Научная статья на тему 'Оценка качества передачи гармонического воздействия в многозонных преобразователях с двухтактной широтнои частотно-широтно-импульсной модуляцией'

Оценка качества передачи гармонического воздействия в многозонных преобразователях с двухтактной широтнои частотно-широтно-импульсной модуляцией Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
212
49
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МНОГОЗОННЫЙ РАЗВЕРТЫВАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ / ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ / ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ / КОЭФФИЦИЕНТ ГАРМОНИК / РЕЛЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / КЛЮЧЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ / MULTI-ZONE SWEEP CONVERTER / WIDTH-PULSE MODULATION / FREQUENCY-WIDTH-PULSE MODULATION / TIMEDIAGRAMS / HARMONIC FACTOR / RELAY ELEMENT / KEY ELEMENT

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Брылина Олеся Геннадьевна

Приводятся результаты сопоставительного анализа качества передачи гармонического сигнала в двухтактных многозонных развертывающих преобразователях (МРП) с различными законами модуляции. Рассматриваются МРП с широтно-импульсной модуляцией и с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Приведены структурные схемы, временные диаграммы сигналов преобразователей при гармоническом входном воздействии, основные расчетные соотношения, а также характеристики, полученные в результате моделирования в среде Matlab+Simulink.Результаты исследований могут представлять интерес для специалистов в области силовой и информационной электроники, электропривода и автоматизации технологических процессов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Брылина Олеся Геннадьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EVALUATION OF THE QUALITY OF THE HARMONIC SIGNAL TRANSMISSION IN MULTI-ZONE CONVERTERS WITH PUSH-PULL WIDTH-PULSE AND FREQUENCY-WIDTH-PULSE MODULATION

The results of a comparative analysis of transmission quality of the harmonic signal in push-pull multizone sweep converters with the modulation of two types are considered in this article. Multi-zone sweep converters with width-pulse modulation and frequency-width-pulse modulation are shown. The structure charts of the multi-zone converters, its time diagrams for harmonic input signal, main analytical expressions and characteristics obtained as a result of a modeling in Matlab + Simulink are given.This article may interest specialists in the field of power and information electronics, of the electric drive and automation of technological processes.

Текст научной работы на тему «Оценка качества передачи гармонического воздействия в многозонных преобразователях с двухтактной широтнои частотно-широтно-импульсной модуляцией»

Устройства аналоговой и цифровой электроники

УДК 62-83:681.51(075.8)

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ГАРМОНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В МНОГОЗОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ С ДВУХТАКТНОЙ ШИРОТНО-И ЧАСТОТНО-ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

О.Г. Брылина

Приводятся результаты сопоставительного анализа качества передачи гармонического сигнала в двухтактных многозонных развертывающих преобразователях (МРП) с различными законами модуляции. Рассматриваются МРП с широтно-импульсной модуляцией и с частотно-широтно-импульсной модуляцией. Приведены структурные схемы, временные диаграммы сигналов преобразователей при гармоническом входном воздействии, основные расчетные соотношения, а также характеристики, полученные в результате моделирования в среде Matlab+Simulink.

Результаты исследований могут представлять интерес для специалистов в области силовой и информационной электроники, электропривода и автоматизации технологических процессов.

Ключевые слова: многозонный развертывающий преобразователь, широтно-импульсная модуляция, частотно-широтно-импульсная модуляция, временные диаграммы, коэффициент гармоник, релейный элемент, ключевой элемент.

Введение

В настоящее время в системах промышленной автоматики широкое распространение получили регулируемые силовые преобразователи с широтно-(ШИМ) и частотно-широтно-импульсной модуляцией (ЧШИМ) [1-5]. При этом, как правило, в основном используется однозонная ШИМ или ЧШИМ, когда выходные импульсы имеют фиксированное значение амплитуды [1-4].

Исследования, проведенные на кафедре электропривода ЮУрГУ (НИУ), показали перспективность многозонной ШИМ и ЧШИМ, позволяющей с высокой эффективностью решать целый комплекс технических задач по повышению метрологических и эксплуатационных характеристик импульсных преобразователей информации [5-8].

При многозонной модуляции максимальный диапазон ±А выходного сигнала преобразователя разделяется на несколько (п-е число) поддиапазонов (модуляционных зон МЗ), в пределах которых преобразование входного воздействия ХВХ осуществляется в соответствии с заданной модуляционной характеристикой ^ = ДХВХ), где ^ - частота выходных импульсов преобразователя [6]. Переход многозонного преобразователя (МРП) из одной модуляционной зоны в другую осуществляется, когда амплитуда входного сигнала превышает заданное для данной модуляционной зоны значение. Подобная структура МРП в целом ряде случаев позволяет при сохранении повышенных энергетических показателей и помехоустойчивости получить более широкую полосу пропускания частот по сравнению с однозонной модуляцией.

