Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы построения и условия промышленной эксплуатации вентильных преобразователей систем электропривода и промышленной автоматики
1.1. Характеристики стационарных и автономных сетей электроснабжения и проблема электромагнитной совместимости вентильных преобразователей 22
1.2. Классификация вентильных преобразователей и их систем управления 36
1.3. Развертывающее преобразование как средство повышения эксплуатационной надежности систем информационной и силовой электроники 46
1.4. Цель и задачи исследований 53
Выводы 55
Глава 2. Статические, динамические и спектральные характеристики различных методов развертывающего преобразования
2.1. Классификация развертывающих преобразователей и принципы их построения 57
2.2. Динамические характеристики развертывающих преобразователей с различными законами модуляции
2.2.1. Методика анализа динамических характеристик развертывающих преобразователей 67
2.2.2. Динамические характеристики развертывающих преобразователей с выборкой мгновенных значений сигнала управления
2.2.3. Динамические характеристики интегрирующих развертывающих преобразователей 79
2.2.4. Сравнительный анализ динамических характеристик развертывающих преобразователей 86
2.3. Спектральные характеристики развертывающих преобразователей с различными законами модуляции
2.3.1. Методика анализа спектральных характеристик развертывающих преобразователей
2.3.2. Статические и динамические спектральные характеристики развертывающих преобразователей 94
2.3.3. Сравнительный анализ спектральных характеристик развертывающих преобразователей 111
Выводы 113
Глава 3. Методы развертывающего преобразования в синхронизации вентильных преобразователей
3.1. Классификация и требования к устройствам синхронизации систем управления вентильными преобразователями 117
3.2. Методика анализа статических и динамических характеристик устройств синхронизации 122
3.3. Методы синхронизации на основе развертывающего преобразования с выборкой мгновенных значений синхронизирующего воздействия 124
3.3.1. Устройство синхронизации с независимым уровнем фиксации сигнала развертки 124
3.3.2. Адаптивные устройства синхронизации с ведомым уровнем фиксации сигнала развертки .128
3.3.3. Адаптивные устройства синхронизации со следящей фиксацией точек естественной коммутации напряжения сети 135
3.4. Методы синхронизации на основе интегрирующего
и комбинированного развертывающего преобразования 140
3.4.1. Устройства синхронизации с интегрирующей фиксацией сигнала развертки 141
3.4.2. Комбинированное устройство синхронизации 155
3.4.3. Каскадные интегрирующие устройства синхронизации 158
3.4.4. Сравнительный анализ технических характеристик и областей применения интегрирующих устройств синхронизации 165
3.5. Метод адаптивной интервало-кодовой синхронизации 167
3.5.1. Методика синтеза интервало-кодовых систем синхронизации 167
3.5.2. Каскадная интервало-кодовая двоично-десятичная система синхронизации 168
3.5.3. Интервало-кодовая двоичная система синхронизации 175
Выводы 177
Глава 4. Методы развертывающего преобразования при построении фазосдвигающих устройств вентильных преобразователей
4.1. Классификация и требования к фазосдвигающим устройствам систем управления вентильными преобразователями 181
4.2. Фазосдвигающее устройство с выборкой мгновенных значений сигнала управления 185
4.3. Разомкнутые интегрирующие фазосдвигающие устройства 188 4.3.1. Число-импульсные фазосдвигающие устройства 195
4.4. Замкнутые интегрирующие фазосдвигающие устройства 201
4.5. Сравнительный анализ статических и динамических характеристик фазосдвигающих устройств 219
Выводы 223
Глава 5. Методы интегрирующего развертывающего преобразования при построении ацп систем управления вентильными преобразователями 227
5.1. Замкнутый интегрирующий аналого-цифровой преобразователь с бестактовым поразрядным уравновешиванием 228
5.2. Тактируемые интегрирующие аналого-цифровые преобразователи 242
5.2.1. Реверсивный интегрирующий аналого-цифровой преобразователь с широтно-импульсной модуляцией 244
5.2.2. Реверсивный число-импульсный аналого-цифровой преобразователь с синфазной амплитудно-частотно-импульсной модуляцией 249
5.3. Преобразователи напряжения в частоту импульсов 255
5.3.1. Классификация и принципы построения преобразователей напряжения в частоту импульсов 255
