“Київський Політехнічний Інститут”

СОБОЛЄВ Олександр Володимирович

УДК 621.314.58

Матричні перетворювачі в інваріантних системах

керування асинхронними двигунами

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Жуйков Валерій Якович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

декан факультету електроніки

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор

Сенько Віталій Іванович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

професор кафедри теоретичної електротехніки

- кандидат технічних наук, доцент

Денисов Юрій Олександрович,

Чернігівський державний технологічний університет,

доцент кафедри промислової електроніки

Провідна установа - Національний гірничий університет України Міністерства освіти і науки

України, м. Дніпропетровськ, кафедра систем електропостачання

Захист відбудеться “” травня 2004 року о __00 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради К.26.002.06 у Національному технічному університеті України “КПІ” 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 “__” квітня 2004 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої РадиКондра Б.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Один з методів підвищення точності систем керування асинхронними двигунами за допомогою перетворювачів частоти базується на використанні принципу інваріантності. В якості перетворювача частоти в асинхронному електроприводі доцільно використовувати матричний перетворювач (МП), серед достоїнств якого є: вільний енергообмін навантаження і мережі живлення; відсутність накопичення енергії в перетворювачі; мінімальні вимоги до розміру реактивних елементів; формування кривих вхідних та вихідних напруг і струмів з мінімумом внеску вищих гармонік (за винятком вищих гармонік на частоті ШІМ, які подавляються вхідним фільтром) і відсутністю субгармонік; можливість регулювання вхідного коефіцієнту потужності, у тому числі одержання коефіцієнту, рівного одиниці.

В умовах все більшої експлуатації динамічних і нелінійних навантажень важлива побудова систем із перетворювачами, інваріантних до максимальної кількості зовнішніх збурень.

Для побудови систем електропривода, інваріантних до максимальної кількості зовнішніх збурень, слід вводити у системи найбільш можливу кількість зворотних зв'язків (ЗЗ). Збільшення кількості ЗЗ в інваріантних системах з МП обмежується тим, що при загальноприйнятих методах опису змінних перетворювача вводиться два канали зворотного зв'язку в систему з триплечовим МП (в якого лише дві незалежні змінні) та три канали ЗЗ в систему з чотириплечовим МП (три незалежні змінні). Тому задача розробки методу математичного опису МП, при якому використовується найбільша кількість змінних перетворювача, та побудови замкнених систем електропривода з максимальною кількістю каналів ЗЗ є актуальною.

Введення ЗЗ в систему з МП викликає спотворення форми вхідного струму перетворювача. Інша причина спотворень вхідного струму - несиметрія напруги мережі живлення. Отже, актуальною є також розробка алгоритмів керування МП, які дозволяють наблизити споживані системою струми за формою до синусоїдальних.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки №6 “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці” в рамках науково-дослідної роботи “Розробка математичних основ алгоритмів мікропроцесорного керування силовими перетворювачами в автономних системах електроживлення” № 2518 (номер державної реєстрації 0102U002214), а також в рамках науково-дослідної роботи “Наукові основи ідентифікації параметрів пристроїв силової електроніки в системах керування” №2389 (номер державної реєстрації 0100U000581).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка замкнених систем з матричними перетворювачами з підвищенням точності підтримання швидкості обертання ротора асинхронного двигуна (АД) під дією зовнішніх збурень.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

- визначення вхідних і вихідних змінних МП для опису перетворювача на основі геометричного підходу;

- виведення співвідношень між вхідними і вихідними змінними в матричному перетворювачі;

- побудова моделей інваріантних систем "МП - АД" на основі систем лінеаризованих рівнянь двигуна відносно векторів його вихідних параметрів та відносно їх проекцій на осі обертової системи координат;

- проведення математичного і схемотехнічного моделювання інваріантних систем "МП - АД";

- розробка алгоритмів керування інваріантною системою з МП, які при формуванні вектора вихідних напруг перетворювача забезпечують вибір стаціонарних векторів напруги, що задовольняють певному напрямку модуляції вектора вхідного струму.

Об’єктом дослідження є система, до складу якої входять матричний перетворювач та асинхронний двигун.

