CC BY
66
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 62-83::621.313.3
ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР СУШИЛЬНОЙ КАМЕРЫ С НЕПРЕРЫВНЫМ ТЕСТИРОВАНИЕМ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ
Л.И. Цытович, О.Г. Брылина, М.М. Дудкин, Р.М. Рахматулин, А.В. Тюгаев г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет
FREQUENCY-WIDTH-PULSE THERMOREGULATOR
OF THE CHAMBER DRIER WITH CONTINUOUS TESTING
OF RESISTANCE OF INSULATION OF THE ELECTRICAL DEVICE
L.I. Tsytovich, O.G. Brylina, M.M. Dudkin, R.M. Rakhmatulin, A.V. Tyugaev Chelyabinsk, South Ural State University
Рассматривается принцип построения частотно-широтно-импульсного регулятора переменного напряжения в составе системы управления сушильной камеры 120ЕК электроцеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод». Приведены структурная схема и временные диаграммы работы регулятора, а также преобразователя значения комплексного сопротивления изоляции, осуществляющего непрерывный контроль за ходом технологического процесса при сушке обмоток электротехнического изделия.
Ключевые слова: тиристорный преобразователь, датчик температуры, регулятор переменного напряжения, широтно-импульсная модуляция, частотно-широтно-импульсная модуляция, амплитудно-частотно-импульсная модуляция, преобразователь сопротивления в частоту импульсов, термопара, развертывающий преобразователь, D-триггер.
The principle of the construction of the frequency-pulse-width regulator of an alternating voltage as a part of a control system of the chamber drier 120ЕК of the electric shop of JSC (Joint stock company) “Chelyabinsk-Tube Rolling Plant” is analyzed. The structural diagram and time characteristics of operation of the regulator as well as the converter of the value of complex resistance of insulation, which is carrying out the continuous control of the technological process of drying of windings of an electrical device are given.
Keywords: thyristor converter, temperature sensor, alternating voltage regulator, pulse-width modulation, frequency-pulse-width modulation, amplitude-pulse-frequency modulation, resistance converter into frequency of impulses, thermocouple, scanning converter, D-trigger.
Простота управления в сочетании с повышенной точностью, помехоустойчивостью и способностью адаптироваться к нестационарным параметрам источников электропитания является одной из наиболее актуальных проблем в силовой преобразовательной технике. Это в полной мере относится к системам переменного тока с частотно-широтноимпульсным управлением (ЧШИМ), которые весьма эффективны в системах терморегулирования [1]. Однако при их технической реализации
зачастую возникают проблемы с обеспечением целого числа периодов напряжения сети в «пакете», подаваемом в нагрузку. Трудность заключается в том, что при ЧШИМ один из интервалов преобразования с ростом входного сигнала стремится к бесконечно большой величине, которую невозможно представить в цифровом виде. Поэтому на практике часто применяются цифровые ЧШИМ -регуляторы с ограниченным диапазоном регулирования.
Ниже на примере системы управления сушильной камеры 120ЕК электроцеха ОАО «ЧТПЗ» рассматривается регулятор напряжения (РН) с ЧШИМ на основе комбинированной цифроаналоговой системы управления, которая наряду с простотой технической реализации имеет высокую точность и помехоустойчивость как по информационным каналам передачи данных, так и со стороны напряжения сети (рис. 1).
Функциональная схема системы управления (рис. 1) включает в себя непосредственно сушильную камеру СК с электротехническим изделием ЭИ (дроссель, трансформатор, электродвигатель и т. д.); теплоэлектронагреватели ТЭН, распределенные по фазам А, В, С; регулятор напряжения РН на основе программируемого контроллера ПК, интегрирующий развертывающий преобразователь РП с ЧШИМ и силовыми тиристорными ключами переменного тока; датчик температуры Д1; преобразователь значения комплексного сопротивления изоляции обмоток ЭИ; мультиплексор MUX; демультиплексор DMUX и внешнюю панель управления «Старт/Стоп» обслуживающего персонала. Тактовая частота MUX и DMUX синхронизирована с ПК.
РН (рис. 2) содержит РП на основе четырехполюсников К1, К2, сумматора Е, интегратора И с постоянной времени ТИ , релейного элемента РЭ и повторителя П, устройства синхронизации УС-А, УС-В, УС-С, динамические D-триггеры D1, D2, D3 и силовые ключи переменного тока Кл.1 - Кл.3. РЭ выполнен с симметричными относительно нулевого уровня порогами переключения ±b , а его выходной сигнал меняется дискретно в пределах ± А .
