Автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата
технических наук. Специальность 05.09.12 – Полупроводниковые
преобразователи электроэнергии. Национальная Академия наук Украини,
Институт электродинамики. — Киев, 2013. — 24 с.
Наукчный руководитель − д.т.н., Михальський В. М.
Аннотация.
В диссертационной работе решалась актуальная научная задача дальнейшего развития теории матричных преобразователей (МП) за счет создания новых методов управления в рамках недетерминированных систем с использованием скользящих режимов для разработки МП с повышенным качеством входной и выходной электрической энергии.
На основе проведенного сравнительного анализа качества выходного напряжения и тока при использовании скалярных и векторных алгоритмов в классе детерминированных и недетерминированных систем было установлено, что использование методов теории систем с переменной структурой позволяет получить высокоэффективные стратегии управления МП путем преднамеренного введения (формирования условий возникновения и существования) скользящего режима для повышения качества электроэнергии на выходе преобразователей. Синтезирован метод управления МП со слежением за выходным током и напряжением, реализующий скалярную стратегию и предполагающий использование функции запретов коммутаций для уменьшения количества переключений двунаправленных ключей МП при неизменном качестве управления, что привело к уменьшению динамических потерь в полупроводниковых ключах. В результате анализа процессов формирования выходного напряжения и входного тока в классе детерминированных и недетерминированных систем была предложена векторная стратегия синтеза структур управления МП, использующая скользящий режим для формирования пространственных векторов выходного напряжения и входного тока МП для нагрузок обобщенного вида. Реализация векторной стратегии позволила получить векторный метод управления МП со слежением в трехмерной трактовке в системах: «МП – выходной LC-фильтр», «входной LC-фильтр – МП» и «входной LC-фильтр – МП – выходной LC-фильтр» с высоким качеством выходного напряжения и входным током, близким к синусоидальному, с возможностью регулирования его реактивной компоненты. В силу того, что в реальной системе «сеть – МП - нагрузка» процессы явно разделены на дискретные и непрерывные, проведена функционально-модульная декомпозиция системы. Представление дискретной подсистемы с использованием булева вектора в качестве выходного сигнала и конечноавтоматного подхода к ее описанию дало возможность производить как численный анализ электромагнитных процессов, так и синтез системы управления экспериментальных образцов МП на единой методологической основе. Выполнен переход от высокоформализованных векторных методов управления к соотношениям, позволившим описать работу векторного модулятора в аналитическом виде. На основе полученных аналитических представлений векторных алгоритмов разработаны их математические модели; исследованы электромагнитные процессы при работе МП с реальными скользящими режимами управления при ненулевых значениях сигналов ошибок на распространенные типы нагрузок, что явилось подтверждением теоретических выводов о статических и динамических свойствах МП с недетерминированными системами управления (СУ). Применение векторных подходов и симплексных алгоритмов для управления МП в скользящем режиме позволяет, кроме получения высокого качества выходного напряжения и формирования входного тока МП, близкого к синусоидальному, уменьшить массо-габаритные показатели используемых пассивных высокочастотных LC-фильтров.
Достоверность и обоснованность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами моделирования и экспериментальными исследованиями. Разработаны дискретно-аналоговые СУ МП с управлением в скользящем режиме, реализующие скалярную стратегию, и цифровые СУ с аппаратно-программной реализацией векторных стратегий на базе DSP и CPLD, сформулированы практические рекомендации по их конструированию. Ключевые слова: матричный преобразователь, скользящий режим, векторное управление, выходное напряжение, реактивная компонента входного тока.
Abstract.
Mysak T.V. Control of Matrix Converter using Sliding Modes. Thesis for a Candidate of Engineering Sciences degree, speciality 05.09.12 – Semiconductor converters of electrical energy. – The Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine. – Kyiv – 2013. The thesis is aimed to solving actual and important scientific task of further development of the theory of matrix converters (MC) by creating new control methods within non-determined systems using sliding modes for the development of matrix converter with high quality input and output of electrical energy. The use of the methods of theory of systems with variable structure allows to obtain high performance MC control strategy by forced inclusion of sliding mode (creating conditions of apperance and existence) to improve the quality of the output converter energy. The new method of output voltage and current control has been synthesized based on the above. The method implements scalar strategy and provides the use of prohibit functions for reducing switching at a constant quality control, which result in a decrease of the dynamic loss in the AC switches. The vector strategy for the synthesis of MC control, using the sliding mode for the formation of space vectors of the output voltage and input current for loads of general form has been proposed. The implementation of the above strategy allowed to obtain MC vector control method with tracking in the systems "MC-output LC-filter", "input LC-filter - MC" and "input LC-filter-MC-output LC-filter" in the three-dimensional interpretation of high-quality output voltage and input current, close to sinusoidal form with the pos-sibility of regulation of its reactive components. The mathematical models of MC using the finite automation approach with the help of which electromagnetic processes investigated using numerical analysis methods have been developed. The theoretical conclusions regarding the properties of MC control systems with sliding modes that create the output voltage with zero steady state error and as law as possible dynamic errors have been confirmed. Keywords: matrix converter, sliding mode, vector control, the output voltage, the reactive component of the input current.
