С интез схем автономных инверторов напряжения с улучшенным гармоническим составом выходн о го напряжения на основе эволюционного модел и рования

На правах рукописи

Тимофеева Олеся Владимировна

синтез схем автономных инверторов напряжения

с улучшенным гармоническим составом

выходного напряжения на основе

эволюционного моделирования

Специальность 05.09.12 – Силовая электроника

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Голембиовский Юрий Мичиславович
Официальные оппоненты:	Рогинская Любовь Эммануиловна, доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, профессор кафедры «Электромеханика» Беспалов Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева, заведующий кафедрой «Автоматика»
Ведущая организация:	Саратовский филиал Института радиоэлектроники РАН

Защита состоится «22» марта 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «21» февраля 2012 года.

Автореферат размещен на сайте www.sstu.ru «21» февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б.Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возрастание требований к технико-экономическим показателям вентильных преобразователей (ВП) стимулирует поиск новых схемных решений с заданными свойствами и характеристиками, которые могли бы составить основу электроэнергетики XXI века.

В трудах отечественных ученых И.И. Артюхова, А.А. Булгакова, А.С. Васильева, Т.А. Глазенко, Г.В. Грабовецкого, В.Я. Жуйкова, Г.С. Зиновьева, И.И. Кантера, И.Л.Качалова, Ф.И. Ковалева, Н.П. Митяшина, Л.Э. Рогинской, Ю.К. Розанова, В.С. Руденко, Ю.Г. Толстова, С.А. Харитонова, В.А. Чванова, И.М. Чиженко, В.П. Шипилло и др. заложены научные основы анализа, разработки и проектирования различных классов преобразовательных устройств.

Однако до настоящего времени поиск схем преобразователей ведется преимущественно интуитивно на базе накопленного опыта разработчика, что не дает возможности подтвердить либо опровергнуть полноту рассматриваемых схемных решений, а также не гарантирует оптимальности конечного результата. Научно обоснованный синтез структур вентильных преобразователей является до сих пор одной из наиболее сложных и наименее решенных проблем современной преобразовательной техники.

Одним из важнейших показателей качества электроэнергии, установленных ГОСТ 13109-97, является степень искажения синусоидальности кривой питающего напряжения. Данный стандарт ограничивает содержание высших гармоник до 40 включительно. Поскольку известные вентильные преобразователи, используемые для питания потребителей на частотах, отличающихся от общепринятой частоты 50 Гц, и регулируемых частотах, не обеспечивают требований указанного стандарта по качеству генерируемого напряжения, разработчики вынуждены применять различного вида фильтры высших гармоник, увеличивающие суммарную установленную мощность силового оборудования.

Особенно остро проблема обеспечения качества генерируемого напряжения стоит в автономных инверторах напряжения (АИН), которые в отличие от автономных инверторов тока (АИТ) не имеют коммутирующих конденсаторов, существенно снижающих амплитуды высших гармоник в силу эффекта фильтрации.

В инверторах напряжения проблема уменьшения массогабаритных показателей фильтров в настоящее время решается применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ), смещающей спектр гармоник в сторону высших частот. Однако ШИМ увеличивает динамические потери в ключевых элементах инверторов и, как следствие, установленную мощность вентильного комплекта.

В этой связи внимание ученых направлено на разработку альтернативных способов улучшения спектрального состава выходного напряжения АИН.

В работах В.Я. Жуйкова, Ю.М. Калниболотского, В.С. Моина, Г.С. Мыцыка, А.В. Новосельцева, В.С. Руденко, В.Е. Тонкаля и др. решается задача улучшения качества выходного напряжения с применением амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). Большая часть исследований, касающихся АИН модуляционного типа, посвящена либо синтезу численными методами оптимального выходного сигнала по критерию подавления ближайших к основной гармоник, либо параметрической оптимизации АИН, при этом проблема структурного синтеза данного класса инверторов почти не затрагивается.

Известно весьма ограниченное количество публикаций (Ю.М. Голембиовский, Р.В. Колдаев), посвященных проблеме синтеза топологии схем АИН по критерию минимума коэффициента искажения синусоидальности. Однако в этих работах синтез ведется только для активной нагрузки и в пространстве с предварительно заданной размерностью.

