Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Развитие асинхронного тягового привода на отечественных и зарубежных железных дорогах 9
1.1. Развитие силовых преобразователей для асинхронного тягового привода 9
1.2. Развитие систем управления асинхронным тяговым приводом 16
1.3. Применение IGBT-транзисторов на отечественном подвижном составе 22
1.4. Постановка цели и задач работы 24
Глава 2 Математическое моделирование частотно - управляемого асинхронного тягового привода с ЮВТ-транзисторами 27
2.1. Средства математического моделирования процессов в электротехнических комплексах и системах 27
2.2. Математическая модель асинхронного тягового привода с ЮВТ-транзисторами 34
2.2.1 Модель IGBT-транзистора в OrCAD и проверка ее адекватности 34
2.2.2 Модели алгоритмов управления асинхронным тяговым приводом 37
2.2.3 Модели асинхронного двигателя и автономного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах 48
2.3. Анализ работы асинхронного тягового привода при различных алгоритмах управления АИН 56
2.3.1 Моделирование частотного регулирования при синусоидальном напряжении питания АТД 56
2.3.2 Анализ влияния формы напряжения на АТД 59
2.3.3 Анализ влияния характеристик полупроводниковых приборов на результаты моделирования 68
2.4. Оценка потерь в преобразователе на IGBT-транзисторах при различных алгоритмах управления 71
2.5. Анализ особенностей широтно-импульсной модуляции 78
2.6. Выводы по главе 98
Глава 3 Согласование системы управления с силовой частью. Программные средства МПСУ . 100
3.1. Варианты структуры систем управления асинхронным тяговым приводом 100
3.2. Микропроцессорная система управления 109
3.3. Программные средства управления МПСУ и сопряжения ее с системой управления верхнего уровня 117
3.4. Сопряжение микропроцессорных систем управления с силовым преобразователем на ЮВТ-транзисторах 122
3.4.1 Плата сопряжения микропроцессорного контроллера с силовой частью - драйвер и его настройка 122
3.4.2. Плата сопряжения микропроцессорного контроллера с силовой частью - формирователь импульсов 127
3.4.3 Методика наладки формирователей импульсов 132
3.5. Программная реализация алгоритмов управления АТП 139
3.5.1 Алгоритм управления с углом проводимости 180 139
3.5.2 Алгоритм управления - четный ШИМ 142
3.5.3 Алгоритм управления - нечетный ШИМ 148
3.5.4 Блок-схема программы выполнения алгоритма управления ШИМ 151
3.6. Выводы по главе 156
Глава 4 Экспериментальные исследования 157
4.1. Экспериментальные установки 157
4.2. Процесс изменения напряжения на переходе коллектор-эмиттер при отпирании и запирании ЮВТ-транзистора 164
4.3. Перенапряжения на обмотках асинхронного тягового двигателя при работе АИН с алгоритмом ШИМ 165
4.4. Зависимость напряжения от коэффициента модуляции 168
4.5. Выводы по главе 172
Заключение 173
Литература 175
Приложения 183
- Развитие силовых преобразователей для асинхронного тягового привода
- Средства математического моделирования процессов в электротехнических комплексах и системах
- Программные средства управления МПСУ и сопряжения ее с системой управления верхнего уровня
- Перенапряжения на обмотках асинхронного тягового двигателя при работе АИН с алгоритмом ШИМ
Введение к работе
С появлением электрических машин большой мощности начался процесс внедрения электрического подвижного состава (ЭПС) на железных дорогах мира. С момента создания первого электровоза основное направления развития ЭПС - улучшение тягово-энергетических свойств.
Современный электроподвижной состав, проектируемый для высоких скоростей движения, нуждается в тяговых двигателях мощностью 15 ООквт и более. Мощность коллекторных тяговых двигателей при индивидуальном приводе, для магистральных локомотивов не превышает ЮООквт. Дальнейшее увеличение мощности тяговых двигателей постоянного тока ограничивается механической и коммутационной напряженностью коллектора. Эти ограничения отпадают при переходе на асинхронные тяговые двигатели.
