Тетра-инвертор с ШИМ-управлением по условному прогнозу. ТЕТРА - ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ОДНОШАГОВОМУ УСЛОВН. Тетра инвертор напряжения с управлением по одношаговому условному прогнозу c шим часть iii
 Скачать 360.87 Kb.
|
е^ с частотой Ω, например синусоидальной формы. Благодаря этому, обеспечивается минимальное рассогласование ±ɛ(t), при этом вычислитель стремиться свести ошибку регулирования к нулю.
iL, в дальнейшем может быть необходим при моделировании токовой защиты тетра-инвертора. Используя значение и знак этого тока, можно построить систему двустороннего его симметричного ограничения при аварийных режимах.
e^ with frequency Ω, such as sine, that minimizes the following error ± ɛ(t), in the limit, trying to bring it to zero.
е^ с частотой Ω, например синусоидальной, чтобы обеспечивалась минимизация ошибки рассогласования ±ɛ(t), в пределе стремясь привести её к нулю. УДК 621.376.54 ТЕТРА - ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С УПРАВЛЕНИЕМ ПО ОДНОШАГОВОМУ УСЛОВНОМУ ПРОГНОЗУ C ШИМ-2. ЧАСТЬ III. Инженер Яшкин Виктор Иванович Саранск, E-mail: Viktor.jashkin@yandex.ru Аннотация. Метод управления на основе условного прогноза и устройство его реализации, или вычислитель прогноза, используется для управления тетра-инвертором напряжения, являющимся транзисторным импульсно-модулированным преобразователем с магнитносвязанными элементами. Тетра-инвертор формирует заданную кривую выходного напряжения близкую к с синусоидальной форме с промышленной частотой Ω = 50Гц и выше. Частота работы преобразователя ограничивается заданной «гладкостью» выходного напряжения, т.е. задаётся коэффициентами пульсации, гармоники, выбранной глубиной импульсной модуляции. Подобные эвристические системы, предсказывающие поведение выходного параметра в зависимости от сглаживаемого фильтром тока и напряжения, в теории автоматического управления впервые описаны и математически обоснованы в работе [1]. Следящие релейные системы по методу условного прогноза, как уже отмечалось в части I, применил для анализа схем вентильных преобразователей впервые Г.М. Мустафа в ВЭИ им. В.И. Ленина в 1962 году [2]. Он показал, что метод применим практически ко всем классам управляемых ключевых преобразователей: со средней точкой, к полумостовым и мостовым схемам с синусоидальным выходным напряжением и током, одно или двухтактным чёпперам или DC/DC преобразователями, в том числе и с высокочастотным разделительным трансформатором, для выпрямителей с входным синусоидальным током или для схем ШИМ-корректоров. Синтезированные по предлагаемому методу системы управления преобразователями, повышают точность, быстродействие и скорость их отработки возмущений, как по входу, так и по выходу, причём и таких, в которых имеется собственное запаздывание или задержка времени при переключении силовых ключей инвертора. Это запаздывание принципиально имеется при работе ключевых преобразователей и вызывается имением угла управления силовыми ключами при изменении глубины импульсной модуляции. Вычислительные устройства прогноза позициируются как предсказывающие, условно прогнозирующие поведение выходного параметра, в зависимости от его величин скорости и знака ускорения, точнее, от его первой и второй производной. Высокая скорость подавления возмущений и неустойчивости, необходимая в следящих преобразователях, обеспечивается независимо от изменения комплекса нагрузки, от её перегрузки или холостого хода. Благодаря используемому управлению ключевым импульсно-модулированным тетра-инвертором, он является принципиально устойчивым, вследствие «алгебраизации» системы управления, т.е. в её контурах регулирования явно не содержатся интеграторы. Такие устройства являются наиболее быстродействующим из класса следящих релейных систем. Система управления имеет задержку отработки ошибки ±ε(t) регулирования не более длины интервала прогноза: βП = h – tП, где h =  − шаг условного прогноза, tП – момент переключения текущего, локального времени на интервале. На каждом шаге прогноза h, система узнаёт, точнее, вычисляет, как надо с помощью управляемых силовых ключей коммутатора сформировать текущую «гладкую» кривую выходного параметра |
Точность и качество отработки реферирующего задания, обуславливаются параметрами выходного LC-фильтра, добротностью его контура ρ и собственной круговой резонансной частотой ω0, длительностью выбранного шага условного прогноза h, а тем самым и несущей частотой «υ» при двухпозиционной широтно-импульсной модуляции.
