Національний технічний університет України

“Київський Політехнічний Інститут”

Ульченко Дмитро Олегович

УДК 621.314.58

Аналіз сигналів та побудова систем керування перетворювачів
на базі спектрально-часових методів

Спеціальність 05.09.12 – Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

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

Павлов Геннадій Вікторович,

Національного університету кораблебудування,

завідувач кафедри комп’ютеризованих систем керування–

кандидат технічних наук, доцент

Денисов Юрій Олександрович,

Чернігівський державний технологічний університет,

доцент кафедри промислової електроніки

Провідна установа – Національний технічний університет “ХПІ” Міністерства

освіти і науки України, м. Харків, кафедра промислової і

біомедичної електроніки

Захист відбудеться “ 10 ” жовтня 2006 року о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.19 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корп. 12, ауд. 114.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий “_9_” _вересня_ 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиШвайченко В.Б.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний рівень розвитку систем електроживлення зумовлює широке використання перетворювачів електроенергії з мікропроцесорним керуванням. Існуючі системи, що використовують широтно-імпульсні методи перетворення параметрів електричної енергії, характеризуються високою точністю в стаціонарних режимах роботи. Однак спотворення, що виникають при роботі як перетворювачів, так і інших електротехнічних пристроїв, призводять до виникнення перехідних процесів, під час яких знижується точність керування та погіршується спектральний склад струмів і напруг навантаження. Побудова адаптивних систем керування дозволяє підвищити якість параметрів електричної енергії під час перехідних процесів або при появі в системі нестаціонарних сигналів. При цьому застосування спектральних перетворень, зокрема Фур’є, в системі керування призводить до зниження обсягу розрахунків, необхідних для аналізу спотворень та формування сигналів керування.

Серед існуючих широтно-імпульсних методів керування перетворювачами найбільш придатними для застосування при змінних умовах роботи та при наявності спотворень в струмах та напругах є асинхронні. Однак змінність у часі частоти комутації в асинхронних системах керування або поява короткочасних завад призводять до зниження точності формування сигналів в перетворювачах з застосуванням спектрального перетворення Фур’є.

Реалізувати спектральний аналіз з урахуванням зміни спектрів сигналів у часі дозволяє використання вейвлет перетворення, перевагою якого є можливість виявлення в спектрах струмів та напруг спотворень, локалізованих у часі, що дає можливість адаптивно корегувати закони керування перетворювачами. Тому актуальною є задача розробки методів спектрального аналізу струмів та напруг пристроїв силової електроніки на базі вейвлет перетворення та застосування цих методів при побудові адаптивних систем керування широтно-імпульсними перетворювачами.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” відповідно Закону України „Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” по пріоритетному напрямку 5 “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (п. 5.1. 4) на 2003-2004 р. у межах науково-дослідної роботи “Створення апаратних засобів та алгоритмів підвищення енергоефективності накопичення та перетворення сонячної енергії в складі електротехнічного комплексу на базі сучасних інтелектуальних систем керування та теорії економічної рівноваги” (№ДЗ/11-2003, ДР 0103U007646), а також державної бюджетної теми “Наукові основи та алгоритми інтелектуального керування електротехнічним комплексом локального об‘єкта з фотогенераторами” (№2724, ДР U000130).

Мета і задачі наукового дослідження. Метою роботи є подальший розвиток методів спектрально-часового аналізу сигналів перетворювачів параметрів електричної енергії та застосування цих методів при побудові систем керування перетворювальними пристроями.

Поставлена мета вимагає вирішення таких наукових задач:

- порівняння існуючих методів спектрального аналізу і вибір найбільш ефективного методу частотно-часового аналізу струмів і напруг перетворювачів;

- розробка методів виявлення спотворень форми струмів і напруг, на основі вейвлет перетворення;

- розробка адаптивних алгоритмів керування перетворювачами на основі вейвлет перетворення;

- моделювання процесів в перетворювачах з адаптивними системами керування на основі вейвлет перетворення.

Об’єктом дослідження є процеси, що протікають в перетворювачах електричної енергії з широтно-імпульсним регулюванням.

Предметом дослідження є спектральні методи аналізу струмів та напруг та алгоритми керування широтно-імпульсними перетворювачами.

