НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Михальський Валерій Михайлович

УДК 621.314.26:621.382

МАТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ДЛЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДА

(керування, комутація струму)

Спеціальність 05.09.12 напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі перетворення та стабілізації електромагнітних

процесів Інституту електродинаміки НАН України, м. Київ.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Чехет Едуард Михайлович,

Інститут електродинаміки НАН України,

завідувач відділу перетворення та стабілізації електромагнітних процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Жемеров Георгій Георгійович,

Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри промислової та біомедичної електроніки;

кандидат технічних наук, с.н.с.

Губаревич Володимир Миколайович,

Інститут електродинаміки НАН України,

старший науковий співробітник

відділу систем стабілізованого струму.

Провідна установа Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти i науки України, кафедра промислової електроніки.

Захист відбудеться “12” березня 2003р. об 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, Київ–57, проспект Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

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

Автореферат розісланий “10” лютого 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С. Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. У промислово розвинених країнах більше половини електроенергії, що виробляється, споживається електроприводом різного призначення, тому підвищення техніко-економічних показників систем електроприводів є значним внеском у вирішенні найважливіших народногосподарських задач енерго- і ресурсозбереження. Вирішення цих задач у значній мірі залежить від перетворювачів частоти (ПЧ), як складової частини системи електропривода змінного струму. Основні вимоги до ПЧ у складі електропривода: висока точність формування заданої вихідної напруги (струму); забезпечення двонаправленого потоку енергії (від мережі до навантаження і навпаки); електромагнітна сумісність; регульований вхідний коефіцієнт потужності. Серед ПЧ, що найбільше відповідають наведеним вимогам, можна виділити новий клас перетворювачів ? матричні перетворювачі (МП), які інтенсивно досліджуються в останні роки. Застосування МП забезпечує істотне зниження втрат енергії за рахунок рекуперації, а також поліпшення динамічних показників електроприводів.

Незважаючи на велику кількість досліджень МП, ключові проблеми створення практичних методів керування, які забезпечували б задану якість вхідних і вихідних характеристик МП, і принципів безпечної комутації струму ключами двосторонньої провідності не отримали задовільних рішень (під безпечною комутацією мається на увазі комутація без коротких замикань через ключі МП і розривів струму RL-навантаження).

Нерозв'язаність цих проблем перешкоджає створенню і широкому впровадженню ефективних електроприводів з використанням МП.

Актуальність теми. В даний час методи керування МП реалізуються на основі скалярних або векторних принципів в залежності від вимог, що стоять перед електроприводом в цілому, вимог до якості вхідної і вихідної енергії перетворювача, обмежень по частоті комутації, обчислювальних можливостях системи керування тощо. Схемні рішення з використанням скалярних методів керування не забезпечують постійної якості вихідного струму (напруги) МП у всьому діапазоні регулювання вихідної частоти.

Відомий з публікацій алгоритм керування, розроблений М. Вентуріні, забезпечує високу якість вхідної і вихідної енергії МП, однак реалізація його дуже ускладнена навіть при використанні найсучасніших засобів керування, що накладає обмеження на вибір несучої частоти модуляції. Крім цього, такий алгоритм вимагає збільшення кількості комутацій ключів (у перерахунку на період несучої частоти модуляції), що значно збільшує динамічні втрати в силовій схемі перетворювача.

Запропонована в ряді робіт реалізація векторної широтно-імпульсної модуляції (ВШІМ) також не враховує необхідність мінімізації кількості перемикань ключів двосторонньої провідності при заданій якості вхідного і вихідного струмів, при цьому вона передбачає занадто складний підхід до урахування несиметрії напруг мережі живлення, а також розглядається у відриві від інших найважливіших аспектів функціонування МП, наприклад, організації безпечних комутацій змінного струму.

Більшість учених, що займаються дослідженням і розробкою МП, виділяють задачу безпечної комутації змінного струму як основну для реалізації даного виду перетворювальних пристроїв. Підходи і способи, засновані на визначенні напрямку струму навантаження або співвідношення миттєвих значень напруг мережі, прикладених до ключів, що комутуються, вирішують задачу не повною мірою, особливо в умовах спотворень кривих вхідних напруг і струмів навантаження МП.

Тому дослідження, спрямовані на створення високоефективних методів керування МП і нових принципів комутації змінного струму в них, є актуальними і вирішують важливу науково-прикладну задачу силової перетворювальної техніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота з теми дисертації проводилася в Інституті електродинаміки відповідно до планів НДР НАН України за темами: "Розвинути принципи побудови перетворювачів частоти з новими алгоритмами керування і розробити на їхній основі електроприводи широкого функціонального призначення" (шифр 1.7.3.69, "Динаміка ? 1", затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 3.12.1990р., протокол № 8, № ДР 01910011455); "Дослідити і розробити принципи побудови перетворювачів частоти з регульованим коефіцієнтом потужності і створити на цій основі перетворювачі з електромагнітною сумісністю і підвищеними енергетичними показниками" (шифр 1.7.3.124, "Динаміка ? 2", затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 27.12.1994р., протокол № 9, № ДР 0195U011046); "Дослідити і розробити перетворювачі частоти з векторним керуванням на базі цифрових сигнальних процесорів" (шифр 1.7.3.180, "Сигнал", затверджена постановою Бюро ВФТПЕ НАН України від 23.03.2000р., протокол № 3); планами пошукових і прикладних НДР, затверджених рішеннями Вченої ради ІЕД НАН України, у яких здобувач був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток теорії керування матричними перетворювачами для електропривода і створення нових принципів комутації змінного струму, що базуються на поєднанні ВШІМ і покрокової комутації ключів двохсторонньої провідності.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі основні задачі:

