Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Выбор критериев оценки показателей эффективности преобразователей частоты в электрических передачах тепловозов
1.2. Выбор топологии силовых цепей на основе предварительных сведений о КПД, коэффициенте мощности, надёжности и экономических затратах
1.3. Алгоритмы управления непосредственными преобразователями частоты
1.4. Устройства управления непосредственными преобразователями частоты и реализация алгоритмов в схемах с естественной и принудительной коммутацией
2. Анализ электромагнитных процессов в непосредственных преобразователях частоты переменного тока
2.1. Выбор значений параметров (сопротивлений, индуктивностей, ёмкостей и частот) и составление схем замещения
2.2. Расчёт входного и выходного тока как функций времени и алгоритма управления
2.3. Гармонический анализ входного и выходного тока
2.4. Оценка результатов по выбранным критериям и решение оптимизационной задачи
2.5. Анализ алгоритмов при работе НПЧ в нелинейной области
3. Интерпретация результатов, выводы и предложения
3.1. О целесообразности применения транзисторов и запираемых тиристоров в силовых цепях НПЧ
3.2. Оценка применяемых методов анализа электромагнитных процессов в НПЧ и методов оптимизации алгоритма управления
3.3. Оценка коэффициента использования вентилей в НПЧ при различных алгоритмах управления
Заключение
Список литературы
Приложения
- Выбор топологии силовых цепей на основе предварительных сведений о КПД, коэффициенте мощности, надёжности и экономических затратах
- Гармонический анализ входного и выходного тока
- Оценка применяемых методов анализа электромагнитных процессов в НПЧ и методов оптимизации алгоритма управления
- Оценка коэффициента использования вентилей в НПЧ при различных алгоритмах управления
Введение к работе
Широкое развитие тепловозной тяги и всё возрастающие требования к её экономической эффективности требуют применения наиболее прогрессивных технологий в тепловозостроении.
Развитие полупроводниковой техники привело к достижению качественно нового уровня в области преобразования электрической энергии, и электрические передачи тепловозов, как типичный пример мощной преобразовательной техники, также претерпели значительные изменения. Были разработаны электрические передачи переменно-постоянного, а затем и переменного тока. Стало возможным применение асинхронных тяговых двигателей, имеющих неоспоримые преимущества перед двигателями постоянного тока: высокую надёжность, минимальный объём технического обслуживания, меньшую стоимость и значительно лучшие массогабаритные показатели, что, в свою очередь, позволило улучшить динамические показатели экипажной части локомотивов. Были разработаны микроконтроллеры и бортовые вычислительные машины, устанавливаемые непосредственно на объекте управления и позволяющие применять практически сколь угодно сложные алгоритмы управления передачей при одних и тех же затратах на аппаратурную реализацию. Именно разработка и совершенствование тепловозных передач переменного тока в последнее время признаны одной из первостепенных задач.
В настоящее время существуют два основных типа тепловозных электрических передач переменного тока: с явно выраженным звеном постоянного тока и с непосредственным преобразованием частоты. Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ) могут иметь лучшие характеристики, чем преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока: благодаря меньшему числу последовательно включенных вентилей, потери в НПЧ значительно меньше; кроме того, на электровозах значительно более простыми средствами достигается возможность возврата
энергии в сеть (рекуперации). Преимуществом НГТЧ также является отсутствие сглаживающего фильтра, необходимого в преобразователях с явно выраженным звеном постоянного тока, однако последние нашли наибольшее распространение на практике.
Причинами этого можно считать значительные успехи теории
выпрямителей и автономных инверторов, большой опыт успешной
эксплуатации таких преобразователей и приемлемые технические
характеристики. Существенную роль сыграла также преемственность узлов
тепловозных передач. С другой стороны, в течение длительного времени
существовавшая элементная база не позволяла реализовать в полной мере
все преимущества НПЧ. Кроме этого, непосредственные преобразователи
частоты имеют ряд специфических недостатков: существование
запрещённых (невыгодных) кратностей преобразования частоты,
незащищённость от внутренних коротких замыканий, большое количество тиристоров, сложность системы управления и низкую надёжность системы в целом. Многие недостатки НПЧ обусловлены неполнотой теоретического анализа электромагнитных процессов в вентильных преобразователях переменного тока.