5.3.2. Статические характеристики преобразователей напряжения в частоту импульсов 263
5.3.3. Динамические характеристики преобразователей напряжения в частоту импульсов 270
Выводы 281
Глава 6. Ресурсо-энергосберегающие интегрирующие развертывающие системы управления для электроприводов и технологических установок постоянного тока 286
6.1. Методика исследования помехоустойчивости, статических и динамических характеристик систем управления вентильными преобразователями 286
6.2. Адаптивная интегрирующая система импульсно-фазового управления реверсивного тиристорного преобразователя для автоматизации технологических установок постоянного тока с питанием от сети ограниченной мощности 292
6.2.1. Статические характеристики реверсивного тиристорного преобразователя с адаптивной интегрирующей системой импульсно-фазового управления со стороны синхронизирующего канала 304
6.2.2. Динамические характеристики и помехоустойчивость реверсивного тиристорного преобразователя с адаптивной интегрирующей системой импульсно-фазового управления со стороны синхронизирующего канала .310
6.2.3. Динамические характеристики и помехоустойчивость реверсивного тиристорного преобразователя с адаптивной интегрирующей системой импульсно-фазового управления со стороны информационного канала управления 325
6.2.4. Основные технические показатели реверсивного тиристорного преобразователя с различными видами систем импульсно-фазового управления 334
6.3. Интегрирующая система импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя контура возбуждения электродвигателя постоянного тока 336
6.4. Помехоустойчивость электропривода постоянного тока с силовым широтно-импульсным преобразователем 341
Выводы 349
Глава 7. Ресурсо-энергосберегающие интегрирующие развертывающие системы управления для электроприводов и технологических установок переменного тока 353
7.1. Интегрирующие системы управления для тиристорных регуляторов переменного напряжения 353
7.1.1. Тиристорные регуляторы напряжения с интегрирующими системами импульсно-фазового управления для плавного пуска асинхронных электродвигателей 354
7.1.2. Частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с интегрирующей системой управления для инерционных объектов 373
7.2. Интегрирующая система управления для однофазного активного фильтра-компенсатора 383
7.3. Нагрузочно-питающие устройства с высокими энергетическими показателями для испытания и исследования электротехнического оборудования 397
7.3.1. Трехфазное нагрузочно-питающее устройство с интегрирующей системой управления 398
7.3.2. Однофазное нагрузочно-питающее устройство с интегрирующей системой управления 411
Выводы 416
Заключение
- Классификация вентильных преобразователей и их систем управления
- Динамические характеристики развертывающих преобразователей с выборкой мгновенных значений сигнала управления
- Методы синхронизации на основе развертывающего преобразования с выборкой мгновенных значений синхронизирующего воздействия
- Разомкнутые интегрирующие фазосдвигающие устройства 188 4.3.1. Число-импульсные фазосдвигающие устройства
Классификация вентильных преобразователей и их систем управления
В настоящее время значительная доля помех на промышленных предприятиях формируется со стороны системы энергоснабжения [280, 281, 282, 293, 312]. При этом крупные предприятия тратят большую часть своей прибыли на введение новых мощностей для увеличения объемов выпускаемой продукции. Этому способствует приток иностранного капитала. Иностранные компании с целью уменьшения своих затрат на производство и транспортировку товара строят свои предприятия на территории России. Однако развитие электроэнергетической системы страны не успевает за развитием промышленности.
Качество электроэнергии [349, 350, 355] играет важную роль в обеспечении работоспособности и эффективности функционирования электрооборудования и его долголетия, особенно в области силовых регулируемых ВП, синхронизированных с сетью [116, 118, 140, 155, 183, 283] и воспринимающих помехи, распространяющиеся по элементам электрической сети [38, 97, 102, 103, 108].
Качество электроэнергии нормируется в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения» [213], где определяются показатели и нормы качества электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц. Основные показатели качества электроэнергии для сетей 0,38 кВ приведены в табл. 1.1.