Таким образом, одним из наиболее важных направлений развития тягового привода электрического подвижного состава, является применение асинхронного тягового двигателя. Как известно, применение последнего, дает ощутимые преимущества перед коллекторными двигателями постоянного тока, такие как:
уменьшение массогабаритных показателей, при одинаковой с коллекторными машинами, мощности;
снижение расходов связанных с созданием и эксплуатацией тяговых двигателей;
повышение коэффициента использования сцепного веса;
увеличение мощности одного двигателя и как следствие повышение мощности ЭПС в целом.
Первые опыты по применению асинхронного двигателя в качестве тягового были предприняты еще в 1930 году при создании венгерского электровоза, на котором были применены электромашинные преобразователи. Позднее подобный асинхронный тяговый привод (АТП)
5 был реализован на электровозах французских железных дорог (SNCF). В нашей стране первые опыты создания АТП относятся к 1965 году [2], причем для преобразования и регулирования электроэнергии были применены полупроводниковые преобразовательные установки. Однако данные разработки, не вышли за рамки экспериментов, так как в то время уровень элементной базы, не обеспечивал требуемые массогабаритные показатели и необходимую степень надежности.
Новым импульсом для создания подвижного состава с асинхронным тяговым приводом послужило развитие полупроводниковой техники. Создание силовых полупроводниковых тиристоров и диодов, обладающих высокими динамическими характеристиками, позволили вернуться к вопросам создания асинхронного тягового привода. Начиная с 70-х годов прошлого века в странах Западной Европы и Японии подвижной состав с АТП, становится одним из основных видов вновь разрабатываемых электрических локомотивов. С появлением силовых транзисторов (IGBT) — задача создания статических преобразователей для подвижного- состава перешла на качественно иной уровень реализации и перестала являться серьезным техническим препятствием. В настоящее время в промышленно развитых странах достигнуты значительные успехи в серийном производстве и, эксплуатации подвижного состава с АТП. Основные производители подобного подвижного состава в Европе - это концерны Siemens, AEG, GEC Alstom и ВВС.
Примеры применения частотно-управляемого асинхронного тягового электропривода на транспорте приведены в работах А.Е.Алексеева, А.С.Аваткова, А.Т.Буркова, Н.П.Семенова, Н.А.Ротанова, В.В.Литовченко, А.М.Солодунова, Ю.Г.Быкова и других авторов.
Самым большим препятствием при внедрении АТП на подвижном составе - является необходимость применения системы управления. В отличие от коллекторного привода постоянного тока, применение асинхронного, требует разработки сложных и эффективных систем
управления, так как в условиях подвижного состава мы не имеем возможности, получить трехфазную синусоидальную питающую сеть, а режимы работы тягового привода накладывают дополнительные требования к применению АТП и систем управления. В нашей стране добавляются тяжелые климатические условия и широкие диапазоны перепада напряжений в контактной сети.
Применение систем управления было начато в 70-х годах XX века. Первоначально в них применялась аналоговая элементная база. В начале 80-х годов были опробованы первые микропроцессорные узлы. Их испытания доказали пригодность микропроцессорных узлов к применению в системах управления на подвижном составе. Однако успехи, достигнутые применением отдельных микропроцессорных узлов, вкрапленных в аналоговую, и даже в цифровую систему с жесткой логикой не могли дать того эффекта, который бы обеспечивали модульные комплексные системы управления. Базой для таких систем могли стать микроконтроллеры, распределенные по поезду и связанные современной системой передачи данных.
Современные аналоговые и цифровые системы управления решают задачи управления и защиты управляемых объектов с помощью отдельных функциональных блоков. Совместить решение задач управления регулирования и защиты на базе чисто аппаратных средств электроники затруднительно. Существенным недостатком аппаратных систем управления является узкая специализация и сложная перенастраиваемость решаемых ими задач.
Построение систем управления и регулирования с использованием микропроцессорной техники дает возможность усовершенствовать изготовление аппаратуры, упростить ее эксплуатацию и обслуживание, а также повысить гибкость управления при наладке системы. Использование процессорных систем позволяет программным методом решать задачи управления, регулирования, защиты и диагностики управляемого объекта.
