Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и перспективы развития автономных энергетических установок 12
1.1. Общая характеристика автономных систем электроснабжения 13
1.2. Методы исследования автономных систем электроснабжения 22
1.3. Общие принципы управления асинхронизированным синхронным генератором 33
1.4. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 45
2. Исследование электромашинных систем в автономной системе электроснабжения с возбуждением переменным током 47
2.1. Система относительных единиц. Приведение параметров вторичной обмотки к первичной 47
2.2. Основные модули автономной системы электроснабжения и их моделирование в пакете Matlab/Simulink 50
2.3. Построение нечеткого регулятора в системе MATLAB 63
2.4. Модель автономной системы электроснабжения 70
Выводы по второй главе 72
3. Анализ характеристик модели асинхронизированного синхронного генератора при автономной работе 74
3.1. Основные энергетические соотношения 74
3.2. Методика измерения и построения характеристик генератора 86
3.3. Электромеханические характеристики автономной системы электроснабжения 88
3.4. Электромеханические характеристики при регулировании тока возбуждения асинхронизированного синхронного генератора 95
Выводы по третьей главе 106
4. Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в асинхронизированном синхронном генераторе 108
4.1. Описание экспериментальной установки для исследования электромагнитных процессов в асинхронизированном синхронном генераторе 109
4.2. Построение преобразователя частоты для асинхронизированного синхронного генератора 116
4.3. Экспериментальное определение параметров универсальной машины переменного тока 120
4.4. Характеристики асинхронизированного синхронного генератора и проверка адекватности модели 122
Выводы по четвертой главе 134
- Общие принципы управления асинхронизированным синхронным генератором
- Основные модули автономной системы электроснабжения и их моделирование в пакете Matlab/Simulink
- Электромеханические характеристики при регулировании тока возбуждения асинхронизированного синхронного генератора
- Построение преобразователя частоты для асинхронизированного синхронного генератора
Введение к работе
Актуальность. Современная тенденция развития энергетики состоит в стремлении к сбалансированности энергорайонов, повышении надежности электроснабжения потребителей. Важное место в стратегии развития электроэнергетики занимают автономные системы электроснабжения (АСЭ). В последнее время АСЭ получают все более широкое распространение в системе электроснабжения не только специального, но и общего применения. Указанные системы используются почти во всех отраслях народного хозяйства, их крупнейшими потребителями являются топливно-энергетический, агропромышленный и машиностроительный комплексы страны. Области применения таких генераторов охватывают электроагрегаты (стационарные, судовые, передвижные) и управляемые электромеханические системы (строительно-дорожные, транспортные и самоходные машины, ветроэнергетические установки и малые ГЭС, генераторы, работающие на статические преобразователи частоты и электромашинно-разделительные агрегаты), системы бесперебойного питания ответственных потребителей, в том числе современные вычислительные комплексы.
Необходимость в них возникает там, где технически невозможно или экономически не выгодно использовать централизованное электрическое снабжение, например на движущихся объектах. А это, в первую очередь труднодоступные объекты, удаленные от крупных электрических систем, и имеющие собственные источники первичной энергии, например, газовые и нефтяные месторождения. АСЭ находят широкое применение в промышленности, строительстве, сельском и коммунальном хозяйствах. Они работают на предприятиях, в аэро-, морских и речных портах, в энергоблоках больниц, фермерских хозяйствах, в системах аварийного энергоснабжения, на объектах оборонного комплекса - везде, где необходима электроэнергия, а сеть или удалена или работает с перебоями.
В таких условиях решение проблем управления автономными энергетическими комплексами, прежде всего в части оптимизации процессов электроснабжения предприятий, с позиций энергосбережения и минимизации затрат представляет собой важную задачу.
