Перекрестная интегрирующая система синхронизации для реверсивного вентильного преобразователя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности: учеб. пособие СПб: ГЭТУ, 1997. 64 с

4. Takeshita T., Matsui N. Sensorless Brushless DC Motor Drive with EMF Constant Identifier. IECON-94. 1994. V.1 P.8-13.

5. Карамайкин А. С. Моделирование процессов и систем. СПб.: СПбГУАП, 2005. 108с.

6. Тимошенко С.П., Янг Д^., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985, 472с.

7. Электронный учебник L.Ljung System Identification Toolbox 7 User's Guide [Электронный ресурс]: URL: http://www.mathworks.com/access /helpdesk/help/pdf_doc/ident/ident.pdf

A. ¡l ina

Modeling in MatLab an automatic control system of electronically commutated electric drive of an azimuthal axis of a telescope

The LQG regulation used in the system automatic control of the precision high torque telescope driving principles are observed.

Keywords: system of automated control, LQG regulator, high precision sensors of coordinate.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004

А.В. Качалов, асп., (351) 267-93-21, trurl2004@mail.ru (Россия, Челябинск, ЮУрГУ)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ИНТЕГРИРУЮЩАЯ СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ ДЛЯ РЕВЕРСИВНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Приведены условия синхронизации интегрирующего развертывающего преобразователя напряжением сети, показана его работа при нестабильности амплитуды и частоты синхронизирующего воздействия. Даны рекомендации по его настройке для стационарных и автономных сетей. Предложен метод «перекрестной» синхронизации каналов трехфазного вентильного преобразователя.

Ключевые слова: методы интегрирующего развертывающего преобразования, синхронизирующее воздействие, метод «перекрестной» синхронизации каналов трехфазного вентильного преобразователя.

Одним из наиболее эффективных способов повышения статической и динамической точности систем импульсно-фазового управления (СИФУ) вентильными преобразователями (ВП), а также их помехоустойчивости являются методы интегрирующего развертывающего преобразования [1]. В большинстве случаев основу развертывающих систем составляет базовая

структура интегрирующего развертывающего преобразователя (РП), включающая в себя сумматор X, интегратор И и релейный элемент РЭ с симметричной относительно «нуля» петлей гистерезиса (рис.1).

РП представляет собой автоколебательную систему с частотно-широтно-импульсной модуляцией (ЧШИМ) и знакопеременной обратной связью. Одним из наиболее примечательных качеств РП является его способность синхронизироваться внешним сигналом, переходя из режима ЧШИМ в режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Известны различные варианты режимов синхронизации, включающие как воздействие сигнала синхронизации на информационный вход РП, так и на внутренний контур на вход РЭ [2, 3]. Форма синхронизирующего воздействия также носит многообразный характер - от синусоидального до пилообразного сигналов. Для управления СИФУ наиболее приемлемым является синхронизация РП по информационному входу гармоническим сигналом, либо прямоугольными биполярными импульсами.

Достаточным условием перехода РП в режим внешней синхронизации для прямоугольных биполярных импульсов является (ТпАд) > 1, т. е.

синхронизация РП наступает при условии превышения модулем вольт-секундной площади синхронизирующего воздействия значения модуля вольт-секундной площади выходных импульсов РП за период его собственных автоколебаний. Здесь Тд = Тд /То - нормированная величина периода Т п прямоугольных биполярных импульсов синхронизации; Ап = \Ац / А\ - нормированная амплитуда импульсов синхронизации; ± А - амплитуда выходных импульсов РЭ.

Для гармонического сигнала синхронизации Хс (1) = Ас )

первым условием синхронизации РП является

2 • Тс ■ Ас

П

> 1, где

Ас = Ас/А|,Тс = Тс /То - нормированное значение амплитуды АС и периода ТС сигнала Хс (1). Однако приведенное условие для гармонического сигнала синхронизации является необходимым, но не достаточным, так как при переходе сигналом ХС (1) через нулевой уровень в РП может возникать режим собственных автоколебаний (режим частичной синхронизации), что недопустимо для СИФУ. Поэтому необходимо выполнение дополнительного условия йТи (1)/^ < ЛХс (1)/&, где Уи (1) - выходной пилообразный сигнал интегратора И при работе РП в режиме ЧШИМ.

Вжвд

нН кш

тэ

1

Тр

1¥

:

к

!

-Р

Вшм

а

"11?"