Однако в реальной обстановке условия ГОСТа зачастую не выполняются, и реальная промышленная или автономная сеть может оказаться существенно искаженной. Это иллюстрируется осциллограммами сети на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (рис. 1.1) по данным работ [284, 344].
Осциллограмма напряжения на шинах 10 кВ широкополосного стана горячей прокатки 2000 ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (а), ток сети 50 Гц/10 кВ и его 11-я гармоника на стане прокатки 2000 (б) Отклонение напряжения (рис. 1.2 а) характеризуется показателем установившегося отклонения напряжения. Для него определены нормально- и предельно допустимые значения отклонения на выводах приемников электроэнергии, соответственно, в ±5 и ±10 % от номинального напряжения UНОМ электрической сети. Наиболее распространенным нарушением является снижение напряжения на величину более 10 %. Длительное понижение напряжения возникает в результате перегрузки понижающего трансформатора и линии электропитания. Если потребитель находится в конце линии электропередач, то напряжение может падать до 100–150 В, особенно в часы максимального энергопотребления.
Колебания напряжения (см. рис. 1.2 а) являются следствием переменной нагрузки на сеть в результате подключения/отключения мощных технологических установок. Колебания напряжения согласно [213] не должны превышать значения ±10 % от номинального значения UНОМ.
Провал напряжения (см. рис. 1.2 б) обычно является результатом пуска мощных нагрузок или нагрузок с большим пусковым током (трансформаторы, электродвигатели и т.д.), а также возникает при неисправностях в сети, когда система защиты отключает потребителей на непродолжительное время (несколько секунд), а затем включает снова. Он характеризуется длительностью провала напряжения DtП, величина которого в электрических сетях с напряжением до 20 кВ не должна превышать 30 с. Статистически наиболее вероятны провалы длительностью от 6 до 15 с (до 50 %) и более длительные, от 21 до 30 с (около 30 %), причём глубина наиболее часто встречающихся провалов колеблется от 35 до 100 %. Длительность и уровень провала зависит также от сечения подходящих к нагрузке проводов.
Стационарное перенапряжение (см. рис. 1.2 б) возникает в результате того, что, стремясь исправить ситуацию с низким напряжением, обслуживающий персонал нередко переключает обмотки понижающего трансформатора на более высокое напряжение. В результате потребители, находящиеся рядом с подстанцией, имеют на сетевых вводах напряжение от 240 до 260 В, особенно в часы минимальных нагрузок.
Отклонение частоты напряжения в электрических сетях (см. рис. 1.2 в) характеризуется показателем отклонения частоты Df, для которого установлены нормально- и предельно допустимые значения: ±0,2 и ±0,4 Гц, соот Основные виды искажений напряжения сети ветственно. Частота – общесистемный параметр, т.е. она одинакова во всех точках объединенной энергосистемы. В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания, совершенно неизвестный на Запа де. Это нестабильная частота. Самым характерным примером являлась энергосистема Грузии в 1992–1994 годах, которая в целом, видимо, была сильно перегружена, и частота в сети могла опускаться до 42 Гц. В России пониженная частота встречается довольно редко. Тем не менее, даже в Москве сотрудниками фирмы Merlin Gerin была, по их словам, однажды зарегистрирована частота ниже 45 Гц. Нестабильность частоты является фактором, наиболее характерным для автономных источников электропитания ограниченной мощности [71, 225].
Несинусоидальность напряжения (см. рис. 1.2 г) характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения KU и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения. Нормально- и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения должны быть не более 8 и 12 % в точках общего присоединения к электрическим сетям с напряжением 380 В. Следует отметить, что данный вид искажений характерен для сетей электроснабжения промышленных предприятий [280, 350], нелинейные нагрузки которых потребляют ток несинусоидальной формы [37, 46, 128, 223] (например, бестрансформаторные источники бесперебойного питания с емкостным фильтром, компьютеры, вентильные преобразователи) и характеризуются высоким коэффициентом амплитуды тока. Известно, что даже в учебных заведениях, в полном масштабе оснащенных компьютерной техникой, при проведении лабораторных работ невозможно показать студентам синусоидальный характер напряжения сети. Кроме того, в промышленной и бытовой сферах происходит интенсивный рост числа электронной аппаратуры, функционирование которой сопровождается потреблением из сети импульсного тока и, как следствие, генерацией в сеть высших гармонических составляющих [280, 314, 350, 373], способных вызвать повреждение электрооборудования или его неправильное функционирование.