Многообразие принципов построения МРП [5-8] диктует необходимость сравнительного анализа качества преобразования на их основе динамического, в частности, гармонического сигнала, например, по критерию коэффициента гармоник выходных импульсов, чему и посвящена данная работа. Анализ проводился на базе пакета Matlab+Simulink.

Структурные схемы и принцип действия

развертывающих преобразователей

Наибольшее распространение в системах автоматики получили многозонные преобразователи с широтно-импульсной (МРП-ШИМ) (рис. 1, а) [3, 4, 9] и частотно-широтно-импульсной модуляцией (МРП-ЧШИМ) (рис. 2, а; 3) [6-8].

В состав МРП-ШИМ входят генератор пилообразного напряжения (сигнала развертки) ГПН, сумматоры £1, £2, безгистерезисный релейный элемент РЭ и ключевые элементы К1 - Кп с зоной нечувствительности +С . Выходной сигнал РЭ меняется дискретно в пределах -А/(р +1) < YРЭ (^ < А/(Р +1) (рис. 1, б), а ключевых элементов - в пределах 0 < Ую(1) < |2А/(Р +1)| (рис. 1, в), где ±А - максимальная амплитуда выходного сигнала YВЬIХ (^, р - число ключевых элементов МРП-ШИМ. В МРП-ШИМ число модуляционных зон определяется в соответствии с выражением Z = р +1.

В дальнейшем ограничимся числом р = 2, что обеспечивает Ъ = 3 . В дальнейшем модуляционные зоны обозначаются как МЗЬ МЗ2, МЗ3.

Рис. 1. Структурная схема многозонного преобразователя МРП-ШИМ

Рис. 2. Структурная схема многозонного преобразователя МРП-ЧШИМ

~(п~2) -1/п 0 1/п (п-2)

п п

Рис. 3. Модуляционные характеристики многозонных преобразователей

В МРП-ШИМ происходит непосредственное сравнение сигнала развертки Yr (t) с нулевым

уровнем или с некоторым заранее заданным пороговым уровнем Q с последующей фиксацией момента времени выполнения равенства Yr (t) = 0 или

Yr (t) = С путем дискретного изменения знака и/или уровня выходного сигнала YBbIX (t) МРП-ШИМ.

В дальнейшем считаем, что пороговые уровни ключевых элементов К1 - К2 удовлетворяют условию |Cj| < |C2|, причем |C2| - |Cj| = ДС = АГ , где АГ - амплитуда сигнала с выхода ГПН.

Для выделения среднего значения Y0[mT0] из потока импульсов YBHX(t) на выходе МРП-ШИМ установлен цифровой фильтр (ЦФ), где m = 1, 2, 3... - целое число, соответствующее порядковому номеру интервала дискретизации Т0 (периоду следования) выходных импульсов многозонного преобразователя.

В качестве динамического воздействия был выбран гармонический сигнал X~(t) = А~ sin rot с

нормированной амплитудой А~ = |А~/А| = 0,8,

что приводит к формированию на выходе преобразователя сигнала во всех (в данном случае в трех) модуляционных зонах (рис. 4). Происходит это по причине последовательных переключений РЭ, К1, К2 в «положительное» с последующим возвратом

в «отрицательное» состояния (см. рис. 4) и т. д. В результате входной гармонический сигнал X~(t) = А~ sin rot восстанавливается на выходе МРП-ШИМ в виде «ступенчатого» сигнала

Y0[mT0]. Величина «ступеньки» равна среднему значению выходных импульсов за m-й период их следования. Дискретное изменение Y0[mT0] происходит по завершению соответствующего интервала дискретизации МРП-ШИМ, когда между входным сигналом и средним значением выходных импульсов существует однозначная связь и ЦФ в состоянии вычислить постоянную составляющую выходных импульсов.

