киев. - 1983. - Ч. 6. - С. 184-187.

32. Кутрань И.С. Разработка транзисторных непосредственных преобразователей частоты / И.С. Кутрань, В.М. Михальский, В.П. Мордач, Б.Е. Пьяных, Л.И. Сенько, Э.М. Чехет, В.А. Лукьяненко, В.Н. Соболев // Проблемы преобразовательной техники. - Киев. - 1983. - Ч. 7. - С. 120-123.

33. А.с. 1300622 СССР, МКИ³ Н 02 Р 7/42. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод / Э.М. Чехет, И.С. Кутрань, В.П. Мордач, В.В. Голобородько, В.М. Михальский, В.Н. Соболев, В.А. Лукьяненко, В.Н. Лутай, Я.Х. Горбульский, В.Ф. Литвинюк, В.И. Агеенков (СССР). - № 3980223/24-07 ; заявл. 26.11.85 ; опубл. 30.03.87, Бюл. № 12.

34. А.с. 1341708 СССР, МКИ³ Н 02 М 5/27. Способ формирования квазисинусоидального тока в трехфазной нагрузке / Б.Е. Пьяных, Э.М. Чехет, В.П. Мордач, В.М. Михальский, В.Н. Соболев, Е.Г. Гринвальд, Л.П. Бассок (СССР). - № 3986120/24-07 ; заявл. 09.06.86 ; опубл. 30.09.87, Бюл. № 36.

35. А.с. 1617572 СССР, МКИ³ Н 02 М 5/27. Способ формирования выходного напряжения трехфазно-однофазного преобразователя частоты / Б.Е. Пьяных, Э.М. Чехет, В.М. Михальский, В.П. Мордач, В.Н. Соболев, К.М. Корольков (СССР). - № 4189392/24-07 ; заявл. 03.02.87 ; опубл. 30.12.90, Бюл. № 48.

36. Pat. US 6,826,065 B2 USA, H02M/5/27. Method of commutation of current by bi-directional switches of matrix converters / Chekhet E.M., Sobolev V.N., Mikhalsky V.M.; заявник і патентотримач Chekhet E.M., Sobolev V.N., Mikhalsky V.M. - № 10/101.133 ; заявл. 19.03.02; опубл. 30.11.04.

37. Pat. GB2377326 B Great Britain, H02M 5/297 1/00. A method of commutation of current by bi-directional switches of matrix converters / Chekhet E.M., Sobolev V.N., Mikhalsky V.M.; заявник і патентотримач Chekhet E.M., Sobolev V.N., Mikhalsky V.M. - № 0206211.5 ; заявл. 15.04.02; опубл. 29.06.05.

38. Пат. 2231191 Российская Федерация, МПК⁷ Н02H 7/10, H03K17/08, H02M 5/02. Способ коммутации тока ключами двухсторонней проводимости матричных преобразователей (варианты) / Чехет Э.М., Соболев В.Н., Михальский В.М.; заявитель и патентообладатель Чехет Э.М., Соболев В.Н., Михальский В.М. - № 2002105607 ; заявл. 05.03.02; опубл. 20.06.04. - Бюл. № 17.

39. Пат. 68447 Україна, МПК⁷ Н01Р27/00, G05B19/08. Спосіб комутації струму ключами двосторонньої провідності матричних перетворювачів / Е.М. Чехет, В.М. Соболєв, В.М. Михальський; заявник і патентотримач Е.М. Чехет, В.М. Соболєв, В.М. Михальський. - № 2002021439 ; заявл. 20.02.02; опубл. 16.08.04. - Бюл. № 8.

40. Пьяных Б.Е. Повышение качества энергии в преобразователях частоты с непосредственной связью / Б.Е. Пьяных, В.М. Михальский - К.: ИЭД, 1984. - 58 с. - (Препринт / АН УССР, Ин-т электродинамики; № 374).

41. Михальский В.М. Опыт разработки транзисторного непосредственного преобразователя частоты для электропривода переменного тока / В.М. Михальский, В.Н. Соболев, Б.Е. Пьяных, Э.М. Чехет // Статические преобразователи частоты с улучшенными технико-экономическими показателями. - М. : Информэлектро. - 1983. - С. 34-35.

42. Кутрань И.С. Применение транзисторных непосредственных преобразователей частоты в некоторых системах асинхронного электропривода / И.С. Кутрань, В.М. Михальский, Б.Е. Пьяных, Э.М. Чехет, В.Н. Лутай, В.Н. Соболев // Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках. - Куйбышев. - 1984. - С. 120-122.

43. Кутрань И.С. Разработка асинхронных электроприводов с непосредственными преобразователями частоты (НПЧ) для турбомолекулярных насосов / И.С. Кутрань, В.М. Михальский, Э.М. Чехет, В.Н. Лутай // Труды 7-й научно-техн. конф. «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями». - Свердловск. - 1985. - С. 80-83.