Импульс напряжения (см. рис. 1.2 д) характеризуется показателем импульсного напряжения. Значения импульсных напряжений для грозовых импульсов, возникающих в электрических воздушных и кабельных сетях 380/220, как правило, не превышают 10 и 6 кВ, соответственно [213]. Появление грозового импульса в кабельной сети возможно, если он проникает в нее из воздушной магистрали. Например, если питание на трансформатор-26
Динамические характеристики развертывающих преобразователей с выборкой мгновенных значений сигнала управления
Для интегрирующих РП отсутствуют практические ограничения по верхнему диапазону F сигнала высокочастотной помехи. Здесь целесообразно напомнить, что в РП, построенных на основе выборки мгновенных значений сигнала управления с ШИМ-1 и ШИМ-2 (см. табл. 2.3-2.4, рис. 1) нормированная частота сигнала помехи не должно превышать значений F 3,0 и F 6,0 соответственно, так как в противном случае возникают «ложные» импульсы управления (см. рис. 2.6), которые приводят к дополнительным переключениям силовых ключей преобразователя и росту коммутационных потерь, что, в конечном итоге, может явиться причиной выхода из строя силового вентильного блока.
Таким образом, интегрирующие преобразователи обладают более низким быстродействием и высокой помехоустойчивостью со стороны информационного входа по сравнению с РП, построенных на основе выборки мгновенных значений информативной координаты, и, главным образом, целесообразны к применению на промышленных объектах с высоким уровнем помех в каналах передачи сигнала управления, а также в электроприводах, в которых электропитание осуществляется от автономных источников, либо от систем электроснабжения ограниченной мощности.
Весьма интересным и ценным для практики свойством интегрирующих РП является их способность изменять свои динамические характеристики в зависимости от уровня сигнала синхронизации или входного воздействия. На рис. 2.9 приведены ЛАЧХ интегрирующих РП в области достоверной передачи информации при различных значениях относительной постоянной времени интегрирования ТИ2 в ИРП с ШИМ-1 и ШИМ-2 (см. табл. 2.2, рис. 1, 3) и нормированного значения постоянной составляющей входного сигнала ХВХ в ИРП с ЧШИМ (см. табл. 2.2, рис. 5).
Способность интегрирующих РП перестраивать свои динамические характеристики в зависимости от глубины синхронизации или уровня входного сигнала управления позволяет с их помощью эффективно решать вопросы построения адаптивных фильтров систем управления технологическими процессами [2, 127, 227, 230, 234, 322, 337].
Для определения уровня и частот гармоник, возникающих на выходе РП различных классов, автором впервые был проведен анализ спектральных характеристик развертывающих систем в широком частотном диапазоне [202, 323, 324, 325, 339], включая область частот замедленной дискретизации сигнала помехи, которая, как будет показано ниже, с позиции качества процесса регулирования является наиболее опасной зоной, так как может вызвать резкое увеличение ошибки регулирования, а в ряде случаев и неработоспособность САУ из-за преобразования высокочастотного спектра по мех в низкочастотные сигналы, находящиеся в полосе рабочих частот систем управления ВП.
Методика исследования спектральных характеристик, предложенная автором [202, 323], заключается в том, что на информационный вход РП одновременно подается сигнал управления ХВХ(0 и переменный гармонический ХП(0 сигнал с постоянной амплитудой АП и переменной частотой (ГП)"1 в широком частотном диапазоне (рис. 2.10). В результате на выходе РП формируются импульсы 7(0 с частотой (Г0?/3)-1. Выделение средней составляющей Y0 выходных импульсов РП производится с помощью цифрового фильтра (ЦФ), реализующего алгоритм вида Y0 = Л- (t2n_x - t2n)/T0n . При этом однозначная связь между уровнем входного сигнала ХВХ(0 + ХП(і) и величиной Y0 выходных импульсов РП возникает только по окончанию периода следования Г0?/3 импульсов Y(f) (см. рис. 2.10).
