CC BY
45
УДК 62-83:681.51(075.8)
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ФАЗОСДВИГАЮЩИХ УСТРОЙСТВ С РАЗЛИЧНЫМ ПРИНЦИПОМ ПОСТРОЕНИЯ*
М.М. Дудкин г. Челябинск, ЮУрГУ
Рассматриваются принципы построения фазосдвигающих устройств (ФСУ) различных классов, применяемых в системах импульсно-фазового управления вентильными преобразователями. Приведены структурные схемы ФСУ, временные диаграммы их работы, а также сравнительный анализ их помехоустойчивости при воздействии гармонической помехи в широком частотном диапазоне на информационный вход устройства. Результаты получены на основе математического моделирования в среде Ма&аЬ у6.5 + 81шиНпк у5.0.
На промышленных предприятиях по причине взаимного влияния вентильных преобразователей (ВП) через сеть и высокого уровня помех в каналах передачи информации наблюдается достаточно высокий поток аварийных отключений электроприводов из-за низкой помехоустойчивости элементов ВП, в частности, фазосдвигающих устройств (ФСУ). Поэтому в области автоматизированного электропривода одно из ведущих мест занимает проблема помехоустойчивости элементов системы управления [1], т.е. способность элементов системы регулирования ВП правильно передавать информацию, несмотря на наличие помех на их входах.
Анализ уровня помех на различных промышленных объектах показал [2-3], что для обеспечения качественного функционирования, систем электропривода система импульсно-фазового управления (СИФУ) вентильными преобразователями должны сохранять свои номинальные характеристики в диапазоне частот сигналов помех / = 50...1200 Гц при АП=АП/Хпш<ОД, где Ап - амплитуда сигнала помехи, а Хшах - максимальный уровень входного информативного сиг-
нала ФСУ. Наиболее опасными помехами в системах промышленной автоматики являются гармонические [1-4], которые могут привести:
> к паразитной низкочастотной амплитудной модуляции выходного сигнала схем управления;
> постоянно действующей перегрузке по току ряда элементов схемы, борьба с которыми весьма затруднительна [4];
> изменению статических и динамических характеристик отдельных элементов и замкнутой системы электропривода в целом [1];
> и, в некоторых случаях, к полной неработоспособности схемы управления.
В связи с этим актуальна задача сравнительного анализа помехоустойчивости различных классов ФСУ с целью выбора оптимального варианта, обеспечивающего при простоте технической реализации высокие метрологические характеристики системы управления ВП.
Для решения поставленной задачи в качестве примера в среде МаНаЬ у6.5 + Бітиііпк у5.0 была составлена математическая модель тиристорного регулятора переменного напряжения (рис. 1).
В ее состав входят: источник трехфазного напряжения (1), система импульсно-фазового
(1)
Phase А Phase В Phase С Uabc
З-Phase
Source
(S) —
Conifol signal T—
Uabc Pulse
Control signal ДрЬа deg
Pulse-phase control system
OQDD
(B)
Interfering
signal
Phase А A
Phase В (3) В
С
Phase С Vbltage VS!
Pulse Current VS1
Thyristor block
Alpha deg
Selector
(4)
load voltage Load current
Scope
Рис. 1. Математическая модель системы тиристорного регулятора переменного напряжения
* Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Челябинской области.
управления (2), блок тиристоров (3), трехфазная активно-индуктивная нагрузка (4), источник сигнала задания (5), блок (6), имитирующий сигнал помехи синусоидальной формы, а также регистрирующие приборы.
Блок тиристоров (3) представляет собой шесть встречно-параллельно включенных тиристоров, управляемых СИФУ (2), выполненной по многоканальному синхронному принципу [5], где каждый из ее каналов синхронизирован с соответствующей фазой напряжения сети. В свою очередь СИФУ (2) состоит из устройства синхронизации, предназначенного для синхронизации системы управления с напряжением сети; ФСУ, обеспечивающего изменение фазы (угла) управляющего импульса в функции сигнала задания (5) и распределителя импульсов управления.
В математической модели (рис. 1) преду-
смотрена возможность в блоке СИФУ (2) выбирать фазосдвигающие устройства трех классов: разомкнутого с выборкой мгновенных значений сигнала управления, получившего в литературных источниках название ФСУ с «вертикальным» управлением, интегрирующего число-импульсного с «горизонтальным» управлением и замкнутого интегрирующего с синхронизацией со стороны релейного элемента РЭ [6-7]. Структурные схемы и временные диаграммы сигналов исследуемых устройств приведены в табл. 1
ФСУ с «вертикальным» управлением (табл. 1, рис. 1) с параметрической (независящей от входного сигнала) разверткой 7И(0 = Х0 -*/7^ , где Х0 - опорный сигнал, включает в себя интегратор И с постоянной времени ТИ и релейный элемент РЭ. Принцип действия ФСУ основан на непо-
Таблица 1
Структурные схемы и временные диаграммы сигналов ФСУ различных классов
средственном сравнении параметрической развертки Уи (?) с сигналом управления Хвх (табл. 1, рис. 2). В момент времени соответствующему равенству Уи (О = Хвх, формируется импульс управления тиристором. Синхронизация сигнала развертки ¥и (?) с напряжением сети происходит в моменты времени ? = п ■ Т0 импульсом с выхода устройства синхронизации (УС) (табл. 1, рис. 2 а), когда в интеграторе И происходит установка нулевых начальных условий (табл. 1,рис. 1). Здесь: Т0 - период сигнала Уи (?), равный половине периода питающей сети; п-1,2,3... - целое число, соответствующее номеру интервала дискретизации.
