Розглянуто питання покращення якості електричної енергії тягової підстанції постійного струму шляхом застосування спеціальних замкнутих систем автоматичного регулювання для стабілізації та зменшення амплітуд гармонік вихідної напруги. Запропоновано застосування в складі випрямної установки вольтододатного перетворювача побудованого на базі випрямляча, управління яким для розширення смуги пропускання виконується за допомогою широтно - імпульсною модуляцією (ШІМ). Встановлено, що застосування ШІМ підвищує енергетичні характеристики вольтододатного перетворювача в порівнянні з фазовим керуванням. Одержано імпульсну модель вольтододатного перетворювача з ШІМ і аналітичні залежності, що описують його статичні та динамічні характеристики. Показано, що під дією пульсаційної складової вихідної напруги випрямляча вольтододатний перетворювач з ШІМ набуває властивості динамічної ланки зі змінними параметрами. В той же час, компенсаційна дія фактора пульсацій дозволяє описувати динамічні процеси, застосовуючи усереднені значення статичного коефіцієнта передачі та фактора пульсацій. Показано, що реалізація в замкнутій системі автоматичного регулювання вихідної напруги вольтододатного перетворювача з ШІМ умов процесу кінцевої тривалості дозволяє ефективно впливати на гармонійні складові, що лежать в її смузі пропускання. Запропонована адаптивна система активної фільтрації дозволяє одержати інваріантність величини пульсацій вихідної напруги випрямної установки до зовнішніх і внутрішніх збурень. Одержано вираз, що дозволяє визначати сталу часу \i LC \i0- фільтра за необхідною величиною заважаючої напруги. Розроблено імітаційні моделі, які дозволяють виконати проектування реальних підсистем випрямної установки.

Проаналізовано електромагнітні сумісності (ЕМС) та шляхи реалізації рекуперації в існуючих і перспективних випрямлячах для тягових підстанцій постійного струму. Виконано розробку та дослідження дворівневого АВН з гістерезисною системою управління (СУ). Визначено аналітичну залежность максимальної частоти комутації ключів від параметрів живильної мережі, параметрів схеми АВН, параметрів навантаження й амплітуди уставки гістерезису. Визначено параметри якості електроенергії в режимах випрямлення та рекуперації. Одержано аналітичні співвідношення, що описують регулювальну характеристику вихідної напруги АВН в режимах випрямлення та рекуперації. Виконано розробку та дослідження дворівневого АВН з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Підтверджено теоретично одержані показники ЕМС на фізичному макеті й одержано аналітичні залежності спектрів вищих гармонік вхідних струмів і вихідної напруги від частоти ШІМ і частоти живлячої мережі. Виконано розробку та дослідження трирівневого АВН з ШІМ. Виконано розробку та дослідження компенсаційного АВН з СУ на базі ШІМ, мости якого паралельно працюють на одне навантаження, живляться від одного джерела та реалізують взаємну компенсацією вищих гармонік спожитих струмів і вихідної напруги.

Розроблено новий метод аналізу комутаційних процесів в імпульсних перетворювачах з урахуванням паразитних параметрів транзисторних ключів, параметрів напруги живлення та навантаження, який дозволяє проводити порівняльний аналіз електромагнітних та енергетичних процесів в транзисторних ключах перетворювачів різних типів. Вперше проведено комплексний порівняльний аналіз енергетичних втрат в транзисторних ключах перетворювачів різних типів, який показує значну перевагу квазірезонансних перед імпульсними перетворювачами з широтно-імпульсною модуляціею (ШІМ) (у 3,5÷7,4 раза) в широкому частотному діапазоні роботи, що дозволяє значно покращити їх питомі параметри. Введення поняття комутаційної характеристики дозволило визначити режими роботи квазірезонансних перетворювачів (режими статичної, динамічної та "жорсткої" комутації), що спрощує розробку систем керування таких перетворювачів. Вперше запропоновано схемотехнічні рішення, які усувають високочастотні паразитні коливання в квазірезонансних перетворювачах, що дозволило розширити їх діапазон регулювання та покращити енергетичні показники. Вперше проведено порівняльний аналіз спектральних характеристик струмів споживання та енергетичних втрат в транзисторних ключах коректорів коефіцієнтів потужності на основі квазірезонансних та імпульсних перетворювачів з ШІМ, який показує перевагу квазірезонансних над імпульсними перетворювачами з ШІМ за енергетичнми показниками, надає змогу збільшити частоту роботи імпульсних перетворювачів у складі коректорів коефіцієнтів потужності.

