Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ энергетических процессов в замкнутых системах элелетроприводов 19
1.1. Методика анализа электромагнитных процессов в энергоподсистеме .19
1.2. Моделирование электромагнитных процессов в энергоподсистеме .40
1.3. Моделирование в области генераторного режима 44
1.4. Моделирование при отсутствии режима рекуперации
1.6. Моделирование в режиме периодического реверса скорости .47
1.7. Выводы по главе 1 54
Глава 2. Математическое описание и моделирование активного выпрямителя напряжения с предлагаемой системой управления в среде Matlab/Simulink
2.1. Обзор существующих структур активных преобразователей 55
2.2. Исследование статических характеристик АПП .61
2.3. Исследование динамических характеристик АПП .69
2.4. Модельное исследование АПП в замкнутой по току и по напряжению системе 71
2.5. Модель активного выпрямителя напряжения 74
2.6. Преобразование координат 76
2.7. Двухконтурная система подчиненного регулирования АВН .77
2.8. Моделирование системы управления трехфазным активным выпрямителем напряжения с преобразованием координат .82
2.9. Настройка системы управления АВН .85
2.10. Моделирование цифрового управления АВН .93
2.11. Методика определения составляющих полной мощности 95
2.12. Моделирование трехфазного АВН с двухконтурной системой управления
2.13. Выводы по главе 2 105
Глава 3. Синтез системы фазовой автоподстройки частоты для активного выпрямителя напряжения в составе системы управления электропривода с двухсторонним обменом энергией 107
3.1. Описание структуры ФАПЧ 109
3.2. Синхронизация фазы управления с фазой питающей сети 110
3.3. Синтез системы управления УГ 115
3.4. Синтез цифровой ФАПЧ 119
3.5. Результаты моделирования системы фазовой автоподстройки частоты
3.6. Оценка влияния искажений сетевого напряжения на работу активного выпрямителя .123
3.7. Результаты моделирования работы трехфазного активного выпрямителя напряжения с синтезированной системой фазовой автоподстройки частоты .125
3.8. Выводы по главе 3 127
Глава 4. Экспериментальное исследование синтезированной системы фазовой автоподстройки частоты 129
4.1. Описание лабораторного стенда .129
4.2. Описание используемых датчиков модуля АВН .130
4.3. Описание модуля контроллера 134
4.4. Описание модуля усилителя мощности .141
4.5. Программно-математическое обеспечение 143
4.6. Результаты исследования .144
4.7. Выводы по главе 4 146
Глава 5. Математическая модель энергоподсистемы: электропривода азимутальной оси опорно-поворотного устройства см-638, телескопа траекторных измерений алтайского оптико-лазерного центра .147
5.1. Моделирование энергоподсистемы вентильного двигателя 147
5.2. Анализ энергетических процессов в энергоподсистеме электропривода ОПУ
СМ-638 154
5.3. Исследование работы АВН в системе электродвигателей Большого Алтайского телескопа .161
5.4. Выводы по главе 5 169
Заключение .171
Список литературных источников .1
- Моделирование в области генераторного режима
- Модельное исследование АПП в замкнутой по току и по напряжению системе
- Синхронизация фазы управления с фазой питающей сети
- Описание модуля усилителя мощности
Введение к работе
Актуальность работы
Современные тенденции в области проектирования опорно-поворотных
устройств (ОПУ) оптических телескопов различного назначения предполагают
применение в таких системах следящих безредукторных электроприводов (ЭП)
на базе моментных электромашин и высокоэффективных импульсных
усилителей мощности с явно выраженным звеном постоянного тока (ЗПТ).
Реализация предельных динамических возможностей современных
исполнительных устройств требует от энергоподсистемы обеспечения работы во всех четырех квадратах плоскости механических характеристик с высокими техническими (энергетическими) и эксплуатационными показателями.