? порівняльний аналіз якості вихідної напруги при використанні для керування МП скалярних алгоритмів з однократною (ОМ) і двохкратною модуляцією (ДМ), визначення діапазонів регулювання вихідної частоти МП, у яких доцільне використання кожного з цих алгоритмів;

? аналіз електромагнітних процесів при комбінуванні алгоритмів керування, визначення умов мінімізації перехідних струмів і розробка способів керування, що забезпечують демпфірування перехідних процесів, обумовлених зміною форми вихідної напруги МП при зміні алгоритмів керування;

? теоретичне обґрунтування і розробка способу компенсації пульсацій напруги в ланці неявного випрямлення МП з ДМ для усунення субгармонік у вихідній напрузі;

? визначення відносного часу використання стаціонарних векторів для компенсації пульсацій напруги в ланці неявного випрямлення при керуванні МП за "інверторним" алгоритмом з ВШІМ;

? мінімізація кількості комутацій ключів при заданій якості вихідного і вхідного струмів і використанні ВШІМ;

? аналітичне визначення коефіцієнтів, що коригують модуляційні функції для одержання заданої якості вихідної напруги при несиметрії напруг мережі живлення, порівняння можливих варіантів формування вхідного струму МП в умовах несиметричного живлення;

? розробка нових принципів комутації струму ключами двохсторонньої провідності в умовах значних спотворень струму навантаження і напруг мережі живлення без додаткових втрат;

? дослідження можливостей мінімізації часу, що відводиться на перемикання ключів;

? розробка і дослідження практичних схем МП з використанням нових підходів до керування і комутації струму.

Об'єктом дослідження є процес перетворення частоти і напруги з використанням статичних напівпровідникових перетворювачів з матричною топологією на повністю керованих ключах двохсторонньої провідності.

Предметом дослідження є методи керування матричними перетворювачами і принципи комутації змінного струму в них.

Методи дослідження. При виконанні поставлених у дисертації задач використовувалися: метод комутаційних функцій у матричному вигляді; метод безперервного перетворення Лапласа; метод просторових векторів; теорія електричних кіл; математичне і фізичне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено методи керування і принципи безпечної комутації струму з поєднанням особливостей алгоритму ВШІМ і покрокових перемикань ключів двохсторонньої провідності МП, що не потребують інформації про напрямок струму навантаження та про співвідношення миттєвих значень напруг мережі живлення і дозволяють здійснювати комутацію без додаткових перемикань при істотних спотвореннях кривих вхідних напруг і струму навантаження;

- отримано раніше невідомі аналітичні вирази для визначення коригуючих коефіцієнтів, що компенсують вплив несиметрії напруг мережі на процес формування вихідної напруги і вхідного струму МП;

- запропоновано нові принципи формування вхідного струму МП з мінімальними спотвореннями в умовах несиметрії напруг мережі живлення;

- визначено раніше невідомі умови мінімізації кількості комутацій ключів МП з ВШІМ (при заданій якості вихідного і вхідного струмів) та показано, що мінімально можлива кількість комутацій ключів визначається, в першу чергу, несучою частотою модуляції і мало залежить від вихідної і вхідної частоти перетворювача;

- вперше встановлено, що одночасне врахування напрямку струму навантаження і полярності напруги, прикладеної до ключів, що комутуються, незалежно від чутливості відповідних давачів, дозволяє мінімізувати час, що відводиться на перемикання ключів у МП, до значень, близьких до аналогічних показників в інверторах напруги;

- показано, що при використанні скалярних алгоритмів керування кращий гармонічний склад вихідної напруги в нижній частині діапазону регулювання частоти забезпечує алгоритм керування з однократною модуляцією, а у верхній частині - алгоритм з двохкратною модуляцією, сформульовані умови переходів від одного алгоритму до іншого, які дозволяють виключити неприпустимі викиди струму в навантаженні;

- розроблено новий метод компенсації субгармонік, що виникають у вихідній напрузі МП з двохкратною модуляцією при частотах, більших потроєної частоти мережі живлення.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені методи керування і принципи безпечної комутації струму знайшли практичне використання в експериментальних зразках МП потужністю 6 кВА і 40 кВА, розроблених в рамках контракту № 1390 "Нові напівпровідникові перетворювачі для автономних систем живлення стаціонарних і рухомих об'єктів" між Інститутом електродинаміки НАН України й Українським науково-технологічним центром (1999-2002 р.р.).