С помощью звеньев К1, К2 задается требуемый коэффициент передачи РП. Повторитель П служит для преобразования биполярных выходных импульсов РЭ в однополярный сигнал, необходимый для последующего согласования с элементами цифровой электроники. Частота автоколебаний РП выбирается на уровне 1,0-10,0 Гц.
Три устройства синхронизации УС-А, УС-В, УС-С реализованы на базе двух последовательно включенных РП1 и РП2 [2] (на рис. 2 не показаны) и представляют собой УС интегрирующего типа, когда каждый из РП представляет собой систему, синхронизированную с частотой сигнала, подключенного к его информационному входу. С точки зрения динамики, в режиме вынужденных переключений с частотой напряжения сети каналы УС-А, УС-В, УС-С близки по своим свойствам к апериодическому звену второго порядка с передаточной функцией вида [2]
W(p) = KlK2 / [(1 + Тэ1 р)(1 + Тэ2р)], (1)
где ^, ^ - коэффициенты пропорционального
усиления, задаваемые четырехполюсниками К1, К2 преобразователей РП1, РП2 соответственно; ТЭ1 ~пТСАСК1/16 - эквивалентная постоянная времени РП1; ТЭ2 ~пТСК2/16 - эквивалентная постоянная времени РП2; ТС - период напряжения сети; АС = \ А / А - нормированное значение
амплитуды напряжения сети. Здесь следует учитывать, что соотношение (1) справедливо только в области частот f < 0,5Т(^1 [3].
При выполнении условия Т0"1 = ТС каждый из РП1, РП2 создает фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами -90 эл. град. Здесь Т0 = 4ЬТи - период собственных автоколебаний РП при нулевом значении сигнала управления; Ь = Ь / A| - нормированная величина порогов переключения РЭ.
Таким образом, два последовательно включенных РП позволяют сформировать сигнал «1», длительность которого соответствует «положительной» полуволне напряжения сети соответствующей фазы (рис. 3, а - г).
При этом УС обладает высокой помехоустойчивостью как к гармоническим, так и к коммутационным помехам со стороны напряжения сети,
Рис. 1. Функциональная схема системы управления сушильной камеры 120ЕК электроцеха ОАО «ЧТПЗ»
Преобразовательная техника
Сеть в & ^
тэн
Рис. 2. Функциональная схема системы управления силовыми ключами регулятора переменного напряжения с ЧШИМ
А
причем для четных гармоник ошибка синхронизации вообще равна нулю [2]. Аналогичный эффект проявляется и при колебаниях амплитуды напряжения сети, что является прямым следствием замкнутого характера структуры РП1, РП2 и наличия интегратора И в прямом канале регулирования.
Триггеры Б1-Б3 управляются передним фронтом импульсов на их С-входе и переключаются в состояние Б-входа, которое задается РП (рис. 3, д, е). При этом на выходе РН в каждой фазе а, Ь, с формируется «пакет» синусоидального напряжения с целым числом периодов (рис. 3, ж - и). Следует учитывать, что «пакеты» в каждой последующей фазе отстают от «пакета» предыдущей фазы на 150 эл. град.
Применение режима ЧШИМ позволяет существенно улучшить энергетические показатели системы управления и для силовых ключей получить фактически неограниченный диапазон регулирования. Действительно, при щиротно-импульсной модуляции (ШИМ) ^ = T(1 + ХВХ ), t2 = Т(1 - XВХ) и период Т0 = ^ ^ = 2T , где
«Т» - в общем случае параметр схемы ШИМ или ЧШИМ, имеющий размерность времени; ХВХ = \Хвх / А\ - нормированная величина
входного сигнала.
В случае ЧШИМ ^ = Т /(1- ХВХ),
^ = Т/(1 + ХВХ), Т0 = 2Т/(1 -ХВХ). Тогда диапазон регулирования Б = ^ / Т0 = 0,5(1 - ХВХ) для силовых ключей при ШИМ заведомо определяется величиной входного сигнала ХВХ, так как Б не может быть равен нулю, а для ЧШИМ Б = t2/ Т0 = 0,5 / (1 - ХВХ) практически неограничен. Приведенные соотношения не учитывают дискретность РН, которая равна одному периоду напряжения сети.
На программируемый контроллер ПК (см. рис. 1) возлагается функция задатчика интенсивности вывода системы на заданную траекторию, ПИД-регулятора, а также Б-триггеров Б1 - Б3 (см. рис. 2), устройства диагностирования, защиты системы от аварийных режимов ра-
а) 0
б) 0
в) 0
г) 0
Ь
д) 0
™ -Ь
е) 0
ж) 0
з) 0
и) 0
Импульсы выключения К1-К3
Рис. 3. Временные диаграммы сигналов регулятора переменного напряжения с частотно-широтно-импульсной модуляцией
t
t
t
t
боты и связи с центральной ЭВМ (на рис. 1 не показана).