Таким образом, одной из важнейших задач является оптимизация показателей НПЧ и, в частности, поиск оптимального алгоритма управления тиристорами, обеспечивающего глубокое, плавное и рациональное регулирование частоты. Ряд оптимизационных задач в теории непосредственных преобразователей частоты был в более или менее полном виде решён в работах [10, 31-33, 36, 55, 73, 87, 88]. В литературе [4, 5, 11, 18, 29, 43, 59, 60, 79] рассмотрены специализированные математические методы анализа электромагнитных процессов в вентильных преобразователях переменного тока, в частности, метод переключающих функций [22-28]. Большое внимание уделяется методам снижения уровня радиопомех, создаваемых преобразовательными установками, в частности, путем оптимизации гармонического состава токов [16, 36, 48, 70]. Ряд работ
посвящен исследованию связи характеристик преобразователей со структурой силовых цепей и числом фаз [20, 44, 64, 96]. В литературе [12, 14, 37, 65, 68, 76, 80, 82] рассматриваются вопросы, связанные с применением вентильных преобразователей в электроприводе. Помимо оптимизации алгоритма управления, в ряде публикаций встречаются указания на возможности совершенствования преобразователей тока путем применения регенерации высших гармонических составляющих или дополнения кривой выходного напряжения до синусоиды напряжением бустерного каскада. В настоящее время разрабатываются также вентильные компенсаторы реактивной мощности, имеющие значительно лучшие массогабаритные показатели, чем батареи косинусных конденсаторов. Тем не менее, вопрос далёк от окончательного решения.
Решение рассматриваемой задачи может иметь большое значение для всех областей применения регулируемого асинхронного электропривода — локомотивостроения, транспортной техники, грузоподъемных машин, электропривода насосов и вентиляторов, конвейеров и транспортёров, а также станков различного назначения.
В настоящей работе предпринята попытка связать алгоритм управления непосредственным преобразователем частоты с гармоническим составом напряжений и токов на входе и выходе преобразователя, и на основании этой связи оптимизировать алгоритм управления.
Цель работы - выбор критериев оценки алгоритмов управления непосредственным преобразователем частоты в электрических передачах автономных локомотивов;
разработка математической модели непосредственного преобразователя частоты как цепи с переменной топологией с анализом принятых допущений;
исследование оптимизационной задачи и проведение оптимизации функции управления по выбранному критерию;
исследование коммутационных процессов в НПЧ;
исследование особенностей электромагнитных процессов в преобразователях частоты с полностью управляемыми вентилями и обоснование целесообразности их применения в НПЧ;
расчёт предельно достижимых характеристик НПЧ при оптимальном алгоритме управления.
Методика исследования. Решение поставленных задач выполнено с разработкой математической модели непосредственного преобразователя частоты и проведением численных экспериментов в математическом пакете MathCAD. Для расчета токов и напряжений применялся метод переключающих функций с элементами линейной алгебры. Гармонический анализ проводился с применением двухчастотного ряда Фурье, быстрого преобразования Фурье (БПФ) и элементов теории чисел. Оптимизация функции управления проводилась численными методами. При оптимизации алгоритма использован метод переключающих функций и метод комплексных амплитуд.
Научная новизна. Разработана методика, позволяющая рассчитать функцию управления НПЧ, оптимальную по выбранному критерию. Обоснована необходимость применения непериодических функций и алгоритмов управления для достижения глубокого, плавного и рационального регулирования частоты тока на выходе преобразователя, а также регулирования напряжения. Предложены схемы устройств управления НПЧ, реализующих оптимальный алгоритм. Предложены меры дальнейшего повышения качественных показателей НПЧ, в том числе метод синтеза вентильных преобразователей.
Практическая ценность. Научные результаты, полученные при исследовании оптимизационной задачи и разработке методики расчета оптимальных алгоритмов управления НПЧ, представляют практический
интерес для локомотивостроительных заводов, проектных и научно-исследовательских организаций, занимающихся разработкой и проектированием регулируемых электроприводов переменного тока и преобразовательной техники.
Апробация и реализация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на расширенном заседании кафедр «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрическая тяга» (протокол от 7 апреля 2003 г.) и научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (МИИТ, 2001, 2002 и 2003 г.)
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав текста, заключения. Она содержит 118 страниц машинописного текста, включая 3 таблицы, 25 рисунков, 3 приложения и список литературы из 99 наименований.
