CC BY
65
УДК 629.423.1:621.314.5
ФОРМИРОВАНИЕ ЛОГИКИ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЁХКВАДРАНТНЫМ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
© 2004 г. К.П. Солтус
Важным этапом проектирования систем управления статических преобразователей электроподвижного состава переменного тока является анализ связи управляющих параметров с энергетическими показателями.
Четырёхквадрантный преобразователь (4р8), преобразующий однофазное переменное напряжение в постоянное, является наиболее перспективным элементом тягового привода с точки зрения целого ряда технико-экономических показателей (рис. 1). Актуальность исследования 4р8 выражается необходимостью глубокого изучения сложных принципов преобразования энергии, таких, к примеру, как широтно-импульсная модуляция напряжения. Поэтому подходы совершенствования методов анализа и управления 4р8 представляют универсальный интерес [1-3].
Rn LN Un(J 1n US\
JL zi VTI j
VT2 J
VT3
VT4
Рис. 1. Принципиальная схема четырёхквадрантного преобразователя
Наилучшее преобразование энергии обеспечивается в случае реализации управляющих воздействий широтно-импульсной модуляции напряжения ШИМ (РЖМ) согласно структурной схеме системы регулятора 4р8 (рис. 2). Преобразование выполняется регуляторами напряжения (РН) и тока (РТ). Контроль регулируемых параметров осуществляется датчиками тока (ДТ) и напряжения (ДН).
Рис. 2. Структурная схема регулятора преобразователя 4QS
Установленные фазы управления посредством электронных схем типа Захват/Сравнение (в оригинале САР/СОМ) реализуют коммутационную функцию вентилей Т1^Т4.
Мгновенное значение напряжения на входе и8 можно определить из выражения
(0 = /п (0 и, (0,
где /п (?) - переключающая или коммутационная функция силовых полупроводниковых приборов по напряжению.
Коммутационная функция имеет единичную амплитуду и определяется состоянием транзисторов. Она связывает переменные на входе и выходе 4QS и позволяет записать систему уравнений для анализа процессов в схеме на рис. 1.
В зависимости от типа и характера нагрузки привода (асинхронный, индукторный и др.) первое уравнение системы (1) представляется в соответствующем развёрнутом виде:
+= иа;
М
т =
Т2 ,, + иС2 = ий ;
М
С аиС 2 = .
4 <Н =
С ^ = Г ; .
С ,, = !п 1Ы - - 2 ;
М
(1)
diN dt
Ln N + RNiN = UN fn (t) Ud '
где Ьы, Ьй, Т2 - соответственно индуктивность входной, выходной цепи и режекторного фильтра; Яы, Ка -активное сопротивление входной цепи и нагрузки; С2 , С - ёмкость режекторного и силового фильтра; иы - сетевое напряжение; иа - напряжение на выходе; Ьм - приведенная индуктивность входной цепи; 1М -сетевой ток; - выпрямленный ток; /2 - ток сглаживающего фильтра.
Реализация алгоритмов управления преобразователя с необходимой точностью требует тщательной проработки управляющих условий. Расчёт с такой точностью может быть выполнен на основании математической модели преобразователя, которая позволяет определить фазы коммутации каждого импульса, обеспечивающие высокое качество выходного напряжения и потребляемого тока. На рис. 3 предложена блок-схема математической модели и алгоритма управления 4QS с интегральным регулятором. Этот алгоритм является одним из простых и широко используется при отладке систем управления, предназначенных для работы с более сложными алгоритмами 4QS [2, 5], с целью проверки работоспособности всех блоков.
Рис. 3. Блок-схема математической модели и алгоритма управления 4QS с интегральным регулятором
Алгоритм начинается по началу полупериода питающего напряжения, что соответствует приходу синхроимпульса (блок 1). В блоке 2 определяется разность между заданным напряжением на выходе и текущим. В блоках (3) - (6) реализован и-регулятор с постоянной скоростью интегрирования. Если значение этой разности положительно (блок 3), то интегральная сумма увеличивается на величину е (блок 4), а если нет, то уменьшается на эту же величину (блок 5). Значение е принимается равным на уровне 0,5% от номинального значения иё. В блоке 6 определяется
заданное значение тока на входе 4QS преобразователя, а в блоке 7 определяются значения амплитуды
тока на каждом ШИМ-интервале 1к, (к -номер ШИМ-
интервала, количество которых для рассматриваемого случая принято равным двадцатипяти). В блоке 8 значение к полагается равным единице, т.е. расчёт начинается с первого ШИМ-интервала. В положительном полупериоде питающего напряжения (+/ _ =1, блок 9), при установленном идентификаторе "с" (блок 10), что соответствует достижению тока заданного значения в предыдущем ШИМ-интервале, в чётном полупериоде (У=1, блок 12) включается транзистор Т2 (блок 13) и идентификатор У полагается равным нулю (блок 15), для того, чтобы на следующем ШИМ-интервале включить транзистор Т3 (блок 14), тем
самым разгрузив транзисторы. Если включится транзистор Т3, то У присваивают состояние У = 1 (блок 16), что соответствует закороченной вторичной обмотке трансформатора, питающего преобразователь.
Если идентификатор «с» не установлен, что означает недостижение током заданного значения на предыдущем ШИМ-интервале, то включаются оба транзистора Т2 и Т3 (блок 11), а значение переключающей функции полагается равным « _ 1» (блок 26), что соответствует формированию тока вторичной обмотки силового трансформатора действием питающего и выходного напряжений.
