ДонНТУ   Портал магистров

Петренко Дмитрий Олегович

Электротехнический факультет

Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Специальность «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Активный выпрямитель напряжения

Научный руководитель: к.т.н., доцент. Мирошник Денис Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Обзор международных источников
• 3.2 Обзор национальных источников
• 3.3 Обзор локальных источников
• 4. Реализация системы управления активного выпрямителя на базе микроконтроллера STM32F407
• Выводы
• Список источников

Введение

Ускоряющиеся темпы технического прогресса требуют систематического использования все более интеллектуальных технических систем.

Сегодня, вместе с удешевлением и ростом доступности систем-на-кристалле (SoC – System-on-Chip), развитием технологий программируемых пользователем вентильных матриц (FPGAs – Field-Programmable Gate Arrays), так же растут требования по ускорению и удешевлению разработки компьютеризированных систем управления разных классов. В частности, растёт необходимость в создании систем управления силовой электроникой (инверторы, выпрямители и т.п.) для крупного, среднего и малого производства.

Эти тренды породили парадигму модельно-ориентированного проектирования: идеологию и инструментарий, позволяющие реализовать все этапы жизненного цикла создания сложных технических систем, от теоретического обоснования реализуемости поставленной задачи до записи управляющих программ в контроллеры, сигнальные процессоры и программируемые логические интегральные схемы. Все перечисленные возможности может предоставить вычислительная среда MatLab компании MathWorks.

1. Актуальность темы

Основным потребителем электроэнергии в мире на данный момент является промышленность. В свою очередь, в промышленности основными электропотребителями являются нелинейные элементы: электропривода и силовые электронные устройства. Работа таких потребителей без компенсирующих мер приводит к искажениям потребляемого тока и напряжения сети, в результате чего:

– увеличиваются потери мощности на всех этапах преобразования электроэнергии;

– происходит снижение электрического и механического КПД нагрузок;

– вынужденно завышается требуемая мощность автономных электроэнергетических установок;

– сокращается срок службы электротехнических изделий и т.п.

Так же, к числу наиболее важных проблем нужно отнести отдачу электроэнергии в сеть, особенно в мощных приводах, работающих в повторно-кратковременных режимах

Эти требования и негативные последствия, а так же строгие государственные и международные законы по повышению энергоэффективности влекут за собой значительные потери материальных средств для промышленности.

Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока и удовлетворение всех требований по её качеству. В области электропривода, в свою очередь, требуется обеспечение работы двигателя в четырёхквадрантном режиме.

Требования международных стандартов IEC 61000-3, IEEE 519, EN 61000-3-2 жестко регламентируют уровень гармонических составляющих тока, потребляемого электротехническим устройством, вплоть до 49 гармоники. Отечественный ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) ограничивается гармониками до 40-й.

Одним из основных направлений снижения гармонического воздействия преобразователей на питающую сеть и нагрузку, снижению потребляемой реактивной мощности и обеспечению рекуперации, является переход к применению активных выпрямителей. В англоязычной литературе используется обобщенный термин преобразователь переменного/постоянного тока соответствующий терминологии стандарта МЭК 60050-551 (AC/DC Converter). Так же часто встречается active front end, Grid Side Inverter, Active rectifier.

Магистерская работа посвящена научно-технической задаче разработки системы управления активным выпрямителем, используя самое передовое средство быстрого и дешевого создания встраиваемых систем управления – средства модельно-ориентированного проектирования (МОП). Данный подход уже отлично зарекомендовал себя в крупных системах контроля и управления, в особенности в области ядерной энергетики. Сейчас, с появлением доступных и мощных SoC и графических сред программирования и отладки (SimTech, Simulink и др.) тренд применения МОП распространяется и на силовую электронику.

В качестве среды моделирования и программирования используется среда Simulink пакета MATLAB и IDE Keil, а в качестве материальной реализации – микроконтроллер STM32F407VGT компании STMicroelectronics.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является исследование применимости модельно-ориентированного проектирования к разработке силовой электроники, для значительного ускорения и упрощения разработки промышленных силовых преобразователей.

Основные задачи исследования:

1. Математическое описание объекта управления;
2. Синтез системы управления объектом;
3. Моделирование работы системы управления и объекта в среде Simulink пакета Matlab;
4. При достижении необходимых результатов, выполнить генерацию кода системы управления на языке Си;
5. Разработка прототипа силового преобразователя и программирование микроконтроллера.

3. Обзор исследований и разработок

На данный момент существует множество подходов к синтезу систем управления силовой электроники, однако вопросам реализации посвящено не так много работ, что делает любое исследование с предложением метода практической реализации очень ценной.