Крім цього, скалярні методи керування знайшли практичне використання на таких підприємствах:

? на підприємстві п/с В-8721 (м. Ленінград) при розробці електроприводів турбомолекулярних насосів ТМН-100 і ТМН-2500;

? на підприємстві п/с Г-4932 (м. Луганськ) при розробці електроприводів агрегатів для обробки матеріалів електронної техніки (різання, шліфування, зняття фасок);

? на підприємстві п/с А-7992 (м. Запоріжжя) при розробці електроприводів загальнопромислового призначення.

Документи, що підтверджують впровадження, наведені в додатку.

Особистий внесок автора. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто. У друкованих працях, які опубліковані в співавторстві, здобувачу належать: [2] ? розробка транзисторних ключів двохсторонньої провідності; [3] ? отримання аналітичних виразів для визначення коефіцієнтів, які коригують модуляційні функції в умовах несиметрії мережі живлення, розробка рекомендацій з вибору методу формування вхідного струму; [4] ? обґрунтування необхідності перерозподілу тривалостей стаціонарних станів МП; [5] ? структурна організація системи гарантованого електроживлення; [6] ? розробка черговості формування стаціонарних векторів на циклах ВШІМ; [7, 24] ? розробка способів переходу від одного скалярного алгоритму керування до іншого; [8, 10, 11] ? розробка принципів безпечної комутації змінного струму в умовах спотворень кривих напруги живлення; [9, 12, 25] ? побудова алгоритму ВШІМ з урахуванням забезпечення умов для безпечної комутації ключів змінного струму; [13] ? розробка пристрою коригування уставки струму; [14, 15, 16] ? розробка і експериментальна перевірка схем керування МП; [17, 19] ? визначення меж піддіапазонів вихідної частоти МП для раціонального використання чергування алгоритмів керування; [18] ? розробка структурної схеми пристрою для керування МП; [20, 22] ? ідея використання підсилювача з регульованим коефіцієнтом передачі; [21] ? структура системи керування МП у складі електропривода; [23] ? об’єднання математичних моделей ланок неявного випрямлення і інвертування в загальну структуру.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на всесоюзних конференціях "Проблемы преобразовательной техники" (Київ, 1983, 1987, 1991 р.р.); 7-й Всесоюзній науково-технічній конференції "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями" (Свердловськ, 1985 р.); на міжнародних конференціях "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (Харків, 2000, 2001, 2002 р.р.); "Проблеми сучасної електротехніки" (Київ, 2000, 2002р.р.); "Силова електроніка і енергоефективність" (Алушта, 2002р.); Conference of Electrіcal drіvers and Power Electronіcs, (Kosіce, Slovak Republіc, 1990); 5-th Іnternatіonal conference of Uncoventіonal Electromechanіcal and Electrіcal Systems 2001 (Szczecіn, Poland, 2001).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображений в 37 публікаціях, з них 12 статей у фахових наукових виданнях, 16 авторських свідоцтв СРСР, один препринт та 8 тез доповідей на конференціях.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг роботи складає 246 сторінок, у тому числі 165 сторінок основного тексту, 108 рисунків, 12 таблиць, список використаних джерел з 143 найменувань та один додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладені наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, наведені дані про їх апробацію, публікацію і впровадження.

У першому розділі розглянуто сучасний стан розробок методів керування МП, способів комутації змінного струму в них і тенденції їх розвитку. Показано переваги МП у порівнянні з іншими типами перетворювачів частоти. Визначено області раціонального застосування систем електропривода змінного струму з використанням МП.

Розглянуто критерії систематизації способів керування МП. Підкреслено, що при систематизації способів керування за кратністю модуляції існує повна відповідність між однократною модуляцією і використанням поряд з трьома нульовими станами дев'яти ключів МП, у яких всі фази навантаження приєднуються до однієї з фаз мережі живлення, шести станів ключів, у яких кожна фаза навантаження підключається до однієї з фаз мережі живлення в різних їхніх сполученнях, і до навантаження, таким чином, по черзі прикладається три сполучення прямої послідовності чергування фаз мережі і три – зворотної.

Двохкратна модуляція відповідає використанню, крім трьох уже згаданих нульових станів ключів, 18 станів, кожен з яких забезпечує приєднання двох вхідних фаз (однієї з трьох лінійних напруг мережі живлення) до фаз навантаження, що підключаються до цієї лінійної напруги в шести можливих варіантах. Згадані 18 станів ключів відповідають також ненульовим векторам вихідної напруги і вхідного струму при використанні ВШІМ і позначаються в роботі так: ±1? ±9.

Показано, що найбільш перспективними в сучасних розробках є оптимізований алгоритм керування Вентуріні і ВШІМ, тому що вони задовольняють усім вимогам, що висуваються до МП у складі електропривода. У зв'язку з цим розглянуто базовий і оптимізований алгоритми Вентуріні, механізм збільшення коефіцієнта передачі за напругою від 0,5 до шляхом додавання у модуляційні функції третіх гармонік вхідної і вихідної частот МП, а також механізм регулювання фазового зсуву між вхідними струмами і відповідними вхідними фазними напругами перетворювача. Показано недоліки алгоритму Вентуріні: складність реалізації і велика кількість комутацій ключів за цикл модуляції.