УС*

УС-В

УС-С

СИФУ-А

СИФУ-В

К гяшпш ВЛ

СИФУС

Сеть

е "

Рис. 1. Структурная схема РП (а), фрагмент функциональной схемы системы управления реверсивным тиристорным преобразователем (б) и временные диаграммы сигналов синхронизации (в - е)

В режиме внешней синхронизации РП приобретает свойства, которые для прямоугольных импульсов и гармонического сигнала описываются характеристиками апериодического звена первого порядка

п —

Ж (р) «1/(1 + Тэр) с постоянной времени Т^ ~— Т—А— [4]. Фактически

16

РП представляет собой фильтр, параметры которого автоматически изменяются под действием характеристик синхронизирующего воздействия, что делает его перспективным для организации каналов синхронизации СИФУ при работе ВП в условиях «проблемной» сети. Однако следует учитывать, что подобная линеаризация РП справедлива лишь для области частот, когда частота входного воздействия не превышает значения 0,5 • Т -

На рис.2 приведена зависимость а — = / (/—), в частности, для гармонического сигнала синхронизации, с помощью которой установлено, что угол ас = -90эл.град. обеспечивается при равенстве частот сигнала синхронизации и собственной частоты автоколебаний РП. Здесь а— - начальный угол синхронизации между напряжением сети и выходными импульсами

РП; /с = /с //о - нормированное значение частоты /с = Т- синхронизирующего воздействия Хс (/) по отношению к частоте /- = Т-1 собственных автоколебаний РП. В дальнейшем ас = -90 эл.град принимается в качестве базового, так как при этом значении ас наиболее просто реализуются каналы синхронизации ВП, что будет показано ниже.

Рис .2. Зависимость угла ас между синхронизирующим гармоническим воздействием и выходными импульсами РП от нормированной

частоты /с = /с / /о сигнала синхронизации

На рис.3 приведены пространства статического состояния Лас = / (ААС, АС), Аас = / (А/С, АС), где:

Аас = (аС -а с )/ а с = а£-1 - нормированное значение фактического угла синхронизации а с относительно заданного ас = -90 эл.град; ААс = ААс / Ас - нормированное отклонение ААс амплитуды гармонического синхронизирующего воздействия от заданного значения АС ; Ас = Ас / А - нормированное значение глубины синхронизации РП; А/с = А/с / /с - нормированное отклонение А/с частоты сигнала синхронизации от номинального значения /с .

Анализ приведенных характеристик показывает, что при изменении амплитуды синхронизирующего воздействия независимо от кратности

сигнала синхронизации Ас ошибка угла синхронизации отсутствует

(рис.3, а), что объясняется замкнутым характером структуры РП, когда интегратор стремиться поддержать скважность выходных импульсов на заданном уровне. Это является существенным преимуществом подобного рода УС по сравнению с их каскадным вариантом типа «фильтр - компа-

ратор», широко применяемым в ВП отечественного и зарубежного производства.

При изменениях частоты сигнала синхронизации (рис.3, б) и кратности синхронизации Ас пространство Аас = /(А/С, Ас ) приобретает существенно нелинейный характер.

АЩ;

V

№

I-

-11

.- ^ ЖС

03? 0,4 03 ОД 0,1 О -41,1-02 413-0,4-0,*; А? А?

"*0,5-0,4-03-02-01 № ЩЩОЗО^О,;

а б

Рис. 3. Зависимости Аас = /(ААс , Ас ) (а) и Аас = /(А/С, Ас ) (б) при гармоническом сигнале синхронизации

Так, при отклонениях частоты синхронизации в пределах ± 50 % и кратности синхронизирующего сигнала 4,0 ошибка угла синхронизации достигает более ± 10 %. В то же время, если глубину синхронизации увеличить до 10,0 значение этой же ошибки не превысит уровня ± 5,0 % .

Проведенный анализ показал, что длительность переходного процесса в РП, отсчитываемая от начала подачи на его вход сигнала синхронизации, пропорциональна глубине синхронизации Ас . При этом в случае

выполнения условия 2,0 < Ас < 4,0 время переходного процесса не превышает 3 - 5 периодов напряжения сети. В автономных сетях кратность синхронизации желательно иметь на уровне 3,0 < Ас < 6,0, что с одной

стороны увеличивает время переходного процесса в канале синхронизации, а, с другой стороны, снижает его статическую погрешность к изменениям частоты напряжения сети.

На рис.1, б приведен один из возможных вариантов синхронизации СИФУ с применением РП для реверсивного мостового тиристорного преобразователя с раздельным управлением.