На современном этапе развития электронно-вычислительной техники для сокращения сроков разработки новых поколений электрического подвижного состава, следует более широко внедрять методы математического компьютерного моделирования, как отдельных систем ЭПС, так и всего электромеханического комплекса в целом.
Применение компьютерного математического- моделирования началось в 80-х годах прошлого века. Интерес к нему увеличивался вместе с ростом вычислительной мощности ПЭВМ. С появлением общедоступных пакетов программ математического моделирования разработка моделей различных устройств и узлов ЭПС перестала быть узкоспециализированной задачей, которая требовала привлечения профессиональных программистов и математиков.
В заключение следует сказать, что летом 2003 года на научной конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г.Новочеркасск), были даны рекомендации по ускорению процесса создания новых локомотивов [59], а в марте 2004 года, правление ОАО "Российские железные дороги» утвердило программу создания и освоения производства новых локомотивов в 2004-2010 г.г. В этой программе также предусмотрено освоение серийного производства локомотивов с асинхронным приводом к 2010 году.
Таким образом, исследование особенностей управления автономным инвертором напряжения на IGBT-транзисторах для тягового асинхронного привода является актуальной задачей для железнодорожного транспорта.
На рисунке В.1 представлена структура диссертационной работы.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
ОБЪЕКТ
Асинхронный тяговый привод с автономным инвертором напряжения
на IGBT-транзисторах
ЦЕЛЬ
Учет влияния параметров IGBT-транзисторов на характеристики асинхронного тягового
привода и определение особенностей пусковых режимов
МЕТОДЫ
ЗАДАЧИ
РЕЗУЛЬТАТ
ЭФФЕКТ
I
Рис, В. 1 Структура диссертационной работы
Развитие силовых преобразователей для асинхронного тягового привода
Первые сообщения о зарубежных разработках в области асинхронного тягового привода с тиристорными преобразователями частоты относятся к 1955 году. В это время были разработаны тепловоз Hawk (Англия) и аккумуляторный вагон фирмы AEG (ФРГ) с электропередачей переменного тока. До 1970 года многие научные и производственные коллективы выполняли исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке асинхронного электропривода.
Работы по созданию локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями в нашей стране начались в 1955 году под руководством члена-корреспондента АН СССР А.Е.Алексеева с создания на базе маневрового тепловоза ВМЭ1-024 макетного образца тепловоза с асинхронным приводом.
Начало применения асинхронного привода на магистральном подвижном составе было положено в 1971 году. Экспериментальной базой послужил электровоз ВЛ80А-751, который был построен НЭВЗом совместно с ВЭлНИИ и проходил испытания в течении 1972-1978 г.г. Тяговый привод электровоза был построен на автономном инверторе напряжения (АНН) и управляемом выпрямителе. Величина напряжения на асинхронном двигателе определялась управляемым выпрямителем, а АНН отвечал за частоту подводимого напряжения. [2]
В системе управления данного электровоза отсутствовал контур регулирования тока статора, а значит, качественное управление током статора было затруднено и контроль за его величиной возлагался на машиниста. Простота реализации системы управления, электровоза ВЛ80А, является и его недостатком, так как не позволяет получить качественное регулирование момента во всем диапазоне рабочих характеристик.
По результатам испытаний макетного образца тепловоза ВМЭ1-024 в 1970 году было принято решение о создании магистрального тепловоза ТЭ-120, а затем 2ТЭ—120. В 1971 году ЛИИЖТ совместно с НИИТЭМ разработал проект электропередачи переменного тока для тепловоза ТЭ-120, который был построен в 1975 году на ВТЗ. В 1978 году тепловоз прошел первый этап поездных испытаний, а к 1979 году общий пробег тепловоза составил 12 тыс. км. На данном тепловозе система управления состояла из двух контуров. В первом контуре - определялось подводимое к тяговым двигателям напряжение и возбуждение тягового генератора. Второй контур, подчиняясь первому, управлял частотой питания тяговых двигателей. [62]
Контур управления возбуждением строился по принципу замкнутого регулирования по отклонению напряжения, тока и мощности тягового генератора. Основной задачей второго контура являлось - формирование требуемой тяговой характеристики асинхронного двигателя. Обеспечение работы двигателя осуществлялось регулированием частоты абсолютного скольжения в зависимости от результата сравнения величины тока статора с потокосцеплением обмотки статора, которое приводилось к значениям тока в отдельном блоке.
