CC BY
37
УДК 629.423.32 : 621.3.072.2
Д. С. Б1ЛУХШ (ДПТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ МОЖЛИВОСТ1 ОДЕРЖАННЯ АВТОКОЛИВАНЬ В СИСТЕМ1 АВТОМАТИЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ НАПРУГИ К1Л УПРАВЛ1ННЯ З РЕЛЕЙНИМ РЕГУЛЯТОРОМ НА ОСНОВ1 СИЛОВОГО КЛЮЧА
Розглянуто можливють використання сучасних силових напiвпровiдникових ключiв для реалiзацiï асинхронного способу управлшня напругою к1л бортового живлення електровозiв.
Рассмотрена возможность применения современных силовых полупроводниковых ключей для реализации асинхронного способа управления уровнем напряжения цепей бортового питания электровозов.
The possibility of application of the modern power semiconductor keys is considered for realization of asynchronous method of control of voltage level for circuits of on-board feeding of electric locomotives.
Вступ
Бшьша частина електрорухомого складу за-лiзниць Украши використовуе системи управлшня, яю розроблялися 30...40 роюв тому. Для часткового ршення проблеми тягового забез-печення на залiзницях Украши здшснюеться каштально-вщновлювальш ремонти електрово-зiв й електропоiздiв з продовженням !х термiну експлуатаци на 10.15 рокiв. Щоб одержати найбшьший ефект при експлуатацii електрово-зiв iз продовженим термiном служби, програма капiтально-вiдновлювальних ремонтiв передба-чае модернiзацiю, що дозволить знизити екс-плуатацiйнi витрати на локомотивний парк. Виконуеться модернiзацiя функцiональних вуз-лiв систем управлiння й iз застосуванням сучасних нашвпровщникових елементiв. У результат пiдвищуються вимоги до стабшьносп напруги живлення кiл управлшня. Проведет дослщження [1] показали, що реальний дiапа-зон можливих середшх значень напруги живлення кш управлiння при номiнальному зна-ченш 50 В знаходиться в межах вщ 35 до 80 В, що значно перевищуе нормованi допуски пара-метрiв. Цей фактор змушуе розроблювачiв вво-дити апаратурну надмiрнiсть, наприклад за до-помогою використання громiздких та матерiа-лоемних фiльтрiв, найчастiше неоптимальних за параметрами, доповнювати схеми складними стабiлiзаторами напруги, захистами та ш. Вка-зане виправдане при одиничних впроваджен-нях. При масштабних впровадженнях новоi апаратури на основi сучасноi нашвпровщнико-воi бази бшьш надiйним шляхом е створення стабiльного й надiйного джерела живлення кш управлiння.
На новому електрорухомому складi (ЕРС) широко впроваджуються статичш перетворю-вачi живлення кiл управлшня. Однак створення статичних перетворювачiв з метою модершзацп застарiлого ЕРС спричиняе високi капiтальнi вкладення заради декшькох рокiв експлуатацii. Залишаеться розглянути варiанти вдосконалю-вання iснуючоi системи живлення.
Система живлення електровозiв постiйного струму складаеться iз трьох основних вузлiв: генератор постiйного струму, акумуляторна батарея, вузол управлшня на основi регулятора напруги того або шшого типу. За стабшьшстю напруги стежить вузол управлшня, що на даний момент е й менш надшним з перерахованих вузлiв. Сучасна елементна база дозволяе вико-нати розробку нових вузлiв управлiння з висо-кими експлуатацшними показниками. При цьому принцип роботи збер^аеться. В основi роботи юнуючих систем автоматичного управлшня напруги ЕРС лежить автоколивальний принцип. Тобто, шсля запуску генератора в си-стемi живлення встановлюються автоколивання в област заданого середнього значення напруги живлення. Цей принцип легко юнував при використанш вiбрацiйних релейних регулято-рiв.
Мета роботи
Дослщити можливiсть одержання автоколи-вань в системi автоматичного регулювання напруги кш управлiння ЕРС постшного струму при використаннi регуляторiв на основi сучасних напiвпровiдникових елемеипв.
Матерiали дослав
На цей час, у промислових установках набутили широкого застосування силовi ключовi елементи на основi бiполярних i польових тра-нзисторiв з iзольованим затвором (IGBT й MOSFET). Повна керованiсть цих приладiв до-зволяе виключити iз силових схем перетворю-вачiв пристро! з примусовою комутацiею, кола виводу приладу в робочий режим i повернутися до схем перетворення в !х найпростiшому кла-сичному виглядь Високi динамiчнi характеристики таких прилащв дозволяють !х розглядати як щеальш керованi ключовi прилади. Досто!н-ства таких ключових приладiв у сполученш iз сучасними мiкроконтролерами можна викорис-тати для замiни вiбрацiйних регуляторiв напру-ги.