МРП-ЧШИМ представляет собой замкнутую интегрирующую автоколебательную систему (см. рис. 2, а). В ее состав входят сумматоры Е1 и Е2, интегратор И с передаточной характеристикой

вида W(p) = 1 , где ТИ - постоянная времени

ТИр

интегрирования и релейные элементы РЭ1 - РЭп с симметричными относительно «нуля» порогами переключения, удовлетворяющими условию

1±Ь1

< |+b2| < ... <|±bn|. Здесь индекс при b соответствует порядковому номеру РЭ. Амплитуда выходных импульсов каждого из РЭi меняется в пределах Yrai = +A / п (рис. 2, б), где п > 3, 5, 7. -нечетное число. Максимальный выходной сигнал

Устройства аналоговой и цифровой электроники

Рис. 4. Временные диаграммы сигналов МРП-ШИМ при гармоническом входном воздействии с нормированной амплитудой А~(Х) = 0,8

Рис. 5. Временные диаграммы сигналов МРП-ЧШИМ при гармоническом входном воздействии с амплитудой А~(1:) = 0,8

МРП-ЧШИМ равен ±А (см. рис. 2, б). В режиме автоколебаний всегда находится РЭ с минимальным значением порогов переключения, в данном случае РЭ1. Остальные РЭ работают в статическом состоянии Ап или -Ап (см. рис. 2, б). Ограничимся числом релейных элементов п = 5, что, в соответствии с выражением Z = (п +1)/2 = 3, обеспечивает, как и в МРП-ШИМ, три модуляционные зоны.

При гармоническом сигнале X~(t) = А~ sm rot на входе МРП-ЧШИМ преобразователь последо-

вательно переходит из первой (МЗі) в более старшие модуляционные зоны (МЗ2 и МЗ3), а затем обратно. Происходит это в результате последовательной с ростом амплитуды сигнала Х~(1;) переориентации РЭ2, РЭ3 под действием выходного сигнала Yи (1) интегратора И (см. рис. 2). Полезная составляющая Y0[mT0] выходных импульсов

Yвыx(t) МРП-ЧШИМ складывается из среднего значения импульсного потока текущей модуляционной зоны и постоянной составляющей предшествующих модуляционных зон (рис. 5).

В результате координата Y0[mT0] выходного сигнала YВЫХ(t) МРП-ЧШИМ пропорциональна величине Х~(1;) (см. рис. 5) и инверсна по отношению к этому входному воздействию.

Принципиальное различие между МРП-ШИМ и МРП-ЧШИМ наглядно показывает модуляционная характеристика f0 = Я(Хвх), которая не зависит от входного сигнала Хвх и постоянна во всем диапазоне его изменения для МРП-ШИМ и имеет точки с Я0 = 0 (частотно-нулевое сопряжение модуляционных зон) - для МРП-ЧШИМ (см. рис. 3). Здесь Хвх = ХВХ/А - нормированная величина

входного сигнала, Я =

ҐоДо|Хв

- нормирован-

ная частота f0 = Т01 выходных импульсов преоб-

разователя; %ВХ=0 = т0іхв

- частота выходных

импульсов преобразователей при нулевом значении сигнала на входе.

Теоретическая часть

В соответствии с ГОСТ 13109-97 [10], качество выходного сигнала оценивают по коэффициенту гармоник КГ, определяемому по формуле

КГ =,! л

(к)

'А,

(1)

(1)

к=2

где А(1) и А(к) - амплитуда первой и к-х гармоник выходного сигнала МРП.

Анализ проводился в среде Matlab+Simulink [11] в соответствии с выражением (1) для диапазона частот Я~ < 0,1, что соответствует реальной полосе пропускания импульсных преобразователей с ШИМ и ЧШИМ при гармоническом входном воздействии [12, 13]. Здесь Я~ = Я,/Я,

0 Хв

нор-

мированное значение частоты гармонического входного сигнала Х~(1).

При малых значениях амплитуды А~ (рис. 6, а)

характеристики КГ = Я( Я~) для МРП-ШИМ и МРП-ЧШИМ практически идентичны. Это является следствием того, что в данном диапазоне входного сигнала модуляционные характеристики для этих преобразователей фактически совпадают (см. рис. 3).

Когда же амплитуда динамического входного сигнала существенно возрастает (рис. 6, б), частота следования выходных импульсов в МРП-ЧШИМ «в среднем» падает, а переход из одной модуляционной зоны в другую сопровождается задержкой, обусловленной временем переключения соответствующего из релейных элементов РЭ2, РЭ3. Это приводит к тому, что величина КГ для МРП-ЧШИМ существенно возрастает. Здесь МРП-ЧШИМ проигрывает преобразователям типа МРП-ШИМ по качеству преобразования динамического сигнала.

Однако не следует забывать, что МРП-ЧШИМ является замкнутой системой с интегратором в прямом канале регулирования, что обеспечивает его высокую статическую точность и помехоустойчивость.

0

0

а) б)

Рис. 6. График зависимости коэффициента гармоник выходного сигнала от относительной частоты гармонического входного воздействия при нормированной амплитуде гармонического

сигнала А~ = 0,1 (а) и А~ = 0,8 (б)

Устройства аналоговой и цифровой электроники

Выводы

1. Минимальным коэффициентом гармоник КГ во всем рабочем диапазоне частот f~ обладает МРП-ШИМ.