Дисертація присвячена покращанню показників якості електричної енергії в контактній мережі постійного струму шляхом застосування випрямної установки з вольтододавальним перетворювачем з двосторонньою широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Це стосується аналізу електромагнітної сумісності випрямної установки з контактною мережею та пошуку оптимального технічного засобу її покращання. Для обраної структури випрямної установки з вольтододавальним перетворювачем ідентифіковано її статичні та динамічні характеристики. Вперше одержано імпульсну модель випрямної установки з двосторонньою ШІМ. Вперше визначено величини факторів пульсацій. Для вирішення проблеми негативного впливу вищих гармонік випрямної напруги на суміжні електроустановки, запропоновано випрямну установку, яка включена до складу замкненої системи автоматичного регулювання. Вперше виконано синтез передавальної функції регулятора напруги системи автоматичного регулювання випрямної установки з вольтододавальним перетворювачем з двосторонньою ШІМ. Одержані теоретичні положення підтверджено експериментально на імітаційних моделях. Запропоновані підходи та рішення сприяють покращанню електромагнітної сумісності пристроїв електропостачання й електротранспорту.

Розвинуто теорію нелінійних імпульсних систем у частині оцінки "у великому" динамічної помилки регулювання та впливу на неї процесу перебудови виду широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Установлено, що системи стабілізації, виконані за принципом підлеглого регулювання з внутрішнім контуром струму, мають вищі динамічні та статичні показники точності, ніж системи з асинхронною інтегральною ШІМ. Виявлено, що глибокорегулювальовані системи з двобічною ШІМ у динаміці мають меншу середньоквадратичну помилку регулювання у порівнянні з ШІМ заднього та переднього фронтів. З'ясовано, що система стабілізації постійної напруги з ШІМ найбільш чутлива до збурень стосовно живлення за підходу до точок біфуркації і практично не чутлива до них після цих точок.

Удосконалено теорію та практику синтезу тягового електроенергоощадного електроприводу змінного струму з плавномінливою структурою для рудникових акумуляторних електровозів. Визначено критерії вибору базової структури тягового електроприводу. Удосконалено та конкретизовано алгоритм пошуку оптимальної структури тягового електроприводу й імпульсного перетворювача. Запропоновано схемотехнічні рішення тягового електроприводу з секціями, що переключаються плавно та послідовно паралельним перемиканням тягових двигунів з забезпеченням істотного зниження струмових навантажень акумуляторної батареї у процесі розгону електровозу. Проведено аналітичні комп'ютерні та експериментальні дослідження електромагнітних процесів у силовому ланцюгу тягового електроприводу за ШІМ напруги живлення тягових двигунів, в результаті яких встановлено аналітичну залежність між частотою модуляції, шпаруватістю імпульсного перетворювача, коефіцієнтом пульсації струму та параметрами силового ланцюга. Обгрунтовано переваги двоступеневого регулювання напруги та розроблено алгоритм його реалізації на базі використання мікропроцесорного блоку керування.

Досліджено перетворювачі постійного струму в змінний з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) за синусоїдальним законом, в яких як первинну ланку використано інвертор напруги з відсічним комутувальним дроселем. Запропоновано схеми напівпровідникових ключів із внутрішнім зворотнім зв'язком, який діє на вимикання, що сприяє виконанню однорідної комутації другого роду в інверторній ланці. Розроблено методику вибору параметрів інвертора напруги з відсічним комутувальним дроселем і розрахунку напівпровідникових ключів із внутрішнім зворотним зв'язком, що діє на вимикання. Наведено структури перетворювачів із синусоїдальною ШІМ, охоплених позитивним частотно-залежним зворотним зв'язком за основною частотою та методику вибору основних параметрів перетворювача. Визначено тиристорний перетворювач постійного струму в перемінний з ШІМ за синусоїдальним законом, що працює в повторно-короткочасному режимі. Наведено методику вибору параметрів вузла комутації для спрощення конструкції.