Таким образом, задача структурного синтеза АИН с АИМ по критерию минимума коэффициента искажения синусоидальности в ее общей постановке, т.е. для случая активно-индуктивной нагрузки и без априорного задания размерности пространства поиска схемных решений, остается актуальной.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является совершенствование методов и алгоритмов формализованного синтеза структуры автономных инверторов напряжения модуляционного типа и систем на их основе, обеспечивающих создание источников вторичного электропитания с высоким качеством генерируемого напряжения.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Модификация известного генетического алгоритма синтеза оптимальной (в отношении выбранного критерия) многоступенчатой аппроксимирующей синусоиду формы выходного напряжения АИН с целью уменьшения времени достижения конечного результата.
2. Разработка эволюционных алгоритмов и программ синтеза схем однофазных АИН, работающих на активно-индуктивную нагрузку, и алгоритмов управления вентилями при заданной форме выходного сигнала.
3. Синтез многомодульных структур АИН для оперативно-перестраиваемых преобразовательных сетей (ОППС).
4. Разработка генетических алгоритмов и программ синтеза топологии и законов управления трехфазных АИН с улучшенным спектральным составом генерируемого напряжения на базе однофазных и трехфазных модулей.
5. Анализ электромагнитных процессов в синтезированных схемах АИН. Оценка качества генерируемого напряжения по сравнению с известными аналогами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач потребовалось использование генетических алгоритмов, теории дифференциальных уравнений, численного моделирования, спектрального метода (аппарат рядов Фурье).

Научная новизна:

1. Разработан генетический алгоритм синтеза схем однофазных АИН по критерию минимума искажения синусоидальности выходного напряжения, отличающийся тем, что обеспечивается возможность синтеза схем, способных работать на активно-индуктивную нагрузку, при этом размерность пространства поиска схемных решений не ограничивается априорно заданным набором элементов, а формируется в процессе работы генетического алгоритма.

2. Синтезирована схема многомодульного АИН, отличающаяся возможностью адаптации его структуры к изменяющимся параметрам нагрузки по критерию экономии ресурса работоспособности модулей и максимума КПД. Генетический алгоритм синтеза такой системы позволяет автоматически формировать необходимое количество модулей в соответствии с количеством ступеней в выходном напряжении АИН.

3. Разработаны генетический алгоритм и программный комплекс синтеза трехфазного АИН на базе однофазных инверторных мостов с бестрансформаторным суммированием выходных сигналов, с использованием которого получен ряд новых схем и законов управления транзисторами. Коэффициент искажения синусоидальности в некоторых из них может быть снижен до 12,3%, что на 27% ниже по сравнению с известными аналогами.

4. Синтезирована схема АИН на базе трех трехфазных инверторных мостов, отличающаяся в 1,47 раза меньшим коэффициентом искажения синусоидальности по сравнению с известными трехфазными двухмостовыми схемами АИН.

Основные положения, защищаемые автором:

1. Применение модифицированного генетического алгоритма синтеза многоступенчатой формы выходного напряжения АИН обеспечивает получение минимально возможного коэффициента искажения синусоидальности для заданного количества ступеней по сравнению с приводимыми в литературе и используемыми в настоящее время на практике параметрами ступенчато-модулированного сигнала, что снижает массогабаритные параметры фильтров высших гармоник и в ряде случаев позволяет вообще исключить их применение.
2. Использование генетического алгоритма позволяет синтезировать схемы однофазных и трехфазных АИН, способных работать на активно-индуктивную нагрузку в диапазоне изменения коэффициента мощности нагрузки 0 cos 1 и удовлетворяющих заданному коэффициенту искажения синусоидальности, автоматически определяя размерность пространства поиска в процессе работы.
3. Применение генетического алгоритма позволяет синтезировать многомодульные однофазные оперативно-перестраиваемые преобразовательные сети, структура которых способна адаптироваться к изменяющимся параметрам нагрузки по принятому критерию эффективности и обеспечивать заданное качество напряжения на нагрузке.
4. Новые схемы одно- и трехфазных АИН обеспечивают получение выходного напряжения с коэффициентом искажения синусоидальности 11,5 и 10,3% соответственно, что для многих потребителей не требует дополнительной фильтрации.