Методи дослідження. При виконанні поставлених у дисертації задач використовувалися методи теорії електричних кіл, теорії автоматичного регулювання, функціонального аналізу та методи математичного моделювання. Основними інструментами дослідження були: програмні пакети Matlab, Maple.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- отримали подальший розвиток методи вейвлет аналізу спотворень струмів та напруг, характерних перетворювачам електроенергії, шляхом введення синусоїдної базисної функції, що дозволяє підвищити точність визначення частотних параметрів гармонійних сигналів;

- вперше використані в якості базисних функцій вейвлет перетворення функції розгортки, які застосовуються в системах з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), що дозволяє зменшити апаратні затрати на побудову системи керування;

- вперше використане вейвлет перетворення при визначенні інтервалів провідності ключів напівпровідникових перетворювачів, що дозволяє уникнути розв’язання трансцендентних рівнянь при реалізації ШІМ;

- запропоновано використання тривимірного подання сигналу помилки для визначення оптимальної частоти комутації вентилів у системах із ШІМ, що дозволяє підвищити точність формування сигналів;

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наукові положення доведені до ступеню, придатного для практичного використання при аналізі спотворень струмів та напруг, і побудові адаптивних систем керування; розроблено алгоритм керування широтно-імпульсними перетворювачами з адаптивним регулюванням частоти комутації вентилів на базі вейвлет перетворення, реалізація якого дозволяє знизити динамічні втрати на вентилях.

Теоретичні і практичні результати роботи, а саме: способи виявлення спотворень струмів і напруг та алгоритми керування, засновані на використанні вейвлет перетворення, включені в навчальний процес Національного технічного університету України. Адаптивне регулювання інтервалів провідності й частоти комутації вентилів використано при побудові систем керування перетворювачами на НДІ „Харківський електромеханічний завод” (м. Харків) і на ВАТ „Чернігівавтодеталь” (м. Чернігів).

Особистий внесок автора. Самостійно виконав вейвлет аналіз спотворень сигналів, присутніх у перетворювачах. Автор розробив алгоритм роботи і побудував модель адаптивної системи керування, заснованої на використанні вейвлет перетворення.

Робота [4] написана особисто; у роботах, опублікованих у співавторстві, дисертантові належить: у роботі [3] – розрахунок залежностей похибки від часу і від фазового зсуву; у роботі [5] – аналіз характеру зміни помилки апроксимації в часі та розробка функціональної схеми адаптивної системи керування пристроєм компенсації реактивної потужності; роботи [1, 2] написані з однаковим особистим внеском співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на семінарах наукової ради НАН України по комплексній проблемі “Наукові основи електроенергетики” (травень 2003 р., березень 2004 р, вересень 2004 р., лютий 2005 р. та листопад 2005 р.), на Міжнародних науково-технічних конференціях “Силова електроніка та енергоефективність – 2003, 2004” (м. Алушта); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки – 2004” (м. Київ).

Публікація результатів наукових досліджень. По темі дисертації опубліковано 5 робіт, з них 4 статті в професійних наукових виданнях, 1 деклараційний патент України.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і п’яти додатків. Загальний обсяг роботи складає 139 сторінок, в тому числі 111 сторінки основного тексту, 60 рисунків, 9 таблиць, список використаних джерел з 64 найменувань та 5 додатків.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами, зазначений особистий внесок здобувача в друкованих працях зі співавторами, викладені наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень, наведені дані про їх апробацію, публікації і впровадження.

У першому розділі розглянуто найбільш поширені методи спектрального аналізу струмів та напруг в перетворювачах; проаналізовано існуючі способи побудови систем керування (СК) перетворювачами з точки зору адаптивності до умов роботи та формування сигналів з мінімальною похибкою; розглянуто методи широтно-імпульсного керування, що можуть бути реалізовані в цих системах.

Показано, що застосування перетворення Фур’є для аналізу сигналів під час перехідних процесів та при наявності спотворень, що виникають при роботі як перетворювачів так і інших електротехнічних пристроїв, є недоцільним в наслідок того, що перетворення Фур’є не дозволяє враховувати: 1) зміну частоти досліджуваного сигналу в часі; 2) однократну зміну фази; 3) моменти появи спотворюючих імпульсів, наявність яких приводить до різких змін амплітуди досліджуваного сигналу. В результаті перетворення Фур'є сигналу, однотипного на всіх періодах за винятком деякого моменту часу або короткого інтервалу, всі спектральні коефіцієнти Фур’є містять інформацію про зміну, тому що інтегрування здійснюється по всій часовій вісі .

Аналізувати локальні особливості й зміни в спектральному складі струмів і напруг з часом дозволяє використання віконного перетворення Фур'є та вейвлет перетворення. Недоліком віконного перетворення Фур'є є фіксована роздільна здатність на всіх частотах, що призводить до погіршення точності аналізу зі збільшенням частоти.

Тому доцільним є застосування вейвлет перетворення, в якому роздільна здатність змінюється: на високих частотах краща роздільна здатність за часом, а на низьких – по частоті. Це означає, що для високочастотної компоненти можливо точніше вказати її часову позицію, а для низькочастотної – її значення частоти.

