Прогнозуюче управління випрямлячем, що навантажений двигуном постійного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

«ХАРКIВСЬКИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ IНСТИТУТ»

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.12 - напiвпровiдниковi перетворювачі електроенергії

ПРОГНОЗУЮЧЕ УПРАВЛІННЯ ВИПРЯМЛЯЧЕМ,

ЩО НАВАНТАЖЕНИЙ ДВИГУНОМ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Кіяшко Борис Олександрович

Харкiв - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі промислової і біомедичної електроніки Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Сокол Євген Іванович,

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»,

проректор з науково-педагогічної роботи,

завідувач кафедри промислової і біомедичної електроніки

Науковий консультант кандидат медичних наук, доцент

Лісова Марія Аршавірівна,

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»,

професор кафедри промислової і біомедичної електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Жуйков Валерій Якович,

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»,

декан факультету електроніки

кандидат технічних наук, доцент

Олексіївський Дмитро Геннадійович,

Запорізька державна інженерна академія,

доцент кафедри електронних систем

Захист відбудеться « 15 » жовтня 2009 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут», за адресою: 61002, м. Харків-2, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут»

Автореферат розісланий «14» вересня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Осичев О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідникові перетворювачі постійного струму активно застосовуються в цілому ряді галузей промисловості, наприклад в системах живлення головного привода прокатних станів, де струми досягають приблизно 20 кА, а пікова потужність - до 20 мВт і більше. За даними основних виробників перетворювальної техніки зараз встановилося досить стійке співвідношення обсягів виробництва електроприводів постійного та змінного струму. Розвиток електроприводів постійного струму став можливий завдяки інтенсивному дослідженню характеристик тиристорного перетворювача постійного струму як елемента системи автоматичного регулювання. Значний внесок в цьому напрямку зробили Булгаков А.А., Слежановський О.В., Шипілло В.П., Поздєєв А.Д., Перельмутер В.М., Жемеров Г.Г. та інші відомі вчені. Поява та розвиток мікропроцесорних систем і мікроконтролерів дає перспективні можливості реалізації принципово нових систем управління пристроями перетворення параметрів електричної енергії. Разом із тим, застосування алгоритмів управління, що використовуються в аналогових системах, в дискретних мікропроцесорних системах призводить до погіршення динамічних характеристик перетворювачів.

Актуальною є задача підвищення ефективності тиристорних перетворювачів для електроприводів постійного струму шляхом розробки цифрових систем управління та спеціальних алгоритмів обробки в реальному масштабі часу. Швидкий розвиток обчислювальних систем і пристроїв робить такий шлях одним з основних напрямів розвитку перетворювальної техніки та складає напрямок дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі промислової та біомедичної електроніки НТУ «ХПІ» відповідно до програми МОН України, напрямок 04 «Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології» в межах НДР МОН України «Розробка теоретичних основ і дослідження компенсованих керованих випрямлячів» (№ ДР 0103U001542) та госпдоговірної НДР «Пряме мікропроцесорне керування випрямлячем за обчислювальним прогнозом» (АТ «Елтехком», м. Харків).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розробка методів прямого прогнозуючого мікропроцесорного управління випрямлячами, що навантажені двигуном постійного струму, а також розробці на цій основі систем прямого прогнозуючого мікропроцесорного управління випрямлячами з покращеними динамічними характеристиками.

Поставлена мета вимагає розв'язання наступних задач:

-дослідження електромагнітних процесів у системі напівпровідниковий перетворювач - двигун постійного струму;

-розробка та дослідження математичних прогнозуючих моделей управління напівпровідниковим перетворювачем, навантаженим двигуном постійного струму;

-розробка та дослідження алгоритмів прямого прогнозуючого мікропроцесорного управління напівпровідниковим перетворювачем;

-оцінка стійкості системи напівпровідниковий перетворювач - двигун постійного струму у режимах максимальної швидкодії;

-розробка математичних та фізичних моделей напівпровідникових перетворювачів з мікропроцесорним управлінням, що дозволяє виконувати порівняльний аналіз очікуваних експлуатаційних характеристик електроприводу постійного струму.

Об'єктом дослідження є електродинамічні процеси у напівпровідниковому перетворювачу, що навантажений на двигун постійного струму та визначення алгоритмів мікропроцесорного управління випрямлячем.

