Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обоснование и разработка стуктуры системы управления вентильно-индукторным приводом с промежуточным звеном постоянного тока 11
1.1. Вентильно-индукторный двигатель как объект управления 11
1.2. Структура посторения силового преобразователя и информационных цепей 16
1.3. Требования к микропроцессорной системе управления 21
1.4. Обоснование базовой структуры системы управления 26
1.4.1. Механические характеристики ВИЛ 26
1.4.2. Требования к коммутатору фаз 28
1.4.3. Выбор системы базовых величин 31
1.4.4. Выбор структуры регулятора скорости 33
1.5. Построение программного обеспечения системы управления 46
1.5.1. Подключение устройств к микроконтроллеру 46
1.5.2. Задачи системы управления 50
1.5.3. Распределение программных ресурсов микроконтроллера 53
Выводы по главе 57
Глава 2. Разработка алгоритмов основных узлов системы управления 59
2.1. Синтез и моделирование регулятора напряжения промежуточного звена постоянного тока 59
2.1.1. Математическая модель идеального преобразователя напряжения 59
2.1.2. Моделирование одноконтурных регуляторов напряжения 65
2.1.3. Синтез и моделирование двухконтурной системы управления для режима непрерывного тока 69
2.1.4. Оценка чувствительности системы к измерению электрических величин 81
2.1.5. Работа преобразователя и управление им в режиме прерывистого тока дросселя 86
2.2. Измерение скорости и положения 90
2.2.1. Основные требования к измерителю скорости и положения 90
2.2.2. Реализация измерителя скорости 96
2.2.3. Реализация измерителя положения 102
2.3. Измерение электрических параметров привода 104
2.4. Построение интерфейсных модулей программного обеспечения 107
2.5. Разработка ПИ-регулятора повышенной точности 111
2.5.1. Схемы классического ПИ-регулятора в цифровой системе 112
2.5.2. Программная реализация ПИ-регулятора на TMS320x24xx 116
Выводы по главе 118
Глава 3. Методы борьбы с коммутационными помехами по аналоговым цепям системы управления 119
Выводы по главе 126
Глава 4. Разработка методик тестирования, настройки и защиты системы управления и привода 127
4.1. Разработка стенда тестирования микроконтроллеров системы управления 127
4.2. Методика тестирования преобразователя и привода 129
4.3. Построение системы программных защит преобразователя 137
Выводы по главе... 144
Заключение 145
Литература 147
- Структура посторения силового преобразователя и информационных цепей
- Распределение программных ресурсов микроконтроллера
- Математическая модель идеального преобразователя напряжения
- Методика тестирования преобразователя и привода
Введение к работе
В настоящий момент все большую популярность приобретает относительно новый тип электропривода — вентильно-индукторный привод (ВИЛ). Этот электропривод имеет большое количество, как сторонников, так и противников.
Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) разделяют на три типа с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрические. В данной работе будет рассмотрен только ВИД с самовозбуждением.
В качестве основных преимуществ ВИЛ упоминают: высокую надежность двигателя, высокую удельную мощность, высокий КПД. В качестве недостатков: высокие шумы, отсутствие адаптированной мелкосерийной силовой элементной базы.
Высокая надежность ВИЛ относится скорее к двигателю, имеющему простую конструкцию (отсутствие обмоток на роторе, щеточных узлов). Наличие обязательного электрического преобразователя уменьшает надежность привода в целом. То есть ВИД не может работать с неисправным электрическим преобразователем. Однако следует заметить, что при выходе из строя единичного силового элемента, ВИЛ может функционировать с пониженной относительно номинальной мощностью, работая на исправных фазах. Это относится только к многофазным двигателям с числом фаз 5 и более.
Говорить о преимуществе высокой удельной мощности бессмысленно, не рассматривая удельную мощность силового преобразователя. Из-за отсутствия готовых решений в области силовой полупроводниковой техники (исключение могут составлять привода, разработанные крупными фирмами, например, для стиральных машин), электронный коммутатор выполняется на стандартной элементной базе. Это приводит к двойному резервированию элементов, так как стандартным силовым элементом является одна стойка — два последовательных транзистора с обратными диодами и выведенной средней точкой, а питание фазы двигателя необходимо производить от несимметричного моста. Также следует учесть, что двигатель, работающий в режиме одиночной коммутации, требует повышенных вольтамперных показателей ключей. Фактически вся мощность за интервал коммутации передается на вал через одну фазу, поэтому традиционные двигатели, требующие синусоидальное питание лучше используют возможности электронных коммутаторов [13].