Огляд існуючих базисних функцій вейвлет перетворення та їх властивостей показав, що в якості базисної функції вейвлет перетворення може бути використана будь-яка функція, що відповідає наступним вимогам:–

локальність: | ,– | відсутність постійної складової: | ,–

обмеженість: | .

При цьому найбільш просто побудувати базис в просторі за допомогою локалізованої функції , передбачивши систему масштабування та зсуву вздовж вісі t. Тоді вейвлет функція записується у вигляді:

, (1)

де – коефіцієнт пропорційності (масштабування), що показує у скільки разів величина, зворотна до області визначення базисної вейвлет функції, перевищує частоту досліджуваного сигналу; – часовий зсув.

Додаткові вимоги такі, як ортогональність базису, симетрія, дискретність базисної функції, компактність області визначення базисної функції можуть висуватися до базисної вейвлет функції в залежності від задач, що вирішуються в процесі аналізу, та мети проведення вейвлет аналізу.

Застосування різних базисних функцій дозволяє адаптувати процес аналізу до досліджуваного сигналу. Вибір базисного вейвлета визначається тим, яку інформацію необхідно отримати із сигналу. Кожен вейвлет має характерні риси в часовому й у частотному просторі, тому за допомогою різних вейвлетів можна повніше виявити й підкреслити ті або інші властивості аналізованого сигналу.

Огляд існуючих методів побудови систем керування показав, що для забезпечення високої точності формування сигналів, адаптивної обробки спотворень і перехідних процесів, доцільним є використання асинхронних систем керування. Однак проблема забезпечення стійкості перешкоджає широкому застосуванню асинхронних систем керування. Підвищити стійкість системи дозволяє використання синхронізованих СК, в яких частина параметрів вихідних сигналів визначається асинхронним, а частина – синхронним шляхом.

Зазначено, що побудова системи керування перетворювачем за принципом адаптивних систем з спектрально-кореляційною обробкою сигналів призводить до підвищення точності формування сигналів керування. В цьому випадку можна найбільш повно врахувати розходження між бажаним і реальним спектрами. До того ж мікропроцесорна реалізація системи керування з спектральним поданням сигналів дозволяє забезпечити гнучкість керування, яка досягається тим, що спектр еталонного сигналу можна адаптивно оновлювати відповідно до зміни параметрів навантаження, режимів комутації, законів керування та характеру спотворень. Підвищення адаптивності керування забезпечується за рахунок перебудови закону керування в спектральній області. Тому доцільним є розробка методів спектрального вейвлет аналізу сигналів в перетворювачах та нових алгоритмів керування на базі цих методів.

Таким чином для формування сигналів керування вентилями перетворювача було обрано асинхронні методи широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) такі, як асинхронна та релейна ШІМ. В якості критерію наближення запропоновано використовувати середньоквадратичну помилку, що дозволяє проводити синтез напруг (струмів) не тільки синусоїдної, але й довільної форми.

У другому розділі проаналізовано існуючі форми сигналів в перетворювачах та виявлені характерні властивості цих сигналів; запропоновано використання таких базисних вейвлет функцій, як вейвлет Хаара, FHAT-вейвлет, Wave-вейвлет та синусоїдний вейвлет для проведення подальшого аналізу струмів та напруг; проведено аналіз типових для перетворювачів сигналів та запропоновано методи виявлення спотворень форми струмів і напруг.

Внаслідок того, що напруга живлення і струм у мережі мають синусоїдну форму, більшість сигналів у перетворювачах також синусоїдні. Проте імпульсний характер роботи перетворювачів призводить до появи стрибкоподібних змін амплітуди сигналів та зон нульового рівня. Формування квазисинусоїдних сигналів автономними інверторами призводить до появи прямокутних імпульсів та сигналів експоненційної форми з точками перегину. Тому для проведення вейвлет аналізу струмів та напруг в перетворювачах доцільним є застосування таких базисних вейвлет функцій, які відображають характерні властивості досліджуваних сигналів. А саме синусоїдного вейвлету (п.1 табл. ), вейвлету Хаара (п.2 табл. ), вейвлету (п.3 табл. ) та вейвлету (п.4 табл. ).

Таблиця 1 (таблицю видалено)

Результатом виконання вейвлет перетворення є сукупність коефіцієнтів, які визначаються з виразу:

. (2)

Враховуючи те, що базисна функція залежить від двох змінних (коефіцієнта масштабування k і часового зсуву ), значення вейвлет коефіцієнтів також залежать від двох змінних і являють собою поверхню в тривимірному просторі, що називається вейвлет поверхнею (рис. ).