Практическая ценность работы:

1. Эволюционный алгоритм синтеза силовой части и законов управления АИН со ступенчатой модуляцией (СМ) при заданной форме выходного напряжения позволяет автоматизировать процесс поиска новых схемных решений в данном классе преобразовательных устройств.
2. Разработанные методы структурного синтеза АИН с использованием эволюционного моделирования обеспечивают получение схем, способных работать на активно-индуктивную нагрузку, что характерно для подавляющего большинства потребителей.

3. Синтезированные и исследованные новые схемы одно- и трехфазных АИН являются для разработчиков устройств силовой электроники более предпочтительными в силу подавления бесконечного массива высших гармоник и минимизации коэффициента искажения синусоидальности, что соответствует требованиям стандарта ГОСТ 13109-97.

Реализация результатов работы:

1. Предложенные в работе эволюционные алгоритмы синтеза реализованы в виде программ на объектно-ориентированном языке С#.

2. Результаты работы используются в Институте проблем точной механики и управления (ИПТМУ) РАН (г.Саратов) для создания электропривода переменного тока. Материалы диссертации применяются в учебном процессе на кафедре «Системотехника» в рамках дисциплины «Схемотехника АСУ реального времени», а также при курсовом и дипломном проектировании.

3. Материалы, приведенные в работе, приняты для использования в НИОКР по теме «Синтез топологии автономных инверторов напряжения», выполненной в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (УМНИК), 2007 г.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались:

- на 4-й Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007);

- Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (Саратов, 2007);

- 21-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2007);

- Международной научно-практической конференции «Интернет и Инновации: практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности» (Саратов, 2008);

- Международной научной конференции «Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50)». (Саратов, 2009);

- V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами». (Саранск, 2009);

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». (Саратов, 2010);

- 23-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях». (Саратов, 2010).

Основные результаты диссертации отражены в 12 печатных работах, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Кроме того, получено свидетельство о регистрации программного продукта и 2 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и 9 приложений. Основная часть диссертации содержит 124 страниц текста, 66 рисунков, 6 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая ценность диссертации, представлены основные положения, выносимые на защиту, а также информация о внедрении и апробации результатов работы.

Первая глава посвящена анализу известных в настоящее время методов синтеза вентильных преобразователей и систем на их основе.

Классические методы синтеза электрических цепей применимы лишь для некоторых видов преобразовательных устройств и их отдельных блоков (фильтры преобразователей с ШИМ и управляемых выпрямителей, симметрирующие и фазопреобразующие цепи, индуктивно - емкостные преобразователи).

При синтезе некоторых классов ВП с постоянной структурой (АИН, непосредственные преобразователи), для которых важнейшим показателем является степень приближения выходного сигнала к синусоиде, используется метод, базирующийся на аппроксимации синусоиды кусочно-постоянными ортогональными функциями и построении мультиграфа структуры силовой части.

Широкое распространение получили комбинаторно–топологические методы, которые пригодны для синтеза ВП как с постоянной, так и с переменной структурой. Наиболее развитым из них является метод синтеза на основе графов изменения состояний (ГИС).

В целом рассмотренные методы синтеза имеют элемент априорности, конкретизируемый эвристически на основе опыта разработчика. Им свойственно продуцирование изоморфных вариантов, ни один из них не позволяет осуществлять целенаправленный поиск структуры ВП с заранее заданными свойствами.

Дальнейшим развитием метода синтеза по ГИС является матрично-топологический синтез ВП на основе главной топологической матрицы (ГТМ) неориентированного графа схемы, обеспечивающий получение полного набора неизоморфных работоспособных вариантов схем с заданными свойствами. При всех несомненных достоинствах метода поиск схемных вариантов ограничен рамками того топологического пространства, которое задается размерностью ГТМ, а получение требуемых свойств ВП достигается априорным введением соответствующих элементов. Отсутствуют также сведения об эффективности метода применительно к трехфазным системам.

Таким образом, проблема формализованного синтеза силовой части АИН с СМ и соответствующего алгоритма управления вентилями по критерию минимума коэффициента искажения синусоидальности, приводящего к подавлению всего массива высших гармоник, в настоящее время остается нерешенной. Именно решению данной проблемы главным образом посвящена диссертационная работа.

Наиболее перспективным методом синтеза для указанных классов схем представляется эволюционное моделирование на основе генетических алгоритмов.

Излагается концепция эволюционного моделирования и его применение к задаче синтеза и оптимизации устройств силовой электроники.

