CC BY
42
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62-83
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-25-30
А. В. БУБноВ1 А. В. ниКоноВ1 А. н. ЧЕтВЕриК1
ю. в. крейдунова2
1Омский государственный технический университет, г. Омск
2НИПИ «Нефтегазпроект», г. Тюмень
улучшение динамики синхронно-синфАзного электропривода в переходных режимах синхронизации и фазирования
Синхронно-синфазный электропривод, построенный на основе электропривода с фазовой синхронизацией, широко используются в тепловизионных и лазерных сканирующих системах благодаря высоким точностным и динамическим характеристикам в широком диапазоне регулирования угловой скорости. Целью статьи является разработка способов регулирования синхронно-синфазного электропривода в режимах синхронизации и фазирования, позволяющих улучшить динамические показатели электропривода. Усовершенствован способ фазирования электропривода, квазиоптимальный по быстродействию. Сформулированы рекомендации по организации переходных процессов при скачкообразном изменении сигнала задания. Предложены схемные реализации импульсного частотно-фазового дискриминатора с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения, позволяющие улучшить динамику электропривода в режиме синхронизации.
Ключевые слова: синхронно-синфазный электропривод, импульсный частотно-фазовый дискриминатор, логическое устройство сравнения, дискриминатор, линейная зона.
Работа выполнена в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований. Проект № 16-08-00325а «Разработка и исследование способов управления синхронно-синфазным электроприводом, реализованных на основе комплексного подхода к обеспечению высоких показателей качества регулирования в широком диапазоне угловых скоростей в режимах стабилизации и слежения».
Введение. В тепловизионных и лазерных сканирующих системах при построении узла оптико-механической развертки используется синхронно-синфазный электропривод (ССЭ), к которому предъявляются высокие требования к показателям качества регулирования. Функциональная схема ССЭ приведена на рис. 1, где БЗЧ — блок зада-
ния частоты вращения, БОФР — блок определения фазового рассогласования импульсов частот угловой привязки Р и обратной связи Р , БР —
^ 1 оп 1 ос'
блок регулирования, ЛУС — логическое устройство сравнения, реализуемое на основе импульсного частотно-фазового дискриминатора (ИЧФД), КУ — корректирующее устройство, СП — силовой преоб-
Рис. 1. Функциональная схема ССЭ
Рис. 2. Функциональная схема ССЭ с квазиоптимальным по быстродействию фазированием после синхронизации ЭПФС
разователь, ЭД — электродвигатель, ФАПЧВ — фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) вращения, ЭПФС — электропривод с фазовой синхронизацией, ИДЧ — импульсный датчик частоты вращения, ДП — датчик положения, БИД — блок импульсных датчиков.
Внутренний контур регулирования ССЭ реализуется в виде ЭПФС, реализованного на основе принципа ФАПЧ [1], который позволяет обеспечить высокие точностные и динамические показатели электропривода в широком диапазоне регулирования угловой скорости [2—11]. В ЭПФС в качестве сигнала задания угловой скорости используется частотный сигнал /, формируемый с помощью прецизионного генератора в БЗЧ; в качестве сигнала обратной связи — частотный сигнал /, формируемый на выходе ИДЧ; а в качестве сравнивающего элемента — ЛУС.
Внешний контур регулирования ССЭ представляет собой фазирующий регулятор (ФР), включающий в себя ДП, БОФР и БР. В БОФР определяется угловое рассогласование ССЭ в виде пропорционального ему фазового рассогласования импульсов угловой привязки Роп, формируемых в БЗЧ, и импульсов углового положения вала электродвигателя Рос, формируемых на выходе ДП. В БР реализуется требуемый закон управления ССЭ в режиме фазирования.
Постановка задачи. Целью статьи является разработка способов регулирования ССЭ в режимах синхронизации и фазирования, позволяющих улучшить динамические показатели электропривода.
