CC BY
53
15. Кошин А.А. Исследование динамического воздействия воздушного потока на тамдем моделей высотных зданий / А.А. Кошин, А.И. Гны-ря, Д.И. Мокшин // труды X Международной конференции студентов и молодых ученых. - Томск, 2013. - С. 703-704.
16. Кошин А.А. Давление в пограничном слое как фактор изменения те-плопотерь в здании. Перспективы исследований / А.А. Кошин, Д.И. Мокшин // труды IX Международной конференции студентов и молодых ученых. - Томск, 2012. - С. 741-742.
17. Патент на полезную модель RUS 120122, 10.04.2012 Система для поэтажного возведения монолитных железобетонных зданий в зимних условиях / Жаркой Р. А., Гныря А.И., Коробков С.В., Ильясова Т.А., Мокшин Д.И.
18. Патент на полезную модель RUS 123004, 26.04.2012 Устройство для прогрева замоноличиваемых стыков при возведении зданий со сборным и сборно-монолитным каркасом в зимних условиях / А.И. Гныря, А.П. Боя-ринцев, С.В. Коробков, Д.И. Мокшин.
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАТРИЧНЫМИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ
ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ НА КАЧЕСТВО ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
© Федоров С.В.*, Бондарев А.В.
Филиал Оренбургского государственного университета, г. Кумертау
В данной статье производится анализ качества выходного напряжения матричного преобразователя частоты, формируемого системой управления на основе широтно-импульсной модуляции. Приводятся основные недостатки использования широтно-импульсной модуляции в системах управления матричными преобразователями частоты.
Ключевые слова: широтно-импульсная модуляция, матричный преобразователь частоты, непосредственные преобразователи частоты, коэффициент гармоник.
Способ широтно-импульсной модуляции (ШИМ) распространен в автономных инверторах напряжения (АИН) и используется в непосредственных преобразователях частоты (НПЧ) с искусственной коммутацией (ИК) [1-5].
Данный способ может быть применен и к матричному преобразователю частоты (МПЧ). В свою очередь, ШИМ можно классифицировать по целому
* Старший преподаватель кафедры Электроснабжения промышленных предприятий.
ряду признаков: по форме опорного сигнала, по моменту коммутации, по количеству импульсов за период опорного сигнала. Многочисленные исследования, представленные в литературе, доказывают, что лучший гармонический состав дают синусоидальная двусторонняя множественная ШИМ и ШИМ с предмодуляцией третьей гармоникой опорного сигнала.
Эпюры, поясняющие принцип однополярной и двухполярной ШИМ, реализуемые в НПЧ с ИК, изображены на рис. 1.
Рис. 1. Принцип однополярной (а) и двухполярной (б) ШИМ
у
Они соответствуют кратности несущей частоты к = —Н = 8, где /н - не-
/ы
сущая частота. При ШИМ выпрямленное напряжение периодически с частотой =- коммутируется. В зависимости от вида ШИМ (однополяр-
Т Н
ная или двухполярная) нагрузка преобразователя частоты периодически отключается и замыкается накоротко (рисунок 1, а) или включается с обратной полярностью (рисунок 1, б). Если эти состояния, периодически чередуясь, остаются одинаковыми по длительности, то ШИМ фактически отсутствует. При этом в случае однополярной ШИМ значение составляющей основной частоты, равной частоте модуляции /м, остается неизменной, а при двухполярной ШИМ равно 0. Если же менять, например, по синусоидальному закону, соотношение между длительностями указанных состояний (рисунок 1, б): (М - Д/2) / Тн = ш$т(2~к/м(), где ш - коэффициент глубины модуляции, определяющий пределы изменения длительности интервалов Д/1 и Д/2, то на выходе ПЧ появляется составляющая основной частоты. Амплитуда и частота этой составляющей определяется глубиной и частотой модуляции соответственно.
Классический матричный конвертор (рис. 2) состоит из 9 двунаправленных ключей, что позволяет каждому из входов и выходов преобразователя со-
единяться между собой в любой момент времени. Входные терминалы устройства подключены к 3-фазной питающей сети, выходные соединены с 3-фазной токовой нагрузкой, например асинхронным двигателем [6].
Рис. 2. Структура трех фаз матричного преобразователя
Данная схема используется для построения таких матричных преобразователей как матричный преобразователь частоты (конвертор) типа FSDrive-МХ18 производства компании YASKAWA который применяется в тех случаях, когда требуется работа на низких оборотах или быстрая реакция на торможение [7].
В установившимся режиме при входной частоте 50 Гц и частоте нагрузки 60 Гц выходное напряжение, сформированное по принципу ШИМ, будет иметь вид, представленный на рис. 3 [8].
Рис. 3. Выходное линейное напряжение и его сглаженный вид
time (0.001 я/div)
Рис. 4. Входное фазное напряжение и выходной линейный ток
На рис. 5 и 6 представлены спектры частот линейного напряжения нагрузки и входного линейного тока. Единственные существенные гармонические компоненты сосредоточены вокруг частоты модуляции [8].
Рис. 5. Частотный спектр линейного напряжения нагрузки
Frequency
Рис. 6. Частотный спектр входного тока
На рис. 7 и 8 представлены переходные процессы при изменении частоты нагрузки от 60 Гц до 30 Гц [8].
Рис. 7. Выходное линейное напряжение и форма тока нагрузки при изменении частоты и амплитуды напряжения нагрузки
Рис. 8. Входное фазное напряжение и входной линейный ток при изменении частоты и амплитуды напряжения нагрузки
Для исключения данных гармоник по аналогии с автономными инверторами напряжения (АИН) регулирование 3 -фазного напряжения и частоты на выходе МПЧ может осуществляться скалярным способом на высокой несущей частоте методами широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [9].