Ключевую роль в эволюционной теории играет естественный отбор. Его суть состоит в том, что наиболее приспособленные особи (применительно к устройствам силовой электроники в большей степени приближающиеся к принятому критерию качества функционирования) выживают и создают новое поколение. После смены определенного количества поколений средняя приспособленность особей (т.е. соответствие критерию синтеза) заметно возрастает, приближаясь в пределе к схеме, обеспечивающей заданный показатель качества выходного напряжения АИН.

Во второй главе дано обоснование выбора критерия синтеза, а именно коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения АИН. Данный интегральный показатель качества преобразованной электроэнергии учитывает весь спектр высших гармоник в кривой выходного напряжения инвертора. Рассматривается эволюционный метод синтеза оптимальной в отношении минимума коэффициента искажения синусоидальности кривой одно- и трехфазного многоступенчатого выходного напряжения инвертора.

Наилучшие показатели по гармоническому составу позволяет получить СМ выходного напряжения с одинаковыми или различными по ширине ступенями.

В данной главе описывается разработанная программа, моделирующая процесс эволюции многоступенчатых кривых выходного напряжения АИН с СМ. Каждая особь популяции в данном алгоритме характеризуется одной хромосомой (рис.1), гены которой представляют углы управления, а также величиной коэффициента искажения синусоидальности кривой выходного напряжения.

Рис. 1. Хромосома кривой выходного напряжения

На рис.2 представлена схема этапов эволюционного алгоритма.

В программе была создана исходная популяция из 500 особей. Число генов каждой особи равно числу ступеней выходного напряжения и может принимать значения от 2 до 7 по выбору пользователя. Уровни ступеней рассчитываются по генам управления с помощью формулы (1). В силу симметрии синуса гены управления могут принимать дискретные значения только из интервала [0../2], причем шаг дискретизации равен /180. Таким образом, точность вычисления углов управления составляет ±1о. При создании исходной популяции в хромосому каждой особи на место гена управления записывается дискретное случайное число от 0 до /2:

, (1)

где, – начальная и конечная точки q-й ступени выходного напряжения,

А - амплитуда синусоиды, относительно которой вычисляется коэффициент несинусоидальности.

Далее для каждой особи рассчитывается коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в соответствии с ГОСТ 13109-97.

На следующем этапе вычисляется средний коэффициент искажения синусоидальности по всей популяции. Этот параметр характеризует всё текущее поколение в целом.

Формирование нового поколения происходит в результате применения двух основных операторов: кроссовера и мутации.

Рис. 2. Блок – схема эволюционного алгоритма

Разработанный эволюционный алгоритм реализован в виде программы синтеза оптимальных параметров выходного сигнала для однофазного АИН с СМ при активной и активно-индуктивной нагрузках. Количество ступеней выходного сигнала задает проектировщик силовой схемы, а генетический алгоритм на основании этого вычисляет амплитуды ступеней и углы управления, обеспечивающие минимум коэффициента искажения синусоидальности.

Результаты работы эволюционного алгоритма для случая двухступенчатой кривой представлены на рис. 3, где указаны оптимальные значения углов управления (точек отсчета ступеней) и уровней ступеней, а также получаемый при этом гармонический состав выходного напряжения.

Рис. 3. Результат работы эволюционного алгоритма синтеза выходного

напряжения 1-фазного АИН с 2-ступенчатой модуляцией без 0-паузы

В третьей главе описывается процедура синтеза схем автономных инверторов напряжения со ступенчатой модуляцией по критерию минимума коэффициента искажения синусоидальности, этапы которой схематически представлены на рис.5.

При формировании хромосомы силовой части на место каждого гена сначала записывается номер вершины элемента, затем производится ряд случайных перестановок генов хромосомы и в результате получается хромосома силовой части для некоторого схемного решения (рис. 4).

Рис. 4. Хромосома силовой части синтезируемого АИН

Рис.6 иллюстрирует синтезированную схему АИН для активно-индуктивной нагрузки, генерирующую двухступенчатую кривую напряжения с коэффициентом искажения синусоидальности 20,52. Цифрами на данном рисунке указаны номера вершин элементов.

Рис. 5. Этапы синтеза схем АИН модуляционного типа с помощью эволюционных алгоритмов

В данной главе обоснован и применен метод уменьшения априорности при задании исходного набора элементов, заключающийся в том, что разработчик указывает только тип необходимых для синтеза элементов.

