НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
На правах рукопису
Москаленко Євген Володимирович
УДК 621.314.58
АЛГОРИТМИ КЕРУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИМИ ПЕРЕТВОРЮВАЧАМИ НА ОСНОВІ ШВИДКОГО СИМЕТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ
Cпеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії
Автореферат дисертації на здобуття
наукового ступеня кандидата технічних наук
Київ - 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України, м.Київ.
Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент
Терещенко Тетяна Олександрівна,
Національний Технічний Університет України
“Київський політехнічний інститут” (м.Київ)
професор кафедри промислової електроніки.
Офіційні опоненти -доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Новосельцев Олександр Вікторович,
Інститут загальної енергетики НАН України (м.Київ),
провідний науковий співробітник.
- кандидат технічних наук, доцент
Павлов Геннадій Вікторович,
Український Державний Технічний Університет (м.Миколаїв).
завідувач кафедри.
Провідна установа - Інститут електродинаміки НАН України, відділи транзисторних перетворювачів і електроживлення технологічних систем (м.Київ)
Захист відбудеться “19” лютого 2001 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченоі ради К 26.002.06 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ - 56, пр. Перемоги, 37, корп. №20, ауд. №3, тел. 241-76-62.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.
Автореферат розісланий “11“ січня 2001 року
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Б.М.Кондра
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Вступ. Тенденція переходу від аналізу безперервних функцій до аналізу дискретних чітко простежується в перетворювальній техніці. У більшості випадків силова частина і система керування перетворювачем представляються у вигляді дискретних ланцюгів того або іншого типу - здебільшого у вигляді лінійних стаціонарних або нестаціонарних дискретних ланцюгів. При моделюванні процесів у вентильних перетворювачах на ЕОМ також використовується дискретна модель. Використання цифрових методів керування вентильними перетворювачами (наприклад, у мікропроцесорних системах) приводить до застосування дискретних моделей перетворювача і системи керування. Таким чином, при аналізі вентильних перетворювачів і розробці алгоритмів керування ними доцільно використовувати методи аналізу дискретних ланцюгів і функцій.
Актуальність теми. Навантаження автономних систем, як правило, різнорідні як за характером роботи, так і за призначенням. Це можуть бути пристрої, які постійно або періодично включаються в роботу, пристрої імпульсного підключення, із відомим або невідомим графіком добового споживання електроенергії. Така розмаїтість навантажень приводить до того, що режими роботи перетворювачів та параметри електричної енергії в значній мірі залежать від стану системи в кожний момент часу.
У процесі роботи трифазних випрямлячів виникає проблема несиметрії фазних напруг і появи неканонічних гармонік, що викликається нерівномірністю навантажень фаз. Це негативно впливає на якість вихідної напруги. Неканонічна гармоніка другого порядку має найбільшу амплітуду, її усунення є найбільш складним. Відхилення напруг фаз від номінальних значень при постійній напрузі керування може призвести до значного відхилення середнього значення вихідної напруги.
Перетворювачі електричної енергії при використанні спеціальних алгоритмів керування дозволяють значно знизити амплітуду неканонічних гармонік, однак це може бути досягнуто лише за умови максимальної швидкодії системи. Суміщення переваг СКІ-перетворення, що полягають у малій трудомісткості обчислень і оперування з невеликою кількістю різних значень базисних функцій на інтервалі визначення, з побудовою швидких алгоритмів на основі факторизації матриць базисних функцій дозволяє побудувати ефективні за швидкодією мікропроцесорні системи керування перетворювачами електричної енергії.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертаційна робота виконана у відповідності з розділами державної бюджетної тими “Розробка нових принципів побудови робастних систем силової електроніки на основі дискретних перетворень на кінцевих інтервалах” (№ 2271, номер державної реєстрації 0198V001422) згідно з Державною науково-технічною програмою Міністерства України в справах науки і технологій на 1997-1998 рр. “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнологічні та електротехнічні системи” (шифр 04.08 “Екологічна чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”), а також у відповідності з рішенням ради Головного управління з енергетики Європейської комісії 94/807/ЕК “Енергозабезпечення з використанням сонячних систем в ізольованих об'єктах (EPSILON)” (Контракт № ICOP-DEMO-2045-96 p.)
