Аннотация
В статье рассмотрена задача синтеза двухконтурной системы управления для трехфазного инвертора напряжения с использованием пропорционально-интегральных регуляторов во внутреннем и внешнем контурах системы автоматического регулирования. Целью работы является повышение качества формируемого выходного напряжения инвертора путем фильтрации высокочастотных пульсаций в канале управления инвертором. В отличие от традиционной структуры пропорционально-интегрального регулятора во внутреннем контуре предлагается регулятор с дополнительным фильтром. Предложенная модификация алгоритма управления позволяет снизить влияние высокочастотных пульсаций за счет уменьшения пульсационной составляющей на выходе регулятора, который формирует модулирующий сигнал для блока широтно-импульсной модуляции, что позволяет избежать режима насыщения модуляции и улучшить характеристики работы силового преобразователя. Предложен подход к синтезу ПИ-регулятора с фильтром второго порядка, основанный на использовании метода разделения движений. Рассмотрено влияние фильтров различного динамического порядка на величину высокочастотных пульсаций на выходе регулятора. Получены сравнительные оценки степени подавления высокочастотных пульсаций в канале управления для различных структур предлагаемых алгоритмов управления. Реализация предлагаемого подхода показана на примере синтеза регуляторов в составе двухконтурной системы автоматического управления трехфазного инвертора напряжения в бортовой системе электроснабжения переменного тока 400 Гц/115 В. Синтез параметров системы управления для инвертора проводился в соответствии с требованиями стандарта на общие требования и нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения летательных аппаратов. Эффективность рассчитанной системы управления проверена с использованием математического и имитационного моделирования в среде Matlab/Simulink.
Ключевые слова
ПИ-регулятор, высокочастотные пульсации, система автоматического управления, инвертор напряжения, широтно-импульсная модуляция, метод разделения движений, фильтр второго порядка, логарифмическая амплитудно-частотная характеристика
1. Баховцев И.А. Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники: структуры и алгоритмы: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. 219 с.
2. Чаплыгин Е.Е. Спектральное моделирование преобразователей с широтно-импульсной модуляцией: учеб. пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. 48 с.
3. Hava A.M., Kerkman R.J., Lipo T.A. Carrier-Based PWM-VSI Overmodulation Strategies: Analysis, Comparison, and Design // IEEE Transactions on Power Electronics. 1998. Vol. 13. No. 4. Pp. 674-689. doi: 10.1109/ACCESS.2023.3235791
4. A Hybrid PWM Technique to Improve the Performance of Voltage Source Inverters / A. Ahmed., S.P. Biswas, Md.Sh. Anower, Md.R. Islam, S. Mondal, S.M. Muyeen // IEEE Access. 2023. Vol. 11. Pp. 4717-4729. doi: 10.1109/ACCESS.2023.3235791
5. Investigation of hybrid EMI filters for common-mode EMI suppression in a motor drive system / S. Wang, Y.Y. Maillet, F. Wang, D. Boroyevich, R. Burgos // IEEE Trans. Power Electron. 2010. Vol. 25. No. 4. Pp. 1034-1045. doi: 10.1109/TPEL.2009.2033601
6. Wang S., Goswami R. Investigation and Modeling of Combined Feedforward and Feedback Control Schemes to Improve the Performance of Differential Mode Active EMI Filters in AC–DC Power Converters // IEEE Trans. on Industrial Electron. 2019. Vol. 66. No. 8. Pp. 6538-6548. doi: 10.1109/TIE.2018.2883264
7. Goswami R., Wang S. Modeling and stability analysis of active differential-mode EMI filters for ac–dc power converters // IEEE Trans. Power Electron. 2018. Vol. 33. No. 12. Pp. 10277-10291. doi: 10.1109/TPEL.2018.2806361
8. Differential mode active EMI filter design for a boost power factor correction AC/DC converter / R. Goswami, S. Wang, E. Solodovnik, K. Karimi // IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron. 2019. Vol. 7. Iss. 1. Pp. 576-590. doi: 10.1109/JESTPE.2018.2839734
9. Ali M., Laboure E., Costa F. Integrated active filter for differential-mode noise suppression // IEEE Trans. Power Electron. 2014. Vol. 29. No. 3. Pp. 1053-1057. doi: 10.1109/TPEL.2013.2276396
10. Mutoh N., Ogata M. New Methods to Control EMI Noises Generated in Motor Drive Systems // IEEE Trans. on Ind. App. 2004. Vol. 40. Iss. 1. Pp. 143-152. doi: 10.1109/TIA.2003.821807
