CC BY
7
УДК 621.3.011.74.005
Михайленко Владислав Володимирович, кандидат техшчних наук, старший викладач кафедри теоретично! електротехшки. E-mail: Vla dislavMihailenko@i.ua. мобiльний телефон: 098-317-93-74 Чуняк Юлiя Михайлiвна, асистент кафедри теоретично! електротехшки
Чупак Вштор Вшторович, студент кафедри технологi! машинобудування, мобiльний телефон: 097-868-06-35. Ковальчук Дмитро Володимирович, студент кафедри конструювання станшв i машин, мобiльний телефон: 067-123-47-01.
Тимовеева 1рина Андрпвна, студентка кафедри електромехашки
Нацiональний технiчний унiверситет Укра!ни "Кшвський полiтехнiчний шститут", м. Ки!в, Укра!на. Пр-т Перемоги, 37, м. Ки!в, Укра!на, 03056
АНАЛ1З ЕЛЕКТРОМАГН1ТНИХ ПРОЦЕС1В У НАП1ВПРОВ1ДНИКОВОМУ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1 З ШЕСТИЗОННИМ РЕГЮЛЮВАННЯМ ВИХ1ДНО1 НАПРУГИ I ЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНИМ
НАВАНТАЖЕННЯМ
У cmammi проведено анал1з електромагнтних проце^в в електричних колах з HanienpoeidHUKoeuMU комутаторами. Створено математичну модель для анал1зу перехiдних проце^в у нcпiвпровiдникових перетворювачах з електромехcнiчним навантаженням. Наведено графки, що вiдобрcжcють перехiднi процеси у електричних колах. У роботi також виконано розвиток методу багатопараметричних модулюючих функцш для зпрощення анал1зу перехiдних проце^в у електричних колах без врахуваення втрат у ключевих елементах.
Ключовi слова: електромагнiтнi процеси, вихiднi напруга та струм.
Михайленко Владислав Владимирович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры теоретической электротехники E-mail: VladislavMihailenko@i.ua. мобильный телефон: 098-317-93-74 Чуняк Юлия Михайловна, ассистент кафедры теоретической электротехники
Чупак Виктор Викторович, студент кафедры технологии машиностроения, мобильный телефон: 097-868-0635.
Ковальчук Дмитрий Владимирович, студент кафедры конструирования станков и машин, мобильный телефон: 067-123-47-01
Тимовеева Ирина Андреевна, студентка кафедры электромеханики
Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", г. Киев, Украина. Пр-т Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056
АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ
С ШЕСТИЗОННЫМ РЕГИРОВАНИЕМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ
В статье проведено анализ электромагнитных процессов в электрических цепях с полупроводниковыми коммутаторами. Создано математическую модель для анализа переходных процессов в полупроводниковых преобразователях с электромеханической нагрузкой. Приведены графики, что отображают переходные процессы в электрических цепях. В работе также выполнено развитие метода многопараметрических модулирующих функций для упрощения анализа переходных процессов в электрических цепях без учета потерь в ключевых элементах.
Ключевые слова: электромагнитные процессы, выходные напряжение и ток.
Mihaylenko Vladislav Volodymyrovych, PhD in Technical Sciences, senior teacher of the pulpit theoretical electrical engineers. E-mail: VladislavMihailenko@i.ua, mobile telephone: 098-317-93-74. Chunyak Julia Mihaylivna, assistent of the pulpit theoretical electrical engineers.
Chupak Viktor Viktorovych, student of the pulpit to technologies of machine building, mobile telephone: 097-86806-35.
Kovalichuk Dmytro Volodymyrovych, student of the pulpit конструирования tool and machines, mobile telephone: 067-123-47-01.
Timoveeva Iryna Andriivna, student of the pulpit electric mechanical engineers
National technical university of the Ukraine "Kyiv pollytechnic institute", Kyiv, Urraina. avenue of the Peremogy, 37, Kyiv, Urraina, 03056,
ANALYSIS OF THE ELECTROMAGNETIC PROCESSES IN SEMICONDUCTOR CONVERTER WITH SIX ZONES BY REGULATION OF THE OUTPUT VOLTAGE AND ELECTROMECHANICAL LOAD
Abstract: In article is organized analysis of the electromagnetic processes in electric circuit with semiconductor commutator. Mathematical model is created for analysis of the connecting processes in semiconductor converter with electromechanical load. The broughted graphs that display the connecting processes in electric circuit. In work is also executed development of the method multivariable modulating function for simplification of the analysis of the connecting processes in electric circuit disregarding losses in key element.
Keywords: electromagnetic processes, output voltage and current.