В тяжелых ЭП кинетическая энергия, накапливаемая в маховых массах,
может достигать 2-3 кДж. На интервале торможения в таких системах
наблюдаются процессы рекуперации кинетической энергии в ЗПТ, при этом
энергия рекуперации вращающихся частей может достигать сотен Джоулей и
приводить к значительному и опасному для коммутирующего оборудования
превышению напряжения в ЗПТ при накоплении этой энергии в конденсаторе
силового фильтра (СФ). Для создания систем управления (СУ)
энергоэфективных ЭП как постоянного, так и переменного тока с обратимым характером энергопотребления повышение энергетической эффективности и электромагнитной совместимости с питающей сетью можно обеспечить применением полупроводниковых преобразователей (ПП) на полностью управляемых силовых ключах и импульсно-модуляционных методов управления, реализуемых на современных микроконтроллерных средствах вычислительной техники. Соответствующие схемы ПП получили название полностью управляемых или активных преобразователей (АП). Учитывая постоянное ужесточение требований к качеству энергопотребления (в России эта тенденция отражается в пересмотре требований, предъявляемых к показателям качества электроэнергии ГОСТ 13109-97 и ГОСТ Р 51317.3.2.-99 (МЭК 61000-3-2-95), и введении новых ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.12, ГОСТ Р 54149-2010) и энергоемкости (на конец 2009 года энергоёмкость ВВП России была вдвое выше энергоёмкости Китая и в 2,5—3,5 раза выше, чем в США и странах Европы, в связи с чем была разработана государственная программа «Энергосбережение и повышение энергоэффективности Российской Федерации на перспективу до 2020 года», в рамках которой планируется достигнуть 40% снижения энергоемкости российского ВВП от уровня 2007 года. Под энергоёмкостью в данном случае понимается величина потребления энергии и (или) топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, на базе заданной технологической системы), разработка методик теоретического анализа и синтеза АП в СУ энергоэффективными ЭП и создание математических моделей сложных подсистем «первичный источник питания – активный выпрямитель напряжения (АВН) - СФ -двигатель», позволяющих улучшить эксплуатационные
характеристики замкнутых систем (ЗС) ЭП, связанных с повышением
энергетической эффективности и улучшением электромагнитной
совместимости с питающей сетью, является вполне актуальной.
Степень разработанности темы:
Проблемам повышения качества энергопотребления и эффективности и
разработки АП посвящены труды Р.Т. Шрейнера, С.Г. Германа-Галкина, П.А.
Борисова, В.С. Томасова, А.А. Ефимова, М.В Пронина, А.Г. Воронцова и др. В
их работах описаны характер энергетических процессов в энергоподсистемах
на базе АП и основные принципы создания замкнутых систем управления ими.
Однако, как правило, этих работах не учитываются вопросы реализации
синхронизации АП с питающей сетью в системах управления
исполнительными устройствами. В свою очередь, Дроздов В.Н., Григорьев В.В., а среди зарубежных авторов – W.F. Egan, F.M. Gardner, R.E. Best в своих работа излагали методы синтеза систем ФАПЧ, которые, однако, были ориентированы на применение в радиотехнических устройствах, не учитывали специфику синхронизации с питающей сетью и не были формализованы в рамках метода пространства состояний, что значительно упрощает разработку систем управления с ФАПЧ с использованием современных математических пакетов.
Цель и задачи работы. Целью работы является теоретический анализ и синтез АВН в СУ энергоэффективными ЭП, обеспечивающих улучшение их технических и эксплуатационных характеристик и энергетических показателей.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
Анализ электромагнитных и электромеханических процессов в энергоподсистеме ЗС ЭП.
-
Создание математической модели АВН для СУ следящими ЭП, в том числе телескопов траекторных измерений со значительными моментами инерции.
-
Анализ влияния искажений входного напряжения на эффективность работы АВН и разработка математических моделей, позволяющих проводить анализ эксплуатационных характеристик устройства, связанных с составляющими полной мощности, потребляемой из сети.
-
Разработка метода синтеза ФАПЧ с применением метода пространства состояний для обеспечения синхронизации АВН с фазой и частотой первой гармоники напряжения сети.
-
Разработка СУ трехфазным АВН, устойчивой к гармоническим искажениям входного напряжения выпрямителя для СУ ЭП ОПУ телескопа траекторных измерений, обладающего значительными маховыми массами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались методы теории автоматического управления, методы теории электрических цепей, методы теории электропривода, основы теории преобразовательной техники, методы гармонического анализа, методы математического моделирование сложных систем в среде MATLAB/ SIMULINK.