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є побудова алгоритмів швидких симетричних перетворень на кінцевих інтервалах (ШСКІ) для збільшення швидкодії алгоритмів мікропроцесорних систем керування напівпровідниковими перетворювачами електроенергії.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі наукові задачі:
- огляд існуючих швидких спектральних перетворень та обґрунтування вибору СКІ-перетворення для побудови швидких алгоритмів;
- розробка способів побудови швидких алгоритмів СКІ-перетворення та оцінка їх ефективності;
- розробка способів програмної та апаратної реалізації швидких алгоритмів;
- побудова математичних моделей напівпровідникових перетворювачів з мікропроцесорними системами керування, які використовують швидкі алгоритми СКІ-перетворення;
- практичне використання швидких алгоритмів мікропроцесорного керування напівпровідниковими перетворювачами у автономних системах живлення.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:
- запропонована нова форма подання базисних функцій СКІ-перетворення, якій притаманна властивість мультиплікативності та спрощення аналітичних перетворень при оперуванні з СКІ-спектрами;
- запропонований новий спосіб факторизації матриць базисних функцій СКІ-перетворення, який потребує меншої кількості арифметичних операцій в порівнянні з традиційними методами;
- на базі швидких СКІ-перетворень отримані нові залежності коефіцієнтів глибини широтно-імпульсної модуляції імпульсів керування інвертора для компенсації впливу несиметрії;
- вперше розроблена методика робастного керування широтно-імпульсним перетворювачем фотоелектричної системи, що вигідно відрізняється від відомих підвищеною швидкодією алгоритмів керування.
Практичне значення отриманих результатів:
- запропоновані методи паралельної та паралельно-послідовної обробки даних при реалізації алгоритмів швидкого перетворення, які дозволили отримати більш високу швидкодію алгоритмів;
- розроблений швидкодіючий робастний алгоритм відбирання максимальної енергії від фотобатареї з урахуванням ємнісного характеру навантаження, в якому вплив освітленості на внутрішній опір фотобатареї розглядається як збурення;
- розроблені нові швидкодіючі алгоритми мікропроцесорного керування з використанням СКІ–перетворення для компенсації впливу несиметрії трифазних напруг на вихідну напругу випрямляча;
- результати виконаних у дисертації теоретичних досліджень і практичних розробок впроваджені у ТОВ “Девайс 1”, АТ “Укренергозбереження” (м. Київ), а також використані в учбовому процесі НТУУ “КПІ” та Українського державного морського технічного університету.
Особистий вклад автора. Самостійно розроблені методи синтезування алгоритмів швидкого СКІ– перетворення на базі факторизації матриць базисних функцій. Роботи [2, 3, 5, 6] написані самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, особисто автором отримані такі результати: у роботі [1] – методика синтезу швидких СКІ-перетворень; у роботі [4] – розроблені швидкі СКІ-перетворення для використання при мікропроцесорній реалізації алгоритмів керування пристроями електронної техніки; у роботі [7] – виконана порівняльна оцінка способів реалізації швидких СКІ– перетворень, розглянутих у [4] на базі різних мікропроцесорних систем; у роботі [8] – розроблений алгоритм керування відбиранням енергії від фотобатареї на основі швидкого СКІ-перетворення.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати та висновки дисертаційної роботи доповідались на семінарі Наукової ради НАН України з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики" (м. Київ, березень 2000 р.); окремі результати роботи були заслухані на: міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми фізичної та біомедичної електроніки" (м. Київ, травень 1997 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми фізичної та біомедичної електроніки" (м. Київ, травень 1998 р.).
Публікація результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубліковано 8 наукових робіт, в тому числі: 6 статей у спеціалізованих наукових виданнях та 2 доповіді на конференціях.
Структура та обсяг роботи.
Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел та трьох додатків.