3.1 Обзор международных источников

Принцип работы активного выпрямителя и об область его применения подробно рассмотрены Бимал Кумар Бозе в его книге Modern power electronics and AC drives [1]. В этой книге так же приведено множество способов управления силовыми преобразователями и электроприводами, предложены и рассмотрены разные их топологии, рассмотрены способы синтеза и реализации систем управления на основе нечёткой логики и нейросетей. Помимо фундаментальных трудов, за более узкой информацией о применении, математическом описании и современных тенденциях в области развития активных выпрямителей (корректоров мощности), можно обратиться к источникам за авторством Н. Мохана, М. Андленда, П. Роббинса, Ф. Блобьерга, Д. В. Колара и Д. Мюлетелера [2] и [4].

Так как активные выпрямители находят широчайшее применение там, где требуется двусторонний обмен энергией и поддержание высокого качества параметров сети, предложено множество способов управления, которые сильно варьируются в зависимости от области применения. Например, в работе авторов Цзянь Сюй, Синь Цао и Чжэньян Хао [5] предложена система управления, основанная на стратегии Droop control или Управление статизмом. Такой подход применяется в локальных сетях энергоснабжения Microgrid, которые могут работать автономно. В таких сетях, в зависимости от типа и величины нагрузки, может сильно изменяться напряжение сети и её частота. Метод Droop control позволяет свести эти изменения к минимуму, за счёт правильного управления активным выпрямителем. В ветроустановках большую роль играет качество синхронизации каждой установки (ветряка) с общей сетью и поддержание постоянной частоты и напряжения вне зависимости от скорости лопастей. Для решения этой проблемы, в статье авторов Интао Ма, Цсзудо Сан и Цзяньюнь Чи [6] предлагается система управления с ПИ-регуляторами тока, обеспечивающая синусоидальный ток сети с изменяемым коэффициентом мощности.. Так же, в подобной работе Джорджа Алина Радуку [7], приведен гораздо более широкий спектр возможных решений описанной проблемы, приведён расчёт сетевых фильтров и пример практической реализации силовой установки.

В статье авторов Цзе Фэн Ху и Цзянь Го Чжу [8] предложена система управления преобразователем для случая множественного подключения однотипных преобразователей к локальной сети. Так же для случая работы преобразователя в сети с неидеальными условиями, в статье авторов М. Лизера, А. Делл'Акуила и Ф. Блаабьерга [9] предложен метод управления, учитывающий перекос фаз и гармонический состав. Почти все приведенные системы управления являются непрерывными и для реализации на микроконтроллере требуют правильной дискретизации. В статье авторов Ванфэн Чжан, Гуан Фэн, Янь-Фей Лю и Бинь У [10] предложена цифровая система управления, адаптированная для DSP (Digital signal processing) процессоров. Оптимизация данной системы уменьшает время её выполнение вдвое, что позволяет повысить частоту дискретизации аналоговых сигналов и частоту ШИМ, что значительно улучшает гармонический состав выходного тока и напряжения преобразователя. В подобной работе авторов М. Шикловаса, М. Малиновски, М. Ясински и .д.р [11] предложена система управления, использующая в качестве задания вычисленную активную и реактивную мощность, которые участвуют в активной фильтрации высших гармоник тока сети. Так же в статье приведены данные экспериментального исследования на лабораторной установке мощностью 5.2 кВА. В другой работе: Ху Ма и др. [12] рассмотрели трехфазный трехуровневый венский выпрямитель и объединили алгоритм прогнозирующего управления. Они предложили синтезированный алгоритм расширенного скользящего режима меняющейся системны управления и прямое прогнозирование беспрерывного управления мощностью. Алгоритм управления использует метод регулирования с прогнозирующей прямой. Автор Х. Ли и др. [13] стремились минимизировать гармонические искажения сетевого тока (THD) и колебания выходной мощности при несбалансированном напряжении сети и таким образом была предложена прогнозирующая система управления. В статье авторов Тлили и др. [14] представлена таблица коммутаций для прямого управления мощностью трёхфазного выпрямителя с ШИМ. Эта таблица коммутаций была получена в результате исследования разных комбинаций мгновенной активной и реактивной мощностей. Целью системы управления было поддержание напряжения шины постоянного тока на постоянном уровне и получить коэффициент мощности равный единице. В статье Джамма и др. [15] был предложен метод прямого управления мощностью и крутящим моментом для управления 3-фазным ШИМ-выпрямителем с применением контроллера адаптивной системы нейро-нечеткого логического вывода (ANFIS), основанного на управлении постоянным напряжением. Их цель исследования заключалась в том, чтобы минимизировать отклонения и исключить влияние привода асинхронного двигателя нагрузки (IMD) на связанное постоянное напряжение. Применение ПИ-регулятора не могло удовлетворить эти цели из-за проблемы чувствительности к возмущениям и ограниченного диапазона регулирования. ANFIS-регулятор был разработан для решения этих проблем и выходной мощности на стороне инвертора в сочетании с активной мощностью на стороне выпрямителя. Эффективность предлагаемого метода управления была противопоставлена пропорционально-интегральному регулятору, чтобы показать его производительность.