В отрицательном полупериоде питающего напряжения (+/_ = 0, блок 9) реализуется аналогичный процесс включением транзисторов Т1 и Т4. Значение переключающей функции полагается равным «1», поскольку полупериод отрицательный.
В блоке 27 решается система уравнений (1), причём при достижении током заданного значения 1К на данном ШИМ-интервале транзисторы выключаются, значение переключающей функции в положительном полупериоде составляет «1», а в отрицательном полупериоде « _ 1».
В блоке 28, после очередного шага решения (1), определяется значение времени от начала полупериода (рис. 4), и если оно соответствует окончанию к -го ШИМ-интервала (блок 29), то значение «к » увеличивается на единицу (блоки 30 и 31), что соответствует переходу в следующий ШИМ-интервал, если же ШИМ-интервал не окончен, то совершается следующий шаг решения (1).
В блоках (32) _ (34) присваивается значение идентификатору «с» в зависимости от достижения током заданного значения на данном ШИМ-интервале, после чего с блока 9 начинается реализация алгоритма для следующего ШИМ-интервала.
Если к становится равным N, что соответствует окончанию полупериода питающего напряжения, то знак полярности полупериода меняется на противоположный (блоки (35) _ (37)), идентификатор «с» обнуляется (блок 38), в блоке 39 значение текущего времени уточняется в соответствии с числом рассчитанных полупериодов, после чего рассчитываются процессы в следующем полупериоде.
Лж
Рис. 4. Временные отрезки ШИМ-интервалов
Высокое качество регулирования зависит также и от электрических параметров преобразователя. Оптимальные значения реактивных элементов и параметров управления определены на основании выражений приведенных в [4].
На основании представленных структурных схем и алгоритмов управления 4QS выполнено моделирование электрических процессов преобразователя при имитации реальных условий эксплуатации.
Исходные данные для моделирования работы 4р8: uN = 1200 В; иа = 2400 В; LN = 0,0012 Гн; С = 3000 мкФ; С2 = 1000 мкФ; Ld = 4 мГн; L2 = 25 мГн; ЯN = 0,01 Ом; Яd = 4 Ом.
J_ мс
Рис. 5. Результаты моделирования четырёхквадрантного
преобразователя на основе алгоритма управления с интегральным регулятором
Как видно из результатов моделирования, в целом форма тягового тока 4QS значительно лучше, чем у тиристорных выпрямительно-инверторных преобразователей эквивалентной мощности.
Посредством аналитического разложения функции сетевого тока в тригонометрический ряд определён гармонический состав (рис. 6).
I
~Г
А
кГц
Рис. 6. Гармонический состав сетевого тока
Работа 4QS характеризуется наличием больших коэффициентов корректирующей модальной обратной связи системы управления. Реализация алгоритмов работы такой системы оказывается не под силу современной аналоговой элементной базе. Возникает объективная необходимость использовать программируемые системы управления для придания точности и быстродействия. Уникальные возможности цифровых технологий, на сегодняшний день, позволяют реализовать любой алгоритм управления, благодаря чему появились перспективы создания эффективных преобразователей энергии.
На рис. 7 представлена микропроцессорная система управления 4QS, состоящая из таймера, микропроцессорного контроллера (МПК), оперативного
AB
запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока драйверов, управляющего четырёхквадрантным преобразователем, имеющего датчик входного тока 1ВХ, выход которого соединён с одним из входов АЦП, на другой вход которого подаётся заданное значение амплитуды входного тока IЗ, и синхронизатора.
Входы-выходы таймера, процессора, ОЗУ, ПЗУ, выход АЦП и входы блока драйверов объединены шиной данных-адресов. Четырёхквадрантный преобразователь и синхронизатор запитаны переменным напряжением и . Вход синхронизатора соединён со входом сброса таймера и шиной прерывания процессора.
СИ
Рис. 7. Структура аппаратных средств системы управления 4QS
Таймер, процессор, ОЗУ, ПЗУ и АЦП могут быть интегрированы в специализированный контроллер, например, Siemens М167 - 1С.
Таким образом, применение данного метода формирования логики управления позволяет полностью использовать возможности вентилей четырёхквад-рантного преобразователя, максимально приблизив форму потребляемого тока к синусоидальной, тем самым повысить энергетические показатели системы преобразования.
Литература
1. Беляев А.В. Математическая модель тягового вентильно-индукторного привода/ А.В. Беляев, К.П. Солтус, Н.Ю. Фёдорова.//Электровозостроение: Сб. науч. тр. / ОАО "Всерос. науч.-иссл. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). 2002. Т. 44. - С. 72 -81.
2. Беляев А.В. Алгоритмы управления четырёхквадрантным преобразователем/ А.В. Беляев, К.П. Солтус, М.Ю. Ка-пустин.//Электровозостроение:Сб. науч. тр. / ОАО "Всерос. науч.-иссл. и проектно-конструкт. ин-т электровозостроения" (ОАО "ВЭлНИИ"). 2003. Т. 45. С. 341354.
3. Скарпетовский Г., Витинс Я. Концепция тяговых преобразователей и систем управления для электровозов с асинхронными двигателями // Вестн. ВНИИЖТ. 1996. № 2. С. 5 - 11.
4. Солтус К.П. Векторная модель четырёхквадрантного преобразователя // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. Приложение № 1. С. 50 - 55.
Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения (г. Новочеркасск)
26 июня 2003 г.
u
