НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

МАКАРЕНКО Микола Петрович

УДК 621.314

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ

МОДУЛЯЦІЙНОГО ТИПУ

(системне моделювання, аналіз електромагнітних процесів)

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі теоретичної електротехніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор

Сенько Віталій Іванович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри теоретичної електротехніки.

Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор

Переверзєв Анатолій Васильович,

Запорізька державна інженерна академія,

проректор з наукової роботи; –

доктор технічних наук, професор

Рябенький Володимир Михайлович,

Державний гуманітарний університет

ім. Петра Могили Києво-Могилянської академії,

м. Миколаїв, декан факультету комп’ютерних наук; –

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Павлов Віктор Борисович,

Інститут електродинаміки НАН України,

провідний науковий співробітник відділу

стабілізації параметрів електромагнітної енергії.

Провідна установа – Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України,

кафедра промислової і біомедичної електроніки.

Захист відбудеться “ 28 ” жовтня 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

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

Автореферат розіслано “19” вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С.Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Сучасний етап науково-технічного прогресу характеризується значним зростанням ролі перетворювальної техніки, як однієї з основ вдосконалення існуючих та створення якісно нових технологічних процесів у галузях господарства України. Аналіз процесів виробництва, передачі, розподілу та перетворення електроенергії свідчить, що великі резерви містяться на етапі перетворення енергії, на який припадає близько 60% від її виробництва. З цим пов’язане зростання значимості та ефективності пристроїв перетворювальної техніки, основу яких складають напівпровідникові перетворювачі (НП) електроенергії модуляційного типу.

Дослідженням НП модуляційного типу, забезпеченню заданих характеристик функціонування і оптимізації енергетичних процесів у них присвячені численні розробки наукових шкіл, створених такими відомими вітчизняними та зарубіжними вченими, як І.В. Волков, Ю.П. Гончаров, О.І. Денисов, Г.Г. Жемеров, В.Я. Жуйков, В.М. Ісаков, М.С. Комаров, К.О. Липківський, В.Б. Павлов, І.В. Пентегов, А.В. Переверзєв, Г.Г. Півняк, В.С. Руденко В.М. Рябенький, В.І. Сенько, Є.І. Сокол, В.Ю. Тонкаль, В.С. Федій, Е.М.Чехет, І.М. Чиженко, А.К. Шидловський, А.А. Щерба, М.М. Юрченко, Б. Бедфорд, О.Г. Булатов, С.Г. Герман-Галкін, Т.О. Глазенко, Л. Джюджі, Г.С. Зінов’єв, Ф.І. Ковальов, А.В. Кобзєв, Р. Мілдбрук, В.П. Міловзоров, Ю.К. Розанов, Е.М. Ромаш, Р. Хофт і багато інших.

Особлива увага приділяється створенню засобів автоматизованого контролю якості та випробування готової продукції, енергозберігаючим технологічним процесам, у підвищенні ефективності яких істотна роль надається системам електроживлення зі змінними та постійними вихідними напругами на основі різноманітних НП модуляційного типу. При цьому відсутність єдиного системного підходу до аналізу електромагнітних процесів у НП шляхом проведення їхнього системного моделювання, яке дозволяє узагальнювати результати досліджень відносно повних множин підсистем та елементів, що є складовими частинами НП, як систем перетворення електроенергії, значно ускладнює задачу їхнього проектування, особливо тих, що мають багаторозгалужені структури силових частин та систем управління (СУ). Крім того, недостатньо повно розглянуті питання теорії побудови та системного аналізу НП зі змінними та постійними вихідними напругами на основі інверторів змінної та випрямленої напруг у складі силових модуляторів напруг мережі живлення та алгоритми управління ними, що підвищують їхні техніко-економічні показники. У зв’язку з цим набуває важливого значення подальший розвиток теорії системного аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу на основі розробки методів та методик системного моделювання таких процесів, створення нових структур інверторів напруги та алгоритмів управління ними у НП зі змінними та постійними вихідними напругами.

Актуальність теми. Зважаючи на високу вартість макетування фізичних моделей перетворювачів, неодмінним етапом у процесі проектування сучасних НП електроенергії модуляційного типу став етап попереднього аналізу електромагнітних процесів у них шляхом їхнього моделювання.

Одним з шляхів вирішення проблеми аналізу НП є використання сучасного програмного забезпечення персональних комп’ютерів. Створення комп’ютерних моделей числового та візуального відображення електромагнітних процесів у перетворювачах передбачає розробку математичного опису їхніх силових та інформаційних трактів, здатного провести аналіз електромагнітних процесів відносно енергії, яка генерується, з урахуванням структурної побудови і параметрів вихідних кіл, енергії, яка при цьому споживається, а також енергії, яка перетворюється в окремих ланках і окремими елементами перетворювачів. Важливо, щоб моделі могли подавати як усталені, так і перехідні режими роботи перетворювачів без зміни своєї внутрішньої структури.