3.2 Обзор национальных источников

Отечественная наука богата на исследования в области энергосбережения, в частности в области исследования, моделирования и разработки систем управления силовой электроники в этих целях. Общие сведения и работе широчайшего класса полупроводниковых преобразователей даны в книге М.В. Гельмана, М.М. Дудкина, К.А. Преображенского Преобразовательная техника [16]. Там же исчерпывающе освящён принцип работы и назначение активного выпрямителя напряжения. Другой взгляд на эту же тему дан в книге Пронина М.В., Воронцова А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи [17].

Здесь более детально рассмотрены транзисторные и тиристорные преобразователи энергии. В книге Аванесова В. М. Релейное управление следящими статическими преобразователями. Ч. 1. Структуры систем управления: анализ и синтез [18] рассматриваются варианты построения систем модального управления статическими преобразователями с асинхронной следящей широтно-импульсной модуляцией для различных вариантов систем контроля вектора состояния.

Кроме общих сведений, активно пишутся статьи и диссертации о математическом моделировании систем управления полупроводниковой техникой. В книге Шрейнера Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты [19] рассмотрено моделирование полупроводниковых устройств в целом и активного выпрямителя в частности, в связке с реальными электроприводами. Ещё одним хорошим примером может являться диссертация Ефимова А.А. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока: Теория, математическое моделирование, управление. В данной диссертации управляемому трёхфазному выпрямителю уделено особенно много внимания. Рассмотрена его работа в разных режимах, предложены простые способы управления. Ещё одним отличным примером не только моделирования, но и удачного применения принципов модельно-ориентированного проектирования может являться книга Калачёва Ю.Н. Моделирование в электроприводе [20]. Автор является инженером со стажем работы более 30 лет и предлагает свой взгляд на проектирование и реализацию систем управления электроприводом. В частности, рассмотрен полностью завершенный, работающий на производстве, проект по реализации системы управления активным выпрямителем напряжения с помощью методом МОП

3.3 Обзор локальных источников

В Донецком национальном техническом университете, на кафедре Электропривода и автоматизации промышленных установок, работа над активным выпрямителем с переменным успехом продолжается уже более 10 лет. В частности, в статье Применение активного выпрямителя в качестве энергосберегающего элемента в электроприводе [21] за авторством Самарского. Г.С . и ст., Мирошника Д.Н кратко рассмотрен принцип работы и даны результаты моделирования работы активного выпрямителя с составе электропривода, свидетельствующие о том, что его применение значительно сокращает расходы электроэнергии. Так же, в реферате Довганя Александра Юрьевича Разработка и исследование энергосберегающего преобразователя для управления автоматизированным электроприводом шахтной подъемной установки [22] приведен пример вполне конкретного применения активного выпрямителя напряжения.

4. Реализация системы управления активного выпрямителя на базе микроконтроллера STM32F407

Для применения принципа МОП, сначала необходимо составить математическое описание объекта по электрической схеме на рисунке 1 в области Лапласа и привести его к виду структурно схемы. Данная схема приведена на рисунке 3. Последовательность включения ключей приведена на рисунке 2. После этого, можно синтезировать систему управления любым из известных или доступных методов. Структурная схема системы управления приведена на рисунке 4.

После того, как теоретическая часть разработки окончена, необходимо создать систему управления средствами MATLAB в среде Simulink. Скриншот модели приведен на рисунке 6.

После того, как средства MATLAB сгенерируют код для созданной модели, его можно загрузить в микроконтроллер из любой IDE.

Выводы

Парадигма синтеза систем управления по принципу МОП в настоящее время становится всё более применяемой в области силовой электроники и данная работа это подтверждает. То, что раньше необходимо было делать в ручную: писать код, создавать библиотеки и адаптироваться под специфику работы микроконтроллера – теперь можно делать собирая конструктор в подходящей графической среде. А предварительное моделирование работы всей системы убережёт инженера от дорогостоящих ошибок и избавит от длительных тестов и настроек в малом масштабе, что очень сэкономит время и средства.

В рамках проведенной работы выполнено:

1. Создано математическое описание объекта управления.
2. Синтезирована система управления.
3. Система управления была промоделирована и реализована в среде Simulink.
4. Разработан код на языке С, реализующий систему на микроконтроллере STM32F407. .

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

1. Разработка транзисторного преобразователя с датчиками тока и напряжения.
2. Экспериментальная проверка работоспособности системы в малом масштабе с пониженным напряжением.
3. Создание полноценного преобразователя для примышленного напряжения 380В, 50 Гц.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

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