Предмет дослідження - перетворювач з системою регулювання двигуном постійного струму, що складається із силового тиристорного блоку - випрямляча змінної напруги мережі в постійну та мікропроцесорної системи управління із зворотними зв'язками по струму, напрузі та частоті обертів, котра діє на силовий блок.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувалися: класичні методи розв'язання систем диференційних і алгебраїчних рівнянь при аналізі електромагнітних процесів і характеристик систем керування; імпульсна модель перетворювача та дискретні перетворювання Лапласа (z-перетворювання) для аналізу стійкості систем керування; чисельне моделювання роботи системи керування з прогнозним управлінням на основі пакету прикладних програм Matlab.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

-отримала подальший розвиток теорія прямого прогнозуючого мікропроцесорного управління перетворювачами постійного струму;

-розроблені нові алгоритми та система прогнозного регулювання струму перетворювача на підставі прогнозування процесів, які протікають у силовому колі перетворювача, що навантажений двигуном постійного струму. Розроблений алгоритм управління передбачає використання у мікропроцесорних системах управління;

-розроблено оригінальну методику оцінки стійкості системи напівпровідниковий перетворювач - двигун постійного струму у режимах максимальної швидкодії;

-розроблено нову методику математичного моделювання на підставі бібліотечних моделей пакетів розширення Power System Blockset, Simulink програмного середовища MATLAB, що дозволяє виконувати порівняльний аналіз очікуваних експлуатаційних характеристик електроприводу постійного струму.

Практичне значення одержаних результатів для розвитку систем керування електроприводів полягає в методиці побудови алгоритмів прямого мікропроцесорного управління напівпровідниковими перетворювачами, що забезпечують максимальну швидкодію для поліпшення динамічних характеристик та покращення енергетичних показників електроприводів постійного струму.

Розроблені та обґрунтовані алгоритми прогнозного управління можуть бути використані для широкої гами електроприводів у різних галузях виробництва та знайшли практичне застосування в системах керування перетворювачів виробництва ДП ХЕМЗ (м. Харків).

Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі на кафедрі промислової та біомедичної електроніки НТУ «ХПІ» в курсах лекцій «Перетворювачі для електроприводу».

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, приведені у дисертації, отримані здобувачем особисто. Серед них: складання моделі прогнозного управління випрямлячем, що навантажений двигуном постійного струму; створення алгоритму прогнозного управління випрямлячем; визначення між стійкості систем регулювання струму з прогнозним управлінням за присутності вихідного фільтру датчика струму; визначення структур статичної та астатичної систем регулювання швидкості; складення алгоритму обчислювання функціоналу в мікропроцесорній системі управління; розробка способу синхронізації роботи системи управління із мережею живлення.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися i обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції «Силова електроніка та енергоефективність» (м. Алушта, 2005, 2006, 2008 рр.), Міжнародній конференції «Проблемі сучасної електротехніки» (м. Київ, 2005, 2008 рр.), семінарах Національної академії наук Україні з комплексної проблеми «Наукові основи електроенергетики» «Силова та біомедична електроніка» (м. Харків, 2006 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, із них

5 статей у наукових фахових виданнях ВАК України, 2 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4-х розділів, висновків, 3-х додатків і списку літературних джерел. Повний обсяг дисертації складає 183 сторінок, з них 1 ілюстрація на 1 сторонці, 92 ілюстрації по тексту та 2 таблиці по тексту; 3 додатки на 8 сторінках; 122 найменувань використаних літературних джерел на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена наукова новизна роботи, сформульовані мета і основні задачі дослідження, викладені наукові і практичні результати роботи.

У першому розділі дисертації проаналізовані відомі способи управління перетворювачами постійного струму і методи покращення динамічних характеристик.

Для дослідження динамічних характеристик тиристорного перетворювача Поздєєв А.Д. та ін. пропонували модель тиристорного перетворювача. Вихідна напруга перетворювача зображена проміжною криву , що складається з відрізків прямих ліній (жирних) з нахилом рівним , що здвигнуті одна відносно іншій на інтервал дискретності управління перетворювача, а переключення тиристорів відбувається в точках перетину керуючого сигналу з лініями опорних напруг . Ламані лінії, що з'єднують точки перетину з лініями приймаються як «гладка складова» випрямленої напруги. Розглядалося відношення прирощення «середнього значення вихідної напруги» перетворювача до відповідного прирощення керуючого сигналу за повільної зміни керуючого сигналу. Таким чином, тиристорний перетворювач зводиться до пристрою безперервної дії. Відповідно, для аналізу й синтезу системи регулювання пропонується застосувати апарат безперервного перетворення Лапласа.

