Повышение качества электрической энергии бортовой системы генерирования на базе автономного инвертора напряжения

Последние десятилетия в системах генерирования электрической энергии (СГЭЭ) переменного тока для автономных объектов наряду с синхронными генераторами с электромагнитным возбуждением находят все более широкое применение синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. В таких системах при изменении частоты вращения вала первичного двигателя изменяется частота и напряжение на выходе синхронного генератора. Непосредственное использование напряжения генератора с изменяющимися параметрами сопряжено с трудностями, связанными с его трансформацией, выпрямлением на низких частотах, фазовой несимметрией ЭДС обмоток генератора, «мягкостью» сети на зажимах генератора, межфазными наводками, синхронизацией, питанием электродвигателей.

Несмотря на то, что последние годы предпринимаются попытки создания бортовой сети переменного тока с изменяющейся частотой и постоянной величиной амплитудного значения (например, Boeing — 787) доминирующими остаются системы постоянной частоты.

Требования поддержания заданных параметров электрической энергии в системах с синхронным генератором с возбуждением от постоянных магнитов приводят к необходимости использования полупроводникового преобразователя частоты (ПЧ). Силовая схема ПЧ и алгоритмы работы системы управления определяются требованиями как общепринятых стандартов, так и требованиями технического задания на конкретный летательный аппарат.

В качестве нагрузки на борту летательных аппаратов в последнее время используются сложные цифровые вычислительные комплексы, более точное и чувствительное оборудование. Эти потребители предъявляют соответствующие повышенные требования к качеству электроэнергии, выдаваемой СГЭЭ.

Появление новой элементной базы позволяет создавать системы генерирования, которые по техническим характеристикам превосходят имеющиеся системы, построенные на основе механических и электромеханических принципов поддержания заданных показателей электроэнергии. Применение электронных преобразователей позволяет увеличить надёжность и энергоэффективность, СГЭЭ. Использование высокочастотного преобразования позволяет уменьшить, габариты, массу ПЧчто являетсяюдним из основных параметров при проектированиибортовых систем. Современное развитие микропроцессорной техники позволяет расширить сервисные функции, благодаря которым потребитель может принять решение оперативнее и точнее. Например, используя системы генерирования, с самодиагностикой* информативной индикацией, имеющей протоколирование режимов работы, обработку большого количества вариантов аварийных ситуаций, потребитель может скорее, находить неисправности, быстрее выявлять дефектные узлыпроводить. анализ, нештатных ситуаций.

ПЧ' представляет собой, совокупность включённых по определённой' силовой схеме полупроводниковых ключей, и систему управленияформирующую для них импульсы согласно, выбранным законам регулирования:

ПЧ по типу силовой-схемы можно условно разделить, на несколько категорий, которые соотносятся' с развитием* полупроводниковых технологий, и созданной’элементной базой в течение нескольких, десятков лет.

В частности, можно отметить следующие структурные схемы ПЧ [37]: с промежуточным звеном постоянного токас непосредственным преобразованием на базе тиристорного преобразователя частоты (циклоконверторы) — матричные преобразователи (на базе полностью управляемых силовых ключей) — модуляционного типа на базе полупроводникового преобразователя.

Эти структурные схемы могут быть представлены разнообразными схемотехническими решениями. Например, «выпрямитель — зависимый инвертор», «выпрямитель-инвертор», «активный выпрямитель-инвертор"^ матричные преобразователи и др. Каждое из этих решений имеет перед другимшсвои преимущества и недостатки по энергетическим характеристикам, массе и габаритам, стоимости. На выбор схемы и алгоритмов управления ПЧ существенное влияние оказывает область применения СГЭЭ. Однако, последние годы определяющей тенденцией является использование схемотехнических решений ПЧ’На базе полностью управляемых приборов.