Ключевые слова: одно и трёхфазный тетра-инвертор; АБП (агрегат бесперебойного питания); двухпозиционная широтно-импульсная модуляция; схема тетра-инвертора напряжения; синусоидальный сигнал напряжения задания; следящая релейная система; эвристическое управление по методу условного одношагового прогноза; разделительный и согласующий трансформатор; выходной LC-фильтр, моделирование, программы анализа схем силовой электроники "ELTRAN".
УДК 621.376.54
TETRA – INVERTER VOLTAGE CONTROLLED ONE – STEP CONDITIONAL FORECASTS PWM –2. Part III.
Engineer Yashkin Viktor Ivanovich
Saransk, E-mail: Viktor.jashkin@yandex.ru
Abstract. Control method based on conditional forecast and its implementation device or computer forecast, used to control the tetra-inverter voltage, which is a transistor PWM converter with magnitnosvyazannymi elements. Tetra inverter generates a given curve of the output voltage close to a sinusoidal with industrial universe frequency of 50Hz or higher. The frequency of the converter is limited by the "smoothness" of the output voltage, ie, specifies the ripple harmonics selected depth width modulation.
Such heuristic system, predicts the behavior of the output parameter, depending on the smoothing filter current and voltage in the control theory first described mathematically grounded in: "OTTO J.M.SMITH. FEEDBACK CONTROL SYSTEMS. McGraw-Hill Book Comp., Inc., New York, London, 1958", [1]. Continuous relay systems using the method of conditional prediction, as noted in Part I, the first time for the analysis of circuit’s rectifier converters applied Ph.D.G.M. Mustafa in VEI named V.I. Lenin, in 1962, [2]. He showed that the method is applicable to virtually all classes of controlled key transducers with the mid-point, a half-bridge, and the bridge circuit with a sinusoidal output voltage and current, one or two-stroke chopper or DC / DC converter, including a high frequency isolation transformer for rectifier with sinusoidal input current or PWM circuits correctors.
Synthesized by the proposed method of inverter, increase the accuracy, speed and rate of mining disturbances, both on entry and exit of, with, and those in which there is a proper time lag or delay when switching inverter power switches. This delay has in principle when the key transmitters and is called the estate angle control of the power key when the depth of pulse width modulation.
Computing devices forecast pozitsiiruyutsya affects both pre-conditionally predicting the behavior of the output of parameters, depending on the values of speed and acceleration of the mark or, more precisely, on its first and second derivatives. High speed suppression of disturbances and instability, the need for transformation, tracking zovatelyah is provided regardless of changes in complex-load, overload or from its idle position.
Due to the key management used pulse-modulated tetra-inverter, it is principally US-sustainable due to "algebraization" control system, ie in its control loops explicitly contains integrators. Such devices are most of the fast class servo relay systems. The control system has a delay resolve the error ±ε (t) is not a regulation length of the interval forecast: βП = h - tП, where h - step conditional forecast, tП - time of switching current, local time at the range. At each step of the forecast h, the system learns more precisely calculates how to using controlled power switches switch form the current "smooth" the curve of the output parameter
The accuracy and quality of mining abstracted tasks obu-slavlivayutsya parameters of output LC-filter, Q its contour ρ and a private circular resonant frequency ω0, the duration-of the selected step conditional forecast h, and thus the carrier frequency υ at the bi-pulse width modulation.
