Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 65-52:681.325.5

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ С ОПТИМАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Лебеденко Ю.А.

Постановка проблемы

Для приведения в действие механизмов  машин на производствах широко применяется асинхронный электропривод в силу ряда преимуществ. Использование управляемых асинхронных приводов позволяет уменьшить потребляемую мощность, улучшить динамические характеристики привода. Одной из важнейших подсистем в таких приводах является силовой частотный преобразователь, качеством преобразования которого в значительной мере определяется эффективность управления. Поэтому в настоящее время увеличиваются требования как к самим электроприводам переменного тока с точки зрения быстродействия, так и к преобразователям частоты с целью повышения электромагнитной совместимости их как с нагрузкой, так и с питающей сетью, улучшения массогабаритных показателей, увеличения надёжности и т.п.. Решение этих проблем возможно с помощью непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), построенных на полностью управляемых силовых полупроводниковых ключах с импульсно-модуляционными алгоритмами управления.

Анализ последних исследований и публикаций

Традиционно частотные преобразователи для электроприводов строятся по схеме со звеном постоянного тока. Такие решения просты и зарекомендовали себя с лучшей стороны. Также некоторое распространение получили непосредственные преобразователи частоты (циклоконверторы) [1, 2]. Последние выгодно отличаются высоким коэффициентом полезного действия, возможностью реализации рекуперации, низкой реактивной мощностью за счет отсутствия фильтрующих элементов. Непосредственные преобразователи, тем не менее, распространены реже, ввиду ряда недостатков: выходная частота преобразователя должна быть меньше частоты питающей сети, невозможно плавное регулирование частоты, преобразованное напряжение имеет низкое качество. Кроме того, при работе на индуктивную нагрузку такой преобразователь становится источником шумов для питающей сети, причем частота этих шумов меняется в зависимости от генерируемой частоты, т.е. отфильтровать их обычным способом (при помощи входного фильтра) не представляется возможным.. Решение этих проблем возможно с помощью непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), построенных на полностью управляемых силовых полупроводниковых ключах с импульсно-модуляционными алгоритмами управления. Для улучшения качества преобразованного напряжения используются замкнутые системы управления преобразователем частоты [3]. Однако, подобные системы не исключают появление шума в сети, обусловленного работой НПЧ.

Цель статьи

Анализ возможностей создания непосредственного преобразователя частоты, обеспечивающего минимальный уровень ошибки управления при минимуме шума во входной цепи.

Основной материал

Сформулируем задачу. Пусть имеется обобщенный преобразователь, на вход которого поступает питающее n-фазное напряжение фиксированной частоты и амплитуды, а с выхода которого в нагрузку подается m-фазное напряжение с переменными параметрами, задаваемыми уставкой. Обозначим вектор входных напряжений , а выходных - .

Вектора входного и выходного напряжений связаны матрицей переключательных функций размерностью :

(1)

Необходимо определить такую матрицу переключательных функций , доставляющую минимум функционала

 

,

(2)

где  - вектор необходимых преобразованных напряжений, при ограничениях:

.

(3)

Таким образом, поставленную задачу можно свести к задаче Лагранжа. Вводим вспомогательную функцию вида

,

(4)

где  - неопределенный множитель Лагранжа

(5)

 

Для определения матрицы  необходимо минимизировать функционал вида

В работе [4] , была показана принципиальная возможность существования такого решения при отсутствии ограничения по входному току. Схема моделирования преобразователя с однофазным выходом, осуществляющего поиск минимума интегральной ошибки преобразованного напряжения, представлена на рис.1.

 

 

Рис. 1 Схема моделирования преобразователя частоты

 

Здесь высокое качество напряжения достигается путем коммутации нагрузки между двумя выбранными активными фазами, причем моменты коммутации определяются моментами превышения интегральной ошибки определенной величины. Активные фазы (то есть те, между которым происходит коммутация) определяются, аналогично, как и в выпрямителях, как фазы с наибольшим и наименьшим значением напряжения.

Было проведено моделирование такого преобразователя при работе на асинхронный двигатель. В результате моделирования получены следующие результаты.  На рис. 2. приведена осциллограмма напряжения и тока на выходной фазе, а на рис.3 – спектр мощности выходного тока.