Такая схемотехника ПЧ наряду с применением новых поколений! микропроцессоров при построении СГЭЭ позволяет: полностью решить задачу согласования с нагрузкой при использовании бесколлекторных электрических машин переменного токазначительно повысить качество генерируемой электрической энергииуменьшить массу и габаритыобеспечивать сервисные функции для потребителя, в частности: контроль с использованием интерфейса с компьютером, мониторинг системы, визуализация переменных состояния, информация с датчиков, защитные функции, программируемые режимы работы и т. д. создавать новые, ранее не реализуемые алгоритмы управления в виде программного обеспечения для микропроцессора или программируемой логики.

Повышенные требования к качеству генерируемой энергии, выдвигаемые потребителями электрической энергии ставят перед разработчиками СГЭЭ новые задачи, связанные с совершенствованием, как схемотехнических решений, так и алгоритмов управления.

Согласно нормативным документам под качеством электрической энергии понимают совокупность её потребительских свойств, обусловливающих нормальную работоспособность потребителей в соответствии с их назначением [34]. Исторически для каждого этапа развития техники и бортового оборудования существовал свой оптимальный комплекс требований к качеству электроэнергии. При этом количество нормируемых параметров и их уровень (качество) увеличивались по мере развития электрооборудования, повышения требований к потребителям со стороны обслуживаемых ими систем, и исследований влияния отклонений тех или иных параметров от установленных для них значений на характеристики потребителей и источников.

До 1950 г. качество электроэнергии характеризовалось лишь допустимыми отклонениями напряжения и частоты от своих номинальных значений в установившемся режиме и формой кривой напряжения переменного тока. Повышение требований к системам управления, автоматике силовой установки, пилотажно-навигационному оборудованию и радиоэлектронному оборудованию привело к возрастанию требований к качеству энергии, вырабатываемой бортовыми энергоузлами. Был проведён большой объём работ по согласованию требований потребителейс возможностями создания требуемых СГЭЭ: неоправданное завышение требований к качеству всегда связано с дополнительными затратами, усложнением и утяжелением системы электроснабжения, а занижение — с ухудшением условий эксплуатации бортовой аппаратуры.

Результаты этих работ были обобщены вначале для самолётных и вертолётных систем энергоснабжения в нормали 83 5AT авиационной промышленности, затем в ОСТ и, наконец, в ГОСТ 19 705–74, ГОСТ 19 705–81 и ГОСТ 19 705–89 [11]. Зарубежные стандарты, регламентирующих качество электроэнергии бортовых систем приведены в нормативах MIL-STD-704 [76], MIL-STD-461 и MIL-STD-462 [75]. Для иных аппаратов существуют свои требования к качеству электроэнергии, отражающие особенности их систем электроснабжения.

Предъявляемые требования к качеству электроэнергии могут быть обеспечены как схемотехническими, так и алгоритмическими способами. Из схемотехнических способов следует выделить использование различных схем включения силовых ключей, их типов (полууправляемые или полностью управляемые), использованиефильтрующих элементов. Алгоритмические способы представляют собой последовательность вычислений, по которым работает цифровая система управления преобразователем и обеспечивает заданные показатели качества электроэнергии.

Одним из основных элементов современной СГЭЭ является автономный инвертор напряжения (АИН), как правило, с широтно-импульсной модуляцией (ТТТИМ). АИН находит применение в распространённой схеме СГЭЭпостроенной на базе активного выпрямителя (АВ) и инвертора, ввиду обеспечения этой системой двунаправленного потока энергии, возможности стартерного режима, обеспечения высоких показателей качества, как по току генератора так и по напряжению на нагрузке [190]. ПЧ’с данной схемотехникой представляет собой два инвертора напряжения, разделённых-накопительным элементом — ёмкостью звена постоянного тока. Пренебрегая, пульсациями напряжения в этом звене, инверторы могут быть представлены независимыми элементами. При этом, эффекты влияния мёртвого времени на искажения тока инвертора, несимметричность нагрузки/генератора приводящая к несимметрии напряжения, на ней, являются идентичными как для инвертора в обращённом" режиме так и для обычного инвертора. Использование АИН с ШИМ в бортовых системах генерирования электрической энергии с наличием нулевого провода и несимметричной нагрузкой создаёт научно-технические проблемы, некоторые из которых не в полной мере изучены, такие как: наличие высокочастотных пульсации в выходном напряжении из-за конечного значения элементов фильтра и наличия ШИМналичие эффекта «мёртвого» времени из-за конечного времени переключения силовых элементовнелинейность и неидентичность параметров силовых элементов схемы.