Розглянуто "непрямий" і "прямий" векторні алгоритми керування МП, підкреслено їх переваги в порівнянні з алгоритмом Вентуріні.

Розглянуто стан розробки способів безпечної комутації струму ключами двохсторонньої провідності, що складаються з окремо керованих і проводячих у протилежних напрямках половин (чотирьохквадрантними ключами). Приведено порівняльні характеристики, переваги і недоліки способів, заснованих на інформації про напрямок струму навантаження і способів, що використовують інформацію про співвідношення миттєвих значень напруг мережі живлення. Показано, що використання згаданих способів комутації змінного струму в умовах навіть незначних спотворень кривих струмів навантаження і напруг, прикладених до ключів, що перемикаються, ускладнено, а при істотних спотвореннях взагалі неможливе.

В другому розділі розглянуто результати розробки скалярних способів керування МП, що застосовуються при неможливості використання складних законів керування.

Проведено порівняльний аналіз якості вихідної напруги (струму) нульової (девятиключової) схеми МП (рис. 1) при керуванні за алгоритмами з ОМ і ДМ та багатократним широтно-імпульсним регулюванням (ШІР), що дозволяє у всьому діапазоні регулювання підтримувати співвідношення між амплітудами основної гармоніки і вищих гармонік на тому ж рівні, що і при максимальній вихідній напрузі. Вирази для коефіцієнтів гармонік вихідної напруги Uвих і струму МП з ОМ можна записати так:

(1)

де: k – кратність ШІР, - кут регулювання Uвих, b=1 для однотактної схеми і b=2 для двохтактної схеми МП, q=0, ±1, ±2…±8,,U0–амплітуда основної гармоніки Uвих, Uг – амплітуда гармоніки з номером г у вихідній напрузі, Z0 – повний опір навантаження для основної гармоніки Uвих, Zг – повний опір навантаження для г-ої гармоніки Uвих, Щ – кругова частота керування, 1 – кругова частота мережі живлення, I0 і Iг ? амплітуда основної і г-ої гармонік вихідного струму, Rн і Lн ? активний опір і індуктивність навантаження.

Оскільки МП з ДМ можна представити у вигляді послідовно з'єднаних випрямляча й інвертора, то вихідну напругу можна записати у вигляді подвійного ряду Фур'є в комплексній формі:

(2)

де s=0, ±1, ±2…±? і стосується напруги після ланки неявного випрямлення, q=0, ±1, ±2…±? і стосується напруги на виході інвертора, 2 – вихідна кругова частота МП. Амплітуда напруги мережі живлення прийнята за одиницю.

Вирази для амплітуди гармонічної складової з номером sq у спектрі вихідної напруги у відносних одиницях і коефіцієнта гармонік вихідного струму мають вигляд:

(3)

де Zsq - повний опір навантаження для гармонічної складової напруги з частотою .

Порівняння КГІ для алгоритмів з ОМ і ДМ показало, що в нижній частині частотного діапазону кращий гармонічний склад струму забезпечує алгоритм з ОМ, а при більш високій вихідній частоті - алгоритм з ДМ, причому межа між піддіапазонами регулювання f2, у яких доцільне застосування того чи іншого алгоритму, залежить від cos навантаження.

Ця властивість алгоритмів керування дозволяє застосовувати комбіновані способи керування МП, чергуючи алгоритми ОМ з ДМ (рис. 2). Перехідні струми асинхронного двигуна (АД) при зміні алгоритмів керування можуть бути визначені за допомогою перетворення Лапласа і метода окремих складових:

(4)

де ? просторовий вектор струму в навантаженні МП, причому, якщо це струм статора АД, то треба вважати , а якщо це струм ротора, то R=0, ; ? індуктивність статора, ротора і взаємоіндуктивність відповідно; ? коефіцієнт розсіювання; ? активні опори статора і ротора (приведені); - характеристичні корені рівняння стану АД; ? характеристичні корені в системі координат, що обертається з кутовою частотою ; ? кутова частота обертання ротора; ? оператор повороту для розглянутого інтервалу безперервності і прийнятого алгоритму керування, у даному випадку при однополярному ШІР на тимчасових інтервалах, на яких діють імпульси напруги, і під час пауз; ? просторовий вектор напруги для заданого алгоритму роботи МП; ? коефіцієнти, що визначаються зображенням вихідної напруги МП для будь-якого інтервалу безперервності.

Вирази для вихідних напруг МП з ОМ і ДМ, відповідно, запишуться так:

де , m=0, 1,…? порядковий номер інтервалів тривалістю , s=0, 1,... (N?1) ? порядковий номер інтервалів тривалістю усередині m-інтервалів.

Визначимо струм, що протікає в АД при вимиканні живлення, закорочуванні його статорних обмоток і виконанні умови =const.