Так как потокосцепление измерялось непосредственно (специальной измерительной катушкой в пазе статора),. то формирование абсолютного скольжения осуществлялось путем компенсации отклонения .сигнала обратной связи по потокосцеплению от заданной величины тока двигателя. В конечном итоге система управления формировала сигнал задания частоты статора os. В отличие от системы управления, примененной на электровозе ВЛ80А, данная система имела ряд преимуществ, таких как: учет нелинейностей тягового двигателя, возможность стабилизации магнитного потока двигателя. Следует отметить и ряд недостатков данной системы: задание магнитного потока двигателя осуществлялось параметрически, что вело к ошибкам регулирования, в следствии разброса характеристик тяговых двигателей, использование специальной катушки для измерения ЭДС двигателя, накладывало особые требования к конструкции последнего и снижало его надежность в целом.
Следующим этапом стало создание магистрального двенадцатиосного электровоза ВЛ86Ф, который был спроектирован ВЭлНИИ и изготовлен НЭВЗ в 1985 году. Тяговый привод электровоза ВЛ86Ф был изготовлен совместно с финской фирмой Stromberg, которая изготовила и установила систему управления и силовые преобразователи. За основу преобразователя для электровоза ВЛ86Ф была принята схема с автономным инвертором напряжения (АИН) и четырехквадрантным преобразователем, который должен обеспечивать постоянное напряжение на входе АИН. Управление двигателями осуществлялось по заданной величине момента, которая определяется по условиям силы тяги и скорости движения. Примененная частотно-токовая система управления обеспечивала режим работы тягового двигателя с поддержанием постоянного магнитного потока в воздушном зазоре, посредством регулирования тока статора [54]. За счет применения четырехквадрантного преобразователя коэффициент мощности электровоза ВЛ86Ф составлял 0,99. Система управления электровозом построена на ручном задании скольжения двигателя и поэтому обладает всеми недостатками системы управления электровоза ВЛ80А.
После 1990 года разработка и создание новых поколений подвижного состава с асинхронным тяговым приводом была практически свернута. В середине 90-х годов была предпринята попытка создания электровоза Н20 (НЭВЗ - АО ВЭлНИИ г. Новочеркасск). На электровозе планировалось применение асинхронного тягового привода (АТП) с АИН на однооперационньгх тиристорах и асинхронными двигателями НБ-607/609 [23]. Однако из-за экономической ситуации в стране данные разработки не вышли за рамки экспериментальных исследований. В последние годы был выпушен ряд электропоездов с силовыми преобразователями на тиристорах. В частности, в 1999 году Торжокский вагоностроительный завод выпустил опытный электропоезд ЭТ2А, состоящий из двух моторных и двух головных вагонов. На электропоезде применена схема с автономным инвертором тока [57]. В 2000 году ОАО «ВЭлНИИ» совместно с ОАО «НПО «НЭВЗ» разработали и изготовили пятивагонный электропоезд переменного тока с асинхронным тяговым приводом ЭНЗ. При разработке АТП решалась задача максимального применения отечественной элементной базы. На данном электропоезде АТД соединены параллельно и питаются от автономного инвертора тока с тиристорами, который получает питание от выпрямительно-инверторного преобразователя. [51,57]
Средства математического моделирования процессов в электротехнических комплексах и системах
Учитывая темпы развития компьютерной техники, которая за последние десять лет увеличила свою вычислительную мощность в несколько десятков раз, вопрос моделирования сложных комплексов и систем из теоретических становится практическим. Благодаря развитию программ (программных пакетов) моделирования, появилась возможность применения компьютерного математического моделирования, при разработке и проектировании новых поколений подвижного состава с асинхронным тяговым приводом.
