Русский  English
ДонНТУ  Портал магістрів

Реферат по темі випускної роботи

Зміст

Введення

Прискорюючися темпи технічного прогресу вимагають систематичного використання все більш інтелектуальних технічних систем.

Сьогодні, разом із здешевленням і зростанням доступності систем-на-кристалі (SoC – System-on-Chip), розвитком технологій програмованих користувачем вентильних матриць (FPGAs – Field-programmable Gate Arrays), так само ростуть вимоги по прискоренню і здешевленню розробки комп'ютеризованих систем управління різних класів. Зокрема, зростає необхідність в створенні систем керування силовою електронікою (інвертори, випрямлячі і т.п.) для великого, середнього і малого виробництва.

Ці тренди породили парадигму модельно-орієнтованого проектування: ідеологію і інструментарій, що дозволяють реалізувати всі етапи життєвого циклу створення складних технічних систем, від теоретичного обгрунтування реалізованості поставленого завдання до запису керуючих програм в контролери, сигнальні процесори і програмовані логічні інтегральні схеми. Всі перераховані можливості може надати обчислювальне середовище Matlab компанії MathWorks.

1. Актуальність теми

Основним споживачем електроенергії в світі на даний момент є промисловість. У свою чергу, в промисловості основними електроспоживачами є нелінійні елементи: електроприводу і силові електронні пристрої. Робота таких споживачів без компенсуючих заходів призводить до спотворень споживаного струму і напруги мережі, в результаті чого:

- збільшуються втрати потужності на всіх етапах перетворення електроенергії;

- відбувається зниження електричного і механічного ККД навантажень;

- вимушено завищується необхідна потужність автономних електроенергетичних установок;

- скорочується термін служби електротехнічних виробів і т.п.

Так само, до числа найбільш важливих проблем потрібно віднести віддачу електроенергії в мережу, особливо в потужних приводах, що працюють в повторно-короткочасних режимах

Ці вимоги і негативні наслідки, а так само суворі державні та міжнародні закони щодо підвищення енергоефективності тягнуть за собою значні втрати матеріальних засобів для промисловості.

Однією з основних завдань силової електроніки є забезпечення електромагнітної сумісності мережевих перетворювачів з мережею живлення змінного струму та задоволення всіх вимог по її якості. В області електроприводу, в свою чергу, потрібне забезпечення роботи двигуна в четирёхквадрантном режимі.

Вимоги міжнародних стандартів iEC 61000-3, iEEE 519, EN 61000-3-2 жорстко регламентують рівень гармонійних складових струму, споживаного електротехнічним пристроєм, аж до 49 гармоніки. Вітчизняний ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЕК 61000-3-2-95) обмежується гармоніками до 40-ї.

Одним з основних напрямків зниження гармонійного впливу перетворювачів на мережу живлення і навантаження, зниження споживаної реактивної потужності і забезпечення рекуперації, є перехід до застосування активних випрямлячів. В англомовній літературі використовується узагальнений термін перетворювач змінного/постійного струму відповідний термінології стандарту МЕК 60050-551 (AC/dC Converter). Так само часто зустрічається active front end (AFE), Grid SIDE inverter, Active rectifier.

Магістерська робота присвячена науково-технічної задачі розробки системи управління активним випрямлячем, використовуючи саме передове засіб швидкого і дешевого створення вбудованих систем управління – кошти модельно-орієнтованого проектування (МОП). Даний підхід вже відмінно зарекомендував себе в великих системах контролю і управління, особливо в галузі ядерної енергетики. Зараз, з появою доступних і потужних SoC і графічних середовищ програмування і налагодження (SimTech, Simulink і ін.) Тренд застосування МОП поширюється і на силову електроніку.

Як середовище моделювання та програмування використовується середу Simulink пакета MATlAB і IDE Keil, а в якості матеріальної реалізації – мікроконтролер STM32F407VGT компанії STMicroelectronics.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою роботи є дослідження застосовності модельно-орієнтованого проектування до розробки силової електроніки, для значного прискорення і спрощення розробки промислових силових перетворювачів.

Основні завдання дослідження:

  1. Математичний опис об'єкта управління;
  2. Синтез системи управління об'єктом;
  3. Моделювання роботи системи управління і об'єкта в середовищі Simulink пакета Matlab;
  4. При досягненні необхідних результатів, виконати генерацію коду системи управління на мові Сі;
  5. Розробка прототипу силового перетворювача і програмування мікроконтролера.

3. Огляд досліджень та розробок

На даний момент існує безліч підходів до синтезу систем управління силової електроніки, однак питань реалізації присвячено не так багато робіт, що робить будь-яке дослідження з пропозицією методу практичної реалізації дуже цінною.