Обеспечение качества электроэнергии для потребителей АСЭ промышленной частоты имеет существенное значение. Получение стабильной частоты при переменной частоте вращения приводного двигателя является одной из важных задач для АСЭ. Существует проблема обеспечения стабильных параметров электрической энергии, получаемой преобразованием механической энергии от нестабильного ее источника, например, вето двигателя. Та же проблема существует и при работе от стабильного источника механической энергии, но при нестабильной электрической нагрузке. Эффективным способом решения этой проблемы является преобразование механической энергии в электрическую асинхронизированными синхронными генераторами (АСГ). В связи с этим, последние годы наблюдается усиление интереса инженеров и исследователей к асинхронизированным машинам, которые в полной мере могут решить поставленные задачи для АСЭ.
Важное значение имеет изучение параллельной работы автономных источников с сетью. При этом возникает ряд специфических вопросов совместной работы автономных систем с централизованной сетью.
Большой вклад в развитие асинхронизированных машин, в создание современной теории их управления и практического использования внесены отечественными учеными проф. М.М. Ботвинником, по инициативе и под руководством которого эти работы были начаты во ВНИИЭ в 1955 г., и его последователем проф. Ю.Г. Шакаряном. Большой вклад в теорию и практику внесли исследования, выполненные Н.Н. Блоцким, В.И. Радиным, И.А. Лабунцом, А.П. Лохматовым, Л.Г. Мамиконянцем, И.М. Постниковым, СВ. Покровским, З.Н. Сазоновым и др. [1]. Практическая реализация работ по внедрению асинхронизированных генераторов началось в 60-х годах, наиболее
7 значимой из которых явилось ввод в эксплуатацию 2-х асинхронизированных гидрогенераторов мощностью по 40 МВт Иовской ГЭС (Колэнерго). Среди зарубежных ученных, данной тематикой занимались J.C. Clare, A. Kahn, L.M. Ricardo, R. Репа, R.M. Sebastian и др. [1, 2, 3, 4, 5].
Бесперебойное обеспечение энергией предполагает наличие автономного источника для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории. Выбор типа источника определяется его назначением, потребляемой мощностью, наличием или отсутствием сети электроснабжения, географическим положением потребителя и допустимыми затратами.
Анализ результатов исследований отечественных и зарубежных ученых показал, что применение АСГ для автономных систем, работающих на различную нагрузку, изучены недостаточно. Мало исследованы вопросы влияния частоты вращения вала приводного двигателя на качество переходного процесса при автономной работе генератора.
Одним из серьезных препятствий на пути внедрения АСГ в автономных системах является проблема создания простой и надежной системы стабилизации напряжения по амплитуде и частоте, что требует проведения соответствующих исследований. В последние время предъявляются повышенные требования к качеству электроэнергии, что накладывает соответствующие требования к системам управления с возможно более универсальными свойствами.
Несмотря на то, что асинхронизированные синхронные генераторы обладают рядом ценных качеств, в настоящее время они наименее изучены. Исследованию теории и практики управления автономными энергетическими комплексами и энергосбережением посвящено достаточно большое количество работ отечественных и зарубежных специалистов. Однако, на уровне АСЭ эти исследования разрознены и не в полной мере способствуют решению данной проблемы. Поэтому, исследование АСГ для автономных систем, работающих на различную нагрузку, является актуальной задачей.
Основания для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете по плану научно-исследовательских работ по теме АП-ЭМ-02-04-ХГ.
Целью выполнения диссертационной работы является создание автономной системы электроснабжения на базе асинхронизированного синхронного генератора, обеспечивающей требуемые показатели качества выходного напряжения при переменной частоте вращения приводного двигателя.
Основные задачи исследования:
Создание математической модели асинхронизированного синхронного генератора и расчет его статических характеристик при автономной работе.
Исследование переходных процессов АСГ с помощью математического пакета МайаЪ
Разработка системы регулирования тока возбуждения АСГ, обеспечивающей необходимые показатели качества электроэнергии.
Создание комплекса программ для исследования автономной системы электроснабжения.