Каждый из каналов синхронизации УС-А, УС-В, УС-С (см. рис.1, б) выполнен по идентичной схеме РП (см. рис.1, а), где, кроме ранее рассмотренных элементов, включены пропорциональные звенья Квх , Кос , определяющие коэффициент пропорционального усиления РП,

107

и выходной компаратор К, с помощью которого биполярный выходной сигнал РП преобразуется в однополярные импульсы для последующего согласования с цифровыми элементами СИФУ-А, СИФУ-В и СИФУ-С. При этом соответствующий канал синхронизации обеспечивает формирование сигнала логической «1» на интервалах коммутации «1 - 2» (фаза А) , «3 -4» (фаза В) и «5 - 6» (фаза С) (см. рис.1, в).

Из диаграмм сигналов (см. рис.1, в - е) видно, что сигнал «1» для соответствующего интервала коммутации может быть получен за счет метода «перекрестной» синхронизации, когда СИФУ-А синхронизируется сигналом УС-В, СИФУ-В получает сигнал синхронизации от УС-С, а СИФУ-С от канала синхронизации УС-А (см. рис.1, б).

Промышленные внедрения ВП с «перекрестной» синхронизацией показали высокую степень их надежности и помехоустойчивости, обусловленные построением каналов синхронизации на основе интегрирующих РП.

Выводы

1. Получены условия внешней синхронизации РП гармоническим сигналом и биполярными прямоугольными импульсами.

2. Дан анализ погрешности угла синхронизации РП при изменениях амплитуды и частоты синхронизирующего воздействия. Показано, что при работе со стационарными сетями глубина синхронизации РП должна удовлетворять условию 2,0 < А— < 4,0, а в автономных сетях составлять

А{— > 6,0. При этом достигается компромисс между помехоустойчивостью

и быстродействием контура синхронизации ВП.

3. Предложен метод «перекрестной» синхронизации каналов СИФУ трехфазного мостового реверсивного ВП, обеспечивающий минимизацию элементов каналов синхронизации и высокую помехоустойчивость при работе с «проблемной» по своим характеристикам сетью.

Список литературы

1. Мартяшин А.И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М.: Энергия, 1976. 390 с.

2. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М.: Наука, 1974.

576 с.

3. Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики: дис. ... д-ра техн. наук. Челябинск: ЧГТУ, 1996. 464 с.

4. Цытович Л.И. Реверсивный тиристорный преобразователь для систем управления с питанием от сети с нестационарными параметрами //

108

Практическая силовая электроника. М: ЗАО «ММП Ирбис», 2009. №34 С. 35 - 41.

A. Kachalov

Integrating system of cross-synchronization for reversive power converter channels Principles of synchronization of an integrating sweep converter with power source voltage and work of the converter with instability of magnitude and frequency of synchronization signal are shown. The recommendations of tuning of the sweep converter are formulated. The author gives the cross-synchronization method of three-phase power converter channels.

Keywords: methods of the integrating unwrapping transformation, synchronising influence, cross-synchronization method of three-phase power converter channels.

Получено 06.07.10

УДК 62-83:004

Р.В. Ковалев, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., (4832) 56-36-02, kovalev@umlab.ru (Россия, Брянск, БГТУ), С.Ю. Матюшков, асп., (4832) 56-36-02, serzfa.matyushkov@yandex.ru (Россия, Брянск, БГТУ), А.А. Пугачев, канд. техн. наук, доц., (4832) 56-36-02, alexander-pugachev@rambler.ru (Россия, Брянск, БГТУ), Г.В. Роговцев, асп., (4832) 56-36-02, aep-bgtu@yandex.ru (Россия, Брянск, БГТУ), Г.А. Федяева, д-р техн. наук, проф., (4832) 56-36-02, galan.fedyaeva@gmail.com (Россия, Брянск, БГТУ)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ГРУЗОВОГО ЛОКОМОТИВА

Представлены блок-схема, принципы построения компьютерной модели и результаты моделирования мехатронной системы тягового электропривода локомотива с регулированием электромагнитного момента асинхронных двигателей на пределе по сцеплению колес с рельсами и контролем вибраций в тяговой передаче.

Ключевые слова: системы управления, скольжение колес, мехатронная система тягового электропривода

Создание новых отечественных грузовых локомотивов с высокими тяговыми качествами требует высокодинамичного регулирования энергетических потоков с целью оптимальной передачи усилий от колеса на рельс в режимах тяги и торможения. Наибольшие перспективы в этом направлении открывает асинхронный тяговый электропривод (АТЭП). За последнее десятилетие в России спроектированы и изготовлены современные локомотивы с АТЭП отечественного производства: маневровый тепловоз ТЭМ21 и магистральный грузовой тепловоз 2ТЭ25А («Витязь»). Испытания и эксплуатация этих локомотивов, разработанных и выпущенных со-