Key words: single and three-phase tetra-inverter; UPS (Universal Power Supplies); two-position pulse-width modulation; tetra-circuit voltage inverter; sinusoidal signal voltage setting; relay tracking system; Management heuristic method of conditional one-step prediction; separating and matching transformer; the output LC-filter; simulation; analysis program circuits of power electronics "ELTRAN".
Постановка задачи.
1. Преобразователь, который мы называем тетра-инвертором напряжения, занимает промежуточное положение между полумостовой и мостовой схемами. Наиболее близким его аналогом является преобразователь с нулевой точкой. Полумостовая схема является последовательным включением двух импульсных ячеек, каждая из которых состоит из включенных параллельно своему ёмкостному накопителю, цепи из последовательно соединённого управляемого силового ключа, обмоток дросселя сглаживающего фильтра и разделительного трансформатора. Параллельное включение подобных ячеек через магнитную связь встречновключённых обмоток фильтрующего дросселя и разделительного трансформатора и образуют схему тетра-инвертора. Питание каждой ячейки обеспечивается от своего отдельного ёмкостного накопителя через магнитосвязанные встречновключённые обмотки входного дросселя фильтра питания.
2. По существу, инвертор является магнитносвязанной схемой двух прямоходовых однотактных ключевых преобразователей, работающих в противофазе. Объединённые перекрёстными магнитными связями однотактные ключевые преобразователи, через обмотки двухобмоточного дросселя фильтра с немагнитным зазором и с общей индуктивностью L, через обмотки разделительного и согласующего трёхобмоточного выходного трансформатора с коэффициентом трансформации NTP ≠ 0, работающего на низкой частоте Ω задания, и образуют схему тетра-инвертора, содержащие новые свойства. Параллельно третьей, выходной обмотке трансформатора, включён фильтрующий конденсатор с ёмкостью С и комплекс нагрузки RН.
3. Перекрёстные обмотки силовых магнитных элементов преобразователя и дали название для схемы инвертора, обеспечили его новые свойства по сравнению с прототипом и аналогом.
4. Управление тетра-инвертором обеспечивается быстродействующей следящей релейной системой регулирования по методу одношагового условного прогноза рассогласования [1, 2].
5. Проведём анализ и моделирование процессов при работе однофазного тетра-инвертора, расчёт его силовых элементов схемы и параметров системы управления по методу условного прогноза с двухпозиционной широтно-импульсной модуляцией.
6. Проведём расчёт и смоделируем работу схемы и трёхфазного тетра-инвертора, при различных симметричных и нессиметричных его нагрузках, включённых звездой с нулём и треугольником.
I. Принципиальная схема модели однофазного тетра-инвертора с системой управления по условному прогнозу рассогласования.
1. Поставленная задача решается применением импульсно-модулированного преобразователя, выполненного по схеме однофазного тетра-инвертора, с системой управления на основе условного прогноза рассогласования. Принципиальная схема модели, представлена на рис. 1. Инвертор работает на относительно высокой несущей частоте «υ» и формирует выходное переменное напряжение при помощи двухпозиционной широтно-импульсной модуляции.
2. На входе инвертора стоят две одинаковые ёмкостные ячейки СP1 и CP2, включённые параллельно и связанные с помощью встречновключённых магнитносвязанных обмоток LMP1 и LMP2, ограничивающих пусковой ток дросселя LP, образующих в совокупности входной фильтр – разделённые накопители по питанию. Применённая схема обеспечивает необходимый уровень пульсаций, при двух или трёхфазном выпрямленном напряжении Ud, например промышленной сети c частотой: Ω = 2π·fС, где fС = 50[Гц].
3. Длительность коротких импульсов, формируемых одновибраторами ОВ1 и ОВ2, запускаемыми передними фронтами логических импульсов с выходов суммирующего компаратора КM1-1 и логический инвертора NOT1, одинаковая и не превышает: TI1 = TI2 ≥ (2 − 3)·tВЫКЛ. Здесь tВЫКЛ ≤ 0.5[мксек] – время выключения транзисторов, гарантированное по паспорту завода-изготовителя, Для современных силовых транзисторов, с учётом схемной аппаратной реализации, достаточно величины TI1 = TI2 ≤ 2[мксек]. Кроме того, необходимо учитывать время для полного разряда конденсаторов интеграторов локального времени аналоговыми ключами, и при необходимости его увеличить.
