Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ характеристик исследуемой системы и синтез ее математической модели 10
1.1 Анализ и математическое описание силовой части системы 10
1.2 Анализ структуры управляющей части системы и ее представление в модели 21
1.3 Анализ подходов к реализации адаптивной системы 26
Глава 2. Синтез алгоритма адаптации 34
2.1 Исследование диапазона рабочих частот ПЧ, в котором требуется самоподстройка гибкой обратной связи 35
2.2 Исследование характера чувствительности системы к значениям коэффициента гибкой обратной связи 36
2.3 Исследование характера множества оптимальных коэффициентов обратной связи 40
Глава 3. Разработка элементов аппаратного и программного обеспечения 51
3.1 Выбор элементов модуля управления преобразователя частоты .. 51
3.2 Разработка программного обеспечения 63
Глава 4. Экспериментальное исследование разработанной системы управления 104
Заключение 111
Литература 112
Приложение 118
- Анализ структуры управляющей части системы и ее представление в модели
- Исследование характера чувствительности системы к значениям коэффициента гибкой обратной связи
- Исследование характера множества оптимальных коэффициентов обратной связи
- Выбор элементов модуля управления преобразователя частоты
Введение к работе
Оптимизация режимов работы многих видов механизмов и устройств достигается при обеспечении возможности регулирования их скорости вращения в зависимости от технологических требований. Большинство общепромышленных механизмов (насосы, вентиляторы, транспортеры, подъемники, экструдеры и т.п.) оборудованы нерегулируемым асинхронным электроприводом и для них актуальным является замена его на частотно-регулируемый электропривод с преобразователем частоты (ПЧ).
Множество фирм, занятых разработкой и производством преобразователей частоты, придерживаются стратегий выпуска продукции с характеристиками, обеспечивающими универсальное применение, в том числе в самых высоких технологиях. В то же время, наиболее массовое распространение получили электроприводы, работающие в простейших режимах поддержания на заданном уровне определенного технологического параметра с достаточно низкими требованиями. В этих электроприводах, работающих в длительном режиме, целесообразно применение простейших ПЧ со скалярной системой управления, не имеющих аппаратной и программной избыточности, которые требуют минимальных затрат на производство и эксплуатацию.
Таким образом, в условиях российского рынка по-прежнему актуальной является задача производства простых объектно-ориентированных ПЧ, не требующих применения сложного дорогостоящего оборудования для своего изготовления. В частности, производство подобных ПЧ (разработанных на кафедре АЭП МЭИ) освоил Опытный завод МЭИ, который выпускает их мелкими заказными партиями под маркой «КЭУ» [24]. Блок управления этого ПЧ реализован на базе 8 разрядного микропроцессора, что в свою очередь позволяет значительно упростить и удешевить производство ПЧ при вполне конкурентоспособных его характеристиках.
ПЧ «КЭУ» построен по схеме «неуправляемый выпрямитель — фильтр звена постоянного тока - АИН с ШИМ» (функциональная схема на рис.1) и имеет скалярным управление.
о
[І
Драйверы управления і к/іюмами
Микроконтроллерная СУ
Звено постоянного тока Выпрямитель
іФильтр
Звено переменного тока Автономный инбєртєр напряжения
I 1
Рис. 1.
Данный ПЧ ориентирован на применение в качестве электропривода общепромышленных механизмов с простыми требованиями к качеству регулирования, к которым можно отнести насосы, вентиляторы, транспортеры, мешалки и т.п., как правило, выполненных на основе асинхронных короткозамкнутых двигателей (АД), работающих в длительных режимах при сравнительно невысоких требованиях к быстродействию. Основные задачи регулирования при этом сводятся к оптимизации рабочих режимов в зависимости от технологических параметров, в том числе - с целью энергосбережения, и обеспечению плавности переходных процессов.
Из практики эксплуатации систем ПЧ - АД, построенных по подобной схеме (см. рис.1) со скалярной системой управления, известна склонность этих систем к раскачиванию (автоколебаниям). Принципиальная возможность раскачивания основных электрических и механических координат этого электропривода (напряжение на звене постоянного тока, токи статора, частота вращения и т.п.) физически объясняется наличием и
5 взаимодействием в системе накопителей энергии равноценной мощности (силовой фильтр и двигатель).