Уровень гармоник и их частота измерялись спектроанализатором непосредственно на выходе импульсной системы и на выходе РП с учетом ЦФ (см. рис. 2.10). Результаты исследований представлены в виде пространств динамических спектральных состояний АГ = f(FГ, F, АП =0,1), снятых при отсутствии и наличии ЦФ на выходе РП, и поясняются переходными характеристиками П[л], Y0[n] и [п]. Здесь АГ=АГ/А - нормированная амплитуда гармоник выходного сигнала РП при наличии и отсутствии ЦФ; FГ =/Г//0 - нормированное значение частоты гармоники в выходном сигнале РП; АП =А П/А, F = /П/ /0 - нормированное значение амплитуды АП и частоты /П сигнала помехи (динамического входного сигнала) соответственно; Y0 =Y0/А - нормированное среднее значение импульсов на выходе РП; = ///0 - нормированная частоты выходных импульсов РП; п = \, 2, 3,... - целое число, соответствующее порядковому номеру интервала дискретизации выходных импульсов РП.
Спектральные характеристики развертывающих преобразователей были получены на основе компьютерного моделирования с применением программы MatLab+Simulink [50, 70, 88, 177]. Здесь и далее под статическими спектральными характеристиками понимаются те, которые имеет РП при статическом сигнале на информационном входе [202].
Учитывая, что любая импульсная система на частотах входного воздействия, превышающих 0,54, переходит в режим замедленной дискретизации [4, 87, 161, 166] и фактически работает в режиме преобразования спектра динамической составляющей информационного сигнала, впервые вводится понятие «динамического спектра» или «динамических спектральных ха рактеристик». При этом динамический спектр характеризует частотные составляющие выходных импульсов, сформированные в результате замедленной дискретизации РП динамического входного сигнала. Эти составляющие являются низкочастотными и в силу этого оказывают неблагоприятное воздействие на систему управления, так как практически неразличимы на фоне полезного сигнала управления и не поддаются фильтрации традиционными методами [64, 67, 102, 107, 203].
Методы синхронизации на основе развертывающего преобразования с выборкой мгновенных значений синхронизирующего воздействия
Для сравнения в табл. 3.8, рис. 4 приведен график зависимости ПП = f(Аc) для комбинированного и адаптивного УС-ИФ при различных значениях отклонения частоты напряжения сети А?С, анализ которого позволяет сделать следующие выводы:
Быстродействие комбинированного УС-ИФ примерно в 2-5 раз выше, чем в адаптивном УС-ИФ особенно в области малых значений глубины синхронизации АС 2,0. Это объясняется тем, что в комбинированном УС-ИФ установившееся значение периода ТС сигнала синхронизации Х С(t) на выходе ППН YТ(i) возникает с задержкой времени на Т С/2 (см. табл. 3.8, рис. 2 а, г), а в адаптивном УС-ИФ этот же сигнал YТ{t) достигает того же значения за несколько периодов ТС напряжения сети (см. рис. 3.17), т.к. измерение периода ТС сигнала синхронизации Х С(t) осуществляется при помощи выходных импульсов Y(i), формируемых замкнутым интегрирующим РП.
Оптимальным уровнем амплитуды синхронизации АС в комбинированном УС-ИФ следует считать диапазон 0,5 А С 3,0, когда в системе достигается высокое быстродействие, не превышающее трех периодов ТС напряжения сети. С учетом провалов напряжения в автономных сетях глубину синхронизации рекомендуется выбирать п/2 АС 3,0, когда разрешается компромисс между быстродействием и помехоустойчивостью.
Ведение апериодического фильтра Ф в комбинированном УС-ИФ (см. табл. 3.8, рис. 1) повышает помехоустойчивость БКЧ к внешним помехам и неизбежно приводит к фазовому сдвигу сигнала синхронизации Х С(t) и, как следствие, импульсов YК(f) и YГ(i) на выходе компаратора К и ГКИ соответственно на угол фф (см. табл. 3.8, рис. 2 а, в-г), который при номинальной частоте синхронизирующего напряжения рекомендуется выбирать в диапазоне 20-40 эл. град. При таком выборе постоянной времени фильтра ТФ быстродействие комбинированного УС-ИФ ухудшается незначительно.