Научная новизна. Новизна и теоретическая значимость результатов работы состоит в следующем:
- разработаны комплексы математических моделей «питающая сеть
переменного тока – АВН – СФ – инвертор с широтно-импульсной модуляцией
(ШИМ) – электромашина», позволяющего установить зависимости
эксплуатационных характеристик системы, связанных с энергетическими
показателями, от параметров и режима работы ЗС ЭП с большими маховыми
массами;
- на основе анализа электромагнитных и электромеханических процессов
в энергоподсистеме ЗС ЭП получены аналитические выражения для расчета
рекуперируемой энергии и средней мощности системы, позволяющие оценить
ее эксплуатационные характеристики, связанные с энергоемкостью и
энергетическими показателями в заданном режиме работы;
- синтезирована система ФАПЧ с использованием формализма
пространства состояний для СУ АВН, позволяющая подавлять высшие
гармоники входного сигнала для АВН в СУ ЭП, обеспечивающая улучшение
эксплуатационных характеристик, связанных с составляющими полной
мощности, потребляемой из сети;
- разработана математическая модель «питающая сеть переменного тока –
АВН – СФ – инвертор с синусоидальной ШИМ – трехсекционный вентильный
двигатель», учитывающая параметры ЭП азимутальной оси ОПУ СМ-638,
телескопа траекторных измерений Алтайского оптико-лазерного центра ОАО
«НПК «СПП»».
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод синтеза системы ФАПЧ для АВН в составе СУ ЭП с двухсторонним обменом энергией, которая позволяет осуществить синхронизацию с 1-й гармоникой сетевого напряжения и тем самым улучшить эксплуатационные характеристики ЭП, связанные с составом полной мощности, потребляемой из сети.
-
Метод анализа и синтеза двухконтурной СУ АВН в ЗС ЭП, обеспечивающей устойчивую работу при заданном диапазоне потребляемых токов и высокие энергетические показатели, независящие от искажений сетевого напряжения.
-
Аналитические соотношения для расчета рекуперируемой энергии и средней мощности системы и математическая модель энергоподсистемы: «питающая сеть переменного тока – АВН – СФ – инвертор с синусоидальной ШИМ – трехсекционный вентильный двигатель», учитывающая параметры ЭП азимутальной оси ОПУ СМ-638, телескопа траекторных измерений Алтайского оптико-лазерного центра ОАО «НПК «СПП»».
Практическая ценность результатов работы заключается в разработке
практических рекомендаций по построению энергоподсистем ЗС ЭП с
двухсторонним обменом энергией на основе АП с обеспечением и сохранением
высоких качественных и эксплуатационных характеристик, связанных с
энергоемкостью, электромагнитной совместимостью и качеством
энергопотребления, с учетом типа первичного источника и соотношения его мощности к мощности, потребляемой нагрузкой, массогабаритных показателей и установленной мощности электрооборудования, типа электромеханического преобразователя и требований, возлагаемых на СУ. Разработанные инженерные методы синтеза системы ФАПЧ позволили создать СУ, способную обеспечивать и поддерживать заданные качественные и эксплуатационные характеристики.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:
-
При разработке и исследованиях систем прецизионного ЭП телескопов траекторных измерений в рамках хоздоговорной опытно-конструкторской работы №29921 «Разработка РКД и изготовление цифрового электросилового привода Телескопа ТИ-3.12» (шифр – «Стажер-СП») проводимой по заказу ОАО Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения».
-
При разработке и исследовании лабораторного стенда АВН в рамках НИР № 713567 «Исследование, анализ и синтез электромеханических систем с двухсторонним обменом энергией», проводимой в Университете ИТМО Международной Научной Лабораторией «Силовая электроника и автоматизированный электропривод».
-
При разработке нового раздела дисциплины "Проектирование полупроводниковых преобразователей" для студентов, обучающихся по направлению 140400 "Электроэнергетика и электротехника".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее
результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических
конференциях регионального, федерального и международного уровня: VI, VII,
VIII, всероссийской межвузовской конференции молодых ученых и XXXIX, XL
научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, I, II, III, IV
Всероссийском конгрессе молодых ученых и ХLI, ХLII, ХLIII, XLIV научной и
учебно-методической конференции НИУ ИТМО, а также VI Международной
(XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу
(Тульский государственный университет), VII Международной (XVIII
Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП–
2012 (Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.