Для настроювання системи на граничну швидкодію Є.Д. Лебедєв та інші пропонували модель перетворювача.

Щоб перехідні процеси закінчувалися за один такт, як регулятор струму пропонується застосувати пропорційну ланку з передаточною функцією. Далі, використовуючи математичний апарат безперервного перетворення Лапласа, перетворювач зображено джерелом струму з передаточною функцією (1)

де - електромагнітна постійна часу ланцюга навантаження перетворювача; - період дискретності керування (для мостової схеми = 3,3 мс). Недолік моделі, як і недолік попередньої, полягає в тому, що аналіз і синтез системи регулювання відбувається на основі нереальних форм сигналів. У реальних схемах не існує «гладкої складової» струму навантаження , і при настроюванні на граничну швидкодію, як буде показано пізніше, не вона визначає хід перехідних процесів, а миттєвий струм навантаження .

Результати досліджень показали, що для настроювання системи на граничну швидкодію тиристорний перетворювач не може бути поданий у вигляді ланки безперервної дії. Тому поняття «середнього значення» або «гладкої складової», і апарат безперервного перетворення Лапласа не можуть бути використані для опису динамічних характеристик тиристорного перетворювача.

У роботах В.П. Шипілло і Є.І. Сокола модель об'єкта регулювання з перетворювачами напруги представлена у вигляді системи диференціальних рівнянь електричних ланцюгів, а чисельне розв'язання цієї системи мікропроцесором спрямовано на встановлення моментів переключення ключових елементів на кожному інтервалі дискретності перетворювача (керування за прогнозом). Цифрові регулятори цих систем відрізняються великою стабільністю параметрів у часі. Тому поставлені задачі виявлення аналітичних умов переключення ключових елементів керованого випрямляча на основі чисельного рішення мікропроцесором системи диференційних рівнянь електричного й кінематичного ланцюгів електропривода постійного струму, розробки методики та алгоритму прогнозного керування тиристорного перетворювача, що має забезпечити закінчення перехідних процесів за один такт і високу точність регулювання як у статичному, так і в динамічному режимі.

У другому розділі описується запропонований алгоритм прогнозного керування тиристорним перетворювачем. Перетворювач подається у вигляді ЕРС , а двигун постійного струму - ЕРС . Для аналізу схеми прийняте припущення, що ЕРС двигуна не змінюється. Завдяки цьому порядок схеми стає рівним одиниці. Відомо, що активний опір R ланцюга навантаження не суттєво впливає на перехідні процеси. На підставі цього прийняте також допущення, що активний опір дорівнює нулю. Прийняте допущення істотно спрощує аналіз електромагнітних процесів і прискорює прогнозування.

У будь-який момент часу, що передує відкриванню тиристора, можна визначити значення кута керування , за якого до моменту , що відповідає заданому куту керування , струм випрямляча досягне заданого сталого значення. Таким чином, завдання прогнозного керування зводиться до досягнення заданого струму за мінімально можливий проміжок часу - за один такт.

При цьому ЕРС перетворювача з моменту часу описується рівнянням , де - кутова швидкість живильної мережі.

Нехай за один такт струм навантаження змінюється на , де - задане значення струму; - значення струму двигуна у момент відкривання тиристора при куті керування (на рис. 4 в точці початку відліку 0'). Припустимо, що потрібно зробити перемикання тиристорів таким чином, щоб до чергового моменту перемикання тиристора, при куті керування , струм досяг заданого значення.

Момент перемикання тиристорів можна визначити в реальному масштабі часу шляхом відрахування від точки природного відкривання тиристора 0. Якщо прийняти цю точку за початок відліку часу, то, замінивши на , отримаємо наступну безперервну функцію часу

У (5) змінні й - поточні ЕРС і струм двигуна, значення яких визначаються за допомогою датчика напруги й датчика струму, включених у ланцюг навантаження перетворювача. Відлічуваний від точки природного відкривання тиристора 0 момент часу, при якому досягається рівності є моментом часу, що відповідає куту . У залежності (5) кут керування визначається рівнянням. Діаграми показують, що помилка регулювання не залежить від струму навантаження. За цією ознакою представлену систему регулювання струму можна віднести до астатичних систем регулювання.