Интегрирующее число-импульсное ФСУ с «горизонтальным» управлением (табл. 2, рис. 3 а) включает в себя преобразователь напряжения в частоту импульсов ПНЧ, суммирующий счетчик СТ и логические элементы Л1, Л2 типа «2И».
ПНЧ (табл. 1, рис. 3 б) выполнен по схеме интегрирующего преобразователя с установкой
нулевых начальных условий в канале интегрирования и обладает повышенной помехоустойчивостью к сигналам внешних помех со стороны информационного входа по сравнению с другими ПНЧ [8].
В момент времени перехода напряжением сети через нулевой уровень СТ «обнуляется» импульсом малой длительности с выхода устройства синхронизации СИФУ (табл. 1, рис. 4 а), а элемент Л1 открывается сигналом «1» с инверсного выхода Оп_1 старшего разряда СТ. С помощью ПНЧ сигнал управления Хвх преобразуется в импульсы с частотой /}(табл. 1. рис. 4 в), пропорциональной Хвх (табл. 1, рис. 4 б). В счетчике СТ накапливается число N(1) (табл. 1, рис. 4 г). При переходе старшего разряда СТ в состояние £>„_]= 0 логический элемент Л1 закрывается, и счет прекращается. Одновременно сигналом
= 1 с прямого выхода старшего разряда СТ (табл. 1, рис. 3) открывается элемент Л2, и импульсы с выхода генератора (табл. 1, рис. 4 д) по-
Частота помехи, Гц
-------ФСУ с "вертикальным" управлением;
Интегрирующее число-импульсное ФСУ; ------------Замкнутое интегрирующее ФСУ
а)
Частота помехи, Гц
-------ФСУ с "вертикальным" управлением;
Интегрирующее число-импульсное ФСУ;-------------Замкнутое интегрирующее ФСУ
б)
Рис. 2. Абсолютная ошибка угла управления Да под действием сигнала помехи для различных классов фазосдвигающих устройств: а) Ап = 0,1; б) Ап =0,5
даются на управляющий переход соответствующего из силовых тиристоров ВП (табл. 1, рис. 4 е).
Длительность открытого состояния тиристоров зависит от амплитуды сигнала Хвх (табл. 1, рис. 4 б), определяющего угол управления а!,а2...ап (табл. 1, рис. 4 в).
Замкнутое интегрирующее ФСУ с синхронизацией со стороны релейного элемента РЭ выполнено на основе автоколебательного развертывающего преобразователя, включающего сумматор Е, интегратор И с постоянной времени ТИ2, релейный элемент РЭ с безгистерезисной и симметричной относительно нуля характеристикой (табл. 1, рис. 5). Перевод ФСУ в режим вынужденных переключений производится от генератора пилообразного напряжения ГПН, формирующего сигнал ведущей развертывающей функции
^#1 (1) = Х0 -?/ГЯ1 , синхронизированного с напряжением сети (табл. 1, рис. 6 а-б), где: Х0 - опорный сигнал ГПН; Тт - постоянная времени ГПН, причем Тт<ТИ2.
Ведущая развертка (?) представляет собой результат интегрирования суммы или разности выходного сигнала 7(?) и входного воздействия Хвх (табл. 1, рис. 6). Импульс управления тиристором на выходе СИФУ формируется в момент равенства нарастающего фронта ведущей УИХ (?) и спадающего фронта ведомой УИ2 (0 разверток. Скважность у = а„/180 эл. град выходных импульсов Г(?) (табл. 1, рис. 6 в) (угол управления тиристором а1,а2...аи) определяется величиной сигнала управления X8Х .
Последовательность эксперимента в среде Ма&аЬ у6.5 + БшшИпк \5.0 заключалась в следующем:
1. Для всех трех классов ФСУ измерялся угол управления а0 при отсутствии сигнала помехи на их информационных входах. При этом сигнал управления Хвх выбирался таким образом, чтобы угол а0 для исследуемых устройств составил 90 эл. град.
2. Измерялся угол управления ап , соответствующий максимальному отклонению угла от заданного значения а0, при воздействии на информационный вход ФСУ вместе с полезной составляющей Хвх гармонического сигнала помехи Хп (?) в частотном диапазоне 50-1200 Гц.
3. Пункт 2 эксперимента проводился для двух нормированных значений амплитуды помехи Ап = 0,1 и Ап = 0,5 .
Результаты эксперимента представлены в виде графиков Да = F(/)7, Ап = 0,1) и
Да = ^(/я, Ап = 0,5) (см. рис. 2), где Да = |а0 - ап | - абсолютная ошибка угла управления в результате воздействия сигнала помехи XГ! (?) с частотой /я.