Выбор топологии силовых цепей на основе предварительных сведений о КПД, коэффициенте мощности, надёжности и экономических затратах
Под топологией схемы будем понимать структуру, т.е. совокупность и взаимосвязь ветвей и узлов схемы, или совокупность путей тока в схеме. Известны следующие основные группы схем силовых цепей НПЧ: 1. Схемы с нулевым выводом и мостовые схемы. 2. С потенциальным разделением фаз источника, с потенциальным разделением фаз нагрузки и без потенциального разделения. 3. В зависимости от числа пульсаций в кривой напряжения нагрузки за период напряжения сети при постоянном угле регулирования а -шестипульсные, двенадцатипульсные и т.д.
Силовые цепи НПЧ в первой группе различаются по наличию или отсутствию общего провода между источником и нагрузкой. При наличии общего провода схема считается схемой с нулевым выводом. При прочих равных условиях мостовая схема содержит большее число вентилей. К мостовым схемам близки по топологии сдвоенные схемы с .регулированием выходного напряжения методом разведения векторов.
Потенциальное разделение необходимо в мостовых схемах и заключается в отсутствии гальванической связи между отдельными фазами. При потенциальном разделении на стороне источника необходимо иметь синхронный генератор с отдельными выводами всех обмоток, или разделительный трансформатор. При потенциальном разделении на стороне нагрузки отдельные выводы всех обмоток должен иметь асинхронный двигатель. Требование потенциального разделения ведет к усложнению конструкции электрических машин и снижению их надежности, поэтому схемы с потенциальным разделением на транспорте применяются редко.
Увеличение числа пульсаций в кривой напряжения нагрузки благоприятно сказывается на характеристиках всей передачи мощности в целом. Оно способствует получению более равномерной нагрузки на источник и существенно повышает долю основной гармоники тока нагрузки. Наибольшее применение находят шестипульсные и двенадцатипульсные схемы, поскольку меньшее число пульсаций ухудшает энергетические показатели, а получение большего числа пульсаций связано с увеличением числа фаз источника и числа вентилей, а также с усложнением устройства управления.
Вообще вентильный НПЧ может представлять собой полный граф, из которого исключены лишь вентили, замыкающие сеть. На практике обычно применяется схема, содержащая меньшее число вентилей.
В случае использования запираемых тиристоров к преобразователю предъявляются дополнительные требования по минимальному числу таких тиристоров и мерам облегчения коммутации. Кроме того, топология усложняется за счет введения цепей, обеспечивающих протекание реактивного тока при выключении.
Основным преимуществом НПЧ с принудительной коммутацией или запираемыми тиристорами является возможность повышения коэффициента мощности за счёт коэффициента сдвига.
Рядом особенностей обладает топология схем с неявновыраженным звеном постоянного тока, применяемых на практике весьма редко. Звенья постоянного тока выполняют в таких схемах роль групповых переключателей, образующих контуры для протекания тока. В качестве примера на рис. 1.1 приведена схема преобразователя, рассмотренная в [82]. Как видно, помимо запираемых тиристоров, в схему входит трансформатор с тремя комплектами вторичных обмоток, что делает подобное схемное решение практически неприемлемым.
В настоящее время НПЧ для тепловозных электрических передач серийно не выпускаются, и для сопоставления технических характеристик выбраны промышленные образцы преобразователей различных типов, выпускаемые ОАО «Электровыпрямитель» (Россия, Республика Мордовия, г. Саранск). Уровень мощности (даже в пределах нескольких порядков) весьма мало влияет на КПД полупроводниковых преобразователей [31], что позволяет сравнивать характеристики преобразователей, существенно различающихся по мощности. Как видно из табл. 1, в которой приведены технические характеристики преобразователей четырех основных типов (действительные - по данным [72], теоретические - по данным [31]), непосредственные преобразователи частоты обладают значительными преимуществами.
Под алгоритмом управления будем понимать набор правил, определяющих моменты включения и выключения вентилей. Правила, в соответствии с которыми вычисляются моменты времени, определяются функцией управления, характером полных сопротивлений сети и нагрузки, структурой силовых цепей (матрицей инцидентности), а также симметрией сети и нагрузки (если такая симметрия существует). Составной частью алгоритма управления является функция управления - зависимость угла регулирования одного конкретного вентиля от времени или номера периода сетевого напряжения [32, 33]. Если в преобразователе используются тиристоры различного функционального назначения (силовые и коммутационные), то каждая группа тиристоров имеет свою функцию управления.
Работу вентиля можно описать с использованием функции единичного скачка. Пренебрегая временем восстановления, запишем: где fynp(t) - функция управления, имеющая период Тн; fynp(t) l;
Tin - момент включения, отсчитываемый от начала n-го периода. Аргументом функции управления является дискретное время, поскольку её значение вычисляется только один раз за период напряжения сети. Функция управления для упреждающего алгоритма вычисляется через равноотстоящие интервалы времени и является решётчатой. Функция управления для синхронного алгоритма вычисляется через неравноотстоящие интервалы времени.
