CC BY
67
УДК 62.523 621.314.5 621.316.72
А. П. Баев, М. Р. Гончаренко, А. С. Исаков
СИЛОВОЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Рассматриваются результаты проектирования силового источника питания, построенного на основе автономного ЮБТ-инвертора с синусоидальной широт-но-импульсной модуляцией и предназначенного для четырехквадрантного асинхронного электропривода с векторным управлением для эскалаторов метрополитена.
Ключевые слова: четырехквадрантный электропривод, активный выпрямитель, звено постоянного тока.
Введение. Постановка задачи. В настоящее время эскалаторы метрополитенов в большинстве своем комплектуются четырехквадрантными асинхронными электроприводами (ЭП) с векторными частотно-токовыми системами управления (СУ) и автономными ЮБТ-инверторами (АИ) напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией.
С другой стороны, зачастую тяговые подстанции с выпрямителями имеют один силовой ввод с электроприводами эскалаторов. Вследствие влияния тяговых выпрямительных подстанций в силовой сети эскалаторов содержится значительное количество гармонических составляющих, что приводит к значительному ущербу: дополнительным потерям мощности в питающих линиях, трансформаторах, асинхронных машинах, осветительном оборудовании и т.п.; ускоренному старению изоляции электрических машин, аппаратов и кабелей и, как следствие, уменьшению срока службы и снижению надежности электрического оборудования; ухудшению точности электрических измерений, нарушению работы автоматики, телемеханики и релейной защиты; кроме того, затрудняется и в ряде случаев становится невозможной передача информации по силовым цепям.
Силовой источник питания четырехквадрантного электропривода эскалатора, при соответствующей доработке, может быть использован в качестве активного кондиционера силовой сети (активного фильтра тока [1]). В настоящей статье рассматриваются проблемы построения и расчета таких силовых источников.
Структура и принципы функционирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов. Значительная часть выпрямителей на тяговых подстанциях метрополитена строится по схеме Ларионова. Соответственно в гармонических составляющих потребляемого тока присутствуют 5, 7, 11, 13, 17, 19-я ... гармоники, из которых наиболее значимыми являются 5, 7, 11-я.
Структурная схема современного четырехквадрантного электропривода с ЮБТ-инвер-торами с широтно-импульсной модуляцией приведена на рис. 1, где ДН — датчик напряжения, ДТ — датчик тока, АД — асинхронный двигатель. Как видно из рисунка, силовой источник питания электропривода аналогичен активному кондиционеру силовой сети. Важной особенностью такого построения силового блока питания является возможность регулировки напряжения в звене постоянного тока (ЗПТ). При этом минимальное значение напряжения ограничивается выпрямленным напряжением для мостового выпрямителя, а максимальное значение определяется предельными параметрами силовых приборов — ЮБТ-модулей и электролитических конденсаторов фильтра в звене постоянного тока [2].
Активные кондиционеры силовой сети строятся на автономных инверторах напряжения и подключаются к сети параллельно нелинейной нагрузке (рис. 2). Они могут генерировать в сеть как гармонические составляющие тока, равные по амплитуде и противоположные по
знаку гармоническим составляющим тока от нелинейной нагрузки, так и реактивныи ток при необходимости. Соотношение мощности тягового выпрямителя к мощности активного кондиционера силовой сети не превышает 6 раз, а мощность остальных потребителей составляет менее половины мощности активного кондиционера.
~380 В 1
Рис. 1
Силовая сеть
Тяговый выпрямитель
Рис. 2
Важной задачей при проектировании силового источника питания электропривода является правильный выбор напряжения питания в зависимости от режима работы электропривода и искажений тока в силовой сети, которые необходимо скомпенсировать, если силовой источник питания используется как кондиционер. При этом важно рассматривать как статический, так и динамический режимы работы.