Еще недавно большинство программ для моделирования базировались на обязательном описании создаваемой схемы на внутреннем языке программы. Сейчас наметился переход на визуальное представление, как объекта моделирования, так и результатов расчетов. И если последнее не является чем-то новым, то возможность представления схем в графическом виде позволяет моделировать значительно более сложные системы, моделирование которых ограничено, только мощностью компьютера и возможностями выбранной программы.
Ниже приведен обзор наиболее распространенных в настоящее время пакетов моделирования.
Пакет MatLab с широко развитыми дополнениями (Toolboxes), из которых Toolbox Simulink наиболее приспособлен для анализа и синтеза различных систем. Пакет Simulink со своими дополнениями - хороший инструмент изучения различных электромеханических систем. Simulink предоставляет исследователю самые различные возможности, начиная от структурного (математического) представления системы и заканчивая генерированием кодов для программирования микропроцессора в соответствии со структурной схемой модели.
Первая версия пакета MatLab была разработана уже более 20 лет тому назад. В настоящее время появилась существенно расширенная версия MatLab6. Развитие и совершенствование этого пакета происходило одновременно с развитием средств вычислительной техники. Название пакета MatLab происходит от словосочетания Matrix Laboratory, он ориентирован в первую очередь на обработку массивов данных (матриц и векторов). Именно поэтому, несмотря на достаточно высокую скорость смены поколений вычислительной техники, MatLab успевал впитывать все наиболее ценное от каждого из них. В результате к: настоящему времени MatLab представляет собой богатейшую библиотеку функций (их более 800), единственная проблема работы с которым - быстро отыскать те из них, которые нужны для решения поставленной задачи.
Для облегчения работы с пакетом вся библиотека функций разбита на разделы. Те из них, которые носят более общий характер, входят в состав ядра MatLab. Те же функции, которые являются специфическими для конкретной области, включены в состав добавочных разделов, носящих название toolboxes. Полная комплектация пакетов Simulink, например, содержит около 30 разделов инструментария. Ниже кратко представлены те из них, которые ориентированы на исследование и проектирование систем электропривода с полупроводниковым преобразователем.
Библиотека Simulink представляет собой набор визуальных объектов, используя которые можно исследовать практически любую систему автоматического регулирования. Практически для всех блоков существует возможность настройки параметров. Таким образом пакет Matlab представляет широкие возможности математического моделирования систем управления, электрических схем и механической части, предлагая общий подход к математическому описанию процессов. Для изучения и анализа несложных схем чрезвычайно удобным является пакет Electronic Workbench (фирмы MicroSim DesignLab) , который по существу представляет собой виртуальную лабораторию с достаточно широкими возможностями. Широко известный пакет P-CAD пользуется в нашей стране заслуженной популярностью. Основное назначение пакета - графический ввод принципиальных схем, моделирование цифровых устройств и трассировка печатных плат. Пакет P-CAD стал фактическим стандартом на промышленных предприятиях, обеспечивая выпуск конструкторской и технической документации [11,17, 18]. Однако Р-СAD был переведен на платформу Microsoft Windows только в 1996 году и под наименованием ACCEL EDA 12.0 (фирма ACCEL Technologies). В 1998 году был выпущен пакет ACCEL EDA 14.0 для Windows 95 и Windows NT, в котором были расширены возможности разработки и трассировки печатных плат, предусмотрены средства для подготовки отчетной документации и средства работы с интернет. В этой версии были добавлены средства взаимодействия с другими пакетами моделирования и специализированными программами. В настоящее время выпущены версии ACCEL EDA 15.1 (получившая наименование P-CAD 2000) и P-CAD 2001. Все это дает основание считать ACCEL EDA для Windows профессиональной системой разработки печатных плат, полностью совместимой с популярной системой предыдущего поколения P-CAD для DOS [11]. Из пакетов моделирования также стоит отметить пакеты NAP и MicroCAP II, III. Пакет NAP (Nonlinear Analisys Programm) - первоначально разрабатывалась для мэйнфрэймов IBM/360, позже была адаптирована и для других ЭВМ[19]. Входной язык программы свободный, а сам пакет допускает применение нелинейных элементов, описанных с помощью таблиц или встроенных функций. Пользователь имеет возможность составлять собственные микро и макромодели компонентов и заносить их в библиотеки элементов. Программа позволяет проводить расчеты: цепей постоянного и переменного тока и переходных процессов. Однако имеется ограничения на количество элементов схемы и функциональных зависимостей, что ограничивает, в свою очередь, сложность моделируемого объекта.