Переключения осуществляют в моменты равенства опорного и трехфазного модулирующего сигналов.
Примером использования ШИМ на основе сравнения сигналов управления с опорным сигналом для матричных преобразователей частоты является способ скалярного управления трехфазно-трехфазным матричным преобразователем частоты [10].
Обобщенная схема силовой и управляющей частей матричного преобразователя изображена на рис. 9.
Силовая часть устройства выполнена в виде матрицы (1) размерностью 3 х 3 на транзисторных ключах У1-У9 с двухсторонней проводимостью тока, горизонтальные шины которой подключены к фазам еа, еъ, ес питающей сети, а вертикальные шины - к цепям 3-фазной нагрузки 2. Управляющая часть (3) содержит блок (4), входы которого служат для подачи 3-фазного задающего сигнала ха((), хъ((), х() гармонической формы. Имеется также
блок модулятора-распределителя (5), на входах которого происходит обычное для скалярных систем управления сравнение модулирующих и поступающего из блока (6) опорного хОП сигналов, результатом которого является получение на выходах блока (5) девяти последовательностей управляющих импульсов для ключей в составе матрицы (1).
Рис. 9. Обобщенная схема силовой и управляющей частей матричного преобразователя частоты
Рис. 10. Диаграммы 3-фазной синусоидальной ШИМ
На рис. 10 приведены диаграммы 3-фазной синусоидальной ШИМ.
Принцип работы системы управления заключается в том, что при синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым выходом используется синусоидальное напряжение (ха, хь, хс). Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три синусоидальных напряжения накладывается опорное напряжение (хОП).
При пересечении опорного напряжения хОП и синусоидального напряжения ха если при этом синусоидальное напряжение по модулю становится больше пилообразного |ха| - хОП > 0, то открываются ключи VI, ¥4, ¥7, подключающие соответствующие фазы входного напряжения (в зависимости, какая зона находится в данный период времени) на нагрузку. Если при пересечении опорного напряжения хОП и синусоидального напряжения ха синусоидальное напряжение становится меньше пилообразного |ха| - хОП < 0, то тот ключ, который был замкнут до этого времени размыкается и напряжение, приложенное к нагрузке оказывается равным нулю. В результате выходное напряжение МПЧ имеет вид, представленный на рис. 11.
Рис. 11. Выходное напряжение МПЧ с частотой 30 Гц при частоте опорного сигнала хОП равной 2 кГц
Выходное напряжение (рис. 11) имеет частоту 30 Гц и получено при частоте опорного сигнала хОП равной 2 кГц.
Основными недостатками использование широтно-импульсной модуляции в системах управления МПЧ, используемой при управлении электроприборами, являются наличие шумов на частоте коммутаций и их повторяемость. Высокочастотные гармоники производят радиопомехи и индуци-
руют возмущения в электроприборах, а поскольку это крайне нежелательно, то ШИМ и является предметом регулирования. При этом повышение частоты несущего сигнала приводит не к исключению гармонических составляющих из спектра выходного напряжения, а к их перемещению в область более высоких частот. Поскольку ГОСТ 13109-97 регламентирует значение суммарного коэффициента гармонических составляющих, при расчете которого учитывались только гармоники с подрядом меньше 40, то повышение частоты коммутации создает видимость улучшения гармонического состава. При этом значение полного коэффициента гармоник является недопустимым для питания большинства потребителей. Наличие высших гармоник в спектре питающего напряжения приводит к ускоренному износу изоляции, нарушениям питания потребителей, что приводит к соответствующему экономическому ущербу.
Список литературы:
1. Зиновьев Г.С., Попов В.И. О построении систем управления инверторами напряжения без звена постоянного тока // В кн.: Преобразовательная техника. Кн. 2. - Новосибирск, 1968. - С. 290-307.
2. Зиновьев Г.С., Попов В.И. Анализ способов формирования кривой выходного напряжения автономных инверторов напряжения // В кн.: Преобразовательная техника. Кн. 1. - Новосибирск, 1968. - С. 79-95.
3. Зиновьев Г.С., Попов В.И. Инвертор напряжения с непосредственным питанием от трехфазной сети // В кн.: Преобразовательная техника. Кн. 2. -Новосибирск, 1968. - С. 208-223.
4. Зиновьев Г.С., Попов В.И. Устройство для управления вентильным преобразователем частоты. А. с. № 283385, опубл. 14.10.70.
5. Зиновьев Г.С., Уланов Е.И. Способ управления инвертором напряжения // В кн.: Преобразовательная техника. - Новосибирск, 1975. - С. 24-28.
6. Карташев Е., Колпаков А. Базовые принципы проектирования матричных конверторов // Силовая электроника. - 2009. - № 5.
7. Кондаков Л.А., Щукин А.А. Матричные преобразователи частоты // Журнал «ИСУП». - 2013. - № 1(43).
8. Casadei D., Grandi G, Serra G., Tani A. Space vector control of matrix converters with unity input power factor and sinusoidal input/output waveforms / Proceedings of IEEEPE' 93. - 1993. - Vol. 7.
9. Сидоров С.Н. Матричный преобразователь частоты - объект скалярного управления // «Силовая электроника». - 2009. - № 3. - С. 31.
10. Сидоров С.Н., Поляков А.Е. Способ скалярного управления (3*3)-фазным матричным преобразователем частоты. А. с. RU 2414800 C1, опубл. 20.03.2011 Бюл. № 8.