Рис. 1. Принципиальная схема однофазного тетра-инвертора с системой управления и с вычислителем условного прогноза.4. Короткие импульсы «обнуляют» выходы последовательно включённых интеграторы AZ1-1 и AZ2-1, с помощью аналоговых ключей АК1-1 и АК1-2, одним логическим сигналом с выхода суммирующего элемента OR1, на входы которого поступают узкие импульсы с выходов одновибраторов OB1 и OB2. Обнуление выходов интеграторов обеспечивается соответствующими аналоговыми ключами AK1-2 и AK2-2, подключёнными к выходам интеграторов, управляемых по своим логическими входами «S» сигналом с выхода элемента OR1.
5. Силовые ключи КТ1 и КТ2 работают без пауз или временных задержек на включение следующего, вступающего в работу силового ключа. При необходимости, рекуперацию реактивного тока коммутирующей ветви инвертора, обеспечивают встроенные в структуру прибора, обратновключённые высоковольтные диоды V1 и V2. Длительность их работы не превышает выключение предыдущего, выходящего из работы ключа. В полупроводниковых структурах современных силовых полевых MOSFET транзисторов и гибридных IGBT, имеются не только внутренние защитные высоковольтные диоды, но и дополнительные защитные диоды по цепи их управления.
6. Достоинством схемы тетра-инвертора с магнитносвязанными цепями, является возможность естественной работы силовых ключей КT1 и КT2 без пауз и без обратно шунтирующих внешних силовых диодов, так как в интервале модуляции при коммутации, нет «сквозной» цепи для протекания импульса сверхтока, когда, например, ключ КT1 начинает закрываться, а КT2 открываться. Из-за конечного времени включения и выключения этих ключей, в схемах мостового и полумостового преобразователей, возможно появление такого сверхтока.
7. В тетра-инверторе, в момент коммутации ключа, последовательно с ними всегда включены достаточно большие индуктивность L обмоток магнитносвязанного дросселя LF и индуктивности рассеяния Lσ1,2 обмоток согласующего трансформатора TV. В принципе, дроссель фильтра LF конструктивно можно совместить с согласующим трансформатором, используя в качестве его индуктивности L суммарную индуктивность рассеяния Lσ1,2 двух обмоток трансформатора. Это заметно уменьшит массогабаритные показатели преобразователя, используемого например, в агрегатах UPS.
8. Применение магнитносвязанных элементов упрощает построение и многофазных, импульсно-модулированных преобразователей, особенно для почти симметричных нагрузок, включаемых либо треугольником, либо звездой с нулём.
9. C датчиков напряжения DU1 и DU2, подключенных параллельно силовым ключам КT1 и КT2 ветвей тетра-инвертора, сигналы о состоянии ключей (замкнут он или разомкнут на интервале модуляции), точнее, напряжения на них, подаются на входы суммирующего усилителя УСS, на выходе которого формируется сигнал u = ±SU, равный сумме сигналов [UКT1 + (−UКT2)] напряжений на ключах. Этот сигнал знакопеременный, равный по амплитуде постоянному напряжению U на накопителях CP1 или СP2. Затем, сигнал поступает на вход первого интегратора блока локального времени БЛВ и на инвертирующий вход первого усилителя-сумматора УС1 в вычислителе прогноза.
10. Блок локального времени преобразовывает медленную, мало меняющеюся на интервале рассмотрения, функцию с помощью двойного интегрирования, т.е. вырабатывает экспоненциальную временную развертку u2 с обнулением в конце шага прогноза. Благодаря такой развёртки и выделяется необходимый в данный момент времени знак второй производной, т.е. знак скорости нарастания, который обеспечивает нулевую ошибку. Блок выполнен в виде последовательно включённых интеграторов, каждый со своим ключом обнуления, управляемыми логическим сигналом с выхода ИЛИ, суммирующего выходные сигналы одновибраторов ОВ1 и ОВ2.
