WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи.

Кондратьев Дмитрий Евгеньевич

ТРЁХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С АКТИВНОЙ

КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И

ДВУНАПРАВЛЕННОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре Промышленной электроники Московского
энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Чаплыгин Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Осипов Олег Иванович;

кандидат технических наук

Калугин Николай Георгиевич

Ведущее предприятие:

Федеральное государственное унитарное предприятие головное особое конструкторское бюро «Прожектор»

Защита состоится « 19 » декабря 2008 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-603.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан « » 2008 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета д 212.157.12

кандидат технических наук, доцент

Буре И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство современных потребителей электрической энергии с точки зрения сети являются нелинейными нагрузками, что приводит к искажению формы потребляемого из сети тока. Кроме того, они способны генерировать или потреблять реактивную мощность. Современные международные стандарты (IEC 61000-3, IEEE 519-1992) и национальные стандарты развитых европейских стран на качество электрической энергии содержат нормы по гармоникам потребляемого тока. В этой связи с целью повышения коэффициента мощности для питания такого рода потребителей стали применяться различные фильтры и выпрямители с коррекцией коэффициента мощности.

Существует большой класс потребителей, для питания которых требуется регулируемое стабилизированное постоянное напряжение (ток) и возможность реверсирования по току (напряжению). К таким потребителям относятся электроприводы (асинхронные, синхронные, вентильные), на долю которых приходится более чем 60% всей энергии, производимой в промышленно развитых странах, инверторы в преобразователях частоты сети 50 Гц в 60 Гц и т.д. Наиболее популярной схемой преобразователя с коррекцией коэффициента мощности, применяемой для питания такого рода устройств, стали схемы трёхфазного активного выпрямителя напряжения (АВН) и активного выпрямителя тока (АВТ). Они состоят из трёхфазного моста, собранного на IGBT транзисторах с обратными диодами и фильтров на стороне переменного и постоянного токов. Эти схемы имеют ряд достоинств:

- двусторонний обмен энергией с сетью;

- близкий к синусоидальному входной ток;

- возможность получения близкого к единице коэффициента мощности;

- регулирование и стабилизация напряжения (тока) на выходе;

При подключении такого преобразователя к сети параллельно с нелинейной нагрузкой, он может выступать в роли активного фильтра. Он может компенсировать неактивные составляющие полной мощности, создаваемые этой нагрузкой, а также симметрировать потребление энергии по фазам, если нагрузка несимметрична.

Однако, несмотря на большой спрос, в промышленных масштабах эти преобразователи выпускаются очень мало. Одной из причин этого является сложность алгоритмов управления этими преобразователями. Выпущено немало работ, предлагающих различные варианты построения систем управления для них. Наиболее распространённой системой управления является система векторного управления с ориентацией по обобщённому вектору напряжения сети и с контуром подчинённого регулирования тока сети. Принципы функционирования и построения такого рода систем хорошо освещены в литературе. Однако по-прежнему малоизученными остаются вопросы синтеза регуляторов для таких систем. В последнее время были разработаны более совершенные алгоритмы управления, более простые для реализации на микропроцессорах и позволяющие улучшить динамические характеристики преобразователя и повысить коэффициент мощности. К таким методам, например, относится метод прямого управления мощностью. Тем не менее, этот метод управления имеет недостатки: высокие требования к быстродействию микропроцессора, переменная частота коммутации, требуется наличие дорогостоящих датчиков напряжения на входе преобразователя. Вопросы синтеза систем управления, использующих такой метод управления, его разработчики почти не рассматривают. В конечном итоге эти сложности проектирования сказываются на цене преобразователя.

Целью работы является исследование и усовершенствование современных алгоритмов управления активными выпрямителями.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

  • Исследованы динамические характеристики АВН и АВТ с векторной системой управления.
  • Исследованы динамические и статические характеристики АВН с системой прямого управления мощностью АВН.
  • Разработан аналитический метод проектирования матриц переключения ключей систем прямого управления мощностью АВН.
  • Исследовано влияние неидеальности напряжений сети на показатели качества АВН при различных алгоритмах управления преобразователем.

Методика исследований базируется на общих положениях теории цепей, теории автоматического управления. В работе используются прямое решение интегро-дифференциальных уравнений, спектральные методы анализа вентильных преобразователей («метод переключающих функций»), метод усредненной составляющей, моделирование в среде Matlab/Simulink, VisSim. Основные вычисления реализованы в базисе MathCad. Проводились эксперименты на макете АВН полной мощностью 1,5 кВА.

