CC BY
152
3. Ушаков А.В., Яицкая Е.С. Двоичное динамическое наблюдение в задаче нелинейного формирования сигнала коммутации структуры пространства линейных устройств рекуррентного преобразования кодов // Проблемы управления и информатики. - 2012. - № 1. - С. 111-117.
4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб: БХВ-Петербург, 2004. - 800 с.
5. Ушаков А.В., Яицкая Е.С. Анализ структуры пространства состояний линейных двоичных динамических систем на основе их рекуррентного модельного представления // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 4 (74). - С. 43-49.
Ушаков Анатолий Владимирович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected]
Яицкая Елена Сергеевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
УДК 621.314.5:681.537
СИНХРОНИЗАЦИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С ПИТАЮЩЕЙ СЕТЬЮ
П. А. Борисов, Н.А. Поляков
Рассмотрен способ реализации управления трехфазным активным выпрямителем напряжения с учетом необходимости синхронизации с питающей сетью в условиях неидеального сетевого напряжения с искажениями формы потребляемого тока. Проведено моделирование в пакете MATLAB/Simulink, подтвердившее работоспособность и энергетическую эффективность способа.
Ключевые слова: активный выпрямитель, векторное управление, фазовая автоподстройка частоты.
Введение
Активный выпрямитель напряжения (АВН) представляет собой автономный инвертор напряжения, выполненный на силовых ключах с обратными диодами и обращенный на сторону сети переменного тока, который обеспечивает двунаправленный обмен энергии между питающей сетью и потребителем. В принцип работы АВН заложен импульсный повышающий напряжение регулятор, поэтому он обязательно содержит в своем составе токоограничивающий дроссель, устанавливаемый на стороне переменного тока. Для обмена реактивной мощностью, включающей мощность высших гармоник, между первичной сетью и АВН используется конденсатор силового фильтра (СФ) звена постоянного тока (ЗПТ) [1].
На сегодняшний день существует несколько подходов к управлению активными выпрямителями напряжения, наиболее перспективными из которых являются алгоритмы векторного управления с преобразованием координат. Однако для промышленных устройств необходимо учитывать неидеальный характер самой питающей сети. В связи с этим для достижения энергетической эффективности систем с трехфазными АВН в информационной подсистеме преобразователя необходимо обеспечивать фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) для синхронизации с фазой и частотой первой гармоники фазового напряжения. В основу предлагаемого способа реализации управления АВН заложена так называемая «силовая» ФАПЧ (Power Phase Locked Loop) [2, 3], где для синхронизации с фазой питающей сети используется фазовый детектор, реализованный на триггерах и маломощной схеме «зарядового насоса» (charge pump).
Преобразование координат
Для описания электромагнитных процессов в системах переменного тока используются следующие системы координат:
- неподвижная ортогональная система координат оф;
- вращающаяся с произвольной угловой скоростью юк ортогональная система координат ху [3, 4].
В неподвижной системе координат ар вектор тока может быть представлен в комплексной и показательной форме (1):
1н = Ia+ Jh= . (1)
Аналогично во вращающейся системе координат тот же вектор может быть представлен в виде I Вр = Ix + jIT = ImeJ ^ = Ih e-J"k' (2)
Из (1) и (2) можно получить уравнения для перехода от неподвижной системы координат к вращающейся и обратно (преобразования Парка-Горева). Если принять, что Ix и IT - соответственно активная и реактивная составляющие обобщенного вектора сетевого тока и система синхронизирована относительно синусоиды электродвижущей силы (ЭДС) фазы А, то получим систему уравнений
СИНХРОНИЗАЦИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ...
'а = 'х ) + ¡г С08(юк/), (3)
/р = ~1х С0$(Ю^) + 1у 8Ш(юк/) . (4)
Преобразование двухфазной неподвижной системы координат к трехфазной в этом случае осуществляется в соответствии с выражениями (преобразования Кларка)
/А = /а ; /в = -(1/ 2)/а + (73 / 2)/р; /с = -(1/ 2)/а - (73 / 2)/р . (5)
С помощью преобразования координат появляется возможность управлять АВН по проекциям 1х и 1у обобщенного вектора сетевого тока. На рис. 1 представлена модель системы управления, использующей этот принцип, в пакете МАТЬАВ/81шиИпк. Положительным значениям 1у соответствует режим потребления энергии из первичной сети, отрицательным - режим рекуперации. Таким образом, переход от двигательного режима в генераторный и обратно осуществляется в такой системе автоматически.
Ounstant
Ccnstsntl
Т'anspart Dc-lay
Блок релейных гегуллтэрЕБ.
