Федоров Сергей Витальевич. Устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом

Краткое описание

Федоров Сергей Витальевич. Устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом: диссертация ... кандидата технических наук: 05.13.05 / Федоров Сергей Витальевич;[Место защиты: Уфимский государственный авиационный технический университет].- Уфа, 2015.- 171 с.

ФГБОУ ВПО
«Уфимский государствен
На правах рукописи
ФЕДОРОВ Сергей Витальевич
УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ
ФУНКЦИЙ УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА МАТРИЧНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ
ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Специальность 05.13.05
Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Рогинская Л. Э.
Уфа-2015
Введение 5
Глава 1 Современное состояние и перспективы развития систем управления преобразователями частоты 12
1.1 Обзор современных полупроводниковых преобразователей 12
1.2 Непосредственные преобразователи частоты 13
1.3 Принцип формирования выходного напряжения системами управления
НПЧ 17
1.3.1 Способ слежения за эталонным синусоидальным напряжением 18
1.3.2 Прямое преобразование частоты 22
1.3.3 Недостатки устройства формирования переключающих функций МПЧ
с прямым преобразованием частоты 34
1.3.4 Способ ШИМ в системах управления матричными преобразователями
частоты 35
1.3.5 Недостатки устройства формирования переключающих функций
системы управления МПЧ с ШИМ 43
1.4 Выводы 44
Глава 2 Разработка имитационной модели выходного напряжения МПЧ 46
2.1 Математическое описание выходного напряжения МПЧ 46
2.2 Определение моментов переключения двухпроводных ключей 50
2.2.1 Определение времени переключения с линейными
синхронизирующими кривыми 51
2.2.2 Определение времени переключения с синусоидальными
синхронизирующими кривыми 54
2.3 Последовательность значений выходных частот преобразователя 58
2.4 Алгоритм формирования выходного напряжения системой управления
матричных преобразователей 59