 

Рис. 2 Осциллограммы выходного напряжения и тока при коммутации максимального фазового значения

 

Как видно из рисунка, форма тока в нагрузке практически синусоидальна с незначительным уровнем шума.

Для спектрального анализа учтем то, что в силу стохастичности исходных данных, представляющих сумму полезного сигнала и шума, сами вычисленные значения спектра Фурье носят также случайный характер, и вместо них надо применять так называемые спектры мощности (или, по-другому, энергетические спектры.

На рис. 3 показан спектр мощности выходного тока.

 

Рис. 3 Спектр мощности выходного тока при коммутации максимального фазового значения

На рис. 4 приведена осциллограмма тока одной входной фазы, а на рис. 5 – его спектр мощности.

 

 

 

Рис. 4 Осциллограмма входного тока преобразователя при коммутации максимального фазового значения

 

 

Рис. 5 Спектр мощности входного тока преобразователя при коммутации максимального фазового значения

 

 Видно, что входной ток сильно зашумлен, в нем, кроме основной частоты питающей сети присутствует также частота преобразованного напряжения и различные высокочастотные составляющие. Как видно из осциллограммы входного тока, имеются участки, на которых фаза не нагружается вовсе, хотя, возможно, что существующего на данных участках ресурса было бы достаточно для формирования одной из выходных фаз.

Действительно, логика выбора активных фаз соответствует логике работы выпрямителя, как в преобразователях со звеном постоянного тока.

В преобразователях со звеном постоянного тока вектор входных напряжений превращается в два этапа: сначала из системы входных фаз с помощью выпрямителя (который можно рассматривать как преобразователь с матрицей переключающих функций НВ размерностью ) превращается в скаляр, а потом, благодаря инвертору (который имеет матрицу НИ размерностью ), формируется система исходных фаз. Таким образом,

.

 

 

 

Высокое качество напряжения можно обеспечить, изменяя составляющую НИ, а снижение уровня шумов на входе – за счет изменения НВ, то есть алгоритма выбора фаз.

Возможность варьирования компонентов переключательной матрицы НВ объясняется тем, что для формирования выходного напряжения преобразователя каждую фазу нагрузки необходимо перекоммутировать между любой фазой, напряжение на которой превышает требуемое значение и любой фазой, напряжение на которой меньше требуемого значения.

Для равномерной загрузки фаз предлагается следующая стратегия формирования выходного напряжения: выходное напряжение формируется из отрезков входного напряжения путем коммутации на соответствующую выходную фазу входной фазы с напряжением, значение которого является ближайшим большим по сравнению с заданным напряжением уставки при достаточном ресурсе управления. При недостатке ресурса выходное напряжение формируется за счет модуляции абсолютного большего из фазных напряжений.

Согласно предлагаемой стратегии, коммутатор фаз работает следующим образом:

·                    Анализируются мгновенніе амплитуды фазных напряжений;

·                    Если имеется несколько фаз, напряжение на которых превышает заданное, то выбирается наименьшее из них (то есть ближайшее большее);

·                    Если напряжение превышает заданное только на одной фазе, то в коммутации учавствует только она;

·                    Если нет ни одного фазного напряжения, превышающего по амплитуде заданное значение, то выбирается максимальное из фазных напряжений (случай нехватки ресурса управления).

Результаты моделирования приведены на рис.6-9

 

 

Рис. 6 Осциллограммы выходного напряжения и тока при коммутации ближайшего фазового значения

 

Рис. 7 Спектр мощности выходного тока при коммутации ближайшего фазового значения

 

На рис. 8 показана временная диаграмма загрузки одной из входных фаз. Как видно из рисунка, фаза является востребованной, то есть участвует в формировании выходного напряжения почти постоянно, что обеспечивает снижение шума со входа преобразователя на источник питания, что подтверждается спектром на рис. 9.

 

Рис. 8 Осциллограмма входного тока преобразователя при коммутации ближайшего фазового значения

 

 

Рис. 9 Спектр мощности входного тока преобразователя при коммутации ближайшего фазового значения

Выводы:

1.                  Разработан алгоритм оптимального управления высокочастотным непосредственным преобразователем частоты, обеспечивающий формирование выходного напряжения, минимально отличающегося от напряжения задания, при заданном токе и частоте.