Особенности режима автоколебаний системы ПЧ-АД в прошлом подробно изучались [41,42,45]. Показано, что степень устойчивости этой системы зависит от параметров силовой цепи и структуры системы управления. Было показано, что при оптимально выбранных (по минимуму стоимости) элементах силовой цепи обеспечить устойчивость можно применением дополнительных схемно-аппаратных средств коррекции сигналов в каналах регулирования частоты и напряжения. Известны и исследованы следующие способы подавления колебаний (стабилизации системы):
Способ устранения автоколебаний посредством гибкой обратной связи по току реактивного моста [49].
Способ подавления автоколебаний с задержанной жесткой обратной связью по току на входе инвертора [1].
Способ подавления автоколебаний с положительной обратной связью по напряжению инвертора [2].
Способ подавления автоколебаний с использованием низкочастотной составляющей в цепи постоянного тока автономного инвертора [11].
Способ подавления автоколебаний с помощью гибкой отрицательной обратной связи по току дросселя фильтра [18].
Способ подавления автоколебаний с помощью жесткой отрицательной обратной связи по току заряда конденсатора LC фильтра [5].
Способ подавления колебаний с помощью гибкой отрицательной обратной связи по напряжению конденсатора фильтра звена постоянного тока [43].
На практике наибольшее применение нашел способ коррекции с помощью гибкой отрицательной обратной связи по напряжению конденсатора фильтра звена постоянного тока (в нашем списке - №7). Именно этот способ использован в схеме «КЭУ» [7] Схема позволяет
устранять колебания во всем диапазоне частот регулирования и не требует применения дополнительных датчиков тока, позволяя использовать только датчик напряжения звена постоянного тока, всегда имеющийся в системе и используемый также для осуществления функций защиты.
На рис. 2 приведена осциллограмма напряжения звена постоянного тока, иллюстрирующая влияние отрицательной гибкой обратной связи на устойчивость системы.
WVV4^
f Шит. В
1с.
момент включения гибкой ОС.
I I
Рис. 2.
Процесс наладки ПЧ с такой системой управления требует знания и установки требуемого значения коэффициента гибкой обратной связи, при котором обеспечивается устойчивость. В настоящее время нет пригодных для практики методов расчета этого коэффициента. Сегодня процесс наладки является эмпирическим и заключается в экспериментальном нахождении требуемого значения коэффициента гибкой обратной связи, при котором амплитуда автоколебаний напряжения минимальна. Такой процесс наладки преобразователя частоты требует участия высококвалифицированного персонала и наличия измерительных приборов, позволяющих фиксировать колебания напряжения.
Все выше отмеченное позволяет сделать вывод об актуальности автоматизации процесса наладки системы управления рассматриваемого электропривода для обеспечения его устойчивости. Поэтому в данной работе ставится цель разработки адаптивной системы управления ПЧ с
7 самоподстройкой контура гибкой отрицательной обратной связи по напряжению звена постоянного тока.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
разработка математической модели системы управления электропривода;
синтез адаптивной системы управления электропривода;
разработка элементов аппаратной реализации системы управления;
разработка алгоритмов и рабочих программ адаптивной системы управления электропривода;
экспериментальное исследование разработанной системы управления преобразователя частоты.
Для решения выше поставленных задач в первой главе решается первая из сформулированных выше задач диссертации - разработка математической модели исследуемой системы, которая позволяет эффективно проводить синтез адаптивной системы.
В главе проведен анализ элементов силовой части системы и степени их влияния на устойчивость с целью выявления элементов и параметров, которыми нельзя пренебречь. Проведен анализ структуры управляющей части системы с целью полноценного отражения этой части в модели. Проведен предварительный общий обзор применимых в нашем случае методов адаптации с целью построения математической модели, которая не накладывает ограничений на процесс поиска структур и алгоритмов адаптации. Выбрана удобная и адекватная компьютерная программа, которая позволяет эффективно реализовать математическую модель и явилась удобным инструментом синтеза.