Таким образом, основной областью применения комбинированного УС-ИФ следует считать системы управления ВП, получающие питание от автономных энергосистем ограниченной мощности, где сеть имеет нестационарные параметры с резко выраженными динамическими отклонениями.
. Каскадные интегрирующие устройства синхронизации Каскадные интегрирующие УС, впервые предложенные автором в работах [215, 216, 220, 330, 331], имеют повышенные метрологические характеристики и, как показано в п. 3.5, широкие функциональные возможности в плане построения с их участием систем диагностирования ВП и схем аварийной защиты от неверного функционирования каналов синхронизации.
Простейший вариант каскадного УС-ИФ (табл. 3.9, рис. 1) содержит два последовательно включенных РП1 и РП2, причем первый каскад синхронизирован гармоническим сигналом Х С(i), а второй РП2 - выходными импульсами Yx(i) РП1. При условии выполнения равенства частоты (Т С)"1 гармонического сигнала Х С(f) и частот автоколебаний РП1 и РП2 (Т0)-1 = 1/(46Т И) углы ocСi и 0СС2 между Х С(f) и Y\{t), а также выходными сигналами Y2(t) и Y\{t) составляют -90 эл. град (см. табл. 3.9, рис. 2 а-г), а общий фазовый сдвиг между напряжением сети ХС(/) и выходными импульсами Y2(t) каскадного УС равен осС = -180 эл. град (см. табл. 3.9, рис. 2 а, г). Инверторы Ин.1, Ин.2 (см. табл. 3.9, рис. 1) служит для преобразования биполярных выходных импульсов Y[(i) и Y2(i) на выходе РЭ1 и РЭ2 (см. табл. 3.9, рис. 2 б, г), в однополярные сигналы YВЫХ.i(t) и 1ВЫХ.2(0 (см. табл. 3.9, рис. 2 в, д) для последующего согласования УС со схемами цифровой обработки данных.
С точки зрения динамических характеристик каскадное УС-ИФ в ОДП представляет собой апериодическое звено второго порядка с передаточной функцией вида W{p) = 1 эквивалентные постоянные времени первого и второго развертывающих преобразователей соответственно. При этом глубину синхронизации РП рекомендуется выбирать в диапазоне 3,0 А С kП 4,0, а у РП2 - на уровне кП =1,2 ... 1,5 когда достигается компромисс между статической точностью и быстродействием УС, а амплитуды ±А выходных импульсов РЭ1 и РЭ2 равны между собой.
При этом, как и для обычного УС-ИФ (см. табл. 3.5, рис. 1) каскадное УС имеет нулевое значение статической ошибки угла синхронизации АосС при колебаниях напряжения сети АДС (см. табл. 3.9, рис. 3 а). Это свойство характерно для всех УС на базе замкнутых РП, поэтому в дальнейшем пространства вида АаС = f(AAС, Аc, АП = 0) более не комментируются. вносимых соответ При колебаниях частоты напряжения сети А?С ошибка угла синхронизации АаС для каскадного УС-ИФ без БКЧ (см. табл. 3.9, рис. З б) в среднем в два раза выше, чем для однокаскадного УС-ИФ (см. табл. 3.6, рис. 2 б). Это объясняется тем, что в каскадном УС-ИФ результирующая ошибка АосС складывается из двух составляющих Аа так как синхронизация РП2 в каскадном УС-ИФ производится прямоугольным сигналом с постоянной амплитудой ±А, которая не зависит от колебаний напряжения сети АДС. Поэтому данный тип каскадного УС может быть рекомендован к применению в системах, где нестабильность частоты сети имеет незначительный уровень порядка долей процента.
Решение проблемы адаптации обоих каскадов УС-ИФ к частоте напряжения сети легко достигается за счет введения в схему блока коррекции частоты БКЧ, состоящего из тех же звеньев, что и БКЧ в адаптивном УС-ИФ (см. табл. 3.7, рис. 1).