а) |

б)Рис.  | Завдяки тому, що вейвлет перетворення має рухливе частотно-часове вікно можна більш детально вивчати окремі області вейвлет поверхні. Рівність одного з параметрів k або константі дає переріз поверхні по відповідному параметру або k. У випадку, коли параметр , залежність вейвлет коефіцієнтів від значення часового зсуву являє собою взаємокореляційну функцію між досліджуваним сигналом і базисним вейвлетом даного масштабу. У випадку, коли параметр , залежність вейвлет коефіцієнтів від масштабуючого коефіцієнта k, а відповідно й від частоти f , є перетином вейвлет поверхні і несе подвійний зміст. З одного боку, вона відображує залежність значень взаємокореляційної функції між досліджуваним сигналом та базисним вейвлетом від масштабуючого коефіцієнта k при конкретному значенні часового зсуву . З іншого боку, дана залежність являє собою амплітудно-частотний спектр (рис. ), подібний до спектру Фур'є. Таким чином,

Рис. (рисунок видалено)

поверхня вейвлет коефіцієнтів (рис. ) несе в собі інформацію про безліч амплітудно-частотних спектрів, при різних значеннях параметра , що істотно розширює можливості спектрального аналізу. Рівність параметра k цілим значенням відповідає номерам гармонік, подібних до гармонік у спектрі Фур'є.

З метою виявлення властивостей і можливостей застосування вейвлет перетворення в системах керування перетворювачами запропоновано декілька тестових сигналів форма яких є характерною для пристроїв перетворювальної техніки (рис.  а, рис.  а, рис.  а, рис.  а, рис.  а).

Проведений вейвлет аналіз показав, що застосування вейвлет перетворення дозволяє не тільки виявляти частоти присутніх в сигналі гармонік (рис.  а) по відповідних значеннях масшта-буючого параметру k, а й інтервали часу в яких вони присутні. На поверхні, наведеній на рис.  б, видно присутність третьої (), п’ятої () і десятої гармоніки (). З метою виявлення характеру спотворень присутніх в сигналі, наприклад згасаючих коливань (рис.  а), необхідно використовувати частотно-часове вікно, яке дозволяє визначити як загальні великомасштабні властивості

Рис. , , , , (рисунок видалено)

сигналу (рис.  б), так і його дрібні локалізовані у часі складові (рис.  в). Для визначення часових параметрів сигналів, таких як інтервали часу, де присутні спотворення, або моменти комутації вентилів (рис.  а), доцільним є побудова перетинів вейвлет поверхонь (рис.  в) по параметру ф, на яких положення сплесків або стрибкоподібна зміна значення коефіцієнтів відповідає досліджуваним моментам часу. При цьому проведений аналізу сигналів, наведених на рис.  а й рис.  а, з використанням різних базисних вейвлет функцій показав, що прямокутні вейвлет Хаара та FHAT-вейвлет дозволяють більш точно визначати часові параметри сигналів (рис.  б, в) за рахунок відсутності згладжування сплесків, притаманного гладким базисним функціям (рис.  г). В той час як використання гладких базисних функцій, таких як синусоїдний вейвлет і WAVE-вейвлет, не призводять до появи додаткових сплесків на частотних спектрах (рис.  б, в, г) та дають можливість більш точно локалізувати гармонійні коливання і визначати їх частоту

У третьому розділі запропоновано використання пилкоподібних (рис.  а, в, д, ж) та трикутних опорних функцій ШІМ в якості базисних функцій вейвлет перетворення з метою зменшення апаратних затрат і затрат часу на формування сигналів керування; запропоновано тривимірний метод аналізу залежностей середньоквадратичної помилки формування вихідних сигналів перетворювачів; розроблено дві функціональні схеми системи керування з використанням симетричної та несиметричної базисної вейвлет функції.

В якості опорного сигналу в системах з широтно-імпульсною модуляцією використовуються напруги різної форми. Найбільш часто опорний сигнал має пилкоподібну або трикутну форму і може бути однополярним або двополярным.

Рис. (рисунок видалено)

Двополярні функції, що на ведені на рис.  е, з, а також однополярні функції, що наведені на рис.  б, г, по відношенню до значення постійної складової задовольняють вимогам, які висуваються до вейвлет функцій, і можуть бути використані в якості базисних вейвлет функцій. При цьому опорний сигнал ШІМ (рис.  а, в, д, ж) формується за допомогою введення дискретних зсувів вздовж вісі t.

В наслідок того, що опорні сигнали є функцією часу й частоти значення коефіцієнта заповнення вихідних імпульсів перетворювача також є функцією двох змінних i й q (і – номер періоду опорного сигналу; q – масштабуючий параметр, що вказує на поточну частоту) і являє собою поверхню (рис.  а) подібну до вейвлет поверхні, отриманої для синусоїдної модулюючої напруги при використанні трикутної базисної функції (рис.  б). Це дає змогу розраховувати коефіцієнти заповнення імпульсів з вейвлет коефіцієнтів шляхом нормування значень вейвлет коефіцієнтів.