Предметом дослідження є зворотні зв'язки в системі з матричним перетворювачем і асинхронним двигуном, які забезпечують інваріантність заданого параметру двигуна до певного зовнішнього збурення.

Методи дослідження. При виконанні поставлених у дисертації задач використовувалися: метод просторових векторів; теорія електричних кіл; теорія автоматичного регулювання; математичне моделювання. Основними інструментами дослідження були: пакети Matlab 6.5, MathCAD 2000.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше впроваджений геометричний підхід до опису трьох- та чотириплечових МП;

- вперше побудовано модель системи "МП - АД" на основі геометричного підходу;

- вперше виведені умови інваріантності параметрів двигуна до зовнішніх збурень на основі геометричного підходу;

- вперше розроблено інваріантну систему, кількість ЗЗ якої визначається кількістю плечей (стійок) перетворювача;

- вдосконалено алгоритми керування ключами МП з метою споживання системою струму, наближеного за формою до синусоїдального.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

Розроблено системи керування триплечовим і чотириплечовим МП на основі геометричного підходу.

Розроблено алгоритм керування МП, при якому замкнена система "МП - АД" споживає з мережі живлення струм з низьким коефіцієнтом гармонік.

Розроблені принципи керування знайшли практичне використання у НДІ "ХЕМЗ" (м. Харків) при розробці мікропроцесорних систем керування безпосередніми перетворювачами частоти для електропривода. Крім цього, матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі у Національному технічному університеті України "КПІ" і в Українському державному морському технічному університеті (м. Миколаїв).

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

Роботи [3] і [4] написані здобувачем самостійно. В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачу належать: [2] – впровадження геометричного підходу для опису вхідних і вихідних змінних три- і чотириплечових матричних перетворювачів; [1] – побудова моделі інваріантної системи "Матричний перетворювач – асинхронний двигун" на основі лінеаризованих рівнянь двигуна за допомогою геометричного підходу при описі змінних перетворювача; [6] – визначення співвідношень між вхідними і вихідними змінними матричних перетворювачів; [5] – введення додаткових зворотних зв'язків у канали керування в інваріантній системі "Матричний перетворювач – асинхронний двигун".

Апробація результатів дисертації.

Основні теоретичні положення, результати та висновки роботи доповідалися та обговорювалися на конференціях "Проблеми фізичної і біомедичної електроніки" (Київ, 2001 р.), "Силова електроніка та енергоефективність" (Алушта, 2002 р.), а також на п’яти семінарах Академії Наук (2001-2003 рр.).

Публікації результатів наукових досліджень. За темою дисертації опубліковано 6 наукових праць, серед яких 4 наукових статті у фахових виданнях.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і двох додатків. Загальний обсяг роботи складає 195 сторінок, в тому числі 162 сторінки основного тексту, 90 рисунків, 6 таблиць, список використаних джерел з 82 найменувань та 3 додатки.

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, публікації і впровадження.

У першому розділі розглянуто структурну схему системи автоматизованого електропривода, вказана актуальність проблеми інваріантності заданих параметрів двигуна в таких системах до певних зовнішніх збурень.

Проаналізовано класичну умову інваріантності, показано, що кількість зовнішніх збурень, до яких система може бути інваріантною, залежить від кількості каналів регулювання системи (яких повинно бути не менше двох), а отже, від кількості змінних перетворювача, від якого живиться двигун.

Дано визначення результуючого вектора. Показано розкладання результуючого вектора струму АД по ортогональних осях статорної (нерухомої), роторної (обертової) систем координат, а також по ортогональних осях системи координат, обертової з довільною швидкістю. Наведено формули переходу між виразами статорного струму в різних системах координат.

У системі координат, яка пов'язана з напругою статора й обертається з асинхронною швидкістю 1, асинхронний двигун описується такою системою рівнянь:

, (1)

де - вектор потокозчеплення ротора; - комплексно сопряжений з ним вектор; is - вектор струмів статора; us - вектор напруг, що подаються на статор; - швидкість обертання ротора; - індуктивність контуру намагнічування; - момент інерції; TL - момент навантаження; - коефіцієнт в'язкого тертя. Константи, пов'язані з електричними параметрами двигуна, визначені як: ; ; , де - активні опори статора і ротора; - власні індуктивності обмоток статора і ротора.