За счет БКЧ в РП1 и РП2 при отклонениях А?С в установившемся режиме работы поддерживается равенство ТС = Т0 при условии одинакового выбора порогов переключения ±Ь у РЭ1 и РЭ2 и постоянной времени ТИ у интеграторов И1 и И2 (см. табл. 3.9, рис. 1). В результате ошибка угла синхронизации АаС = 0, что подтверждает пространство статического состояния АосС = f(AfС, Аc, АП = 0) (см. табл. 3.9, рис. 3 б).
Частотные характеристики АаС = f{F, AП = 0,1) каскадного УС-ИФ имеют вид, аналогичный ЛАЧХ однокаскадного УС-ИФ (см. табл. 3.9, рис. 4). Причем ошибка АаС для каскадного УС-ИФ меньше примерно в два раза, так как по отношению к гармоническому воздействию Х П(f) оно представляет собой апериодический фильтр второго порядка, а однокаскадное УС-ИФ - только первого. Для каскадного УС-ИФ, характерный для второго порядка наклон ЛАЧХ, не наблюдается. Это объясняется тем, что в ОЗД превалирующее влияние на ошибку канала синхронизации оказывают режимы замедленной дискретизации сигнала помехи ХП(і), на фоне которых второй порядок частотной характеристики визуально скрадывается. Кроме того, данное обстоятельство лишний раз подтверждает, что в ОЗД представление импульсных систем «эквивалентными» линейными звеньями является некорректным.
Разомкнутые интегрирующие фазосдвигающие устройства 188 4.3.1. Число-импульсные фазосдвигающие устройства
Импульсный характер выходного сигнала РП позволяет с помощью простых схемотехнических приемов реализовывать на его основе ДН с потенциально разделенным входом на основе дифференцирующих трансформаторов, либо оптоэлектронной гальванической развязки. Схемотехника таких датчиков подробна рассмотрена автором в работах [196, 209]. Для повышения температурной стабильности ДН (ДТ) может быть использован метод противофазно примыкающих циклов развертывающего преобразования, впервые предложенный автором в работах [210, 320, 321].
Отличительной особенностью адаптивной СИФУ является то, что цифровой фильтр ЦФ, включенный на выходе датчика тока ДТ (см. рис. 6.3), работает синхронно на частоте дискретизации ТП и выполнен на основе реверсивного число-импульсного АЦП с амплитудно-частотно-импульсной модуляцией, впервые предложенного автором в работе [211] и подробно рассмотренного в п. 5.2.2. Синхроимпульсы для число-импульсного АЦП формируются из выходных импульсов ГКИ-А, ГКИ-В, ГКИ-С (см. рис. 6.3) путем их суммирования при помощи логического элемента «3ИЛИ» и следуют друг за другом через 60 эл. град. Применение интегрирующего АЦП с АЧИМ в качестве ЦФ позволяет не только повысить помехоустойчивость в канале «датчик–АЦП», но и обеспечивает автоматическую автоподстройку его постоянной времени при изменении частоты питающего напряжения за счет тактовых импульсов, синхронизированных с сетью, а также подавление пульсирующей составляющей тока якоря, равной 300 Гц для трехфазной мостовой и 150 Гц для трехфазной нулевой схем выпрямления, и являющейся помехой для системы управления в целом [38, 102, 108].
Анализ статических характеристик реверсивного ТП в условиях нестабильности амплитуды (см. табл. 6.1, рис. 1) и частоты (см. табл. 6.1, рис. 2) напряжения сети проведен для двух типов СИФУ: - СИФУ с «вертикальным» принципом управления, которая на сегодняшний день широко применяется в современных ТП и построена на базе традиционного каскада «фильтр-УС-НФ» (см. п. 3.3.1), в котором фильтр создает, например, начальный фазовый сдвиг осФ = -20 эл. град, а РЭ - осР = -10 эл. град (табл. 6.3, рис. 1 а, б), и ФСУ с выборкой мгновенных значений сигнала управления (см. п. 4.2); - адаптивной интегрирующей СИФУ (см. п. 6.2), в которой глубина синхронизации в адаптивном УС-ИФ (см. табл. 6.2, рис. 1) была принята АС = 4,0, относительная постоянная времени интегратора в замкнутом интегрирующем ФСУ (см. табл. 6.2, рис. 3) ТИ =2,5, а коэффициент коррекции динамических характеристик кВХ = 0,44. При этом следует отметить, что выбор данных параметров, как будет показано ниже, оказывает сильное влияние только на динамику и помехоустойчивость преобразователя, а не на его статические характеристики.
