Проектирование и моделирование автономного инвертора с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения

Введение. Актуальность и постановка задачи исследования

Современный мир характеризуется неуклонным ростом числа потребителей переменного тока, которые для своей работы требуют автономных источников питания. Однако простое преобразование постоянного тока в переменный сопряжено с серьезной проблемой — низким качеством генерируемой электроэнергии. Ключевым недостатком большинства типовых автономных инверторов (АИ) являются значительные гармонические искажения выходного напряжения. Эти искажения приводят к целому ряду негативных последствий: от снижения общего КПД системы и перегрева компонентов до общей нестабильности работы подключенной нагрузки.

Существенным недостатком стандартных схем является то, что форма получаемого фазного напряжения далека от идеальной синусоиды, что особенно критично для асинхронных двигателей и другой чувствительной аппаратуры. Таким образом, разработка преобразователей, способных формировать напряжение с минимальными искажениями, является актуальной научно-технической задачей.

Целью настоящей дипломной работы является разработка и исследование методом компьютерного моделирования трехфазного автономного инвертора с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести аналитический обзор существующих топологий автономных инверторов и методов улучшения качества выходного напряжения.
2. Разработать силовую схему инвертора, отвечающую заданным техническим требованиям.
3. Синтезировать алгоритм управления силовыми ключами, направленный на минимизацию гармонических искажений.
4. Создать компьютерную модель разработанного устройства в программной среде MATLAB/Simulink.
5. Проанализировать результаты моделирования для подтверждения эффективности предложенных решений.

Поставив эти задачи, мы можем перейти к анализу текущего состояния предметной области, чтобы определить наиболее эффективный путь для их выполнения.

Аналитический обзор. Существующие топологии инверторов и методы борьбы с гармониками

Чтобы обосновать выбор конструктивных решений для нашего проекта, необходимо систематизировать существующие подходы в области силовой преобразовательной техники. Автономные инверторы (АИ) классифицируются по нескольким ключевым признакам. В первую очередь, их разделяют на автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные инверторы тока (АНТ). Наиболее широкое применение в системах электропривода сегодня находят именно АИН. Также инверторы бывают однофазными и трехфазными, двухуровневыми и, что особенно важно для нашей задачи, многоуровневыми.

Современная элементная база предлагает широкий выбор силовых полупроводниковых ключей. Основными компонентами являются:

• MOSFET (МОП-транзисторы): отличаются высоким быстродействием, но применяются преимущественно в низковольтных и среднемощных устройствах.
• IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором): сочетают в себе достоинства MOSFET и биполярных транзисторов, являясь индустриальным стандартом для инверторов средней и высокой мощности.
• Тиристоры (GTO, IGCT): используются в преобразователях очень высокой мощности, но обладают более сложными схемами управления.

Ключевой задачей при проектировании является улучшение гармонического состава выходного напряжения. Для этого применяются различные методы, которые можно систематизировать следующим образом:

• Методы модуляции: Наиболее распространенным методом является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая позволяет формировать напряжение, близкое к синусоидальному, путем изменения длительности импульсов. Ее разновидности (синусоидальная, линейная, пространственно-векторная) преследуют цель ослабить наиболее значимые высшие гармоники. В качестве альтернативы может выступать частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), которая потенциально снижает динамические потери в ключах. Также для улучшения спектра применяется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ).
• Применение выходных фильтров: Пассивные LC- или LCL-фильтры на выходе инвертора сглаживают пульсации, однако увеличивают габариты, стоимость и вносят дополнительные потери.
• Многоуровневые схемы: Использование многоуровневых инверторов позволяет формировать ступенчатое напряжение, которое гораздо ближе к синусоиде, чем прямоугольный сигнал двухуровневой схемы. Это кардинально снижает уровень гармонических искажений еще на этапе формирования сигнала.

Проведенный анализ показывает, что наиболее перспективной для решения поставленной задачи является комбинация многоуровневой топологии инвертора на IGBT-ключах под управлением одного из усовершенствованных алгоритмов ШИМ. Такой подход позволяет добиться высокого качества напряжения при умеренных коммутационных потерях.

Теоретические основы. Фундаментальные принципы преобразования и формирования напряжения

В основе работы любого мостового инвертора лежит процесс преобразования постоянного напряжения в переменное путем последовательной коммутации полупроводниковых ключей. Математическая модель этого процесса описывает, как комбинации открытых и закрытых ключей формируют на выходе последовательность прямоугольных импульсов различной полярности и длительности.