Для керування асинхронними двигунами знаходять застосування матричні перетворювачі, сучасні алгоритми керування якими характеризуються, як правило, формуванням вихідної напруги у вигляді високочастотних імпульсів. При цьому розрізняють скалярну ШІМ, при якій напруга в кожній вихідній фазі ПЧ формується автономно у вигляді кривої миттєвих значень (фазних або лінійних), і векторну ШІМ, при якій формується просторовий вектор вихідної напруги, що розкладається далі на трифазну систему миттєвих значень. Зазначено, що при векторному способі формування вихідної напруги МП заданий вектор вихідної напруги завжди можна отримувати з сукупностей різних стаціонарних векторів. Така багатоваріантність вибору векторів напруг дозволяє при синтезі закону векторної ШІМ і алгоритму керування ключами МП крім отримання заданого просторового вектора вихідної напруги враховувати ще декілька аспектів: забезпечення прийнятної форми і фази вхідного струму, забезпечення надійної і безпечної комутації силових ключів, оптимізацію частоти комутацій.

Оскільки зворотні зв’язки в замкнених системах "матричний перетворювач – асинхронний двигун" призводять до погіршення форми вхідних струмів перетворювача, потрібно вживати спеціальних заходів для зменшення цього впливу. Запропоновано з цією метою вектор вхідного струму МП модулювати вздовж напрямку , який визначається різницею складових прямої і зворотної послідовностей вектору вхідної напруги:

. (2)

Проаналізовано використання геометричного підходу для опису змінних трифазного мостового інвертора напруги (триплечового інвертора напруги). В такій схемі три незалежні вхідні змінні - напруги на ключах плечей (стійок) інвертора. Фазних напруг навантаження, також три, але незалежними є лише дві з них. Отже, при використанні геометричного підходу простір вхідних змінних (плечових напруг) перетворювачів має завжди на один ступень волі більше, ніж простір вихідних змінних. Тому для аналізу системи електроприводу, до якої входить МП, доцільно використовувати саме плечові напруги. Для цього варто для даного перетворювача визначити матрицю переходу від вхідних змінних (плечових напруг) до вихідних змінних.

У другому розділі розроблено застосування геометричного підходу для опису змінних різних схем МП, які наведено на рис.2. Для випадків три- і чотириплечового МП А, В, С – фази змінної вхідної напруги, у випадку двоплечового перетворювача (по суті, це – однофазний мостовий інвертор напруги) до затискачів В і С прикладається знакопостійна напруга.

На рис.3 показані простори вхідних і вихідних змінних різних перетворювачів. Для чотириплечового МП вхідні змінні утворюють чотиривимірний простір, а вихідні змінні є їх проекціями в тривимірному просторі; для триплечового МП вхідні змінні утворюють тривимірний простір, вихідні – площину; для однофазного інвертора (МП, що працює з неповним числом фаз) вхідні змінні визначаються на площині, вихідна змінна – на прямій. При переході від простору вхідних змінних до простору вихідних змінних втрачається один ступінь волі.

Для аналізу триплечового МП (рис.4) зручно побудувати таку його модель (рис.5), в якій використовуються два вхідні затискачі замість трьох. Ключ, позначений як S1.1, підключений до однієї з фаз живлення (у даному прикладі – до фази "А"), а символом S1f на різних інтервалах часу позначаються різні ключі: S1f={S1.2; S1.3}. Вузол, позначений як p, може з'єднуватися з кожною з двох фаз – В чи С. Між вузлом p і ключами S1f включене джерело напруги fuBC, що приймає відповідні значення в залежності від змінної f1: f1=0, якщо ключ S1f приєднаний безпосередньо до точки p; f1=1, якщо ключ S1f приєднаний до фази В, а точка p - до фази С; f1= -1, якщо ключ S1f приєднаний до фази С, а точка p - до фази В.

В еквівалентній схемі (рис.5) існує 8=23 можливих наборів станів ключів.