Экспериментальное исследование АСГ с использованием пакета Lab View для проверки адекватности полученных теоретических результатов.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Научные исследования основывались на применении методов теории электромеханического преобразования энергии, общей теории дифференциальных уравнений, методов современной теории автоматического управления, теории нелинейных систем, теории нечетких множеств, теории дискретных систем, теории устойчивости. При решении задач исследования статических и динамических режимов работы АСЭ, для определения структуры и параметров предложенной модели использовались методы компьютерного
9 моделирования на основе математического пакета MatLablSimulink. В ходе экспериментального исследования использована программная среда Lab View для решения задачи управления и наблюдения над электромеханическими системами.
На защиту выносятся:
Структура автономной системы электроснабжения, включающая регулируемый преобразователь частоты с ШИМ-модуляцией.
Методика построения характеристик асинхронизированного синхронного генератора - синхронная машин двойного питания - при автономной работе.
Математическая модель для исследования переходных процессов автономной системы электроснабжения на базе универсальной машины переменного тока с помощью математического пакета MatLablSimulink.
Система регулирования возбуждения асинхронизированного синхронного генератора на основе нечеткой логики, позволяющая обеспечить требуемые показатели качества электроэнергии.
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность математической модели и достоверность полученных теоретических данных.
Научная новизна.
Разработана система автоматического регулирования возбуждения асинхронизированного синхронного генератора на основе теории нечетких множеств, позволяющая улучшить динамические характеристики и повысить показатели качества электроэнергии в автономных системах электроснабжения.
Создана математическая модель разработанной автономной системы электроснабжения, позволяющая построить статические и динамические характеристики асинхронизированного синхронного генератора.
Определены наиболее рациональные режимы работы автономной системы электроснабжения при изменении нагрузки АСГ и частоты вращения приводного двигателя.
Разработано программное обеспечение для исследования автономной системы электроснабжения на базе универсальной машины переменного тока с предложенной системой автоматического регулирования.
Практическую ценность имеют:
Создание АСЭ на базе АСГ с показателями качества удовлетворяющими требованиям действующих ГОСТов.
Рассчитаны пределы регулирования напряжения возбуждения для универсальной машины при различной частоте вращения приводного двигателя.
Предложены программы анализа переходных и установившихся режимов универсальных машин переменного тока с системой возбуждения, регулируемой алгоритмами на основе теории нечетких множеств, для автономных систем электроснабжения, защищенные свидетельством об официальной регистрации программ для ПЭВМ.
Спроектирован и выполнен образец преобразователя частоты с микропроцессорным управлением для системы регулирования тока возбуждения асинхронизированного синхронного генератора.
Внедрение результатов работы. Материалы диссертационной работы используются для проектирования автономных систем электроснабжения в ООО «Энергоинновация». Результаты работы используются в учебном процессе УГАТУ при подготовке бакалавров, инженеров и магистров специальностей 140601 «Электромеханика» и 140205 «Электроэнергетические системы и сети».
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» - 2006 г. (г. Липецк), на Всероссийской
молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» - 2003 г. (г. Уфа), на научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежная наука и АПК: проблемы и перспективы» - 2005 г. (г. Уфа), на научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы» 2005 г. (г. Уфа), научно-техническая конференция «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы» 2006 г. (г. Уфа), научно-техническая конференция «Электромеханика, электротехнические комплексы и системы» 2007 г. (г. Уфа), Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» 2007 г. (г. Уфа).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 1 статью в издании из перечня, утвержденного ВАК России («Вестник саратовского государственного технического университета»), 11 статей, два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ в РосАПО.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 142 наименований и 4-х приложений. Основная часть диссертации изложена на 151 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков и 6 таблиц.