Теория. В известных системах управления ЭПФС и ССЭ при перестройке задающей частоты присходит рассинхронизация контура ФАПЧ, и ЭПФС переходит в режим разгона или тормо-
жения. В результате при выходе электропривода на новую заданную частоту вращения требуется повторная синхронизация и фазирование [1], что значительно снижает быстродействие ССЭ. В этом случае сокращение времени переходного процесса может быть достигнуто путем организации переходных режимов без размыкания контура ФАПЧ [12].
Управление ССЭ без размыкания системы автоматического управления (САУ) в переходных режимах работы первоначально было организовано при реализации способа квазиоптимального по быстродействию фазирования [12]. Фазирование при реализации данного способа происходит без размыкания контура ФАПЧ благодаря использованию дополнительного контура ФАПЧ, формирующего в режиме фазирования линейно нарастающий или убывающий сигнал задания для ЭПФС, обеспечивающий в электроприводе режим разгона или торможения с ускорением, несколько меньшим максимального ускорения еш. Отработка данного сигнала задания может происходить без размыкания САУ, что позволяет завершить переходный процесс без дополнительных режимов синхронизации и фазирования.
Техническая реализация данного способа была усовершенствована путем организации дополнительного управления контуром ФАПЧ [13] в различных режимах работы электропривода (рис. 2, где ДЧ — делитель частоты, БК — блок коррекции, И — интегратор, УГ — управляемый генератор, УК — управляемый ключ, БУФ — блок управления фазированием).
В данной схеме сигнал Ф (индикация режима фазирования) дополнительно используется для управления коэффициентом усиления в БК, что позволяет реализовать различные темпы измене-
ния частоты 1'оп в режимах разгона (торможения) и фазирования. В результате в режиме фазирования ССЭ темп изменения выходной частоты контура ФАПЧ меньше еш, а в режимах разгона и торможения электропривода превышает еш. Благодаря данной реализации к моменту начала режима фазирования выходная частота контура ФАПЧ с опережением становится равной частоте задания 1оп, что позволяет исключить потери времени на подготовку электропривода к режиму фазирования и в результате повысить быстродействие ССЭ.
Данный принцип регулирования с использованием дополнительного контура ФАПЧ может быть использован для организации управления ЭПФС при отработке скачкообразного изменения сигнала задания [12]. В этом случае линейно изменяющийся выходной сигнал контура ФАПЧ используется в качестве опорного сигнала для ЭПФС, что позволяет осуществить переход электропривода с одной заданной частоты вращения на другую при меньшем значении ускорения, но без размыкания САУ. В результате исключается необходимость в повторных режимах синхронизации и фазирования, что повышает быстродействие ССЭ в переходных режимах работы и снижает потери информации в сканирующей системе.
Предлагается повысить быстродействие рассмотренных способов регулирования ССЭ путем использования ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения входных импульсных последовательностей 1 и 1 . Расширение линейной
оп ос 1
зоны дискриминатора в режиме работы замкнутой САУ позволит повысить величину темпа изменения выходного сигнала контура ФАПЧ и, соответственно, сократить время переходных процессов в ССЭ.
Передаточная характеристика ИЧФД представляется в виде многозначной статической нелинейности (рис. 3), отражающей возможность синхронизации ЭПФС на любом из г-участков, соответствующих угловому расстоянию между г метками ИДЧ. Многозначность нелинейности проявляется в том, что на любом из этих участков ИЧФД может находиться в любом из трех состояний:
— насыщение при разгоне ЭПФС (у = Ф0/2);
— режим фазового сравнения (у = Дф);
— насыщение при торможении ЭПФС
(У = -фо/2).
Функциональная схема ИЧФД на основе фазового дискриминатора (ФД) [14], реализующего представленную передаточную характеристику дискриминатора, приведена на рис. 4, где ОВ — од-новибратор, ЭЗ — элемент задержки, СЛБ — схема логической блокировки).