Ленина), VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по
автоматизированному электроприводу АЭП–2014 (Национальный
исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск), IEEE International Conference on Intelligent Energy and Power Systems, IEPS 2014 (Киевский Политехнический институт, Киев, Украина), 16th International Conference on Automatic Control, Modelling & Simulation (Брасов, Румыния).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в 11 работах, 1 из которых индексирована в SCOPUS и 5 опубликованы в изданиях, входящих в Перечень ВАК России.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
Моделирование в области генераторного режима
Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях регионального, федерального и международного уровня: VI, VII, VIII, всероссийской межвузовской конференции молодых ученых и XXXIX, XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, I, II, III, IV Всероссийском конгрессе молодых ученых и ХLI, ХLII, ХLIII, XLIV научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО, а также VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Тульский государственный университет), VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП– 2012 (Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина), VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП–2014 (Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск), IEEE International Conference on Intelligent Energy and Power Systems, IEPS 2014 (Киевский Политехнический институт, Киев, Украина), 16th International Conference on Automatic Control, Modelling & Simulation (Брасов, Румыния).
Публикации Основное содержание работы опубликовано в 11 работах, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и SCOPUS: 1) Борисов П.А., Поляков Н.А, Киреев А.А. «Моделирование системы управления трехфазным активным выпрямителем напряжения с преобразованием координат» // Известия Тульского Государственного Университета, Технические науки, выпуск 3, часть 2, 2010. – С. 59-64. 0,375п.л. /0,19 п.л. 2) Поляков Н.А, Борисов П.А., «Синхронизация трехфазных активных выпрямителей напряжения с питающей сетью» // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – № 4 (80) – C. 55-60. 0,375п.л. /0,2 п.л. 3) Абдуллин А. А., Поляков Н. А. Синтез системы фазовой автоподстройки частоты для трехфазного активного выпрямителя напряжения // Известия ВУЗов: Приборостроение. – СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - №12(56).–С. 38-43. 0,375п.л. /0,19 п.л.. 4) Поляков Н.А., Томасов В.С., Борисов П.А. Методика анализа электромагнитных процессов энергоподсистемы электропривода постоянного тока в режиме рекуперации // Вестник ивановского государственного энергетического университета.– Иваново: ИГЭУ им. В.И. Ленина, 2013. – №6.–С.64-70. 0,375п.л. /0,13 п.л. 5) Поляков Н.А., Герман-Галкин С. Г, Звежевич З.Ч. Аналитическое и модельное исследование активного полупроводникового преобразователя в системах электропривода // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2014. - Вып. 3(91). - С. 133-141. 0,56 п.л. /0,19 п.л. 6) Abdullin A.A., Poliakov N.A. Synthesis of a phase locked loop system for a control system of the three-phase active voltage rectifier // IEEE International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS). –Kyev: IEEE, 2014.– P.246-250. 0,31 п.л. /0,16 п.л. (SCOPUS). прочих изданиях: 1) Поляков Н.А. «Исследование трехфазных активных выпрямителей напряжения в системах автоматизированного электропривода» // Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ магистров НИУ ИТМО. – СПб: НИУ ИТМО, 2011. – С. 42–44. 0,13 п.л. /0,13 п.л.
2) Поляков Н.А, Борисов П.А., Томасов В.С. Определение параметров элементов энергоподсистемы замкнутой системы электропривода ШИП-ДПТ // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу.– Иваново: ИГЭУ им. В.И. Ленина, 2012. 0,47/0,17. 3) Поляков Н.А., Золов П.Д. Моделирование работы активного выпрямителя напряжения в электромеханической системе с двухсторонним обменом энергией// Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу. – Саранск: Национальный исследовательский мордовский государственный университет имени Н.П.Огарева, 2014.– Т. 1. –С. 165-169. 0,31 п.л. /0,16 п.л.
4) Поляков Н.А., Борисов П.А., Томасов В.С. Синтез параметров энергоподсистемы электропривода с двигателем постоянного тока из условия токоограничения // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу. – Саранск: Национальный исследовательский мордовский государственный университет имени Н.П.Огарева, 2014.– Т. 1. –С. 183–186. 0,25 п.л. /0,13 п.л.
5) Poliakov N. Borisov P. Evaluation method and modelling of electromagnethic processes in the power stage of closed loop DC drive system in condition of periodic speed reverse with current limitation // Advances in automatic control: proceedings of the 16th international conference on automatic control, modelling and simulation (ACMOS 14).– Brasov, Romania: WSEAS, 2014. – P. 51–59. 0,563 п.л. /0,29 п.л.