Исследование реверсивного ТП проводилось в разомкнутой структуре при работе преобразователя на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС, имитируемой с помощью нагрузочно-питающего устройства, впервые предложенного автором в работе [212], в режиме поддержания постоянного тока нагрузки, что позволяет легко организовать в ТП как выпрямительный, так и инверторный режимы.
Для получения разомкнутой структуры реверсивного ТП в функциональной схеме электропривода постоянного тока (см. рис. 6.3) сигнал задания ХЗАД подавался непосредственно на вход ПХ и одновременно на первый вход ЛПУ, определяющего направление тока в ТП. Начальный угол управления осо соответствовал 90 эл. град при напряжении ХСМ = 0.
Анализ характеристик, представленных в табл. 6.3-6.4 и полученных на основании методики исследования (см. п. 6.1), позволяет сделать следующие выводы:
При нестабильности амплитуды напряжения сети в ТП с «вертикальной» СИФУ угол управления аУъ увеличивается (уменьшается) на величину ошибки угла синхронизации АаС (см. табл. 6.3, рис. 1 в, г), вносимой зоной неоднозначности ±Ь РЭ в каскаде «фильтр-УС-НФ», так как сигнал пилообразной развертки в ФСУ смещается по фазе на угол АаС (см. табл. 6.3, рис. 1 г). В результате этого абсолютная ошибка угла управления АосУ на выходе ФСУ равна нулю, а абсолютная ошибка угла синхронизации АосС и результирующая ошибка угла управления АосУх совпадают, что подтвер ждают пространства статического состояния АаС, ЛосУ = f(Х ВХ,AA С (см. табл. 6.3, рис. 2 а). Здесь ХВХ = ХВХ/А - нормированное значение входного сигнала ХВХ относительно амплитуды ±А пилообразного напряжения в ФСУ с «вертикальным» принципом управления (см. табл. 6.3, рис. 1 г). Ошибки ДосС и ДосУх не зависят от сигнала задания ХВХ, т.к. ДосУ = 0, а определяются лишь нестабильностью амплитуды АA С напряжения сети (см. табл. 6.3, рис. 2 а). Причем смещение ошибок ДосС и ДосУх проявляется сильнее при «просадках» напряжения сети, чем при «всплесках». Это объясняется тем, что скорость нарастания напряжения сети в точках перехода через ноль существенно снижается при уменьшении амплитуды по сравнению с ее увеличением (см. табл. 6.3, рис. 1 б), что, в конечном итоге, приводит к возникновению «большей» ошибки угла синхронизации ДосС в каскаде «фильтр-УС-НФ», а, значит, и угла управления 0СУЕ (см. табл. 6.3, рис. 1 в, г).
В результате этого регулировочная характеристика ТП с «вертикальной» СИФУ в условиях нестабильности амплитуды напряжения сети смещается параллельно исходной, снятой при номинальных параметрах сети (см. табл. 6.3, рис. 3). Так, например, при «просадке» амплитуды напряжения сети на 50 % (АA С = -0,5) характеристика смещается вверх примерно на 10 эл. град, что приводит к опрокидыванию ведомого инвертора группы «Вперед» в области максимального угла управления остах и уменьшению диапазона регулирования, а, значит, и среднего значения выпрямленного напряжения на выходе ТП в области минимального угла управления ат;п. Наоборот, при «всплесках» напряжения сети (АA С =0,5) происходит опрокидывание ведомого инвертора группы «Назад» в области ат;п и уменьшение диапазона регулирования угла управления в области остах (см. табл. 6.3, рис. 3). Причем смещение регулировочной характеристики системы управления проявляется сильнее при «просадках» напряжения сети, чем при «всплесках» по той же причине, что и смещение ошибок ДосС и ДосУх на пространстве статического состояния (см. табл. 6.3, рис. 2 а).
Похожие диссертации на Методы развертывающего преобразования в управлении силовыми вентильными преобразователями