3.1 Огляд міжнародних джерел

Принцип роботи активного випрямляча і про область його застосування детально розглянуті Біма Кумар Бозе в його книзі Modern power electronics and AC drives [1]. В цій книзі так само наведено безліч способів управління силовими перетворювачами і електроприводами, запропоновані і розглянуті різні їх топології, розглянуті способи синтезу і реалізації систем управління на основі нечіткої логіки і нейромереж. Крім фундаментальних праць, за більш вузької інформацією про застосування, математичному описі і сучасні тенденції в області розвитку активних випрямлячів (коректорів потужності), можна звернутися до джерел за авторством М. Мохан, М. Андленда, П. Роббінса, Ф. Блобьерга, Д. В. Колара і Д. Мюлетелера [2] та [4].

Так як активні випрямлячі знаходять широке застосування там, де потрібно двосторонній обмін енергією і підтримання високої якості параметрів мережі, запропоновано безліч способів управління, які сильно варіюються в залежності від області застосування. Наприклад, в роботі авторів Цзянь Сюй, Синь Цао і Чженьяо Хао [5] запропонована система управління, заснована на стратегії droop control або Управління статизмом. Такий підхід застосовується в локальних мережах енергопостачання Microgrid, які можуть працювати автономно. У таких мережах, в залежності від типу і величини навантаження, може сильно змінюватися напруга мережі і її частота. Метод droop control дозволяє звести ці зміни до мінімуму, за рахунок правильного управління активним випрямлячем. У вітроустановках велику роль відіграє якість синхронізації кожної установки ( вітряка) із загальною мережею і підтримка постійної частоти і напруги незалежно від швидкості лопатей. Для вирішення цієї проблеми, в статті авторів Інта Ма, Цсзудо Сан і Цзяньюн Чи [6] пропонується система управління з пропорцийно-iнтегрувальними регуляторами струму, що забезпечує синусоїдальний струм мережі із змінним коефіцієнтом потужності. . Так само, в подібній роботі Джорджа Аліна Радуку [7], наведено набагато ширший спектр можливих рішень описаної проблеми, наведено розрахунок мережевих фільтрів і приклад практичної реалізації силової установки.

У статті авторів Цзе Фен Ху і Цзянь Го Чжу [8] запропонована система управління перетворювачем для випадку множинного підключення однотипних перетворювачів до локальної мережі. Так само для випадку роботи перетворювача в мережі з неідеальними умовами, в статті авторів М. Лізера, А. Делл'Акуіла і Ф. Блаабьерга [9] запропонований метод управління, що враховує перекіс фаз і гармонійний склад. Майже всі наведені системи управління є безперервними і для реалізації на мікроконтролері вимагають правильної дискретизації. У статті авторів Ванфен Чжан, Гуан Фен, Янь-Фей Лю і Бінь У [10] запропонована цифрова система управління, адаптована для dSp (digital signal processing) процесорів. Оптимізація даної системи зменшує час її виконання вдвічі, що дозволяє підвищити частоту дискретизації аналогових сигналів і частоту ШIМ, що значно покращує гармонійний склад вихідного струму і напруги перетворювача. У подібній роботі авторів М. Шікловаса, М. Малиновський, М. Ясинський і .д.р [11] запропонована система управління, яка використовує в якості завдання обчислену активну і реактивну потужність, які беруть участь в активній фільтрації вищих гармонік струму мережі. Так само в статті наведені дані експериментального дослідження на лабораторній установці потужністю 5.2 кВА. В іншій роботі: Ху Ма і ін. [12] розглянули трифазний трирівневий віденський випрямляч і об'єднали алгоритм прогнозує управління. Вони запропонували синтезований алгоритм розширеного змінного режиму мінливої системні управління і пряме прогнозування безперервного управління потужністю. Алгоритм управління використовує метод регулювання з прогнозуючої прямий. Автор Х. Лі та ін. [13] прагнули мінімізувати гармонійні спотворення струму мережі (THd) і коливання вихідної потужності при незбалансованому напрузі мережі і таким чином була запропонована система, що прогнозує управління. У статті авторів Тлілі і ін. [14] представлена таблиця комутацій для прямого управління потужністю трифазного випрямляча з ШIМ. Ця таблиця комутацій була отримана в результаті дослідження різних комбінацій миттєвої активної і реактивної потужностей. Метою системи управління була підтримка напруги шини постійного струму на постійному рівні і отримати коефіцієнт потужності дорівнює одиниці. У статті Джамма і ін. [15] був запропонований метод прямого управління потужністю і крутним моментом (dpTC) для управління 3-фазним ШIМ-випрямлячем із застосуванням контролера адаптивної системи нейро-нечіткого логічного висновку (ANFiS), заснованого на управлінні постійною напругою. Їх мета дослідження полягала в тому, щоб мінімізувати відхилення і виключити вплив приводу асинхронного двигуна навантаження (iMd) на пов'язане постійна напруга. Застосування регулятора не могло задовольнити ці цілі через проблеми чутливості до збурень і обмеженого діапазону регулювання. ANFiS-регулятор був розроблений для вирішення цих проблем і вихідної потужності на стороні інвертора в поєднанні з активною потужністю на стороні випрямляча. Ефективність запропонованого методу управління була протиставлена регулятору, щоб показати його продуктивність.