Загальний обсяг роботи складає 173 сторінки, у тому числі на 61 сторінці розміщені 41 рисунок, 8 таблиць, список літератури з 60 найменувань та 4додатки.
Автор висловлює подяку науковому консультанту, доценту кафедри промислової електроніки Національного технічного університету України, к.т.н. Петергері Ю.С.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження. Надано коротку анотацію наукових положень, запропонованих здобувачем особисто, наведено відомості про практичне значення результатів роботи, апробацію і публікації.
У першому розділі розглянуті основні методи побудови алгоритмів керування напівпровідниковими перетворювачами підвищеної швидкодії на базі швидких алгоритмів різних дискретних перетворень. Проведений аналіз показав, що симетричне перетворення на кінцевих інтервалах (СКІ - перетворення), має в порівнянні з відомими дискретними перетвореннями такі переваги, як:
·
оперування тільки з дійсними числами;
·
однаковий вигляд прямого і зворотного перетворень;
·
мале число значень синусоїдальних і косинусоїдальних функцій,
що є підставою для застосування СКІ-перетворення в якості базового для розробки швидких мікропроцесорних алгоритмів та робастних систем керування напівпровідниковими перетворювачами.
В другому розділі розроблена методика побудови алгоритмів швидкого СКІ-перетворення на базі факторизації матриць і наведена оцінка ефективності запропонованих алгоритмів.
Аналіз СКІ-перетворення показав, що базисні функції СКІ-перетворення не мультипликативні, а пов'язані між собою операцією основної дії "":
(x) = (x) (x) = 1/2 [(x) (x) + (x) (x) + (x) (x)-
- (x) (x)], (1)
де (x)=cas( ), (x) =cas() ;
(x) = cas( ), (x)=cas( ) ;
(x) = cas[] ; cas = cos +sin ;
(s), (s) , (s) - розрядні компоненти в m-ічному представленні чисел , ,;
m - основа, n – степінь довжини інтервала N=mn визначення функцій СКІ-перетворення;
- позначення операцій додавання та віднімання по модулю m.
Використовуючи формули Ейлера, представимо вирази для базисних функцій (х) і (х) в матричній формі:
(x) ==,
(x)== , (2)
де A = (s)(s), B = (s)(s).
Оскільки у виразі (2) змінні містить лише друга матриця, то для подальших перетворень перша та третя матриці на проміжних етапах будуть відсікатися, що і відбиває операція . Тоді можна записати
= (3)
Перевагами наведеної вище форми запису функцій розкладання СКІ-перетворення є: мультипликативність представлення базисних функцій, що забезпечує простоту аналітичних перетворень при оперуванні зі спектрами; зручність обробки функцій СКІ-перетворень внаслідок матричної форми запису; скорочення обчислень шляхом відсікання матриць коефіцієнтів при проміжному аналізі, а також відсутність необхідності обчислення тригонометричних функцій.
У цьому ж розділі запропонована методика створення алгоритмів швидких СКІ-перетворень (ШСКІ) на базі факторизації матриць базисних функцій. Матрицю базисних функцій СКІ-перетворення пропонується факторизувати наступним чином:
(4)
де операція “основна дія” над матрицями базисних функцій СКІ- перетворення означає, що операція множення замінюється на операцію над елементами ai , тобто. ;
;
Im – одинична матриця розмірністю m х m;
Fm – матриця значень ai базисних функцій розмірністю m х m:
x
0 | a 0 | A 0 | a 0 | . . . | a 0
1 | a 0 | A 1 | a 2 | . . . | a m-1
F m=|cas[(2/m)(x)]|= 2 | a 0 | A 2 | a 4 | . . . | a m-2
| . . | . . | . . | . . | . .
m-1 | a 0 | am-1 | am-2 | . . . | a 1
де ai=cas( i).
У результаті використання даного методу факторизації утворюється ряд слабо заповнених матриць.
На інтервалі N=33 формула факторизації матриці базисних функцій СКІ-перетворення має вигляд:
, (5)
де F3 =.