Схема ИЧФД реализует дополнительные функциональные возможности [15]:
— формирование сигнала фазовой ошибки ДФ в режимах насыщения дискриминатора;
— формирование сигналов индикации режимов работы электропривода (Р — разгон, Т — торможение, П — пропорциональный или режим замкнутого управления);
— формирование сигналов индикации моментов времени изменения режима работы ЭПФС (0/2 — ситуация отсутствия импульсов частоты 1с между двумя соседними импульсами частоты 1оп, 2/2 — ситуация прохождения двух или более импульсов частоты 1 между двумя соседними импульсами частоты 1 ).
оп
Реализованные в ИЧФД функциональные возможности были использованы для построения дис-
Рис. 3. Передаточная характеристика ИЧФД
Рис. 4. Функциональная схема ИЧФД с дополнительными функциональными возможностями
Рис. 5. Передаточная характеристика ИЧФД с расширенной линейной зоной
криминатора с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения, реализующего передаточную характеристику, представленную на рис. 5. В данной характеристике отражено расширение линейной зоны ИЧФД до ±3ф0/2 на участке синхронизации ЭПФС.
Предлагается функциональная схема ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения [16] (рис. 6).
При превышении частоты опорного сигнала 1оп над сигналом обратной связи 1 обязательно возникает состояние, при котором в промежутке между поступлением на вход двух импульсов частоты 1ос на вход приходят два импульса опорной частоты 1оп. По первому импульсу происходит установка инверсного выхода фазового ЯБ-триггера в состояние логической «1», при приходе второго импульса второй Б-триггер устанавливается в состояние логической «1». На выходе второго одновибратора фор-
Рис. 6. Функциональная схема ИЧФД с расширенной линейной зоной
мируется импульс 0/2 при поступлении на его вход импульса с выхода второго Б-триггера.
Импульс 0/2 с выхода второго одновибрато-ра одновременно поступает на Я-вход второго Б-триггера, устанавливая его в состояние логического «0», на первый вход второго логического элемента И и с задержкой т, равной времени срабатывания логических элементов И, через логический элемент ИЛИ и элемент задержки ЭЗ — на син-хровходы блокирующих Б-триггеров.
Если первый блокирующий триггер установлен в состояние логического «0», то при приходе импульса на установочный вход второго блокирующего триггера на его информационном входе присут-свует сигнал логической «1».
В результате второй блокирующий Б-триггер перейдет в состояние логической «1», формируя сигнал (Р=1, />/) о превышении опорной частоты над контролируемой. Инверсный выход второго блокирующего Б-триггера блокирует работу второго логического элемента И-НЕ и на выходе у ИЧФД устанавливается состояние логической «1».
Если в предшествующий момент времени первый блокирующий Б-триггер был включен (Т= 1), то в момент прихода импульса на синхровход второго блокирующего Б-триггера его Б-вход будет находиться в состоянии логического «0», т.к. импульс со второго одновибратора не пройдет через заблокированный инверсным выходом первого блокирующего Б-триггера второй логический элемент И. В результате на прямом выходе второго блокирующего Б-триггера установится сигнал логического «0» (Р = 0), а инверсный выход устанавливается в состояние логической «1» и тем самым разблокирует работу второго логического элемента И-НЕ. Первый блокирующий триггер устанавливается в состояние логического «0». Дискриминатор переходит от режима сравнения частот к режиму сравнения фаз. Поскольку при этом на логические элементы И-НЕ с инверсных выходов блокирующих Б-триггеров поданы «разрешающие» сигналы логической «1», то на выход дискриминатора проходит сигнал, пропорциональный фазовой ошибке у = Дф, с инверсного выхода фазового ЯБ-триггера, длительность выходных импульсов которого пропорциональна фазовому сдвигу импульсов сравниваемых частот. С помощью третьего логического элемента И формируется сигнал П, соответствующий режиму фазового сравнения дискриминатора.
При превышении частоты контролируемого сигнала над опорным формирование выходного сигнала дискриминатора у осуществляется аналогично (вследствие симметрии схемы компаратора), начиная с установки прямого выхода фазового ЯБ-триггера в состояние логической «1».