Використання пилкоподібної базисної функції дозволяє отримати вейвлет поверхню (рис.  в), характер зміни значень коефіцієнтів якої з часом відповідає характеру зміни похідної функції модулюючої напруги. Дані вейвлет коефіцієнти використовуються для визначення оптимальної частоти комутації вентилів перетворювача у відповідності до швидкості зміни модулюючої напруги.

Рис. (рисунок видалено)

При цьому, запропонована в якості критерію оптимальності, середньоквадратична помилка теж залежить від номеру періоду опорного сигналу (і) й частоти (q) і для формування синусоїдного сигналу методом ШІМ І визначається з виразу:

де ; ;  – кількість частот, що розглядаються; – значення помилки на і-му періоді опорного сигналу q-ї частоти.

Проведений порівняльний аналіз поверхонь середньоквадратичної помилки при різних видах ШІМ показав, що існує область де можливе зниження частоти комутації вентилів (на рис. позначена літерою А) при незначному збільшенні значення середньоквадратичної помилки, а також довів, що використання вейвлет перетворення для регулювання частоти комутації вентилів поліпшує якість формування сигналу в середині часового інтервалу в порівнянні із ШІМ(область А на рис.  в при адаптивному регулюванні частоти ширше, ніж при ШІМрис.  а).

Рис. (рисунок видалено)

Значення помилки при ШІМ з адаптивним регулюванням частоти (рис.  в) визначається як:

, (3)

де – вейвлет коефіцієнти, отримані при використанні трикутної базисної функції; – максимальне значення вейвлет коефіцієнтів на даній частоті.

Межі області “зниження частоти” визначаються з вейвлет поверхні, яка формується за допомогою пилкоподібної базисної функції, що дозволяє адаптувати частоту комутації вентилів до характеру зміни модулюючої напруги.

Запропоновано дві функціональні схеми системи керування перетворювачем з симетричною (рис.  а) та несиметричною (рис.  б)

Рис. (рисунок видалено)

базисними функціями, які складаються з наступних блоків: блок вейвлет перетворення (БВП); генератор опорної напруги (ГОН); пристрій синхронізації (ПС); фазо-зсуваючий пристрій (ФСП); формувач імпульсів (ФІ). Схема з використанням симет-ричної базисної функції також містить генератор коефіцієнтів заповнення синусоїдного сигналу (Гsin) та комутуючий елемент (КЕ). В той час як в схемі з використанням несиметричної базисної функції присутня схема порівняння (СП), яка розраховує значення коефіцієнтів заповнення вихідних імпульсів методом ШІМ. Реалізація мікропро-цесорної системи керування дозволяє поєднати обидві схеми і дає можливість уникнути розробки спеціалізованих блоків вейвлет перетворення та генераторів опорної напруги.

У четвертому розділі запропоновано алгоритми функ-ціонування системи керування на основі безперервного та дискет-ного вейвлет перетворення і проведено моделювання роботи автономного інвертора напруги та фільтро-компенсуючого пере-творювача з використанням прикладних програм Maple, MatLab.

Реалізація методів керування вентильними перетворювачами з використанням вейвлет пере-творення можлива в два етапи. На першому етапі виконується аналіз моделюючої напруги. Визна-чається наявність спотворень та їх частотні й часові параметри. На другому етапі, при використанні несиметричного базисного верв-лету, в системі керування форму-ється опорний пилкоподібний сигнал з частотою, що змінюється

у відповідності до характеру зміни моделюючої напруги й часового положення спотворень. На основі отриманого пилкоподібного сигналу методом ШІМ ІІ формуються імпульси керування вентилями. При використанні симетричного базисного вейвлета в системі керування по отриманим на першому етапі вейвлет коефіцієнтам визначаються коефіцієнти заповнення та формуються імпульси керування вентилями.

Рис. (рисунок видалено)

Алгоритм роботи адаптивної системи керування з використанням безперервного вейвлет перетворення з несиметричним базисом наведено на рис. . Реалізація цього алгоритму при моделюючій напрузі (рис.  а) призводить до формування часових залежностей частоти комутації вентилів (рис.  б) та вейвлет коефіцієнтів (рис.  в), поєднання яких дає функцію кривої в тривимірному просторі, що позначена на рис.  г цифрою 2

Рис. (рисунок видалено)

Значення отриманої функції належать вейвлет поверхні (на рис.  г позначеній цифрою 1), побудованій для модулюючої напруги (рис.  а), і є траєкторією руху “робочої точки” системи керування. Траєкторія руху “робочої точки” системи вказує на те, що реалізована система керування є проміжною між синхронною ШІМ та релейною ШІМ з відслідковуванням.