Вихідна схема триплечового МП має 33=27 можливі стани переключення, частину з яких наведено в таблиці 1. В якості вхідних змінних матричного перетворювача доцільно прийняти напруги на сукупностях розімкнених ключів плечей (стійок) перетворювача. Ці напруги є змінними і залежать від значень напруг фаз мережі живлення у даний момент часу.

В результаті аналізу станів переключення МП отримане співвідношення, яке дозволяє виразити вихідні змінні МП через вхідні змінні:

, (2)

де uвых и uвх – вектори, відповідно, вхідних і вихідних напруг перетворювача, Tk– матриця коефіцієнтів перетворення.

На відміну від триплечового МП, у чотириплечового МП (рис.6) є четверте плече, яке керує напругою нейтралі і проводить струм нульової послідовності. Чотириплечовий МП має три вихідні фазні напруги, незалежні одну від одної і від навантаження.

Застосування такої схеми доцільне для вирішення задач стабілізації положення нульової точки, яка в кожний момент часу підключається до однієї з фаз мережі живлення. Чотириплечовий МП має 81 можливий стан підключення.

У третьому розділі з метою одержання лінійної моделі "МП – АД" проведено лінеаризацію рівнянь (1) відносно векторів змінних двигуна, після чого вони набувають наступного вигляду:

. (3)

де h1, h2, 0, r0, is0 – коефіцієнти лінеаризації. На рис.7 наведено структурну схему моделі замкненої системи на основі лінеаризованої системи рівнянь (3).

До складу схеми входять блоки підсумовування і інтегрування, а також блоки підсилювання: , , , , , , , , . Вихідні параметри двигуна отримуються на виході блоків інтегрування, і на ці величини впливають зовнішні збурення f1, f2, f3. У системі по трьох каналах керування введені ЗЗ по з коефіцієнтами k1i, k2i і k3i відповідно, i=1,2,3. Блок Tdq являє собою матрицю перетворення "3 в 2" - фазних напруг навантаження МП в напруги системи координат d-q – ud та uq. Цьому перетворенню відповідає рівняння:

.

Вектор вхідних напруг us на основі геометричного підходу описується складовими напругами u1, u2, u3, які знаходяться шляхом віднімання від заданих значень сигналів зворотного зв'язку, відповідно, :

. (4)

Рівняння (4) є загальним і відповідає системі рис. 7, в якій введено всі можливі зворотні зв’язки. В деяких випадках достатнім може бути введення в кожен з каналів формування напруг uan, ubn, ucn зворотних зв’язків лише по одному з параметрів двигуна, зокрема, ?, шr та is. Тоді рівняння (4) зводиться до наступного виразу:

. (5)

Нехай f1, f2, f3 - збурення, що впливають на зміни, відповідно, потоку ротора, струму статора і частоти обертання ротора двигуна. Тоді модель (рис.3.1) щодо вузлів 1, 2 і 3 можна описати у векторній формі рівнянням:

, (6)

де X – вектор змінних, D – квадратна матриця розмірністю 3x3, F – вектор збурень:

, , .

Представлення моделі (рис.7) рівнянням (5) дозволяє одержати умови інваріантості кожної з вихідних змінних (складових вектору X) до кожного із збурень (вектор F), прирівнюючи нулю відповідні мінори матриці D. Наприклад, для інваріантості швидкості обертання ротора до моменту навантаження двигуна TL, що відповідає інваріантості змінної x1 до збурення f1, відповідно до класичної форми умови інваріантості, повинна виконуватися умова: .

Звідси випливає, що

.

Розв'язуючи це рівняння відносно k22, одержуємо:

.

Ця величина є векторною, але змінні АД в рівняннях (3) також є векторними величинами.

На практиці для побудови алгоритмів керування двигуном користуються, як правило, системами рівнянь не відносно векторів вихідних змінних двигуна, а відносно їх проекцій. Базова система рівнянь АД (1) в обертовій з кутовою швидкістю 1 системі координат в проекціях на координатні вісі d і q приймає вигляд:

, (7)

де 0, d0, q0, id0, iq0 – коефіцієнти лінеаризації. Структурну схему моделі замкненої системи на основі лінеаризованої системи рівнянь (7) наведено на рис.8.

