Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Некоторые актуальные задачи исследования 9
1.2 Анализ современных принципов построения регулятора тока якорной цепи для прямого цифрового управления электроприводом 11
1.3 Постановка задач исследования 16
2. Основные соотношения для силовой цепи системы "тиристорный преобразователь - двигатель"
2.1 Исходные уравнения /соотношения/ исследуемой системы "тиристорний преобразователь - двигатель" 17
2.2 Соотношения между величинами максимального и среднего тока преобразователя тиристорного электропривода при непрерывном токе 39
2.3 Соотношения между величинами максимального и среднего тока преобразователя тиристорного электропривода при прерывистом токе 46
2.4 Математическая модель силовой цепи системы "тиристорный преобразователь - двигатель" 54
3. Структура прямом цифровом управлении контуром тока
3.1 Алгоритм вычисления ожидаемого среднего значения тока на интервале проводимости 82
3.2 Алгоритм управления изменением тока для нереверсивного электропривода 89
3.3 Структура алгоритма управления током при раздельном управлении НО
3.4 Алгоритм управления током для реверсивного электропривода 119
3.5 Структура датчика максимального тока на интервале проводимости 129
4. Экспериментальное исследование
4.1 Проверка соотношения между величинами максимального и среднего тока на интервале проводимости 135
4.2 Проверка разработанных алгоритмов управления контуром тока якорной цепи 138
Заключение 146
Литература 147
- Анализ современных принципов построения регулятора тока якорной цепи для прямого цифрового управления электроприводом
- Исходные уравнения /соотношения/ исследуемой системы "тиристорний преобразователь - двигатель"
- Алгоритм вычисления ожидаемого среднего значения тока на интервале проводимости
- Проверка соотношения между величинами максимального и среднего тока на интервале проводимости
Анализ современных принципов построения регулятора тока якорной цепи для прямого цифрового управления электроприводом
В аналоговых системах управления наибольшее распространение получил принцип подчиненного регулирования параметров электропривода [8,18] . При таком принципе построения системы внутренний контур, управляющий более быстро изменяющейся координатой, получает задание от регулятора ближайшего внешнего по отношению к нему контура, выходная координата которого изменяется медленней. Очевидно, при переходе к управлению координатами привода с помощью УВМ хорошо зарекомендовавший себя принцип подчиненного регулирования может быть использован при разработке алгоритмов прямого цифрового управления электроприводом.
Обычно внутренним контуром в системах управления тиристор-ным электроприводом постоянного тока является контур тока. На его вход поступают сигналы задания и обратной связи, пропорциональные среднему значению тока якорной цепи, так как именно это его значение определяет развиваемый электродвигателем момент. Выходной сигнал регулятора тока через систему импульсно-фазового управления /СИФУ/ управляет моментом отпирания тиристоров преобразователя.
При анализе литературных источников можно выделить два основных момента, определяющие в конечном итоге сложность структуры и возможности построения системы прямого цифрового управления током: I. способ представления тиристорного преобразователя как объекта управления, 2. способ получения информации о фактическом значении регулируемой величины /в данном случае среднего значения тока якорной цепи/ в определенный момент времени. Известно, что тиристорний преобразователь обладает дискретностью и нелинейностью характеристик [l»20] . Дискретность объясняется тем, что на протяжении каждого интервала проводимости очередного тиристора имеется только один дискретный момент управления /момент подачи управляющего импульса на тиристор/, определяющий затем изменение напряжения и тока на весь интервал до включения в работу следующего тиристора. В общем случае этот интервал не является величиной постоянной. Нелинейность тиристорного преобразователя проявляется в том, что его коэффициент усиления зависит от рабочей точки системы. Тиристорный преобразователь работает совместно с двигателем постоянного тока, который представляет собой непрерывное звено. Поэтому целесообразно описать тиристорный преобразователь также в виде непрерывного звена. В литературе предлагаются различные методы описания тиристорного преобразователя. Обычно на практике тиристорный преобразователь рассматривается как апериодическое звено с малой эквивалентной постоянной времени Туч [8,18J . Однако, строго говоря, такое приближенное представление справедливо только при малых