Модельное исследование АПП в замкнутой по току и по напряжению системе
Полностью управляемые ключи, на базе которых строится АПП с двусторонним обменом энергией, могут иметь различное исполнение [43]. На Рисунке. 2.1. приведены варианты исполнения ключей для систем с питанием от сети переменного тока, в том числе обеспечивающие работу АПП в режиме рекуперации в питающую сеть (в, г, д).
Для улучшения показателей качества электроэнергии широко применялись и применяются компенсаторы реактивной мощности и пассивные фильтры [44]. Однако, с помощью мощных АПП на современной элементной базе силовой электроники, обеспечивающих двусторонний обмен энергией между приводом и питающей сетью, можно задавать закон управления потоком электроэнергии, как при передаче ее из источника в привод, таки в обратном направлении. На этом принципе основано большинство современных схем активных преобразователей с функциями регулирования качества электроэнергии [9,11,45]. АПП способен выполнять функции активного силового фильтра (АСФ) [9] и корректора коэффициента мощности. Функцией АСФ, по сути, является регулирование качества электроэнергии в питающей сети. АПП, подавляя высшие гармоники тока, создаваемые как непосредственным, так и сторонними нелинейными потребителями, улучшает гармонический состав сетевого тока и уменьшает мощность искажений, производимую устройством. При наличии емкостного или индуктивного накопителя реактивной мощности появляется возможность обмена ей между сетью переменного тока и АП и компенсации реактивной мощности, потребляемой из сети. Таким образом достигается увеличение коэффициента мощности системы.
Методы управления АПП можно разделить на следующие группы по принципу формирования закона управления: стандартные релейные и векторные алгоритмы [43], прогнозирующеее релейно-векторное управление [45]; нечеткое (англ. fuzzy) регулирование, нейросетевое управление [43]. Согласно [43] лучшими динамическими характеристиками обладают системы с прогнозирующим релейно-векторным управлением, системы с нечетким регулированием также могут демонстрировать результаты, превосходящие результаты систем со стандартными методами управления.
АВН [41, 43-46] представляет собой АИН, выполненный на силовых полностью управляемых ключах с (Рисунок 2.2-2.4) и обращенный на сторону переменного тока. Рекуперация энергии осуществляется через управляемые ключи инвертора. НУВ является структурной составляющей АВН, сформированной из обратных диодов.
Так же, как и АИН, АВН формирует токи в фазах сети переменного тока А, В и С путем преобразования постоянного напряжения конденсатора СФ Uс в импульсное напряжение в точках подключения к сети. В отличие от АИН, в АВН нет потребности в регулировании частоты напряжения, т.к. рабочая частота напряжения на зажимах переменного тока АВН постоянна и равна частоте Рисунок 2.2 – Однофазный АВН питающей сети. В точках подключения к питающей сети обычно установлены реакторы, которые служат для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети. Частота коммутации ключей при использовании ШИМ обычно составляет единицы и десятки килогерц, что создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник сетевого тока и позволяет АВН формировать практически синусоидальную форму сетевого тока.
Параметры (индуктивность и активное сопротивление) реактора определяют сдвиг начальной фазы напряжения, приложенного со стороны сети от тока. В свою очередь, АВН позволяет задавать амплитуду и фазовые углы напряжений, приложенных к реакторам со своей стороны. Это дает возможность потреблять из сети синусоидальный ток с заданным фазовым углом, или, что то же самое, задавать значение коэффициента мощности системы.
Потребив из сети переменный, близкий к синусоидальному, ток, АВН преобразует его в пульсирующий выходной ток, переменная составляющая которого замыкается через конденсатор СФ, ограничивающий пульсации напряжения Ud в ЗПТ.
АВН строится по принципу импульсного повышающего напряжение регулятора (ИПНР), что требует наличия в его составе в каждой фазе на стороне переменного тока пусковых дросселей для ограничения пусковых токов системы. Повышение напряжения в таких схемах осуществляется кратковременным (малым по сравнению с периодом основной гармоники напряжения питающей сети) заколачиванием цепи источника через реактор дросселя с помощью полностью управляемых ключей, повышение тока в реакторе, и затем подключение заряженного реактора к конденсатору СФ.