На основі запропонованого способу факторизації матриць розроблений алгоритм ШСКІ. Оцінка результатів ефективності запропонованого алгоритма (рис.1) показала, що алгоритм швидкого СКІ-перетворення потребує меншого числа арифметичних операцій у порівнянні з традиційними методами на основі швидких перетворень Фур'є. Коефіцієнт KPIC на рис.1 визначається як відношення кількості арифметичних операцій для запропонованого алгоритму до кількості операцій для алгоритму швидкого перетворення Фур'є при реалізації на основі PIC-контролерів “MICROCHIP” PIC 17C43/44. Найбільший виграш досягається при значеннях m, рівних 2; 3; 5. Реалізація алгоритмів ШСКІ на мікропроцесорах з однаковим часом виконання операцій додавання і множення, наприклад на PIC-контролерах або сигнальних процесорах, характеризується більшою швидкодією у порівнянні з реалізацією на мікропроцесорах з різним часом виконання операцій додавання і множення, наприклад, на однокристальних мікро-ЕОМ.
У третьому розділі запропоновані варіанти схемних і програмних реалізацій швидких СКІ-перетворень на основі мікропроцесорних комплектів різних серій.
При реалізації ШСКІ на основі цифрового сигнального процесора (Digital Signal Processor) DSP56002 сімейства DSP56K фірми “Motorola” вдалося створити компактну і швидкодіючу програму швидкого симетричного перетворення, що використовує підпрограми множення і додавання чисел, поданих у форматі з плаваючої комою. Забезпечується точність подання чисел до 7 знаків після коми. Для програмної реалізації алгоритму швидкого СКІ-перетворення на основі факторизації для інтервалу N=33, ємність пам'яті складає 9180 байт, час виконання програми становить близька 450 мкс. Це дозволяє говорити про усунення затримки в системах із перетворювачами, що працюють на частотах 1-2 кГц. З огляду на те, що частота мережі автономних систем складає 50-400 Гц, цей результат є прийнятним.
При реалізації системи керування на однокристальних мікроконтролерах час, необхідний для обчислення результату, складає близько 17 мс. Такий порівняно великий час обчислень в однокристальному мікроконтролері обумовлений відсутністю арифметичних команд над даними, розрядність яких більше восьми. У цьому випадку в системах із перетворювачами, що працюють із частотою 50 Гц, буде виникати затримка обчислення керуючого сигналу, що дорівнює 1-2 періодам. При цьому точність подання чисел cкладає до 3 знаків після коми, а програма швидкого СКІ-перетворення займає 30600 байт програмної пам'яті і близько 10368 байт оперативної пам'яті.
При реалізації системи керування на систолічному процесорі досягається найбільша швидкодія алгоритмів. В роботі розроблено апаратну реалізацію пристрою на базі систолічного процесора, в якому алгоритм швидкого СКІ-перетворення використовує факторизацію матриць базисних функцій СКІ-перетворення для випадку N=33 на основі паралельної та паралельно-послідовної обробки даних.
Аналіз апаратних і програмних способів реалізації алгоритмів швидких СКІ-перетворень показав, що найбільш швидкодіючим способом є використання спеціалізованої мікросхеми систоличного процесора ШСКІ- перетворення, однак цей спосіб у даний час є найбільш дорогим. Час виконання ШСКІ в цьому випадку складає близько 1,4 мкс. Застосування систем керування з такими мікропроцесорами дозволяє усунути затримку при обчисленні керуючого сигналу для перетворювачів, що працюють на частотах до 100-200 кГц. Найменш швидкодіючим, але найбільш дешевим є спосіб реалізації алгоритмів ШСКІ на основі однокристального мікропроцесора.
У четвертому розділі розроблені алгоритми ШСКІ і методи їхньої реалізації, які були використані в системах керування перетворювачами.
При роботі випрямлюючих пристроїв в автономних енергосистемах із несиметрією фазних напруг виникають неканонічні гармоніки, що негативно впливають на якість вихідної напруги. Коефіцієнт несиметрії може бути визначений за допомогою виміряних амплітудних значень лінійних напруг UAB, UBС, UСА як:
, (6)
. (7)
Модуль коефіцієнта несиметрії дорівнює , зсув фаз між зворотною і прямою послідовністю визначається як =arctg(B/A), а комплексний коефіцієнт несиметрії - .