Алгоритм роботи адаптивної системи керування з використанням дискретного вейвлет перетворення (рис. ) застосовано при моделюванні автономного інвертора напруги в процесі формування квазисину-соїдальної напруги. В результаті моделювання було отримано часові діаграми вихідного струму та напруги автономного інвертора при синхронній ШІМ (рис.  а, б) і при ШІМ з адаптивним регулюванням частоти (рис.  в, г).

Порівняння середньоквадратичної помилки формування напруги при однаковому діапазоні зниження частоти комутації вентилів показало, що реалізація алгоритму керування з використанням дискретного вейвлет перетворення призводить до отримання помилки формування майже в два рази меншої, ніж при синхронній ШІМ.

Рис. , (рисунок видалено)

Проведено моделювання формування синусоїдного струму мережі живлення фільтро-компенсуючим перетворювачем при роботі на некерований мостовий випрямляч з ємнісним навантаженням (рис. 16). Застосування вейвлет перетворення при керуванні фільтро-компенсуючим перетворювачем дозволяє

Рис. (рисунок видалено)

розглядати навантаження відносно мережі живлення як активне завдяки формуванню форми вхідного струму подібної до форми вхідної напруги. На рис. наведено форми струму, що споживається з мережі живлення, при реалізації синхронної ШІМ (рис.  а) та ШІМ з адаптивним регулюванням частоти на основі застосування вейвлет перетворення (рис.  б).

Рис. (рисунок видалено)

Аналіз часових залежностей цих струмів показав, що застосування вейвлет перетворення дозволяє адаптивно змінювати частоту комутації вентилів, що приводить до зниження динамічні втрат на вентилях в безтрансформаторних схемах приблизно на 30при цьому коефіцієнт гармонік споживаного з мережі струму збільшується приблизно на 10

В додатках наведено: в додатку А – програма розрахунку середньоквадратичної помилки формування сигналів при ШІМ ІІ; в додатку Б – програма гармонічного аналізу вихідних сигналів перетворювачів; в додатку В – програма реалізації вейвлет перетворення та побудови вейвлет поверхонь; в додатку Д – програма розрахунку середньоквадратичної помилки формування сигналів при визначенні коефіцієнтів заповнення ШІМ з вейвлет коефіцієнтів; в додатку Е –акти про використання результатів дисертаційної роботи.

висновки

В дисертаційній роботі отримано подальший розвиток спектрально-часового вейвлет аналізу струмів та напруг в перетворювачах з метою його застосування в процесі керування перетворювальними пристроями, що дало змогу адаптувати процес керування до змінних умов роботи перетворювача, та забезпечити підвищення точності формування вихідних сигналів та зменшення динамічних втрат на вентилях.

1. Показано переваги застосування вейвлет перетворення в системах керування вентильними перетворювачами з метою покращення якості керування в наслідок підвищення точності спектрального аналізу струмів і напруг в перетворювачах, завдяки властивості локалізованого базису вейвлет перетворення виявляти при аналізі як спектральні складові досліджува-ного сигналу так і їх зміну в часі.

2. Розроблено методи виявлення та аналізу спотворень струмів та напруг в перетворювачах з використанням перетинів вейвлет поверхні по параметру ф та застосуванням частотно-часового вікна.

3. Вперше запропоновано використовувати в якості базисних функцій вейвлет перетворення розгортуючі функцій широтно-імпульсної модуляції трикутної та пилкоподібної форми, та обчислення коефіцієнтів заповнення вихідних імпульсів перетворювача з вейвлет коефіцієнтів, що дозволяє виключити операцію розв’язання трансцендентних рівнянь при реалізації ШІМ і тим самим підвищує швидкодію системи керування.

4. Проведений аналіз тривимірних залежностей середньоквадратичної помилки від часу та частоти при різних видах широтно-імпульсної модуляції показав, що існують часові інтервали (області “зниження частоти”), де можливе зниження частоти комутації вентилів при незначному збільшенні значення помилки, що призводить до зменшення комутаційних втрат, причому межі області “зниження частоти” визначаються з вейвлет коефіцієнтів, що дозволяє адаптувати частоту комутації вентилів до характеру зміни модулюючого сигналу.

5. Запропоновано алгоритм керування перетворювачами з застосуванням дискретного вейвлет перетворення, що дозволяє регулювати частоту комутації вентилів та корегувати імпульси керування в залежності від характеру зміни модулюючого сигналу та присутніх в ньому спотворень.