Досліджено також стійкість системи з прогнозним керуванням. При цьому передбачається, що для боротьби з перешкодами на датчику струму встановлено фільтр із передаточною функцією , де - «мала» постійна часу фільтра. У дисертації розглядається стійкість системи в «малому», і дослідження проводилося за схемою з розривом у точці. У цій схемі СК являє собою систему керування, у якій подача керуючих імпульсів здійснюється за допомогою (5). При допущенні, що кут комутації дорівнює нулю, дослідження стійкості системи регулювання струму зводиться до дослідження роботи схеми (ІЕ - імпульсний елемент). Для визначення передаточної функції імпульсного елемента ІЕ необхідно визначити значення (відношення малого проміжку часу , що відповідає малому прирощенню , до малого збільшення вхідного сигналу ).

Ця величина визначається виходячи з (5) після заміни на , де - вихідний сигнал датчика струму при коефіцієнті передачі датчика, рівному одиниці.

Дослідження, проведене за допомогою математичної моделі, показує, що при фільтр практично не впливає на характер перехідних процесів. В результаті досліду, виконаного за відомою методикою з використанням апарата z-перетворення при в діапазоні система регулювання стійка при будь-якому значенні кута керування. При постійній часі система стійка при будь-яких кутах керування , при будь-який постійної часі і при будь-яких індуктивностях навантаження .

Проаналізована підлегла система регулювання швидкості двигуна, у внутрішній контур якої включена система регулювання струму з викладеним вище прогнозним керуванням. Щоб усунути перерегулювання, пропонується відмовитися від застосування пропорційно-інтегрального регулятора в зовнішньому контурі регулювання швидкості. Оскільки швидкість обертання двигуна залежить також від моменту, що прикладається до вала двигуна і який у загальному випадку не прогнозується, для регулювання швидкості використовується пропорційна ланка з коефіцієнтом передачі .

Вище показано, що при прогнозному керуванні система регулювання струму має астатизм й граничну швидкодію.

Таким чином, контур регулювання струму із прогнозним керуванням являє собою регульоване джерело струму і по своїх динамічних характеристиках максимально наближається до безінерційної ланки. Перетворювач із навантаженням представляється в якості безінерційної ланки з передаточною функцією.

Схема є системою першого порядку з порівняно великим моментом інерції . Тому можна очікувати, що налаштування контуру регулювання струму на граничну швидкодію дозволяє додати коефіцієнту максимально можливе значення. За певних умов це дає можливість забезпечити точність регулювання швидкості порядку 1 %, що може бути досяжною тільки в астатичній системі регулювання.

Відповідно до наведеної схеми для сталого режиму можна записати й звідси виходить, що статична помилка регулювання визначається рівнянням (7).

Сигнал завдання швидкості задає не середнє значення струму, а значення струму в момент перемикання тиристорів. Тому наведене рівняння є наближеним. Його похибка залежить від пульсації струму. Однак, зазначена помилка є величиною другого порядку малості, і при високих значеннях коефіцієнта її можна не враховувати. Для можна записати . Тоді, у відсотках від номінальної швидкості , статична помилка регулювання записується в такий спосіб: . Коефіцієнт визначається залежно від напруги , що входить до (5). Припустимо, що напруга й у системі керування подається у вигляді й . Тут коефіцієнт може бути коефіцієнтом передачі датчика напруги. Тоді, (5) можна подати в наступному вигляді (8)

Як вказувалося, у момент перемикання тиристорів складається рівність . Отже, для того, щоб , необхідно встановити значення. Прогнозне керування в системі регулювання струму забезпечує закінчення перехідних процесів регулювання струму за один такт. На підставі цього перетворювач із прогнозним керуванням представимо приблизно як ланку безперервної дії з передатною функцією (9). управління випрямлювач навантаження двигун

Реакція такої ланки на стрибок завдання струму визначається рівнянням . Звідси виходить, що , де - час, протягом якого струм двигуна досягає значення, рівного 0,9 заданого. При перехідних процесах, що закінчуються за один такт, приймемо ( - тривалість одного такту). З урахуванням цього передатну функцію перетворювача як джерела струму можна представити в виді (10)

Замінивши передаточну функцію знаходимо характеристичне рівняння. У трифазній мостовій схемі мС. Звідси виходить, що під час перехідних процесів коливальні процеси, які можуть викликати струмове перевантаження, не виникнуть за умови (11)

Наведена нерівність показує, що зі зменшенням моменту інерції (махового моменту) двигуна зменшується максимально припустимий коефіцієнт підсилення регулятора швидкості , як наслідок, зменшується точність регулювання. Відповідно до вищевикладеного можна показати, що для тиристорного електропривода із двигуном потужністю, наприклад, 10 тис. кВт, номінальною напругою 1000 В, що розганяє до номінальної швидкості в 150 об/хв. за 750 мс при струмі навантаження вдвічі більшому за номінальний, точність регулювання швидкості порядку 1 % при викладеному вище способі керування є досяжною величиною.