САПР MicroCap II, III разработан фирмой Spectrum Software начиная с 1986 года. Ввод информации осуществляется графическим способом. Результаты расчетов выводятся, как в графическом (в виде осциллограмм), так ив табличном виде. Система MicroCap III позволяет также задание аналитических зависимостей при помощи функций пользователя. Данная серия программ имеет ограничения по количеству узлов соединения - 150, а следовательно по этому параметру неприменима для моделирования асинхронного тягового привода.
Следует остановиться еще на одном пакете. Это пакет TCAD, разработанный и достаточно широко используемый в Польше, не получил широкого распространения в мире, но очень удобен при исследовании полупроводниковых преобразователей и систем электропривода.
Программные средства управления МПСУ и сопряжения ее с системой управления верхнего уровня
В связи с недостаточным быстродействием отечественных микроконтроллеров и слабыми функциональными возможностями, ведущими к усложнению схемы дополнительными элементами, было решено использовать микроконтроллер зарубежного производства. Для построения системы управления был выбран восьмиразрядный микроконтроллер с тактовой частотой 16 МГц фирмы Intel (80C51GB) семейства MCS51. Описание особенностей данного микроконтроллера приведено в приложении 5.
Для проведения экспериментальных исследований асинхронного тягового привода на ЮВТ-транзисторах, на основе микроконтроллера была разработана и создана микропроцессорная система управления асинхронным тяговым приводом (далее микроконтроллер) реализующая алгоритм управления ШИМ.
На рис. 3.2.1 показана плата микропроцессорного контроллера, а на рис. 3.2.2. представлен внешний вид (фотография) разработанной и созданной МПСУ. На рис. 3.2.3 показан чертеж передней панели модуля индикации, который в случае необходимости может быть подключен к плате МПСУ.
Большинство дискретных и аналоговых входов и выходов выведено на разъем пользовательского ввода-вывода (XI) для расширения функциональных возможностей контроллера. Шина. адреса - данных микроконтроллера после усилителей (D5, D8, D9) выведена на разъем ХЗ. Сигналы последовательного интерфейса микроконтроллера (Тх, Rx) после усилителей (Dl, D2) выведены на соответствующие контакты разъемов Х2 (RS-232) и XI (RS-485).
Микросхема D5 (К1594ИР23) необходима для фиксирования младших разрядов адреса микроконтроллера в течении всего цикла обращения к памяти. Микросхема D8 позволяет разделить шины данных микроконтроллера и оперативной памяти данных. Адресация узлов микроконтроллера реализована на микросхемах D11 (дешифратор) и D10. В адресации задействованы старшие разряды шины адреса микроконтроллера (А13 - А15), нулевой и первый разряды порта однокристального микроконтроллера (Р4.0, Р4.1). Распределение адресов для памяти (RAM, Flash), сегментов ввода-вывода (CSO-CS7), управления последовательным интерфейсом RS-485 и управление светодиодами представлены в таблицах приложения 6. В контроллере реализовано 4 типа памяти: память программ для хранения программы контроллера. сверхоперативная память данных. оперативная память данных. долговременная память данных. Узел памяти программ содержит программу контроллера, он реализован на микросхеме 27С64 (8 Кбайт) или микросхеме 27С256 (32 Кбайт) содержит программу микроконтроллера и константы. Тип микросхемы устанавливается переключателями JP2, JP3. Возможна поставка контроллера без этой микросхемы с микроконтроллером, имеющим внутреннюю память программ. Выбор внутренней или внешней памяти программ определяется переключателем JP1. Сверхоперативная память данных расположена внутри микросхемы контроллера и предназначена для хранения наиболее часто используемых данных, ее объем 256 байт. Узел оперативной памяти данных объемом 8 Кбайт предназначен для хранения данных, используемых в