Главная » 2014 » Сентябрь » 24 » Скачать Исследование и разработка преобразователя частоты матричного типа для электроприводов переменного тока. Кокорин, Николай бесплатно
9:45 PM
Скачать Исследование и разработка преобразователя частоты матричного типа для электроприводов переменного тока. Кокорин, Николай бесплатно
Исследование и разработка преобразователя частоты матричного типа для электроприводов переменного тока
Диссертация
Автор: Кокорин, Николай Валерьевич
Название: Исследование и разработка преобразователя частоты матричного типа для электроприводов переменного тока
Справка: Кокорин, Николай Валерьевич. Исследование и разработка преобразователя частоты матричного типа для электроприводов переменного тока : диссертация кандидата технических наук : 05.09.12 / Кокорин Николай Валерьевич; [Место защиты: Чуваш. гос. ун-т им. И.Н. Ульянова] - Чебоксары, 2010 - Количество страниц: 158 с. ил. Чебоксары, 2010 158 c. :
Объем: 158 стр.
Информация: Чебоксары, 2010
Содержание:
Введение
Глава 1 Общие положения
11 Введение
12 Обзор современных полупроводниковых преобразователей
121 Двухзвенные преобразователи частоты
122 Непосредственные преобразователи частоты
13 Математическая модель матричного преобразователя
14 Алгоритмы скалярной модуляции
141 Алгоритм Алесиной - Вентарини
142 Оптимизированный алгоритм Вентарини
143 Алгоритм Роя
15 Пространственно-векторная модуляция
151 Понятие пространственного вектора
152 Метод косвенной пространственно-векторной модуляции
153 Метод прямой пространственно-векторной модуляции
16 Выводы
Глава 2 Методы коммутации ключей в матричном преобразователе
21 Введение
22 Топология ключей с двунаправленной проводимостью
221 Ключ на одном транзисторе
222 Ключи на двух транзисторах
23 Анализ существующих методов коммутации ключей
231 Основные правила коммутации51
232 Простые способы коммутации
233 Улучшенные способы коммутации
24 Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей
241 Экспериментальные результаты
25 Алгоритм коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ
251 Коррекция в случае коммутации по току
252 Коррекция в случае коммутации по напряжению
253 Экспериментальные результаты
26 Выводы
Глава 3 Устойчивость системы с матричным преобразователем
31 Введение
32 Анализ принципов модуляции входного тока
321 Понятие вектора модуляции входного тока
322 Влияние неидеальности питающей сети на качество входного тока
323 Анализ входного тока при несбалансированной синусоидальной питающей сети
324 Результаты моделирования
33 Входной фильтр
331 Анализ устойчивости системы с входным ЬС-фильтром
332 Анализ устойчивости системы с входным КЬС-фильтром97 :
333 Результаты моделирования101
34 Цифровая,коррекция системы управления
341 Анализ устойчивости системы с цифровым фильтром
342 Результаты моделирования109, '
35 Выводы
Глава 4 Моделирование и практическая реализация матричного преобразователя
41 Введение
42 Моделирование матричного преобразователя
421 Силовая часть матричного преобразователя
422 Система управления
423 Анализ возникновения напряжения смещения нейтрали
424 Результаты моделирования
43 Практическая реализация экспериментального образца матричного преобразователя частоты
431 Силовая часть матричного преобразователя
432 Микропроцессорная система управления
433 Экспериментальные результаты работы экспериментального образца МПЧ на резистивно-индуктивную нагрузку
434 Применение МПЧ для прямого управления моментом асинхронного электродвигателя
435 Экспериментальные результаты работы электропривода с системой прямого управления моментом и МПЧ
44 Выводы
Введение:
В настоящее время наиболее актуальным становится сокращение количества этапов преобразования электрической энергии на пути от источника до потребителя [2, 8]. Одним из направлений достижения указанной выше тенденции является использование перспективных схем преобразователей частоты (ПЧ) и применение эффективных алгоритмов для их управления.
Одной из наиболее широких областей применения силовой преобразовательной техники является частотно-регулируемый электропривод переменного тока, поскольку он обладает большими потенциальными возможностями оптимизации производственных процессов, роста производительности, экономии трудовых и энергетических ресурсов. В большинстве случаев в них используются двухзвенные полупроводниковые ПЧ, выполненные по схемам «неуправляемый выпрямитель — инвертор» и «управляемый выпрямитель - инвертор» [20]. Преобразователи такого типа являются нелинейными приемниками электрической энергии от сети переменного тока, потребляющими в большинстве случаев значительную реактивную мощность, что существенно снижает их энергетическую эффективность. Кроме того, они вносят значительные искажения в питающую сеть вследствие низкого качества входного тока.
Требования к питающей сети постоянно ужесточаются, что исключает использование простых схем выпрямителей на входе ПЧ. Эти обстоятельства стимулируют использование в их составе входных фильтров, которые частично решают отмеченные выше проблемы, но при этом увеличивают стоимость и ухудшают массогабаритные и динамические показатели. Поэтому особого вни5 мания заслуживают вопросы согласования ПЧ с питающей сетью. Помимо требований по качеству потребляемой электроэнергии, современные ПЧ также должны обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть.