Для підвищення статичної точності регулювання в дисертації запропонована також астатична система регулювання швидкості, розроблена для застосування в системі із прогнозним регулюванням струму. За залежністю момент є величиною пропорційною струму. Тому, використовуючи рівняння , можна прогнозувати темп розгону двигуна . Розбіжність між заданою швидкістю розгону та її фактичним значенням записується в спосіб (12). Кількісно дорівнює похідній від сигналу, що надходить від датчика швидкості.

Момент, що розвивається на валу двигуна, за величиною пропорційний струму двигуна. Таким чином, якщо заданий струм досягається за один такт, то заданий темп розгону двигуна буде також досягатися за один такт. При наявності помилки регулювання для її усунення потрібна зміна струму на прогнозовану величину . Тоді, для забезпечення заданого темпу розгону при наявності збурення з боку навантаження необхідно подати сигнал завдання струму .

Швидкість обертання двигуна залежить від моменту, що прикладений до вала двигуна і, як зовнішній фактор, остання величина не піддається прогнозуванню. Тому в схемі здійснюється регулювання за помилкою. Сигнал завдання швидкості порівнюється із сигналом зворотного зв'язку по швидкості й є Помилкою регулювання. Таким чином, з останнього рівняння виходить, що . Крім того, можна показати, що . Тоді із двох останніх рівнянь знаходимо (13)

З урахуванням припущення щодо стійкості системи для сталого режиму можна записати . Похибка наведеного рівняння має місце тому, що завдання струму задає не середнє значення струму перетворювача, а значення струму в момент перемикання тиристорів. Як вказувалося, похибка, що виникає внаслідок цього, залежить від величини пульсації струму. Її величина є величиною другого порядку малості й тому нею можна знехтувати. З наведеного рівняння отримаємо . А помилка регулювання під час розгону, при постійній швидкості зміни , відповідно до рівняння (13), приблизно визначається рівнянням (14)

Тобто, помилка регулювання прямо пропорційна швидкості зміни швидкості двигуна , що характерно для системи з астатизмом першого порядку. У представленій схемі на рис. 14 астатизм забезпечується без застосування інтегрального регулятора. Завдяки цьому прогнозне керування виключає перерегулювання, що неможливо в схемах, де якість перехідних процесів визначається двома параметрами: інерційністю регулятора швидкості й інерційністю двигуна. На рис. 15 представлені діаграми струму навантаження, завдання струму й швидкості двигуна. Діаграми показують процеси, що виникають при розгоні двигуна, по закінченні цього процесу, при накиданні й при скиданні навантаження.

У третьому розділі дисертації запропоновано варіант реалізації прогнозного керування. Як викладалося, для реалізації прогнозного керування необхідне періодичне обчислення (5), а також періодичне опитування аналого-цифрових перетворювачів, через які надходять аналогові сигнали зворотних зв'язків. Ці операції повинні виконуватися точно в відведений для цього час. Так, наприклад, якщо момент відкривання тиристорів визначається із кроком в 1 ел. град., то виконання цих операцій повинне закінчуватися за 55,5 мкс. Зазначений час має бути значно менше, оскільки процесор повинен також виконати безліч інших функцій. Тому в цьому розділі розглядається питання мінімізації часу, витраченого на обчислення функціонала. У цьому зв'язку є доцільним розробка алгоритмів обчислення з урахуванням особливостей (5).

Вираз (5) можна привести до наступного вигляду

де - ціле число, що представляє в процесорі номінальну напругу (для множник ). У наведеному співвідношенні номінальне значення струму й представляється цілим числом . У схемі керування необхідне значення встановлюється апаратно при масштабуванні напруги. Аналогічним чином встановлюється необхідне значення . Множник у доданку є цілим числом, що вимагає для його подання одного 16-розрядного слова. Величина в загальному випадку є нецілим числом. Однак, якщо припустимо, що цей множник періодично обчислюється з інтервалом часу, що відповідає 1 ел. град, то кожне із вхідних у множник доданків можна представити у вигляді цілого числа, вираженого в ел. градусах.

