Монография посвящена теоретическому анализу, синтезу и микропроцессорной реализации энергооптимальных в заданном смысле способов ШИМ, используемых для управления автономными инверторами напряжения и тока. С целью обобщения многочисленного материала по данным вопросам в работе упор делается не на различии между топологиями инверторов и способами управления, а на их единстве. Данный подход может быть основой для разработки теории ШИМ применительно к силовой электронике.
Полученные в монографии в замкнутом виде соотношения, а также закономерности и алгоритмы могут быть полезны при проектировании автономных инверторов с ШИМ.
Монография предназначена для инженеров, научных работников и аспирантов, специализирующихся в области разработки устройств и систем силовой электроники.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список основных сокращений ............................................................................................................ 7
Введение ............................................................................................................................................. 11
Глава 1. ТОПОЛОГИИ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМИ
ИНВЕРТОРАМИ. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ .................................... 15
1.1. Топологии автономных инверторов напряжения ............................................................... 15
1.1.1. Двухуровневые инверторы напряжения .................................................................. 15
1.1.2. Многоуровневые инверторы напряжения ................................................................ 18
1.1.3. Обобщенная топология многоуровневого инвертора напряжения ....................... 25
1.2. Топологии автономных инверторов тока ............................................................................ 32
1.2.1. Двухуровневые инверторы тока ............................................................................... 32
1.2.2. Многоуровневые инверторы тока............................................................................. 34
1.2.3. Обобщенная топология многоуровневого инвертора тока .................................... 39
1.2.4. Дуальность автономных инверторов напряжения и тока ....................................... 43
1.3. Эволюция методов ШИМ ..................................................................................................... 48
1.3.1. Первый этап эволюции способов ШИМ .................................................................. 49
1.3.2. Второй этап эволюции способов ШИМ ................................................................... 52
1.3.3. Третий этап эволюции способов ШИМ ................................................................... 54
1.3.4. Современный, четвертый, этап эволюции способов ШИМ ................................... 56
1.4. Критический анализ состояния дел в области разработки способов управления ........... 62
1.4.1. Формы представления (модели) способов ШИМ ................................................... 62
1.4.2. Негативные тенденции в области разработки способов ШИМ ............................. 73
Выводы .......................................................................................................................................... 77
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ ...................................................................................... 79
2.1. Объект и предмет исследования .......................................................................................... 79
2.2. Методика анализа .................................................................................................................. 83
2.2.1. Принятые допущения, методы анализа .................................................................... 83
2.2.2. Описание методики анализа...................................................................................... 84
2.3. Анализ выходных характеристик двухуровневого АИН с ШИМ ..................................... 90
2.3.1. Анализ линейного напряжения ................................................................................. 90
2.3.2. Анализ фазного напряжения ..................................................................................... 98
2.4. Анализ входных характеристик трехфазного двухуровневого АИН с ШИМ ............... 105
2.5. Анализ выходных характеристик многофазного многоуровневого АИН с ШИМ ........ 111
2.5.1. Линейное напряжение трехуровневого m-фазного АИН ..................................... 111
2.5.2. Обобщенные формулы линейного напряжения m-фазного L-уровневого АИН ..... 120
2.6. Выбор критериев энергоэффективности автономных инверторов с ШИМ ................... 124
2.7. Использование приведенного ИКГН первого порядка для сравнительного
анализа способов ШИМ ...................................................................................................... 131
2.8. Вывод соотношений для ИКГН ......................................................................................... 133
2.8.1. Вывод соотношений для ИКГН первого порядка ................................................. 134
2.8.2. Использование ИКГН в прямых методах расчета ................................................. 141
2.9. Использование полученных результатов для инверторов тока ....................................... 144
Выводы ........................................................................................................................................ 151
Глава 3. СИНТЕЗ ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ
АВТОНОМНЫМИ ИНВЕРТОРАМИ С ШИМ .............................................................. 153
3.1. Общая процедура синтеза способов управления по заданному критерию
энергоэффективности .......................................................................................................... 153
3.2. Обоснование методики синтеза закона модуляции .......................................................... 157
3.3. Синтез закона модуляции и процедуры реализации способа управления
двухфазным инвертором напряжения ................................................................................ 161