Одним з варіантів, що дозволяє провести моделювання НП з малорозгалуженими структурами силових частин, є використання засобів численних пакетів програм автоматизованого схемотехнічного проектування. Проте, наявні в бібліотеках програм моделі приладів і пристроїв силової електроніки, необхідні для схемотехнічного відображення НП, не відповідають вимогам універсальності, що знижує ефективність їхнього використання для аналізу НП з багаторозгалуженими структурами за рахунок підвищення розмірності та жорсткості власного математичного забезпечення повних схемних макромоделей.

Перспективним напрямком на шляху вдосконалення та розвитку теорії електромагнітних процесів у НП модуляційного типу є розробка системного підходу до формування узагальнених математичних моделей перетворювачів, створення ефективних методів і методик системного моделювання таких процесів, удосконалення математичного забезпечення інформаційних та силових частин НП.

При досконалому математичному забезпеченні НП з’являться умови до стикування математичних моделей силових частин перетворювачів з моделями приладів, що розроблені і будуть розроблятись в середовищах програм схемотехнічного проектування в зв’язку з розвитком елементної бази силової електроніки. Все це дозволить прискорити розробку нових структур та алгоритмів управління силовими ключами НП, які підвищують їхні техніко-економічні показники.

Отже, розв’язання комплексу задач, пов’язаних з розвитком теорії електромагнітних процесів у НП модуляційного типу на основі розробки системного підходу до формування узагальнених математичних моделей перетворювачів, створенням ефективних методів системного моделювання та аналізу таких процесів, удосконаленням математичного забезпечення інформаційних та силових частин перетворювачів, розробкою нових структур та алгоритмів управління силовими ключами НП є актуальною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилась у відповідності з Координаційним планом АН УРСР на 1986-1990 р.р. (комплексна проблема “Наукові основи електроенергетики”, п. 1.9.2.2.1.1.1.); Координаційним планом НАН України на 1991-1995 р.р. (“Наукові основи електроенергетики”, п.п. 1.9.2.2.1.2.8., 1.9.2.2.1.3.3, 1.9.2.2.1.3.4.); науково-технічною програмою Держкомітету України з питань науки і технологій “Теоретичне обгрунтування створення спеціальних типів джерел живлення сучасних енергозберігаючих технологій”; державною науково-технічною програмою Міністерства України у справах науки і технологій на 1997-1998 р.р. “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнологічні і енерготехнічні системи” (п. 04.08); державною науково-технічною програмою на 1995-2000 р.р. пріоритетних напрямків науки і техніки (п.п. 04.00, 04.11) комплексного проекту Держкомітету України з питань науки, техніки і промислової політики; а також у відповідності з рядом держбюджетних і госпдпдоговірних науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт, які проводились на кафедрі “Теоретична електротехніка” під керівництвом і за участю автора: НДР “Безперебійні системи електроживлення технічних засобів при довгострокових відключеннях електроенергії” (1997 р., № ДР 0195U027095); НДР “Теоретичне обгрунтування створення спеціальних типів джерел живлення сучасних енергозберігаючих технологій” (1998 р., № ДР 0196U009074); НДР “Математичне і комп’ютерне моделювання мережевих перетворювачів сучасних енергозберігаючих технологій” (2001 р., № ДР 0100U002011); НДР ”Розробка методів комп’ютерного аналізу електромагнітних процесів і синтезу алгоритмів керування ними в перетворювачах електроенергії сучасних енергозберігаючих технологій” (2003 р., № ДР 0102U002201); НДР “Исследование и разработка модулей высокочастотного инвертора”, (1987 р., № ДР 01850076799); “Исследование и разработка программируемого полупроводникового преобразователя”, (1988 р., № ДР 01860135511); “Исследование и разработка унифицированных высокочастотных преобразователей”, (1989 р., № ДР 01880003759).

Мета та основні задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є розвиток теорії системного аналізу електромагнітних процесів у напівпровідникових перетворювачах модуляційного типу на основі розробки методів та методик системного моделювання таких процесів, створення нових структур інверторів напруги та алгоритмів управління ними у напівпровідникових перетворювачах зі змінними та постійними вихідними напругами.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішувались такі основні задачі:

- обгрунтування системного підходу до аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу;

- обгрунтування та розробка основних положень і математичного забезпечення методів системного моделювання електромагнітних процесів у НП зі змінними та постійними вихідними напругами;

- створення математичного забезпечення обробки інформації одно- та багатоканальних систем управління;

- створення нових структур інверторів напруги та алгоритмів управління ними у НП зі змінними та постійними вихідними напругами;

- розробка методик моделювання та аналізу електромагнітних процесів у різновиді НП на основі методу багатопараметричних модулюючих функцій.

- впровадження системних моделей, методик та алгоритмів у розробки НП зі змінними та постійними вихідними напругами.

Об’єктом дослідження є напівпровідникові перетворювачі модуляційного типу, що утворюють підклас перетворювачів з властивостями джерел напруги, які орієнтовані на використання переважно у стаціонарних умовах промислових підприємств та наукових установ.

Предметом дослідження є системний аналіз електромагнітних процесів на основі їхнього моделювання при перетворенні параметрів електроенергії шляхом її модуляції.