Оскільки коефіцієнт для його подання у форматі з фіксованою комою потрібно одне 16-розрядне слово. У цьому форматі зазначений дріб представляється десятковим числом 1143,2391111. Не вносячи істотної похибки, цю величину можна округлити й прийняти . Тоді для подання добутку в загальному випадку потрібно два 16-розрядних слова.

Таким чином, величини і є цілими числами, для подання кожного з яких потрібне одне 16-розрядне слово. У третьому доданку множник у загальному випадку є нецілим числом, для подання якого потрібно два 16-розрядні числа. Таким чином, для обчислення функціонала досить зробити множення 32-розрядного числа на 16-розрядне.

Кут керування має певні дискретні значення. Тому для визначення функцій і можна також скласти й використати таблицю синуса. Так, наприклад, якщо значення кута керування нормується значеннями, кратними 1 ел. град., то для реалізації прогнозного керування досить мати таблицю, що містить 90, 180 або 240 значень синусів (, , і т. д.). Цей спосіб забезпечує максимально можливу точність визначення синусів при мінімальних витратах часу. Кут визначається за наближеним рівнянням . Методом інтерполяції встановлено, що похибка обчислення стає прийнятною за умови ; ; . Таким чином, для визначення кута можна прийняти (16)

Розглянуто також спосіб корекції функціонала при відхиленні напруги мережі від її номінального значення, що дозволяє замінити математичну операцію ділення операцією множення. Проаналізовано питання синхронізації подачі імпульсів, а також питання обмеження кута керування в межах припустимого для нього діапазону.

У четвертому розділі подано опис об'єктів впровадження розробки, вибору елементів мікроконтролерної системи управління випрямлячем, методики випробувань електропривода постійного струму та результати експериментальних досліджень макетного зразка.

Об'єктом керування є електромашинна пара на основі двох двигунів-генераторів типу П-21 з номінальними параметрами: напруга на якорі 230 В, струм якоря 5,45 А; швидкість оборотів вала двигуна 2000 об/хв; напруга збудження 220 В; потужність P = 1,25 кВт. Тиристорний блок для живлення якоря являє шестипульсний випрямляч на тиристорах типу Т160-8-142, керований мікропроцесорною системою через формувачі імпульсів. Досліджена і виконана оцінка навантажувальної здатності випрямляча по струму та встановлені характеристики конструкції і умови розсіювання тепловиділення в робочих режимах. Обмотка збудження двигуна живиться від вхідної напруги 220 В через некерований випрямляч і блок регулювання струму збудження.

Для здійснення експрес-прогнозу необхідний вимір 3-х параметрів об'єкта регулювання: струму якоря двигуна постійного струму, напруги на виході випрямляча і швидкості обертання двигуна і далі передача сигналів на АЦП. Блок виміру струму побудований на перетворювачі струм-напруга LTS25-NP. Для узгодження по амплітуді максимальної напруги на виході датчика і вході АЦП є блок узгодження рівня, що уявляє схему аналогового суматора-помножувача. Для виміру миттєвих значень напруги на якорі двигуна застосована схема датчика напруги на лінійному оптопередавачу LOC110. Вимір швидкості обертання вала двигуна зводиться до виміру напруги на виході тахогенератора. Наявність датчика нулю необхідна для синхронізації роботи схеми керування, точка природної комутації відстежується по перехрестю двох лінійних напруг живильної мережі.

Використання 32-розрядного мікроконтролера TMS320F2812 фірми TEXAS Instruments в схемі прогнозуючого керування зводить до мінімуму погрішності, зв'язані з затримками при аналого-цифровому перетворенні. З метою підвищення точності виміру, вибірка в АЦП каналів виміру струму і напруги виконується одночасно із сигналом від мікроконтролера. Канал виміру швидкості обертання мультиплексований, тому що зміни даної величини, при тривалості вибірки АЦП в десятки нс, незначні. Доповнення МП-системи таймером дозволяє вирішувати задачі формування часових інтервалів, а також визначення поточного часу без використання обчислювальних ресурсів мікроконтролера. Відповідно сигналам керування, виробленими мікроконтролером, формуються імпульси керування тиристорами заданої тривалості й амплітуди, так само цей блок здійснює гальванічну розв'язку системи керування і силових ключових елементів.

Результати експериментальних досліджень показані у вигляді часових діаграм швидкості (зверху) і струму (знизу) при розгоні двигуна до заданого значення швидкості і наступному різкому збільшенні і скиданні навантаження. На діаграмах швидкість зображена в масштабі 1:1 в рад/с, а струм в А у масштабі 100:1, масштаб вісі часу 1:25 мс.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано науково-прикладну задачу створення приводу постійного струму, який реалізує алгоритм прямого прогнозного керування, що забезпечує максимально можливу швидкодію у контурі току та відсутність перерегулювання у контурі швидкості.