Однак визначення А і В по формулах (6), (7) вимагає вимірювання значень лінійних напруг, знаходження максимуму функцій і проведення обчислень відповідно до формул (6), (7). Це ускладнює процес керування в реальному масштабі часу. Запропоновано визначення параметрів несиметрії для загального випадку N=3n через складові СКІ-спектра Y(0), Y(3n-1), Y(23n-1):
, (8)
. (9)
Тоді модуль коефіцієнта несиметрії дорівнює
, (10)
зсув фаз між зворотною і прямою послідовністю:
. (11)
Запропонований спосіб визначення параметрів несиметричних режимів у трифазних системах був використаний для компенсації неканонічних гармонік вихідної напруги керованого випрямляча методом корекції кутів комутації тиристорів. Структурна схема компенсації впливу несиметрії напруг у керованому випрямлячі наведена на рис.2.
Особливістю алгоритму швидкого СКІ-перетворення в цій системі є те, що треба обчислювати не весь спектр, а лише три його складові Y(0), Y(3n-1), Y(23n-1):
Y(0)= С1+С2+С3,
Y(3n-1)=С1+a1C2+a2C3, (12)
Y(23n-1) =С1+a2C2+a1C3.
де а1=0,366, а2= -1,366, , , ,
xi – відліки вихідного сигналу малопотужного вимірювального випрямляча В.
Використання швидкого СКІ-перетворення для компенсації впливу несиметрії напруг мережі на вихідну напругу трифазного керованого випрямляча дозволило приблизно в 1,8 разів зменшити затримку обчислення параметрів несиметрії. Математичне моделювання процесів у керованому випрямлячі в пакеті TCAD із компенсацією впливу несиметрії підтвердило досягнення умов компенсації, як-то незмінність середнього значення вихідної напруги і рівність нулю другої гармоніки.
В цьому ж розділі розроблений алгоритм керування системою “інвертор-асинхронний двигун” з компенсацією несиметрії трифазних напруг. Отримано умови компенсації впливу несиметрії системи трифазних напруг за допомогою зміни коефіціентів , , глибини модуляції інвертора із ШІМ за синусоїдальним законом:
;
; (13)
=.
де 0 - коефіцієнт глибини модуляції напруги із ШІМ по синусоїдальному законі в симетричній системі,
Недоліком способу компенсації на основі використання спектральних методів, зокрема СКІ-перетворення, є те, що ці методи є блочними, тобто обчислити коригувальний вплив можливо лише після вимірювання й обробки деякого блока даних довжиною N. Скориставшись ідеєю потактового керування, будемо коректувати величини після вимірювання кожного нового відліку. Для цього визначимо, як зміняться складові С1, С2 і С3, що входять у формули (13), якщо виключити нульовий відлік і додати виміряний N-й відлік:
, (14)
, (15)
, (16)
де С1, С2, С3 – значення сум відліків, обчислених на інтервалі визначення функції 0 - (N-1), - значення сум відліків, обчислених на інтервалі 1-N.
Формули (14)-(16) являють собою алгоритм потактового керування інвертором із ШІМ, що дозволяє коректувати значення коефіцієнтів глибини модуляції на кожному періоді.
При регулюванні по збуренню коефіцієнти глибини визначаються обернено пропорційно виміряним амплітудам. Однак при цьому вимірювання і знаходження максимальних (амплітудних) значень відбувається один раз на період. У результаті в контур керування вноситься затримка, яка дорівнює періоду мережі. У даній роботі пропонується беззупинне спостереження за коефіцієнтом несиметрії і компенсація за допомогою потактового керування шляхом реалізації формул (13-16).
Cхема інвертора із ШИМ з компенсацією впливу несиметрії трифазної мережі наведена на рис. 3.