Методи дослідження. Рішення поставлених у дисертації задач одержано з використанням методу комутаційних функцій (як прототип при розробці методу багатопараметричних модулюючих функцій), диференціального і інтегрального числення (складання диференціальних рівнянь, визначення регулювальних характеристик НП), розроблених методів багатопараметричних модулюючих функцій, умовних рівнянь, визначення еквівалентних опорів сталих структур НП (системне моделювання та аналіз електромагнітних процесів в НП з багаторозгалуженими структурами), теорії множин (визначення системних параметрів, як аргументів багатопараметричних функцій), методу припасовування (розробка методик системного моделювання електромагнітних процесів), візуального та імітаційного моделювання (розробка математичних та комп’ютерних моделей НП), числових методів рішення диференціальних рівнянь (визначення реакцій неперервних частин НП на відповідні функції впливу), теорії алгебраїчних рівнянь (складання схем заміщення інверторів), прийомів інтерполяції функцій (аналіз електромагнітних процесів з уточненням результатів), методу накладання (розробка методики моделювання електромагнітних процесів у вхідних колах НП).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розроблено новий метод багатопараметричних модулюючих функцій, як універсальний метод системного моделювання та аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу, заснований на представленні їхніх алгоритмічних рівнянь багатопараметричними функціями, аргументами яких є системні параметри, якими є множини силових модуляторів, інверторів, стійок силових ключів та їхніх елементів, фаз мережі живлення та вихідних напруг НП, напруг управління і час.

2. Вперше з урахуванням властивостей методу багатопараметричних модулюючих функцій розроблено метод умовних рівнянь, що передбачає подання впливів на неперервні частини перетворювачів алгебраїчними виразами, отриманими з представленням електричного стану силових ключів, як функціональних елементів з еквівалентними внутрішніми опорами, у складі умовних рівнянь, записаних багатопараметричними функціями, аргументами яких є системні параметри НП та час. Електричний стан силових ключів визначається умовними співвідношеннями різного виду знакових функцій відносно їхнього нульового рівня.

3. На основі методу багатопараметричних модулюючих функцій запропоновано та обгрунтовано новий метод визначення еквівалентних опорів сталих структур НП, що в єдиному системному підході дозволяє врахувати вплив еквівалентних внутрішніх опорів ключових елементів на процеси формування вихідних напруг різновиду НП модуляційного типу. Запропоновано раніше невідому форму запису еквівалентного внутрішнього опору силових ключів будь-якої чарунки НП у вигляді багатопараметричного умовного виразу, який узагальнює закон його зміни відповідно до зміни сталих структур при роботі чарунок і подає процес припасовування розрахунків у замкненій формі.

4. Розроблено та досліджено раніше невідому узагальнену математичну модель для аналізу електромагнітних процесів у НП з багатоканальним способом перетворення параметрів електромагнітної енергії при симетричних напругах живлення.

5. Вперше запропоновано математичне забезпечення одно- і багатоканальних систем управління з повною адаптацією до математичного опису розробленого методу багатопараметричних модулюючих функцій.

6. Вперше доведено, що перетворювачі частоти з квазіоднополосною модуляцією (ПЧ з КМ) з трифазною вихідною напругою дозволяють широтно-імпульсне регулювання (ШІР) вихідних квазісинусоїдальних напруг у повному діапазоні при відсутності струму в нульовому проводі мережі живлення тільки за умови симетричного навантаження. Знайдено раніше невідомі умови управління напівпровідниковими ключами інверторів, за якими однофазні ПЧ з КМ виступають симетричним навантаженням для мережі живлення у повному діапазоні регулювання вихідної напруги, а трифазні – навіть при власному несиметричному навантаженні.

7. Розроблено нові методики аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу в несиметричних режимах роботи, з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) вихідної напруги, в перехідних режимах роботи з єдиною системною методологією їхнього дослідження у НП зі змінними та постійними вихідними напругами і з різними видами модулюючих впливів.

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

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Запропоновані багатопараметричні функції, які входять до алгоритмічних рівнянь роботи НП, як систем, відображають своїми аргументами дискретні параметрами їхньої побудови за підсистемними складовими, що узагальнює розрахункові рівняння для множин силових модуляторів, інверторів напруги, стійок силових ключів і окремих ключових елементів, при тому, що часова залежність цих функцій дозволяє віддзеркалити рух систем, їхніх підсистемних складових та елементів під дією зовнішніх впливів.

2. Запропоноване подання алгоритмічних рівнянь роботи дискретної частини НП і модулюючих функцій у багатопараметричному виді дозволило розробити методики і математичні моделі з єдиним системним підходом до аналізу електромагнітних процесів у НП зі змінними та постійними вихідними напругами.

3. Обгрунтована особливість силових модуляторів на ключах постійного струму бути повністю сумісними з перетворювачами систем електроживлення на основі ПЧ з КМ, що дозволяє у два рази зменшити кількість транзисторів порівняно з силовими модуляторами на ключах змінного струму.