Во второй главе решается вторая из задач диссертации - синтез адаптивной системы управления с помощью разработанной математической модели исследуемой системы.
Представлены методика и результаты исследований качественных
8 показателей с целью выявления характеристик системы управления.
Проведена разработка алгоритма самоподстройки коэффициента гибкой обратной связи и проверена его эффективность на математической модели.
Третья глава посвящена технической реализации
микроконтроллерной системы управления и разработке программного обеспечения.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию разработанной системы управления. Получены экспериментальные осциллограммы процессов настройки коэффициентов гибкой обратной связи (процесса адаптации) при различных значениях выходной частоты ПЧ. Приведенные в работе осциллограммы подтверждают правильность выводов, полученных в результате моделирования.
В заключении обобщены основные результаты работы.
В приложении приведен фрагмент программного обеспечения.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Никифоров А.Д. Использование средств разработки микроконтроллерных систем управления фирмы Моторола при создании программного обеспечения частотно-регулируемого электропривода./ Седьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.-М.: МЭИ, 2001, Т.2, с. 129.
Никифоров А.Д. Микропроцессорная система управления частотно-регулируемого электропривода. /Восьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.-М.: МЭИ, 2002, Т.2, 92 с.
Никифоров А.Д. Применение 8-разрядных микроконтроллеров класса "Motor Control" в системе управления частотно-регулируемого
9 электропривода. //Электропривод и системы управления. - М., Моск. энерг. ин-т, 2003. - Труды МЭИ. Вып. 679. - С.74-84.
Никифоров А.Д. Исследование частотно-регулируемого электропривода с системой управления на базе восьмиразрядного микроконтроллера. /Десятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.-М.: Издательство МЭИ, 2004. Т.2.
Ладыгин А.Н., Никифоров А.Д. Адаптивная система управления частотно-регулируемого электропривода /Труды 15-ой Всероссийской конференции «Автоматизированный электропривод в 21 веке», сентябрь 2004, Магнитогорск, т.1, С.200-203.
Ладыгин А.Н., Никифоров А.Д. Исследование адаптивной системы управления частотно-регулируемого электропривода //Электропривод и системы управления. - М., Моск. энерг. ин-т, 2004. - Труды МЭИ. Вып. 680. -С.64-71.
Анализ структуры управляющей части системы и ее представление в модели
При такой структуре динамических звеньев системы легко представить, что любые колебания напряжения на входе инвертора вызывают качания тока инвертора, которые по цепи реактивного моста, образованного обратными диодами, включенными параллельно транзисторам (рис. 1.3) приводят к еще большему раскачиванию напряжения инвертора и увеличению амплитуды колебаний. Первоначальные колебания на входе инвертора возникают в следствии того, что мощность источника не бесконечна, и в некоторый момент времени при возникновении возмущающего воздействия (например изменение задания скорости) возникает первоначальное изменение (уменьшение) напряжения.
Известно [18], что уменьшение момента инерции приводит к некоторому увеличению частоты колебаний. Существенное увеличение момента инерции полностью устраняет автоколебания в системе.
Исчезновение автоколебаний в системе ПЧН-АД при больших значениях суммарного момента инерции на валу двигателя свидетельствует о том, что в ней не возникает автоколебаний при постоянной скорости вращения ротора. Т.е. когда ротор не участвует в процессе колебаний, в системе не возникает колебаний напряжения, тока и момента двигателя. Для проверки этого предположения производился следующий эксперимент. Вал асинхронного двигателя приводился во вращение с синхронной скоростью нагрузочной машиной постоянного тока, питающейся от генератора. После скачкообразного включения напряжения управления выпрямителем (величина напряжения соответствует точке максимума автоколебаний), колебания, возникшие в системе затухают, в установившемся процессе при wo=Const колебаний напряжения и токов не происходило.