Количество же элементов того или иного типа определяется автоматически в процессе работы ГА.

Для трехступенчатой формы напряжения с коэффициентом искажения синусоидальности, равным 11,5%, была синтезирована схема АИН, показанная на рис.7. Исследование схемы показало ее работоспособность на активно-индуктивную нагрузку в диапазоне изменения коэффициента мощности 0 cos 1. Временные диаграммы управления транзисторами, а также кривая выходного напряжения инвертора показаны на рис.8 и 9 соответственно.

Рис. 6. Синтезированная схема АИН для активно-индуктивной нагрузки

В четвертой главе рассматривается концепция ОППС применительно к однофазным потребителям электроэнергии. Такие сети представляют собой группу из n универсальных преобразовательных модулей, питающихся от своих индивидуальных источников напряжения и работающих на общую нагрузку.

Такая организация системы электроснабжения позволяет оперативно адаптировать структуру сети к изменяющимся параметрам нагрузки с целью повышения КПД и экономии ресурса агрегатов. Кроме того, существенно сокращаются затраты на резервирование, если таковое требуется для повышения надежности системы электроснабжения.

Рис.7. Синтезированная схема преобразователя

Рис.8. Временные диаграммы управления транзисторами

Рис.9. Выходное напряжение АИН по схеме рис. 7

Проанализированы два класса однофазных ОППС:

1. сети, формирующие на нагрузке чисто прямоугольное напряжение (ОППС1).

2) сети, генерирующие напряжение многоуровневой (многоступенчатой) аппроксимирующей синусоиду формы с коэффициентом искажения синусоидальности, зависящим от количества уровней, их амплитуд и длительности (ОППС2).

Рис.10. Фрагмент ОППС1

Структура ОППС1 может быть сформирована на базе однофазных инверторных мостов, синтезированных в главе 3. На рис.10 представлен фрагмент ОППС1, включающий 3 модуля, работающих на общую нагрузку.

Управление рассматриваемой сетью не требует изменения функций модулей, поэтому задача оперативного управления сводится к включению либо отключению отдельных модулей в зависимости от величины и характера нагрузки.

Структура ОППС2 представляет собой совокупность из n групп однофазных модулей. Каждая группа содержит k инверторных мостов, где k-количество ступеней в выходном напряжении сети.

Если в многоступенчатой аппроксимирующей синусоиду кривой не содержатся ступени нулевого уровня, то включение или отключение какой-либо группы модулей не вызывает закрытия каналов циркуляции реактивной мощности нагрузки. Поэтому преобразовательная сеть устойчиво функционирует при любом коэффициенте мощности нагрузки и для трехступенчатой формы выходного напряжения обеспечивает коэффициент искажения синусоидальности 13,5%.

Уменьшить коэффициент искажения синусоидальности можно, если аппроксимировать сигнал многоступенчатой кривой, содержащей ступень нулевого уровня. В этом случае возникает проблема проведения отстающих токов нагрузки в течение интервалов, соответствующих ступеням нулевого уровня.

С помощью генетического алгоритма было найдено решение (рис.11), в котором каналы для проведения реактивных токов нагрузки создаются путем одновременного открывания двух ключей: одной пары в анодной группе, а во второй половине периода – в катодной группе. Временные диаграммы управления ключами инвертора показаны на рис. 12.

Исследования электромагнитных процессов в синтезированной трехмодульной группе, проведенные с использованием демо-версии системы моделирования PSIM, показали, что ОППС2 может быть реализована только на ключах переменного тока, что исключает протекание токов короткого замыкания источников постоянного напряжения при включении очередного модуля.

Рис.11. Модель ОППС2, содержащая группу из трех инверторных модулей	Рис.12. Временные диаграммы управления ключами при реализации трехступенчатой кривой, содержащей интервал нулевого уровня

Исследования полученной схемы показали также, что форма напряжения на нагрузке остается неизменной при изменении коэффициента мощности cos от 0 до 1 (рис.13).

Проведенный анализ оперативной перестройки структуры ОППС2 (т.е. включение или отключение какой-либо k-мостовой группы модулей) не вызывает неблагоприятных переходных процессов, происходит лишь перераспределение мощности (токов) между модулями. При этом напряжение на нагрузке остается неизменным.