Общие принципы управления асинхронизированным синхронным генератором
В современной теории и практике АСГ к управлению Uf предъявляются
весьма большие требования. Прежде всего, управление должно обеспечивать все заданное множество рабочих режимов, статическую устойчивость этих режимов, динамическую устойчивость при нормативных возмущениях во внешней сети, а также качество переходных процессов согласно заданному или. принятому критерию качества. Поскольку в АСГ имеется как минимум две обмотки на роторе, то это дает возможность управлять не только величиной, но и фазой вектора напряжения ротора или его составляющими, а следовательно, управлять двумя переменными, определяемыми некоторым вектором. Требуется, чтобы функция регулирования допускала раздельное управление составляющими (проекциями) вектора возбуждения, т.е. при воздействии, изменяющее одну составляющую, другая оставалась бы неизменной. Наконец, необходимо, чтобы функция регулирования допускала такую структурную реализацию, при которой осуществлялась симметрирование параллельных каналов и, следовательно, обеспечивалось качество действующей в сети электроэнергии, отвечающее стандарту [20, 58, 59]. Для построения функций регулирования используются различные методы синтеза. При этом под синтезом функций регулирования понимается некоторый формализованный процесс построения функций U г как явных функций тех или иных переменных, описывающих поведение АСГ, и отбора тех из них, которые удовлетворяют перечисленным выше требованиям.
Методы синтеза отличаются по исходным принципам, положенным в их основу. Существуют методы синтеза, в основе которых лежат критерии статической устойчивости (скажем, критерий Гурвица), критерий качества переходных процессов. Наиболее развитыми в настоящее время являются методы синтеза, базирующиеся на принципах подчиненного регулирования, а также теории инвариантности [20, 60].
Анализ общих принципов управления может быть выполнен на основе уравнений генератора без демпферных контуров на роторе, записанных для установившегося режима [50]: -U = rJ + j{x7 + xafJf); (i.il) Uf = rflf - js{xf7f + xaf7). (1.12) Если пренебречь потерями в статорнои цепи (т.е. принять г = 0), из уравнения (1.11) в проекциях на оси синхронной системы координат у, х (ось у совпадает с направлением U) получаем [50]: Л г г (!-13) Электромагнитный момент М3, выраженный в относительных единицах, равен электромагнитной мощности, которая при неучете потерь в статорнои цепи равна активной мощности на выводах генератора: Мэ = Р = Шу. (1.14) Аналогично для реактивной мощности имеем Q = UIX. (1.15) Важным достоинством является то, что электрическая машина может работать в режиме генерации и потребления активной и реактивной мощности при всех частотах вращения ротора (ниже, выше и равной синхронной). Тогда из (1.13) можно получить выражения для Мэ и Q в следующем виде [50]: Ux і" П (Ыб) X X где U - напряжение на выводах обмотки статора; х — синхронное реактивное сопротивление машины.
Из соотношений (1.16) следует, что воздействуя определенным образом на синхронные проекции Ify и Ifi тока ротора, в установившихся режимах можно независимо управлять, с одной стороны, электромагнитным моментом и движением ротора и, с другой стороны, режимом управления по реактивной мощности [50].
Соотношения (1.11) - (1.16) справедливы в равной степени для синхронных и для АС - генераторов. Однако в синхронном генераторе проекции Ify и Ifa не могут регулироваться независимо, т.к. связаны с током обмотки возбуждения и углом нагрузки, в соотношениями:
Основные модули автономной системы электроснабжения и их моделирование в пакете Matlab/Simulink
В состав системы Matlab входит пакет моделирования динамических систем — Simulink. Пакет Simulink является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой. При этом возможны различные варианты моделирования: во временной области, в частотной области, с событийным управлением, на основе спектральных преобразований Фурье, с использованием метода Монте-Карло (реакция на воздействия случайного характера) и т.д. [55]. Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Он основан на графическом интерфейсе пользователя и по существу является типичным средством визуально-ориентированного программирования [87, 88].
Перед началом моделирования необходимо выполнить установку параметров моделирования. В окне настроек параметров моделирования первостепенное значение имеют две опции решателя в поле Solver options: тип решения и метод решения. Возможны два типа решения [89, 90]:
Variable-step solvers — решение с переменным шагом;
Fixed-step solvers - решение с фиксированным шагом.
Важен и такой параметр моделирования, как точность интегрирования:
Relative tolerance — относительная погрешность интегрирования;
Absolute tolerance — абсолютная погрешность интегрирования.
Не оптимально выбранные значения погрешности (как очень малые, так и очень большие) могут вызвать неустойчивость и даже «зацикливание» процесса моделирования.