Высокий КПД ВИЛ обычно рассматривается в номинальном режиме при отсутствии токоограничения в фазах. На пониженных скоростях ток в фазе ограничивается с помощью релейного или широтно-импульсного регулирования, что вызывает дополнительные потери на гистерезис и вихревые токи.
Присущий ВИЛ высокий шум возникает из-за повышенных пульсаций момента, достигающих 100% в зависимости от способа управления. Понизить шум можно, добившись постоянного момента [4, 12, 14, 24, 25]. Так как момент является функцией тока и положения, то обеспечить постоянство момента можно за счет управления токами фаз, тем более что и силовой коммутатор, и микропроцессорная система управления, способная выполнять эти задачи, присутствуют в системе.
В настоящее время появился необходимый спектр силовой электроники ориентированной для использования в ВИЛ, однако пока еще в области интеллектуальных самозащищенных ключей царит вакуум.
Автор сознательно не упоминает в качестве недостатков необходимость в датчике положения ротора, так как в настоящее время существуют наблюдатели положения, реализуемые на микропроцессорном уровне [4].
Таким образом, можно заключить, что ВИЛ является динамично-развивающимся типом электропривода. Его нельзя рассматривать как панацею. Поэтому необходимо проводить комплексный анализ всего привода или даже всей энергоустановки в целом для принятия решения об использовании того или иного типа привода. В работе, представляемой автором, рассмотрен один из вариантов реализации ВИП с большим числом фаз. Реализация большого числа фаз позволяет снизить пульсации момента и получить хорошие вибро-шумовые и вибро-акустические характеристики.
В работе рассмотрены электропривода диапазона мощностей от 1,1 до 32,5 кВт, имеющие 5 или 6 фаз и КПД до 96% при отсутствии токоограничения в фазах. Питание приводов осуществляется от бортовой нестабилизированной сети постоянного тока, напряжение которой может изменяться в широких пределах.
Помимо управления ВИД система управления должна решать задачи защиты и диагностики привода, вырабатывать и принимать сигналы управления внешней автоматики.
Актуальность задачи состоит в том, что подобный тип источника питания используется в мобильных объектах (транспорт, надводный и подводный флот), где импортозамещение невозможно, и необходимо иметь отечественный привод, способный работать с высоким КПД, низким уровнем шумов и вибраций.
Цель данной работы:
Создание унифицированной системы управления для серии пяти- и шестифазных ВИП с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока для ряда мощностей 1.1,3,5.5,17.5,21, 25, 32.5 кВт.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
1. Обоснование и разработка структуры системы управления вентильно-индукторным приводом с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока.
2. Разработка математического обеспечения, алгоритмов и программного обеспечения узлов системы управления:
S регулятора DCDC-преобразователя напряжения;
S измерителя скорости и положения. 3. Разработка методов повышения надежности привода за счет:
S средств автоматизированного тестирования контроллеров системы управления;
S автоматизации процесса настройки привода;
S средств диагностики состояния привода в процессе эксплуатации;
S специальных мер борьбы с электромагнитными помехами.
Для решения поставленных задач в первой главе произведен анализ характеристик ВИЛ при регулировании напряжения питания. Рассмотрены вопросы построения силового преобразователя и обоснован выбор контроллера системы управления. Выбрана система базовых величин для реализации структуры системы управления в относительных единицах. Проанализированы существующие структуры и предложена оригинальная структура регулятора скорости системы управления. Произведено распределение программных и аппаратных ресурсов микроконтроллера системы управления.
Во второй главе разработана математическая имитационная модель DCDC-преобразователя напряжения. Произведено моделирование одноконтурных регуляторов напряжения. Произведен синтез двухконтурной системы управления DCDC-преобразователем методом последовательной и параллельной коррекции и вводится адаптивный регулятор коррекции измерений, осуществляющий подстройку системы управления под параметры объекта. Выполнена разработка измерителя скорости и экстраполятора положения вала двигателя. Предложен способ перевода измерений, получаемых с АЦП, в относительные единицы системы управления. Разработаны алгоритмы фильтрации данных с устройств внешней автоматики и оперативного управления, подключенных через последовательный периферийный интерфейс. Разработана структура ПИ-регулятора скорости, оптимизированная для микроконтроллера системы управления.