Розвинуто теорію електричних кіл з розподіленими параметрами в системі ШІМ-інвертор - довга лінія - частотно-керований двигун. Розроблено метод багатоцільової параметричної оптимізації топологічної множини вихідних LMC sin-фільтрів таких систем, а також метод параметричної оптимізації вихідних sin-фільтрів у LMC просторі, який дозволяє одержувати багатофакторні варіанти реалізації даних фільтрів. Знайдено й обгрунтовано діапазони довжин кабельних ліній, за яких доцільно використовувати вихідні фільтри або інші зовнішні засоби згідно з критерієм перенапруги на навантаженні на підставі аналізу фазових явищ біжучих хвиль з розподіленими параметрами в системі ШІМ-інвертор - довга лінія - частотно-керований двигун. Обгрунтовано ефективність використання LMC-топології вхідних фільтрів на базі розробленого модифікованого методу Бруне та доведено, що її використання для вихідних sin-фільтрів на базі модифікованого методу збільшує кількість умовно-оптимальних варіантів у задачах багатофакторної оптимізації. Завдяки використанню відомої експериментальної бази та певних нових даних показано задовільний збіг результатів дослідження з експериментальними даними. За цього розбіжність між теоретичними й експериментальними результатами не перевищує 5 %.

Створено системи керування асинхронними вентильними стартер-генераторами (АВСГ). На підставі розширеної кодоімпульсної обробки інформації розроблено узагальнену структуру системи керування АВСГ, що містить додаткові зворотні зв'язки за електричною частотою ротора, струмами та напругами каналів відбору потужності. Проведено порівняльний аналіз ефективності використання алгоритмів широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) в АВСГ. Розроблено математичний апарат синтезу алгоритмів дискретного цільового регулювання гармонічного складу вихідної напруги АВСГ для оптимізації заданого параметра якості або залежного енергетичного показника у ШІМ. Наведено інженерні методики їх розрахунків.

Досліджено багатофазні імпульсні перетворювачі (БІП) з ШІМ-регулюванням з силовими каналами знижувального, підвищувального й інвертувального типів у разі асиметрії електричних процесів. Розроблено методику автоматизованого проектування систем і пристроїв з покращеними масогабаритними показниками. Запропоновано математичну модель асиметричних електричних процесів перетворювачів постійної напруги, яка узагальнена щодо трьох зазначених типів основних схем силових каналів і щодо режимів роботи перетворювача та дозволяє проводити розрахунки електричних, енергетичних і конструктивних параметрів перетворювача. Розроблено методику дослідження асиметричних електричних процесів та енергетичних параметрів перетворювачів постійної напруги модульної структури. Досліджено основні параметри модульних імпульсних перетворювачів постійної напруги з силовими каналами зазначених типів, проведено порівняльне оцінювання показників якості одно- та багатофазного імпульсних перетворювачів, одержано нові результати. Розроблено методику та програмне забезпечення для автоматизованого проектування багатофазних імпульсних перетворювачів за критерієм мінімального обсягу у разі максимального значення коефіцієнта корисної дії, що сприяє практичній реалізації пристоїв даного класу з покращеними масогабаритними показниками (більш високою питомою потужністю).

Обгрунтувано ефективні способи прогнозуючого векторного керування та створено на їх основі спрощені структури автоматичного регулювання для асинхронного електропривода (АЕП) з автономним інвертором струму (АІС) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Зазначено, що вони забезпечують швидкодіюче керування електромеханічними процесами (з часом відпрацювання струму статора і електромагнітного моменту 6 - 24 мс) та поліпшенні енергетичні показники зазначеного електропривода (для номінального режиму: з коефіцієнтом потужності не менше 0,99 і загальним коефіцієнтом гармонік струму мережі - менше, ніж 4,7 %). На імітаційній моделі й експериментальному зразку АЕП з АІС-ШІМ із запропонованим керуванням досліджено електромагнітні й електромеханічні процеси зазначеного електропривода в процесі регулювання швидкості асинхронного двигуна або положення його ротора, а також у разі провалів мережної напруги і ії наступному відновленні. Визначено параметри швидкодії та енергетичні показники АЕП з АІС-ШІМ. Показано, що з запропонованим керуванням й розробленими структурами регулювання АЕП з АІС-ШІМ може використовуватися в загальнопромислових і спеціальних (позиційному та слідкуючому) електроприводах.

Вирішено наукове завдання створення автономного зварювального асинхронного генератора (АГ) з вентильним збудженням (ВЗ), в якому вентильний перетворювач (ВП) забезпечує машину реактивною потужністю і водночас формує зовнішні характеристики, а зварювальна дуга підключена до зажимів кола постійного струму. Розроблено математичну модель АГ з ВЗ, в якій ВП враховується відповідно до методу припасовування, за допомогою якої встановлено основні закономірності перебігу електромагнітних процесів. Показано, що за векторної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) покращуються енергетичні показники генератора і умови роботи напівпровідникових ключів ВП в порівнянні з алгоритмом однократного перемикання. Створено методику розрахунків робочих характеристик АГ з ВЗ, що враховує зміну обвиткових даних, на основі схеми заміщення.