Рис. 1. Система управлением АВН по проекциям обобщенного вектора сетевого тока
АВН с двухконтурной системой подчиненного регулирования
Двухконтурная система подчиненного регулирования АВН с раздельным управлением по проекциям обобщенного вектора сетевого тока (внутренний контур тока) и внешним контуром стабилизации напряжения конденсатора СФ ЗПТ представлена на рис. 2. Помимо вышеперечисленных блоков, в систему входят пропорциональный регулятор (П-регулятор) контура стабилизации напряжения Пс конденсатора СФ ЗПТ и блок токоограничения. Блок токоограничения является обязательным элементом системы регулирования АВН, позволяя ограничить электромагнитные нагрузки на элементы АВН на заданном уровне.
Рис. 2. Двухконтурная система подчиненного регулирования АВН
Блок преобразования координат ХУ-АВС осуществляет преобразование проекций 1х и 1у обобщенного вектора сетевого тока из вращающейся системы координат к трехфазной системе токов /А, /в, /с в соответствии с формулами (3)-(5). Блок релейных регуляторов включает три канала, реализующих «токовый коридор», который является одним из способов обеспечения гармонической формы сетевых токов [5-7]. Блок управления включением/выключением АВН обеспечивает включение АВН в заданный момент времени.
Синхронизация фазы управления с фазой питающей сети
Непрерывная система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) сравнивает фазы эталонного и подстраиваемого генератора сигналов. Сигналы поступают на фазовый детектор (ФД), который выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Выходное напряжение ФД через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на генератор, управляемый напряжением (ГУН), включенный в обратную связь. Если выходная частота отклоняется от эталонной, то сигнал ошибки увеличивается,
воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте эталонного [8].
Необходимость введения ФАПЧ в систему управления АВН связана, прежде всего, с тем фактом, что присутствие несимметрии напряжений в питающей сети и искажения формы напряжения создают возмущения в системе управления, что приводит к появлению низкочастотных гармоник в составе формируемого АВН тока питающей сети [3].
В случае несинусоидального напряжения питающей сети управление следует синхронизировать с фазой его первой гармоники. Таким образом, даже при несинусоидальном напряжении токи, которые будет формировать АВН, должны совпадать по фазе с первой гармоникой фазного напряжения и иметь синусоидальную форму. При условии симметричности напряжений питающей сети достаточно синхронизировать АВН с двумя из трех фаз питающей сети.
Для решения этой задачи в систему управления АВН можно внедрить ФАПЧ (рис. 3, а) с цифровым ФД (ЦФД) на основе триггеров (рис. 3, б) и петлевой фильтр с «зарядовым насосом» (рис. 3, в). «Зарядовый насос» генерирует ток в петлевом фильтре 2-го порядка. Напряжение в ветви фильтра используется как входной сигнал ГУН. ЦФД определяет направление тока в петлевом фильтре, причем отрицательный знак тока соответствует опережению фазы, а положительный - отставанию фазы соответственно. Обычно ЦФД определяет моменты совпадения пересечения с нулем эталонного и подстраиваемого сигналов. Если эталонный сигнал достигает положительного значения раньше подстраиваемого (т.е. подстраиваемый сигнал отстает), то включается положительный «зарядовый насос», который сохраняется до тех пор, пока будет наблюдаться отставание вырабатываемого ГУН подстраиваемого сигнала от эталонного [2].
Phase In
ref и
va г
Phase_Sync
-KjP
PFD
Charge Pump Loop Filter
Continuous-Time VCO
Œ>
ref
- Л
Œ>
D CLK Q
1CLR Ю
О Flip-Flop
KD
и
О-
Memory
0 О
CLK
1CLR ia
►CD
D
D Flip-Flop б
G>
& n
•-МЛ—-
ßT
_IT_
iJVW"
■-WV-
Рис. 3. Устройство блока ФАПЧ (а); ЦФД (б); зарядовый насос (в) Передаточная функция фильтра будет иметь вид
со» = ■ ^С+1
♦10V
--Ч-
-KjD
■Hl'
(6)
р~ • С1 • С2 • Я1 + р • (С1 + С2)
где С2 = 17 пФ; С1 = 82 пФ; Я1 = 23 кОм.
Для проверки работоспособности такой ФАПЧ был использован сигнал, в состав которого были включены гармоники вплоть до 25-й в соответствии с [9]. Значения допустимых гармонических составляющих напряжения в процентах от первой гармоники приведены в таблице.