Гармонический анализ входного и выходного тока
В линейном режиме спектры входных и выходных токов совпадают со спектром тока, являющегося решением уравнения (2.17) с правой частью, заданной выражением (1.14) при коммутации в нуле тока. Найдём спектр напряжения, используя двухчастотный ряд Фурье вида (1.2). Коэффициенты ряда записываются в виде: где k-число интервалов усреднения.
Необходимость усреднения вызвана тем, что u(t) не имеет периода точного повторения [2, 71, 83]. Кроме того, функция спектральной плотности разрывна всюду, поскольку бесконечно малое приращение частоты соответствует бесконечно большому изменению порядка комбинационной составляющей и, следовательно, её амплитуды.
Вводя безразмерный параметр u=m+n-kf, получим другую форму записи выражений (2.24) и (2.25):
Особенностью полученных выражений является то, что в них порознь входят две функции: фазы середин импульсов и фазовой длительности импульсов в зависимости от номера периода сетевого напряжения или номера импульса. Данное свойство спектра напряжения позволяет изучать составляющие выражения (1.14), определяемые модулем и знаком функции управления, отдельно, а также использовать для модуля функции управления соотношение (1.35).
Вычисление сумм в выражениях (2.42) и (2.43) связано со значительными математическими трудностями. Тригонометрические функции от тригонометрических функций могут быть представлены в виде рядов, составленных из бесселевых функций первого рода, но для тригонометрических функций от периодических функций более сложного вида, хотя бы и представимых в виде ряда Фурье, выражение неизвестно. Для некоторых частных случаев такие выражения были получены [19], но их сложность затрудняет практическое использование. Для практических расчетов, выполняемых на компьютере, можно ограничиваться сравнительно небольшим числом слагаемых, однако в этом случае необходимо контролировать сходимость частичной суммы.
При сопоставлении спектров, рассчитанных с помощью выражений (2.42) и (2.43), с результатами, полученными другим способом (при помощи быстрого преобразования Фурье (БПФ) с усреднением), наблюдается хорошее совпадение результатов. Как видно из рис. 2.6, число субгармонических составляющих возрастает с повышением kf, однако эта зависимость не является монотонной. При kf 0,33 гармонический состав тока становится неблагоприятным для асинхронных двигателей из-за наличия составляющих с частотами, весьма близкими к сон . Установлено, что спектр тока при импульсной модуляции, содержит составляющие, характерные для балансной модуляции (рис. 2.7). Замечено также, что комбинационные составляющие могут иметь существенную амплитуду.
Структуру спектра можно оценить при рассмотрении графиков на рис. 2.8 и 2.9, иллюстрирующих образование выходного напряжения НПЧ: видно, что в случае совместного управления при переходе выходного напряжения через нуль амплитуда пульсаций с утроенной частотой сети возрастает, а амплитудная модуляция характеризуется наличием в спектре боковых полос, частоты которых определяются из выражения:
В линейной области также образуются боковые полосы, но в этом случае амплитуда пульсаций при нулевом выходном напряжении стремится к нулю. Очевидно, в преобразователе с бесконечным числом пульсаций эти нелинейные эффекты также отсутствуют.
Эффекты, возникающие за счет комбинационных составляющих тока нагрузки, нехарактерны для преобразователей с явно выраженным звеном постоянного тока, но в этом случае могут быть искусственно созданы путём модуляции напряжения в звене постоянного тока по некоторому периодическому (например, синусоидальному или прямоугольному) закону. Возможность регулирования интенсивности комбинационных составляющих изменением глубины модуляции и гармонического состава изменением отношения частот управления инвертором и модуляции позволяет моделировать процессы в электрической передаче с непосредственным преобразователем частоты на преобразователе с явно выраженным звеном постоянного тока.
При расчёте характеристик АД совместно с преобразователем необходимо учесть, что субгармоники и комбинационные составляющие создают не круговые, а эллиптические поля, и направления их вращения могут быть различными. Кроме того, асинхронный двигатель с подвижным ротором не приводится к активно-индуктивной нагрузке, поскольку может происходить обмен и преобразование разных видов энергии -электромагнитной и механической.