АВН является преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока, который реализует двусторонний энергетический обмен между сетями постоянного и переменного тока аналогично АИН. Двухзвенный ПЧ с АВН обеспечивает двусторонний энергетический обмен между питающей сетью и электрическим двигателем, за счет режима рекуперации энергии в питающую сеть. Благодаря этому на базе АВН можно создавать системы электропривода с высокими эксплуатационными характеристиками, связанными с энергопотреблением и энергоэффективностью. Расчет и проектирование ЭП на базе АВН должен осуществляться с учетом циклограммы работы электропривода, определяющей электромагнитные нагрузки, воздействующие на элементы ЭП. Схемы повышающего типа не предусматривают возможность автономной работы при отключении от сети (на время, равное или превышающее период напряжения сети). Регулирование в системах ЭП на базе АВН или ИПНР осуществляется после окончания переходного процесса при подключении к питающей сети, таким образом можно избежать завышения установленных мощностей [44,47,48]. Пусковые процессы АВН аналогичны процессам в НУВ, поскольку ток заряда конденсатора СФ СФ формируется НУВ из обратных диодов.
В силу принципа ИПНР в ЭП, построенные на базе АВН, напряжение в ЗПТ существенно превышает амплитуду сетевого (линейного) напряжения, что затрудняет их использование при питании непосредственно от сети (бестрансформаторные схемы), это возможно только в высоковольтных установках. Однако при использовании входного понижающего трансформатора АВН могут быть применены в низковольтных установках, при условии, что сопутствующее снижение массогабаритных и энергетических показателей ЭП не является критичным. В общем случае выбор схемы должен быть обоснован с позиций технических и экономических требований к устройству.
Синхронизация фазы управления с фазой питающей сети
Двухконтурная система подчиненного регулирования АВН с раздельным управлением по проекциям обобщенного вектора сетевого тока во внутреннем контуре тока и внешним контуром стабилизации напряжения конденсатора СФ ЗПТ представлена на Рисунке 2.20. Помимо вышеперечисленных блоков в систему входят пропорциональный регулятор (П-регулятор) контура стабилизации напряжения конденсатора СФ ЗПТ и блок токоограничения. Блок токоограничения является обязательным элементом системы регулирования АВН, позволяя ограничить электромагнитные нагрузки на элементы АВН на заданном уровне.
Блок преобразования координат «XY-ABC» осуществляет преобразование проекций IX и IY обобщенного вектора сетевого тока из вращающейся системы координат к трехфазной системе токов iA, iB, iC в соответствии с формулами (2.19). Блок релейных регуляторов включает три канала, реализующих «токовый коридор», который является одним из способов обеспечения гармонической Рисунок 2.21 – Блок преобразования координат формы сетевых токов [9,46,57,58]. Блок управления включением/выключением АВН обеспечивает включение АВН в заданный момент времени. Схема блока “XY-ABC” представлена на Рисунке 2.21. Блок релейных регуляторов (Рисунок 2.22) включает три канала, реализующих “токовый коридор” для обеспечения гармонической формы сетевых токов (Рисунок 2.23).
Так же в систему входит блок пропорционального регулятора (П-регулятор) для стабилизации контура напряжения Uc на конденсаторе CФ и блок токоограничения. Блок токоограничения является необходимым элементом системы регулирования активного выпрямителя и позволяет ограничить электромагнитные нагрузки на элементы выпрямителя на определенном уровне.
На вход регулятора системы управления Iх подается постоянный единичный сигнал, соответствующий заданию тока в 1 А, на вход Iy подается ноль. На вход Iabc подается сигнал с источника, соответствующий амплитуде и фазе токов в фазах питающей сети Ia, Ib, Ic . На Рисунке 2.23 для фазы А ему соответствует синусоидальный сигнал с единичной амплитудой Ia. На выходе блока преобразующего координаты (Рисунок 2.21) формируются три сигнала задания, задающие амплитуду и фазу тока в питающей сети. На Рисунке 2.23 этому сигналу соответствует синусоидальный сигнал с единичной амплитудой Ia . Сигналы ошибки, которые рассчитываются как разность сигнала задания и измеренного значения тока, поступают в блок релейных регуляторов. На Рисунке 2.23 этот сигнал обозначен как Up_a. Релейный регулятор задает величину токового коридора, определяющего условия коммутации ключей. В общем случае, верхний ключ плеча VT1 коммутируется в случае превышения Up_a на некоторое положительное изменение значения, а VT2 на отрицательное изменение соответственно. Следовательно, моменты включения и выключения транзисторов катодной пары определяются сигналом управления Up_a и величиной токового коридора, задаваемого в релейном регуляторе. При небольших значениях отклонений тока фазы от задающего воздействия можно считать, что коммутация ключа катодной группы происходит при изменении знака управляющего воздействия Up с отрицательного на положительный, в противном случае коммутируется ключ анодной группы.