4. Запропонований алгоритм асинхронного управління силовими модуляторами НП за структурами ПЧ з КМ при їхньому підключенні як до фазних, так і лінійних напруг мережі дозволяє підвищити якість знакопостійних напруг як у процесі формування, так і багатозонного регулювання.

5. Розроблено нові технічні рішення інверторів, а також алгоритми управління їхніми ключами, які дозволяють роботу НП без виникнення перенапруг на їхніх елементах та навантаженні як в усталених режимах, так і на інтервалах виключення.

Отримані теоретичні результати використані в науково-дослідних роботах кафедри теоретичної електротехніки НТУУ “КПІ”, при створенні імітатора системи електроживлення апаратури автономних об’єктів, розробленого для НВО “Волна” (м. Москва), в розробках НДІ “Квант” та НДП “УкрАртсистеми” (м. Київ), а також в навчальному процесі у Національному технічному університеті України “КПІ”. Документи, що підтверджують використання результатів роботи, наведені в додатку до дисертації.

Особистий внесок здобувача в розробку нових наукових результатів, які виносяться на захист.

Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. У друкованих працях, що опубліковані у співавторстві, особисто здобувачеві належить: [2] – загальні принципи побудови безпосередніх перетворювачів частоти, як основи багатофункціональних перетворювачів електроенергії; [10] – концепція побудови математичної моделі з багатопараметричним поданням інформації при комп’ютерному використанні результатів моделювання, моделі КСН при різних видах модулюючих впливів; [11] – методика математичного опису процесів у ПЧ з КМ на основі логічного подання алгоритму їхнього функціонування; [13 - 17] – концепція побудови принципів моделювання електромагнітних процесів у НП з постійною вихідною напругою з використанням алгоритмічних рівнянь їхнього функціонування при асинхронному управлінні силовими модуляторами (СМ) за умов одно- та багатозонного регулювання вихідної напруги; [18] – принципи відробки відхилень вихідних напруг безпосередніх перетворювачів частоти по компенсаційному та параметричному каналах систем автоматичного регулювання при розгалуженій структурі силової частини; [19] – порівняльний аналіз процесів формування випрямлених напруг структурами трифазних випрямлячів і безпосередніх перетворювачів частоти, а також принципи одно- та багатозонного регулювання випрямлених напруг за рахунок одночасного ШІР вихідних напруг інверторів; [20] – порівняльний аналіз процесів енергообміну у інверторах постійної та змінної напруг, створення схемних моделей інверторів; [21] – структури модулів СМ на основі інверторів змінної та випрямленої напруг, а також можливість побудови безпосередніх перетворювачів частоти, що реалізують принципи квазіоднополосної модуляції, на основі модулів СМ з інверторами випрямлених напруг; [22] – моделювання та теоретичне обгрунтування варіантів підключення СМ до мережі живлення; [23] – метод умовних рівнянь, методика моделювання та аналізу електромагнітних процесів у перетворювачі з багатократною модуляцією напруги ПСЕЖ у перехідних режимах роботи; [24] – методика моделювання та аналізу електромагнітних процесів у ПЧ з КМ при реалізації ШІМ еквівалентних модулюючих впливів; [25] – введення фазозсувного вузла, рахункового та D-тригера, а також конфігурацію зв’язків між ними і елементами прототипу; [26, 27] – ідея використання зворотних випрямлячів та блоку реверса при установці енергообмінних конденсаторів на силових входах інверторів змінних та випрямлених напруг, загальні структурні зв’язки у запропонованих пристроях; [28] – використання лінійних відрізків трикутної обвідної ШІМ напруги для формування бокових сторін трапецеїдального закону ШІМ вихідної напруги автономних інверторів; [30, 33] – принципи симетрування навантаження за струмом резонансних інверторів; [31] – аналітичний вираз для визначення струму активно-індуктивного навантаження дволанкового перетворювача частоти; [32] – особливості використання компенсаційно-параметричних каналів у системах авторегулювання вихідної напруги дволанкових перетворювачів частоти за швидкодією передачі інформації; [34] – принципи секціонування структур у транзисторних перетворювачах.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на міжнародних і всесоюзних конференціях, семінарах і нарадах: 3-й та 4-й всесоюзних наук.-техн. нарадах “Проблеми електромагнітної сумісності силових напівпровідникових перетворювачів” (м. Таллінн, 1986, 1990 р.р.); І-й регіональній наук.-техн. конф. “Електронне приладобудування” (м. Новосибірськ, 1986 р.); 4-й всесоюзній наук.-техн. конф. “Проблеми перетворювальної техніки” (м. Київ, 1987 р.); 2-й наук.-техн. конф. “Пристрої та системи автоматики автономних об’єктів” (м. Красноярськ, 1990 р.); міжнародній наук.-техн. конф. “ Електронна техніка та мікроелектроніка” (м. Габрово, 1991 р., НРБ); міжнародній наук.-техн. конф. “Силова електроніка і енергоефективність” (м. Алушта, 1998-2002 р.р.); міжнародній наук.-техн. конф. “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика” (м. Харків, 1998, 1999, 2002р.р.); міжнародній наук.-техн. конф. “Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2000, 2002 р.р.); міжнародній наук.-техн. конф. “Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах” (м. Шацьк, 2001 р.); міжнародній наук.-техн.) конф. “Проблеми фізичної та біомедицинської електроніки” (м. Київ, 1998, 2000 р.р.); міжнародній наук.-техн. конф. “Проблеми електроніки” (м. Київ, 2001, 2002 р.р.); семінарі “Електричні кола з вентильними елементами”, м. Київ, 2001 , 2002 р.р.); семінарі “Застосування силових напівпровідникових приладів в пристроях енергетичної електроніки” (м. Київ, 2002 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 53 наукові праці, з них 28 статей (9 – без співавторів), у тому числі 24 статті у фахових наукових виданнях, 16 тез доповідей, 3 патенти України, 6 звітів по закінчених НДР, що мають номери держреєстрації.