Зроблено наступні висновки:

1. На основі дослідження особливостей електромагнітних процесів в системі керований випрямляч - двигун постійного струму побудована математична модель роботи системи, що виявила можливість суттєво поліпшити показники регулювання.

2. Розроблений алгоритм прогнозного управління забезпечує закінчення перехідних процесів, що виникають у системі регулювання струму при стрибкоподібній зміні сигналу завдання, за один такт.

3. Доведено, що для боротьби з перешкодами у датчику струму потрібно встановити фільтр першого порядку з постійній часу, ще не перебільшує 500 мкс, при цьому прогнозне керування забезпечує стійкість системи регулювання при постійній часу силового ланцюгу навантаження більшій, ніж постійна часу вказаного фільтру.

4. У статичній системі управління швидкості висока точність регулювання порядку 1 % може бути досягнута за рахунок високого коефіцієнту пропорційного регулятору швидкості.

5. Запропонована астатична система управління швидкості з прогнозним керуванням, що побудована без застосування ПІ-регулятора і, таким чином, забезпечується висока точність регулювання при меншому коефіцієнті посилення регулятора швидкості.

6. Розроблені системи регулювання з прогнозним керуванням виключають можливість перерегулювання по швидкості під час перехідних процесів.

7. Запропоновані різні засоби обчислювання тригонометричних виразів, операцій множення та ділення, які мінімізують витрати часу при знаходженні моменту перемикання тиристорів та сприяють реалізації прогнозного керування за допомогою мікропроцесорів.

8. Обґрунтовано спосіб синхронізації роботи системи імпульсно-фазного керування з напругою мережі, а також спосіб обмеження кута керування , що враховує особливості його формування у прогнозному керуванні та забезпечує зміну цього кута у межах можливого його значення.

9. Результати проведених досліджень використовується при розробці систем управління перетворювачів, що виробляються заводом ДП ХЕМЗ (м. Харків), АТ «Елтехком» (м. Харків) та впроваджено у навчальний процес кафедри «Промислової і біомедичної електроніки» НТУ «ХПІ».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кияшко Б.А. Принцип прогнозного управления выпрямителем / Е.И. Сокол, Б.А. Кияшко, И.Ф. Домнин, В.Ю. Прокопенко, Сунанто // Технічна електродинаміка. - Київ : ІЕД НАНУ, 2005. - Ч. 3. Тематичний вип. - С. 57-61.

Здобувач виводив рівняння, що визначають момент переключення тиристорів, за яким перехідні процеси, що виникають у замкнутій системі регулювання струму за стрибкоподібного змінення завдання струму, закінчуються за один такт.

2. Кияшко Б.А. Управления двигателем постоянного тока по вычисляемым прогнозам / Е.И. Сокол, Б.А. Кияшко, В.Ю. Прокопенко, Сунанто // Технічна електродинаміка. - Київ : ІЕД НАНУ, 2006. - Ч. 2. Тематичний вип. - С. 63-66.

Здобувач визначив основне співвідношення між швидкістю двигуна, завданням швидкості й похибкою регулювання, що забезпечує астатизм системи регулювання швидкості.

3. Кияшко Б.А. Модернизированные вентильные секции / Б.А. Кияшко, Л.Е. Бахнов, Н.Б. Клойз, И.В. Кубышкин, В.С. Лабковский, Б.Б. Дубовой // Технічна електродинаміка. - Київ : ІЕД НАНУ, 2006. - Ч. 3. Тематичний вип. - С. 36-39.

Здобувач обґрунтував необхідність винесення дільників струму з силового блоку і розміщення їх у вентильній секції.

4. Кияшко Б.А. Управление выпрямителем по модели электропривода / И.Ф. Домнин, Н.А. Тимченко, А.Е. Иванов, Б.А. Кияшко // Технічна електродинаміка. - Київ : ІЕД НАНУ, 2007. - Ч. 2. Тематичний вип. - С. 54-58.

Здобувач приймав участь в формулюванні задачі управління в електроприводах постійного струму, що керується за моделлю.