11. Analysis of Common-Mode Noise and Mixed-Mode Differential-Mode Noise in Dual Active Bridge Converter / B. Dwiza, J. Kalaiselvi, N.B.Y. Gorla, J. Pou // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2023. Vol. 11. Iss. 1. Pp. 657-666. doi: 10.1109/JESTPE.2022.3201327
12. Tang Z., Yang Y., Blaabjerg F. A Fully Symmetrical Three-port Hybrid Converter for PV Systems // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). IEEE, 2021. Pp. 253-258. doi:10.1109/ECCE47101.2021.9595387
13. Utkin V. Chattering Problem // IFAC Proceedings Volumes. 2011. Vol. 44. Iss. 1. Pp. 13374-13379. doi: 10.3182/20110828-6-IT-1002.00587
14. Methodologies of chattering attenuation in sliding mode controller / A. Sahamijoo, F. Piltan, M.H. Mazloom, M.R. Avazpour, H. Ghiasi, N.B. Sulaiman // International Journal of Hybrid Information Technology. 2016. Vol. 9. No. 2. Pp. 11-36. doi:10.14257/ijhit.2016.9.2.02
15. Nemati H., Bando M., Hokamoto S. Chattering Attenuation Sliding Mode Approach for Nonlinear Systems // Asian Journal of Control. 2017. Vol. 19. No. 4. Pp. 1519-1531. doi:10.1002/asjc.1477
16. Dobrev D., Neycheva T. Intuitive Approach to Active Digital Filter Design. Part I: Principle of First-order Filters // XXXII International Scientific Conference Electronics (ET). IEEE, 2023. Pp. 1-6. doi:10.1109/ET59121.2023.10279456
17. Dobrev D., Neycheva T. Intuitive Approach to Active Digital Filter Design. Part II: Principle of Higher-order Low-pass Filters // XXXII International Scientific Conference Electronics (ET) IEEE, 2023. Pp. 1-6. doi: 10.1109/ET59121.2023.10278687
18. Прокопишин Д.И. Разработка системы управления однофазным активным фильтром на основе контроля напряжения звена постоянного тока // Интеллектуальная электротехника. 2020. №3. C. 83-92. doi: 10.46960/2658-6754_2020_3_83
19. Черепанцев А.С. Эффект частотной фильтрации в оценке параметров динамической системы // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2012. T. 20. № 6. C. 47-55.
20. Петросян Н. Влияние входного фильтра на характеристики импульсных преобразователей постоянного напряжения // Силовая электроника. 2018. №2. С. 30-33.
21. Пат. 2368934 Российская Федерация, МПК G05B 13/02. Адаптивная система управления / Спицын А.В., Мазуров В.М., Тупиков Н.Г.; заявитель ООО «Электроспецприбор». №2007121876/09, заявл. 14.06.2007, опубл. 20.12.2008.
22. Garganeev A.G., Aboelsaud R., Ibrahim A. Voltage control of autonomous three-phase four-leg VSI based on scalar PR controllers // 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). IEEE, 2019. Pp. 558-564. doi: 10.1109/EDM.2019.8823098
23. He J., Zhang X. Comparison of the back-stepping and PID control of the three-phase inverter with fully consideration of implementation cost and performance // Chinese Journal of Electrical Engineering. 2018. Vol. 4(2). Pp. 82-89. doi: 10.23919/CJEE.2018.8409353
24. Юркевич В.Д. Многоканальные системы управления. Синтез линейных систем с разнотемповыми процессами: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. 183 с.
25. Yurkevich V.D. PIR controller design based on the time-scale separation method and internal model principle for harmonic disturbance suppression // Optoelectronics Instrumentation and Data Processing. 2021. Vol. 57. No 4. Pp. 363-370. doi:10.3103/S8756699021040130
26. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М.: Наука, 1967. 423 с.
27. Vavilov O.A., Korobkov D.V., Yurkevich V.D. Two-Level Voltage Inverter: Parametric Synthesis of Filter and Controllers // IEEE 23rd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). IEEE, 2022. Pp. 372-377. doi: 10.1109/EDM55285.2022.9855195
28. Selvaraj G., Rajashekara K., Potti K.R.R. An Enhanced Controller for Four Leg Inverter-fed Loads in an Aircraft Power System // IEEE Applied Power Electronics Conference 2021 (APEC). IEEE, 2021. Pp. 1209-1214. doi: 10.1109/APEC42165.2021.9487286
29. ГОСТ Р 54073-2017. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. М.: Стандартинформ, 2018. 39 с.
Вавилов О.А., Юркевич В.Д. Подавление высокочастотных пульсаций в системе автоматического регулирования трехфазного инвертора напряжения // Электротехнические системы и комплексы. 2025. № 1(66). С. 49-57. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2025-1(66)-49-57