2.                  Как видно из сравнения результатов моделирования (рис. 5 и 9), применение предлагаемой стратегии коммутации силовых вентилей непосредственного преобразователя частоты позволяет значительно снизить уровень высоких гармоник в преобразованном напряжении и шумов со входа преобразователя на источник питания. По сравнению с коммутацией максимального значения напряжения, спектр мощности основной гармоники входного тока преобразователя увеличивается в 4 раза.  Высокий уровень во входном токе имеют также гармонические составляющие, лежащие в области более высоких частот, однако их фильтрация не является сложной задачей.

3.                  При реализации управления необходимо учитывать характер и параметры нагрузки, поскольку они оказывают влияние на качество работы преобразователя. В наибольшей степени это касается фазового сдвига между током и напряжением на нагрузке. Это нисколько не ограничивает возможности применения данного метода, поскольку определение фазового сдвига не является я сложной задачей.

4.                  Данный метод может применяться в различных областях, для питания частотно-регулируемых асинхронных приводов технологических установок, где необходимо регулирование в широких пределах скорости вращения или момента на валу, и в то же время недопустимы биения ротора и влияние преобразователя на сеть.

 

The questions of development of optimal commutation strategy in cycloconverters are discussed.

 

1.                  Непосредственные преобразователи частоты для электропривода / Чехет Э.М., Мордач В.В., Соболев В.Н. – К.: Наукова думка, 1988. – 222 с.

2.                  Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 400 с.

3.                  Замкнутые системы преобразования электрической энергии / В.Я. Жуйков,. И.Е. Коротеев, В.М. Рябенький и др.; под ред. В.Я Жуйкова. – К.: Тэхника; Братислава: Альфа, 1989. – 320 с.

4.                  Лебеденко Ю.О. Оптимальне управління безпосереднім перетворювачем частоти // Матеріали 10-ої міжнародної конфе-ренції по автоматич-ному управлінню „Автоматика-2003” м. Севастополь, 15-19 вересня 2003 р. – Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2003. – Т.3 - С. 18.

 

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Читайте также

 
Лебеденко Ю.О. Оптимальне управління безпосереднім перетворювачем частоти за критерієм мінімізації негативного впливу на живильну мережу

Лебеденко Ю.О., Рудакова Г.В. Модель нечіткого виводу для оптимального управління перетворювачем частоти в системах автономного живлення

Чернецкая И.Е., Исаев Е.А., Лебеденко Ю.А. Система автоматической оптимизации окомкования железорудного концентрата в условиях ЦГОКа

Завальнюк И.П. Исследование процесса торможения автомобиля как критического режима динамической системы

АПУ к разделу "62"

53 Физика

68 Различные отрасли промышленности и ремесла, производящие конечную продукцию. Точная механика

62 Инженерное дело. Техника в целом

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Фанина Л.А., Бражник Д.А. Использование метода компенсации информационных потоков при построении систем управления с речевым интерфейсом

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В., Полищук И.А. Математическое моделирование систем автоматического регулирования с учетом ограничений на управление в пакете Matlab

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С., Якимчук С.Г. Изучение электрического поля с помощью датчика измерителя электростатического потенциала на модели замкнутого металлического объема

Полякова М.В. Определение границ сегмента упорядоченной текстуры на изображении с однородным фоном с помощью многоканального обнаружения пачки импульсов.

Кириллов О.Л. , Якимчук Г.С. Моделирование процесса управления системой перегрузки углеводородных жидких топлив

Оптимальное управление объектами и системами

Бойченко О.В. Оптимізація роботи інформаційно-телекомунікаційних систем спеціального призначення

Тимченко В.Л. Формирование динамических принципов управления подвижным объектом на основе метода структурно ― переключаемых обратных связей

Лебеденко Ю.О., Рудакова Г.В. Модель нечіткого виводу для оптимального управління перетворювачем частоти в системах автономного живлення

Ладанюк А.П., Кроніковський Д.О. Екстремальна адаптивна система з непараметричною ідентифікацією та багатопараметричним регулятором

Ладієва Л.Р., Дубік Р.М. Оптимальне керування процесом контактної мембранної дистиляції

Писаренко А.В., Дробот І.Ю. Алгоритм синтезу систем зі змінною структурою у ковзному режимі

Погребняк И.Ф. Формализация проблемы управления организационными системами в условиях неопределенности

Батюк С.Г., Олійник С.Ю. Методика оптимальної фільтрації даних температурного контролю турбогенераторів в умовах значних промислових перешкод.