В третьей главе рассмотрен вопрос влияния на измерительные каналы системы управления коммутационных помех силовых ключей преобразователя. Предложен алгоритм отстройки момента запуска АЦП от момента возникновения помехи.
В четвертой главе предложены методики тестирования системы управления, преобразователя в составе двигателя и организация программных защит привода.
В заключении обобщены основные результаты работы.
В приложениях приведены:
S алгоритм программной реализации имитационной модели DCDC-преобразователя;
•S осциллограммы работы DCDC-преобразователя в одноконтурной и двухконтурной системах регулирования;
V программная реализация алгоритмов измерителя скорости и положения;
S реализация ПИ-регулятора;
S синтез схемотехнического решения стенда тестирования контроллеров системы управления;
V экспериментальные кривые фазных токов для различных скоростей вращения.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Анучин А.С. Реализация на микроконтроллере TMS320x24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода/ЛГруды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. —Вып.678. - С.42-48
2. Анучин А.С, Арискина Л.В. Синтез двухконтурной системы управления DCDC-преобразователя напряжения в режиме непрерывного тока для приводов с регулируемым промежуточным звеном постоянного то-ка//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып. 679. - С.52-65 3. Козаченко В.Ф., Дианов А.Н., Анучин А.С., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11 ,Х//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. - Вып.678. — С.33-41
4. Темирев А., Козаченко В., Обухов Н.} Анучин А., Трофимов С, Никифоров Б., Байков В. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями//СН1Р NEWS. - 2002. - №4(67). - С.24-30
Состав диссертации: введение, четыре главы, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 194, рисунков 97, число наименований используемой литературы 25 на 3 стр., приложения 6 на 45 стр.
Структура посторения силового преобразователя и информационных цепей
Питание электрического преобразователя осуществляется от сети постоянного тока напряжением от 175 до 600 Вольт. В сети возможны импульсные коммутационные перенапряжения до 1400 Вольт длительностью 200 мс.
Входной преобразователь напряжения служит для стабилизации напряжения двигателя на требуемом уровне и выполнен на IGBT-транзисторах фирмы Mitsubishi (IPM - силовые интеллектуальные модули). В мост включен дроссель с индуктивностью, рассчитанной для работы на частоте ШИМ 20 кГц.
Данная схема может передавать энергию как в прямом, так и в обратном направлении, но в рамках рассматриваемой задачи направление всегда прямое, так как агрегаты работают только в двигательном режиме. В этом случае рабочими оказываются ключи К1 и КЗ, а у ключей К2 и К4 используются только цепи обратных диодов.
Схема может работать в режиме понижения или повышения выходного напряжения [2]. Понижение требуется, так как закон управления предусматривает питание двигателя от нуля напряжения для формирования фазных токов исключая режим токоограничения, а повышение необходимо, так как требуемое напряжение инвертора для работы на номинальной скорости при номинальной нагрузке больше минимального возможного напряжения питания.
В понижающем режиме работает ключ К1, ключ КЗ не коммутируется. Когда ключ К1 замкнут, дроссель заряжается под действием разности входного и выходного напряжения по цепи «К1 — дроссель — диод К4». Когда ключ К1 разомкнут дроссель разряжается под действием выходного напряжения по цепи «диод К2 - дроссель - диод К4». Таким образом напряжение на выходе может меняться от нуля до напряжения входа .
Во втором режиме ключ К1 постоянно замкнут, ключ КЗ коммутируется. Когда КЗ замкнут происходит заряд дросселя под воздействием входного напряжения по цепи «К.1 — дроссель — КЗ». Когда ключ КЗ разомкнут происходит разряд дросселя, если напряжение входа меньше напряжения выхода; или заряд дросселя, если напряжение входа больше напряжения выхода, по цепи «К1 — дроссель - диод К4».
Существует третий режим работы схемы, когда оба ключа К1 и КЗ работают синхронно. В случае работы схемы при некоторой нагрузке данный режим обеспечивает как повышение выходного напряжения относительно выходного, так и понижение. В момент работы ключей дроссель заряжается под действием входного напряжения по цепи «К1 - дроссель - КЗ». Когда ключи выключены дроссель разряжается под действием выходного напряжения по цепи «диод К2 - дроссель — диод К4». Данный режим характеризуется удвоенными динамическими потерями в ключах DCDC-преобразователя, что на частоте ШИМ 20 кГц составляет довольно большой процент общих потерь и не укладывается в расчеты по КПД и охлаждению преобразователя, поэтому использоваться для регулирования напряжения данный режим управления ключами не будет.