При исследовании поведения функционала (1.8) для случая, когда функция управления имеет период Тн и обладает нечетной симметрией, для которой целесообразно воспользоваться аналогом передаточной функции — откликом выражения (1.8) на гармоники функции управления. Результатом такого подхода явятся парциальные коэффициенты, обозначающие оптимальные для данного критерия амплитуды высших гармоник функции управления, однозначно определяющие её форму. Вместе с тем, полученная функция управления будет лишь близка к оптимальной, поскольку, как отмечено в ВО], между гармониками существует взаимное влияние.
Таким образом, оптимизационная задача, для двух вариантов которой проводятся дальнейшие вычисления, записывается в виде: причём из (2.51) следует равенство нулю всех чётных гармоник.
Простейший алгоритм решения оптимизационной задачи записывается в виде: Как показывают расчеты, вследствие сильного взаимного влияния гармоник функции управления простейший алгоритм неэффективен. В частности, установлено, что воздействие некоторых близко расположенных гармоник эквивалентно. Более эффективный итерационный алгоритм имеет вид:
Отыскание каждого парциального коэффициента сводится к отысканию максимума функции двух переменных. Как известно, функция двух переменных имеет в точке М(а,Ь) строгий локальный максимум, если второй дифференциал функции в данной точке является отрицательно определённой квадратичной формой. Обозначая компоненты матрицы Гессе через запишем условие максимума:
В качестве примера вычислены амплитуды четной и нечетной гармоник функции управления по условию (2.58) для функционалов (2.53а) и (2.536). Характер зависимости выражений (2.53а) и (2.536) от амплитуд
Оценка применяемых методов анализа электромагнитных процессов в НПЧ и методов оптимизации алгоритма управления
В связи с исключительно сложным характером зависимости критерия от функции управления и возможной неединственностью оптимального алгоритма классические методы анализа электромагнитных процессов оказываются малоэффективными при решении оптимизационных задач. В таких случаях более эффективным может оказаться метод синтеза, широко применяемый в теории электрических фильтров. Сущность метода синтеза заключается в предварительном выборе идеальной характеристики с последующей её аппроксимацией реальными элементами электрических цепей. Поскольку аппроксимационная задача решается обычно значительно легче оптимизационной, данный метод может иметь существенные преимущества - наглядность качественного решения, меньшую трудоёмкость и большую степень общности результатов.
Рассмотрим однофазно-однофазный НПЧ по схеме с нулевым выводом. Как видно из схемы, приведенной на рис. ЗА, он должен содержать не менее двух пассивных двухполюсников, причем в случае, когда питающая сеть является источником напряжения, существует только одна возможная схема преобразователя. Найдём комплексные сопротивления этих двухполюсников, считая напряжения и токи гармоническими. Для первого двухполюсника можно записать: или в экспоненциальной форме записи: где Uc - амплитудное значение напряжения сети, UH - амплитудное значение напряжения нагрузки. Полное сопротивление можно представить в виде:
Запишем (3.5) в тригонометрической форме: Поскольку модуль комплексного числа является вещественным числом, мнимая часть выражения (3.6) должна быть равной нулю:
Выражение (3.8) является тригонометрическим уравнением, из которого можно найти аргумент полного сопротивления. Введём обозначения
Решение уравнения (3.18) имеет вид: Как видно, функции (3.11) и (3.20) могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Это означает, что характер полного сопротивления периодически меняется с ёмкостного на индуктивный и обратно. В [14] рассмотрены способы реализации подобных двухполюсников при помощи вентильных цепей.
Параметры преобразователя не являются совершенно независимыми и связаны уравнением баланса мощностей:
Подставляя в (3.21) выражения (2.39) и (2.52), получим соотношение, которому должны удовлетворять параметры преобразователя:
Следующим по степени общности способом представления НПЧ является четырехполюсник. Имея полные сопротивления как функции времени, их вещественные части можно заменить сопротивлениями вентильных цепей, принимающими два возможных значения: бесконечно большое и бесконечно малое.
Использование микропроцессорной техники позволяет перейти к совершенно иному принципу управления. Как уже отмечалось, функцию управления можно считать периодической лишь в первом приближении. Пусть имеется периодическая квазиоптимальная функция управления
Тогда для получения оптимальной функции управления следует вводить поправки которые необходимо вычислять в процессе работы преобразователя, руководствуясь текущими значениями токов сети и нагрузки. Условием при их вычислении должен быть минимум гармоник, вносящих наибольший вклад в коэффициенты искажения. Номера этих гармоник могут определяться из таблицы коэффициентов двухчастотного ряда Фурье при заданных kf и 0. Преимуществом данного принципа управления является возможность компенсации различного рода флуктуации и помех, вызывающих неточность задания углов управления, а также возможность защиты преобразователя от некоторых видов аномальных режимов. В частности, в случае пропуска импульса момент подачи очередного импульса и номер вентиля, который должен быть включен, могут вычисляться по условиям минимальной перегрузки вентилей и минимальных динамических моментов в тяговом приводе.