Розв’язавши однорідне диференціальне рівняння:

(5)

де

знайдемо:

(6)

де a11, a12, a21, a22 – коефіцієнти матриці А.

Струм, який потрібно знайти, одержуємо додаванням струму при нульових початкових умовах зі струмом за виразом (6). Результати розрахунків для АД з відомими параметрами, частоти f2=25 Гц і закону регулювання U/f=const показані на рис. 2 б і рис. 3. Рис. 2 б ілюструє випадок, коли при зміні алгоритмів зберігається фазовий кут і амплітуда основної гармоніки Uвих (викид струму відсутній), рис. 3 – випадок, коли фазовий кут не витримується (є викид струму).

Визначено умови появи субгармонічних складових (при 2>31) і сталих складових (на частотах 2, кратних 61) у спектрі вихідної напруги МП з ДМ. Описано розроблений спосіб усунення субгармонік у складі Uвих шляхом компенсації пульсацій напруги в ланці неявного випрямлення.

У третьому розділі проведено дослідження ВШІМ у МП. Основна увага приділялася порядку чергування стаціонарних складових просторових векторів і з метою мінімізації числа перемикань ключів на циклі модуляції і створення передумов для організації безпечної комутації змінного струму без збільшення згаданого числа перемикань ключів при заданій якості вихідного і вхідного струмів МП. На рис. 4 показані криві напруг симетричної трифазної мережі живлення. Період напруги на рис. 4 розбитий на шість інтервалів, межами яких є моменти зміни полярності фазних напруг. На рис. 5 а,б показані діаграми формування просторових векторів і , відповідно, за допомогою 18 ненульових стаціонарних векторів (U±1ч U±9 і I±1ч I±9) кожний.

Стаціонарні вектори напруги і струму на рис. 5 відповідають 18 станам ±1? ±9 ключів МП. Просторові вектори вихідної лінійної напруги і вхідного струму МП записуються так:

(7)

де і ? амплітудні значення вихідної лінійної напруги і вхідного струму, 2t і 1t - кути, утворені векторами , і дійсною віссю комплексної площини.

Формування годографа , близького до кола, забезпечується використанням чотирьох ненульових стаціонарних векторів (з двох лінійних напруг мережі живлення) на кожному циклі ВШІМ (див. рис. 6). Формування вектора і його складових ,, показано на рис. 6 а; а одночасне (для тих же відносних тривалостей використання стаціонарних векторів на циклі модуляції ) формування вектора і його складових ; ; - показано на рис. 6 б. При цьому для кожного циклу ВШІМ . Відносні тривалості визначаються так:

(8)

де g – коефіцієнт передачі напруги в МП.

Проаналізовано всі можливі варіанти чергування стаціонарних векторів на циклі ВШІМ з метою визначення мінімально можливої кількості комутацій струму в МП при забезпеченні заданої якості вихідного і вхідного струмів. З урахуванням переміщень вектора (рис. 6 а) і вектора (рис. 6 б) із сектора в сектор можна записати вирази для мінімально можливої кількості комутацій у МП із ВШІМ:

(9)

де , і ? вхідна, вихідна частоти МП і несуча частота ВШІМ відповідно (Гц), t ? час (сек.).

Проаналізовано роботу МП з ВШІМ в умовах несиметрії напруг мережі живлення. Проведено порівняння різних підходів до формування вхідного струму МП в цих умовах. Відмінності згаданих підходів зводяться до вибору системи фазних вхідних напруг, до якої прив'язується по фазі просторовий вектор при живленні МП від несиметричної трьохпровідної мережі без нульового проводу (рис. 7).

Розглянуто два варіанти розташування центру векторної діаграми: із забезпеченням 120-градусного фазового зсуву між векторами напруг на фазах умовного навантаження ? точка 0' на рис. 7 (варіант 1), і з розташуванням нуля діаграми в центрі ваги трикутника лінійних напруг ? точка 0 на рис. 7 (варіант 2).

При відстеженні миттєвих значень напруг несиметричної трифазної системи проводиться перерахунок цих значень в амплітудні значення, після чого знаходяться відносні відхилення цих значень від амплітудних значень симетричної синусоїдальної трифазної системи: .

Коефіцієнти для коригування відносних тривалостей при забезпеченні неспотвореного годографа за першим варіантом для шести інтервалів періоду напруг мережі живлення (рис. 4) визначаються так:

(10)

де ? величини відхилень кутів (рис. 7) від їхніх значень при симетричній мережі живлення.

Ті ж коефіцієнти при коригуванні за другим варіантом:

(11)

де - поточні кути на інтервалах , , відповідно.

Моделювання процесів компенсації несиметрії напруг мережі живлення при формуванні показало, що коригування модуляційних функцій за першим варіантом дозволяє одержати менші коефіцієнти гармонік вхідного струму, причому однакові у всіх вхідних фазах, ніж коригування за другим варіантом.

Четвертий розділ присвячений розробці нових методів комутації змінного струму повністю керованими ключами двосторонньої провідності МП.