Для регулирования напряжения на выходе DCDC-преобразователя было решено использовать датчик входного напряжения и тока (до электролитических емкостей) и два датчика выходного напряжения для лучшего контроля обратной связи по выходному напряжению, так как обрыв обратной связи может привести к перенапряжению на выходных емкостях, что вызовет выход из строя силовой части преобразователя. Чтобы увеличить достоверность информации, сигналы о напряжении, получаемые с обоих датчиков, сравниваются и при превышении определенного рассогласования делается вывод о недостоверности информации в цепи обратной связи.
Питание фаз двигателя необходимо осуществлять однополярным током. При этом требуется работать в режимах приложения к фазе напряжения выхода DCDC-преобразователя, прикладывать к фазе нулевое напряжение и проводить расфорсировку тока фазы напряжением обратной полярности. Таким образом было решено использовать мостовой инвертор для питания каждой фазы, функциональная схема которого показана на рис. 1.2.3.
Управление должны иметь ключи К1 и К2, а от модулей ключей КЗ и К4 используются только обратные диоды. Для включения фазы под ток управление поступает на ключи К1 и К2, таким образом к положительной клемме фазы прикладывается потенциал плюсовой шины звена постоянного тока, а к отрицательной - потенциал минусовой шины. Ток в фазе начинает нарастать под действием прикладываемого напряжения по цепи «К1 - фаза - К2». Отключение фазы производится в два этапа: медленная расфорсировка и быстрая. Инвертор переводится в режим медленной расфорсировки снятием управления с ключа К1. Ток фазы замыкается по цепи «диод КЗ — фаза - К2 — диод КЗ». В режим быстрой расфорсировки инвертор переводится выключением обоих ключей, и ток фазы начинает протекать по цепи «диод КЗ — фаза — диод К4», а к фазе будет приложено отрицательное напряжение звена постоянного тока, пока ток не станет равным нулю. Для измерения токов в каждую фазу преобразователя встроен датчик тока.Для реализации поставленной задачи потребовалось провести выбор микроконтроллера , отвечающего всем требованиям по набору встроенной периферии и производительности.
Кафедра Автоматизированного Электропривода имеет большой опыт сотрудничества с фирмой Texas Instruments, являющейся ведущим производителем в области цифровых сигнальных процессоров. Семейство с2000, предлагаемое фирмой, представляет собой специализированные микроконтроллеры с DSP-ядром (Digital Signal Processor — Цифровой Сигнальный Процессор), относящиеся к семейству Motor Control (для управления двигателями). Данные микроконтроллеры содержат широкий набор встроенных периферийных устройств для прямого управления электрическими преобразователями и сбора данных обратных связей.
Распределение программных ресурсов микроконтроллера
Система управления состоит из отдельных программных модулей, часть из которых изображена на структурной схеме рисЛ.4.11. Фрагменты программного обеспечения могут предъявлять определенные требования к частоте вызова, занимать слишком много времени для помещения в прерывания, поэтому важно определить стратегию распределения задач по времени. К задачам относятся: S измерение положения ротора; S коммутатор фаз (БК); S работа с АЦП, фильтрация и преобразование аналоговых сигналов; S анализ аппаратных защит; программные защиты; регулятор напряжения DCDC-преобразователя; S измерение скорости; S адаптивный регулятор скорости; S дискретный автомат состояний привода; V сервисные функции. Измерение положения ротора осуществляется либо по дискретному коду датчика положения, либо, когда скорость определена, экстраполируется от нулевого угла поворота датчика. Измерение положения необходимо производить с частотой принятия решения о коммутации фаз, то есть с частотой вызова БК, с целью обеспечения переключения в момент прохождения ротором установленного угла с заданной погрешностью. Данную процедуру необходимо разместить в регулярном прерывании и вызывать ее непосредственно перед вызовом БК, для которого расчетная частота составляет 40 кГц или 80 кГц (для двигателей со скоростью вращения 5000 об/мин). Вторая часть задач, связанная с коммутатором фаз, а именно интерполятор углов коммутаций можно вызывать в фоновой программе, считая скорость привоза на этапе между расчетами практически постоянной.