Модель містить підсилювальні ланки з наступними коефіцієнтами: ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Систему рис.8 можна також описати рівняннями вигляду (6). В цьому випадку вектори X і F містять по 5 елементів, а елементи квадратної матриці D визначаються таким чином: при i=j ; при i=4 и i=5 ; при i?j, i?2 и i?3 .

Для знаходження потрібних умов інваріантності прирівнюються до нулю відповідні мінори матриці D.

В розглянутих моделях систем "МП - АД" із зменшенням кількості зовнішніх збурень можливий перенос вузлів дії збурень з одних точок моделі в інші. Як наслідок, отримаються більш прості для реалізації умови інваріантності. Зокрема, канали зворотного зв'язку за таких умов можуть містити лише підсилювальні ланки.

З метою поліпшення форми вхідних струмів замкненої системи "МП - АД" розроблено новий алгоритм керування матричним перетворювачем, який включає такі основні кроки:

1. Формування просторового вектору напруги МП, який відповідає системі без зворотних зв'язків. Розрахунок відносних тривалостей використання стаціонарних векторів напруги на періоді ШІМ.

2. Введення в систему зворотних зв'язків, коефіцієнти яких відповідають умовам інваріантності заданих параметрів двигуна до певних зовнішніх збурень. Оцінка нового завдання для формування вектору вихідної напруги , де плечові напруги u1, u2, u3 використовуються з урахуванням введених зворотних зв'язків.

3. Оцінка напрямку за формулою (2).

4. Оцінка вхідного кута i.

5. Розрахунок нових відносних тривалостей використання стаціонарних векторів напруг.

У четвертому розділі проведено моделювання роботи систем "МП – АД" з використанням прикладних програм Matlab 6.5, Mathcad 2000.

Алгоритм моделювання складався з наступних кроків.

1) Побудова моделі розімкненої системи привода за відсутності зовнішніх збурень.

2) Розробка моделі розімкненої системи, на яку діють збурення.

3) Введення в систему двох зворотних зв'язків і моделювання дії на систему зовнішніх збурень.

4) Введення додаткового зворотного зв'язку, який може бути отриманий за допомогою геометричного підходу.

5) Модель системи з трьома зворотними зв'язками та з еталонними джерелами в каналах ЗЗ, амплітуди яких залежать від значення зовнішнього параметра, який змінюється.

В таблицю 2 зведено параметри перехідних процесів, які протікали внаслідок зміни моменту навантаження на 10%, в розглянутих системах "МП – АД": ?щ – зміна швидкості обертання ротора АД; ?щ – відносне зменшення ?щ в замкнених системах порівняно з розімкненими.

Таблиця 2 свідчить, що при збільшенні кількості каналів зворотного зв'язку підвищується точність підтримки заданих значень швидкості обертання ротора в умовах дії зовнішніх збурень. Також позитивно на цю точність впливає введення до каналу формування задаючої дії водночас зворотних зв'язків по декількох величинах.

Проведено моделювання формування вхідних струмів МП при модуляції їх вектору за формулою (2) і при підтримці нульового вхідного кута зсуву i між векторами вхідних струму і напруги МП. На рис. 9-12 наведено форми одного з вхідних фазних струмів МП. Суцільною лінією позначено струм при модуляції за формулою (2), пунктирною – при i=0. У випадку рис.9 ступінь несиметрії вхідної напруги складала U=10%, ступінь несиметрії вихідного струму - I=10 %; у випадку рис.10 I=30 % і U=10%; для рис.11 I=10 % і U=30%; для рис.10 I=30 % і U=30%

Для розглянутих випадків (рис.9-12) у табл.3 зведено коефіцієнти гармонік струмів: kГ1 – для першого способу модуляції (i=0) і kГ2 – для другого способу (i?0).

З гармонічного аналізу струмів для даних способів модуляції випливає, що коефіцієнт гармонік при змінному i не залежить від ступеню несиметрії вхідної напруги (напруги живлення), а із збільшенням ступеню несиметрії вихідного струму зростає менше, ніж при i=0.