Обсяг та структура дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 367 сторінок, у тому числі основного тексту 311 сторінок, 111 рисунків, 7 таблиць, список літератури із 186 найменувань та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність та доцільність роботи, наведено дані про зв’язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, наведено відомості про апробацію та публікації.

У першому розділі розглянуті стан та тенденції розвитку НП модуляційного типу. В результаті проведеного огляду основних видів мережних НП модуляційного типу визначені раціональні технічні рішення, спроможні за своєї структурної організації складати центральні ланки НП електроенергії зі змінними та постійними вихідними напругами. Показана доцільність використання з цією метою технічних рішень ПЧ з КМ за схемами з підсумовуванням у загальному контурі навантаження вихідних напруг однотипних інверторів, що входять до СМ напруг мережі живлення. Аналіз запропонованої класифікації ПЧ з КМ та алгоритмів формування їхніх вихідних напруг показав, що універсальними у структурологічному плані при побудові перетворювачів як зі змінними, так і постійними вихідними напругами, які забезпечують незмінність розгалужених структур централізованих силових частин та СУ з багатоканальним способом перетворення параметрів електромагнітної енергії при максимальному використанні уніфікованих блоків та вузлів є технічні рішення, що реалізують східчасту модуляцію еквівалентних модулючих впливів (ЕМВ).

Проведений порівняльний аналіз СМ на основі інверторів постійної, змінної та випрямленої напруг дозволив обгрунтувати доцільність подальшого розвитку схемотехніки і теорії інверторів змінної та випрямленої напруг і СМ на їхній основі.

Проведено порівняльний огляд сучасного стану теорії НП модуляційного типу, який показав, що основні недоліки більшості методів аналізу електромагнітних процесів пов’язані з відсутністю формалізованого підходу при вирішенні питань їхнього дослідження, а також зі складністю, а в більшості випадків і з неможливістю подання єдиного рівняння, розв’язок якого дозволив би отримати результати моделювання за миттєвими значеннями шуканих напруг і струмів у системному вигляді в усталених та перехідних режимах роботи перетворювачів.

Обгрунтована актуальність системного підходу до вирішення задач аналізу електромагнітних процесів у НП модуляційного типу, за яким наперед окреслені межі досліджень та властивості систем, що подають їхню цілісність і можливу декомпозицію при визначеній меті та зовнішніх впливах, дозволять провести розробку основних положень і математичного забезпечення нових методів системного моделювання електромагнітних процесів у НП зі змінними та постійними вихідними напругами, а також математичного забезпечення обробки інформації одно- та багатоканальних СУ. Зазначено, що системні дослідження неминуче супроводжуються встановленням раніше невідомих зв’язків та виявленням численних аналогій. Це сприяє проведенню цілеспрямованих досліджень відносно створення нових структур інверторів напруги та алгоритмів управління ними у НП зі змінними та постійними вихідними напругами, що реалізують безпосереднє перетворення енергії мережі живлення. Пізнання загальних закономірностей системних досліджень і їхнього розвитку розкриває широкі можливості щодо розробки методик моделювання та аналізу електромагнітних процесів у різновиді НП на основі створення нових методів аналізу таких процесів з єдиною системною методологією їхнього дослідження.

У другому розділі розглянуто математичні моделі електромагнітних процесів у перетворювачах зі змінною вихідною напругою на основі розроблених в дисертації нових методів багатопараметричних модулюючих функцій та умовних рівнянь. Одна з найважливіших задач системних досліджень полягає в узагальнені отриманих результатів відносно повних множин підсистем та елементів, які утворюються за рахунок декомпозиції системи, як цілого, що має межі в зовнішньому середовищі надсистеми, яке містить ПСЕЖ, силову частину ПЧ з КМ, як систему перетворення електроенергії, СУ та навантаження. Таке узагальнення вимагає, по-перше, представлення системних параметрів у вигляді дискретних величин, що відбивають її склад за множинами підсистем та елементів, по-друге, створення математичного забезпечення, спроможного подавати шукані змінні з урахуванням системних параметрів, зовнішніх впливів та руху системи.