программе. Узел реализован на микросхеме 62С64 (D6). Узел долговременной памяти данных предназначен для хранения данных, не пропадающих при выключении или сбоях питания (данные о конфигурации контроллера, log - файлы и др.). Узел реализован на микросхеме P28F001BX фирмы Intel (D12), объем долговременной памяти 128 Кбайт. Для увеличения разрядности шины адреса микроконтроллера используется 1 разряд порта4(Р4.1). В модуле микроконтроллера реализовано два типа последовательных интерфейсов: интерфейс RS-232 для подключения компьютера или терминала; интерфейс RS-485 для объединения микроконтроллеров в локальную промышленную сеть. Узел последовательного интерфейса RS-232 реализован на 18 контактной микросхеме SP312A фирмы Sipex (D2), с двумя портами RS-232. Максимальная скорость передачи по последовательному интерфейсу не более 120 Кбод. Максимальное расстояние между контроллерами соединенными по линии RS-232 определяется исходя из ограничений на линию (нагрузка 3 кОм и 2500 пФ). В узле последовательного интерфейса RS-485 используется микросхема приемопередатчик SP485 фирмы Sipex (D1) или ее аналог. Для управления передатчиком используется 4 разряд порта 3 микроконтроллера (Р3.4). Установка РЗ.4. в «1» разрешает передачу данных по интерфейсу RS-485, установка в «О» запрещает. Основные характеристики, реализованного интерфейса RS-485: Скорость передачи до 375 Кбод/с; Максимальное расстояние между контроллерами до 10000 м; Количество подключаемых в сеть контроллеров до 32. Узел подключения аналоговых сигналов состоит из источника опорного напряжения +5В, реализованного на микросхеме D3, подстроечного резистора R2 для установки уровня опорного напряжения VREF, подаваемого на вход аналогового преобразователя контроллера, ограничительных диодов VD1 -VD16 на аналоговых входах микроконтроллера, а также ряда резисторов (R1, R3) и конденсаторов (С6, С16). Контроль опорного напряжения осуществляется в контрольной точке КТ1.
На вход блока может быть подано до 8 аналоговых сигналов (разъем XI) с диапазоном сигнала от 0В до опорного напряжения VREF.
Для индикации работоспособности контроллера в схему включены два светодиода (HL1, HL2). Управление светодиодами осуществляется с портов микроконтроллера через последовательно включенный резистор - база транзистора (R4 -VT1 для HL1 и R5- VT2 для HL2). Для управления HL1 используется Р3.5, для HL2 - Р3.6. При установке порта в «1» диод зажигается, при установке в «О» гаснет.
В приложении 6 в таблицах п.6.3 - п.6.5 приведено описание разъемов микропроцессорной системы управления. В таблицах п.6.6 - п.6.7 описаны правила установки переключателей.
Переключатели JP1 -JP3 используются для установки типа и объема микросхемы ПЗУ (памяти программы), используемой в контроллере, а переключатели JP4-JP5, для задания режима работы контроллера (одиночный или сетевой).
Перенапряжения на обмотках асинхронного тягового двигателя при работе АИН с алгоритмом ШИМ
Активный режим работы (режим регулирования) характеризуется увеличенным сопротивлением перехода коллектор-эмиттер (единицы Ом и более). При работе в таком режиме, при коммутации транзистором больших токов, он рассеивает в тепло недопустимо большую мощность, что может вызвать тепловой пробой перехода, т.е. выход транзистора из строя.
При перегрузке по току транзистор может быть выведен из строя по той же причине, даже при малом сопротивлении его перехода.
За формирование сигнала управления на IGBT-транзисторе отвечают транзисторы VT1, VT2 и VT3. VT1 и VT2 формируют положительный импульс, который отпирает силовой транзистор, a VT3 - отрицательный, служащий для запирания управляющего перехода ЮВТ-транзистора.
В процессе работы транзистора его открытое состояние характеризуется замкнутым состоянием выводов "эмиттер" и "коллектор" разъема ХР2 (соответственно вывод 6 и 14).