При переходе дискриминатора в режим фазового сравнения на выходе третьего логического элемента И появляется сигнал П= 1, по которому происходит установка ЯБ-триггера в состояние логической «1» и формирование выходного сигнала Пр дискриминатора, являющегося индикатором режима фазового сравнения с расширенной в 3 раза линейной зоной пропускания сигнала фазовой ошибки. При появлении сигнала Пр= 1 открываются цифровые ключи, выполненные на четвертом и пятом логических элементах И, разрешая прохождения сигналов Р и Т соответственно на входы суммирующий и вычитающий сумматора-вычитателя, на выходе которого появляется сигнал фазовой ошибки Дфр с расширенной в 3 раза линейной зоной пропускания. Прибавление сигнала Р=1 к сигналу Дф позволяет расширить линейную зону определения фазовой ошибки до 3п, а вычитание сигнала Т=1 — расширить линейную зону определения фазовой ошибки до минус 3п. Трехкратное расширение линейной зоны определения фазовой ошибки позволяет исключить в режиме синхронизации контура фазовой автоподстройки частоты ситуации повторного выхода дискриминатора в режимы насыщения, которые могут происходить при больших начальных условиях по ошибке по частоте при входе в режим синхронизации и в результате повысить быстродействие контура фазовой автоподстройки частоты в переходных режимах работы.
Сброс ЯБ-триггера в состояние логического «0» (Пр = 0) и, соответственно, сужение линейной зоны в 3 раза до исходного состояния происходит в случае повторного формирования сигналов 0/2 или 2/2, что соответствует скачкообразному изменению задающей (опорной) частоты / . Определение ситуации повторного прохождения импульсов 2/2 осуществляется с помощью третьего Б-триггера, на информационный Б-вход которого подается сигнал Т (соответствующий первому появлению импульса 2/2), а на тактовый С-вход — сигнал 2/2. Определение ситуации повторного прохождения импульсов 0/2 осуществляется с помощью чет-
Рис. 7. Функциональная схема ЭПФС на основе ИЧФД с расширенной линейной зоной
вертого Б-триггера, на информационный Б-вход которого подается сигнал Р (соответствующий первому появлению импульса 0/2), а на тактовый С-вход — сигнал 0/2. Сброс третьего и четвертого Б-триггеров осуществляется по сигналу П, соответствующему работе дискриминатора в режиме фазового сравнения. При появлении сигнала логической «1» на выходе третьего или четвертого Б-триггеров на Я-вход ЯБ-триггера через второй логический элемент ИЛИ проходит сигнал логической «1», сбрасывая ЯБ-триггер в состояние логического «0», что соответствует окончанию режима работы дискриминатора в расширенной линейной зоне (Пр = 0).
Рассмотренная функциональная схема ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения может быть использована в ЭПФС (рис. 7), являющегося основой для построения ССЭ с организацией переходных процессов синхронизации и фазирования без размыкания САУ.
В данной схеме сигнал Пр, формируемый на третьем выходе ИЧФД, используется для управления мультиплексором, при этом выходной сигнал мультиплексора ур = у при отсутствии сигнала Пр, и Ур = Дфр при Пр =1.
Выводы и заключение. В статье предложены алгоритм работы и схемная реализация ИЧФД с расширенной линейной зоной в режиме фазового сравнения входных импульсных последовательностей, на основе которой реализуется ЭПФС с расширенной областью работы в режиме замкнутого управления при синхронизации электропривода. Разработанная схема ЭПФС может служить основой для построения ССЭ, функционирующего в переходных режимах синхронизации и фазирования без размыкания САУ, что позволит улучшить динамические характеристики электропривода, в первую очередь быстродействие, и уменьшить потери информации в сканирующей системе.
6. Zhang J., Zhao H., Ma K. Phase-Locked Loop in Constant Speed Control for the Flywheel Motor // Recent Advances in Computer Science and Information Engineering. 2012. Vol. 6. P. 323-330. DOI: 10.1007/978-3-642-25778-0_45.