Описано розроблений спосіб комутації струму, при використанні якого перемикання ключів здійснюються з використанням інформації про напрямок струму навантаження, а при зміні цього напрямку використовується інформація про співвідношення напруг мережі. Показано, що цей комбінований спосіб не забезпечує надійної комутації через наявність зон нечутливості давачів струму і напруги.

При використанні ВШІМ у МП була запропонована організація такого чергування стаціонарних векторів на циклі модуляції, яке забезпечує виключення комутацій струму між ключами, для яких існує невизначеність у співвідношенні полярностей прикладених до них напруг, що визначають порядок покрокового перемикання “за напругою”. Покрокове перемикання “за напругою” полягає в тому, що при необхідності перевести струм з першого ключа в другий спочатку вмикається половина другого ключа, яка не створює шляху для протікання струму короткого замикання для поточного співвідношення прикладених до ключів напруг (поточного 60-градусного інтервалу періоду напруг мережі живлення, рис. 4), після чого вимикається однонаправлена з тільки що ввімкнутою половина першого ключа, потім вмикається інша половина другого ключа, і на останньому етапі вимикається половина першого ключа, що залишалася ввімкнутою. На рис. 8 а показана векторна діаграма формування з лінійної напруги UAB для інтервалу 100 на рис. 4 (стаціонарні вектори ±1, ±4, ±7) і напруги UAC (стаціонарні вектори ±3, ±6, ±9) при переміщенні із сектора в сектор.

Якщо на кожному циклі ВШІМ нульовий стаціонарний вектор розташовувати в середині циклу і формувати його, підключаючи всі три фази навантаження до вхідної фази, напруга якої максимальна за модулем на поточному інтервалі періоду напруги мережі, а два перших і два останніх на циклі модуляції стаціонарних вектори формувати з двох різних вхідних лінійних напруг, то всі комутації будуть відбуватися при повній визначеності відносно полярності прикладених до ключів, що перемикаються, лінійних напруг (навіть в умовах значних спотворень кривих напруг мережі). Для сектора на діаграмі рис. 8 а цей порядок чергування (з використанням прямих і реверсивних циклів) буде таким:

На діаграмі рис. 8 для спрощення показано тільки прямі цикли ВШІМ Порядок використання стаціонарних векторів за повний період при формуванні одного прямого циклу на сектор буде таким (рис. 8 а):

На рис. 8 б показано той же порядок чергування для інтервалу 110 періоду напруги мережі. З порівняння діаграм на рис. 8 а і б можна зробити висновок, що для збереження мінімальної кількості перемикань ключів крайніми в циклах ВШІМ потрібно розташовувати стаціонарні вектори, утворені приєднанням однієї фази навантаження до фази мережі, що використовується на поточному інтервалі періоду для формування нульового вектора. Порядок чергування стаціонарних векторів, що забезпечує безпечну комутацію ключів, цілком співпадає з порядком чергування, незалежно визначеним в третьому розділі як порядок, при якому досягається мінімальна кількість перемикань.

Досліджено особливості комутації струму ключами МП при зміні полярності прикладеної до них напруги і напрямку струму навантаження. Показано, що фактичне переведення струму з ключа в ключ відбувається на різних етапах (інтервалах між кроками) процесу покрокової комутації в залежності від сполучення згаданих полярності напруги і напрямку струму. Проведено систематизацію видів комутації в залежності від цих сполучень, що дозволило розробити алгоритм мінімізованої за тривалістю комутації струму і, тим самим, зменшити час, що відводиться на таку комутацію до значень, близьких до аналогічних показників в інверторах напруги. На рис. 9 показано фрагмент діаграми цього алгоритму, що відповідає переведенню струму з ключа KAa в ключ KBa (рис. 1) при різних співвідношеннях напруг і та різних напрямках струму Iн(Ia). Позначення 1, 2, 3 відповідають тривалості інтервалів між кроками комутації, позначення “1” відповідає ввімкнутому стану половини ключа, а “0” ? вимкнутому стану.

Показано, що формальне зменшення кількості кроків комутації струму з чотирьох до трьох чи двох несуттєве тому, що істотним фактором є не кількість кроків комутації, а фактична тривалість переведення струму з ключа в ключ.