У системі керування передбачене роздільне регулювання амплітуд вихідного сигналу. Схема керування інвертором містить малопотужний некерований випрямляч В, аналогово-цифровий перетворювач АЦП, мікропроцесорну систему керування МСК та аналогову систему керування СК ШІМ. Схема компенсації впливу несиметрії напруг трифазної мережі функціонує в такий спосіб: вихідна напруга випрямляча В вимірюється за допомогою АЦП. Коди АЦП передаються в МСК, яка обчислює значення коригувальних коефіцієнтів глибини модуляції для трьох фаз по формулах (17) і формує керуючі імпульси. Математичне моделювання процесів у пристрої компенсації на основі інвертора із ШІМ показало, що значення коефіцієнта несиметрії зменшилося з 11,5% до 1,75%
У роботі показана доцільність застосування алгоритмів ШСКІ в робастному керуванні на прикладі розробки системи керування відбором максимальної енергії з урахуванням ємнісного характеру навантаження. На основі аналізу екс периментальних залежностей освітленості і температури фотобатареї запропонована математична модель збурення і побудована модель регулятора, що поглинає збурення. Керування відбором максимальної енергії здійснюється за допомогою ШІП типу, що підвищує, включеного між фотобатареєю і навантаженням. Робастна система керування ШІП виконана на основі МП AT90S6535 із RISC архітектурою фірми ATMEL. Розроблена методика робастного керування вентильним перетворювачем вигідно відрізняється від відомих підвищеною швидкодією алгоритмів керування. Виграш у швидкодії досягає 50%.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі розроблені алгоритми швидких симетричних перетворень на кінцевих інтервалах і доведена доцільність їх використання в системах керування перетворювальними пристроями. Отримані науково обгрунтовані результати в сукупності є істотними для розвитку теорії побудови систем керування перетворювачами з підвищеною швидкодією.
1.
Аналіз швидких алгоритмів відомих дискретних перетворень показав необхідність розробки швидких СКІ-перетворень для використання в системах керування пристроями силової електроніки перетворювачами з підвищеною швидкодією.
2.
Запропоновано спосіб факторизації матриць базисних функцій і алгоритм ШСКІ на його основі, що вимагає меншого числа арифметичних операцій у порівнянні з традиційними методами. Проведений аналіз порівняння швидкодії обчислень СКІ-зображень (оригіналів) запропонованого алгоритму швидкого перетворення і відомих показав, що при N більше, ніж 50-100 запропонований метод має переваги у швидкодії порядку 60%.
3.
Отримано залежності для визначення коефіцієнта несиметрії трифазної напруги на основі СКІ-перетворення для інтервалу N=3n. Показано, що найбільша точність обчислення параметрів несиметрії забезпечується в тому випадку, коли змінюються лише амплітуди фаз, а кут між фазами відрізняється від 1200 не більш, ніж на 50.
4.
Розроблено алгоритм ШСКІ, що дозволив одержати прості розрахункові формули для визначення коефіцієнта несиметрії. Використання їх у пристрої компенсації впливу несиметрії у вихідній напрузі керованого випрямляча дозволило одержати виграш у швидкодії в 1,8 разів у порівнянні з традиційними методами.
5.
Розроблено алгоритм потактового керування для компенсації впливу несиметрії трифазної мережі для споживачів, що живляться трифазною перемінною напругою, який дозволив уникнути запізнювання на період у порівнянні зі схемами компенсації по збуренню. Математичне моделювання процесів у інверторі підтвердило ефективність компенсації впливу несиметрії - коефіцієнт несиметрії знизився від 11,67% до 1,75%.
6.
Отримано умови відбору максимальної енергії від фотобатареї з урахуванням ємнісного характеру навантаження, що надало можливість підвищити ефективність роботи фотобатареї і зменшити вартість вироблюваної енергії.
7.
Розроблена методика робастного керування вентильним перетворювачем вигідно відрізняється від відомих підвищеною швидкодією алгоритмів керування. Виграш у швидкодії досягає 50%.
8.