В додатках наведено: в додатку А – варіанти підключення фаз чотириплечового МП; в додатку Б – вихідні параметри АД в замкнених системах; в додатку В – акти про використання результатів дисертаційної роботи.

висновки

В роботі розроблено структуру замкнених систем з матричними перетворювачами з підвищенням точності підтримання швидкості обертання ротора асинхронного двигуна під дією зовнішніх збурень.

1. Визначено, що застосування геометричного підходу для опису змінних триплечового матричного перетворювача дозволяє використовувати три незалежні вхідні змінні цього перетворювача, що відповідає трьом каналам керування в системі з таким перетворювачем, а для опису чотириплечового матричного перетворювача – чотири незалежні змінні, що відповідає чотирьом каналам керування.

2. Показано, що в розглянутих моделях систем "матричний перетворювач – асинхронний двигун" із зменшенням кількості зовнішніх збурень можливий перенос вузлів дії збурень з одних точок моделі в інші, в наслідок чого отримаються більш прості для реалізації умови інваріантності. Зокрема, канали зворотного зв'язку за таких умов можуть містити лише підсилювальні ланки.

3. Доведено, що для збільшення багатоваріантності керування в канали керування системи з асинхронним двигуном доцільно вводити зворотні зв’язки по деяких вихідних параметрах двигуна, і навпаки, по деяких вихідних змінних вводити зворотні зв’язки одразу в декілька каналів керування. Така побудова замкненої системи дозволяє максимально скористатися перевагами, які надає збільшення каналів керування. При цьому зміна швидкості обертання ротора асинхронного двигуна під дією стрибкоподібних змін моменту навантаження зменшується на 60%, а час перехідного процесу зменшується майже в 5 разів порівняно з розімкненою системою.

4. Показано, що при побудові замкнених систем досягти зменшення дії зовнішнього збурення на певний параметр асинхронного двигуна та часу перехідного процесу допомагає введення в канали керування еталонних джерел енергії, амплітуда сигналу яких залежить від заданого зовнішнього збурення. Характер цієї залежності визначається експериментально.

5. Показано, що для наближення форми струмів, споживаних інваріантною системою, до синусоїдальної, алгоритм формування векторів вихідної напруги МП на кожному такті ШІМ в таких системах повинен включати кроки, спрямовані на вибір стаціонарних векторів напруги, які задовольняють певному напрямку вектору вхідного струму. Переваги такого способу модуляції вхідного струму МП найбільш відчутні при невеликих ступенях несиметрії вектора вихідного струму (модуль коефіцієнту несиметрії менше 20-25%). При несиметрії вхідної напруги переваги даного способу модуляції стають більш відчутними по мірі збільшення цієї несиметрії.

6. Інваріантне керування матричними перетворювачами в системах асинхронного електроприводу і побудова алгоритмів векторної ШІМ з поліпшенням форми споживаних інваріантними системами струмів відображені в курсах лекцій “Електричні системи керування та регулювання” в Національному технічному університету України “КПІ” (м. Київ) і “Силові напівпровідникові пристрої в судових системах автоматики” Українського державного морського технічного університету (м. Миколаїв).

7. Побудова замкнених систем з матричними перетворювачами зі зворотними зв’язками по декількох параметрах асинхронного двигуна впроваджена в виробничий процес НДІ “ХЕМЗ” (м. Харків). Для систем з матричними перетворювачами з номінальною потужністю 1.4. кВА під дією змін моменту навантаження двигуна зміна швидкості обертання двигуна зменшується приблизно на 50% порівняно з розімкненими системами.

8. Вірогідність та обґрунтованість наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджується узгодженням теоретичних досліджень і результатів моделювання.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Петергеря Ю.С., Соболев А.В. Построение инвариантного управления системой матричный преобразователь – асинхронный двигатель на основе геометрического подхода. // Электроника и связь. – 2001. - №10. – с. 140 - 143.

Дисертантом побудовано моделі інваріантної системи "Матричний перетворювач – асинхронний двигун" на основі лінеаризованих рівнянь двигуна за допомогою геометричного підходу при описі змінних перетворювача.

2. Петергеря Ю.С., Соболев А.В. Применение геометрического подхода к анализу процессов в матричных преобразователях. // Техн. електродинаміка. - 2000. - №5 – с. 34-36.