Если напряжение в звене постоянного тока выбрано слишком малым, то регуляторы тока не смогут обеспечить желаемую полосу пропускания, а в векторной системе управления при формировании вращающейся системы координат будут происходить сбои. Это особенно
_ и/2
- т 2 x
характерно для систем с косвенным поддержанием потокосцепления ротора постоянным, где скольжение должно быть пропорционально частному от деления двух проекций вектора тока. При использовании кондиционера силовой сети, при недостаточном напряжении в звене постоянного тока, система управления не сможет обеспечить подавление гармонических составляющих тока в расчетном диапазоне частот и (или) заданное значение реактивного тока. Слишком большое напряжение в звене постоянного тока перегружает силовые приборы электропривода, снижая тем самым срок их службы.
В работе [3] были получены выражения, позволяющие рассчитать необходимое напряжение в звене постоянного тока для асинхронного электропривода с векторным управлением и поддержанием потокосцепления ротора постоянным:
2 2 _ u1x + u1 y —
(oX0/X2)2 + 2a2 X4X2 +[{X'p + ri)2 +aX')(1 + )] + 2(X'p + r) (1)
Следует отметить, что системы управления современных асинхронных электроприводов с векторным управлением построены именно таким образом.
Напряжение в звене постоянного тока для силового источника питания рассчитывается в соответствии со следующим выражением:
u2 + u2 - (ri + XLp)2 (i2 + ¡y) + 2aXL (ixpiy - iypix) +
+a'2X2l ( + i2y) + 2U(ri + Xlp)ix - 2UaXLiy + U2. (2)
В формулах (1) и (2) использованы обозначения, принятые в работе [3]: X1, X2 — относительное активное и индуктивное сопротивление статора и ротора; X0 — относительное сопротивление намагничивающей цепи; X' — (X1X2 - X0 )/X2 — индуктивность рассеяния статора; a — относительная частота вращения поля статора; ц — относительный момент; u1x, u1y — проекции обобщенного среднего за период несущей широтно-импульсной модуляции вектора относительного напряжения на выходе инвертора электропривода; ^2x=const — проекция относительного вектора потокосцепления ротора; ux, uy — проекции обобщенного среднего за период несущей широтно-импульсной модуляции вектора относительного напряжения на выходе инвертора рекуперации; ix, iy — проекции обобщенного вектора тока силового источника питания; U — проекция на ось x обобщенного относительного вектора фазного напряжения; XL — относительное индуктивное сопротивление LC-фильтра; r1 — относительное суммарное активное сопротивление LC-фильтра и силовой сети; p — оператор дифференцирования по относительному времени; a' — относительная частота вращения системы координат; проекции вектора на оси вращающейся системы координат обозначены индексами „х" и При приведении уравнения (2) к относительной форме были приняты базовые величины для асинхронной машины [3].
Как следует из приведенных уравнений, для компенсации реактивного тока в сети, носящего емкостной характер, требуется большее напряжение в звене постоянного тока, чем для компенсации реактивного тока, носящего индуктивный характер, т.е. отстающего по фазе от активной составляющей тока. Кроме того, гармонические составляющие тока во вращающейся системе координат изменяются во времени, и вследствие наличия производной по времени это может существенно повлиять на значение расчетного напряжения.
Уравнения (1) и (2) с учетом неравенств, приведенных в работе [2], позволяют получить значение напряжения в звене постоянного тока, при котором обеспечивается работоспособность систем управления электропривода и силового источника питания. Введя в систему управления дополнительные блоки для расчета необходимого напряжения в звене постоянного тока и осуществив обмен по информационному каналу (например, CAN) между системами управления силового источника питания и электропривода (рис. 3), можно оптимизировать
значение напряжения в звене постоянного тока. На рисунке приняты следующие обозначения: ПК — преобразователь координат, РТ — регулятор тока, РП — регулятор потока, РС — регулятор скорости V, РН — регулятор напряжения, Н — наблюдатель, БР — блок расчета требуемого напряжения в ЗПТ, БРУП — блок расчета угла поворота системы координат, БРГ — блок расчета гармонических составляющих, ВН — блок выбора напряжения для ЗПТ, ТВ — тяговая выпрямительная подстанция.