В процессе работы СК осуществляется непрерывный контроль комплексного сопротивления 20 изоляции обмоток ЭИ с помощью преобразователя сопротивления в частоту импульсов ПСЧ (рис. 4, а), который содержит сумматор Е, интегратор И, релейный элемент РЭ и амплитудный модулятор АМ, выходной сигнал которого в качестве тест-сигнала воздействует на ЭИ.
ПСЧ относится к классу систем с амплитудно-частотно-импульсной модуляцией [4], где входной параметр 20 с целью повышения чувствительности устройства воздействует на две его координаты - постоянную времени интегратора И и пороги переключения (зону неоднозначности) РЭ.
Чувствительным элементом датчика температуры Д1 является термопара, а устройством преобразования - интегрирующий преобразователь аналогового сигнала в частоту импульсов на основе структуры, приведенной в работе [5].
Применение в рассмотренной системе управления методов интегрирующего разверты-
вающего преобразования позволило обеспечить высокий уровень ее эксплуатационной надежности в условиях нестационарных параметров напряжения сети и широкого частотного спектра внешних помех.
Литература
1. Гельман, М.В. Тиристорные регуляторы переменного напряжения / М.В. Гельман, С.П. Лохов. - М.: Энергия, 1975. - 104 с.
2. Качалов, А.В. Интегрирующие устрой-
ства синхронизации для систем импульснофазового управления вентильными преобразователями / А.В. Качалов, Л.И. Цытович,
М.М. Дудкин // Практическая силовая электроника. - 2010. - № 1 (37). - С. 42-51.
3. Хьюлсман, Л.П. Активные фильтры / Л.П. Хьюлсман; пер. с англ. под ред. И.Н. Теплю-ка. - М.: Мир, 1972. - 516 с.
4. Цытович, Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики: дис. ... докт. техн. наук / Л.И. Цытович. - Челябинск: ЧГТУ, 1996. - 464 с.
Преобразовательная техника
Рис. 4. Структурная схема (а), осциллограммы сигналов (б, в) и статическая характеристика (г) преобразователя значения комплексного сопротивления в частоту импульсов
5. Дудкин, М.М. Анализ динамических ха- нические системы и комплексы: межвузовский сб.
рактеристик преобразователей напряжения в науч. тр. / Под ред. С.И. Лукьянова. - Магнито-
частоту импульсов / М.М. Дудкин // Электротех горск: МГТУ, 2006. - Вып. 12. - С. 183-192.
Поступила в редакцию 21.06.2011 г.
Цытович Леонид Игнатьевич - докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой электропривода и автоматики промышленных установок, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - информационно-измерительные устройства и комплексы систем управления технологическими процессами.
Контактный телефон: 8 (351) 267-93-85, e-mail: tsli@susu.ac.ru
Tsitovich Leonid Ignatevich - Doctor of Sciences (Engineering), professor, head of the electric drive and automation of Industrial Installations department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: informational and measuring devices and units of control systems. Tel.: 8 (351) 267-93-85, e-mail: tsli@susu.ac.ru
Брылина Олеся Геннадьевна - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода и автоматики промышленных установок, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - элементы аналоговой и цифровой электроники. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21, e-mail: teolge@mail.ru.
Brylina Olesya Gennadevna - Candidate of Sciences (Engineering), assistant professor of the electric drive and automation of Industrial Installations Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: elements of analog and digital electronics. Tel.: 8 (351) 267-93-21, e-mail: teolge@mail.ru.
Дудкин Максим Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода и автоматики промышленных установок, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - элементы и устройства систем управления силовыми вентильными преобразователями. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21.
Dudkin Maxim Mihailovich - Candidate of Sciences (Engineering), assistant professor of the electric drive and automation of Industrial Installations Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: elements and devices of control systems of power valve-type converters. Tel.: 8 (351) 267-93-21.
Рахматулин Раис Мухибович - старший научный сотрудник кафедры электропривода и автоматики промышленных установок, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21.
Rakhmatulin Rais Mukhibovich - Senior Scientific Researcher of the electric drive and automation of Industrial Installations department of South Ural State University.
Tel.: 8 (351) 267-93-85.
Тюгаев Антон Валерьевич - ведущий инженер, электрик, ОАО «ЧТПЗ». Контактный телефон: 8 (351) 255-71-18.
Tyugaev Anton Valerievich - a senior engineer, electrician of JSC “Chelyabinsk Tube-Rolling Plant”. Tel.: 8 (351) 255-71-18.
