Regulační algoritmy pro optimalizaci maximálního výkonu duálního měniče

Ing. Martin VOTAVA

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce se zabývá analýzou a návrhem řídicích algoritmů měniče pracujícího do zátěže napájené ze dvou nezávislých zdrojů (např. otevřené statorové vinutí), tzv. duálního měniče. Je zaměřená na algoritmy řízení umožňující zvýšení výkonové hustoty. Toho je dosaženo pomocí navýšení přenášeného výkonu na maximální možnou úroveň optimalizací výkonových ztrát a jejich řízeném rozvážení mezi jednotlivé výkonové polovodičové prvky. Maximální přenášený výkon je stanoven na základě tepelného modelu měniče, analýzy časového průběhu ztrátového výkonu jednotlivých výkonových polovodičových prvků a maximální přípustnou teplotou jednotlivých prvků. V práci jsou popsány algoritmy řídící napětí na výstupu duálního měniče a algoritmy řídící proud zátěže napájené z duálního měniče. Pro řízení napětí to jsou algoritmy založené na PWM s nosnou a vektorové modulaci (SVPWM). Pro řízení proudu zátěže napájené z duálního měniče to je proporčně sumační (PS) regulátor a prediktivní řízení s omezenou množinou akčních zásahů (FCS-MPC). Nejprve je v práci provedena rešerše algoritmů zabývajících se řízením duálního a víceúrovňových měničů. Následně je popsán a identifikován matematický model měniče se zátěží s otevřeným vinutím. Na základě matematického modelu je pro navýšení výkonové hustoty u algoritmů PWM s nosnou a vektorové modulace upraveno modulační schéma tak, aby byly vyrovnávány ztráty. U algoritmů využívajících principů FCS-MPC je vyrovnávání ztrát dosaženo přidáním penalizace hodnoty exponenciálního filtru vyhodnocujícího průměrnou spínací frekvenci nebo ztráty jednotlivých výkonových polovodičových prvků. Omezení maximálního ztrátového výkonu je provedeno limitováním průměrných ztrát a omezením amplitudy proudu zátěže dle měřené teploty pouzdra. Amplituda proudu zátěže je omezovaná tak, aby průběh teploty v kvazistacionárních stavech nepřekročil stanovenou mez. Limitování průměrných ztrát zajišťuje, aby nebyla maximální přípustná teplota překročena vlivem chyby způsobené zjednodušením modelu použitým pro výpočet oteplení v závislosti na amplitudě proudu.

Abstract:

Tato práce se zabývá analýzou a návrhem řídicích algoritmů měniče pracujícího do zátěže napájené ze dvou nezávislých zdrojů (např. otevřené statorové vinutí), tzv. duálního měniče. Je zaměřená na algoritmy řízení umožňující zvýšení výkonové hustoty. Toho je dosaženo pomocí navýšení přenášeného výkonu na maximální možnou úroveň optimalizací výkonových ztrát a jejich řízeném rozvážení mezi jednotlivé výkonové polovodičové prvky. Maximální přenášený výkon je stanoven na základě tepelného modelu měniče, analýzy časového průběhu ztrátového výkonu jednotlivých výkonových polovodičových prvků a maximální přípustnou teplotou jednotlivých prvků. V práci jsou popsány algoritmy řídící napětí na výstupu duálního měniče a algoritmy řídící proud zátěže napájené z duálního měniče. Pro řízení napětí to jsou algoritmy založené na PWM s nosnou a vektorové modulaci (SVPWM). Pro řízení proudu zátěže napájené z duálního měniče to je proporčně sumační (PS) regulátor a prediktivní řízení s omezenou množinou akčních zásahů (FCS-MPC). Nejprve je v práci provedena rešerše algoritmů zabývajících se řízením duálního a víceúrovňových měničů. Následně je popsán a identifikován matematický model měniče se zátěží s otevřeným vinutím. Na základě matematického modelu je pro navýšení výkonové hustoty u algoritmů PWM s nosnou a vektorové modulace upraveno modulační schéma tak, aby byly vyrovnávány ztráty. U algoritmů využívajících principů FCS-MPC je vyrovnávání ztrát dosaženo přidáním penalizace hodnoty exponenciálního filtru vyhodnocujícího průměrnou spínací frekvenci nebo ztráty jednotlivých výkonových polovodičových prvků. Omezení maximálního ztrátového výkonu je provedeno limitováním průměrných ztrát a omezením amplitudy proudu zátěže dle měřené teploty pouzdra. Amplituda proudu zátěže je omezovaná tak, aby průběh teploty v kvazistacionárních stavech nepřekročil stanovenou mez. Limitování průměrných ztrát zajišťuje, aby nebyla maximální přípustná teplota překročena vlivem chyby způsobené zjednodušením modelu použitým pro výpočet oteplení v závislosti na amplitudě proudu.

Keywords

Duální měnič, PWM, vektorová PWM, prediktivní řízení, výkonové ztráty, tepelný model

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 8. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Electronics