Вступ
Перетворення електрично! енергп, а також устхи у розвитку натвпровщниково! техшки дозволяють використовувати в перетворювальних установках ланку високо! частоти з частотою перемикання вентилiв значно бшьшо! вщ частоти змшно! напруги промислово! мережi [1-5].
Порiвняльнi дослщження технiко-економiчних показниюв рiзного виду виконавчих елеменпв слiдкуючих систем на основi високомоментних двигунiв постiйного струму (ДПС) серiй 2П та ПВ i трифазних асинхронних двигунiв серп 4А, яю випускаються промисловiстю сершно, показують, що за умови однакових показниюв за масою та габаритами в дiапазонi потужностей вiд 100 Вт до 500 кВт, у слщкуючих системах доцшьшше використовувати ДПС, що дозволяе пiдвищити продуктивнiсть технолопчних процесiв. При цьому швидкодiя та динамiчна точнiсть слiдкуючих систем в основному визначаються функцiональними можливостями натвпровщникових перетворювачiв (НПП) електроенергп у процесах формування та регулювання !хшх вихщних напруг.
У роботах [2, 3] показана доцшьшсть використання структур перетворювачiв частоти (ПЧ) з однократною модулящею при побудовi систем вторинного електропостачання для комплексiв дiагностики електромеханiчних пристро!в iз рiзноманiтним видом вхщно! енергп. У данiй роботi проводиться аналiз аспекту використання тсе! ж структури для електромехашчних комплексiв iз широтно^мпульсним регулюванням (Ш1Р) постшно! напруги при восьмизонному керуваннi.
Метою роботи е виконання аналiзу електромагнiтних процесiв в електричних колах з напiвпровiдниковими комутаторами та розробка математично! моделi натвпровщникового перетворювача з електромеханiчним навантаженням.
Матер1ал i результати досл1джень
Особливiстю НПП з багатозонним регулюванням вихщно! напруги е багаторозгалужешсть внутрiшнiх структур !хшх силових частин та систем управлшня (СУ). Так, силова частина НПП, навт за умов однозонного регулювання вихщно! напруги, мае три мостових швертори випрямлених напруг (1ВН) мережi живлення, кожний з яких мютить по двi стiйки на ключах постшного струму. Середовище мiстить: первинну систему електроживлення, власне НПП, як систему перетворення енергп, СУ та ДПС, як систему, що мае сво! особливостг Тобто, система в основному залежить вщ зовшшшх впливiв на не!, якi задаються з боку первинно! системи електроживлення (ПСЕЖ), СУ та навантаження.
Структурна схема перетворювача наведена на рис. 1. На структурнш схемi позначен^ СМА , СМ5 , СМС - силовi модулятори (СМ) фазних напруг А, В i С вщповщно, ВВ -високочастотний випрямляч, навантаження D - двигун постiйного струму. Сукупшсть СМ, пiдiмкнених до енергетично'1' мереж1 паралельно i з'еднаних на виходi послiдовно, представляе собою ланку високо'1' частоти перетворювача.
При складанш математично'1' моделi перетворювача з комп'ютерною орiентацiею ii застосування використовуемо метод багатопараметричних модулюючих функцiй, який передбачае попередне представлення алгоршмчного рiвняння перетворювача. При цьому приймаемо таю припущення: вхщна енергетична мережа симетрична i ii внутрiшнiй опiр дорiвнюе нулю, транзистори i дiоди iнверторiв випрямлено'i напруги (1ВН) представляються iдеальними ключами, узгоджувальш трансформатори в кожнiй з зон регулювання вихщно! напруги не мають втрат.
Рис. 1. Структурна схема НПП
Вихщну напругу НПП знаходимо з виразу виду
1
N=6 3
М
(1 ) = иб (?> 1) и(п, n, о ибб (1),
к
т п=1 I=1
(1)
де и (¡,1) - миттевi значення вхiдних фазних напруг мереж живлення;
Ив (¡,1) - функцп прямокутного синуса, що спiвпадають за часом з положенням
вiдповiдних фазних напруг мережц
п = 1, 2, 3, ..., N=6 - номери зон регулювання вихщно! напруги;
) - множина е^валентних модулюючих впливiв ¡-х iнверторiв СМ;
Ивв () - функщя прямокутного синуса, що ствпадае за часом з положенням вихщно!
напруги и2 () ланки високо'1 частоти НПП;
кт - коефщент трансформацп вихiдних трансформаторiв СМ.