Системні параметри характеризують внутрішній склад структури конкретної системи. Для силової частини ПЧ з КМ позначимо їх множинами за номерами їхніх підсистем та елементів у вигляді: – множина блоків силових модуляторів (БСМ); – множина СМ; – множина інверторів; – множина силових ключів лівих стійок інверторів; – множина силових ключів правих стійок інверторів. Для визначення координат каналів зовнішніх впливів доцільним є одноіменне умовне позначення наведених множин з множинами функціонально пов’язаних з ними відповідних підсистем, які входять до складу систем зовнішнього середовища.

При розробці математичного забезпечення НП, як системи, в роботі введено поняття узагальнених багатопараметричних функцій (БФ), багатопараметричних модулюючих функцій (БМФ), найпростіших БМФ та багатопараметричних комутуючих функцій (БКФ). Аргументами таких функцій є системні параметри, які відображають множини підсистем та елементів і час, що вказує на їхній рух. При цьому БФ здатні описати часове положення вихідних напруг множин ПСЕЖ, інверторів, СМ, НП, напруг на множинах ключових елементів та вихідні напруги вузлів і елементів СУ. БМФ та найпростіші БМФ – відповідно ЕМВ з боку СУ та напруги управління всієї множини силових ключів. БКФ подають моменти комутації за струмом ключових елементів і визначають інтервали сталості внутрішніх структур НП.

З урахуванням поняття узагальнених БФ для системного моделювання електромагнітних процесів у різновиді НП модуляційного типу автором розроблено універсальний узагальнений метод, названий методом БМФ, що враховує як специфіку його використання для цілого класу НП з багатоканальним способом перетворення параметрів електромагнітної енергії, так і фізичну суть перетворення енергії та реальне системне представлення алгоритмів функціонування більшості пристроїв перетворювальної техніки, коли процеси формування вихідних напруг подаються алгоритмічними рівняннями, які відображають процеси одно- чи багатократної модуляції напруг ПСЕЖ різного роду ЕМВ. Процеси регулювання вихідних напруг та перехідні режими роботи НП моделюються за рахунок відповідного подання БМФ та напруг мережі живлення. У такому разі НП можуть бути класифіковані як системи перетворення електричної енергії, моделі яких мають властивості: кусочно-лінійності , що враховує істотну нелінійність вольт-амперних характеристик напівпровідникових приладів; неавтономності, що вказує на залежність процесів формування вихідних напруг НП від впливів з боку СУ та з боку ПСЕЖ; функціональної динамічності та нестаціонарності, що дозволяє моделювання усталених та перехідних режимів роботи НП; збалансованості відносно енергії в системі, яка споживається навантаженням і розсіюється в його контурі, а при певних припущеннях і в опорах напівпровідникових приладів, а також повертається з контуру навантаження у вхідні кола НП.

Метод БМФ передбачає наступну реалізацію:

1. Складання алгоритмічного рівняння роботи дискретної частини НП, як системи перетворення енергії, відносно вихідної напруги, яка впливає на неперервну частину, куди разом з вихідним фільтром включається навантаження. При цьому ЕМВ, як зовнішні впливи зі сторони СУ, записуються БМФ, аргументами яких є системні параметри СУ та час. Зовнішні впливи зі сторони ПСЕЖ представляються БФ, аргументами яких є системні параметри ПСЕЖ та час. Процеси модуляції подаються операціями множення зовнішніх впливів зі сторони ПСЕЖ на відповідні зовнішні впливи зі сторони СУ.

2. Визначення напруги на навантаженні, його струму, струму в елементах фільтра і вихідного контуру дискретної частини НП. Для цього запропоновано диференціальні рівняння, складені для вихідних контурів НП, вирішувати одним з відомих числових методів, наприклад, методом Рунге-Кутта на фіксованих часових інтервалах, який дозволяє оперативно змінювати початкові умови їхнього рішення, або робити вибірки рішень на бажаних часових інтервалах. У такому разі, лише за рахунок зміни початкових умов рішення диференціальних рівнянь вдається отримати результати моделювання електромагнітних процесів як в усталених, так і перехідних режимах роботи НП при єдиній формі запису отриманих впливів.

3. Визначення миттєвих значень струмів вхідних контурів множини окремих каналів НП, сумарних вхідних струмів та струмів через окремі ключові елементи. Для цього, як коефіцієнти, що пов’язують струми вихідних контурів дискретних частин НП зі струмами вхідних контурів множини окремих каналів, використовуються відповідні БМФ одиничної амплітуди, які відображають ЕМВ, подані при складанні алгоритмічних рівнянь. Визначення струмів повної множини ключових елементів пропонується проводити з урахуванням коефіцієнтів трансформації узгоджувальних трансформаторів та найпростіших БМФ і знакових функцій від струмів вхідних контурів окремих каналів НП, які можуть подаватися БКФ виду чи, або ж, де – вхідний струм будь-якого -го інвертора -го СМ, який містить інверторів, і змінюється за часом.