Одним из перспективных направлений уменьшения потребления реактивной мощности из питающей сети при одновременной возможности рекуперации энергии и снижения уровня высших гармоник сетевого тока является применение схем активных ПЧ, использующих в своей схеме полностью управляемые ключи, управление которыми осуществляется релейными или импульс-но-модуляционными методами [7, 16, 20]. С точки зрения схемотехнических решений активные ПЧ можно разделить на две группы:
1. Упомянутые выше двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ), состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН) или тока (АИТ) один из которых работает в режиме выпрямления. В промежуточном звене постоянного тока устанавливается сглаживающий конденсатор для АИН или реактор для АИТ. Наличие громоздкого фильтра в промежуточном звене является одним из наиболее существенных недостатков схем ДПЧ.
2. Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в структуре которых отсутствует промежуточное звено. В настоящее время всё больший интерес вызывает такая разновидность схем НПЧ, как матричный преобразователь частоты (МПЧ) [27-30, 46, 49., 53, 67, 69]. МПЧ, обладая лучшими массогаба-ритными и динамическими показателями, так же как и ДПЧ, представляет собой многомерный объект, который требует использования современных методов управления. Помимо сложности управления, остро стоит вопрос повышения надежности коммутации ключей МПЧ, которая осуществляется более сложно, чем в схемах ДПЧ.
Можно добавить, что развитие современной элементной базы и новые технические возможности дали толчок к развитию новых принципов управления, нереализуемых ранее ввиду своей сложности. Все это позволяет вести разработку экономичных, высокопроизводительных и компактных систем управления.
Цель диссертационной работы заключается в исследовании и реализации перспективных способов управления МПЧ, позволяющих помимо задач регулирования обеспечить электромагнитную совместимость с питающей сетью и улучшить энергетическую эффективность.
Актуальность выбранной цели подтверждается большим числом публикаций в отечественной и зарубежной литературе, посвященных этой проблематике. Для достижения поставленной цели была проведена следующая работа:
1. Разработка математической и имитационной моделей МПЧ, исследование режимов работы и алгоритмов управления.
2. Повышение надёжности коммутации ключей в МПЧ и улучшение качества преобразования электрической энергии.
3. Исследование влияния несимметричности напряжения питающей сети на качество входного тока.
4. Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром.
5. Практическая реализация экспериментального образца МПЧ для регулируемого асинхронного электропривода в составе лабораторного стенда.
Методы исследования базируются на общих положениях теории цепей, методах математического и численного моделирования, линейной алгебре, теории нелинейных и дискретных систем управления и теории цифровой обработки сигналов. Основным методом исследования, примененным в данной работе, является метод математического моделирования. Результаты экспериментальных исследований фиксировались с помощью современных средств измерения. При обработке результатов теоретических и экспериментальных исследований широко применялось современное программное обеспечение.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается как на этапе моделирования разработанных систем, так и многочисленными экспериментальными результатами.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ. 7
2. Способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ.
3. Анализ устойчивости системы с МПЧ и входным фильтром и методика расчёта параметров входного фильтра.
4. Результаты исследований составленных имитационных моделей МПЧ и экспериментального образца.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Разработанный комбинированный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ отличается от известных сочетанием преимуществ 4-х ходовых способов коммутации по току и напряжению.
2. Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ позволяет компенсировать задержку переключения присущую 4-х ходовым способам коммутации.
3. Проведённый анализ устойчивости системы и предложенная методика расчёта параметров входного фильтра используют методы усреднения и линеаризации системы, что облегчает выполнение расчетов.
Практическая ценность заключается в следующем:
1. Разработанный алгоритм безопасной коммутации ключей МПЧ обеспечивает существенное сокращение количества неверных коммутаций и повышает надежность системы в целом.
2. Разработанный способ коррекции ширины управляющих импульсов ШИМ обеспечивает уменьшение искажений в кривых входных и выходных токов и напряжений.
3. Установленные зависимости максимальной выходной мощности МПЧ и максимального коэффициента передачи напряжения от параметров входного фильтра позволяют оценить устойчивость системы и рассчитать необходимые параметры входного фильтра.
4. Разработанные имитационные модели системы позволяют проводить исследования работы МПЧ при изменении параметров силовой схемы в режимах потребления и рекуперации, а также алгоритмов модуляции.
5. Реализованный в лабораторных условиях экспериментальный образец МПЧ может быть использован для дальнейших исследований.
Практическая реализация результатов работы:
1. Созданные имитационные модели МПЧ позволяют проводить исследования в статических и динамических режимах работы при различных алгоритмах управления с возможностью изменения параметров питающей сети, входного и выходного фильтров, регуляторов и нагрузки.
2. Результаты исследований диссертационной работы нашли практическое применение при разработке экспериментального образа МПЧ и регулируемого электропривода на его базе мощностью 4 кВт, обеспечивающего синусоидальность сетевого тока, рекуперацию электрической энергии в питающую сеть и регулирование входного коэффициента мощности.
3. Разработаны алгоритмы управления и отлажена рабочая программа для микропроцессорной системы управления на базе микроконтроллера TMS320F28335 фирмы Texas Instruments и программируемой логической интегральной схемы МАХ3000 фирмы Altera.
Структура диссертации
Диссертация разделена на четыре главы, каждая глава посвящена отдельному вопросу и затрагивает необходимые для его решения области знаний.'