При изменение параметров LC фильтра [18] вариации подвергались: индуктивность дросселя фильтра при неизменной емкости конденсатора фильтра и емкость конденсатора фильтра при неизменной величине индуктивности дросселя. В результате было установлено, что резонансная частота с ростом индуктивности фильтра возрастает. Частоты колебаний по мере роста индуктивностей дросселя фильтра снижаются. При малом значении индуктивности автоколебания могут не наблюдаться.
Уменьшение емкости конденсатора фильтра приводит к росту частоты автоколебаний. Увеличение момента инерции привода при уменьшенной емкости фильтра снижает амплитуду и частоту автоколебаний. Многократное увеличение емкости фильтра приводит к полному исчезновению колебаний в системе.
Исключение уравнений какого-либо накопителя энергии из числа имеющихся в системе для упрощения математического описания при исследовании автоколебаний может привести к ошибочному результату. Следовательно, в общем случае, когда нет априорных сведений о свойствах системы ПЧН-АД, при математическом описании автоколебаний следует учитывать электромагнитные процессы в асинхронном двигателе и LC -фильтре и изменение угловой скорости вращения двигателя, т.е. исследования нужно проводить, используя полную систему уравнений.
Предложенная на рисунке (1.2) структурная схема, включающая два колебательных звена, одним из которых является LC-фильтр, а другим -звено, заключающее параметры двигателя, достаточно полно описывает природу колебаний, однако не позволяет исследовать электрические координаты привода, одним из которых является напряжение звена постоянного тока. Поэтому необходимо представить модель в виде обобщенной машины (для асинхронного двигателя) и такой структурной схемы силовой части преобразователя частоты, которая бы позволяла исследовать представляющую интерес электрическую координату электропривода - напряжение звена постоянного тока.
Выбор системы координат при математическом описании электромеханического преобразователя необходимо производить, исходя из условий работы этого электромеханического преобразователя. Так, например, при питании двигателя напряжением, меняющимся по синусоидальному закону, математическое описание процессов электромеханического преобразования энергии наиболее удобно получить в синхронных осях х, у, при этом синусоидально изменяющиеся реальные переменные машины преобразуются в постоянные величины, характеризующие проекции изображающего вектора на синхронно с ним вращающиеся координатные оси х,у [19].
В рассматриваемой системе математическое описание двигателя необходимо выполнить в реальных переменных двигателя, т.е. в неподвижных осях а, Д связанных со статором двигателя, т.к. напряжение на двигатель подается в виде широтно-импульсного сигнала, модулированного по синусу (первая гармоника такого сигнала представляет собой синусоиду).
Математическое описание двигателя получено при допущении, что электромеханический преобразователь представляет собой идеализированный двигатель, ротор которого не обладает механической инерцией, не подвержен воздействию момента механических потерь. Кроме того, сосредоточенные в пазах проводники с током заменяются синусоидальными токовыми слоями, эквивалентными по МДС первым гармоникам МДС соответствующих реальных обмоток, а неравномерность зазора, обусловленная пазами, не учитывается. При анализе динамических процессов, также, принимается, что магнитная цепь машины не насыщается и имеет очень высокую магнитную проницаемость.
Исследование характера чувствительности системы к значениям коэффициента гибкой обратной связи
Адаптивные СУ с наблюдающими устройства, восстанавливающие переменные состояния объекта, могут также идентифицировать не поддающиеся прямому измерению внешние воздействия и неизвестные параметры объекта. В этом случае наблюдающие устройства выполняются с самонастройкой по идентифицируемым параметрам за счет введения интеграторов, входные сигналы которых представляют собой разность измеренных и оценочных значений переменных состояния объекта.
В большинстве беспоисковых адаптивных АСУ ЭП в той или иной форме используются эталонные модели. В качестве таких моделей могут быть применены: модели замкнутой или разомкнутой системы; модели части системы, в которой находятся нестационарные параметры; наконец, могут быть заданы определенные величины, являющиеся эталоном для конкретных условий работы нестационарной системы. В некоторых случаях модель может быть задана не в явной форме.