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень методів керування і принципів комутації струму в МП. Наведено приклади практичної реалізації МП із використанням алгоритмів керування з ОМ і ДМ в електроприводах високооборотних турбомолекулярних насосів, устаткування для різання і шліфування матеріалів електронної техніки тощо. Були виготовлені та досліджені експериментальні зразки МП потужністю 6 кВА і 40 кВА з ВШІМ і використанням розроблених принципів комутації струму. Спрощену силову схему таких МП приведено на рис. 10. На схемі показано трифазний вхідний фільтр, вхідний і вихідний захисні мости, можливе підключення високовольтних варисторів. На рис. 11 показані осцилограми вихідних напруги і струму, вхідних фазної напруги і струму МП потужністю 40 кВА, навантаженого на пару: асинхронний двигун ? генератор постійного струму з незалежним збудженням і активним навантаженням, в зв'язку з чим навантаження МП збільшувалося пропорційно його вихідній частоті. Силова частина МП виготовлена на 18-и IGBT транзисторах типу CM200HA-24H (Mitsubishi Electric). Вхідний фільтр кожної фази містить дросель індуктивністю 0,2 мГн і конденсатори сумарною ємністю 34 мкФ. Дослідження експериментальних зразків МП потужністю 6 кВА і 40 кВА цілком підтвердили ефективність нової стратегії комутації струму в умовах, у яких відомі методи комутації не можуть бути застосовані. Векторна ШІМ, в алгоритм якої складовою частиною органічно входить нова стратегія комутації, не потребуючи додаткових перемикань ключів, забезпечує високу якість вихідного і вхідного струмів МП.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримали подальший розвиток теорія керування матричними перетворювачами для електропривода, заснована на векторній широтно-імпульсній модуляції, і принципи безпечної комутації змінного струму, що базуються на поєднанні згаданої модуляції і покрокової комутації ключів двохсторонньої провідності (при мінімально можливій кількості їхніх перемикань), що в сукупності з розробленими методами компенсації впливу несиметрії напруг мережі на формування вихідної напруги і вхідного струму і комбінуванням скалярних способів керування в процесі регулювання вихідної частоти забезпечує вирішення важливої наукової задачі створення високоефективних методів керування і комутації струму в МП для електропривода.

1. Аналіз існуючих методів керування і принципів комутації струму в МП показав необхідність пошуку нових підходів, заснованих на об'єднанні методів формування вихідної напруги і вхідного струму з принципами безпечної комутації ключів двохсторонньої провідності, а також розробки комбінованих алгоритмів керування, тому що відсутні рішення, що забезпечують надійну комутацію змінного струму, особливо в умовах спотворень вхідних напруг і вихідних струмів МП, а також рекомендації з раціонального застосування різних скалярних алгоритмів керування при регулюванні вихідної частоти.

2. Проведено порівняльний аналіз якості вихідної напруги (струму) МП при керуванні за скалярними алгоритмами з ОМ і ДМ. За результатами аналізу визначено межі піддіапазонів вихідної частоти, у яких доцільне використання згаданих способів керування. Розроблено способи переходу від одного скалярного алгоритму керування до іншого, а також переходу в режим прямого підключення двигуна до мережі і повернення до режиму перетворення частоти. Це дозволило уникнути викидів струму статора за рахунок збереження фази й амплітуди основної гармоніки вихідної напруги при зазначених переходах.

3. Розроблено спосіб усунення субгармонік у вихідній напрузі і струмі МП з ДМ, що дозволяє застосовувати цей алгоритм модуляції на вихідних частотах перетворювача, більших, ніж потроєна частота мережі живлення.

4. Отримано аналітичні вирази, що визначають відносний час використання ненульових стаціонарних векторів на циклі ВШІМ для компенсації пульсацій напруги в ланці неявного випрямлення при "інверторному" алгоритмі керування, що дозволяє поліпшити форму вихідного струму МП.

5. Отримано аналітичний вираз для визначення середньої кількості комутацій за одиницю часу в залежності від частоти ВШІМ, вхідної і вихідної частот МП. Це дозволяє виконати порівняльний аналіз методів комутації струму в МП і мінімізувати кількість перемикань ключів при збереженні заданої якості вихідного і вхідного струмів. Показано, що мінімально можлива кількість комутацій струму на циклі ВШІМ (з урахуванням переходу від циклу до циклу) дорівнює чотирьом.

6. Визначено коефіцієнти, що коригують модуляційні функції в МП з метою одержання неспотвореного годографа середніх значень вихідної напруги в умовах несиметрії напруг мережі живлення. Сформульовано й обґрунтовано принципи формування вхідного струму МП в умовах зазначеної несиметрії, що дозволяє поліпшити форму цього струму.

7. Розроблено принципи комутації струму, засновані на поєднанні особливостей алгоритму ВШІМ і покрокових перемикань ключів двохсторонньої провідності, які не вимагають контролю за напрямком струму навантаження і співвідношенням миттєвих значень напруг мережі живлення, що дозволило здійснювати безпечну комутацію без збільшення кількості перемикань ключів (при збереженні заданої якості вихідного і вхідного струмів). Розроблені принципи забезпечують функціонування МП в умовах значних спотворень напруг мережі живлення і вихідних струмів.

8. Проаналізовано електромагнітні процеси в МП при одночасному використанні двох способів комутації, заснованих на визначенні напрямку струму навантаження і полярності напруги, прикладеної до ключів, що перемикаються. Це дозволило визначити шляхи зменшення часу, що відводиться на комутацію цих ключів.