Зважаючи на основні ознаки системного підходу до моделювання електромагнітних процесів, можна обгрунтовано рахувати, що поведінка системи в координатах часу, який позначає її рух, як цілого, що має властивості джерела напруги, в основному залежить від зовнішніх впливів на неї, які задаються ПСЕЖ, СУ та навантаженням. У найбільш простому варіанті використання методу БМФ таке тлумачення дозволяє зробити припущення про ідеальність ключових елементів НП, про необмежену потужність ПСЕЖ, та про значно більшу потужність НП відносно навантаження. Визначення зовнішніх та внутрішніх впливів дозволяє аналізувати систему у всіх аспектах під час її руху. На цьому етапі досліджень можуть бути введені припущення, які враховують вплив на роботу системи внутрішніх опорів ключових елементів та мережі живлення і вплив зі сторони навантаження.

З найбільш простим варіантом використання методу БМФ щодо припущень розроблено математичні моделі електромагнітних процесів у керованих випрямлячах та імпульсних регуляторах змінної напруги. На прикладі дволанкових перетворювачів частоти за схемою з підсумовуванням у загальному контурі навантаження вихідних напруг будь-якої кількості однофазних мостових інверторів постійної напруги показано високу ефективність системного моделювання електромагнітних процесів за методом БМФ щодо формування вихідних напруг на навантаженні та будь-якого ІПН, струму активно-індуктивного навантаження, вхідного струму і струмів будь-якого транзистора та зворотного діода з відповідних їхніх множин як в усталених, так і перехідних режимах роботи.

Для ПЧ з КМ на основі математичної моделі з багатопараметричною формою подання процесу формування квазісинусоїдальних напруг (КСН) розроблено та досліджено узагальнену математичну модель для аналізу електромагнітних процесів у однофазних НП при симетричних напругах живлення. В ПЧ з КМ (рис. 1), що містить СМ (СМ1 - СМ3), кожен із яких має N мостових інверторів змінної напруги (ІЗН) з узгоджувальними трансформаторами, здійснюється розгалужена модуляція -х фазних напруг трифазної мережі з частотою відповідними ЕМВ трифазної системи з частотою, які подаються для будь-якого -го ІЗН БМФ виду. Вихідні напруги СМ підсумовуються в загальному контурі навантаження і складають, таким чином, КСН, відносно якої алгоритмічне рівняння ПЧ з КМ подамо як

(1)

БМФ визначається напівсумою найпростіших БМФ, які запишемо системою виду,

(2)

де – найпростіші БМФ, що збігаються за часом з імпульсами управління першим та другим (відповідно при k = 1 і k = 2), третім та четвертим відповідно (при h = 3 і h = 4) силовими ключами n-х ІЗН, причому, якщо k = 1, то h = 4, а якщо і k = 2, то h = 3; – початкове значення кута управління, зміна якого в діапазоні забезпечує ШІР вихідної напруги ПЧ з КМ.

З урахуванням (1), (2) вихідні напруги будь-якого СМ та будь-якого ІЗН подамо як

(3)

а напруги на будь-яких силових ключах лівих чи правих стійок ІЗН – відповідно

(4)

Отримані математичні моделі узагальнюють результати системних досліджень електромагнітних процесів при формуванні КСН відносно повних множин підсистем та елементів. Для прикладу на рис. 2 подано один з можливих варіантів діаграм, що відображають вихідну напругу ПЧ, напруги на виходах СМ1 і шостого ІЗН зі складу СМ2 для випадку, коли .

Рішення диференціального рівняння, складеного відносно струму навантаження для вихідного контуру ПЧ при впливі на нього напруги за виразом (2), дозволяє визначити напругу на навантаженні , струм навантаження та струм індуктивності фільтра , який протікає в контурі вторинних обмоток узгоджувальних трансформаторів ІЗН ( рис. 3).

За відомим струмом індуктивності фільтра та БМФ отримаємо струми вхідних контурів повної множини ІЗН з виразу виду

(5)

Алгебраїчна сума (5) за параметром визначає струми вхідних контурів СМ. Знакова функція виду дозволяє знайти інтервали сталості внутрішніх структур кожного з ІЗН і з урахуванням найпростіших БМФ за (2) та виразу (5) визначити струми через ключові елементи.

Для випадку, коли N = 3 та, на рис. 4 представлені діаграми струмів is1(n,1,3,t) + is2(n,1,3,t) через перші-треті та другі-четверті силові транзистори ІЗН СМ1, а також струмів вхідних контурів першого інвертора СМ1 і СМ3 i1(3,3,t) в координатах напруги u(3,t) третьої фази ПСЕЖ.

Як видно з наведених діаграм, багатопараметрична форма подання процесу формування вихідних КСН ПЧ з КМ дозволяє отримати як кінцеві результати розрахунків стосовно реакцій контурів навантаження на впливи зі сторони НП, так і провести аналіз електричних режимів будь-яких його складових частин.