2. В преобразователях с ЧШИМ коэффициент

гармоник КГ больше, так как частота f0 выходных импульсов подобных МРП снижается с ростом амплитуды гармонического сигнала. Поэтому количество отсчетов, необходимых для восстановления гармонического выходного сигнала, оказывается меньше чем в преобразователях с ШИМ,

где частота f0 остается постоянной во всем диапазоне изменения входного воздействия.

3. При работе с динамическим воздействием большой амплитуды, когда оказываются задействованными все модуляционные зоны, коэффициент гармоник КГ всех преобразователей возрастает, так как амплитуда дискретизации сигнала Y0[mT0] по уровню также увеличивается. При этом в МРП-ЧШИМ КГ возрастает значительнее по сравнению с МРП-ШИМ по причине наличия в модуляционной характеристике точек частотнонулевого сопряжения модуляционных зон.

Литература

1. High-speed three-dimensional shape measurement for dynamic scenes using bi-frequency tripolar pulse-width-modulation fringe projection Original / Chao Zuo, Qian Chen, Guohua Gu et al. // Optics and Lasers in Engineering, In Press, Corrected Proof, Available online, 22 March, 2013.

2. Hiticas, I. Modeliranje i operativno testiranje modulacije sirine impulsa kod vremena ubrizgavanja za motor paljen pomocu svjecice /1. Hiticas, D. Marin, L. Mihon // Tehnicki vjesnik. - 2013. - Vol. 20, no. 6. - P. 147-153.

3. Мартяшин, А.И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения /А.И. Мартяшин, Э.К. Шахов, В.М. Шляндин. -М.: Энергия, 1967. - 390 c.

4. Кобзев, А.В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии /

A.В. Кобзев. - Новосибирск: Наука, 1979. -304 с.

5. Потери в регулируемых электроприводах при разных законах управления / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков и др. //Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Энергетика». - 2010. -Вып. 13, № 14 (190). - С. 47-51.

6. Брылина, О.Г. Статические и динамические спектральные характеристики многозонного преобразователя с частотно-широтно-импульсной модуляцией / О.Г. Брылина //Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Энергетика». - 2013. - Т. 13, № 1. - С. 70-79.

7. Analog-digital converter with integrating inphase amplitude-frequency-pulse modulation for switched drive systems / L.I. Tsytovich, O. G. Brylina, M.M. Dudkin et al. //Russian Electrical Engineering. -2013. - Vol. 84, iss. 5. - P. 244-249.

8. Adaptive interval-code integrating synchronization of control systems for power converters / L.I. Tsytovich, O.G. Brylina, M.M. Dudkin, R.M. Rakh-matulin // Russian Electrical Engineering. - 2013. -Vol. 84, iss. 3. - P. 122-128.

9. Новый алгоритм широтно-импульсной модуляции выходного напряжения трехфазного автономного инвертора с нейтральной точкой /

B.И. Сенько, С.А. Лебеденко, А.П. Калиниченко и др. // Техническая электродинамика. - 1994. -№ 1. - С. 13-18.

10. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт, 1998.

11. Герман-Галкин, С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование механотронных систем на ПК /

C.Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. -368 c.

12. Хьюлсман, Л.П. Активные фильтры / Л.П. Хьюлсман; пер. с англ. под ред. И.Н. Теплюка. -М.: Мир, 1972. - 516 с.

13. Bissell, C. Vladimir Aleksandrovich Kotelni-kov: pioneer of the sampling theorem, cryptography, optimal detection, planetary mapping... History of Communications. Communications Magazine, IEEE. -2009. - № 10. - P. 24-32.

Брылина Олеся Геннадьевна, канд. техн. наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматика промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск, тел.: 8(351)2679321, e-mail: [email protected].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Поступила в редакцию 6 октября 2013 г.

Bulletin of the South Ural State University Series “Power Engineering” __________________________________________________________________2014, vol. 14, no. 1, pp. 48-53

EVALUATION OF THE QUALITY OF THE HARMONIC SIGNAL TRANSMISSION IN MULTI-ZONE CONVERTERS WITH PUSH-PULL WIDTH-PULSE AND FREQUENCY-WIDTH-PULSE MODULATION

O.G. Brylina, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, [email protected]

The results of a comparative analysis of transmission quality of the harmonic signal in push-pull multizone sweep converters with the modulation of two types are considered in this article. Multi-zone sweep converters with width-pulse modulation and frequency-width-pulse modulation are shown. The structure charts of the multi-zone converters, its time diagrams for harmonic input signal, main analytical expressions and characteristics obtained as a result of a modeling in Matlab + Simulink are given.