Для аналоговых сигналов частота дискретизации может составлять 20 кГц, то есть частота ШИМ DCDC-преобразователя. Контроль токов фаз двигателя осуществлять с большей частотой необязательно, так как протекающие в токи в нормальном режиме достаточно гладкие, а в аварийном преобразователь и двигатель всегда защищены встроенными защитами интеллектуальных силовых модулей. Таким образом, запуск АЦП, снятие данных и фильтрация могут быть размещены в прерывании основного таймера, обеспечивающего работу ШИМ.
Анализ аппаратных защит упрощен для системы управления благодаря выбранному способу подключения. Сигнал перенапряжения автоматически блокирует инверторы, и анализировать данную аварию можно через сколь угодно длительный промежуток времени. Сигналы аппаратных защит инвертора формируются драйверами ключей. Сигналы буферированы усилителями с выходами типа «открытый коллектор» и таймерами, осуществляющими выдержку интервала времени до снятия сигнала аварии около 5 секунд. Тем не менее, анализ аварий целесообразно производить в прерывании таймера с частотой 20 кГц, чтобы избежать работы на частично неработоспособном преобразователе. Программные защиты, к которым относятся защиты по перенапряжению, снижению напряжения, выходному напряжению и максимальной скорости необходимо выполнять с частотой дискретизации АЦП, а максимальнотоковые по действующим значениям, перекоса фаз по действующим значениям в фоновой программе, так как данные для принятия решения формируются сравнительно редко (раз в 0,8 секунды, подробно в пункте 2.3). Регулятор напряжения DCDC-преобразователя должен функционировать с частотой ШИМ, поэтому данная процедура должна выполняться в прерывании базового таймера. Измерение скорости рационально производить в прерываниях модуля захвата, так как в этом случае можно организовать эффективный фильтр, проверяющий чередование переключений сигналов, исключающий ложные срабатывания от дребезга фронтов (подробно в пункте 2.2). Адаптивный регулятор скорости осуществляет управление регулятором напряжения DCDC-преобразователя, и логично осуществлять регулирование этих двух контуров системы управления на одной частоте, то есть на периоде ШИМ. Дискретный автомат состояний привода должен воспринимать команды оперативного управления с пульта и по каналам дискретного ввода/вывода. Так как объем вычислений в автомате относительно периода ШИМ достаточно большой, а время реакции не требуется делать высоким, то разумно расположить процедуры автомата в фоновой программе. Сервисные функции имеют различные требования по частоте обработки. К основным сервисным функциям автор отнес спецфункции преобразователей определенной мощности. Например, преобразователь 25 кВт осуществляет управление системой задвижек, обеспечивающей наличие воды заданного уровня в насосе. Дискретный автомат, выполняющий проверку уровня жидкости, выдачу команд управления заслонками, контроль открытия и обработку аварийных ситуаций размещен в фоновой программе. В преобразователе 17,5 кВт специальная функция требует выдачи напряжения 220 Вольт на шестую фазу инвертора для питания нагревателя адсорбента технологической установки. Регулятор напряжения размещен в прерывании базового таймера.
Для тактирования основных событий системы управления удобно использовать прерывание таймера 1, являющегося опорным для сигнала сравнения понижающего ключа DC DC-преобразователя. Данный таймер работает в режиме повторяющегося счета вверх-вниз. Таймер 3, использующийся в качестве опорного для сигнала сравнения повышающего ключа, считает синхронно с таймером 1, поэтому события, генерируемые таймерами синхронны, и они могут быть рассмотрены как один опорный таймер.
Математическая модель идеального преобразователя напряжения
В электроприводах всего диапазона мощностей было принято решение использовать индуктивные датчики положения ротора двигателя.
Датчик состоит из профилированного пассивного ротора, устанавливаемого на ротор двигателя, статора с тремя или пятью индуктивными элементами и платы обработки сигналов ДПР, которая, в свою очередь, состоит из высокочастотного модулятора, демодулятора и каналов сравнения с регулируемым уровнем переключения и гистерезисом.
Принцип работы ДПР состоит в следующем: высокочастотный модулятор подает в обмотки датчика напряжение высокой частоты, по производной тока обмоток датчика измеряется индуктивность каждой обмотки, зависящая от согласованности положения зубцов профилированного ротора датчика с индуктивными элементами. Вычисленная величина, пропорциональная индуктивности, сравнивается с регулируемым порогом и выдается на выход как активный или неактивный уровень (то есть «0» или «1»). От ложных переключений в результате воздействия помех и неточности замера индуктивности схема компаратора защищена прямой обратной связью, что обеспечивает некоторую зону гистерезиса.