7. Lanza P. T., Shtessel Y. B., Stensby J. L. Improved acquisition in a phase-locked loop using sliding mode control techniques // Journal of the Franklin Institute. 2015. Vol. 352, Issue 10. P. 4188-4204. DOI: 10.1016/j.jfranklin.2015.06.001.
8. Nondahl T., Liu J., Schmidt P. [et al.]. Transition scheme for position sensorless control of AC motor drives. US patent 9374028B2; filed December 10th, 2014; published February 25th, 2016.
9. Xue F., Yang J., Wu J. [et al.]. Passivity-based control for phase-locked loop induction motor drive // ISIE 2001. IEEE Int. Symp. on Ind. Electron. Proc., June 12-16, 2001. Pusan, Korea, 2001. P. 1130-1134. DOI: 10.1109/ISIE.2001.931636.
10. Yu W., Luo Y., Chen Y.-Q. [et al.]. Frequency domain modelling and control of fractional-order system for permanent magnet synchronous motor velocity servo system // IET Control Theory & Applications. 2016. Vol. 10, Issue 2. P. 136-143. DOI: 10.1049/iet-cta.2014.1296.
11. Аристов А. В., Аристова Л. И. Предельные характеристики оптико-механических систем со сканированием // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Энергетика». 2015. Т. 15, № 1. С. 41-46. DOI: 10.14529/ power150105.
12. Бубнов А. В., Бубнова Т. А., Федоров В. Л. Современное состояние и перспективы развития теории синхронно-синфазного электропривода: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. 101 с. ISBN 978-5-8149-0988-6.
13. Пат. 178108 Российская Федерация, МПК H 02 Р 5/52. Устройство для согласования углового положения синхронно вращающихся валов электродвигателей постоянного тока / Бубнов А. В., Четверик А. Н., Чудинов А. Н. № 2017139810; за-явл. 15.11.17; опубл. 23.03.18, Бюл. № 9.
14. Bubnov A. V., Gokova M. V., Chetverik A. N. Features of Constructing a Logical Device for Comparing Systems with a Frequency Phase-Locked Loop // Measurement Techniques. 2016. Vol. 59, Issue 9. P. 985-989.
15. Бубнов А. В., Бирюков С. В., Четверик А. Н. Особенности построения синхронно-синфазного электропривода на основе многофункционального логического устройства сравнения с косвенным определением ошибки по угловой скорости // Омский научный вестник. 2017. № 4 (154). С. 31-36.
16. Пат. 2647678 Российская Федерация, МПК H 03 К 19/00, Н 02 P 7/00. Частотно-фазовый компаратор / Бубнов А. В., Четверик А. Н. № 2017120667; заявл. 13.06.17; опубл. 16.03.18, Бюл. № 8.
Библиографический список
1. Трахтенберг Р. М. Импульсные астатические системы электропривода с дискретным управлением. М.: Энергоиздат, 1982. 168 с.
2. Hsieh G. C., Hung J. C. Phase-locked loop techniques. A survey // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1996. Vol. 43, Issue 6. P. 609-615. DOI: 10.1109/41.544547.
3. Best R. E. Phase-Locked Loop: Design, Simulation and Applications. 6th ed. Taiwan: McGraw-Hill Education, 2003. P. 109-114. ISBN 9780071493758.
4. Wu Y., Zhao H., Zhao N. PLL control system based on FPGA for brushless DC motor // Proc. of the 33rd Chinese Control Conf., July 28-30, 2014. Nanjing, China, 2014. P. 7897-7902. DOI: 10.1109/ChiCC.2014.6896319.
5. Pan C.-T., Fang E. A Phase-Locked-Loop-Assisted Internal Model Adjustable-Speed Controller for BLDC Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Vol. 55, Issue 9. P. 3415-3425. DOI: 10.1109/TIE.2008.922600.