Рис. 1. Схема регулювання напруги
Пропонована система автоматичного регу-лювання напруги кш управлiння показана на рис. 1. Складаеться з наступних функщональ-них вузлiв: вузол управлiння на основi мшро-контролера й силового ключа, що одержуе сигнал зворотного зв'язку у вигщщ напруги на навантаженш ин () й у результат сигналу ро-
зузгодження ир ^) , виробляе вплив у виглядi
iмпульсноl подачi напруги из () на обмотку
збудження генератора управлшня; другий вузол - це генератор управлшня; третш вузол -навантаження. На схемi представлене наванта-ження загального виду, однак, як було показано в [2], навантаження мае активно-шдуктивний характер iз широкою змшою сво!х параметрiв.
Подача керуючого впливу на обмотку збу-дження залежить вiд обраного способу управлшня. Всi вiдомi способи управлiння ключови-ми перетворювачами дiляться на три основних групи: способи iз запрограмованою заздалепдь послiдовнiстю перемикання, синхронiзованi способи зi зворотними зв'язками, асинхроннi способи. Програмний споаб не дозволяе одер-жати стабiльну напругу на виходь Синхрошзо-ванi способи, основою яких служить широтно-iмпульсна модуляцiя, вимагають ускладнення алгоршмв програм i введення додаткових зв'я-зкiв. При асинхронних способах управлiння сигнал, пропорцiйний вихщнш напрузi, вщш-маеться iз заданого й при перевищеннi за модулем заданого рiвня здiйснюеться перемикання силового ключа. При цьому перехщ з одного стшкого стану в шший здiйснюеться гранично швидко на вщмшу вiд широтно-iмпульсних систем, де для цього потрiбно декшька тактiв. Асинхронний принцип здiйснюеться релейни-ми системами, якi перебувають в автоколива-льному режимi.
ин к);
ир < 0 або ин > иоп ; и, при и > 0 або ин < иоп;
и3 () = г • ¡3 () + Ь ^;
ег () = Гя ■ ¡я (() + Ья ^ + ин () = Кг • ¡з (); (1)
ин к) = Гн • ¡н () + ьн = ег (()- Аия ();
Аи я () = Гя • ¡я () + Ья ^;
¡'я (')= ¡н (').
Схема регулювання напруги кш управлiння (див. рис. 1), описуеться системою рiвнянь, яка розглядаеться як математична модель (1) сис-теми автоматичного регулювання напруги кш управлшня ЕРС з генераторами постшного струму.
Використовуючи типове перетворення за Лапласом рiвнянь системи (1), складаемо стру-ктурну схему системи автоматичного регулю-
вання напруги (САРН) кш управлiння, яка представлена на рис. 2.
Для дослщження автоколивань у нелшшних системах, на практищ, використовуеться метод гармошчно! лшеаризаци. За допомогою цього методу можна визначити наявнiсть автоколивань у дослщжуванш системi, !хш параметри й стшюсть. Суть методу гармоншно! лшеаризаци полягае в приведеннi нелшшно! системи до ек-вiвaлентно! лшшно!, у якiй нелiнiйна ланка за-мiняеться еквiвалентною лiнiйною з коефщен-том пiдсилення, який залежить вщ амплiтуди автоколивань. Пiсля приведення нелшшно! системи до лшшно! !! дослщжують лiнiйними методами [3].
и
X 'Г
Ч
Г.
и. ¡1
Т,р-1
К,—н У
I / 1
Ч".
— (-)
лг„
и,
Т„р I I
т
Рис. 2. Структурна схема САРН
Тепер визначимося з типом нелшшност в САРН. 1стотно нелшшним елементом у системi е релейна характеристика регулятора. Регулятор на основi мiкроконтролера й силового ключа дозволяе, не змшюючи схемних ршень, оде-ржати три типи релейних характеристик: щеа-льну релейну, з пстерезисною петлею постшно! ширини й гiстерезисною петлею змшно! шири-ни, представленi на рис. 3.
Пюля виконання операци гармонiйно! лше-аризацi! нелiнiйностi приходимо до передатно! функцi! нелiнiйного елемента з коефщентами гармонiйно! лiнеаризацi! д (а), д (а) у виглядк
ЖНЕ (а, р) = д (а) + ^ • р .
ю
(2)
Оскiльки обрано типовi релейш характеристики, то лiнеаризацiю в цьому випадку не пока-зуемо, а використаемо типовi коефiцiенти, яю приводяться в технiчнiй лiтературi [3].
Передатна характеристика лшшно! частини мае вигляд:
Жл (р) =
КгК3 кя (Тн р +1)
(рТ3 + ])( + а2 )
де а1 = кятн + кнтя;
(3)
Кг, Кз, Кя, Кн - вiдповiдно коефщенти пе-редaчi генератора, обмотки збудження, обмотки якоря, навантаження;
Т3, Тн - постшш часу обмотки збудження генератора та кола навантаження.