При замыкании этих выводов сопротивлением до 2600 Ом (отсутствие активного режима работы) на выводе 9 компаратора DA2 появляется положительный сигнал, что препятствует стоку базового тока с транзистора VT1 и VT2. Таким образом, ток от положительного источника питания через открытые транзисторы VT1, VT2 и резисторы R13, R15, стекает к общей точке источников питания, формируя на выводе 7 "затвор" положительный потенциал, отпирающий IGBT-транзистор модуля..
Размыкание выводов 6 и 14 (выключение транзистора или переход его в активный режим) приводит к формированию на выводе 9 микросхемы DA2 отрицательного сигнала, благоприятствующего стеканию базовых токов с транзисторов VT1, VT2 и VT3. В результате чего открывается только транзистор VT3. Ток от общей точки источников питания через резисторы R15 и R14 подтекает к выводу 9 микросхемы DA2, имеющему потенциал ниже общей точки, и к отрицательному источнику питания. Таким образом, на выводе 7 "затвор" формируется отрицательный потенциал, закрывающий IGBT-транзистор модуля.
Защита по току основана по такому же принципу (формирование положительного или отрицательного сигнала на выводе 9 микросхемы DA3 в зависимости от сигнала датчика тока, находящегося на одной из фаз инвертора).
Датчик состояния транзистора (микросхема DA4) призван отслеживать режимы работы IGBT-транзистора и посредством оптронной развязки передавать данную информацию внешнему устройству, корректирующему алгоритм управления силовым преобразователем (инвертором).
Питание драйвера осуществляется от двуполярного источника с уровнем выходного напряжения ±15В. В примененной конструкции преобразователя на шесть каналов управления требуется четыре источника напряжения, по одному источнику на каждый канал анодной группы IGBT-транзисторов, и один общий источник напряжения для катодной группы. Данное подключение источников питания связано с тем, что катодная группа имеет общее соединение «минуса» силовой цепи всех трех IGBT-транзисторов и «минуса» их управления, в то время, как в анодной группе коллектор каждого силового транзистора подключен к одной из фаз асинхронного двигателя.
При наладке драйвера системы управления следует обратить внимание на достижение величины входного тока оптопары VOl (SFH6345) в пределах 20mA. Это может быть достигнуто путем подбора значений сопротивлений R2 и R3 при известном входном напряжении Vd.
Микросхемы. DA (К554САЗ) представляют собой компараторы, сравнивающие уровни входного и опорного сигналов (выводы соответственно 4 и 3). В результате изменения уровня входного сигнала относительно опорного на выходе данного компаратора (вывод 9) должен появиться разнополярный сигнал с уровнями питающих напряжений ±15В. Появление непрерывного однополярного сигнала на выходе компаратора, при условии изменения уровня выходного сигнала относительно опорного, указывает на наличие неисправности в данной микросхеме. Это свойство справедливо для всех микросхем-компараторов К554САЗ в данных драйверах.
Драйвера имеют в наличии два вида защит от выхода из строя силовых транзисторов инвертора: защиту от активного режима работы транзистора, выполненную на микросхеме DA2, и защиту от перегрузки по току, выполненную на.микросхеме DA3. Срабатывание хотя бы одной из защит приведет к появлению на управляющем выводе ЮВТ-транзистора (затворе) непрерывного отрицательного сигнала, что приведет к немедленному запиранию данного транзистора.
При наладке драйвера системы управления следует: искусственно отключить защиту от активного режима, срабатывающую при неполном открытии ЮВТ-транзистора, перемкнув выводы драйвера "коллектор" и "эмиттер". При этом на выводе "затвор" должен появиться разнополярный сигнал, свидетельствующий об отключении данной защиты. При исправной элементной базе защита от активного режима срабатывает при величине сопротивления перехода коллектор-эмиттер более 2600 Ом.
При наличии двуполярного сигнала на выходе микросхемы DA1 и отключенной защиты от активного режима, появление непрерывного отрицательного сигнала на выводе драйвера "затвор" свидетельствует о наличии неисправности в микросхемах DA2 и/или DA3. Для точного определения неисправной микросхемы следует разорвать дорожку, соединяющую оба выхода этих микросхем (выводы 9) и проверить отдельно уровни сигналов на соответствующих выходах.