При моделировании начальная частота ПНЧ /0 =Х0/2-Ъ-Тв (табл. 1, рис. 3 б) (при нулевом входном сигнале) составила 25,6 кГц, где Х0 -опорное напряжение; Ь - порог переключения РЭ; ТИ - постоянная времени интегрирования ПНЧ. Для замкнутого интегрирующего ФСУ с синхронизацией со стороны РЭ (табл. 1, рис. 5) соотношение между постоянными времени интегрирования ТИ2 и Тт равнялось двум (ТИ2/ТИ1 =2), что обеспечивает достаточно высокое быстродействие (малую инерционность) устройству.
Характеристики, показанные на рис. 2, позволяют сделать следующие выводы:
1. Интегрирующие фазосдвигающие устройства, по сравнению с ФСУ «вертикального» типа, обладают повышенной помехоустойчивостью. Так при Ап = 0,1 максимальная абсолютная ошибка угла управления для ФСУ с «вертикальным» управлением составляет 18 эл. град., а для интегрирующих - 6 эл. град, для число-импульсного ФСУ и I эл. град, для замкнутого ФСУ с синхронизацией со стороны РЭ. Это вызвано следующими факторами. В разомкнутом интегрирующих ФСУ сигнал помехи, воздействующий на вход системы, подвергается операции двойного интегрирования. Первым каналом интегрирования является ПНЧ, вторым - СТ. В замкнутых интегрирующих ФСУ снижение ошибки угла управления Да достигается за счет обратной связи ФСУ и наличия интегратора в прямом канале регулирования. В ФСУ с выборкой мгновенных значений сигнала управления сигнал помехи поступает непосредственно на вход РЭ, сравниваясь с сигналом развертки УИ (?).
2. Низкая помехоустойчивость ФСУ с «вертикальным» управлением объясняется также тем обстоятельством, что при высокой амплитуде и производной сигнала помехи Xп (?), превышающей скорость нарастания развертки УИ (?), на выходе устройства возникают ложные срабатывания РЭ, приводящие к дополнительным срабатываниям формирователей импульсов. Это не только вызывает существенный рост Да (см. рис. 2 б), но может послужить и причиной аварийного срабатывания защит ВП.
3. Для интегрирующих ФСУ абсолютная ошибка Да уменьшается с ростом частоты помехи. Этот фактор зачастую позволяет исключить на информационном входе СИФУ дополнительных фильтров для подавления высокочастотных помех, что характерно для ВП с ФСУ «вертикального» типа.
4. Замкнутое ФСУ е синхронизацией со стороны РЭ (табл. 1, рис. 5) обладает наиболее повышенной помехоустойчивостью, что говорит о целесообразности использования данного устройства на промышленных объектах с высоким уровнем помех в канале передачи информации. Кроме того, замкнутое ФСУ обеспечивает адаптацию угла управления по отношению к частоте сети, что необходимо в системах управления с источниками питания ограниченной мощности, характеризующихся нестационарностью параметров сети.
Литература
1. Осипов, О.И. Промышленные помехи и способы их подавления в вентильных электроприводах постоянного тока/ О.И. Осипов, Ю.С. Усы-нин. - М.: Энергия, 1979. - 80 с.
2. Осипов, О.И. Техническое диагностирование промышленных помех и разработка способов их подавления в вентильных электроприводах прокатных станов с элементами УБСР■ Дис. ...канд. техн. наук/ О.И. Осипов. - Челябинск: ЧПИ, 1974. - 218 с.
3. Пасковатый, О.И. Электрические помехи в системах промышленной автоматики / О.И. Пасковатый. -М.. Энергия, 1973. - 104с.
4. Осипов, О.И. Уровни промышленных помех в вентильных электроприводах прокатных станов на элементах УБСР / О.И. Осипов, Ю.С. Усынин // Электротехн. пром-сть. Сер. «Электропривод». - 1974. - Вып. 4. -С. 25-28.
5. Козин, В.М. Управляющие устройства тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока / В.М. Козин, Я.Е. Марченко. -М.. Энергия, 1971. - 324 с.
6. Дудкин, М.М. Сравнительный анализ динамических характеристик фазосдвигающих устройств / М.М. Дудкин; под ред. С.И. Лукьянова // Электротехнические системы и комплексы: межвузовский сб. науч. трМагнитогорск: МГТУ, 2005.-Вып. 11.-С. 87-96.
7. А. с. 1288864, Н02М7/00. Устройство для управления вентильным преобразователем / Цы-тович Л.И. (СССР) - №3919220/24-07; заявлено 01.07.85, опубл. 07.02.87, Бюл. №5.
8. Дудкин, М.М. Сравнительный анализ динамических характеристик преобразователей напряжения в частоту импульсов / М.М. Дудкин // Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии»: тез. докл. в 2-х т. — Иваново, 2005-Т.1.-С. 189.
Дудкин Максим Михайлович, аспирант кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок ЮУрГУ. Научное направление - элементы и устройства систем управления силовыми вентильными преобразователями.