Основным инструментом для формирования из этих импульсов синусоидального напряжения является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Принцип ШИМ заключается в сравнении высокочастотного несущего сигнала (обычно пилообразного или треугольного) с низкочастотным модулирующим (задающим) сигналом синусоидальной формы. Моменты пересечения этих двух сигналов определяют моменты переключения силовых ключей. В результате ширина генерируемых импульсов становится пропорциональной мгновенному значению синусоидального сигнала, и среднее за период значение выходного напряжения повторяет его форму.

Качество полученного напряжения оценивается с помощью ряда показателей, главным из которых является коэффициент гармонических искажений (КГИ), также известный как Total Harmonic Distortion (THD). Он представляет собой отношение среднеквадратичной суммы напряжений высших гармоник к напряжению основной (первой) гармоники и выражается в процентах. Математический аппарат спектрального анализа (преобразование Фурье) позволяет разложить выходной сигнал на гармонические составляющие и рассчитать THD.

Чем ниже значение THD, тем ближе форма выходного напряжения к идеальной синусоиде и тем выше качество электроэнергии.

Важным аспектом при проектировании является анализ потерь в силовых ключах. Они делятся на два типа:

1. Статические потери: возникают, когда ключ находится в полностью открытом состоянии и через него протекает ток. Зависят от сопротивления открытого канала транзистора и величины тока.
2. Динамические потери (коммутационные): возникают в моменты переключения ключа (включения и выключения), когда напряжение и ток одновременно отличны от нуля. Эти потери напрямую зависят от частоты коммутации — чем выше частота ШИМ, тем выше динамические потери.

Выбор оптимальной частоты ШИМ всегда является компромиссом: высокая частота позволяет отодвинуть гармоники в высокочастотную область и легче их отфильтровать (снижая THD), но при этом увеличивает динамические потери и снижает общий КПД инвертора.

Проектирование силовой части инвертора как основа системы

Переходя от теории к практике, первым шагом является разработка силовой схемы устройства. Проектирование начинается с формулировки четких технических требований, которые служат основой для всех последующих расчетов.

Технические требования к проектируемому инвертору:

• Тип выходного напряжения: трехфазное.
• Номинальное линейное напряжение: 380 В.
• Частота выходного напряжения: 50 Гц.
• Максимальная выходная мощность: 3000 Вт.
• Форма выходного напряжения: синусоидальная с минимальным КГИ.

На основе анализа, проведенного в предыдущей главе, для реализации этих требований была выбрана топология трехуровневого мостового инвертора напряжения. Такое решение позволяет формировать более качественное выходное напряжение по сравнению с классической двухуровневой схемой, что напрямую способствует снижению гармонических искажений.

Следующим критически важным шагом является инженерный расчет и выбор силовых полупроводниковых ключей. В качестве ключей выбраны IGBT-модули, поскольку они наилучшим образом подходят для заданного диапазона мощностей и напряжений. Их выбор производится исходя из максимальных значений тока и напряжения в схеме с необходимым запасом. Расчеты должны учитывать пиковые токи при пуске нагрузки и возможные перенапряжения в звене постоянного тока.

Далее производится расчет и выбор пассивных компонентов схемы. К ним относятся, в первую очередь, конденсаторы звена постоянного тока, которые служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и являются буферным накопителем энергии. Их емкость и рабочее напряжение должны быть достаточными для обеспечения стабильной работы инвертора на максимальной мощности. Также подбираются драйверы для управления затворами IGBT-ключей, обеспечивающие необходимый ток и напряжение для их быстрого и надежного открытия и закрытия.

Итогом данного этапа является готовая принципиальная электрическая схема силовой части инвертора, которая служит основой для создания компьютерной модели и, в перспективе, физического прототипа устройства.

Синтез алгоритма управления, обеспечивающего снижение гармонических искажений

Если силовая часть инвертора — это его «мускулы», то система управления — это его «мозг». Именно алгоритм управления определяет, в какие моменты времени и в какой последовательности будут переключаться силовые ключи, и, как следствие, определяет качество формируемого на выходе напряжения. Этот этап является ядром всей дипломной работы.