Системы, в которых эталонные модели присутствуют в явном виде, получили название систем с эталонными моделями. В простейших структурах таких систем сигнал на выходе эталонной модели сравнивается с сигналом на выходе системы. По разности этих сигналов вырабатывается корректирующее воздействие на систему (либо - в виде изменения параметров соответствующего звена, либо - в виде сигнала) в соответствии с требуемым качеством работы самонастраивающейся системы.
Беспоисковые системы с эталонными моделями оказываются весьма чувствительными к возмущающим воздействиям и помехам. Это объясняется тем, что модель выполняется ориентируемой на определенное воздействие, например управляющее, и все иные воздействия могут искажать процесс самонастройки. Возникает в таком случае необходимость сигнальной избирательности в работе системы либо необходимость использования весьма сложных эталонных моделей.
Класс поисковых адаптивных систем включает системы, выполняющие автоматическую оптимизацию систем управления электроприводами в соответствии с принятыми критериями качества. Это делается путем специально организованного режима поисковых изменений параметров регуляторов системы, при которых достигается экстремальное значение показателя качества. Основным отличием поисковых систем от беспоисковых является наличие пробных движений и оценка на каждом шаге нужного направления движения к экстремуму. Если происходят изменения параметров основной части системы управления или характеристик возмущений, то адаптивная система таким образом осуществляет изменение параметров регуляторов, что при новых условиях обеспечивает экстремум показателя качества. К основной части поисковой адаптивной системы управления относится замкнутая система управления электроприводом, и оснащенная устройствами изменения параметров. Эта часть системы содержит блоки оценки принятого показателя качества и организации движений к экстремуму показателя качества.
Блок оценки показателя качества включает в себя контрольно-измерительную аппаратуру и функциональные блоки, состав которых зависит от принятого показателя качества. Показатели качества могут быть однозначными (такими, например, как минимальное значение среднеквадратичной ошибки системы, минимальные потери, максимальное быстродействие) и комплексными (например, минимальное значение среднеквадратичной ошибки при заданном уровне ограничений по мощности и при минимуме потерь). Блок организации движений к экстремуму показателя качества включает в себя устройство, выполняющее по определенным алгоритмам пробные изменения параметров системы, устройство оценки изменений показателя качества и устройство выработки управляющего сигнала для нужного изменения параметров системы управления электроприводом.
Сопоставим рассмотренные нами принципы с возможностями исследуемой системы. Настройка параметра контура коррекции колебаний в исследуемой системе осуществляется с помощью пульта управления. В процессе наладки оператор осуществляет эмпирический подбор коэффициента усиления гибкой обратной связи, значение которого хранится в регистре памяти и изменяется путем нажатия соответствующей кнопки пульта управления. Данный подбор заключается в экспериментальном нахождении требуемого значения коэффициента гибкой обратной связи, при котором амплитуда автоколебаний напряжения минимальна. Для контроля напряжения звена постоянного тока требуется наличия измерительных приборов, позволяющих фиксировать колебания напряжения. В качестве измерительного прибора может использоваться осциллограф. Оператор определяет наличие колебаний напряжения, после чего с помощью кнопок пульта осуществляет пошаговый подбор коэффициента гибкой обратной связи. После каждого шага изменения коэффициента оператору необходимо фиксировать изменение напряжения звена постоянного тока. При приближении к оптимальному значению коэффициента оператор фиксирует уменьшение амплитуды колебаний напряжения звена постоянного тока. На определенном шаге подбора коэффициента гибкой обратной связи амплитуда колебаний напряжения становится равной колебаниям в статическом режиме, обусловленным пульсациями выпрямленного напряжения. После этого полученное значение коэффициента гибкой обратной связи запоминается в системе.
Необходимым условием работы рассматриваемой системы является наличие экстремума в функции показателя качества от управляемого параметра в допустимой области изменений этого параметра. Управляемым параметром в данном случае является коэффициент гибкой обратной связи.
Легко заметить, что эмпирический подбор коэффициента гибкой обратной связи контура коррекции колебаний напряжения звена постоянного тока, проводимый наладчиком, является поисковым процессом. Таким образом, и разрабатываемая СУ должна реализовывать подобного рода поиск оптимального значения коэффициента обратной связи, т.е. другими словами, должна быть поисковой. Эффективность алгоритма движения к экстремуму в поисковой системе зависит от таких факторов, как быстродействие и точность поиска экстремума.