ШИМ 72
2.6 Выводы 75
Глава 3 Спектральный анализ выходного напряжения матричных преобразователей частоты 76
3.1 Разложение в ряд Фурье выходного напряжения матричных
преобразователей частоты при «-фазном входном 76
3.2 Разложение в ряд Фурье выходного напряжения матричных
преобразователей частоты при 3-фазном входном 79
3.3 Спектральный состав выходного напряжения трехфазно-трехфазного
МПЧ с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты 81
3.4 Спектральный состав выходного напряжения «-фазно-трехфазного МПЧ
с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты 88
3.5 Спектральный состав выходного напряжения трехфазно-трехфазного МПЧ с двухтактной схемой подключения и системой управления на
основе прямого преобразования частоты 96
3.6 Анализ гармонического состава выходного напряжения, формируемого
системой управления МПЧ на основе ШИМ 98
3.7 Влияние алгоритмов работы устройства формирования переключающих
функций системы управления на качественные показатели МПЧ 102
3.8 Выбор алгоритма модуляции устройства формирования переключающих
функций системы управления 112
3.9 Выводы 118
з
Глава 4. Устройство формирования переключающих функций системы
управления МПЧ на основе амплитудной модуляции 120
4.1 Способ формирования выходного напряжения МПЧ на основе
амплитудной модуляции 120
4.2 Гармонический анализ выходного напряжения МПЧ на основе
амплитудной модуляции 128
4.3 Разработка устройства формирования переключающих функций системы
управления МПЧ на основе амплитудной модуляции 131
4.3.1 Блок квантования и записи эталонного модулирующего напряжения.... 131
4.3.2 Идентификация ступеней, формируемых входными
двенадцатифазными сигналами 138
4.4 Выводы 156
Заключение 157
Список литературы 159
4 
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день достижения в науке и технике привели к тому, что управляемый электропривод является основой всех используемых приводных устройств. Электропривод обеспечивает высокие показатели работы технологических механизмов и, как следствие, качество технологических процессов. В качестве одного из элементов электропривода, преобразующего электрическую энергию в механическую, используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Анализ использования асинхронных двигателей для управления технологическими процессами на предприятиях Российской Федерации показывает, что их количество составляет в среднем 135 миллионов единиц. Потребление электроэнергии, используемое данными двигателями составляет 60 % от всех потребителей. Из них 70 % асинхронных двигателей используются в энергоемких отраслях промышленности.
Массовость использования асинхронных электроприводов требует разработки для них энергоэффективных режимов работы. Применение энергоэффективных режимов работы асинхронных электроприводов позволяет уменьшить энергопотребление на 6 ТВт-ч. Экономия выраженная в денежном эквиваленте при этом составит более 12 миллиардов рублей в год.
В настоящее время проблема создания энергоэффективных асинхронных электроприводов связана с проблемой синтеза выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением такого показателя качества, как коэффициент гармоник.
За формирование выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода отвечает такой элемент системы управления электропривода, как устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты [1, 12, 22, 24, 60-63, 73,78,81,99,100].
5
Л *
•T, <
-1 M ’ » v '
мк M ft ■% * >
„ л % * ,
>* < лл і
МіЧ¬
}
,1 ;>■ - V ч л, и f '» ” * і Л'.Л 1 ,, " i'L І >f У<м
: Л, Устройство,сформирования переключающих'(функции является;основным-, /ц,
<‘Y.V н-'УМ'з f?'4; - • ’’Vi'**<.♦ о м " v' v* /" vr Г,/н ^ У
элементом, обеспечивающим синтез выходного синусоидального напряжения ‘ системы частотного управления электропривода.
В современных системах управления устройства формирования переключающих функций имеют однотипную структуру, состоящую из трех идентичных каналов. Основой данных каналов является элемент сравнения. Работа устройства основана на сравнении модулирующего и синхронизирующего сигналов, в соответствии с определенным алгоритмом.
Структура современного устройства, а также алгоритмы формирования переключающих функций, основанные на сравнении сигналов, не позволяет получать выходное синусоидальное напряжение системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением такого показателя качества, как коэффициент гармоник. В свою очередь развитие современных электронных компонентов привело к возникновению новых принципов управления, которые не могли быть реализованы до недавнего времени. Это дает возможность вести разработку систем управления, позволяющих снизить значение коэффициента гармонических составляющих.
Несинусоидальность выходного напряжения системы частотного управления электропривода приводит к возникновению высших гармоник. При этом высшие гармоники обратной последовательности создают тормозной момент асинхронного двигателя. Высшие гармоники прямой последовательности - полезный момент двигателя, а гармоники нулевой последовательности создают пульсирующее поле.
В результате, высшие гармоники выходного напряжения системы частотного управления приводят к потерям электроэнергии в асинхронном двигателе. Происходит перегрев асинхронного двигателя, уменьшается полезный момент и возникают существенные помехи в электрической сети.
Поэтому улучшение качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода путем уменьшения коэффициента гармоник является актуальной задачей.
б