3.2 Огляд національних джерел

Вітчизняна наука багата на дослідження в галузі енергозбереження, зокрема в галузі дослідження, моделювання і розробки систем управління силової електроніки в цих цілях. Загальні відомості і роботі найширшого класу напівпровідникових перетворювачів дані в книзі М.В. Гельмана, М.М. Дудкіна, К.А. Преображенського Перетворювальна техніка [16]. Там же вичерпно освячений принцип роботи і призначення активного випрямляча напруги. Інший погляд на цю ж тему дан в книзі Проніна М.В., Воронцова А.Г. Силові повністю керовані напівпровідникові перетворювачі [17].

Тут більш детально розглянуті транзисторні та тиристорні перетворювачі енергії. У книзі Аванесова В. М. Релейне управління стежать статичними. Ч. 1. Структури систем управління: аналіз і синтез[18] розглядаються варіанти побудови систем модального управління статичними перетворювачами з асинхронної стежить широтно-імпульсною модуляцією для різних варіантів систем контролю вектора стану.

Крім загальних відомостей, активно пишуться статті і дисертації про математичне моделювання систем управління напівпровідникової технікою. У книзі Шрейнер Р.Т. Математичне моделювання електроприводів змінного струму з напівпровідниковими перетворювачами частоти[19] розглянуто моделювання напівпровідникових пристроїв в цілому і активного випрямляча зокрема, в зв'язці з реальними електроприводами. Ще одним хорошим прикладом може бути дисертація Єфімова О.О. Активні перетворювачі в регульованих електроприводах змінного струму: Теорія, математичне моделювання, управління. В даній дисертації керованого трифазного випрямляча приділено особливо багато уваги. Розглянуто його робота в різних режимах, запропоновані прості способи управління. Ще одним чудовим прикладом не тільки моделювання, але і вдалого застосування принципів модельно-орієнтованого проектування може бути книга Калачова Ю.Н. Моделювання в електроприводі [20]. Автор є інженером зі стажем роботи понад 30 років і пропонує свій погляд на проектування і реалізацію систем керування електроприводом. Зокрема, розглянуто повністю завершений, що працює на виробництві, проект по реалізації системи управління активним випрямлячем напруги за допомогою методом МОП.

3.3 Огляд локальних джерел

В Донецькому національному технічному університеті, на кафедрі Електроприводу і автоматизації промислових установок, робота над активним випрямлячем зі змінним успіхом триває вже понад 10 років. Зокрема, в статті Застосування активного випрямляча в якості енергозберігаючого елемента в електроприводі[21] за авторством Самарського. Г.С. і ст., Мірошника Д.Н коротко розглянуто принцип роботи і надані результати моделювання роботи активного випрямляча з складі електроприводу, що свідчать про те, що його застосування значно скорочує витрати електроенергії. Так само, в рефераті Довганя Олександра Юрійовича Розробка і дослідження енергозберігаючого перетворювача для управління автоматизованим електроприводом шахтної підйомної установки [22] наведено приклад цілком конкретного застосування активного випрямляча напруги.

4. Реалізація системи управління активного випрямляча на базі мікроконтролера STM32F407

Для застосування принципу МОП, спочатку необхідно скласти математичний опис об'єкта по електричній схемі на малюнку 1 в області Лапласа і привести його до виду структурно схеми. Дана схема приведена на малюнку 3. Послідовність включення ключів наведена на малюнку 2. Після цього, можна синтезувати систему управління будь-яким з відомих або доступних методів. Структурна схема системи управління приведена на малюнку 4.

Принципова схема активного випрямляча

Малюнок 1 – Принципова схема активного випрямляча

Послідовність включення ключів

Малюнок 2 – Послідовність включення ключів
(анімація: 5 кадрів, 6 циклів повторення, 14 кілобайт)

Структурна схема об'єкта регулювання

Малюнок 3 – Структурна схема об'єкта регулювання

Система управління

Малюнок 4 – Система управління

Загальний вигляд системи pll

Малюнок 5 – Загальний вигляд системи pll

Після того, як теоретична частина розробки закінчена, необхідно створити систему управління засобами MATlAB в середовищі Simulink. Скріншот моделі наведено на малюнку 6.