This article may interest specialists in the field of power and information electronics, of the electric drive and automation of technological processes.

Keywords: multi-zone sweep converter, width-pulse modulation, frequency-width-pulse modulation, time diagrams, harmonic factor, relay element, key element.

References

1. Zuo Chao, Chen Qian, Zuo Chao, Gu Guohua, Feng Shijie, Feng Fangxiaoyu, Li Rubin, Shen Guochen. High-Speed Three-Dimensional Shape Measurement for Dynamic Scenes Using Bi-Frequency Tripolar Pulse-Width-Modulation Fringe Projection Original, Optics and Lasers in Engineering, In Press, Corrected Proof, Available at 22 March, 2013.

2. Hiticas I., Marin D., Mihon L. Modeliranje i operativno testiranje modulacije sirine impulsa kod vremena ubrizgavanja za motor paljen pomocu svjecice [Modeling and Operational Testing of Pulse-Width Modulation at Injection Time for a Spark-Ignition Engine]. Tehnicki Vjesnik20(1), 2013, pp. 147-153.

3. Martyashin A.I., Shakhov E.K., Shlyandin V.M. Preobrazovateli elektricheskikh parametrov dlya sistem kontrolya i izmereniya [Converters of Electrical Parameters for Systems of Control and Measurement]. Moskow, 1967. 390 p.

4. Kobzev A.V. Mnogozonnaya impul'snaya modulyatsiya. Teoriya i primenenie v sistemakh preobrazovaniya parametrov elektricheskoy energii [Multi-Zone Pulse Modulation. Theory and Application in Systems of Conversion of Electric Energy Parameters]. Novosibirsk, 1979. 304 p.

5. Usynin Yu.S., Grigorev M.A., Shishkov A.N. [The Losses in the Regulated Elecric Drives with Different Control Laws]. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2010, iss. 13, no. 14 (190), pp. 47-51. (in Russ.)

6. Brylina O.G. [Static and Dynamic Spectral Characteristics of Multi-zone Integrate Converter with Fre-quency-width-pulse Modulation]. Bulletin of the South Ural State University. Series Power Engineering, 2013, vol. 13, no. 1, pp. 70-79. (in Russ.)

7. Tsytovich L.I., Brylina O.G., Dudkin M.M., Rakhmatulin R.M., Tyugaev A.V. Analog-Digital Converter with Integrating in-Phase Amplitude-Frequency-Pulse Modulation for Switched Drive Systems. Russian Electrical Engineering, 2013, no. 84 (5), pp. 244-249.

8. Tsytovich L.I., Brylina O.G., Dudkin M.M., Rakhmatulin R.M. Adaptive Interval-Code Integrating Synchronization of Control Systems for Power Converters. Russian Electrical Engineering, 2013, no. 84 (3), pp. 122-128.

9. Senko V.I., Lebedenko S.A., Kalichenko A.P., Fan Kuok Zung, Fan Huang Vin. Noviy algoritm shirotno-impulsnoy modulyatsii vikhodnogo napryazhenie trekhfaznogo avtonomnogo invertora s neytralnoy tochkoy [New Algorithm of Pulse-Width-Modulation of Output Voltage of Three-Phase Autonomous Inverter with Neutral Point]. Technical Electrodynamics, 1994, no.1, pp. 13-18.

10. GOST 13109-97. Elektricheskaya energiya. Elektromagnitnaya sovmestimost'. Normy kachestva elektricheskoy energii v sistemakh elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya [State Standard 13109-97. Electrical Energy. Electro Magnetic Compatibility. Quality Standards of Electric Energy in the Supply Systems of General Purpose]. Moskow, Gosstandart Publ., 1998. (in Russ.)

11. German-Galkin S.G. Matlab & Simulink. Proektirovanie mekhanotronnykh system na PK [Matlab & Simulink. Design of Mechatronic Systems on PC]. St. Petersburg, KORONA-Vek. Publ., 2008. 368 p.

12. Teplyuka I.N. (ed.), Khyulsman L.P. Aktivnyefiltry [Active Filters]. Moscow, Mir Publ., 1972. 516 p.

13. Bissell C. Vladimir Aleksandrovich Kotelnikov: Pioneer of the Sampling Theorem, Cryptography, Optimal Detection, Planetary Mapping. History of Communications. Communications Magazine, IEEE, 2009, no. 10, pp. 24-32.

Received 6 October 2013

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.