Розроблено математичну модель резонансного транзисторного інвертора напруги установки індукційного нагріву з низькочастотною (НЧ) імпульсною модуляцією, що, на відміну від відомих моделей, дозволяє одержати узагальнені вирази в простому аналітичному вигляді та розрахувати основні параметри струму навантаження. Визначено аналітичні залежності, що встановлюють зв'язок між параметрами НЧ імпульсної модуляції та параметрами струму навантаження, а також визначають вплив параметрів навантаження і параметрів НЧ імпульсної модуляції на діапазон регулювання струму навантаження. Встановлено, що НЧ-ШІМ (широтно-імпульсна модуляція) та НЧ-ЧІМ (частотно-імпульсна модуляція) мають обмежені можливості для застосування у перетворювачах установок індукційного нагріву. Розроблено новий метод визначення параметрів НЧ імпульсної модуляції для зменшення розмаху пульсації струму навантаження, обмеження мінімальної частоти НЧ пульсацій струму навантаження, збільшення мінімальної та зменшення максимальної амплітуд струму навантаження та забезпечення широкого діапазону регулювання.

Одержано математичні моделі (для квазісталого та перехідного режимів) для обчислення електричних енергетичних характеристик, узагальнено близько восьми найбільш поширених схем перетворювачів, безрозривного та розривного режимів роботи, без-, автотрансформаторного та трансформаторного включення нагромаджувального дроселя. На підставі одержаних моделей та вдосконалених методів розроблено методи розрахунку та дослідження електричних та енергетичних характеристик перетворювачів, створено необхідне програмне забезпечення, за допомогою якого виявлено специфічні особливості перетворювачів постійної напруги понижувального типу с автотрансформаторним і трансформаторним включенням дроселя.

Висвітлено питання підвищення енергоефективності та точності регулювання координат високовольтного частотно-регульованого асинхронного електроприводу (ЧРАЕП) великої потужності, створеного на основі дво- або трирівневого трифазного автономного інвертора напруги з широко-імпульсною модуляцією (АІН-ШІМ) без використання датчиків на валу асинхронного двигуна (АД). Розроблено математичний опис й імітаційну модель високовольтного ЧРАЕП, запропоновано способи ідентифікації параметрів режиму та внутрішніх параметрів високовольтного АД за умови його живлення від АІН-ШІМ. Запропоновано оптимальне енергоощадне керування за мінімумом загальних втрат потужності для ЧРАЕП зі скалярним та векторним регулюванням, виконано порівняння вказаного енергоощадного керування з відомими законами частотного керування АД, а також розроблено швидкодійний спосіб обмеження вихідних струмів трифазного АІН-ШІМ.

Викладено основні теоретичні положення кодифікованої модуляції сигналів інверторів напруги як нового напрямку в області імпульсної модуляції, що вирішує наукову проблему створення універсальної синхронної обчислювально ефективної цифрової широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), яка базується на прямому синтезі вихідної напруги інвертора шляхом кодифікації (ідентифікації) параметрів сигналів у функції вихідної частоти, що забезпечує плавне та безударне регулювання напруги при підвищеній швидкодії алгоритмів керування, висока ефективність яких обгрунтована теоретично і доведена практично. Розроблено універсальне програмне забезпечення для ПЕОМ, призначене для моделювання систем з кодифікованою ШІМ.

Проаналізовано процеси, що відбуваються в приводі за системою ПЧ - АД, яка працює у пуско-гальмових режимах, під час комутації ключів автономного інвертора напруги (АІН) з частотою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), електричних, електромагнітних і електромеханічних процесів в асинхронних електроприводах під впливом вихідної напруги інвертора, що формується за різними варіантами методу ШІМ, широтно-імпульсного й амплітудно-імпульсного регулювання. Особливу увагу приділено дослідженню внутрішніх комутаційних процесів в АІН і аварійних процесів приводу, що відбуваються у разі раптового відключення напруги живлення. Проведено порівняльний аналіз 73 варіантів формування вихідної напруги АІН. Розроблено рекомендації щодо їх ефективного застосування. Запропоновано універсальний програмний комплекс "MCF - Hicham", за допомогою якого досліджено нормальні й аномальні режими приводу в природних трифазних осях без проміжного переходу від двофазного представлення, що широко застосовується, до трифазної системи координат.