44. Мисак Т.В. Непосредственные преобразователи частоты с обратной связью по току для электропривода / Т.В. Мисак, В.М. Михальский, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет // Актуальные проблемы электронного приборостроения. - Новосибирск. - 1992. - Т. 7. - С. 23-27.

45. Голобородько В.В. Унифицированный преобразователь частоты для асинхронного электропривода 0,7 - 7,5 кВт / В.В. Голобородько, Т.В. Мисак, С.И. Полищук, В.М. Михальский, Э.М. Чехет // Труды научно-техн. конф. «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». - Крым, Алушта. - 1997. - С. 288-290.

46. Мисак Т.В. Опыт использования силовых интеллектуальных модулей при разработке инверторов напряжения для электроприводов переменного тока / Т.В. Мисак, С.И. Полищук, В.М. Михальский, Э.М. Чехет, И.А. Шаповал // Труды научно-техн. конф. «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». - Крым, Алушта. - 1997. - С. 192-193.

47. Chekhet E. Application of the Matrix Converter for Vector Controlled Doubly-Fed Induction Machine / E. Chekhet, V. Mikhalsky, S. Peresada, I. Shapoval, V. Sobolev // Proc. EPE-PEMC'2004, Riga (Latvia). - 2004. - A23175.

48. Пересада С.М. Керування кутовою швидкістю машини подвійного живлення з матричним перетворювачем / С.М. Пересада, І.А. Шаповал, В.М. Михальський, В.М. Соболєв, Е.М. Чехет // Темат. вип. «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика» наук.-техн. журналу «ЕЛЕКТРОІНФОРМ» - Львів: ЕКОінформ. - 2009. - С. 111-114.

49. Chekhet Eduard Control of the Stand-alone Doubly Fed Induction Generator Supplied by the Matrix Converter / Eduard Chekhet, Ivan Shapoval, Valeriy Mikhalsky, Vladimir Sobolev, Sergei Peresada // Proc. of the International Workshop on Renewable Energy Based Units and Systems (REBUS'06). St. Petersburg (Russia). - 25-28 June, 2006. - P. 35-40.

Анотації

Михальський В.М. Перетворювачі частоти і напруги з широтно-імпульсною модуляцією: аналіз та наукове обґрунтування шляхів підвищення якості електроенергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2010.

Дисертацію присвячено вирішенню наукової проблеми підвищення якості електроенергії на вході та виході напівпровідникових перетворювачів частоти і напруги з широтно-імпульсною модуляцією шляхом створення нових методів модуляції, які полягають в системному визначенні стаціонарних станів перетворювачів, їх взаємного розташування та відносних тривалостей застосування при побудові циклів модуляції.

Розроблено метод регулювання співвідношення між амплітудами неперервних імплементаційних функцій та амплітудами перших гармонік сигналів завдання вихідних напруг автономних інверторів напруги в залежності від значення коефіцієнта модуляції; визначено границі області існування сімейства підмодулюючих функцій, які забезпечують неспотворююче формування вихідних напруг з максимальним теоретично можливим коефіцієнтом використання напруги живлення; розроблено принципи безпечної комутації змінного струму в матричних перетворювачах при регулюванні кута зсуву між вхідними струмами та відповідними фазними напругами мережі живлення і виконано порівняльний аналіз показників якості електроенергії при різних конструкціях модуляційних циклів; розроблено метод формування струмів в системі «мережа живлення з несиметричними напругами - матричний перетворювач»; розроблено концепцію компенсації «мертвого часу» в перетворювачах частоти і напруги. На основі виконаних теоретичних досліджень розроблено та впроваджено у серійне виробництво перетворювачі частоти з покращеними параметрами якості електроенергії.

Ключові слова: широтно-імпульсна модуляція, автономний інвертор напруги, матричний перетворювач, несинусоїдальність напруги (струму), імплементація.

Михальский В.М. Преобразователи частоты и напряжения с широтно-импульсной модуляцией: анализ и научное обоснование путей повышения качества электроэнергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена решению научной проблемы повышения качества электроэнергии на входе и выходе полупроводниковых преобразователей частоты и напряжения с широтно-импульсной модуляцией путем создания новых методов модуляции, которые состоят в системном определении стационарных состояний преобразователей, их взаимного расположения и относительных длительностей применения при построении циклов модуляции.

В работе обоснована целесообразность применения системы взвешенных показателей несинусоидальности выходного напряжения и входного тока преобразователей с широтно-импульсной модуляцией.

Определены границы области существования семейства имплементационных функций, которые обеспечивают неискажающее формирование выходных напряжений с максимальным теоретически возможным коэффициентом использования напряжения источника питания.

Разработан метод регулирования соотношения между амплитудами непрерывных функций имплементации и амплитудами основных гармоник сигналов задания выходного напряжения инвертора в зависимости от значения коэффициента модуляции с целью повышения качества выходного напряжения в полном линейном диапазоне его регулирования.