Г. В. Грабовецкий, JI. А. Рутманис, Р. Т. Шрейнер, А. А. Ефимов, А. Г. Народицкий, Е.Е. Чаплыгин, L. Gyugyi, В. R. Pelly.
Работа выполнена в рамках НИОКР № 115011460049 от 14.01.2015 «Устройство формирования переключающих функций системы управления матричным преобразователем частоты» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» филиал в г. Кумертау.
Целью диссертационной работы является разработка устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, позволяющего синтезировать синусоидальное выходное напряжение системы частотного управления электропривода с существенным снижением значения коэффициента гармоник.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка алгоритма формирования, а также компьютерных
имитационных моделей выходного напряжения системы частотного управления электроприводом, позволяющих осуществлять его
гармонический анализ.
2. Формирование зависимостей коэффициентов гармонических составляющих сигналов от частоты для определения возможности улучшения качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода.
3. Разработка способа формирования переключающих функций
обеспечивающего синтез выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.
4. Разработка устройства формирования переключающих функций
управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.
' 1 It T»VI|J ' • '• 1 * '► ' *'• H .1 , V /S-.W* ■» ,, _$•4:.V> V’t'f
Методологическая^ ;'база •■. и;, методы« исследования.< Для\% решения:t.;
ЛЙЧ v’>. M‘.
поставленных задач использовались' методы математического и имитационного моделирования, ряды Фурье, аналитические и численные методы анализа с использованием ЭВМ. При разработке компьютерных имитационных моделей был использован пакет «MathCad».
Объектом исследования является устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом, реализующее различные алгоритмы построения выходного напряжения.
Предметом исследования является коэффициент искажения синусоидальности, характеризующий качество выходного напряжения, формируемого системой частотного управления электроприводом.
Научная новизна:
1. На основе компьютерных имитационных моделей выходного напряжения системы частотного управления электроприводом было доказано, что коэффициент гармоник, независимо от структуры устройства формирования переключающих функций, практически не зависит от частоты. Установлена зависимость среднего значения коэффициента гармоник выходного напряжения системы частотного управления электроприводом от числа фаз входного напряжения матричного преобразователя частоты для устройства формирования переключающих функций с алгоритмом циклического переключения фаз.
2. Разработан способ формирования переключающих функций, обеспечивающий синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода, в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.
3. Разработано устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.

По результатам научных исследований опубликовано 24 печатные работы, в том числе 7 статей в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, 11 публикаций в трудах конференций, получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, содержит 171 страницу машинописного текста, библиографический список из 103 наименований.
Основное содержание работы. Диссертация состоит из 4-х глав, каждая из которых посвящена отдельному вопросу и затрагивает необходимые для его решения области знаний.
Глава 1 - вводная. В данной главе производится обзор современного состояния и перспективы развития устройств формирования переключающих функций систем управления матричными преобразователями частоты, применяемых в электроприводах переменного тока, их достоинства и недостатки. Приводится описание матричного преобразователя частоты, как наиболее перспективного для регулируемых электроприводов переменного тока. Осуществлена систематизация существующих алгоритмов формирования выходного напряжения матричного преобразователя частоты. Приведены примеры функциональных схем устройств формирования переключающих функций систем управления матричным преобразователем частоты с алгоритмом на основе прямого преобразования и широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
В соответствии с выявленными недостатками, связанными с низким качеством выходного напряжения, были сформулированы цели и задачи работы.
В главе 2 для количественного анализа качества выходного напряжения матричного преобразователя частоты на основе математических моделей выходного напряжения для устройств формирования переключающих функций систем управления были разработаны алгоритмы построения выходного напряжения матричных преобразователей с циклическим переключением
ю 
входных фаз'и с помощью, ШИМ. На основе данных алгоритмов были'созданы
. .“л , * ’i U 1 ' і компьютерные имитационные модели выходного напряжения матричных преобразователей частоты.
В главе 3 на основе имитационных моделей выходного напряжения, полученных во второй главе, была проведена оценка качества данного напряжения, формируемого устройствами, рассмотренными в первой главе.
В качестве критерия оценки алгоритмов модуляции, отражающего качество выходной электроэнергии матричных преобразователей частоты, был выбран коэффициент искажения синусоидальности напряжения согласно ГОСТ 32144-2013. Проведено разложение в ряд Фурье выходного напряжения матричных преобразователей частоты. Составлен алгоритм спектрального анализа выходного напряжения матричных преобразователей частоты. На основе данного алгоритма была создана компьютерная имитационная модель спектрального анализа выходного напряжения матричных преобразователей частоты. Произведен спектральный анализ выходного напряжения. Приведены результаты данного анализа. Была произведена оценка алгоритмов управления МПЧ с позиции коэффициента искажения синусоидальности напряжения. Определено влияние алгоритмов управления на качественные показатели МПЧ
В главе 4 был предложен способ формирования выходного напряжения матричным преобразователем частоты на основе амплитудной модуляции. Разработана схема устройства формирования переключающих функций системы управления матричным преобразователем частоты, позволяющая формировать выходное напряжение в соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013 к значению коэффициента искажения синусоидальности