Формалізовано підхід, що узагальнює та доповнює теорію створення архітектур сучасних електроприводів (ЕП) і синтезу фільтрокомпенсувальних пристроїв - складових електротехнічних комплексів, для покращання електромагнітної сумісності контуру перетворення електричної енергії з живильною мережею та навантаженням. Проведено градацію рівнів вимог та їх відповідність умовам електромагнітної сумісності ЕП, симетрованих з живильною мережею та навантаженням. Досліджено електромагнітні процеси та підтверджено можливість досягнення необхідного рівня електромагнітної сумісності у разі ШІМ-напруги живлення електричного двигуна шляхом застосування електричних фільтрів. На базі методу чотириполюсника розроблено методику формування структур електричних фільтрів, що дозволяє синтезувати їх нові варіанти як комбінації функціональних ланок - суб'єктів фільтрації загальнофільтрувального комплексу. Доведено залежність між якістю перетворення електричної енергії в ЕП змінного струму з контуром імпульсного перетворення напруги живлення асинхронного двигуна (АД) та режимами їх функціонування, що дозволило розробити рекомендації щодо рівня припустимих і можливих відхилень форм кривих струму та напруги від синусоїдних. Запропоновано та досліджено алгоритм компенсації впливу параметрів вихідного фільтра на характеристики ЕП. Досліджено новий ефект, врахування якого дозволяє визначити рівень виконання захисних функцій відповідними пристроями перетворювального контуру. Доведено необхідність та модернізовано імпульсний перетворювач ШІМ-напруги комплектного ЕП елементами захисту від "довгих" імпульсів наднапруг.

Розроблено, створено та досліджено енергоощадні адаптивні вібраційні технологічні машини (АВТМ) з керованими вібропроводами. Здійснено аналіз і класифікацію керованих систем віброприводу, резонансних вібраційних технологічних машин, за спільними ознаками дії віброприводу на робочий орган. На підставі аналізу позитивних і негативних факторів існуючих керованих систем вібраційних приводів синтезовано структурні схеми для керованих систем з дисбалансним і електромагнітним віброприводом, які дозволяють керувати параметрами вібраційного поля ВТМ на резонансній робочій частоті вібромашини та підтримувати постійний резонансний режим роботи ВТМ незалежно від зміни маси завантаження робочого органу. Розроблено алгоритм функціонування АВТМ резонансного типу. Даний алгоритм реалізовано на промисловому мікроконтролері та перетворювачі частоти на базі широтно-імпульсно модульованої (ШІМ). Розроблено комплексну методику розрахунку електромагнітного віброприводу за використання ШІМ для живлення у АВТМ резонансного типу. Для АВТМ даного типу з дебалансним віброприводом проведено дослідження з використанням експериментальної моделі адаптивної технологічної машини. За результатами досліджень установлено взаємозв'язок енергетичних характеристик вібраційного поля АВТМ резонансного типу й енергетичних затрат дебалансного віброприводу для їх створення. Розроблено комплексну методику та принципи розрахунку дебалансного віброприводу резонансних АВТМ.

Досліджено багатофазні імпульсні перетворювачі (БІП) з регулюванням за широтно-імпульсним методом (ШІМ) з силовими каналами (СК) знижувального, підвищувального й інвертувального типів для пристроїв електроживлення та систем електропостачання телекомунікаційних систем. Розроблено математичну модель електричних процесів перетворювачів постійної напруги, що узагальнена щодо трьох зазначених типів схем силових каналів і режимів роботи перетворювача, яка дозволяє проводити розрахунки електричних, енергетичних і конструктивних параметрів перетворювача. Розроблено методику, алгоритми та програмне забезпечення для дослідження електричних процесів і енергетичних параметрів перетворювачів постійної напруги (ПЕЕ) модульної структури. Досліджено основні параметри модульних імпульсних ПЕЕ з СК зазначених типів, виконано порівняльну оцінку показників якості ПЕЕ з одно- і багатофазним принципами функціонування. Розроблено методику та програмне забезпечення для автоматизованого проектування БІП за критерієм мінімального обсягу у разі максимального значення коефіцієнта корисної дії, що сприяє практичній реалізації пристроїв даного класу з поліпшеними масогабаритними показниками (більш високою питомою потужністю).