Эти и другие факторы приводят к повышенному значению коэффициента нелинейных искажений, к увеличению коэффициента амплитудной модуляции, к повышению, уровня напряжения радиопомех, а также к появлению постоянной составляющей и нарушению симметрии выходных фаз. Всю совокупность этих параметров, определенных требованиями ГОСТ 19 705–89, а также ряд других, задаваемых конкретным техническим заданием на летательный аппарат, можно объединить под одним термином, таким как электромагнитная совместимость СГЭЭ с нагрузкой.

При использовании большинства современных алгоритмов наличие дестабилизирующих факторов со стороны нагрузки или алгоритма работы ПЧ приводит к нарушению электромагнитной совместимости в указанном смысле. Так, например, несимметричная нагрузка СГЭЭ с нулевым проводом, при использовании классических регуляторов во вращающейся системе координат (ВСК) dq, приводит к нарушению симметрии выходных напряжений в установившемся режиме. В генерируемом напряжении появляются составляющие нулевой и обратной последовательностей [55,81].

Разработке специальных алгоритмов управления, позволяющих в значительной степени уменьшить влияние нагрузки, особенностей схемы ПЧ на базе АИН, на выше перечисленные показатели качества генерируемой электрической энергии посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью диссертационной работы диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи повышения качества выходного напряжения инвертора для статического режима работы в составе бортовой системы генерирования электрической энергии путём разработки новых алгоритмов управления.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработаны алгоритмы управления инвертором напряжения с силовым LC фильтром и выводом нулевого провода, обеспечивающие улучшенное качество электрической энергии в статических режимах работы СГЭЭ на несимметричную нагрузку с компенсацией эффектов мёртвого времени и других возмущающих факторов.

2. Проведен параметрический синтез фильтров, реализующих предложенные алгоритмы в составе цифровой системы управления инвертором напряжения.

3. Разработаны математические модели системы инвертор — LC фильтрнагрузка во временной и частотной областях, с привлечением математических аппаратов преобразования Лапласа, z-преобразования и численного моделирования.

4. Проведены математическое и физическое моделирование электромагнитных процессов в системе инвертор — LC фильтр — нагрузка с предложенными алгоритмами управления.

Методы исследования.

Поставленные задачи решались с привлечением математического аппарата преобразования Лапласа, Фурье, z-преобразования, дифференциального и интегрального исчислений, численного моделирования.

Достоверность результатов обеспечивалась корректностью расчетов и их сопоставлением с результатами физического эксперимента.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем:

1. Предложены векторные и скалярные алгоритмы с использованием фазов-ращающих фильтров и пропорционально-резонансных регуляторов, реализующие замкнутую систему автоматического регулирования по симметричным последовательностям выходного напряжения и тока системы генерирования-электрической энергии с АИН, обеспечивающие астатическое регулирование по основным гармоникам.

2. Предложен алгоритм компенсации гармоник в выходном напряжении системы генерирования электрической энергии с АИН, алгоритм реализована помощью, каскада цифровых пропорционально-резонансных регуляторов и обеспечивает компенсации влиянияс эффекта «мёртвого* времени» и других возмущающих факторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая линеаризованная^ модель. АИН в-составе СГЭЭ с замкнутой системой управления, при использовании регуляторов во вращающейся системе координат, представленная как в операторной форме, так и в виде модели для численного моделирования (В среде Matlab-Simulink.

2: Алгоритм компенсации-симметричных составляющих выходного напряжения АИН с" нулевым проводом, основанный на применении синтезированного цифрового фильтра. Способ пофазного регулирования с использованием фазовращающих фильтрови ПР-регулирования. Способ, осуществляющий переход из режима источника напряжения1 в режим источника тока и наоборот.

3. Алгоритм подавления гармоник, создаваемых в выходном-токе АИН из-за наличия эффекта «мёртвого» времени: с использованием каскада ПР-регуляторов, с введением дискретной производной тока инвертора.