Список литературы

Выводы
1. Предложен способ формирования выходного напряжения МПЧ на основе
амплитудной модуляции, нереализуемый ранее в непосредственных
преобразователях частоты, к которым относится МПЧ.
2. Способ формирования выходного напряжения матричного преобразователя частоты на основе амплитудной модуляции позволяет получать выходное напряжение следующего качества:
• в области частот от 5,172 Гц и ниже коэффициент гармоник Кг не превышает
8 %. Согласно ГОСТ 32144-2013 нормально допустимое значение
коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения при Сном =380 В составляет 8 %.
• в области частот от 13,636 Гц до 5,357 Гц коэффициент гармоник Кг не
превышает предельно допустимого значения 12 % согласно
ГОСТ 32144-2013. Т.е. не требуется дополнительных средств (например, ШИМ) для улучшения выходного напряжения.
• в области от 50 Гц до 15 Гц коэффициент гармоник Кг изменяется от 16,8 % до
13,1 %, что требует применение ШИМ для смещения гармоник в область высоких частот.
Данный способ позволяет существенно снизить значение коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения МПЧ, а в области низких частот (до 13,6 Гц) получать выходное напряжение требуемого качества согласно требованиям ГОСТ 32144-2013.
3. Разработана схема устройства формирования переключающих функций системы управления МПЧ с алгоритмом на основе амплитудной модуляции, состоящая из отдельных идентичных блоков. Структура, состоящая из отдельных идентичных блоков, позволяет упростить процесс производства и обслуживания устройства. 
В результате проведенных исследований достигнута поставленная цель, заключающаяся в разработке устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, позволяющего синтезировать синусоидальное выходное напряжение системы частотного управления электропривода с существенным снижением значения коэффициента гармоник.
К основным результатам работы можно отнести следующее:
1. Разработан алгоритм, позволяющий производить исследования влияния различных параметров на качество выходного напряжения системы частотного управления электропривода за счет использования математической модели, построенной на основе переключающих функций:
• Предложенный алгоритм формирования сигнала является наиболее адекватным, т.к. он учитывает влияние, как системы управления, так и силовой части преобразователя на его форму, что является более полным отражением влияния параметров на качество выходного напряжения системы частотного управления электропривода.
• Алгоритм позволяет оперативно определить структуру устройства формирования переключающих функций в соответствии с заданным качеством выходного напряжения системы частотного управления электропривода.
• Разработанный алгоритм является универсальными, поскольку позволяет применять его для формирования сигнала различных принципов управления.
2. Установлены следующие возможности принципов управления по улучшению качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода, которые доказывают, что достижение требуемого качества сигнала согласно ГОСТ 32144-2013 возможно только за счет значительного усложнения силовой части преобразователей:
• Устройство формирования переключающих функций с прямым

обеспечивающий синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода на основе амплитудной модуляции. Он позволяет получать сигнал следующего качества:
• в области частот ниже 5,2 Гц коэффициент гармоник Кг не превышает 8 %;
• в области частот от 13,6 Гц до 5,4 Гц Кг не превышает предельно допустимого значения 12 % согласно ГОСТ 32144-2013;
• в области от 50 Гц до 15 Гц Кг изменяется от 16,8 % до 13,1 %, что требует применение ШИМ для смещения гармоник в область высоких частот.
Данный способ позволяет существенно снизить Кг сигнала, а в области
частот до 13,6 Гц получать управляющий сигнал требуемого качества.
4. Разработано устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом с алгоритмом на основе амплитудной модуляции, состоящее из отдельных идентичных блоков. Его структура, состоящая из отдельных идентичных блоков, позволяет упростить процесс производства и обслуживания.