6. На моделі системи керування автономним інвертором напруги показано, що реалізація адаптивного алгоритму керування з використанням дискретного вейвлет перетворення призводить до зменшення помилки формування вихідної напруги майже в 2 рази в порівнянні з помилкою, що виникає при синхронній ШІМ, за умови однакових діапазонів зміни частоти в обох методах керування.

7. На моделі мікропроцесорної системи керування фільтро-компенсуючим перетворювачем показано, що застосування вейвлет перетворення для регулювання частоти комутації дозволяє знизити динамічні втрати на вентилях в безтрансформаторних схемах перетворювачів не менше ніж на 30за рахунок зменшення числа комутацій. При цьому забезпечується формування синусоїдного струму мережі живлення, який має нульовий фазовий зсув відносно напруги живлення.

список опублікованих праць за темою дисертації

1. Жуйков В.Я., Ульченко Д.О. Вейвлет анализ сигналов преобразовательной техники // Техническая электродинамика – 2003 – №5 – с.20–24.

Здобувачем проведено вейвлет аналіз форм струмів та напруг, характерних для пристроїв перетворювальної техніки, з використанням синусоїдного базисного вейвлету.

2. Жуйков В.Я., Ульченко Д.О. Использование функций Хаара при вейвлет анализе электрических сигналов // Технічна електродинаміка, тематич. випуск “Силова електроніка та енергоефективність”, 2003, ч.1, с.42-44.

Здобувачем виконано розрахунок вейвлет спектрів напруг перетворювачів з застосуванням функцій Хаара.

3. Жуйков В.Я., Ульченко Д.О. Применение вейвлет преобразования при построении адаптивной системы управления компенсаторами реактивной мощности. // Технічна електродинаміка, тематич. випуск “Проблеми сучасної електроніки”, 2004, ч.6, с.81-84.

Здобувачем виведені залежності середньоквадратичної помилки формування сигналів від часу та від частоти та проведений їх аналіз з метою виявлення оптимального методу регулювання частоти комутації вентилів.

4. Ульченко Д.О. Алгоритм работы адаптивной системы управления корректором коэффициентов мощности с применением вейвлет преобразования // Технічна електродинаміка, тематич. випуск “Силова електроніка та енергоефективність”, 2004, ч.2, с.61-64.

Здобувачем розроблено алгоритм роботи адаптивної системи керування, що дозволяє змінювати частоту комутації вентилів в залежності від характеру зміни модулюючої напруги та присутніх в ній завад.

5. Деклараційний патент України на винахід № А, H02J3/32. Спосіб компенсації реактивної потужності в мережі живлення / В. Я. Жуйков, Д. О. Ульченко (Україна). – №2003109684; Заявлено 28.10.2003; Опубліковано 16.08.2004 Бюл. № .

Здобувачем виконано аналіз характеру зміни помилки апроксимації в часі та розробка функціональної схеми адаптивної системи керування пристроєм компенсації реактивної потужності

АНОТАЦІЇ

Ульченко Д.О. Аналіз сигналів та побудова систем керування перетворювачів на базі спектрально-часових методів. – 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, 2006.

Дисертація присвячена подальшому розвитку теорії керування широтно-імпульсними перетворювачами електричної енергії з використанням спектрально-часових методів аналізу сигналів в перетворювачах.

Проведено аналіз струмів та напруг перетворювачів і запропоновано методи виявлення спотворень форми струмів та напруг на основі вейвлет перетворення, які в подальшому використовувались при побудові систем керування.

Розроблено алгоритми керування широтно-імпульсними перетворювачами з адаптивним регулюванням частоти комутації вентилів, що дозволило знизити динамічні втрати на вентилях в без трансформаторних схемах перетворювачів.

Проведено моделювання роботи автономного інвертора напруги та фільтро-компенсуючого перетворювача з використанням дискретного вейвлет перетворення.

Ключові слова: вейвлет перетворення, асинхронна ШІМ, спотворення, широтно-імпульсні перетворювачі, середньоквадратична помилка.

Ульченко Д.О. Анализ сигналов и построение систем управления преобразователей на базе спектрально-временных методов. – 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, 2006.

Диссертация посвящена разработке методов спектрально-временного анализа сигналов в преобразователях и построению замкнутых систем управления широтно-импульсными преобразователями на основе этих методов.

Среди существующих систем широтно-импульсного управления преобразователями наиболее приспособленными к использованию при изменяющихся условиях работы и при наличии искажений формы токов и напряжений, которые возникают при работе преобразователей и других электротехнических устройств, являются асинхронные, что не позволяет использовать преобразование Фурье для анализа сигналов вследствие их нестационарности и изменяющейся во времени частоты коммутации вентилей преобразователей.