5. Декл. пат. України. Спосіб прямого мікропроцесорного керування випрямлячем за обчислювальними прогнозами / Є.І. Сокол, Б.О. Кіяшко, І.Ф. Домнін, Л. Є. Бахнов, Сунанто, М.О. Тимченко, О.Є. Іванов. - № u200000000; заявл. 01.03.2007 р.; позитивне рішення 01.06.2007 р.

Здобувач обґрунтував необхідність визначити розбіжність між фактичним і заданим темпом розгону двигуна, й виходячи із цієї величини обчислити прирощення струму, що необхідне для подолання цієї розбіжності, використовувати сигнал помилки регулювання швидкості як сигналу завдання темпу розгону двигуна.

6. Декл. пат. України. Спосіб прогнозуючого керування випрямлячем, навантаженого на двигун, по моделі об'єкту / Є.І. Сокол, Б.О. Кіяшко, І.Ф. Домнін, Л.Є. Бахнов, Сунанто, М.О. Тимченко, О. Є. Іванов. - № u200000000; заявл. 01.07.2007 р.; позитивне рішення 01.10.2007 р.

Здобувач обґрунтував необхідність визначати розбіжність між фактичним і заданим темпом розгону двигуна, й виходячи з цієї величини сформувати сигнал завдання струму.

7. Кияшко Б.А. Регулирование скорости в электроприводах постоянного тока, питаемых от тиристорних преобразователей с прогнозным управлением / Е.И. Сокол, Б.А. Кияшко, Л.Е. Бахнов, Сунанто // Технічна електродинаміка. - Київ : ІЕД НАНУ. - 2008. - Ч. 1. Тематичний вип. - С. 56-59.

Здобувач визначив точність регулювання й умови, що забезпечують аперіодичність перехідних процесів, протікаючих в статичній системі регулювання швидкості.

АНОТАЦІЯ

Кіяшко Б.О. Прогнозуюче управління випрямлячем, що навантажений двигуном постійного струму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Національний технічний університет «ХПІ», Харків, 2009.

Досліджені керовані перетворювачі змінної напруги мережі для електроживлення двигуна постійного струму із змінним механічним навантаженням. Системи мікроконтролерного управління вказаних перетворювачів базуються на прогнозуючих алгоритмах та обчислюваних моделях змінного навантаження. Розроблена методика порівняльного аналізу очікуваних експлуатаційних характеристик в пускових режимах та режимах стабілізації частоти обертів двигуна. Приведена методика вибору елементів мікроконтролерної системи управління та випробувань макетних зразків перетворювачів, впроваджених у Харківському НВО «ХЕМЗ».

Ключові слова: багатофазні керовані випрямлячі, регулятор постійного струму, техніко-економічні показники перетворювачів, двигун постійного струму, змінне механічне навантаження,

АННОТАЦИЯ

Кияшко Б.А. Прогнозирующее управление выпрямителем, нагруженным двигателем постоянного тока. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Национальный технический университет «ХПИ», Харьков, 2009.

Исследованы управляемые преобразователи переменного напряжения сети для электропитания двигателя постоянного тока с переменной механической нагрузкой. Системы микроконтроллерного управления этих преобразователей основаны на прогнозирующих алгоритмах та вычислительных моделях переменной нагрузки. Разработана методика сравнительного анализа ожидаемых эксплуатационных характеристик в пусковых режимах и режимах стабилизации частоты оборотов двигателя. Приведена методика выбора элементов системы микроконтроллерного управления и испытаний макетных образцов преобразователей, внедренных на Харьковском НПО «ХЭМЗ».

Ключевые слова: многофазный управляемый выпрямитель, регулятор постоянного тока, технико-экономические показатели регуляторов, двигатель постоянного тока, переменная механическая нагрузка, алгоритмы прогнозирующего микроконтроллерного управления выпрямителем.

ANNOTATION

Kiyashko B.A. Prognosis control system of DC converter loaded with DC motor. - Manuscript.

Thesis for candidate of sciences degree on specialty 05.09.12 - semiconductor converters of electric energy. - National technical university «KhPI», Kharkov, 2009.

This paper deals with AC-DC converter supplying DC motor with variable torque, controlled by means of digital control system based on prognosis algorithm and mathematical model of the power circuit. Techniques of comparative analysis of the DC drive performance in starting and speed stabilization mode have been developed. The results of the research are used for developing DC converters and its control system produced by the State Enterprise NII “KHEMZ” in Kharkov.

Key words: multiphase DC-convertor, controller of the DC, technical and economical specifications of the convertors, -DC-motor, variable torque, digital prognosis control algorithm.

Размещено на Allbest.ru