11. По определению условного прогноза, точка t = tП рассматривается как момент переключения силовых ключей. На интервале [t, (t + θ)]
попадает ещё одно переключение. Чтобы обеспечить желаемую частоту переключения, оно должно быть расположено на расстоянии 2h от уже реализовавшегося в момент h переключения. В силу этого, прогноз становиться функцией текущих переменных состояния и локального времени, отсчитанного от последнего реализованного переключения.
12. Напряжение UКT1 поступает на неинвертирующий вход усилителя УСS с коэффициентом усиления «+1», а напряжение UКT2 поступает на инвертирующий вход этого же усилителя с коэффициентом «−1». Фазировка входов усилителя УСS обусловлена прямым для ключа КT1 и обратным для ключа КT2, включением обмоток дросселя LF и трансформатора TV, а следовательно и знаками напряжений на них.
13. C датчиков тока DI1 и DI2, включенных последовательно с силовыми ключами КT1 и КT2 относительно общей точки «земля», а тем самым последовательно и с перекрёстными обмотками дросселя LF и первичными обмотками трансформатора TV, поступают сигналы о величине и знаке мгновенных значений токов ветвей инвертора, на входы суммирующего усилителя УСI. Его коэффициент усиления по первому входу равен «+1», по второму, инвертирующему входу «−1»». На выходе усилителя УСI формируется общий пилообразный сигнал тока дросселя инвертора, равный сумме сигналов
15. Нормированные коэффициенты усилителей равны «±1» для УСS и УСI, так как нормировки тока, напряжения и времени обеспечивают коэффициенты дифференциальных уравнений формулы прогноза (см. часть I), так, чтобы они стали единичными. Это упрощает анализ, расчёты и параметры при моделирования тетра-инвертора и вычислителя прогноза.
16. Система управления с вычислителем, позволяет отслеживать требуемое значение выходного параметра при минимальной кратности частот модуляции и реферирования, что позволяет реализовать схемы тетра-инверторов на большие мощности и при различной фазности выходного напряжения. Применение тетра-инвертора позволяет снизить коммутационные потери в ключах (их всего два на каждую фазу), исключить внешние обратновключённые диоды. уменьшить размеры охладителей и в целом, всей конструкции. Кроме того, достигается улучшение эксплуатационных характеристик, коэффициент несинусоидальности выходного напряжения, КПД и проч., при работе с комплексной нагрузкой, как с линейной, так и с нелинейной. Улучшается качество электроэнергии в переходных процессах при переключениях нагрузки, при холостом ходе и глубокой перегрузке, приближающейся к короткому замыканию.
17. Тетра-инвертор с системой управления по вычисляемому прогнозу, имеет хорошие характеристики по статике и динамике. Система занимает промежуточное положение между системами управления с модулятором с пилообразным, «жёстким» опорным сигналом и аналоговым регулятором, и релейными системами с подчинённым регулятором тока. Независимого генератора в вычислителе прогноза нет, но измеряется локальное время, отсчитываемое от последнего переключения, так что управление в ней – есть функция состояния системы и локального времени, позволяет поддерживать в вычислителе незатухающие переключения, подобные существующим в независимых генераторах.
18. Рассматриваемый метод управления по условному прогнозу является принципиально устойчивым, так как управление преобразователем осуществляется эвристическим следящим релейным регулятором, управляемым по скорости и знаку ускорения, по первой и второй производной выходного параметра, т.е. тока и напряжения ёмкости сглаживающего фильтра. На каждом шаге прогноза h, система узнаёт, точнее, вычисляет, как и куда надо с помощью ключевого коммутатора формировать текущую «гладкую» кривую выходного напряжения