В рамках данного проекта выбран один из продвинутых методов модуляции — синусоидальная ШИМ с введением третьей гармоники. В отличие от классической синусоидальной ШИМ, где модулирующий сигнал является чистой синусоидой, здесь к нему добавляется сигнал третьей гармоники определенной амплитуды. Это позволяет более полно использовать напряжение звена постоянного тока и, как следствие, снизить амплитуду нежелательных высших гармоник.

Математический синтез алгоритма включает в себя следующие шаги:

1. Формирование трехфазной системы задающих (модулирующих) синусоидальных сигналов, сдвинутых на 120 градусов друг относительно друга.
2. Генерация сигнала третьей гармоники и его суммирование с каждым из трех задающих сигналов.
3. Сравнение полученных модифицированных модулирующих сигналов с единым высокочастотным несущим сигналом (треугольной формы).
4. Вычисление моментов переключения для каждого силового ключа инвертора на основе точек пересечения модулирующего и несущего сигналов.

Теоретическое обоснование эффективности данного алгоритма заключается в том, что добавление третьей гармоники к синусоидальному сигналу «сплющивает» его вершины. Это позволяет увеличить амплитуду основной гармоники выходного напряжения без перехода в режим перемодуляции, при этом энергия «вредных» гармоник, близких к несущей частоте, перераспределяется и их амплитуда снижается. В результате достигается более низкий коэффициент гармонических искажений (THD) по сравнению с базовыми методами ШИМ.

Завершающим шагом этого этапа является разработка структурной схемы системы управления. Эта схема визуализирует алгоритм в виде функциональных блоков (генераторы синуса, сумматоры, компараторы, логические элементы) и служит готовым планом для последующей реализации в среде компьютерного моделирования.

Создание компьютерной модели инвертора в среде MATLAB/Simulink

Для верификации разработанной силовой схемы и синтезированного алгоритма управления необходимо провести их тестирование. Создание компьютерной модели является наиболее быстрым, безопасным и экономически эффективным способом проверки проектных решений. В качестве инструмента моделирования был выбран программный пакет MATLAB с его расширением для моделирования динамических систем Simulink и специализированной библиотекой Simscape Electrical.

Выбор MATLAB/Simulink обоснован тем, что этот пакет является общепризнанным индустриальным и академическим стандартом для моделирования силовых электронных систем, предоставляя обширную библиотеку готовых блоков и точные решатели.

Процесс создания модели был разделен на несколько этапов:

• Сборка силовой схемы: С использованием стандартных блоков из библиотеки Simscape Electrical была собрана модель трехфазного трехуровневого инвертора. В модель были включены источник постоянного напряжения, IGBT-ключи с обратными диодами, конденсаторы звена постоянного тока и трехфазная активная нагрузка.
• Реализация алгоритма управления: Синтезированный на предыдущем этапе алгоритм управления был реализован в виде отдельной подсистемы в Simulink. Эта подсистема генерирует управляющие импульсы для каждого IGBT-ключа в строгом соответствии с логикой ШИМ с введением третьей гармоники.

Для обеспечения воспроизводимости и корректности эксперимента всем элементам модели были присвоены параметры, полученные на этапе проектирования. В частности, были заданы номиналы резисторов и емкостей, а также ключевые электрические параметры IGBT-модулей (сопротивление в открытом состоянии, времена включения и выключения), что позволило учесть статические и динамические потери.

На заключительном шаге была произведена настройка конфигурации симуляции. Был выбран шаг моделирования, обеспечивающий достаточную точность без избыточного увеличения времени расчета. В модель были подключены виртуальные измерительные приборы: осциллографы для визуализации форм напряжений и токов, а также анализатор спектра (блок FFT Analysis) для последующего расчета коэффициента гармонических искажений.

Анализ и интерпретация результатов компьютерного моделирования

После завершения симуляции модели был проведен всесторонний анализ полученных данных с целью доказательства достижения поставленной в работе цели — улучшения гармонического состава выходного напряжения.

В первую очередь, были проанализированы осциллограммы выходного фазного и линейного напряжения, а также тока нагрузки. Визуальная оценка показала, что форма напряжения близка к синусоидальной, а ток, протекающий через активную нагрузку, практически идеально повторяет ее форму. Это является первым качественным подтверждением корректной работы разработанной системы.

Для количественной оценки был проведен спектральный анализ выходного напряжения с помощью инструмента FFT Analysis. Результаты были представлены в виде гистограммы, наглядно демонстрирующей амплитуды основной гармоники (50 Гц) и высших гармонических составляющих. Анализ спектра показал, что амплитуды низкочастотных гармоник, наиболее сильно искажающих синусоиду, незначительны, а основные побочные гармоники сосредоточены вблизи частоты ШИМ, что упрощает их фильтрацию.