4. Структуры, коэффициенты синтезированных цифровых фильтров для замкнутой системы АИН в составе СГЭЭ. Критерии синтеза, результаты анализа АЧХ и ФЧХ фильтров.

5. Использование синтезированных цифровых фильтров в составе замкнутой САР АИН. Результаты математического моделирования и физическоI го эксперимента.

Практическая ценность работы ;

1. Получены, передаточныефункции замкнутых систем* автоматического регулирования в составе СГЭЭ, учитывающие параметры, схемы инвертора, силового' фильтра и системы управлениячто позволяет анализировать устойчивость системы и определять предельные параметры регуляторов, известными — методами;

2. Предложен алгоритм^ разделенияшногофазного сигнала насимметричные последовательности во временной области, что даёт возможность реализовать астатическое регулирование по? симметричным составляющими выходного, напряжения СГЭЭ с использованием векторных принципов. При этом достигаетсясимметрия?' выходного напряжения системы генерированияпри?- несимметричной нагрузкеснулевым проводом:

3. Синтезированы коэффициенты цифрового/ фильтра, реализующего? резонансный регулятор, применяемый в цифровой системе регулирования по основной^ гармонике? и гармоникамсоздаваемым эффектом «мёртвого-времени» и другими возмущающими факторами: ,.

Внедрение результатов работы.

Результаты расчетов токов и напряжений? элементов^{инвертора,} разработанная модель системы управления^ АИН использовались при разработке системы генерирования электрической! энергии мощностью 15/30 кВА для бортовой системы электропитания летательных аппаратов: Работапроводилась на кафедре Г1Э НГТУ в рамках НИР-ОКР по договору с АКБ «Якорь» и ФГУП ПО «Север». Полученакт о применении результатов, полученных в ходеисследований в изготавливаемой СЕЭЭа- также справка об использовании материалов диссертации в учебном процессе, в частности, в курсе «Энергетическая электроника».

Апробация работы.

Основные результаты научно-исследовательских работ изложены 5 научнопрактических конференциях ADM, APEIE, EDM:

1. 14-я международная научно-техническая конференция «Электроприводы переменного тока», г. Екатеринбург, 2007 г.

2. 7-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Новосибирск, 2004 г.

3. 8-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Новосибирск, 2006 г.

4. 25-я межрегиональная научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», г. Серпухов, 2006 г.

5. 6-я международная сибирская школа-семинар по электронным приборам и материалам EDM-2005, респ. Алтай, база «Эрлагол», 2005 г.

Публикации:

Основные результаты исследований опубликованы в 5 печатных работах, из них одна работа — в ведущем рецензируемом научном журнале, 4 — в сборниках трудов и конференций:

1. Жораев Т. Ю. Методика синтеза ШИМ для автономных инверторов напряжения по заданному критерию качества выходного напряжения. / Ба-ховцев И.А., Жораев Т. Ю. // Тр. междунар. 14-й науч.-техн. конф. «Электроприводы переменного тока». В 7 томах. Том 7. Силовая электроника и механотроника. Проектирование устройств автоматики и систем управления. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. — С. 35−38.

2. Жораев Т. Ю. Математическое моделирование алгоритмов управления и электромагнитных процессов в СГПТ. / Жораев Т. Ю., Харитонов С. А. // Изд-во НГТУ, «Актуальные проблемы электронного приборостроения. 7-я международная конференция», 2004 г., т. 6. — С. 3−9.

3. Жораев Т. Ю. Поиск минимума разрядности ЦОС управления АИН при заданных показателях качества энергии. / Жораев Т. Ю., Хлебников А. С. // АПЭП-2006, VIII международная конференция. — С. 74.

4. Жораев Т. Ю., Обобщенный метод симметричных составляющих и методика их выделения с помощью цифрового фазовращающего фильтра. / Жораев Т. Ю., Харитонов С. А. // Научный вестник НГТУ. № 1(34), Новосибирск, НГТУ, 2009. — С. 191−203.