а
в
Нечетные гармоники, некратные 3, при гУном, кВ Нечетные гармоники, кратные 3, при Уном, кВ Четные гармоники при Уном, кВ
Номер гармоники п 0,38 6-20 Номер гармоники n 0,38 6-20 Номер гармоники п 0,38 6-20
5 6,0 4,0 3 5,0 3,0 2 2,0 1,5
7 5,0 3,0 9 1,5 1,0 4 1,0 0,7
11 3,5 2,0 15 0,3 0,3 6 0,5 0,3
13 3,0 2,0 21 0,2 0,2 8 0,5 0,3
17 2,0 1,5 >21 0,2 0,2 10 0,5 0,3
19 1,5 1,0 12 0,2 0,2
23 1,5 1,0 >12 0,2 0,2
25 1,5 1,0
>25 0,2+1,3 х25/и 0,2+0,8 х25/и
Таблица. Значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения в процентах
СИНХРОНИЗАЦИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
Начало синхронизации Завершение синхронизации
0,005
0,01
0,015 Время, с
0,02
0,025
0,03
1,97
1,975
1,98
1,985 Время, с
1,99
1,995
а б
Рис. 4. Начало синхронизации (а); достижение синхронизации (б) (в относительных единицах)
Нормально допустимые значения, приведенные для п, равных 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения вдвое меньше приведенных в таблице. Результаты моделирования системы синхронизации с питающей сетью для случая соответствия сетевого напряжения требованиям [9] приведены на рис. 4. Блок ФАПЧ осуществляет синхронизацию сигнала задания с первой гармоникой сетевого напряжения за 2 с. Однако следует отметить, что полуторакратное превышение амплитуд высших гармоник в сетевом напряжении, т. е. при не соответствии требованиям [9], приводит к невозможности осуществить захват фазы.
Пример внедрения такой системы в структуру системы управления АВН приведен на рис. 5. Входным сигналом для блоков ФАПЧ служат значения напряжений в фазах иА и ив. Синхронизация с первой гармоникой напряжения третьей фазы ис не требуется, поскольку синусоидальный сигнал задания третьей фазы С формируется на основе сигналов, вырабатываемых ФАПЧ для фаз А и В. Амплитуда задания формируется на основе обратной связи по напряжению в ЗПТ. В ней также учитывается токо-ограничение и дискретизация сигнала задания с частотой 1кГц.
В данном случае преобразование координат ХУ-АВС не требуется, так как за счет синхронизации по фазе с напряжением питающей сети автоматически обеспечивается режим, в котором реактивная составляющая полной мощности отсутствует. За счет этого снижаются требования к вычислительным ресурсам микроконтроллера. Таким образом, в отличие от управления АВН по проекциям обобщенного вектора сетевого тока [10], преобразование сводится к формированию сигнала задания тока третьей фазы на основе синхронизированного задания первой и второй фазы.
Результаты моделирования приведены на рис. 6.
СЮ-,
ТгапзроП □е(ду
1-юэ
1йЬС
гКЭ
иаЬс
-
►и
Шг
Ем
ш
ЗЕ
Ш
Оа1п1 За^гаИ«* 2®го-Оп)вг Иэ1е Тгап$Ш<т
ЧЮ
Рис. 5. Блок управления АВН с синхронизацией с фазными напряжениями
0
2
50
Ток в ЗПТ
-501
600
300
2,05
2,1
2,15
Напряжение в ЗПТ
2,2
2,25
2,3
2,05
2,1
2,15
2,2
2,25
2,3
В/5,
А.
-100
2,05
2,1
2,15
2,2
2,25
2,3
В/5, А00 0Ы
-100
2,05
2,1
2,15
2,2
2,25
2,3
В/5,
-100
0Vc
2,05
2,1
2,15 Время, с
2,2
2,25
2,3
Ток
Напряжение
А
0
В
0
2
UA гЛ
0
uB' гв
C гс
Рис. 6. Результаты моделирования электромагнитных процессов в АВН: (сверху - вниз) ток в ЗПТ, А; напряжение в ЗПТ, В; ил, В/5, ¡л, А; ив, В/5, ¡в, А; ис, В/5, ¡с, А
Система синхронизируется с питающей сетью в течение первых двух секунд, процесс синхронизации не отличается от рассмотренного ранее. При пуске ток заряда конденсатора СФ протекает через неуправляемый выпрямитель, структурно входящий в схему АВН, в результате при пуске наблюдаются процессы, характерные для традиционных выпрямителей [11]. При моделировании в момент времени ' = 2,06 c шунтируются пусковые резисторы. АВН вступает в работу в момент ' = 2,12 с, при этом ЭДС нагрузки равна нулю. АВН переходит из режима потребления энергии в режим рекуперации при ' = 2,18 с, когда с блока «Repeating Sequence» подается противоЭДС нагрузки, равная 1000 В. АВН возвращается в режим потребления энергии из первичной сети в момент ' = 2,24 c, когда противоЭДС нагрузки становится равной нулю.