Для обеспечения требуемой точности расчета и приемлемых затрат машинного времени, приняты следующие параметры моделирования:
Solver options: решение с переменным шагом, ode23tb (stifFTR-BDF2);
Max step size: 0,001;
Min step size: auto;
Initial step size: auto;
Relative tolerance: 0,001;
Absolute tolerance: auto.
Результаты моделирования фиксируются с помощью регистрирующих элементов:
-осциллографы - для наблюдения динамики изменения исследуемых зависимостей;
— дисплей - экраны
— для отображения численных значений исследуемых величин;
— блоки, обеспечивающие сохранение выходных результатов моделирования.
Применяемые в практических расчетах численные методы интегрирования дифференциальных уравнений различаются способами вычисления приращения Ауп, определяющего значение функции в момент ґи+1.
В последнее время при расчетах переходных электромеханических процессов наибольшее распространение получил метод Рунге-Кутта. Метод Рунге-Кутта обладает высокой точностью за счет уменьшения методической ошибки. Особенностью этого метода является то, что он не требует информации о предшествующих шагах интегрирования. Каждый шаг в соответствии с этим методом делается как бы заново, причем для вычисления значения функции в точке tn+l используются лишь ее значения в точке tn. Для решения систем дифференциальных уравнений последний также приводится к нормальному виду. При этом, уравнения записываются разрешенными относительно производных, причем число уравнений равно числу неизвестных функций [91].
Расчетную схему автономной системы удобно разделить на ряд однотипных элементов, описываемых своими наборами дифференциальных и алгебраических уравнений. Каждый элемент характеризуется набором входных и выходных параметров, которые полностью описывают всю совокупность процессов внутри каждого элемента и его влияние на другие элементы расчетной схемы. Представления элементов схемы в форме полных дифференциальных уравнений позволяет получить мгновенные значения токов и напряжений, благодаря чему может быть выполнен всесторонний анализ исследуемой системы [92].
В расчетной схеме АСЭ можно выделить следующие ее типовые элементы, соединяемые по заданной структурной схеме:
- асинхронизированный синхронный генератор;
- модель дизельного двигателя; - система автоматического регулирования возбуждения;
- преобразователь частоты на базе ЮВТ-транзисторов;
- активная, индуктивная, емкостная трехфазная нагрузка.
При создании единой математической модели АСЭ, состоящей из моделей отдельных элементов, необходимо обратить особое внимание на связи, поскольку именно связи между отдельными элементами могут оказывать существенное влияние на адекватность работы всей модели [93, 94].
Блочный принцип, реализованный в Simulink, позволят создать сложные объектно-ориентированные модели из отдельных подмоделей. При этом возможно использование большого числа стандартных подмоделей, что значительно облегчает создание собственных имитационных моделей. Также это позволяет легко трансформировать и наращивать модели по степени сложности. Изменение отдельных подмоделей может производится без нарушения общей структуры модели, которая определяется связями между отдельными блоками.
Электромеханические характеристики при регулировании тока возбуждения асинхронизированного синхронного генератора
Одной из важнейших задач при создании АСЭ является задача по обеспечению потребителей требуемого значения показателя качества электрической энергии (ПКЭ). Данное требование обусловлено нестабильностью частоты приводного двигателя так и непредсказуемым характером изменения нагрузки. Для решения данной задачи необходимо стабилизировать частоту и амплитуду генерируемого напряжения. Как показано ранее, одним из наиболее перспективных способов стабилизации выходного напряжения и частоты является применение системы АРВ реализованная на основе НЛ.
Большинство потребителей имеют активно-индуктивный характер потребляемого тока. Изготовители генераторов вводят дополнительную положительную обратную связь по току для компенсации падения напряжения на нагрузке, при этом с ростом тока в нагрузке система регулирования возбуждением генератора повышает выходное напряжение. Однако инверторные источники, как потребители, имеют емкостной характер, поэтому с ростом тока в нагрузке напряжение возрастает, а наличие положительной обратной связи по току приводит к еще большему росту напряжения. Результатом чего, из-за перенапряжений может выйти из строя инвертор или сам генератор. Данное противоречие успешно решается системой АРВ на базе НЛ.