5. Zhoraev Т. J. A principle of Calculation Dynamic and static Power Losses with Hard-Switching IGBT. / Kharitonov S. A., Zhoraev T. J.// 6-th International workshop. EDM-2005, session 11, July, pp. 147−149. [Метод вычисления динамических и статических потерь в преобразователе с IGBT.].

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников, восьми приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведённые исследования автономного инвертора напряжения с нулевым проводом в составе СГЭЭ при работе на LC-фильтр с несимметричной нагрузой позволили получить в диссертационной работе следующие основные результаты.

1. Получена передаточная функция для dq-преобразования, с использованием которой выведено выражение в операторной форме для выходного напряжения АИН в составе системы генерирования электрической энергии. Выражение характеризует замкнутую систему регулирования «инвертор-LC-фильтр-нагрузка-регулятор» с использованием dq-преобразования. Полученная передаточная функция линеаризированной системы позволяет определить с использованием её полюсов область устойчивости замкнутой САР. Показано, что часть полученной передаточной функции dq-преобразования является пропорционально-резонансным регулятором.

Проведены исследования устойчивости замкнутой системы регулирования, построены годографы при варьировании параметров силовой схемы и системы управления, а также определены области устойчивости, исходя из ограничений на значения полюсов передаточной функции.

Исследованы замкнутые САР с применением пропорционально-резонансного регулирования для компенсации гармоник в токе инвертора, создаваемых эффектом мёртвого времени. Предложены способы построения регуляторов, обеспечивающие устойчивость работы при использовании выходного LC-фильтра.

Показано, что с применением пропорционально-резонансного регулирования возможно подавление нулевой последовательности в выходном напряжении системы генерирования при наличии нулевого провода. Рассмотрен способ построения систем с пофазным регулированием, который используется для астатического управления однофазным инвертором.

2. Приведена методика разделения симметричных последовательностей, включающая способ разделения как в «ABG» так и в «оф» координатах. Показано, что реализация разделения последовательностей в «ар» координатах позволяет экономить вычислительные ресурсы.

Синтезирована замкнутая система регулирования по симметричным последовательностям АИН в составе СГЭЭ, при этом обеспечивается астатизм регулирования по прямой, обратной и нулевой последовательностям напряжения на нагрузке. Выполняются требования по симметрии напряжения нагрузки в широком диапазоне её изменения — от холостого хода до номинальной.

Представлен способ, использующий блок фазовращателя для пофазного регулирования с использованием dq-преобразования, и его применение для астатического управления однофазным инвертором.

Предложен алгоритм управления, позволяющий в аварийных режимах осуществлять независимый переход из режима источника напряжения в режим источника тока (и наоборот) для отдельных фаз.

3. Синтезирован специальный цифровой фильтр, обеспечивающий требуемый поворот фазы сигнала на заданной частоте с заданной амплитудой. Структура фильтра и значения его коэффициентов легли в основу практической реализации системы управления' инвертором с раздельным регулированием по симметричным последовательностям и пофазным регулированием с переходами режимов «источник напряжения — источник тока».

Реализован цифровой пропорционально-резонансный регулятор в однофазном варианте без использования арифметики комплексных чисел, что позволяет использовать этот регулятор для построения раздельного регулирования по фазам, и, тем самым, обеспечить подавление симметричных компонент или гармоник в эффекте мёртвого времени. Выведены формулы для расчёта коэффициентов цифрового фильтра, которым является пропорционально-резонансный регулятор. Полученный цифровой фильтр использован в качестве элемента замкнутой системы управления по напряжению нагрузки. Показано, что использование цепи из нескольких ПР-регуляторов позволяет добиться подавления целого ряда гармоник, при этом обеспечивается устойчивость САР при работе с LC-фильтром.

4. Алгоритмы управления с использованием разделения последовательностей и пропорционально-резонансного регулирования как по основной гармонике, так и по высокочастотным составляющим, были реализованы и апробированы на экспериментальном лабораторном образце. Экспериментально подтверждено обеспечение астатизма регулирования по прямой, обратной и нулевой последовательностям и подавление определённых гармоник, создаваемых эффектом мёртвого времени и другими возмущающими факторами.