Большой интерес также представляет исследование возможности функционирования преобразователя, хотя бы и с ухудшением параметров, при выходе из строя (пробое или обрыве) одного из силовых вентилей. Данная задача оказывается особенно актуальной в случае, когда вероятность сбоев в системе управления мала и отказы силовых вентилей обусловлены иными причинами.
Оценка коэффициента использования вентилей в НПЧ при различных алгоритмах управления
Наличие большого числа вентилей в силовых цепях НПЧ требует оценки по коэффициенту использования вентилей, что позволит решить вопрос о целесообразности применения той или иной схемы с точки зрения экономической эффективности, а также оценить надежность схемы.
Поскольку тиристоры проводят ток в течение некоторой доли времени, пиковый ток через вентиль может быть выше, чем средний. Отношение максимального пикового тока к среднему зависит от типа вентиля, его мощности и конструкции [13]. Типичные значения этого отношения при коротких импульсах (т=10 мс) для применяемых в локомотивных тяговых преобразовательных установках диодов и обычных тиристоров кт=15-ь18, для GTO-тиристоров кт=8-й0, для IGBT кт=2-ьЗ. Фактическая доля времени нахождения вентиля в проводящем состоянии зависит от топологии силовых цепей преобразователя и алгоритма управления.
Выражение для кпд по гармоникам является упрощённой формой функционала (1.8): где Nn - число последовательно включенных вентилей в контуре исдочник-преобразователь-нагрузка (случай однотипных вентилей); Unp-прямое падение напряжения на проводящем вентиле; Uc - действующее значение напряжения источника.
Выражение для коммутационного кпд имеет вид: где Ек - усреднённые потери энергии в одном вентиле во время включения или выключения (работы в активном режиме); в ряде случаев эта величина может быть снижена за счет применения цепей формирования траектории рабочей точки; NK - усреднённое число вентилей, участвующих в коммутационных процессах за период сетевого напряжения; fc-частота питающей сети (источника); Рпотр - потребляемая из сети активная мощность. Число последовательно включенных вентилей зависит от топологии силовых цепей и в различных преобразовательных устройствах принимает следующие значения: 1)для выпрямителей и НПЧ по схеме с нулевым выводом Nn=l; 2) для выпрямителей, НПЧ и инверторов напряжения по мостовой схеме N„=2; 3) для преобразователей частоты с неявновыраженным звеном постоянного тока Nn=3; 4) для инверторов тока с отсекающими диодами N„=4.
Прямое падение напряжения на проводящем вентиле зависит от класса вентиля по напряжению, его мощности и типа (диод, транзистор или тиристор). Типичные значения этого параметра для диодов и обычных тиристоров Unp=l,0-bl,5 В, для запираемых тиристоров 1 =2,2- -3,5 В, для IGBT Unp=2,5-3,0 В. Следует заметить, что прямое падение напряжения на проводящем вентиле мало зависит от силы протекающего тока. Для тиристоров это обусловлено эффектом положительной обратной связи в четырёхслойных полупроводниковых структурах, обеспечивающим высокую перегрузочную способность тиристоров, а для IGBT - тем, что составные транзисторы данного типа не имеют дополнительного источника смещения, вследствие чего биполярный транзистор не насыщается. Отсутствие насыщения увеличивает быстродействие транзисторного ключа, но при этом существенно возрастает падение напряжения на отпертом транзисторе, зависящее в основном от свойств полупроводника. Как правило, общее число силовых вентилей в НПЧ кратно произведению числа фаз источника и нагрузки.
Выводы: значение критерия (1.8) зависит от структуры силовых цепей преобразователя и свойств вентилей, ограничивающих возможность формирования контуров для протекания тока по моментам времени и собственно топологии, а также от алгоритма управления, задающего возможности использования структуры силовых цепей. Возможности оптимизации функции управления ограничены, а при учете коммутации решение оптимизационной задачи на основе анализа электромагнитных процессов становится практически невозможным. Основным путем оптимизации алгоритма управления в общем случае может стать синтез вентильных преобразователей на основе аппроксимации характеристик идеального преобразователя вентильными цепями