Рис. 3. Можлив1 характеристики вузла управлшня САРН
Перюдичне рiшення лшеаризовано! системи може бути отримане за наявносп в характеристичному рiвняннi замкнуто! системи пари чисто мнимих коренiв. Вiдповiдно до критерiю Найк-вiстa цей випадок вiдповiдaе проходженню ам-плiтудно-фaзово! характеристики Ж(jю) через
точку з координатами (-1, _|0). Перiодичне р> шення визначаеться рiвнянням:
Жл (>) = -
1
Жне (а)
= N (а).
(4)
а2 = К я + Кн;
Останне рiвняння вiдобрaжaе суть графо-aнaлiтичного методу Л. С. Гольдфарба й дозволяе визначити шукану амплггуду й частоту пе-рiодичного рiшення. Лiвa частина рiвняння яв-ляе собою амплггудно-фазову характеристику лiнiйно! частини системи, а права частина -годограф N(a) - зворотну aмплiтудно-фaзову характеристику нелшшносп. Точка перехре-щення характеристик показуе величину ампл> туди й частоти автоколивань.
На рис. 4 представлено годограф, який по-будовано за методикою Гольдфарба для САРН кш управлшня з генератором ДК-405К. Для порiвняння годографи трьох типових релейних характеристик, зазначених рашше, показаш на одному полi як Ш(а) - iдеaльного реле, Ш(а) -реле iз шириною петлi пстерезису величиною 1 В, №(а) - реле зi змiнною шириною петлi гiстерезису. Амплiтудно-фaзовa характеристика лiнiйно! частини побудована для випадюв, коли навантаження мае параметри: Кн = 1,2, Тн = 0,062 с та Кн = 1,11, Тн = 0,00002 с.
Побудова годогрaфiв Гольдфарба показала,
що застосування регулятора з 1деальною релей-ною характеристикою не дозволяе одержати режиму автоколивань, тому що перетинання годограф1в л1н1Ино1 И нел1н1Ино1 частин вщсут-не. ЦеИ факт показуе, що в систем! частота ю — да, а ампл^уда A — 0 . Прагнення ампл> туди до нуля - фактор прийнятний, однак ко-мутащя ключового елемента з нескшченно великою частотою неможлива.
Годографи нелшшних елеменпв для релей-но1 характеристики з постшним пстерезисом i пстерезисом змiнноï ширини перетинають годограф лшшно1 частини в напрямку, що тд-креслюе наявнiсть стiИких автоколивань. Однак, коливання здшсненш не при вшх значен-нях постiйноï часу навантаження та коефщен-тах навантаження. Аналiз годографа лiнiИноï частини для Тн = 0,062 с показуе, що вш роз-ташований чiтко в четвертому квадрант коор-динатноï площини, не перетинаючи мниму вiсь. У результатi отримана ситуащя, аналогiчна случаю з щеальним релейним елементом: ю —^ да, A — 0 . Таким чином, автоколивання здшснюються до дея^' меж спiввiдношень мiж коефщентом навантаження та постiИноï часу навантаження.
Висновок
Вщповщно до початкового припущення, пропонуеться вузол управлшня на сучаснш елементнiИ баз^ виконаний на основi мшрокон-тролера И нашвпровщникового силового елемента, що дозволяе одержати релейш характеристики регулятора трьох титв. Однак, проведет дослщження показали, що при щеальнш релеИнiИ характеристицi одержати автоколивання для iснуючоï САРН неможливо. Для характеристик з постшним i змшним пстерезисом наявшсть автоколивань можливе не при всякому сшввщношенш параметрiв навантаження Тн И Кн.
Для одержання автоколивального режиму в системi автоматичного регулювання напруги кш управлiння ЕРС постшного струму необхщ-не введення додаткових ланок корекцн, якi до-зволяють збiльшити ступiнь полiнома знамен-ника рiвняння лiнiИноï частини (3). Колами корекци можуть служити класичш зворотнi зв'яз-ки, змша характеру навантаження, наприклад, пiдключення конденсатора великоï емностi па-ралельно навантаженню, введення в програм-ний режим мшроконтролера iмiтацiï динамiчноï ланки, наприклад аперiодичноï ланки першого порядку.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Сергеев, Б. С. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта [Текст] / Б. С. Сергеев, А. Н. Чечулина. -М.: Транспорт, 1998. - 280 с.
2. Бшухш, Д. С. Структурна схема системи автоматичного регулювання напруги електрорухо-мого складу зал1зниць з генераторами постшного струму [Текст] / Д. С. Бшухш // Наук.-техн. зб. «Прнича електромехашка та автоматика». -Д., 2007. - № 78. - С. 63-68.
3. Попов, Е. П. Приближенные методы исследования автоматических систем [Текст] / Е. П. Попов, И. П. Пальтов. - М.: Физматгиз, 1960. -792 с.
Надшшла до редколеги 25.03.2009.
Рис. 4. Годограф САРН кш управлшня з генератором ДК-405К