3.4. Синтез закона модуляции и процедуры реализации способа управления
трехфазным инвертором напряжения ................................................................................ 171
3.4.1. Синтез закона модуляции для кратности Кр = 9 .................................................... 171
3.4.2. Синтез закона модуляции для кратности Кр = 15 .................................................. 181
3.5. Синтез способов управления инвертором напряжения эвристическими методами...... 185
3.5.1. Задача расширения линейного диапазона регулировочной характеристики
АИН ........................................................................................................................... 186
3.5.2. Модуляция амплитуды опорного сигнала ............................................................. 190
3.5.3. Модификация формы модулирующего сигнала, эквивалентная модуляции
амплитуды опорного сигнала ................................................................................. 198
3.5.4. Модификация формы модулирующего сигнала в области перемодуляции ....... 201
Выводы ........................................................................................................................................ 211
Глава 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИНТЕЗИРОВАННЫХ И ИЗВЕСТНЫХ
СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ........................................................................................... 213
4.1. Способы ШИМ для двухфазных двухуровневых инверторов ........................................ 214
4.1.1. Сравнение способов СШИМС1 и СШИМ ............................................................... 214
4.1.2. Сравнение способов СШИМС3 и СШИМ ............................................................... 220
4.1.3. Сравнение способов СШИМС5 и СШИМ ............................................................... 223
4.2. Способы ШИМ для трехфазных двухуровневых инверторов ......................................... 226
4.2.1. Сравнение способов СШИМС2, СШИМ и СШИМ+............................................. 226
4.2.2. Сравнение СШИМС3, СШИМС4, СШИМ и СШИМ+ ........................................... 231
4.2.3. Оценка диапазона регулирования первой гармоники напряжения
двухфазного и трехфазного АИН с СШИМС3 ....................................................... 239
4.2.4. Сравнение синтезированных способов СШИМС3 и СШИМС4 ............................. 240
4.2.5. Сравнение способа СШИМС5 со способом компенсации нелинейности РХ
в области перемодуляции ........................................................................................ 242
Выводы ........................................................................................................................................ 247
Глава 5. МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ
СПОСОБОВ ШИМ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ АИН И АИТ .............................. 249
5.1. Особенности реализации ШИМ в системе управления АИТ .......................................... 249
5.1.1. Двухфазный АИТ ..................................................................................................... 250
5.1.2. Трехфазный АИТ ..................................................................................................... 251
5.2. Принципы микропроцессорной реализации программных способов ШИМ ................. 263
5.2.1. Особенности полупроводникового преобразователя как объекта
управления и микропроцессора как средства управления ................................... 264
5.2.2. Основные требования, предъявляемые к МПСУ полупроводниковым
преобразователем ..................................................................................................... 265
5.2.3. Реализация в МПСУ функции модулятора ............................................................ 266
5.2.4. Развертывание модулирующего сигнала по амплитуде ....................................... 267
5.2.5. Развертывание модулирующего сигнала во времени ........................................... 273
5.3. Реализация оптимального способа СШИМС1 ................................................................... 276
5.4. Реализация оптимального способа СШИМС2 ................................................................... 282
5.5. Реализация способа СШИМС3 ............................................................................................ 287
5.6. Реализация способа СШИМС5 ............................................................................................ 289
5.7. Микропроцессорная реализация ШИМ в системе управления АИТ .............................. 292
Выводы ........................................................................................................................................ 297
Заключение ....................................................................................................................................... 299
Библиографический список ............................................................................................................ 301
Приложения ...................................................................................................................................... 322
Приложение А. Вывод соотношений для показателей качества фазного напряжения
двухуровневого четырехфазного АИН с ШИМ ................................................................. 322
Приложение Б. Примеры расчета входных и выходных характеристик трехфазных АИН
и АИТ на основе приципа дуальности ................................................................................ 325
Приложение В. Результаты синтеза способа ШИМ для трехфазного АИН
(способ СШИМС2) ................................................................................................................. 328
Приложение Г. Модели, реализаующие синтезированные способы ШИМ. Примеры
управления многоуровневым АИН и двухуровневым АИТ синтезированными СПУ ..... 333
Приложение Д. Синтез импульсов управления ключами пятифазного АИТ на основе
дуальности инверторов тока и напряжения и таблиц соответствия между
их векторами ......................................................................................................................... 344