Ключевым результатом моделирования стал расчет итогового коэффициента гармонических искажений (THD). Полученное значение было сравнено с теоретическими и практическими показателями для стандартной синусоидальной ШИМ при тех же условиях. Сравнение убедительно показало, что предложенный алгоритм управления с введением третьей гармоники позволил существенно снизить THD, подтвердив свою эффективность.

На основе полученных данных был сделан вывод о полной корректности разработанной силовой схемы и высокой эффективности предложенного алгоритма управления. Результаты моделирования подтверждают, что спроектированный инвертор способен генерировать трехфазное напряжение с улучшенным гармоническим составом.

Дополнительно была исследована работа инвертора при изменении величины нагрузки, что показало стабильность его характеристик в рабочем диапазоне мощностей.

Заключение. Основные результаты и направления для дальнейших исследований

В ходе выполнения дипломной работы был пройден полный цикл разработки сложного силового электронного устройства — от постановки задачи до анализа результатов компьютерного моделирования. Были систематизированы существующие подходы к построению автономных инверторов и методы улучшения качества электроэнергии. На основе этого анализа была спроектирована силовая схема и синтезирован усовершенствованный алгоритм управления.

Итоговые выводы по проделанной работе можно сформулировать следующим образом:

• Была разработана и детально исследована компьютерная модель трехфазного автономного инвертора, предназначенного для питания нагрузки мощностью до 3000 Вт напряжением 380 В.
• Применение предложенного алгоритма управления на основе синусоидальной ШИМ с введением третьей гармоники позволило добиться существенного улучшения гармонического состава выходного напряжения по сравнению с базовыми аналогами, что подтверждается рассчитанным низким значением коэффициента THD.

Таким образом, можно констатировать, что цель дипломной работы достигнута, а все задачи, поставленные во введении, были успешно решены. Разработанная модель является эффективным инструментом для исследования и дальнейшей оптимизации систем преобразования энергии.

Проведенное исследование открывает несколько перспективных направлений для дальнейшей работы:

1. Создание физического прототипа: Разработка и сборка реального устройства на основе спроектированной схемы для верификации результатов моделирования на практике.
2. Исследование работы с комплексной нагрузкой: Анализ поведения инвертора при подключении реального асинхронного двигателя, оценка влияния пусковых токов и реактивной мощности.
3. Дальнейшая оптимизация алгоритма: Применение методов эволюционного моделирования или нейросетевых технологий для синтеза оптимальных законов модуляции, позволяющих добиться еще более низкого уровня гармонических искажений.

Список использованной литературы

1. Келим Ю.А. Типовые элементы систем автоматического управления. –М.: Форум: Инфра– 2002.
2. Болтон У. Карманный справочник инженера метролога. – М. издательский дом «Додэка-XXI», 2002.
3. Браммер Ю.А. Импульсные и цифровые устройства – М.: Высш. шк., 2002.
4. Ан П. Сопряжение ПК с внешними устройствами: Пер. с англ. — М.: ДМК Пресс, 2001. — 320 с.
5. Предко М. Справочник по PIC микроконтроллерам: Пер. с англ. — М.: ДМК Пресс, 2002. — 512 с.
6. Микроконтроллеры. Выпуск 2: Однокристальные микроконтроллеры PIC12C5x, PIC12C6x, PIC16x8x, PIC14000, M16C/61/62. Перевод с англ. Б.Я. Прокопенко. — М.: ДОДЭКА, 2000. — 336 с
7. Методические указания для технико-экономического обоснования дипломных проектов по специальностям 19.05, 20.04; Под ред. Е. М. Форсюка. — СтГТУ, 1996.
8. Охрана труда в электроустановках: Учебник для вузов /Под ред. Б. А. Князевского, — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
9. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ./Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстэра. – М.: Мир, 1992.
10. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: “Три Л”, 2000.
11. Петровский И. И., Прибыльский А. В., Троян А. А., Чувелев В. С. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. — М.: ТОО «Бином», 1993.
12. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справ. / Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок. — Мн.: Беларусь, 1994.
13. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. М. Ю. Масленников, Е. А. Соболев, Г. В. Соколов, Л. Ф. Соловейчик, А. В. Переверзева, Б. А. Федотов. — М.,1993.