Дорогов А.Ю., Лесных В.Ю., Раков И.В., Титов Г.С. Алгоритмы оптимального движения мобильных объектов по пересеченной местности и транспортной сети

Михайленко В.С., Ложечников В.Ф. Сравнительный анализ комплексного и нечеткого регуляторов при управлении многомерным объектом

Бакшанська Т.Д., Рижиков Ю.Г., Тодорцев Ю.К. Мінімізація токсичності продуктів згорання та втрат теплоти у топкових пристроях з рециркуляцією продуктів згорання на основі узагальненого критерію оптимізації

Луцька Н.М., Заєць Н.А., Ладанюк А.П. Синтез та порівняння багатовимірних регуляторів для колонної дифузійної установки цукрового заводу.

Корнієнко Б.Я., Снігур О.В. Оптимізація параметрів процесу зневоднення і гранулоутворення в апараті псевдозрідженого шару

Ладієва Л.Р., Зав'ялова Т.П. Оптимізація плівкового апарату роторного типу за максимальною продуктивністю

Лебеденко Ю.О. Оптимальне управління безпосереднім перетворювачем частоти за критерієм мінімізації негативного впливу на живильну мережу

Тарасюк В.П., Алдохіна А.С. Основні положення методики побудови оптимального розкладу управління обладнанням паралельних технологічних процесів на основі експертних оцінок.

Стопакевич А.А. Новые соотношения для синтеза цифровых оптимальных одномерных систем управления для объектов с запаздыванием.

Ладієва Л.Р.,. Жулинський О.А Оптимізація установки контактної мембранної дистиляції.

Батурінець Є. В., Пасенченко Ю. А. Управління матеріальними запасами з обмеженнями на складські приміщення

Смітюх Я.В., Кишенько В. Д. Оптимізація управління процесами брагоректифікації.

Рябкин Ю.В, Карнаух В.В. Квазиоптимальная обработка коротких радиоимпульсов в акустооптическом спектроанализаторе.

Песчанский А.И. Оптимальное техническое обслуживание двухкомпонентной параллельной системы с учетом наработки каждого элемента.

Исаев Е.А., Чернецкая И.Е., Завальнюк О.П. К вопросу принятия решений при оптимизации гранулирования рыбной муки в барабане.

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С. Оптимальное управление технологическим процессом заполнения слабопроводящими заряжающимися жидкостями (СПЗЖ) замкнутых объемов.

Водічев В.А. Порівняльний аналіз швидкодії алгоритмів керування у системі оптимізації технологічного процесу металообробки.

Поливода О.В., Бражник А.М. Метод компенсации ошибок идентификации при оптимальном управлении

Марасанов В.В., Забитовская О.И., Щербина Е.В. Энтропийные методы оптимизации гравитационных моделей.

Балтовский А.А. Синтез оптимального закона управления большой системой на основе композиции локальных оптимальных решений

Луцька Н.М. Синтез оптимальних регуляторів для систем автоматизації технологічних комплексів неперервного типу.

Кондратенко Г. В., Кондратенко Ю. П., Мухортова К. В. Синтез нечетких регуляторов на основе объектно-ориентированных технологий.

Чернецкая И.Е., Исаев Е.А., Лебеденко Ю.А. Система автоматической оптимизации окомкования железорудного концентрата в условиях ЦГОКа

Червинський В.В., Бессараб В.І. Ієрархічна система оптимального управління установкою з газифікації вугілля методом напівкоксування з циркулюючим киплячим шаром

Усов А. В., Дубров К. А. Оптимизация  и управление термомеханическими процессами при получении феррокерамических изделий для отклоняющих систем

Кучеров Д.П. Алгоритм обучения субоптимальному по быстродействию управлению динамической системой второго порядка без нулевых полюсов

Ладанюк А.П., Луцька Н.М., Лобок О.П. Розробка багатовимірних оптимальних регуляторів для об'єктів одного класу.

Маломуж Т.В. Оптимальное управление на основе интеллектуальных систем

Марончук И.Е., Кучерук А.Д., Данилец Е.В., Ерохин С.Ю., Чорный И.В. Опти-мизация двухкоординатных позиционно-чувствительных фотоприемников.