приращениях угла управления. В [іб] предлогается использовать метод эквивалентного генератора. Для этого из приближенного разностного уравнения описывающего переходный процесс тока якорной цепи на некотором промежутке повторяемости между моментами отпирания двух смежных тиристоров, выводятся параметры эквивалентного генератора. Таким генератором предлагается представлять тиристорный преобразователь при условии линейного изменения во времени угла управления. В [I4.20J тиристорный преобразователь для малых отклонений угла управления описывается в виде импульсного элемента ; выходное напряжение представляется как сумма стационарной и импульсной составляющих и определяется реакция системы "преобразователь - якорная цепь двигателя" на эти составляющие. При этом методе расчета получаются довольно громоздкие выражения с нелинейными коэффициентами и трансцендентными функциями. Соглаоно литературным источникам для получения информации о фактическом значении среднего тока якорной цепи в цифровом виде существует несколько способов. Первый из них основан на вычислении площади выпрямленного тока за интервал преобразования, равный одному интервалу дискретности тиристорного преобразователя [20,22] . Он по существу является цифровым вариантом обычных аналоговых устройств измерения среднего значения тока, содержащих модулятор, усилитель переменного тока, демодулятор и фильтр низких частот [iOJ . Другой способ получения информации о среднем значении тока описывается в [ ] » согласно которому обратная связь осуществляется по амплитудному значению тока нагрузки внутри очередного такта работы тиристорного преобразователя. Переход к среднему значению тока производится путем вычисления среднего арифметического текущего и предыдущего амплитудных значений. При этом учитывается, что такое приближение справедливо только для квазиустановившихся режимов работы. Общим недостатком обоих способов является запаздывание информации, вносимое датчиком. В [l4] описывается способ, по которому производится замер амплитуды пульсирующей составляющей тока на интервале проводимости тиристора, однако, отсутствуют какие-либо сведения о способе перехода к среднему значению тока. В разработанных впервые системах прямого цифрового управления током [ 12,13,31,32,38,39,43,45J при построении алгоритмов управления исходят из принципов действия хорошо исследованных линейных аналоговых регуляторов: пропорционально-интегрального /ПИ/, интегрального /И/ и т.д. С помощью УВМ за определенный интервал повторения вычислений определяется рассогласование между заданной и фактической величинами среднего тока. Затем, по алгоритму управления, полученному путем непосредственного /в разностной форме/ копирования математических операции, выполняемых аналоговой системой, это рассогласование отрабатывается.
Исходные уравнения /соотношения/ исследуемой системы "тиристорний преобразователь - двигатель"
Полученные в главе 2 соотношения между средними и максимальными значениями тока на интервале проводимости позволяют сделать вывод, что алгоритм вычисления ожидаемого среднего значения тока должен содержать следующие основные узлы: 1. Узел для вычисления величины граничного максимального тока. 2. Узел сравнения для определения зоны работы системы. 3. Узел для определения величины свободной составляющей при непрерывном токе. 4. Узел для определения величины угла проводимости Я при прерывистом токе. 5. Узлы для вычисления ожидаемого среднего значения тока к концу интервала дискретности для непрерывного и прерывистого токов. В связи с нелинейным характером зависимостей и соотношений произведем их кусочно-линейную аппроксимацию ; в пределах участка в общем виде где у - выходной параметр ; К - входной параметр ; K,h - соответственно, угловой коэффициент и свободная составляющая, зависящие от значения ЭДС двигателя ЄЦ, и постоянной времени Т. Дня вычисления величины граничного максимального тока используем зависимости, приведенные на рис.2.25,2.27 и 2.29. Их можно аппроксимировать тремя /трехфазная мостовая и нулевая схемы/ или двумя /однофазная мостовая схема/ прямолинейными участками с помощью /3.1/. Полученное расчетным путем значение граничного максимального тока сравнивается с измеренным фактическим значением максимального тока на интервале проводимости. По результату сравнения можно судить о режиме работы системы "тиристорный преобразователь - двигатель". Если измеренное фактическое значение максимального тока по величине больше, чем расчетное граничное значение, то это означает, что система работает в режиме непрерывного тока. В противном случае работа происходит в режиме прерывистых токов.