Исследование характера множества оптимальных коэффициентов обратной связи
Выше, при постановке задач диссертации уже отмечалось, что разрабатываемая адаптивная система управления должна быть ориентированна на применение в электроприводе с объектноориентированным ПЧ, который не требует использования сложных технологий и оборудования для своего изготовления. Желательно, чтобы система управления допускала возможность реализации ее аппаратной части на базе 8-разрядного микропроцессора (именно такая реализация имеет прототип системы без адаптации [7]), Поэтому процесс разработки элементов аппаратного и программного обеспечения должна содержать выбор наиболее эффективного процессороного ядра системы и оптимальной по критерию производительности архитектуры программного обеспечения. Рассмотрим требования к микроконтроллеру модуля управления. Как уже было показано, система управления электропривода состоит из следующих элементов: источник питания для собственных нужд, цепи преобразования сигналов датчиков и собственно микроконтроллер. При этом выходы МК с сигналами управления ключами преобразователя непосредственно подключены ко входам драйверов силовых модулей. При такой структуре система управления электропривода выполняет следующие функции: Функции управления ключами инвертора напряжения. Функции управления цепью заряда батареи конденсаторов в контуре постоянного тока при включении преобразователя в работу. Функции пользовательского интерфейса с пультом оперативного управления, предназначенным для организации интерактивного взаимодействия с оператором, для настройки параметров преобразователя, выбора нужного режима работы, наблюдения пользователем за координатами привода и технологическими переменными и т.д. Функции интерфейса как с источниками аналоговых сигналов, так и с источниками импульсных сигналов, что позволит обрабатывать сигналы датчиков обратных связей, среди которых типовыми являются датчики напряжения и тока в цепи постоянного тока, датчики температуры двигателя и (или) преобразователя, а также технологические датчики и датчики скорости ротора различных типов.
Система управления электропривода основывается на специализированном микроконтроллере с интегрированным на кристалл процессором событий для прямого цифрового управления двигателями. Семейство этих микроконтроллеров получило название "микроконтроллеров управления движением" (Motion Control Family) или "микроконтроллеров управления двигателями" (Motor Control Family). Главное отличие МК класса "Motor Control" от МК общего назначения состоит в наборе встроенных периферийных устройств, а также в максимальной адаптации архитектуры центрального процессора и его системы команд к задачам управления в реальном масштабе времени, что предполагает решение задач управления в строго отведенные для этой цели весьма малые интервалы времени, быструю реакцию МК на внешние события по прерываниям, автономную работу периферийных устройств с минимальным использованием ресурсов центрального процессора. Создание внутри кристалла МК все более совершенных специализированных, именно для задач управления двигателями, периферийных модулей позволяет реализовать все алгоритмические задачи управления программно-аппаратными средствами только самого МК. Структурная схема МК класса "Motor Control" представлена на рис. 3.1.
Специализированный МК класса "Motor Control" должен представлять собой единство трех составляющих: процессорного ядра с блоками памяти программ и данных; некоторого набора периферийных модулей, идентичных аналогичным модулям МК общего назначения. Это порты ввода / вывода и контроллеры последовательных интерфейсов. Модули используются для взаимодействия с устройствами общей автоматики, для создания пульта управления и блока индикации режимов работы привода, для подключения к промышленной информационной среде или устройству управления верхнего уровня; некоторого набора периферийных модулей, технические характеристики которых оптимизированы для реализации алгоритмов управления электроприводом. Это быстродействующий многоканальный модуль АЦП, универсальный многорежимный таймерный модуль и специализированный модуль ШИМ-генератора. Многорежимный таймерный модуль должен иметь функции автоматического контроля за изменением логических сигналов на входах портов ввода (режим входного захвата 1С - Input Capture) и аппаратного формирования заданного логического сигнала на выходах портов (режим выходного сравнения ОС - Output Compare). Количество каналов входного захвата и выходного сравнения должно быть не менее 3, желательно 6...8, причем наступления каждого из событий вызывает прерывание с собственным вектором обслуживания.