Наукчный руководитель − д.т.н., Михальський В. М.
Аннотация.
В диссертационной работе решалась актуальная научная задача дальнейшего развития теории матричных преобразователей (МП) за счет создания новых методов управления в рамках недетерминированных систем с использованием скользящих режимов для разработки МП с повышенным качеством входной и выходной электрической энергии.
На основе проведенного сравнительного анализа качества выходного напряжения и тока при использовании скалярных и векторных алгоритмов в классе детерминированных и недетерминированных систем было установлено, что использование методов теории систем с переменной структурой позволяет получить высокоэффективные стратегии управления МП путем преднамеренного введения (формирования условий возникновения и существования) скользящего режима для повышения качества электроэнергии на выходе преобразователей. Синтезирован метод управления МП со слежением за выходным током и напряжением, реализующий скалярную стратегию и предполагающий использование функции запретов коммутаций для уменьшения количества переключений двунаправленных ключей МП при неизменном качестве управления, что привело к уменьшению динамических потерь в полупроводниковых ключах. В результате анализа процессов формирования выходного напряжения и входного тока в классе детерминированных и недетерминированных систем была предложена векторная стратегия синтеза структур управления МП, использующая скользящий режим для формирования пространственных векторов выходного напряжения и входного тока МП для нагрузок обобщенного вида. Реализация векторной стратегии позволила получить векторный метод управления МП со слежением в трехмерной трактовке в системах: «МП – выходной LC-фильтр», «входной LC-фильтр – МП» и «входной LC-фильтр – МП – выходной LC-фильтр» с высоким качеством выходного напряжения и входным током, близким к синусоидальному, с возможностью регулирования его реактивной компоненты. В силу того, что в реальной системе «сеть – МП - нагрузка» процессы явно разделены на дискретные и непрерывные, проведена функционально-модульная декомпозиция системы. Представление дискретной подсистемы с использованием булева вектора в качестве выходного сигнала и конечноавтоматного подхода к ее описанию дало возможность производить как численный анализ электромагнитных процессов, так и синтез системы управления экспериментальных образцов МП на единой методологической основе. Выполнен переход от высокоформализованных векторных методов управления к соотношениям, позволившим описать работу векторного модулятора в аналитическом виде. На основе полученных аналитических представлений векторных алгоритмов разработаны их математические модели; исследованы электромагнитные процессы при работе МП с реальными скользящими режимами управления при ненулевых значениях сигналов ошибок на распространенные типы нагрузок, что явилось подтверждением теоретических выводов о статических и динамических свойствах МП с недетерминированными системами управления (СУ). Применение векторных подходов и симплексных алгоритмов для управления МП в скользящем режиме позволяет, кроме получения высокого качества выходного напряжения и формирования входного тока МП, близкого к синусоидальному, уменьшить массо-габаритные показатели используемых пассивных высокочастотных LC-фильтров.
Достоверность и обоснованность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами моделирования и экспериментальными исследованиями. Разработаны дискретно-аналоговые СУ МП с управлением в скользящем режиме, реализующие скалярную стратегию, и цифровые СУ с аппаратно-программной реализацией векторных стратегий на базе DSP и CPLD, сформулированы практические рекомендации по их конструированию. Ключевые слова: матричный преобразователь, скользящий режим, векторное управление, выходное напряжение, реактивная компонента входного тока.
Abstract.
Mysak T.V. Control of Matrix Converter using Sliding Modes. Thesis for a Candidate of Engineering Sciences degree, speciality 05.09.12 – Semiconductor converters of electrical energy. – The Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine. – Kyiv – 2013. The thesis is aimed to solving actual and important scientific task of further development of the theory of matrix converters (MC) by creating new control methods within non-determined systems using sliding modes for the development of matrix converter with high quality input and output of electrical energy. The use of the methods of theory of systems with variable structure allows to obtain high performance MC control strategy by forced inclusion of sliding mode (creating conditions of apperance and existence) to improve the quality of the output converter energy. The new method of output voltage and current control has been synthesized based on the above. The method implements scalar strategy and provides the use of prohibit functions for reducing switching at a constant quality control, which result in a decrease of the dynamic loss in the AC switches. The vector strategy for the synthesis of MC control, using the sliding mode for the formation of space vectors of the output voltage and input current for loads of general form has been proposed. The implementation of the above strategy allowed to obtain MC vector control method with tracking in the systems "MC-output LC-filter", "input LC-filter - MC" and "input LC-filter-MC-output LC-filter" in the three-dimensional interpretation of high-quality output voltage and input current, close to sinusoidal form with the pos-sibility of regulation of its reactive components. The mathematical models of MC using the finite automation approach with the help of which electromagnetic processes investigated using numerical analysis methods have been developed. The theoretical conclusions regarding the properties of MC control systems with sliding modes that create the output voltage with zero steady state error and as law as possible dynamic errors have been confirmed. Keywords: matrix converter, sliding mode, vector control, the output voltage, the reactive component of the input current.