Предложенная структура оперативно-перестраиваемых преобразовательных сетей, содержащая индивидуальные гальванически развязанные регуляторы постоянного напряжения, позволяет реализовать заложенные в концепции ОППС возможности адаптации структуры сети к изменяющимся параметрам нагрузки по критерию максимума КПД и экономии ресурса работоспособности оборудования.

Рис.13. VP1 – напряжение на нагрузке, генерируемое трехмостовой группой ОППС2; I1 – ток нагрузки при cos=0.4

Пятая глава посвящена эволюционному синтезу многофазных АИН. В начале главы описывается программа синтеза многофазных автономных инверторов на базе однофазных модулей. Известные схемы трехфазных АИН, построенные на базе однофазных модулей, питаемых от общего источника, генерируют выходное фазовое напряжение с весьма высоким коэффициентом искажения синусоидальности Кис = 40 %.

Рис.14. Модель трехфазного АИН на базе однофазных модулей с двумя источниками питания

Такой коэффициент неприемлем для многих потребителей. С целью решить проблему улучшения качества выходного напряжения в трехфазных АИН были разработаны эволюционный алгоритм и программа синтеза бестрансформаторных схем преобразователей с разным количеством уровней аппроксимации синусоидального сигнала.

На рис.14 представлена одна из синтезированных схем, формирующая пятиступенчатое фазовое напряжение без нулевой полки и трехступенчатое линейное напряжение со ступенью нулевого уровня с коэффициентами искажения синусоидальности 12,3 и 13,8% соответственно.

С целью дальнейшего улучшения качества выходного напряжения в трехфазных системах был разработан эволюционный алгоритм, использующий в качестве элементного базиса модули трехфазных инверторных мостов, трехфазные трансформаторы и трехфазную нагрузку.

Согласно изложенной в главе 3 концепции на начальном этапе синтеза схемы была получена кривая выходного напряжения, имеющая четыре ступени. При этом коэффициент искажения синусоидальности фазового и линейного напряжений равны соответственно

Рис.15. Трехмодульная схема трехфазного инвертора

10,3 и 9,7%. В результате синтеза была получена схема (рис.15), содержащая три трехфазных инверторных моста, питаемых от общего источника постоянного напряжения, и три трехфазных трансформатора.

Рис.16. Временные диаграммы управления транзисторами

Первичные обмотки первых двух трансформаторов соединены в треугольник и подключены к выходам переменного тока соответствующих инверторных мостов, а первичные обмотки третьего трехфазного трансформатора соединены в звезду и подключены к выходам переменного тока третьего инвертора напряжения. При этом вторичные обмотки первых двух трансформаторов соединены пофазно согласно-последовательно между собой и встречно-последовательно с вторичными обмотками третьего трансформатора.

Временные диаграммы управления транзисторами показаны на рис.16. На рис.17 приведены фазовые напряжения вторичных обмоток трансформаторов Vf T1, Vf T2, Vf T3, а также фазовое Vf RL1 и линейное Vl RL1 напряжения на нагрузке.

Гармонический состав фазового и линейного напряжений показаны в табл. 1.

Таблица 1

№ гармоники	1	5	7	11	13	17	19
% от основной гармоники для Uф	100	1,8	1,6	1	0,7	5,9	5,3
% от основной гармоники для Uл	100	1,8	1,2	0,8	0,7	5,9	5,3

Рис.17. Форма напряжений вторичных обмоток трансформаторов (Vf T1, Vf Т2, Vf Т3), фазовых (Vf RL1) и линейных(VL RL1) напряжений на нагрузке

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решена задача формирования пространства поиска схемных решений, размерность которого не ограничивается рамками априорно заданного элементного базиса и позволяет продуцировать структуры АИН, работающие на активно-индуктивную нагрузку.

2. Дано обоснование критерия синтеза схем АИН с СМ. Выбор минимума коэффициента искажения синусоидальности в качестве критерия синтеза объясняется тем, что данный коэффициент является интегральной характеристикой качества выходного напряжения АИН, который учитывает весь спектр высших гармоник на выходе инвертора, что соответствует стандарту ГОСТ 13109-97.

3. Разработаны и реализованы в виде программ генетические алгоритмы синтеза оптимального выходного сигнала для АИН с СМ, синтеза силовых схем и законов управления вентилями однофазного АИН для активно-индуктивной нагрузки.