ДПС, що задае вихiдний струм НПП, описуеться системою алгебршчних рiвнянь, яка подае миттевi значення струму кола якоря та його кутово'1' швидкосп з урахуванням пускового режиму у виглядi
Л
.(()
'(1)
v пк+1 ()
¡н () +
2 (Ф)-еЛ )) 2еа4
а,
а,
2
2 3
—пкОК(1)--¡н/О;
а
п
а1а3
(()+
4()-®ск)))к ()
ар3
а
а
2ем
—%((Ы()—.
аа а3
(2)
де: /Нк (), ¡Hk+l (), пк (), пк+1 (1) - струм якоря та кутова швидюсть обертання ДПС
на к -ому та в к +1 -ому iнтервалi вщповщно;
есн> еа - вщносш падiння напруги на щ^ках i обмотцi якоря;
sm, sm0 - вщшосш моменти опору на валу; . . uH(t)
c(t) - —- - вiдшосше зшачешшя шапруги на якорц
E
uH (t) та E - вщповщшо миттeвi зшачешшя вихщшо'1 шапруги НПП та проти ЕРС;
_ 2Tab _ 2TM щ -sa +— , a,-sm ;
Tab та Tm - електромагатша та мехашiчша постiйшi часу двигуша, at - штервали часу, за якими проводяться розрахушки процесiв.
Система (2) виршуеться за допомогою методу припасовувашшя з попередшiм записом
початкових умов при t = 0 та припущешшями вiдшосшо лшшшо'1 залежшостi момешту опору ша валу двигуша вiд швидкосп оберташшя i лшеаризовашо'1 криво'1 шамагачувашшя.
Дiаграми струмiв кола якоря ДПС для випадку восьмизошшого регулювашшя вихщшо'1 шапруги НПП шаведешi ша рис. 2. Крива 1 вщображае струм кола якоря в процес пуску ДПС тд дiею максимальшо'1 величиши шапруги (3), а крива 2 - струм кола якоря в процес пуску ДПС тд дiею шапруги (3) з шестизошшим широтшо^мпульсшим регулювашшям (Ш1Р). Вихiдший струм i2 (t) визшачаемо з спiввiдшошешшя
i2 (t)- Ч (t)^BB(t). (3)
Вхiдшi струми ii (n,i,t) зшаходимо з виразу
h (n,i,t)-i2 (t Ь (i,t MnNt) , (4)
kj1
Для визшачешшя струмiв i-х фаз мережi у всьому дiапазошi регулювашшя вихщшо'1 шапруги НПП тдсумуемо вхiдшi струми 1ВН, що беруть участь у процес регулювашшя вихщшо'1 шапруги в кожшiй з i-й фазi. Загальший вираз для струмiв i-х фаз мереж подамо у виглядi
ij (i,t) - ii (1,i,t) + ii (2,i,t) + ...+ ii (N,i, t) , (5)
де: i1 (l,i,t), i1 (2,i,t), i1 (N,i,t) - вхiдшi струми iшверторiв i-х фаз ша штервалах
першо'1, друго'1, та N -i зоши регулювашшя.
Дiаграми вхiдших струмiв та шапруг, побудовашi за (5), представлешi ша рис. 3. Для структуршо'1 оргашiзацii НПП з високочастотшим широтшо-iмпульсшим регулювашшям вихщшо'1 шапруги доцшьшо використовувати 1ВН для формувашшя промiжшоi високочастотшо'1 шапруги, якi формують промiжшу високочастотшу шапругу. При цьому для моделювашшя та ашалiзу процесiв регулювашшя шапруги у силовому тракт попередшього формувашшя постшшо'1 шапруги ефектившим е застосовувашшя математичшо'1 моделi процесу формувашшя вихщшо'1 шапруги, розроблешо'1 ша осшовi методу багатопараметричших модулюючих фушкцiй, тому що без використашшя цього методу ми ше можемо формалiзовашо зшайти струми через трашзистори 1ВН.
u
Рис. 3. Дiаграми вхщних crpyMiB i-х фаз мережi в координатах фазних напруг
Для узагальнення результатiв дослщжень електромагнiтних процесiв у НПП з високочастотним широтно^мпульсним регулюванням вихщно'1' напруги доцшьно проводити подання багатопараметрично'1' модулюючо'1' функци 1ВН синхронно з множиною розгортаючих напруг, а також з координатами перiодiв високочастотно'1' та низькочастотно'1' комутацiй силових ключiв i множини напруг управлшня.
Проведений системний аналiз електромагнiтних процесiв у електричних колах натвпровщникових перетворювачiв дозволяе виконувати моделювання у декiлька етапiв з рiзними початковими припущеннями, розглядаючи напiвпровiдниковi перетворювач^ як систему зi своею структурною побудовою, що визначае внутрiшнi впливи, в середовищi надсистеми зi св'1'ми системами, якi ззовнi впливають на напiвпровiдниковi перетворювачi.