Для режима непрерывного тока справедливо соотношение /2.23/. Если угловой коэффициент Кн принять равным единице /согласно рис.2.17 и 2.21 для трехфазной мостовой схемы при любом значении из рассматриваемого диапазона Т, а для трехфазной нулевой и однофазной мостовой схемы при относительно большом значении Т/, то задача вычисления среднего значения тока по максимальному сводится к определению свободной составляющей Сн Ее величина зависит от ЭДС двигателя и постоянной времени Т. Эти зависимости, представленные на рис.2.18, можно аппроксимировать тремя прямолинейными участками. На участке Є а — 0,3 /для однофазной мостовой схемы при Єц-0,2 / величину Сн следует считать постоянной.
При прерывистом токе необходимо пользоваться уравнением /2.28/. Возникает задача определения угла проводимости Л , который зависит от угла управления об , ЭДС двигателя 6$ и постоянной времени Т. Зависимости Л = f (o e f) , приведенные на соответствующих участках с погрешностью не превышающей I...2 эл.гр. можно аппроксимировать прямыми линиями по /3.1/. На первом участке /кроме однофазной мостовой схемы/ угловой коэффициент линии аппроксимации практически является постоянной величиной, не зависящей от значений ЭЛС двигателя е$. и постоянной времени Т. С изменением ЭДС двигателя е . происходит лишь сдвиг линии аппроксимации вдоль оси абсцисс. На других участках значение углового коэффициента зависит от ЭДС двигателя в g. и постоянной времени Т. Для разделения зависимостей Я = f (d е Т) на участки вводим вспомогательный угол d ntp /для однофазной мостовой схемы лері и cLnepl /, значение которого зависит от ЭДС двигателя 6g. . Если, например, для трехфазной мостовой схемы при работе в выпрямительном режиме исходный угол управления d0 больше либо равен рассчитанному углу d. ntp . то расчетный угол проводимости Я — б" и необходимо пользоваться уравнениями аппроксимации для первого участка. Отметим, что в уравнениях для расчета угла проводимости Я учтено значение коэффициента Кп для зоны прерывистых токов. По этой причине было введено обозначение угла проводимости Я э .
С учетом изложенного, аппроксимирующие уравнения для соответствующего параметра представлены в приложениях П7.І, П7.3 и П7.5. Соответствующие расчетные значения коэффициентов помещены для некоторых значений постоянной времени Т в приложениях ЇЇ7.2, П7.4 и П7.6.
На основании полученных данных предлагается обобщенный алгоритм вычисления ожидаемого среднего значения тока на интервале проводимости, блок-схема которого приведена для трехфазной мостовой схемы на рис.3.1...3.3. Отметим, что блок-схема алгоритма с учетом некоторых изменений и дополнений в соответствии с таблицами П7.3, П7.5, справедлива также для других схем преобразователя.
Алгоритм вычисления ожидаемого среднего значения тока на интервале проводимости
При LZ=0 вычислительное устройство переходит в режим ожидания максимума тока /оператор 7/. В момент достижения максимума принимается измеренное максимальное значение от датчика тока. Затем с помощью датчика ЭДС двигателя фиксируется значение в.%. /оператор 8/. Для определения среднего значения тока і0 по максимальному значению управление передается алгоритму, описанному в пункте 3.1 /см. рис.3.I...3.3/, где определяется зона работы /прерывистый или непрерывный ток/. Пусть ток t0 оказался непрерывным. При первом расчетном цикле после какого-то квази-установившегося режима управление передается оператору 10. В случае равенства заданного и фактического токов угол управления d не меняется. Вычислительное устройство переходит в режим ожидания управляющего импульса очередного тиристора для определения начала следующего расчетного цикла. В противном случае управление передается оператору 12, где проверяется направление требуемого изменения тока. Пусть заданный ток больше измеренного фактического. В этом случае с помощью оператора 13 рассчитывается требуемое значение приращения тока. Если рассчитанное ДІ меньше допустимого /оператор 14/, то по алгоритму, приведенному на рис.3.5, определяется значение коэффициента $гл и с помощью оператора 16 вычисляется требуемое значение приращения угла управления Ь. іл "переходного" тиристора. Посредством оператора 19 соответствующие логические блоки устанавливаются в положение, обеспечивающее переход на заданный квазиустановившиися режим при следующем расчетном цикле. Рассчитанное значение А&л прибавляется к исходному значению угла управления cL0 /оператор 20/ и после проверки на превышение d мин /оператор 21/ новое значение угла управления записывается в СИФУ и вычислительное устройство переходит в режим ожидания очередного управляющего импульса для запуска следующего расчетного цикла.