4. Синтезирована путем эволюционного моделирования и исследована схема с трехступенчатой формой выходного напряжения, не изменяющейся при любом cos нагрузки и имеющей коэффициент искажения синусоидальности 11,5%. Новизна схемы подтверждена патентом РФ на полезную модель.

5. Исследованы структуры оперативно перестраиваемых однофазных преобразовательных сетей, способных адаптироваться к изменяющейся по величине нагрузке с целью экономии расходования ресурса вентильного комплекта и уменьшения потерь электроэнергии. Синтезирована с использованием генетического алгоритма трехмодульная группа на базе однофазных инверторов, генерирующая напряжение с коэффициентом искажения синусоидальности 13,5%.
6. Синтезирован ряд схем трехфазных АИН на базе однофазных модулей, каждый из которых питается от своих независимых источников питания, что дает возможность формирования многоступенчатой кривой выходного напряжения при существенно меньших аппаратных затратах на реализацию АИН по сравнению с известными аналогами.
7. Синтезирован трехфазный источник электропитания на базе трехфазных модулей с коэффициентом искажения синусоидальности 9,7%, удовлетворяющим множеству потребителей без применения фильтров.

Основные публикации по теме диссертации

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК РФ

1. Тимофеева О.В. Эволюционный подход к проблеме синтеза автономных инверторов напряжения/ Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2010. №1 (13). С. 92-103.
2. Тимофеева О.В. Эволюционное моделирование и его приложение к задаче синтеза и оптимизации устройств силовой электроники / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Известия вузов. Электромеханика. 2010. №6. С. 47-52.
3. Тимофеева О.В. Многомодульные однофазные преобразовательные сети / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 4(51). Вып. 3. С.81-85.

Публикации в других изданиях

4. Тимофеева О. В. Синтез топологии однофазных автономных инверторов напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП-2007: материалы IV Междунар. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. С.20-28.

5. Тимофеева О. В. Развитие эволюционного метода синтеза схем автономных инверторов напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-21: сб. тр. XXI Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С.174-176.

6. Тимофеева О. В. Структурный синтез автономных инверторов напряжения методом эволюционного моделирования / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении: Материалы Междунар. конф. Саратов, 2007. С.294-298.

7. Тимофеева О. В. Эволюционный синтез топологии автономного инвертора напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Интернет и Инновации: практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Саратов: СГТУ, 2008. С.227-232.

8. Тимофеева О. В. Исследование электромагнитных процессов силовой схемы трехфазного инвертора / О.В. Тимофеева // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2009. С.50-52.

9. Тимофеева О. В. Разработка эволюционного алгоритма синтеза многофазных многомодульных инверторов / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Проблемы управления, передачи и обработки информации (АТМ-ТКИ-50). Междунар. науч. конф. Саратов, 2009. С.166-168.

10. Тимофеева О. В. Эволюционный синтез многофазных автономных инверторов напряжения (АИН) / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева // Электроника и информационные технологии. 2009. Спец. вып. (6) http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdf/multi-phase_voltage_inverters.pdf.

11. Тимофеева О. В. Автономный инвертор на базе однофазных модулей / О.В. Тимофеева // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008): материалы Междунар. науч. – техн. конф. (22-23 сентября 2010 г.). - Саратов: СГТУ, 2010. С.419-423.

12. Тимофеева О. В. Синтез автономных инверторов напряжения/ О.В. Тимофеева // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23: сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Саратов: СГТУ, 2010. Т. 7. С.27-29.

Патенты на изобретения и полезные модели:

1. Тимофеева О.В. Однофазный преобразователь постоянного напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева; Патент на полезную модель № 107649 от 20.08.2011. Бюл. 23.

2. Тимофеева О.В. Трехфазный сложномостовой инвертор напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева; Патент на полезную модель № 110880 от 27.11.2011. Бюл. 33.

Cвидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010612564, Российская Федерация. Программа эволюционного синтеза топологии схем автономных инверторов напряжения (АИН) по критерию минимума несинусоидальности выходного напряжения / Ю.М. Голембиовский, О.В. Тимофеева. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14 апреля 2010 г.

Подписано в печать 01.02.12 Формат 60х84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ.л. 1.0 Уч.-изд.л. 1.0

Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

410054, Саратов, Политехническая ул.,77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77