Система управління в середовищі Simulink

Малюнок 6 – Система управління в середовищі Simulink

Після того, як засоби MATlAB згенерують код для створеної моделі, його можна завантажити в мікроконтролер з будь-якоi IDE.

Висновки

Парадигма синтезу систем управління за принципом МОП в даний час стає все більш вживаною в області силової електроніки і дана робота це підтверджує. Те, що раніше необхідно було робити в ручну: писати код, створювати бібліотеки і адаптуватися під специфіку роботи мікроконтролера – тепер можна робити збираючи конструктор у відповідній графічному середовищі. А попереднє моделювання роботи всієї системи вбереже інженера від дорогих помилок і позбавить від тривалих тестів і налаштувань в малому масштабі, що дуже заощадить час і кошти.

В рамках проведеної роботи виконано:

  1. Створено математичний опис об'єкта управління.
  2. Синтезовано систему управління.
  3. Система управління була промоделювати і реалізована в середовищі Simulink.
  4. Розроблено код на мові С, який реалізує систему на мікроконтролері STM32F407. .

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

  1. Розробка транзисторного перетворювача з датчиками струму і напруги.
  2. Експериментальна перевірка працездатності системи в малому масштабі зі зниженим напругою.
  3. Створення повноцінного перетворювача для прімишленного напруги 380 В, 50 Гц.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2021 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Bimal K.B. Modern Power Electronics and AC Drives / K.B. Bimal – Prentice Hall, 2001. – 736 pp.
  2. Ned Mohan, Tore M., P.Robbins. Power Electronics/ Ned Mohan, M. Tore, Robbins P. – Prentice Hall, 2002. – 409 pp
  3. Frede B. Control of Power Electronic Converters and Systems/ B. Frede – Academic Press, 2018. – 532 pp
  4. The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ethz.ch/content/dam....
  5. Xu, J., Cao, X., & Hao, Z. A Droop Control Strategy Based on Synchronous Rectifier to Modulate the Frequency and Voltage in AC Microgrid. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/8921702/.
  6. Ma, Y., Sun, X., & Chai, J. Synchronous PI current control technique for three-phase PFC rectifier for PMSG wind generation system. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/5545885.
  7. George Alin RADUCU Control of Grid SIDE Inverter in a B2B Configuration for WT Applications / RADUCU George Alin – Aalborg University, 2008. – 103 pp.
  8. Jie Feng Hu, Jian Guo Zhu, & Platt, G. A droop control strategy of parallel-inverter-based microgrid [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/7513771.
  9. M. Liserre, A. Dell'Aquila, F. Blaabjerg, Design and control of a three-phase active rectifier under non-IDEal operating conditions [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/1042708.
  10. Sangshin Kwak, & Toliyat, H. A. Current-source-rectifier topologies for sinusoidal supply current: theoretical studies and analyses. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/1637840.
  11. Cichowlas, M., Malinowski, M., Jasinski, M., & Kazmierkowski, M. P. DSP based direct power control for three-phase PWM rectifier with active filtering function. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/1267928.
  12. H. Ma, M. Yang, Y. Chang, J. Zhao, Y. Lu, Predictive Direct Power control for Three-phase Vienna Rectifier with Simplified SVM, IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC), 2018
  13. X. Li, C. Zhang, A. Chen, X. Xing, G. Zhang, Model Predictive Direct Current Control Strategy for Three-Level T-type Rectifier Under Unbalanced Grid Voltage Conditions IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2018
  14. F. Tlili, F. Bacha, M. Guesmi, New Switching Lookup Table for Direct Power Control of a Three-Phase PWM Rectifier, The 9th International Renewable Energy Congress (IREC),2018
  15. M. Jamma, M. Akherraz', M. Barara, ANFIS Based DC-Link Voltage Control of PWM Rectifier-Inverter System with Enhanced Dynamic Performance, 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON, 2018.
  16. Гельман, М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие / М.В. Гельман, М.М. Дудкин, К.А. Преображенский. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 425 с.
  17. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / Под ред. Крутякова Е.А. СПб: Электросила, 2003. – 172 с.
  18. Аванесов, В. М. Релейное управление следящими статическими преобразователями. Ч. 1. Структуры систем управления: анализ и синтез [Текст] / В. М. Аванесов // Электричество. – 2000. – № 10. – 45-53.
  19. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. – Екатеринбург УРО РАН, 2000 г. с. 273 – 288.
  20. Ю.Н, Калачев, Моделирование в электроприводе, ЭФО, 2013.
  21. Самарский. Г.С, Мирошник Д.Н. ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ В КАЧЕСТВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2005/eltf/samarsky/library/st21/st21.htm.
  22. Нусратов, П.Р. Разработка и исследование энергосберегающего электропривода шахтных подъемных машин. – Новокузнецк ФБГОУ ФО, 2016 г. с. 21