Достоверность научных результатов обеспечена сочетанием различных методов математического моделирования, компьютерным моделированием и воспроизведением основных зависимостей на физической модели (макете) устройства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • Разработан нечёткий регулятор напряжения АВН, исследованы динамические характеристики системы управления АВН с этим регулятором, получены его параметры.
  • Разработан регулятор тока векторной системы управления АВТ, работающий на принципе оптимального управления, исследовано влияние параметров регулятора на динамические характеристики преобразователя.
  • Разработана система прямого управления мощностью АВН, замыкающаяся по квадрату напряжения на стороне постоянного тока.
  • Предложена адаптивная таблица переключения ключей для метода прямого управления мощностью АВН.
  • Разработана быстродействующая спектральная модель АВН для случая систем прямого управления мощностью.
  • Найдены алгоритмы управления, позволяющие компенсировать негативное влияние несимметрии и несинусоидальности напряжений сети.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

  • Применение оптимального регулятора тока АВТ позволяет устранить проблемы с устойчивостью САУ АВТ при высоком быстродействии САУ и минимальных затратах энергии в динамических режимах АВТ.
  • Разработанный нечёткий регулятор напряжения позволяет снизить перерегулирование переходных процессов на нагрузке АВН на 5-10% по сравнению с ПИ регулятором при времени переходных процессов меньшем на 5-10%, уменьшить провал напряжения при набросе нагрузки более чем на 30%, ограничить пусковой ток, и при этом данный регулятор не нуждается в дополнительной настройке при изменении параметров силовой схемы.
  • Для АВН с системой прямого управления мощностью выявлены матрицы переключения ключей, обеспечивающие минимальные потери в силовых ключах и наилучший гармонический состав сетевых токов.
  • Предложенная адаптивная матрица переключения ключей для метода прямого управления мощностью АВН позволяет повысить быстродействие САУ АВН, а также снизить пульсации выходного тока и, следовательно, габариты фильтра.
  • Разработана векторная система управления АВН с компенсацией негативного влияния несимметрии и несинусоидальности напряжений сети.

На защиту выносится:

  • Методика синтеза векторной САУ АВН с нечётким регулятором напряжения;
  • Методика синтеза векторной САУ АВТ с регулятором тока, основанном на принципе оптимального управления;
  • Результаты сравнения матриц переключения ключей системы прямого управления мощностью АВН по динамическим характеристикам, гармоническому составу сетевых токов и потерям в силовых ключах.
  • Результаты анализа работы трехфазных ККМ при несимметрии сети и различных способах управления, рекомендации по выбору способа управления и его реализация в системах управления АВН.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в 2006 и 2007 г.г.

Публикации: по результатам работы опубликовано 5 работ: 3 статьи и 2 публикации тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 163 стр. текста, 14 таблиц и 119 рисунков. Список литературы содержит 90 наименований на 9 страницах.

***

Автор с глубокой благодарностью вспоминает покойного профессора Станислава Григорьевича Обухова, который в течение двух лет был его научным руководителем.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В 1 главе дан обзор основных положений теории мощности и основных схем трёхфазных активных корректоров коэффициента мощности. Проводится их классификация по двум основным критериям: числу квадрантов, охватываемых внешней характеристикой преобразователя и величине коэффициента преобразования по напряжению. В проведённом обзоре схем показано, что наименьшим коэффициентом гармонических искажений при минимуме реактивных элементов обладают схемы, в которых в каждой фазе стоит дроссель, ток которого формируется с помощью переключения силовых ключей по определённому закону.

Наиболее распространённой схемой преобразователей такого типа является схема трёхфазного повышающего мостового преобразователя, получившая название активного выпрямителя напряжения (АВН) (рис.1). В электроприводе переменного тока чаще всего применяется схема активного выпрямителя тока (АВТ) (рис.2). Силовые схемы этих преобразователей известны достаточно давно, и за последнее десятилетие принципиальных изменений в их структуре и новых схем преобразователей не появилось. Основные улучшения связаны с использованием новых типов силовых ключей. В связи с этим в данной работе внимание уделено исключительно вопросам построения систем управления АВ.

Системы управления должны решать следующие задачи: регулирование с максимальным быстродействием и стабилизация выходного напряжения преобразователя, обеспечение близкой к синусоидальной формы токов сети и коэффициента мощности, близкого к единице, как в режиме выпрямления, так и в режиме инвертирования.

Рис.1

Рис.2.

Среди современных систем управления АВ можно выделить два основных типа: векторные и системы прямого управления мощностью. В системах векторного управления близкая к синусоидальной форма токов сети обеспечивается любыми видами широтно-импульсной модуляции: следящими, программными, в том числе и векторной ШИМ. Регулирование коэффициента мощности осуществляется путём изменения проекций вектора сетевых токов ic во вращающейся системе координат dq, связанной с вектором напряжения сети uc. Именно поэтому эти системы получили название систем векторного управления. Угол между осями вращающейся и стационарной систем координат равен текущему значению фазного угла вектора напряжения сети (=сt, где с – круговая частота напряжения сети).

Несмотря на столь большую популярность систем векторного управления (сейчас более 80% производителей АВ в рекламных проспектах анонсируют именно этот тип САУ в своих преобразователях) и большое количество публикаций по этой теме, нет единой чёткой методики синтеза векторных САУ АВ. В большинстве литературных источников лишь описывается структура системы, её принцип действия и полученные результаты, но не приводятся алгоритмы, заложенные в свои преобразователи. В некоторых источниках указывается, что система управления синтезирована традиционным для подчинённого регулирования координат методом настройки контуров на технический и симметричный оптимумы и приводятся формулы передаточных функций для ПИ-регуляторов тока и напряжения.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»