Определен гармонический состав и показатели качества выходного напряжения автономных инверторов при применении основных прерывных модуляционных функций для максимального расширения линейного диапазона модуляции и проведен сравнительный анализ этих показателей по отношению к другим способам управления.

Определены показатели качества выходного напряжения и передаточные характеристики автономных инверторов в режиме перемодуляции при применении разных методов модуляции.

Проведен сравнительный анализ качества входных токов автономных инверторов напряжения для разных методов модуляции по критерию воздействия на величину пульсаций напряжения на емкости фильтра, обусловленных этими токами. Проведено исследование величины пульсаций электромагнитного момента асинхронного двигателя при питании от инвертора с разными методами модуляции.

Разработаны принципы безопасной коммутации переменного тока в матричных преобразователях при регулировании угла сдвига между входными токами и соответствующими фазными напряжениями питающей сети. Проанализировано влияние особенностей построения циклов широтно-импульсной модуляции, обеспечивающих условия для безопасной коммутации переменного тока, на качество электроэнергии на входе и выходе матричных преобразователей.

Разработан метод формирования токов в системе «несимметричная питающая сеть - матричный преобразователь», позволяющий с помощью полупроводникового компенсатора обеспечить синусоидальность потребляемых от сети токов и исключить циркуляцию реактивных составляющих мощности.

Разработана концепция компенсации «мертвого времени» в преобразователях частоты и напряжения с широтно-импульсной модуляцией путем изменения масштабов составляющих заданных пространственных векторов выходного напряжения, что позволяет определить альтернативные комплекты стационарных векторов для применения на циклах модуляции, и за счет этого максимально поднять нижнюю границу значений длительностей применения стационарных состояний и, тем самым, обеспечить реализацию точной передаточной характеристики преобразователя.

Разработан новый метод корректирования длительностей применения стационарных состояний матричного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией путем определения векторов ошибки с учетом особенностей формирования нулевых стационарных векторов на циклах модуляции.

Разработаны преобразователи частоты с применением для управления ними контроллеров на основе цифровых сигнальных процессоров с фиксированной и плавающей точками, разработана и изготовлена станция быстрого прототипного тестирования для отработки новых алгоритмов управления электромеханическими системами с преобразователями частоты.

Результаты работы использованы при разработке и внедрении в серийное производство преобразователей частоты, обеспечивающих высокое качество выходного напряжения при максимально возможном коэффициенте использования питающей сети, для питания специальных потребителей напряжением с частотой 400 Гц; при разработке и промышленной эксплуатации серии диагностических устройств для технологического обслуживания систем безопасности атомных электростанций и других крупных энергогенерирующих объектов; при разработке автономных инверторов напряжения для электроприводов высокооборотных турбомолекулярных насосов и во многих других применениях.

Ключевые слова: широтно-импульсная модуляция, автономный инвертор напряжения, матричный преобразователь, несинусоидальность напряжения (тока), имплементация.

Mikhalsky V.M. Frequency and Voltage Converters with Pulse-Width Modulation: Analysis, Scientific Substantiation of Means to Improve Quality of Electrical Energy. - Manuscript.

Thesis for a doctor of sciences degree of electrical engineering of speciality 05.09.12 - Semiconductor Converters of Electric Energy. - Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is dedicated to the solution of scientific task of quality improvement of the input and output electric energy of semiconductor frequency converters with a pulse-width modulation by creation of new methods of modulation which consist in systematic definition of stationary states of converters, their mutual arrangement and relative durations of application at construction of modulation cycles.

The method of control of ratio between amplitudes continuous implementation functions and amplitudes of first harmonics of reference signals of output voltages of voltage source inverters depending on value of modulation index has been devised; boundaries of existence area of family submodulation functions which provide undistorting formation of output voltages with the maximum theoretically possible operating ratio of a supply voltage have been defined; principles of safety switching of an alternating current in matrix converters have been developed at regulating of a phase shift between input currents and corresponding power supply phase voltages and the comparative analysis of quality ratings has been made at different designs of modulation cycles; the method of currents formation in system «power supply with asymmetrical voltages - the matrix converter» has been devised; «dead time» compensation concept in frequency converters has been developed. On the basis of executed theoretical researches frequency converters with the improved parameters of quality of the electric energy have been developed and commissioning.

Keywords: pulse-width modulation, voltage source inverter, matrix converter, non-sinusoidal voltage (current), implementation.

Підписано до друку 30.08.2010р. Формат 60х84/16

Умовн.-друк. аркуш. 1,89. Об.-вид. аркуш. 1,55.

Тираж 100 прим. Замовл. 96.

Поліграф. дільн. Інституту електродинаміки НАН України

03680, Київ-57, проспект Перемоги, 56.

Размещено на Allbest.ru