С ростом потребляемого тока действующее значение напряжения генератора возрастает, причем приращение напряжения зависит от соотношения потребляемой и номинальной мощности генератора.
Напряжение генератора одинаково изменяется в зависимости от частот вращения ротора и возбуждения с коэффициентом dU/df. Из этого следует, что желаемая частота напряжения генератора может быть получена регулированием частоты вращения ротора, регулированием частоты вращения магнитного поля возбуждения относительно ротора или их совместным регулированием. Поскольку регулирование частоты вращения ротора генератора в узком диапазоне вращения близкой к требуемой частоте является сложной задачей, то компенсацию изменения частоты вращения ротора наиболее целесообразно возложить на систему АРВ генератора. 3.4.1. Осциллограммы при включении и отключении нагрузки при постоянной частоте вращения приводного двигателя
На рис. 3.18 показана осциллограмма напряжения одной фазы на выводах генератора при включении (/ят = 2 с) на номинальную активно-индуктивную нагрузку, при использовании АРВ на базе НЛ. Максимальный провал напряжения составил 24 В, просадка напряжения после переходного процесса составила ис,в Анализ зависимости Uc(t) (рис. 3.20, 3.21) для АСЭ показал, что с уменьшением coscp при SH = const, когда происходит увеличение реактивной и уменьшение активной составляющей тока нагрузки, увеличение провалов амплитуды напряжения прослеживается только на втором полупериоде. Тем самым, HP оперативно реагирует на начальном этапе переходного процесса, ограничивая провал напряжения на первом полупериоде.
К генераторам АСЭ предъявляются жесткие требования в отношении качества переходных процессов, возникающих при включении и отключении нагрузки. При этом обычно лимитируются наибольшие и наименьшие значения напряжения в течение переходного процесса и время tn этого процесса, в течение которого величина напряжения статора достигает некоторой величины U0 ± АС/ и далее не выходит за пределы этого интервала.
Важной величиной, характеризующей переходный процесс автономного генератора, является напряжение статора в первый момент включения нагрузки на генератор, работающий в режиме холостого хода.
Для сравнения различных систем автоматического регулирования тока возбуждения (выходного напряжения и частоты) проведено моделирование АСЭ на базе АСГ с ПИД-регулятором в цепи возбуждения.
Сравнительный анализ эффективности разработанного нечеткого регулятора с его классическим ПИД-регулятором целесообразно выполнить по показателям качества переходного процесса при включении и отключении нагрузки. На рис. 3.27, 3.28 показаны результаты моделирования изменения амплитуду напряжения при включении и отключении 50 % и 100 % симметричной нагрузки с различными системами АРВ.
Построение преобразователя частоты для асинхронизированного синхронного генератора
В преобразователе частоты с микропроцессорной системой управления реализован метод пространственно-векторной модуляции (ПВМ). ПВМ был разработан в середине 90-х годов в связи расширением возможностей систем микропроцессорного управления, что позволило упростить процесс вычислений и обеспечить возможность быстрого реагирования на изменения нагрузки. Традиционные методы ШИМ основаны на сравнении сигнала задания с сигналом линейной развертки (пилообразным напряжением) в результате чего в обмотках электрической машины формировалась последовательность прямоугольных импульсов, скважность которых изменялась в соответствии с сигналом задания. Однако из-за влияния электромагнитных процессов (прежде всего ЭДС вращения) характер изменения токов в обмотках не имеет однозначной связи с законом изменения сигнала управления и сильно зависит от режима работы машины [63, 127, 128, 129].
Алгоритм управления ключами автономного инвертора в режиме ПВМ основан на формировании требуемого положения вектора напряжения в пространстве на каждом временном интервале. В случае аналогового источника питания для решения этой задачи достаточно сформировать в каждой обмотке напряжение, соответствующее проекции заданного вектора на ось обмотки. Как результат, время вычислений сокращается, тем самым повышается производительность и сокращается время реакции [130].