Оскільки в НП модуляційного типу інформаційні впливи, що задаються СУ, в силовій частині відпрацьовуються дискретно, то найбільшого ефекту в процесі моделювання та представлення результатів досліджень можна досягти при створенні єдиного математичного забезпечення інформаційної частини СУ і силової частини, що працюють у дискретних режимах. При цьому реакції неперервних частин на дискретні впливи як інформаційних, так і енергетичних сторін можуть бути описані подібними один одному диференціальними рівняннями.

Для математичного забезпечення одно- та багатоканальних СУ розроблено математичні моделі вихідних напруг задавальних генераторів, тригерів, лічильників імпульсів, помножувачів частоти, генераторів розгортаючих напруг, та напруг управління, компараторів, розподільників імпульсів, зсувних регістрів. Функції, якими описуються вихідні напруги згаданої низки елементів та вузлів СУ, мають одиничну амплітуду і за формою представлення аналогічні БФ, котрі описують процеси в силовій частині НП. Так, для багатоканальних СУ ПЧ з КМ вихідні напруги множини каналів канальних зсувних регістрів подаються БФ виду

(6)

де та – відповідно частота та початкова фаза вихідної напруги ЗГ.

Подібно (6), вихідні напруги компараторів багатоканальної СУ можуть бути представлені, як

(7)

де, та – вихідні напруги генераторів управляючих напруг, коефіцієнт модуляції у разі ШІМ вихідної напруги НП та вихідні напруги генераторів розгортаючих напруг трикутної форми відповідно.

В розробленому математичному забезпеченні аргументами БФ є системні параметри СУ, що характеризують їхню структурну побудову за підсистемами та елементами, які функціонально пов’язані з підсистемами та елементами силової частини НП. Це дозволяє узагальнити подання зовнішніх впливів з боку СУ на силову частину при повній адаптації їхніх математичних забезпечень.

У розділі також розроблено раніше невідомий метод умовних рівнянь, що передбачає подання впливів на неперервні частини перетворювачів алгебраїчними виразами, отриманими з представленням електричного стану силових ключів, як функціональних елементів з еквівалентними внутрішніми опорами, у складі умовних рівнянь, записаних БФ, аргументами яких є системні параметри НП та час. При цьому умовні рівняння подають стан за спадом напруги на внутрішньому опорі кожного силового ключа з зазначеними умовами їхнього перемикання. Наприклад, стан кожного -го транзистора, увімкненого зустрічно-паралельно з діодом , як функціонального елемента -го середовища, що містить транзисторів, і змінюється за часом, подамо БФ виду

, (8)

де – БФ, що подає процес зміни напруги на множині транзисторів при зазначених умовах; – множина напруг управління транзисторами; – знакова функція від вхідного струму -го середовища; – струм навантаження, що протікає через -й транзистор; та – відповідно внутрішній опір транзистора та напруга живлення НП.

Стан кожного -го діода , як функціонального елемента -го середовища, що містить діодів, і змінюється за часом подамо, як

(9)

де та – відповідно БФ, що подає процес зміни напруги на множині діодів при зазначених умовах та внутрішній опір -го діода.

Якщо у виразах (8) та (9) не виконується перша зі згаданих умов, то вони припиняють існування, оскільки виникає нова структура, яка описується іншими умовними рівняннями, котрі за логічним підсумовуванням стають складовими частинами

процесу формування вихідної напруги НП. Крім того, струм навантаження та вхідний струм -го середовища визначаються з попереднього моделювання електромагнітних процесів у НП, як в такому, що має властивості джерела напруги, методом БМФ за умови ідеалізації ключових елементів.

За методом умовних рівнянь розроблена математична модель процесу формування КСН на виході дволанкового перетворювача частоти (ДПЧ) за схемою з підсумовуванням у загальному контурі навантаження вихідних напруг будь-якої кількості однофазних мостових інверторів постійної напруги (ІПН).

Результати моделювання процесу формування КСН на виході ДПЧ (рис. 5), що забезпечує вихідну потужність 6 кВА при cos ?н = 0,6, діючому значенні напруги на навантаженні Uн = 220 В, частотою fн = 1000 Гц, дозволяють аналізувати характер впливу внутрішніх опорів ключових елементів на вихідні напруги як окремих ІПН (на діаграмах представлені вихідні напруги першого і шостого ІПН, при тому, що тонкими лініями показані відповідні вихідні напруги, визначені за методом БМФ), так і ДПЧ в цілому.

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню нових технічних рішень мостових інверторів змінної (рис. 6) та випрямленої (рис.7) напруг, як основи СМ напруг живлення, у яких забезпечується робота ключових елементів і навантаження без перенапруг як в усталених режимах, так і на інтервалах їхнього вимикання за рахунок введення в силові структури, що мають основні ключі 1 … 4, додаткових контурів у вигляді зворотних випрямлячів, напрямок підключення яких до мережі змінюється синхронно з напівперіодами її напруги за допомогою додаткових транзисторних ключів 5 … 8, які утворюють блок реверсу. При цьому енергообмінні конденсатори C0, які в ІПН при живленні їх від мережі змінного струму традиційно установлюються на виходах випрямлячів, у запропонованих технічних рішеннях підключені паралельно до силових входів інверторів. У