Здобувачем впроваджено геометричний підхід для опису вхідних і вихідних змінних три- і чотириплечових матричних перетворювачів.

3. Соболєв О.В. Інваріантна система з матричним перетворювачем. // Техн. електродинаміка. Тематичний випуск "Силова електроніка та енергоефективність", ч.2, 2002 р. – с. 55-58.

4. Соболєв О.В. Покращення форми вхідного струму для інваріантної системи з матричним перетворювачем. // Техн. електродинаміка. – 2003. - №4. – с.30–34.

5. Sobolev A., Peterheria Y., Zhuikov V. Invariant System With Matrix Converter.// 3rd International Workshop Compatipility in Power Electronics. Gdansk – Zielona Gora, 2003. - pp. 85-87.

Дисертантом введено додаткові зворотні зв'язки у канали керування в інваріантній системі "Матричний перетворювач – асинхронний двигун".

6. Zhuikov V., Petergerya J., Sobolev A. Application of Geometric Approach to Analysis of Processes in Matrix Converters.// Elektrotechnika Prady Niesinusoidalne. VI Szkola – Konferencja. Materialy Konferencyjne. – Zielona Gora, 2002. - pp. 255-260.

Дисертантом визначені співвідношення між вхідними і вихідними змінними матричних перетворювачів.

АНОТАЦІЇ

Соболєв О.В. Матричні перетворювачі в інваріантних системах керування асинхронними двигунами. – 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, 2004.

Дисертація присвячена подальшому розвитку теорії керування матричними перетворювачами для асинхронного електропривода і розробці на цій основі замкнених систем з матричними перетворювачами з підвищеною точністю підтримання заданих параметрів асинхронних двигунів під дією зовнішніх збурень.

Розроблено математичну модель матричного перетворювача на основі геометричного підходу, що дозволило збільшити кількість змінних перетворювача, по яких можливе керування системою "матричний перетворювач – асинхронний двигун".

Розроблено моделі інваріантних систем "матричний перетворювач – асинхронний двигун" з використанням геометричного підходу, завдяки чому збільшилася кількість каналів зворотного зв’язку в таких системах, що розширює можливості керування такими системами, зокрема, дозволяє забезпечити в системах більшу кількість умов інваріантності.

Розроблено алгоритм керування матричним перетворювачем в замкненій системі з асинхронним двигуном з покращенням форми споживаного системою струму.

Ключові слова: матричний перетворювач, геометричний підхід, зовнішнє збурення, інваріантна система.

Соболев А.В. Матричные преобразователи в инвариантных системах управления асинхронными двигателями. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 – полупроводниковые преобразователи электроэнергии. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2004.

Диссертация посвящена разработке замкнутых систем с матричными преобразователями с повышенной точностью поддержания заданных параметров асинхронного двигателя под действием внешних возмущений.

В результате анализа классического условия инвариантности обоснована необходимость использования для описания матричных преобразователей максимального количества переменных. Показано, что в этих целях целесообразно использовать геометрический подход.

На основе геометрического подхода построены модели трехплечевого и четырехплечевого матричных преобразователей, а также трехплечевого матричного преобразователя с неполным числом фаз. В качестве входных переменных преобразователей используются напряжения на совокупностях разомкнутых ключей его плечей (стоек), а выходными переменными являются фазные (линейные) напряжения нагрузки. Так, у трехплечевого матричного преобразователя три независимых входных переменных, а из трех выходных независимыми являются только две. Таким образом, количество входных переменных преобразователей на единицу превышает количество выходных переменных, что позволяет при построении замкнутых систем "матричный преобразователь – асинхронный двигатель" увеличить в них число каналов регулирования, и, следовательно, число возможных достижимых условий инвариантности заданных параметров асинхронного двигателя к внешним возмущениям.

Четырехплечевой матричный преобразователь может вырабатывать три выходных фазных напряжения, независимые между собой и от нагрузки. Соответственно, независимых входных переменных у такого преобразователя четыре. Применение такой схемы целесообразно для решения задач стабилизации положения нулевой точки в автономных системах с ограниченной мощностью, в отдаленных объектах. Нулевая точка в каждый момент времени подключается к одной из фаз питания.