Применение вейвлет преобразования для анализа нестационарных сигналов, благодаря локализированной базисной функции, позволяет не только определить частотный состав сигналов, но и их временные параметры.

Вследствие того, что форма сигналов в преобразователях в основном имеет синусоидальный характер с наличием зон постоянства уровня и резкими перепадами амплитуды, что объясняется импульсным режимом работы преобразователя, в качестве базисных функций вейвлет преобразования целесообразно использовать синусоидальный вейвлет, вейвлет Хаара, WAVE-вейвлет и FHAT-вейвлет, форма которых подобна форме исследуемых сигналов. Применение данных базисных функций приводит к увеличению значения спектральных коэффициентов в интервалах времени, где присутствуют искажения, или осуществляется коммутация вентилей, благодаря чему упрощается анализ этих искажений.

Проведенный анализ сигналов, форма которых является характерной для токов и напряжений в преобразователях, позволил выделить следующие методы вейвлет анализа: 1) для определения моментов коммутации и моментов появления искажений требуется расчет только сечений вейвлет поверхности на высоких частотах, что сокращает время анализа; 2) при необходимости выявления характера искажающего сигнала и определения его частотных и временных параметров необходимо использовать частотно-временное окно, которое позволяет изучать как общие крупномасштабные свойства, так и мелкие локализированные во времени составляющие; 3) применение гладких базисных функций, таких как синусоидальный вейвлет и WAVE-вейвлет, позволяет более точно выявлять гармонические колебания и определять их частоту, в то время как применение вейвлета Хаара и FHAT-вейвлета дает более высокую точность в определении временных параметров сигналов.

С целью упрощения структур систем управления с использованием вейвлет преобразования было предложено применять развертывающие функции широтно-импульсной модуляции в качестве базисных функций вейвлет преобразования. При этом было выявлено аналогию между вейвлет поверхностью и поверхностью коэффициента заполнения выходных импульсов преобразователя, что позволило производить расчет коэффициента заполнения из вейвлет коэффициентов.

Анализ трехмерных поверхностей среднеквадратической ошибки аппроксимации, которые были получены при различных методах ШИМ, показал, что существуют временные области, в которой возможно понижение частоты коммутации вентилей при незначительных увеличения ошибки аппроксимации, что приводит к снижению динамических потерь на вентилях. Вследствие подобия характеров изменения значений среднеквадратической ошибки и значений вейвлет коэффициентов, полученных при использовании пилообразной базисной функции, было предложено определять границы области “понижения частоты” из вейвлет коэффициентов, что позволило адаптировать частоту коммутации вентилей к характеру изменения модулирующего напряжения.

Показана целесообразность построения микропроцессорных систем управления, что позволяет реализовать несколько методов формирования коэффициентов заполнения и избежать разработки специализированных блоков вейвлет преобразования и генераторов опорного напряжения, а также повысить адаптивность системы путем изменения законов регулирования в соответствии с условиями работы преобразователя.

Работа алгоритмов функционирования систем управления с использованием вейвлет преобразования продемонстрирована на моделях автономного инвертора напряжения и фильтро-компенсирующего преобразователя. Моделирование процессов показало, что применение вейвлет преобразования в системах управления вентильными преобразователями позволяет снизить динамические потери на вентилях в бестрансформаторных схемах преобразователей за счет адаптивного снижения числа коммутаций и при этом повысить точность формирования выходных сигналов в сравнении со стационарной ШИМ.

Разработанные принципы управления нашли практическое применение в НИИ “ХЭМЗ” (г. Харьков) и на ВАТ “Черниговавтодеталь” (г. Чернигов) при разработке микропроцессорных систем управления широтно-импульсными преобразователями. Кроме того, материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Национальном техническом университете Украины “КПИ” (г. Киев).

Ключевые слова: вейвлет преобразование, асинхронная ШИМ, искажения, широтно-импульсные преобразователи, среднеквадратическая ошибка.

Ulchenko D.O. Signal analysis and designing of control systems of converters based on spectral-time methods. – 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, 2006.

The dissertation is devoted to further development of control theory of pulse-width modulation (PWM) converters of electric power based on time-frequency signal analysis.

The analyse of currents and voltages of converters has been carried out and the methods of the distortions detection in currents and voltages based on wavelet transform has been proposed, which subsequently was used for designing of control systems.

The control algorithms of PWM converters with adaptive control of frequency of the commutation of gates was developed, which made possible to decrease dynamic losses on the gates in converters without transformers.

The simulation of work of the self-excited voltage inverter and filter-compensating converter with using the discrete wavelet transform were carried out.

Key words: wavelet transform, asynchronous PWM, distortion, pulse-width converters, root-mean-square error.