9. Результати роботи використані при розробці і впровадженні МП в електроприводах турбомолекулярних насосів на підприємстві п/с В?8721 (м. Ленінград), електроприводах агрегатів для обробки матеріалів електронної техніки (різання, шліфування) на підприємстві п/с Г?4932 (м. Луганськ), загальнопромислових електроприводах на підприємстві п/с А?7992 (м. Запоріжжя), що підтверджується відповідними документами. Результати розробки і досліджень ВШІМ у поєднанні з новими принципами комутації змінного струму в МП покладені в основу виконання контракту № 1390 "Нові напівпровідникові перетворювачі для автономних систем живлення стаціонарних і рухомих об'єктів" між Інститутом електродинаміки НАНУ і Українським науково-технологічним центром у період 1999-2002 р.р.

10. Обґрунтованість і вірогідність наведених у роботі положень і рекомендацій підтверджена близькістю результатів теоретичних і експериментальних досліджень, в тому числі при штучно створених спотвореннях напруг мережі живлення і вихідних струмів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Михальский В.М. Особенности коммутации тока ключами двухсторонней проводимости матричных преобразователей при изменении полярности приложенного к ним напряжения и направления тока нагрузки // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. – Темат. вип. – 2002. – Ч.3. – С.17–20.

2. Михальский В.М., Пьяных Б.Е., Соболев В.Н. Силовые транзисторы в ключевых схемах непосредственных преобразователей частоты для регулируемого электропривода переменного тока // Техн. електродинаміка. – 1984. – № 5. – С.99–102.

3. Михальский В.М., Соболев В.Н., Чехет Э.М. Адаптация алгоритма векторной широтно-импульсной модуляции в матричных преобразователях к условиям несимметричной питающей сети // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. – Темат. вип. – 2002. – Ч.1. – С.9–18.

4. Михальский В.М., Соболев В.Н., Полищук С.И., Чехет Э.М., Шаповал И.А. Оптимизация длительностей стационарных состояний матричного преобразователя при глубоком регулировании асинхронного электропривода // Вестник НТУ "ХПИ". – Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Харьков: НТУ "ХПИ". – 2002. – Вып.12. – Том 1. – С.53-56.

5. Михальский В.М., Полищук С.И., Пьяных Б.Е., Чехет Э.М., Андриенко П.Д., Кравцов В.А. Построение системы гарантированного электропитания на основе непосредственного преобразователя частоты с однократной модуляцией // Оптимизация схем и параметров устройств преобразовательной техники. Сб. науч. тр. – Киев: Наук. думка. – 1983. – С.83–88.

6. Мисак Т.В., Михальский В.М., Полищук С.И., Соболев В.Н., Чехет Э.М., Алгоритм и структура управления матричным преобразователем с векторной широтно–импульсной модуляцией // Вестник ХГПУ. – Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Харьков: ХГПУ. – 2000. – С.259–262.

7. Чехет Э.М., Михальский В.М., Соболев В.Н. Комбинированное управление непосредственными преобразователями частоты для электропривода // Техн. електродинаміка. – 1991. – №3. – С.52–57.

8. Чехет Э.М., Михальский В.М., Соболев В.Н., Полищук С.И., Шаповал И.А. Разработка и экспериментальные исследования матричного преобразователя мощностью 40 кВА // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. – Темат. вип. – 2002. – Ч.2. – С.66–71.

9. Chekhet E., Sobolev V., Mikhalsky V., Polischuk S. High performance electromechanical energy conversion using matrix converter. Part 1: matrix converter control // Bulletin of NTU “KhPI”, Automated Electrodrive. Theory and Applications. – 2001, №10. – P.263 – 266.

10. Чехет Э.М., Соболев В.Н., Михальский В.М. Способы коммутации силовых ключей многофазных матричных преобразователей // Техн. електродинаміка. – 2000. – №2. – С.20–25.

11. Чехет Э.М., Соболев В.Н., Михальский В.М., Кутрань И.С., Полищук С.И. Способы коммутации силовых ключей матричных преобразователей // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. – Темат. вип. – 2000. – Ч.3. – С.37–42.

12. Чехет Э.М., Соболев В.Н., Михальский В.М., Мисак Т.В., Шаповал И.А. Синтез алгоритмов векторной широтно–импульсной модуляции в матричных преобразователях частоты // Техн. електродинаміка. Проблеми сучасної електротехніки. – Темат. вип. – 2000. – Ч.2. – С.50–55.

13. Непосредственный преобразователь частоты с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения: А.с. 1107249 СССР, МКИ Н02Р 5/27, Н02М 5/27 / И.С. Кутрань, В.А. Лукьяненко, В.М. Михальский, Б.Е. Пьяных, В.Н. Соболев, Э.М. Чехет. ? №3594368/24; Заявлено 24.05.83; Опубл. 07.08.84, Бюл. №29. – 5 с.

14. Преобразователь частоты с непосредственной связью: А.с. 886166 СССР, МКИ Н02М 5/27 / Б.Е. Пьяных, В.М. Михальский, Э.М. Чехет (СССР). ? №2891573/24; Заявлено 05.03.80; Опубл. 30.11.81, Бюл. №44. – 5 с.

15. Способ регулирования выходного напряжения трехфазно–трехфазного преобразователя частоты с непосредственной связью: А.с. 1617574