Подобный датчик редко применяют в общепромышленных электроприводах, поэтому необходимо сравнить его характеристики с другими типами ДПР. Квадратурный датчик является одним из самых распространенных типов датчиков положения. Он характеризуется высокой точностью (до 100 000 и более меток на оборот, а с дифференциальным синусно-косинусным выходом до 4 000 000 эффективных меток) и хорошей аппаратной поддержкой со стороны производителей микроконтроллеров семейства "Motor Control", которые включают в состав своих устройств аппаратный квадратурный декодер. Для данного датчика легко создать качественный измеритель скорости и положения двигателя. К его недостаткам можно отнести то, что при использовании в вентильном приводе требуется предварительная установка фазы «под ток», чтобы установить начальную точку отсчета. Данный механизм может не работать, если к валу двигателя приложен активный момент. Так же в процессе испытаний приводов различной мощности было выявлено, что при установке фазы под ток и возникновении релейного токоограничения возможно попадание в резонанс, когда фаза двигателя не стабилизирует своего положения вплоть до перехода в режим вращения. Подобные эффекты, правда, возникают лишь на холостом ходу и решаются перестройкой уставки токового коридора.
Наиболее важным и самым существенным недостатком квадратурного датчика, не позволяющим использовать его в некоторых приводах, является ограниченный срок службы. Фирмы-производители этих датчиков не дают гарантию на оптические элементы на срок 25 лет. Этот срок обусловлен неразборным механизмом отдельных приводов (например, корпус компрессора привода 32,5 кВт), а так же крайне сложным требованием оказалось условие по герметичности и работе в агрессивных средах (двигатель привода 32,5 кВт работает во фреоно-маслянной среде).
Датчик на элементах Холла по параметрам похож на индуктивный датчик, обладает более стабильной зоной переключения, но имеет свой набор недостатков. Первый касается работы в агрессивных средах и сроков службы. Второй существенный недостаток состоит в том, что сильное магнитное взаимодействие чувствительных элементов на статоре с пассивным профилированным ротором вызывает на некоторых скоростях вращения механический резонанс в звуковом диапазоне, что недопустимо в условиях специального объекта.
Индуктивный датчик удовлетворяет всем требованиям по надежности, сроку службы и условиям эксплуатации, но требует тщательной настройки, так как каждый ротор датчика и обмотки статора получаются с несколько разными свойствами, и при подсоединении датчика к системе управления требуется настройка уровня сравнения сигнала каждой фазы. Роторная часть датчика выполнена из алюминия, поэтому практически полностью отсутствует магнитное взаимодействие между ротором и статором датчика, что благоприятно сказывается на акустических характеристиках привода.
Методика тестирования преобразователя и привода
Принципы построения защит в данной серии блоков управления существенно отличаются от заложенных в общепромышленных преобразователях для асинхронного привода. При анализе аварийных ситуаций следует различать критические аварии и аварии, влекущие за собой снижение производительности привода.
В случае аварий первого типа, привод необходимо остановить и не дать пользователю переконфигурировать параметры привода так, чтобы он смог запустить привод снова.
В случае аварий второго типа, необходимо обеспечить идентификацию аварии и либо на программном уровне автоматически ограничить необходимые параметры привода, либо предоставить пользователю возможность, проанализировав аварию, включить привод в режиме полной или частичной работоспособности.
В качестве примера первого типа аварий можно привести отказ датчиков выходного напряжения, когда контроллер не может стабилизировать выходное напряжение DCDC-преобразователя, так как не имеет о его значении достаточной информации, например, в результате отказа одного из датчиков выходного напряжения или их большого рассогласования. Авария опасна тем, что неконтролируемое повышение выходного напряжения при отсутствии или неисправности обратной связи вызовет отказ выходной конденсаторной батареи, что приведет к полному выходу из строя всего преобразователя, с сильным задымлением места эксплуатации блока управления.
Пример второго типа аварий можно привести из практики наладки блока управления 32,5 кВт. Во время наладки был обнаружен перекос фазы, а после анализа было выявлено, что одна из фаз привода не управляется. При этом привод функционировал в нормальном режиме и выдавал полную мощность при напряжении питания двигателя на приблизительно 15% большем, чем в номинальном режиме на данной скорости. Опираясь на данный пример, можно утверждать, что в условиях специальных применений возможна ситуация, когда работоспособность привода потребуется в том или ином объеме даже при частично неисправном преобразователе или двигателе, и, проанализировав тип защиты, необходимо дать пользователю возможность запустить привод.