Далее будет рассмотрен пример выбора и настройки регулятора для АВН для энергоподсистемы ЗС ЭП с двухконтурной системой подчиненного регулирования, замкнутой по току (технический оптимум) и скорости (симметричный оптимум).
Электропривод рассматриваемой системы построен на основе ДПТ ПБВ 132L. Его номинальный ток якоря ДПТ 1П=50 А, момент инерции вала ДПТ Jdv=0,24 кг м2, номинальная угловая скорость двигателя wn = 62,8 рад/с. В системе задано ограничение тока на уровне 125 А Момент инерции вращающихся масс на валу ДПТ равен 8 Jdv. Напряжение в ЗПТ - 70 В.
Величина емкости для полной рекуперации кинетической энергии системы при торможении с уровня номинальной скорости может быть найдена с помощью методики, описанной в главе 1 диссертации. Кинетическая энергия вращающихся масс ДПТ равна(2.23) [59]:
Как уже было указано ранее, АВН формирует в ЗПТ напряжение выше линейного напряжения сети[13-14, 44-46, 49, 53]. Однако, в данном случае даже система с НУВ потребовала бы применения сетевого понижающего трансформатора[41]. В данном случае расчет трансформатора опущен, и его вторичная обмотка представлена в виде идеального трехфазного источника напряжения. На Рисунке 2.30 приведена модель контура напряжения, на Рисунке 2.31– модель формирования управляющих импульсов для силовых ключей АВН (для фазы А). Она состоит из системы фазовой синхронизации, выполняющей функции системы фазовой автоподстройки частоты [15, 54] и контура тока с ПИ-регулятором. Для фаз B и C структура аналогична.
Для работы на постоянную активно –индуктивную нагрузку в такой системе достаточно использовать П-регулятор в контуре регулирования напряжения ЗПТ. Однако, рассмотрим выходные вольтамперные характеристики (ВАХ) АВН при различных коэффициентах Kp П-регулятора (Рисунок 2.32). Изменение пропорционального коэффициента приводит к уменьшению жесткости ВАХ. При этом, с увеличением Kp уменьшается диапазон регулирования токов. Таким образом, система с П-регулятором мало применима для энергоподсистем, ориентированных на регулирование в широком диапазоне выходных мощностей[59]. 60 50 40 30 20 10 В
Для обеспечения постоянной жесткости ВАХ АВН в широком диапазоне регулирования токов в контур стабилизации напряжения в ЗПТ вводится интегрирующее звено. АВН является нелинейной динамической системой с дискретно изменяющимися параметрами [15,49], и его настройка классическими методами подчиненного регулирования затруднительна, поэтому выбранные коэффициенты регулятора были получены исходя из характера переходного процесса по напряжению в ЗПТ и требуемой жесткости ВАХ [59]. Схема регулятора контура напряжения АВН представлена на Рисунке 2.33
В данном случае на регулятор возлагается задача обеспечения устойчивой работы системы при изменении тока в диапазоне от 0 до уровня токоограничения. Как видно из полученных характеристик работы АВН (Рисунок 2.34), при потребляемом токе от 0 до 125 А, т.е. система при номинальном напряжении обеспечивает токи вплоть до уровня токоограничения, выбранного исходя из динамических характеристик ЗС ЭП [59].
На Рисунке 2.35 представлены результаты моделирования ЗСЭП с АВН, в которой осуществляется задание скорости по гармоническому закону с частотой wz.Скачкообразное изменение мгновенной мощности при достижении максимальной скорости (Рисунок 2.35, г) – связаны с наличием нагрузочного момента, который действует согласно с моментом машины на участке торможения. Изменение потребления энергии на начальном этапе торможения вызывают краткосрочный переходный процесс в АВН (Рисунок 2.35, в).