Для случая, когда At больше допустимого значения или равно ему,по алгоритму, приведенному на рис.3.7, вычисляется значение допустимого приращения ud n "переходного тиристора и посредством операторов 17 и 19 обеспечивается переход на управление вычислительным процессом в режиме ограничения AdL при следующих расчетных циклах.
На очередном расчетном цикле после определения значения 10 управление передается через логические блоки 9,11 оператору 13, где вычисляется очередное приращение тока дг . В режиме ограничения приращения угла AoL, управление передается оператору 30, где рассчитанное значение ЛІ сравнивается с допустимым значением приращения тока для следующего "переходного" тиристора.
Для случая, когда АІ больше или равно допустимому значению, по алгоритму, изображенному на рис.3.4, определяется расчетное значение угла управления - dр квазиустановив-шегося режима, соответствующее замеренному току i0 . С учетом выражения /3.7/ вычисляется приращение &&л- 0,5" АеіЛаоп /оператор 33/ и управление передается оператору 20, где определяется значение угла управления очередного "переходного" тиристора.
Если оказывается, что Дх меньше допустимого значения, то это означает необходимость выхода из ограничения и управление передается оператору 29. При АІ-D по алгоритму сіу ЦЛ /рис.3.4/ определяется значение угла оС = оС , заданного квази-установившегося режима и после его отработки принимается новое задание тока. В остальных случаях, по рис.3.4 определяется расчетная величина угла управления L=dp квазиустано-вившегося режима, соответствующая замеренному току 10 . Затем, по алгоритму рис.3.5 вычисляется значение коэффициента 6-л и управление передается оператору 32. Здесь определяется приращение угла Доб., очередного "переходного" тиристора и подготавливаются логические блоки для перехода на заданный квазустановившийся режим на следующем цикле.
Управление изменением,тока в сторону уменьшения непрерывного тока осуществляется в той же последовательности с учетом соответствующих операторов. Однако, ограничения системы со стороны LhUH в этом случае не действуют и соответствующие операторы отсутствуют.
Рассмотрим функционирование обобщенного алгоритма для случая изменения тока от прерывистого к непрерывному. После определения максимума тока на данном интервале дискретности, так как ток является прерывистым управление передается оператору 38. При tM=0 принимается значение 10=0 /оператор 40/, а в случае равенства 1j и і0 угол управления не меняется ; при ІнФ0 вычислительный процесс направляется по другой ветви /через оператор 39/. Пусть i3 0 , тогда управление передается оператору 42, где определяется значение граничного не-, прерывного тока. Так как i ilp /заданный ток непрерывный/, необходимость, определения среднего тока на интервале проводимости Я отпадает и по алгоритму, приведенному на рис.3.12, определяется значение граничного угла управления cL=cLip . После его отработки вычислительный процесс передается оператору 6, где i0 присваивается значение ilp . В дальнейшем вычислительные операции не отличаются от описанных ранее для зоны непрерывных токов.
При обратном переходе тока расчет сначала производится по алгоритму уменьшения непрерывного тока. По максимальному значению тока на интервале проводимости определяется момент перехода в зону прерывистых токов /оператор 51 на рис,3.2/.
Для управления вычислительным процессом внутри зоны прерывистых токов, по алгоритму, приведенному на рис.3.2, сначала определяется среднее значение тока на интервале дискретности и затем по алгоритму для зоны прерывистого тока /рис.ЗЛО/ вычисляется требуемое значение угла управления оС = ot очередного тиристора.
В качестве иллюстрации функционирования разработанного алгоритма произведем расчет углов управления, необходимых для управления изменением среднего значения тока от 0 до 0,1 и наоборот при значениях 1=-0,035 и Q -0 . Основные расчетные результаты сведены в табл.3.1 /увеличение тока/ и табл.3.2 /уменьшение тока/. График изменения мгновенного значения тока построен с помощью уравнения /2.2/ на рис.3.18.