Выбор элементов модуля управления преобразователя частоты
Блок ШИМ совместно с силовой схемой инвертора формируют на зажимах двигателя трехфазное переменное напряжение в соответствии с рассмотренным ранее базовым алгоритмом двусторонней ШИМ. Основная идея такого управления состоит в том, чтобы за счет предмодуляции уменьшить усредненную потенциальную нагрузку наиболее загруженной (лимитирующей) фазы и соответственно (для сохранения разности усредненных потенциалов фаз) увеличить потенциальную нагрузку других, менее загруженных фаз инвертора. Тогда образовавшийся симметричный двусторонний потенциальный запас можно использовать для увеличения полезного напряжения инвертора в режиме максимального неискаженного выхода.
Диаграммы, поясняющие идею и результаты управления с симметрированием потенциальной зоны нагрузки в потенциальной зоне источника питания приведены на рис. 3.13. Здесь показан случай, в котором амплитуда внешних задающих воздействий иат , иЬт и ист такая же, как и в режиме максимального неискаженного выхода при отсутствии предмодуляции.
Анализ потенциальной зоны нагрузки при отсутствии предмодуляции (рис. 3.11) позволяет определить закон формирования предмодулирующего воздействия, отвечающий задаче управления: приобретают графики усредненных потенциалов выходных линий инвертора, амплитудные значения которых также уменьшаются в 7з/2раз в сравнении с отсутствием предмодуляции.
Благодаря симметрированию потенциальной зоны нагрузки (выделенной штриховкой) при всех значениях угла поворота задающего вектора создается симметричный, двусторонний потенциальный запас. Его можно использовать для отработки повышенных значений внешних задающих воздействий в режиме неискаженного выхода инвертора. Новое предельно допустимое по условиям неискаженного выхода значение амплитуды внешних задающих воздействий при введении симметрирующей предмодуляции составляет
Таким образом, рассмотренный усовершенствованный алгоритм ШИМ с симметрирующей предмодуляцией задающих воздействий обеспечивает повышение выходного напряжения инвертора на 15.5% в сравнении с базовым алгоритмом двусторонней синусоидальной ШИМ, что позволяет обеспечить номинальные значения выходных напряжений.
В отличие от высокочастотного опорного сигнала ШИМ сигнал предмодуляции un(t)является низкочастотным, так как его частота (рис.3.13) всего втрое превышает частоту полезного выходного сигнала инвертора. Однако устанавливать специальные фильтры для исключения низкочастотных составляющих (как последствий предмодуляции) из фазных напряжений и токов нагрузки нет необходимости. Схема питания трехфазной нагрузки обеспечивает естественную фильтрацию нейтральной составляющей силовой схемой и исключение этой низкочастотной составляющей из линейных напряжений и токов нагрузки.
Сигнал симметрирующей предмодуляции представляет собой кусочно-гладкую функцию, которая синтезируется в соответствии с формулой (3.13) с учетом соотношения величин внешних задающих воздействий. Именно поэтому для функционирования показанного на рис. генератора предмодулирующего воздействия необходима информация о задающих воздействиях.
Недостатком данного варианта предмодуляции является относительная сложность синтеза предмодулирующего воздействия по интервалам в виде кусочно-гладкой функции. Поэтому представляет интерес ее аппроксимация единой гладкой аналитической функцией т.е. симметрирование потенциальной зоны нагрузки путем введения третьей гармоники.
Как следует из анализа формы показанного на рис. 3.13 графика функции и (О» а также с учетом соотношения периода входных задающих воздействий и предмодулирующего воздействия, в качестве аппроксимирующей предмодулирующее воздействие может быть выбрана гармоническая функция утроенной частоты в сравнении с частотой задающего сигнала. Она описывается на всех интервалах общим выражением: ип=-и „совЗв;, (3.19) характеризующим ее как третью гармонику по отношению к задающим воздействиям.