Описание модуля усилителя мощности
При несинусоидальном фазном напряжении АВН, с учетом синхронизации с питающей сетью, способен обеспечивать существенное улучшение гармонического состава тока в фазе питающей сети по сравнению с неуправляемым выпрямителем, при условии синхронизации с первой гармоникой фазного напряжения. Создана модель цифровой системы управления АВН, учитывающая частоту дискретизации и разрядность квантования сигналов, и произведено модельное исследование влияния параметров цифрового управления на форму тока питающей сети и показатели качества энергопотребления. Разработанная в пакете MATLAB модель системы электропривода с активным выпрямителем позволяет исследовать различные режимы работы активного выпрямителя напряжения и выбирать параметры элементов энерго- и информационной подсистем исходя из заданных требований к системе электропривода и сети, а также осуществить анализ энергетических характеристик системы с заданными параметрами. На основании полученных зависимостей установлено, что в системах управления АВН нецелесообразно применять аналого-цифровые преобразователи с частотой дискретизации менее 10 кГц. Ограничение для максимально возможной частоты дискретизации возможно определить на основе коммутационных потерь.
Проведенное моделирование подтверждает работоспособность предложенной системы управления АВН на основе ФАПЧ. Показано, что в такой системе отсутствует реактивная составляющая полной мощности, как и в случае с работой АВН в идеальной сети. При этом за счет применения ФАПЧ из управления может быть исключено преобразование координат, если функция корректора коэффициента мощности АВН сведена к поддержанию коэффициента мощности равным единице.
Для апробации результатов работы был разработан лабораторный стенд АВН. В его состав входят: модуль АВН, трехфазный лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), управляющего компьютера и специализированного программно-математического обеспечения. Алгоритмы системы управления реализованы среде Simulink, выполняются на управляющем компьютере и передаются в микроконтроллер модуля АВН при помощи ядра реального времени Simulink Desktop Realime. Аппаратная задержка этой системы в силу использования программного обеспечения под ОС Windows составляет 1 мс, таким образом, максимальная частота дискретизации составляет 1 кГц. Компьютер связан с микроконтроллером платы управления по протоколу CAN.
Модуль АВН (Рисунок 4.1) представляет собой комплект из двух плат. Плата усилителя мощности реализована на основе интеллектуального силового модуля IGBT PS21997-4. ЗПТ реализовано в виде конденсатора. На плате также размещены датчики напряжения и тока в каждой фазе и звене постоянного тока. Плата микроконтроллера содержит сам микроконтроллер Texas Instruments TMS320F8335, масштабирующие усилители и фильтры датчиков, а также разъем CAN.
В общем случае получение информационной системой активного преобразователя информации о токе в фазе применяются датчики тока одного из стандартных типов. Выходной сигнал датчика фильтруется, а затем проходит через аналого-цифровой преобразователь, в данном случае, входящий в состава микроконтроллера.
В лабораторном стенде применены датчики тока на основе измерительных шунтов с малым сопротивлением. Измеренное на них падение напряжения фильтруется на аналоговом ФНЧ, представленным RC цепью, постоянная времени которой 7\ = RC = 1 мкС при R = 100 Ом, С=0.01 мкФ. Затем сигнал проходит через изолирующий усилитель, осуществляющий гальваническую развязку силовой части и микроконтроллера. После масштабирования на изолирующем усилителе сигналы, которые поступают на микроконтроллер, имеют диапазон изменения ±0.2 В. Это обеспечивает отсутствие линейных искажений в сигнале датчиков. Соотношение (4.1) позволяет вычислить диапазон измеряемой датчиком амплитуды тока:
Изолирующий усилитель имеет коэффициент передачи Кш = 8. Выработанный дифференциальный сигнал поступает на вход усилителя разностного сигнала, который вырабатывает на выходе напряжение с коэффициентом передачи К=0,2 относительно «нуля» микроконтроллера. Высокочастотные искажения фильтруются выходным ФНЧ, с постоянной времени при R = 10 кОм, С=10 нФ равной Т2 = RC = ОД мС
Затем сигнал проходит через операционный усилитель. Коэффициент усиления Кои = 2, смещение +1,5 вольта. Таким образом, сигнал нормируется от 0 до 3 В и поступает на вход АЦП микроконтроллера. Его разрядность составляет 14 бит, что дает - 214 = 16384 уровней квантования.
Микроконтроллер записывает 14-разрядное число на выходе АЦП в 14 старших разрядов 16-битного регистра, и в таком виде передает его на управляющий компьютер. Таким образом, в системе управления, реализованной на управляющем компьютере, сигналу от 0 до 3В соответствует диапазон кодов АЦП от 0 до 65536. С помощью выражения (4.3) можно осуществить обратный переход к амперам: