ПРОГНОЗИРУЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ АКТИВНЫМ ТОКОВЫМ ДВУХЗВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ограждение мест расположения опасных грузов 7 класса (в закрытых грузовых помещениях) и выставляются знаки радиационной опасности.

Персонал, принимавший участие в непосредственной работе с грузом (контакт с его поверхностью во время осмотра, погрузки, крепления), должен принять душ.

Персонал, производивший работы по дезактивации, работы с грузом, имевшим нефиксированное загрязнение выше допустимого по нормативам, должен пройти радиационный контроль.

Загрязнение кожи, спецодежды, средств индивидуальной защиты не должно превышать допустимого по НРБ-99, загрязнение личной одежды и обуви не допускается в соответствии с ОСПОРБ-99.

ПРОГНОЗИРУЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ АКТИВНЫМ ТОКОВЫМ ДВУХЗВЕННЫМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

Ефимов Александр Андреевич

д-р техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического

приборостроения

PREDICTIVE CONTROL ACTIVE CURRENT TWO-UNIT FREQUENCY CONVERTER

Efimov Aleksandr, Dr. Sc., Tech., Professor, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

АННОТАЦИЯ

Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматического регулирования активного токового двухзвенного преобразователя частоты, проведен синтез регуляторов сетевых токов и выходных напряжений преобразователя частоты. В соответствии с разработанным математическим описанием системы автоматического регулирования активного токового преобразователя частоты была разработана в среде Delphi моделирующая программа, позволяющая анализировать энергетические и динамические показатели работы преобразователя. Представлены результаты математического моделирования и экспериментальных испытаний разработанной системы автоматического регулирования преобразователя.

ABSTRACT

Designed functional and structural schemes of active current two-unit frequency converter's automatic control system, synthesis regulators of net currents and output voltages of frequency converter is executed. In accordance with the developed mathematical description of active current frequency converter's automatic control system the simulating program on Delphi was developed, which makes it possible to analyze the energy and dynamic performance of the converter. The results of mathematical simulation and experimental research developed converter's automatic control system are represented.

Ключевые слова: активный преобразователь тока, прогнозирующее релейно-векторное управление, алгоритмы управления, математическое моделирование.

Keywords: Active Current Converter, Predictive Relay-Vector Control, Control Algorithms, Mathematical Modeling.

Совершенствование силовых полупроводниковых приборов, появление полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей с односторонней проводимостью возрождают интерес к схемам двухзвенных преобразователей частоты (ДПЧ), выполненных на базе автономного инвертора тока (АИТ). На начальном этапе развития преобразовательной техники схема автономного ти-ристорного инвертора с прямой коммутацией послужила основой построения уникального класса стабилизированных преобразователей частоты с синусоидальным выходным напряжением, широко используемых в системах электроснабжения (СЭС) разделительных производств, обеспечивающих получение изотопов тяжелых веществ, а также созданию систем бесперебойного электропитания. Новейшая элементная база силовой электроники, наличие специализированных микроконтроллеров, способных реализовать в реальном времени сложные импульсно-модуляционные алгоритмы управления простейшими силовыми схемами активных токовых преобразователей с целью повышения их энергетических показателей и улучшения динамических характеристик, ставят на повестку дня задачу развития и совершенствования активных токовых ДПЧ с синусоидальным выходным напряжением, изыскание возможностей их использования, как в традиционных областях применения: СЭС разделительных про-

изводств, гарантированного электропитания, так и расширение этих областей применения на системы общепромышленного регулируемого электропривода переменного тока.

Целью работы является представление алгоритма прогнозирующего релейно-векторного (ПРВ) управления и системы автоматического регулирования (САР) ДПЧ на основе активного выпрямителя тока (АВТ) и АИТ, которые обеспечивают синусоидальные входные токи и выходные напряжения ДПЧ, качественные динамические характеристики, энергетическую совместимость преобразователя с питающей сетью и нагрузкой.

Принципиальная схема активного токового ДПЧ [1, с. 220], являющегося предметом рассмотрения и объектом управления в данной работе, представлена на рисунке 1. Она состоит из двух последовательно включенных силовых полупроводниковых преобразователей -АВТ и АИТ, соединенных звеном постоянного тока, в котором устанавливается сглаживающий реактор Ld. Силовые схемы АВТ и АИТ выполняются на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью. На входе АВТ устанавливается сетевой LC-фильтр с параметрами

L R С С

ф, ф, на выходе АИТ - емкостной фильтр и, па-

"ф

раллельно которому подключается нагрузка, имеющая в

общем случае активно-индуктивный характер с противо-ЭДС. В системах электропривода нагрузкой ДПЧ являются двигатели переменного тока.

Математическое описание АВТ, а также результаты анализа и синтеза его векторной САР с использованием алгоритмов синусоидальной и векторной ШИМ для подобного класса активных преобразователей представлены в [1, с.150; 2, с.43].

АВТ I

В результате проведенных исследований было установлено, что наиболее перспективным способом управления активными преобразователями напряжения является способ прогнозирующего релейно-векторного управления [1, с.194; 3, с. 44], который и был использован в дальнейшем при синтезе САР активного токового ДПЧ.

d

Ua Ia 0-

U

0-

тф

U

Щ k32\ K5I\

na

b Ib

Uc Ic

Cj

na —

U

nb

nb

Unc Inc

tir

-r-T-r KAi\ K6J\K2Л

Ld

АИТ

Ki\7 K3\7KsV

K Л7 KЛ7 K£7

IU a UHa

ub

1и c

C

Ha

-HS

UHb IHb

"HS

UHcIHc

ТТГ

-на

Рисунок 1. Схема трехфазного активного токового ДПЧ

Стратегия прогнозирующего релейно-векторного (ПРВ) управления предполагает наличие математической модели объекта управления, определяющей полные векторы переменных состояния и возмущений, а также состав управляющих воздействий и их возможные значения. Кроме того, предварительно, на основе анализа модели выбирается состав независимых координат, управляемых в рамках ПРВ стратегии. На основе математической модели осуществляется прогноз поведения объекта на интервале управления М и определяются оптимальные значения управляющих воздействий, реализуемые на текущем интервале управления. В том случае, когда объектом управления является АВТ, содержащий полупроводниковый коммутатор (ПК) и сетевой LC-фильтр, управляющими воздействиями являются сигналы, поступающие на

I*

информационный вход АВТ с .

Прогнозирование осуществляется путем численного решения на интервале управления М, например методом Эйлера, векторных уравнений сетевого LC-филь-тра, которое в неподвижной координатной системе

(а, 0)

\ записывается в виде:

1с = К • ис0+К • С+к • ип 0+к4 • I п.

(4)

где 1 с, , , 1 п - векторы сетевых токов, сетевых напряжений, напряжений на конденсаторах LC-фильтра,

к

токов на входе ПК соответственно; ' - постоянные коэффициенты; индекс ноль относится к значениям переменных на начало М. Вектором воздействия считаем 1 п, который изменяется в связи с изменением состояний клю-

I*

чей ПК, зависящих от С, управляемой переменной - век-

тор сетевых токов

При М на порядок меньше пек

риода собственных колебаний LC-фильтра, ' определяются по выражениям: К

-ф

K2 •

2 т

- R -Ы

V

C.

+1,

ф

K - ы

K -- т' тф

K 4 -

ы

2

т • C тф сф

(5)

Поиск управляющего воздействия может быть проведен методом прямого или обратного прогноза.

При прямом прогнозе по уравнениям (4,5), последовательно перебирая все значения вектора тока на

входе АВТ - 1 п, находится единственный образующий

вектор токов сети - 1с', наиболее близкий к вектору зада-

I*

ющего воздействия с . Индекс I =1,2,..6,0 соответствует номеру образующих векторов АВТ, из которых шесть -ненулевых и один - нулевой.

Обратный прогноз осуществляется путем нахожде-

I*

ния желаемого задающего вектора тока на входе ПК с , при условии, что задача управления идеально решена в

I с - I

конце текущего интервала управления, т.е. с

*

!с М

гда с в конце интервала управления М вычисляется по

*

c . То-

формуле:

C R ■ С

C ■ и; + (i+.

At ' At

L ■ C C L ■ C

)i; + ^ ■ и0 + ■ I

At2 c At ° At2

(6)

По результатам обратного прогноза выбирается из всех реализуемых образующих векторов тока АВТ, то значение вектора тока на силовом входе ПК 1 ш (I = 1,2,..6,0), которое наиболее близко для текущего интервала управления к рассчитанному желаемому задающему вектору

на управляющем входе АВТ

L

. И на этом интервале ре-

Т

ализуется соответствующее ш состояние ключей ПК.

Аналогичный поход был применен в случае, когда объектом управления является ПК инвертора тока с выходным емкостным фильтром. Уравнения емкостного фильтра на интервале управления при использовании метода Эйлера, в векторной форме в неподвижной коорди-

(а ,0)

натной системе записывается в виде

ин = ин 0 1 н0I и

Н Н Н И

Си Си (7)

где , 1 н, 1И - векторы напряжений нагрузки, токов нагрузки, токов на выходе ПК АИТ соответственно.

Вектором воздействия считаем 1И, управляемой

переменной - вектор напряжений нагрузки . Индекс ноль относится к значениям переменных на начало интервала управления ^. Поиск управляющего воздействия для АИТ может проводиться аналогично алгоритму ПРВ управления сетевыми токами АВТ с использованием прямого или обратного прогноза.

ДФТ

ДВТ

id-

ДФН

F-

ПКН

Ua

/YY\.

± ±

ПК

ДФН

ПКТ

'а, р

БО

Una

ПКН

1а,Р

Un

а, Р

Разработанные алгоритмы прогнозирующего ре-лейно-векторного управления АВТ и АИТ были реализованы в специализированном сигнальном микроконтроллере фирмы Texas Instruments TMS320F243, характеризующимся высоким быстродействием. Это существенно, так

как длительность интервала управления At в разработанных алгоритмах примерно на порядок меньше периода широтно-импульсной модуляции, используемой в традиционных алгоритмах управления преобразователями.

На основе алгоритма ПРВ управления была синтезирована векторная САР ДПЧ, функциональная схема которой представлена на рисунке 2.

В структуре САР ДПЧ САР АВТ является внутренним контуром регулирования, а САР АИТ - внешним. Регулирование осуществляется в неподвижной

системе координат РР. САР АВТ выполнена двухкон-турной, содержащей ПРВ - регулятор сетевых токов (ПРВ-РСТ) и внешний ПИ-регулятор выпрямленного тока (РВТ). При этом ПРВ-РСТ осуществляет непосредственное управление состояниями ключей ПК АВТ. РВТ регулирует выпрямленный ток, формируя задание на активную состав-

I*

ляющую потребляемого из сети тока X . В состав САР АВТ входят датчики фазных токов (ДФТ), датчики фазных напряжений (ДФН), датчик выпрямленного тока (ДВТ), преобразователи координат напряжений (ПКН), токов (ПКТ), преобразующие фазные величины в неподвижную

систему координат РР, преобразователи координат заданий на сетевые токи (ПКЗТ). Блок ориентации (БО) вычисляет направляющие синус и косинус вектора сетевого напряжения.

ДТН

ПК

БФЗВТ

иа,Р

Ч

> РВТ

ПРВ-РСТ

cos ©„

sin ©^

а,р

ПКЗТ

_1_ _1_

-ь

-X-

ДЛН

■/SV

Н

ПКТ

U„.

ПКН

G,

U,

а,Р

Uвы

F„„

БФЗН

на,р

U

а,Р

ПРВ-РН

I,,

Рисунок 2. Функциональная схема САР ДПЧ

I

Задание на реактивный ток у может поступать от

внешнего регулятора реактивной мощности. В данной ра-

I * = 0

боте установлено у , что обеспечивает нулевой фазо-

вый сдвиг между сетевыми фазными напряжениями и то-

ками. САР АИТ состоит из датчиков выходного линейного

напряжения (ДЛН), датчиков тока нагрузки (ДТН), преоб-

разователей координат напряжения (ПКН) и тока (ПКТ) в

систему координат (а,00, ПРВ - регулятора выходного

напряжения (ПРВ-РН), формирующего управляющие сигналы для силовых ключей ПК АИТ. Для связи САР АИТ и САР АВТ служит формирователь задания на выпрямлен-

I * I *

ный ток Л (БФЗВТ), который вырабатывает Л на основании расчета модуля желаемого образующего вектора АИТ, рассчитанного в ПРВ-РН. На рисунке 3 представлены результаты моделирования процессов в преобразователе при отработке ступенчатого задания на амплитуду выходного напряжения, которые показывают высокое качество

I*c

*

d

*

*

*

b

b

I

I

переходных процессов. Время отработки задания составило 3 мс. Также математическим моделированием и экспериментальными исследованиями опытного образца активного токового ДПЧ, была доказана возможность его

иа Та

работы в составе частотно-управляемого асинхронного электропривода в диапазоне изменения выходной частоты и напряжения 1:10 без переключения величин емкостей АИТ.

4.8 мс/дел 300 В/дел

Рисунок 3. Результаты моделирования процессов в замкнутой САР ДПЧ

Осциллограммы, иллюстрирующие работу опытного образца АВТ показаны на рисунке 4,а. На рисунке 4,б представлены результаты моделирования работы

I *

САР АВТ. Представлены осциллограммы: задания Л на выпрямленный ток, выпрямленного тока 1Л, сетевого

фазного напряжения и сетевого фазного тока а. По результатам моделирования коэффициент гармоник сетевого тока составил 10%, полученный экспериментально - 9%.

иа, В г , А

а А а 200 - 6

л

№ —>

и. В г , А

аа +

мс

I, мс

3,2 6,4 9,6 12,8 16 19,2 I, МС 3,2 6,4 3,6 12,8 16 19,2 I, МС

а) б)

Рисунок 4. Фазные напряжение и ток, выпрямленный ток при отработке задания на величину выпрямленного тока:

а) - эксперимент; б) - моделирование

Время отработки скачка задания на выпрямленный ток составило 3 мс. Представленные данные свидетельствуют о хорошем совпадении результатов. ВЫВОДЫ

1. Использование алгоритмов ПРВ управления позволяет упростить структуру системы регулирования. Разработанная процедура синтеза прогнозирующих релейно-векторных регуляторов является достаточно простой, хорошо адаптированной для

микропроцессорной реализации, а синтез ПИ-регуляторов - традиционный, полностью идентичный таковому в системах подчиненного регулирования. Прогнозирование с учетом задержек, вносимых микропроцессорными системами регулирования, наиболее просто может быть реализовано при прямом прогнозе [1, с. 165].

и

I

2. Возможности независимого формирования кривой выходного напряжения и регулирования его частоты при работе активного токового ДПЧ в режимах высокочастотных переключений обеспечивают существенное уменьшение реактивных элементов преобразователя и его применимость в системах частотно-управляемого электропривода при неизменных значениях емкостей выходного фильтра АИТ.

3. Используемый в составе ДПЧ активный выпрямитель тока может успешно применяться для модернизации традиционных тиристорных электроприводов постоянного тока, в плане замены в них тиристорных выпрямителей с системами импульсно-фазового управления на активные, с целью повышения их динамических и энергетических показателей.

Список литературы

1. Ефимов, А.А. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока./А.А Ефимов, Р.Т. Шрейнер. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. - 250 с.

2. Шрейнер, Р.Т. Математическое описание и алгоритмы ШИМ активных выпрямителей тока/Р.Т. Шрейнер, А.А. Ефимов, А.И. Калыгин//Электротех-ника. 2000. №10. - С.42-49.

3. Прогнозирующее релейно-векторное управление активными преобразователями частоты в системах электропривода переменного тока/Р.Т. Шрейнер, А.А. Ефимов, Г.С. Зиновьев, К.Н. Корюков, И.А. Му-хаматшин, А.И. Калыгин//Электротехника. 2004. № 10. - С.43-50.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ НЕФТЕДОБЫЧИ С ЦЕЛЬЮ

РАСШИРЕНИЯ РЕСУРСОВ НЕФТЯНОГО СЫРЬЯ

Елашева Ольга Михайловна

кандидат техн. наук. доцент Смирнова Людмила Николаевна

кандидат техн.наук, доцент, Самарский государственный технический университет, г. Самара

ECOLOGICAL ASPECTS OF THE REALIZATION OF THE WITHDRAWALS OF OIL OUTPUT FOR THE PURPOSE OF THE EXPANSION OF THE RESOURCES OF PETROLEUM RAW MATERIAL

Olga Mikhaylovna Elasheva, the candidate of tech. sciences. the docent of the department Ludmila Nikolaevna Smirnova the candidate of tekh sciences, docent, Samarskiy state technical university, g. Samara АННОТАЦИЯ

Исследование состава и свойств асфальто-смолистых отложений (АСПО) различных месторождений России. Определено содержание АСПО и парафинов. Извлечение и переработка АСПО расширяет ресурсы сырья и улучшает экологическую обстановку в нефтяных регионах. ANNOTATSIYA

А study of composition and properties of the asphalt-resinous deposits (ASPO) of different layers of Russia. Is determined the content ASPO paraffins. Extracting and processing ASPO enlarges the resources of raw material and improves the ecological situation in the petroleum regions.

Ключевые слова: асфальто-смолистые отложения, парафиноцерезиновые композиции. The keywords: asphalt-resinous deposits, paraffin-ceresin compositions.

Проблема утилизации нефтесодержащих отходов В нефтедобывающих регионах России имеются зна-

до сих пор является одной из наиболее технически слож- чительные ресурсы асфальто-смолистых парафиновых от-ных и дорогостоящих проблем охраны окружающей сре- ложений (АСПО), которые образуются при добыче и ды. Ежегодно более 200тыс.тонн отходов складируется на транспортировке нефти в подъемных колоннах фонтан-территории предприятий. Для очистки почвы и воды от ных и глубинно-насосных скважин, в промысловых и ма-нефтепродуктов применяются биотехнологические ме- гистральных нефтепроводах и в резервуарах. Данные ре-тоды, приводящие к трансформации вредных веществ в сурсов 2005года приведены в таблице 1. более простые экологически безвредные вещества.

Таблица 1

Ресурсы АСПО по регионам и месторождениям после очистки труб

Регионы нефтедобычи Количество очищаемых труб от АСПО в год, штук Годовое количество АСПО, тонн

Самарский регион 40000 12000

Республика КОМИ 50000 15000

Ноябрьскнефтегаз 70000 21000

Нижневартовскгаз 80000 24000

Кагалымнефтегаз 70000 21000

Турнефтегаз 40000 12000

Урингойнефтегаз 40000 12000

Наганьнефтегаз 50000 15000

Итого: 440000 132000