Розроблено нові швидкодіючі алгоритми мікропроцесорного керування вентильними перетворювачами з використанням алгоритмів швидких СКІ-перетворень. Результати виконаних у дисертації теоретичних досліджень і практичних розробок знайшли застосування в системах мікропроцесорного керування трифазного випрямляча системах із компенсацією впливу несиметрії мережі на вихідну напругу, у робастній системі керування відбором енергії від фотобатареї, а також у навчальному процесі НТУУ “КПІ” та і Державного морського технічного університету.
9.
Достовірність і обгрунтованість наукових положень, виводів і рекомендацій підтверджується використанням коректних методів досліджень, узгодженням розрахунків з експериментальними даними і раніш відомими по літературних джерелах результатами.
ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА
ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Жуйков В.Я., Москаленко Е.В., Терещенко Т.А. Методы преобразования дискретных функций // Электроника и связь - Тематический выпуск “Проблемы физической и биомедицинской электроники”. - 1997. – №2, ч.2. - С.345-349.
2.
Москаленко Е.В. Методы преобразования дискретных функций в силовой электронике // Электроника и связь. - 1997. – №3, ч.1. - С.73-93.
3.
Москаленко Е.В. Альтернативное представление базисных функций СКИ-преобразования // Электроника и связь. - Тематический выпуск “Проблемы физической и биомедицинской электроники”. - 1998. – №4, ч.1. - С.196-200.
4.
Терещенко Т.А., Москаленко Е.В., Петергеря Ю.С. Быстрые симметричные преобразования на конечных интервалах // Электроника и связь. - 1998. – №5. - С.57-59.
5.
Москаленко Е.В. Быстрые алгоритмы спектрального анализа сигналов в базисе СКИ- преобразования // Электроника и связь. - 1999. – № 6, т.1. - С.77-82.
6.
Москаленко Е.В. Факторизация матриц базисных функций СКИ- преобразования // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Системи керування та контролю напівпровідникових перетворювачів”. - 1999. - С.91-96.
7.
Терещенко Т.А., Москаленко Е.В., Петергеря Ю.С. Построение быстрых симметричных преобразований на конечных интервалах на основе теорем удлинения и запаздывания // Электронное моделирование. - 1999. –№6, т.21. - С.3-9.
8.
Терещенко Т.А., Петергеря Ю.С., Островский Н.Е., Москаленко Е.В. Управление отбором энергии в системе солнечного энергоснабжения // Технічна електродинаміка. - Тематичний випуск “Силова електроніка та енергоефективність”. – 2000, ч.2. - С.48-51.
АНОТАЦІЇ
Москаленко Є.В. Алгоритми керування напівпровідниковими перетворювачами на основі швидкого симетричного перетворення - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.
Дисертація присвячена розробці способів підвищення швидкодії систем з напівпровідниковими перетворювачами на базі побудови алгоритмів швидких симетричних перетворень. В роботі запронована матрична форма запису базисних функцій СКІ-перетворення та розроблена методика побудови алгоритмів швидкого СКІ-перетворення на базі факторизації матриць. На основі запропонованого способу факторизації матриць розроблені алгоритми швидкого СКІ-перетворення. Аналіз різних апаратних та програмних способів реалізації алгоритмів показав, що: найбільш швидкодіючим, але й дорогим способом є реалізація на спеціалізованих мікросхемах систолічних процесорів; найменшою швидкодією (близько 2 мс) та найбільш низькою вартістю характеризується спосіб реалізації алгоритмів на однокристальних процесорах; найбільш прийнятною є реалізація на цифрових сигнальних процесорах.
Розроблені алгоритми швидких перетворень та методи їх реалізації були використані у системах керування трифазним інвертором з компенсацією впливу несиметрії трифазної мережі та широтно-імпульсним перетворювачем фотоелектричної системи з робастним принципом керування.
Ключові слова: мікропроцесорне керування, напівпровідникові перетворювачі, швидкі алгоритми, симетричне перетворення, спектри, дискретні функції.
Moskalenko E.V. Algorithms of control of semiconductor converters on base of fast symmetrical transformation. – Manuscript.