Проверка соотношения между величинами максимального и среднего тока на интервале проводимости
Падение напряжения на шунте, создаваемое протекающим по нему току, подается после гальванической развязки для усиления на вход усилителя I. С его выхода сигнал поступает на вход узла 2 выделения модуля и в узел 5 выработки сигнала записи значения в выходной регистр АЦП. В узле 2 выделения модуля формируется знаковый разряд кода максимального тока. С выхода узла 2 одно-полярное напряжение, пропорциональное току якорной цепи, поступает на блок 6 аналого-цифрового преобразователя и на вход узла дифференцирования 3. Аналого-цифровой преобразователь 6 представляет собой однополярный преобразователь следящего типа. Его функциональная схема представлена на рис.3.38. Аналого-цифровой преобразователь включает в себя следующие узлы: десятиразрядный цифро-аналоговый преобразователь /ЦАП/, буферный усилитель /БУ/, реверсивный счетчик /PC/, выходной регистр /ВР/, компаратор /К/, генератор импульсов /ГИ/ и триггер управления /ТУ/.
Продифференцированный в узле 3 сигнал поступает на вход нуль-органа 4, формирующего прямоугольные импульсы, фронт которых соответствует максимуму тока.
Узел выработки сигнала записи значения тока якорной цепи /рис.3.39/ в выходной регистр состоит из трех мультивибраторов /MBI...MB3/, два из которых формируют короткие импульсы по фронту и срезу импульсов, поступающих с выхода нуль-органа и узла дифференцирования /а/ ; третий формирует короткий импульс по сигналу, поступающему от СИФУ тиристорного преобразователя / / и свидетельствующему о появлении одного из импульсов отпирания тиристоров. Цепочка, состоящая из порогового усилителя /ПУ/ и выпрямителя /В/, выполняет функцию датчика нулевого тока. В узел 5 входит также две схемы синхронизации ССІ и СС2, с помощью которых вырабатывается импульс записи кода і м в выходной регистр /с/.
Выводы по третьей главе 1. Предложен алгоритм вычисления величины среднего тока по максимальному значению на интервале проводимости. Алгоритм содержит узлы вычисления величины граничного максимального тока, определения режима работы объекта и вычисления ожидаемого значения среднего тока к концу интервала дискретности как для непрерывного, так и прерывистого режимов. 2. Разработаны алгоритмы расчета углов управления для заданного квазиустановившегося и переходных режимов, вызванных изменением задания по току ; при расчете приращений углов управления учитываются ограничения по скорости изменения тока якорной цепи. 3. Сформулирован общий алгоритм управления изменением тока, содержащий кроме перечисленных в п.п. 1,2 узлов логические блоки для управления вычислительным процессом. Последовательность выполнения вычислений угла управления зависит от заданного и фактического состояний объекта, которые определяются по величине среднего тока /заданного и вычисленного по максимальному значению/. 4. Разработанные алгоритмы, благодаря использованию кусочно-линейной аппроксимации зависимостей и соотношений, описывающих функционирование объекта "тиристорный преобразователь -якорная цепь двигателя", удалось свести к выполнению простых операций типа сравнения, сложения-вычитания и умножения. 5. Результативность разработанных алгоритмов оценена выполнением расчетов при помощи математической модели по управлению изменениями тока. Экспериментальная проверка найденной расчетным путем связи между величинами среднего и максимального тока выполнена на макете тиристорного электропривода, состоящего из преобразователя АТЕР 3-50/230Р-2УА и двигателя постоянного тока П4І. Основные параметры экспериментальной установки: Rp = 3,5 0м , іщ- 0t0H Гм , ТЯИ= OjCHV, Хк. = 54- А .В процессе эксперимента средний ток измерялся прибором магнито-электрической системы, а для замера максимальной величины тока и угла проводимости использовался осциллограф. Исследование производилось при разных значениях скорости двигателя, соответственно, разных значениях ЭДС и углов отпирания преобразователя, токов якорной цепи, а также с добавочным дросселем в якорной цепи, при включении которого постоянная времени якорной цепи составила 0,05 . Результаты измерений приведены в таблицах 4.1 и 4.2 /непрерывный ток/ и таблице 4.3 /прерывистый ток/. Для цели сравнения в табл.4.I и 4.2 приведены также соответствующие расчетные значения среднего тока lef для значений Ти Є .По замеренным значениям 1 Ммсс и tcp для прерывистого тока производился расчет коэффициента Кд , расчетное значение которого составляет 0,667 /см. также рис.2.22/. Полученные данные количественно и качественно подтверждают найденные расчетным путем связи между величинами среднего и максимального тока на интервале проводимости.