Модуль ненулевого базового вектора можно определить, пользуясь понятием обобщённого вектора. Пусть, задано какое-либо замкнутое состояние ключей, например, 1-4-6. Тогда обмотки цепи возбуждения будут подключены к источнику постоянного тока. В силу симметрии обмоток и с учетом направления (в а от начала к концу, в Ъ и с от конца к началу), напряжения на них составят - иа = 2Udj3; ub=uc= —Ud/3. Отсюда модуль вектора напряжения или базового вектора равен [131, 132]:
Очевидно, что для всех других состояний ключей мы получим тот же результат. Формирование вектора с заданным средним значением модуля и пространственного угла производится поочередным формированием базовых векторов, образующих границы сектора, в котором находится результирующий вектор, и формированием нулевого вектора.
На рис. 4.6 показан алгоритм работы ПВМ с симметричным сигналом развертки м, при Ут=\3/2 и JV = 36. В этом случае в пределах каждого сектора базовых векторов будет формироваться шесть результирующих сигналов с интервалом в 10. В интервалах и, yitt формируется начальный базовый вектор сектора; при /1п и, уп - конечный базовый вектор и при и, ув - нулевой вектор.
Схема управления ПЧ может быть реализована на аналоговых или цифровых элементах. Применение цифровых элементов дает следующие преимущества [133]: стабильность параметров (отсутствие дрейфа и эффекта
118 старения); высокая точность и помехоустойчивость; гибкость (алгоритмы могут быть изменены программно).
Применительно к инвертору, используемого для системы возбуждения АСГ, алгоритм ПВМ реализован на базе микроконтроллера С508 (Infineon), периферия которого специализирована для цифрового управления электроприводом переменного тока, БДПТ и шаговым приводом. Этот микроконтроллер имеет возможность обрабатывать аналоговые сигналы с использованием встроенных быстрых ЦАП и АЦП. Это свойство делает С508 универсальным в системе управления АСГ.
При построении силовой части преобразователя частоты, выбрана схема на базе IGBT-транзисторов, со встречно параллельными диодами.
Питание ПЧ производилось от отдельного источника постоянного тока.
Классическая схема частотного преобразователя для машины переменного тока приведена на рис. 4.4.
Принцип работы ПЧ основан на генерации высокочастотного ШИМ-сигнала (20 кГц), сформированного микроконтроллером, который поступает на схему драйвера IGBT-моста, питающего обмотку ротора генератора (рис. 4.4.). Драйвер, выполненный на микросхеме IR2130 фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER, имеет три выхода для управления нижними ключами моста и три выхода для ключей с плавающим потенциалом управления. В микросхеме предусмотрена защита по току и от снижения питающего напряжения, которая выключает все ключи. Драйвер, соединенный с операционным усилителем, что обеспечивает обратную связь по току моста через внешний измерительный резистор. Функция прерывания тока, действующая на все 6 выходов, также использует сигнал с этого резистора с последующим делением напряжения. Сигнал с открытым стоком FAULT появляется при выключении драйвера из-за перегрузки по току или снижения напряжения. Схема защиты содержит полевой транзистор с открытым стоком для индикации сигнала ошибки FAULT, когда сигнал на выводе ITRIP превышает 0,5 В. Также предусмотрен встроенный усилитель тока нагрузки, что позволяет вырабатывать контрольные сигналы и сигналы обратной связи. Входы драйвера согласуются с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ), что позволяет управлять им с помощью микроконтроллеров с питанием 5 В без дополнительных преобразователей уровня. Кроме этого, у IR2I30 имеется встроенный усилитель тока нагрузки, а сброс триггера ошибки осуществляется при подаче на все входы управления неактивного уровня. Допустимое напряжение на инверторе, с которым работает микросхема, составляет 600 В. Драйвер формирует время задержки {tdt - deadtime) между включением транзисторов верхнего и нижнего плеча для исключения сквозных токов [134].
Выходные цепи драйвера отличаются большим импульсным током буферного каскада, что сделано для минимизации поперечной проводимости драйверов.