В настоящий момент еще не сформулированы правила разделения типов аварий, однако в программном обеспечении уже предусмотрены два типа параметров: параметры пользователя и секретные параметры.
Параметры пользователя содержат те величины, которые могут быть изменены без опасности повреждения преобразователя. Секретные параметры содержат настройки доступные только высококвалифицированному обслуживающему персоналу, хорошо разбирающемуся в структуре системы управления. Область секретных параметров оказывается доступна после ввода кода доступа.
Для анализа происходящих на объекте аварий в программное обеспечение заложено ведение банка аварий и подсчет времени наработки блока. Банк аварий состоит из 10 записей, состоящих из двух полей: время наработки в часах и код аварии. Банк параметров заполняется по принципу FIFO (первый вошедший выходит первым) и хранит последние десять аварий. Просмотр банка возможен со встроенного пульта оперативного управления.
Рассмотрим типы защит, реализованные в системе управления. Защита "F001" происходит в том случае, если напряжение преобразователя ниже заданного порогового. Эта защита служит для идентификации снижения напряжения на входе преобразователя, так как работа на пониженном напряжении может вызвать перегрев блока. Вторая функция защиты, следить за исправностью датчика напряжения, так как его основная защитная функция — следить за входными перенапряжениями и при их возникновении выключать преобразователь. Следует отметить, что в нештатной ситуации, может потребоваться работа блока на пониженном напряжении, но полностью исключать контроль этого датчика нельзя, поэтому уставка срабатывания защиты регулируема до определенного предела (около 100В). Следует отметить, что защита понижения напряжения питания и штатное отключение различаются, и защита понижения питания на протяжении трех секунд определяется как выключение питания, однако если напряжение питания так и не пропало, а система управления, соответственно, не отключилась, то считается, что произошла просадка напряжения питания, которая засчитывает-ся аварией F001. Защита "F002" показывает, что напряжение на входе преобразователя слишком высокое. Это может происходить по причине импульсного коммутационного перенапряжения, и на момент возникновения этой аварии привод должен выключаться. Защита "F003" возникает только в момент тестирования преобразователя, если установлено, что понижающий ключ DCDC-преобразователя не управляется или неисправны оба датчика выходного напряжения. Защита "F004" возникает при рассогласовании сигналов датчиков выходного напряжения больше допустимого. Может возникать при отказе одного из датчиков выходного напряжения или при разных коэффициентах усиления датчика. Также срабатывание этой защиты было выявлено при неисправности снаб-берной цепочки понижающего ключа DCDC-преобразователя. В этом случае в результате возникновения высокочастотной помехи от перенапряжения на ключе АЦП выдавало данные с периодической, по последовательности оцифровки каналов, погрешностью и показания двух последовательно-опрашиваемых каналов АЦП, следящим за одной физической величиной, могли различаться на величину до 20% от основного диапазона. Эта защита является основным методом обнаружения обрыва обратной связи по выходному напряжению, поэтому к настройке максимально-возможного рассогласования датчиков нужно относиться очень осторожно. Защита "F005" возникает только в режиме тестирования преобразователя и сигнализирует о том, что повышающий ключ не управляется. Защита "F006" контролирует максимальное значение выходного напряжения. Возникает, если по каким-либо причинам напряжение на выходе преобразователя превысило установленный предел, и предотвращает перенапряжение выходных емкостей. Защита может возникать либо из-за перегрузки двигателя, когда для поддержания скорости регулятор прикладывает к двигателю напряжение существенно больше номинального. Защита "F007" возникает при выходе тока одной из фаз за допустимый предел в режиме токоограничения. Это может происходить, если происходят сбои по каналу ДПР и неверно определяется угол положения ротора. Защита F01n" возникает только во время тестирования преобразователя и сигнализирует об отсутствии управления n-ой фазой инвертора. Причиной происхождения подобной аварии может послужить обрыв фазы двигателя, а также внутренние неисправности преобразователя. Защита "F02n" возникает только во время тестирования преобразователя и сигнализирует о том, что в n-ой фазе не исправен датчик тока. Причиной возникновения этой аварии может быть повышенное сопротивление фазы двигателя или внутренние неисправности преобразователя.