Заключение
Проведенное моделирование подтверждает работоспособность предложенной системы управления активного выпрямителя напряжения на основе фазовой автоподстройки частоты с «зарядовым насосом» в условиях питающей сети, соответствующей требованиям [9]. Показано, что в такой системе отсутствует реактивная составляющая полной мощности, как и в случае с работой активного выпрямителя напряжения в идеальной сети. При этом за счет применения фазовой автоподстройки частоты из управления может быть исключено преобразование координат XT-ABC.
Следует отметить, что такая система работоспособна только при условии соответствия гармонического состава напряжений в фазах питающей сети требованиям [9]. Значительное увеличение амплитуд высших гармоник относительно первой приводит к невозможности захвата фазы и неустойчивости системы управления активного выпрямителя напряжения.
Литература
1. Борисов П.А., Седнев А.К. Математическое моделирование электропривода постоянного тока с активным выпрямителем // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2009. - № 3 (61). - С. 35-41.
2. Giorgia Zucchelli. Phase Locked Loop tutorial - MATLAB Central, 2007 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/14868-phase-locked-loop-tutorial, свободный. Яз. англ. (дата обращения 20.01.2012).
СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ, МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ
3. Mongkol Konghirun. A Three-Phase Space-Vector Based PWM Rectifier with Power Factor Control // Power Conversion Conference. - Nagoya, 2007. - Р. 57-61.
4. Усольцев А.А. Общая электротехника: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 301 с.
5. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 94 с.
6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - Ч. 2. -197 с.
7. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: Академия, 2006. - 272 с.
8. Акимов В.Н. Системы фазовой синхронизации. - М.: Радио и связь, 1982. - 288 с.
9. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Введ. 01.01.1999. - М.: Госстандарт, 1998. - 33 c.
10. Борисов П.А., Киреев А.А., Поляков Н.А. Моделирование системы управления трехфазным активным выпрямителем напряжения с преобразованием координат // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2010. - Вып. 3. - Ч. 2. - С. 59-64.
11. Борисов П. А., Томасов В.С. Моделирование и анализ электромагнитных процессов в силовых цепях активных выпрямителей напряжения // Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (МКЭЭЭ-2003). - Ч. I. - Крым, Алушта, 2003. -С. 727-730.
Борисов Павел Александрович
Поляков Николай Александрович
УДК 62.503.51, 62.503.54, 62.503.55.
СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ, МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ И ПРЯМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МОМЕНТОМ А.С. Ляпин
Представлены основные особенности и преимущества электропривода с машиной двойного питания. Разработана структурная модель и получены динамические характеристики электропривода с машиной двойного питания и прямым управлением моментом.
Ключевые слова: электропривод, машина двойного питания, прямое управление моментом, структурная модель.
Введение
Длительное время основной тенденцией развития электроприводной техники является замена ненадежного, дорогого и сложного в обслуживании привода постоянного тока частотно-регулируемым асинхронным электроприводом. Это обусловлено такими достоинствами асинхронного электропривода, как высокая надежность, простая конструкция, низкая стоимость, высокие динамические и энергетические показатели [1, 2]. В настоящее время, благодаря новым алгоритмам управления, которые удается реализовать на базе современной микропроцессорной техники, а также интенсивному развитию устройств силовой электроники асинхронный электропривод стал главным типом регулируемого электропривода [3].
Для частотно управляемых электроприводов с асинхронным двигателем (АД) с короткозамкнутым ротором большой мощности альтернативой является использование привода на основе АД с фазным ротором (иначе, машины двойного питания (МДП)). Такой тип ротора был разработан русским электротехником, основоположником техники трехфазного тока М. О. Доливо-Добровольским специально для асинхронных двигателей большой мощности [4]. Преимущества электропривода с машиной двойного питания (ЭМДП) обусловлены тем, что управление осуществляется по цепи ротора путем изменения мощности скольжения, величина которой зависит от глубины регулирования скорости. Структурная схема ЭМДП представлена на рис. 1. При соответствующей реализации ЭМДП может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. ЭМДП при использовании его в качестве исполнительного механизма (двигательный режим) обладает рядом существенных достоинств по сравнению с другими типами современных приводов, а именно:
- высокое быстродействие;
- возможность регулирования реактивной мощности в питающей сети;
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