Основные результаты. Предложено использовать силовой источник питания четырехквадрантного электропривода для эскалаторов метрополитена как активный кондиционер силовой сети для компенсации гармонических составляющих тока в силовой сети, образующихся при работе тяговых подстанций. Получены уравнения для расчета напряжения в звене постоянного тока в статическом и динамическом режимах работы электропривода и его силового источника питания. Предложено ввести в систему управления блоки, позволяющие корректировать желаемое значение напряжения в звене постоянного тока.
Заключение. Результаты испытаний образца силового источника питания и асинхронного электропривода мощностью 200 кВт с векторными системами управления на основе сигнального процессора ТМ8320Б2407, связанных по СЛК-каналу, показали соответствие схемотехнических решений и выбранных алгоритмов управления поставленной задаче. Данные, полученные в результате испытаний, подтвердили теоретические выводы, сделанные в работах [2, 3], и теоретические положения, изложенные в настоящей статье.
список литературы
1. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. Ч. 2. 197 с.
2. Баев А. П., Гончаренко М. Р., Осипцева О. С., Исаков А. С. Особенности проектирования четырехквадран-тных асинхронных электроприводов // Информационные технологии, вычислительные и управляющие системы: науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004. Вып. 14. С. 16—20.
3. Гончаренко М. Р. Электромагнитные процессы в силовой цепи быстродействующего асинхронного электропривода. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л.: ЛИТМО, 1989. С. 17.
50
В. А. Чулков, А. В. Медведев
Сведения об авторах
Андрей Петрович Баев — канд. техн. наук; НИИ точной механики, Санкт-Петербург, нач. секто-
ра; E-mail: [email protected] Михаил Робертович Гончаренко — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: [email protected] Алексей Сергеевич Исаков — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 07.12.07 г.
УДК 621.373.5
В. А. Чулков, А. В. Медведев ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ С ФАЗОВЫМ ДРОЖАНИЕМ
Рассматриваются методы и средства генерирования сигналов со случайным отклонением фазы для контроля систем передачи и обработки цифровых данных. Предложена схема генератора импульсов на основе ПЛИС, в котором закон отклонения фазы импульсов от номинальной позиции задается цифровым способом с помощью генератора псевдослучайных чисел. По результатам моделирования генератора импульсов с фазовым дрожанием в САПР Риайш II выполнен анализ статистики распределения времени задержки импульсов.
Ключевые слова: информационный канал, сигнал, джиттер (фазовое дрожание), моделирование, генератор псевдослучайных чисел, элемент задержки, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).
Передача и обработка сигналов в информационных каналах сопровождается влиянием шума, что приводит к случайному отклонению сигналов от их номинальных позиций во времени — фазовому дрожанию (джиттеру). Знание механизмов воздействия джиттера на работу устройств позволяет реально оценить работоспособность устройства и уточнить требования к его параметрам. Для экспериментальной оценки устойчивости и характеристик шума систем приема и обработки цифровой информации необходимы имитаторы сигналов данных с нормированным джиттером.
В соответствии с природой факторов, приводящих к искажениям позиций сигналов, можно выделить регулярные и случайные составляющие джиттера. Моделирование регулярного джиттера, как правило, не представляет проблемы и может осуществляться, например, с помощью фазового модулятора, изменяющего фазу импульса тактового генератора по заданному закону [1]. Более сложной является задача моделирования случайной составляющей джиттера.
Ввиду большого количества причин, от которых зависит джиттер в реальных системах цифровой связи, на основе центральной предельной теоремы обычно принимается гауссова модель джиттера с равномерным энергетическим спектром в рабочей полосе частот. Для генерирования сигналов со случайным отклонением фазы от номинальной позиции применяются аналоговые и цифровые методы. Аналоговые генераторы джиттера используют различные шумящие приборы в качестве первичных источников напряжения шума, который далее линейно преобразуется во временной сдвиг [2, 3], в частности, путем сравнения шумового напряжения с периодическим пилообразным напряжением [4]. Другой распространенный способ — введение в контур фазовой синхронизации генератора шумового напряжения посредством узла суммирования [5]. Общим недостатком аналоговых устройств является необходимость регулировок, а также низкая стабильность и помехоустойчивость [6].
Рекомендована кафедрой систем управления и информатики СПбГУ ИТМО