Построены модели систем "матричный преобразователь – асинхронный двигатель", для которых справедливы линеаризованные уравнения асинхронного двигателя относительно векторов его переменных, а также относительно проекций его переменных на ортогональные оси вращающейся системы координат. Вектор напряжений статора в уравнениях асинхронного двигателя соответствует вектору выходных напряжений матричного преобразователя, которые выражаются через входные напряжения в результате использования геометрического подхода. В систему на основе уравнений двигателя относительно векторов переменных возможно введение трех блоков обратных связей, в систему на основе уравнений двигателя относительно проекций векторов – пяти блоков. Использование классического условия инвариантности позволяет определять в таких системах условия инвариантности заданных параметров асинхронного двигателя к определенным внешним возмущениям. Полученные условия инвариантности отражают структуру обратных связей, обеспечивающих эти условия, но при этом коэффициенты обратных связей должны уточняться в процессе математического моделирования.

В моделях систем "матричный преобразователь – асинхронный двигатель" с уменьшением количества внешних возмущений возможен перенос узлов действия возмущений из одних точек модели в другие, благодаря чему могут быть получены более простые для реализации условия инвариантности. В частности, каналы обратной связи при этом могут содержать лишь звенья усиления.

Разработан алгоритм управления матричным преобразователем, при котором в системе с асинхронным двигателем обеспечиваются условия инвариантности и одновременно токи, потребляемые из сети питания, по форме близки к синусоидальным.

Подтверждена с помощью математического моделирования эффективность использования геометрического подхода для определения переменных матричного преобразователя, поскольку увеличение числа обратных связей в системе "матричный преобразователь – асинхронный двигатель" приводит к уменьшению влияния внешних возмущений на заданный параметр двигателя.

Выявлено, что в разработанном алгоритме управления матричным преобразователем преимущества рассмотренного способа модуляции вектора входного тока перед общепринятым способом, когда поддерживается нулевой угол сдвига между векторами входных напряжения и тока, особенно ощутимы при небольших степенях несимметрии выходного тока, а при несимметрии входного напряжения преимущества данного способа модуляции становятся более ощутимыми с увеличением коэффициента этой несимметрии.

Разработанные принципы управления нашли практическое применение в НИИ "ХЭМЗ" (г. Харьков) при разработке микропроцессорных систем управления непосредственными преобразователями частоты для електропривода. Кроме того, материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Национальном техническом университете Украины "КПИ" и в Украинском государственном морском техническом университете (г. Николаев).

Обоснованность и достоверность приведенных в работе положений и рекомендаций подтверждена близостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Ключевые слова: матричный преобразователь, геометрический подход, внешнее возмущение, инвариантная система.

Sobolev O.V. Matrix converters in invariant control systems of induction machines. – Manuscript.

Thesis for a candidate of sciences degree in the speciality 05.09.12. – Semiconductor Converters of Electric Energy. National technical university of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2004.

The dissertation is dedicated to further development of control theory of matrix converters for asynchronous drive and elaboration of closed loop systems including matrix converters with extended precision of specified induction machine parameters maintenance under the action of external disturbances.

The mathematical model of the matrix converter based on a geometric approach has been developed, allowing to increase the number of matrix converters control variables in the "matrix converter – induction machine" system.

The models of invariant systems "matrix converter – induction machine" have been developed by means of a geometric approach, as a result of this the number of feedback channels has been increased, extending possibilities of such systems' regulation, and, in particular, enabling to provide more invariance conditions in systems.

The algorithm of control of matrix converter in closed loop system with induction machine has been developed, which provides elimination of the input current harmonic content.

Key words: matrix converter, geometric approach, external disturbance, invariant system.

Підписано до друку 29.03.2004 р. Формат 21х29, 7/2. Папір офсетний

Гарнітура Таймс. Умовн.-друк. аркуш. 1,05. Тираж 100. Замовл. 92-04

________________________________________________

Поліграфічний центр НДІ прикладної електроніки

03056, м. Київ, вул. Політехнічна, 16, тел.: 241 86 00