Thesis for the Candidate of sciences by speciality 05.09.12 – semiconductor converters of electric power energy – National Technical University of Ukraine “Kyiv Politechnic Institute” Kyiv, 2001.
The thesis deals with development of methods of computation speed raise of systems with semiconductor converters on base of fast symmetrical transformations. In the work the matrix form of notation of basic functions of symmetrical transformation at finite intervals (SFI–transformation) and methodology of construction of algorithms of fast SFI–transformation on base of factorization of matrixes have been carried out. On base of suggested method of factorization of matrixes the algorithms of fast SFI–transformation have been carried out. The analysis of different hardware and software methods of realization of algorithms showed that the most computation speeding but the most expensive method is the utilization of specialized chips of systolic processors; the method of realization of algorithms on microcomputer controller has the least computation speeding (about 2 ms.) and the lowest cost; the realization on digital signal processors is the more acceptable method.
Algorithms of fast transforms and methods of its realization which carried out were used in systems of control three–phase dc–to–ac converter with compensation of influence of non–symmetry in three–phase network and in pulse–width converter of photovoltaic system with robust principle of control.
Key words: microprocessor control, semiconductor converters, fast algorithms, symmetrical transformation, spectrums, discrete functions.
Москаленко Е.В. Алгоритмы управления полупроводниковыми преобразователями на основе симметричного преобразования. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.
Диссертация посвящена разработке способов повышения быстродействия систем с полупроводниковыми преобразователями на основе построения алгоритмов быстрых симметричных преобразований. В основу разработки микропроцессорных алгоритмов положен математический аппарат быстрых спектральных преобразований дискретных функций, в частности, СКИ-преобразования.
В работе предложена матричная форма записи базисных функций СКИ-преобразования и разработана методика построения алгоритмов быстрого СКИ-преобразования на основе факторизации матриц. Преимуществами матричной формы записи функций являются мультипликативность, что обеспечивает простоту аналитических преобразований при оперировании со спектрами, удобство обработки функций и сокращение вычислений.
На основе предложенного способа факторизации матриц разработаны алгоритмы быстрого СКИ-преобразования. Оценка результатов эффективности этих алгоритмов показала, что алгоритмы требуют меньшего числа арифметических операций по сравнению с традиционными методами. Анализ различных аппаратных и программных способов реализации алгоритмов показал, что: наиболее быстродействующим, но и дорогостоящим, способом является реализация на специализированных микросхемах систолических процессоров; наименьшим быстродействием (около 2 мс) и наиболее низкой стоимостью характеризуется способ реализации алгоритмов на однокристальных процессорах; наиболее приемлемым по себестоимости, компактности и быстродействию является реализация быстрых алгоритмов на цифровых сигнальных процессорах с точностью представления чисел до 7 знаков после запятой, объемом занимаемой памяти 1020 байт и общим временем выполнения программы порядка 50 мкс.
На основе полученных в работе теоретических и практических результатов разработаны новые методы микропроцессорного управления, которые базируются на вычислении и обработке спектров функций. Разработанные алгоритмы быстрых преобразований и методы их реализации были использованы в системах управления преобразователями. Разработанная методика вычисления коэффициентов глубины модуляции импульсов управления для трехфазного инвертора и разработанный алгоритм потактового управления для компенсации влияния несимметрии трехфазной сети позволили избежать запаздывания на период по сравнению со схемами компенсации по возмущению. Математическое моделирование процессов в инверторе подтвердило эффективность разработанного алгоритма при снижении коэффициента несимметрии с 11,5% до 1,75 %.
Алгоритм управления широтно-импульсным преобразователем фотоэлектрической системы, основанный на принципах робастности и применении быстрого СКИ-преобразования, позволяет реализовать режим отбора максимальной энергии от фотобатареи и сократить время выработки управляющего воздействия на 50 % по сравнению с алгоритмами, основанными на других видах преобразований дискретных функций.
Ключевые слова: микропроцессорное управление, полупроводниковые преобразователи, быстрые алгоритмы, симметричное преобразование, спектры, дискретные функции.