Висновки
1. У данш робот було виконано аналiз електромагнiтних процесiв в електричних колах з натвпровщниковими комутаторами. Використовуючи метод багатопараметричних модулюючих фyнкцiй було знайдено струм i напругу навантаження, а також вхщт струми перетворювача. Узагальнюючi функцп багатопараметричного виду ефективнi i для iнших перетворювачiв модyляцiйного типу.
2. Визначено багатопараметричш функцп, введення яких до алгоритмiчних рiвнянь аналiзy усталених i перехiдних процесiв у розгалужених електричних колах вщображае сво'1'ми дискретними параметрами побудову кiл за пщсистемними складовими, що дозволило спростити процес моделювання за рахунок узагальнення отриманих рiвнянь для множин цих складових та елемешив при дп зовшшшх факторiв.
3. Розроблено новi математичнi моделi електромагнiтних процесiв у колах натвпровщникових перетворювачiв з багатоканальним зонним регулюванням фазних напруг без урахування комутацшних енергетичних втрат для швидко оцшки впливу параметрiв навантаження на рiвень i форму вихщно'1' напруги. З використанням розроблених моделей визначено алгоритми управлшня комутаторами при пщключенш натвпровщникових перетворювачiв до фазних напруг мереж1, що дозволило пщвищити якiсть знакопостiйних напруг при багатозонному регулюванн вихщно'1' напруги.
Список використаноТ литератури:
1. Макаренко Н. П. Математическая модель процесса формирования выходных напряжений преобразователей частоты / Н. П. Макаренко, Г. Абарка // Электроника и связь. - 1999. - № 6, Т. 2. - С. 60-64.
2. Макаренко М. П. Системний анал1з електромагнггних процеав у натвпровщникових перетворювачах електроенерги модуляцшного типу / М. П Макаренко, В. I. Сенько, М. М. Юрченко - К. : НАН Украни, 1ЕД, 2005. - 241 с.
3. Hossein Hojabri, Hossein Mokhtari and Luichen Chang. A Generalized Technique of Modeling, Analisis, and Control of a Matrix Converter Using SVD, IEEE Trans. On Industrial Electronics, 2011, vol. 58, no. 3,
P. 949-959.
4. Макаренко М. П. Аналiз електромагнггних процеав у перетворювачах з багатозонним регулюванням вихвдно! напруги функцiями багатопараметричного виду / М. П. Макаренко, В. В. Михайленко // Техн. електродинамша. Тем. вип. "Силова електронiка та енергоефектившсть". - 2002. - Ч. 1. - С. 19-22.
5. Макаренко М. П. Математична модель перетворювача трифазно! напруги в постшну напругу / М. П. Макаренко, В. В. Михайленко // Электроника и связь. - 2002. - № 14. - С. 73-75.
References:
1. Makarenko N. P., Abarka G. Matematicheskaya model processa formirovaniya vyhodnyh napryageniy preobrazovateley chastity [Mathematical model process of the shaping the output voltages of the converters of the frequency]. Electronic i svyaz. - Electronics and relationship, 1999, vol. 6, part. 2, P. 60-64.
2. Makarenko M. P., Senko V. I., Yurchenko М. М. Systemniy analiz electromagnitnyh procesiv u napivprovidnycovyh peretvoryuvachah electroenergii moduljaciynogo typu [System analysis of the electromagnetic processes in semiconductor converter of the electric powers inflexion type]. Kyiv, National academy of the sciences of the Ukraine, Institute of electrodinamiks, 2005, 241 p.
3. Hossein Hojabri, Hossein Mokhtari and Luichen Chang. A Generalized Technique of Modeling, Analisis, and Control of a Matrix Converter Using SVD, IEEE Trans. On Industrial Electronics, 2011, vol. 58, no. 3, P. 949959.
4. Makarenko M.P., Mihaylenko V.V. Analiz еlectromagitnyh procesiv u peretvoruvachah z bagatozonnum regulyuvannjam vyhidnoji naprugy funcsiyamu bagatoparametrychnogo vydu [The Analysis of the electromagnetic processes in converter with much zoned regulations of the output voltage function multivariable type]. Technicheskaia electrodinamika. Silova electronika i energoefectivnist - Thematic vypusk, 2002., part 1., pp. 19-22.
5. Makarenko M.P., Mihaylenko V.V. Мatematychna model peretvoruvacha trufaznoyi naprugy v postiynu naprugu [Mathematical model of the converter of the three-phase voltage in direct voltage]. Electronics i svjaz, 2002, vol 14, P. 73-75.
Поступила в редакцию 23.11 2915 г.