бубнов Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрическая техника». SPIN-код: 5358-0661 AuthorID (РИНЦ): 250020 ORCID: 0000-0002-0604-3795 AuthorID (SCOPUS): 7004195241 ResearcherID: A-6669-2015 Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru нИконоВ Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Автоматизированные системы обработки информации и управления». SPIN-код: 9722-8373 AuthorID (РИНЦ): 124080 ORCID: 0000-0002-9079-7038 AuthorID (SCOPUS): 7101714232
Яе8еагсЬег1Б: В-3078-2016
ЧЕТВЕРИК Алина Наилевна, старший преподаватель кафедры «Электрическая техника». БРНЧ-код: 2930-8935 АиШогГО (РИНЦ): 688459 0ЯС1Б: 0000-0001-8470-9823 Яе8еагсЬег1Б: 0-4913-2017 Адрес для переписки: alina.an@mail.ra КРЕйДУНОВА Юлия Васильевна, инженер НИПИ «Нефтегазпроект», г. Тюмень. Адрес для переписки: kreydunovay@gmail.com
Для цитирования
Бубнов А. В., Никонов А. В., Четверик А. Н., Крейдуно-ва Ю. В. Улучшение динамики синхронно-синфазного электропривода в переходных режимах синхронизации и фазирования // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 25 — 30. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-162-25-30.
Статья поступила в редакцию 30.10.2018 г. © А. В. Бубнов, А. В. Никонов, А. Н. Четверик, Ю. В. Крейдунова
УДК 621.311
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-162-30-35
В. н. ГОРЮНОВ А. В. ДЕД Е. П. ЖИЛЕНКО Ю. П. ЛАВРИКОВ П. С. СМИРНОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
АНАЛИЗ СВЕДЕНИЙ О ПОТЕРЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
в филиалах пао «мрск сибири»
ЗА ПЕРИОД С 2010 ПО 2017 ГОД
В статье представлены результаты анализа данных об отпуске электрической энергии в сеть и отпуске электрической энергии из сети основных филиалов сетевой компании ПАО «МРСК Сибири» по всем уровням напряжений. Определены средние значения показателей фактических потерь и сделана оценка уровня потерь электроэнергии основных филиалов ПАО «МРСК Сибири» на соответствие целевых показателей энергетической стратегии развития России до 2030 года.
Ключевые слова: потери электрической энергии, контроль качества электрической энергии, стратегия развития, отпуск электроэнергии.
В настоящее время состояние электрических сетей в России, по мнению значительного числа экспертов, приближается к критической степени износа. По результатам анализа состояния энергетического оборудования на объектах энергетики специалистами отмечается, что работоспособность и прочность энергосистем практически исчерпали свой запас, а электросетевой комплекс на 60 — 70 % основных фондов выработал свой срок службы [1]. Значительное изменение общего объёма энергопотребления, а также появление в общей структуре нагрузок новых, мощных, с переменным графиком работы потребителей может приводить, при определенных условиях, к соответствующим техническим последствиям и, следовательно, убыткам для энергетических компаний. В связи с этим вопросы экономичности работы электрических сетей являются актуальными [2 — 9].
Уровень потерь электроэнергии в электрических сетях является одним из важнейших показа-
телей деятельности электросетевых компаний [10]. Рост данного показателя в перспективе может оказать непосредственное влияние на развитие экономики России, стран участников Таможенного союза и СНГ и других стран, где осуществлён переход методов управления экономик от централизованных к рыночным [11].
Энергетической стратегией России на период до 2030 года в сфере развития электросетевого комплекса ставится задача на повышение эффективности транспортировки электрической энергии путем снижения потерь электроэнергии в электрических сетях до уровня 8 % отпуска в сеть [12]:
- 2010-2015 гг. — не более 12 %;
- 2016-2020 гг. — не более 10 %;
— 2021-2030 гг. — не более 8 %.
В рамках выполнения необходимого и обязательного не реже одного раза в пять лет обновления действующей энергетической стратегии Правительством Российской Федерации было при-
