Частотно-широтноимпульсный адаптивный регулятор переменного напряжения с интегрирующей системой управления

В системах терморегулирования, относящихся к разряду инерционных объектов регулирования, весьма эффективны тиристорные регуляторы переменного напряжения с частотно-широтноимпульсной модуляцией (ЧШИМ) [1–5], в основе управления которыми лежат принципы интегрирующего развертывающего преобразования [6–12]. Режим интегрирующей ЧШИМ обеспечивает широкий диапазон регулирования и повышенную помехоустойчивость и точность работы системы управления.

Ниже рассматривается разработанный на кафедре электропривода ЮУрГУ частотно-широтноимпульсный регулятор переменного напряжения (РПН) [13–17], который наряду с простотой технической реализации имеет высокую помехоустойчивость как со стороны информационного, так и синхронизирующего каналов управления, а также обладает способностью адаптироваться к нестационарным параметрам источника электропитания.

Теоретическая часть

Структурная схема РПН (рис. 1) включает в себя интегрирующий развертывающий преобразователь РП с ЧШИМ на основе сумматоров Σ1, Σ2, интегратора И, релейного элемента РЭ, инвертора Ин. и амплитудного модулятора АМ, а также устройства синхронизации УС-А, УС-В, УС-С с разделительным трансформатором ТV, блок коррекции частоты БКЧ, формирователь-распределитель ФР импульсов управления на основе одновибрато- ров ОВ-А, ОВ-В, ОВ-С и D-триггеров Т1–Т3, а также блок силовых тиристоров БСТ с ключами переменного тока Кл.1–Кл.3, функцию которых выполняют симисторы или встречновключенные тиристоры. Там же на рис. 1 показана активная нагрузка Н, распределенная по фазам А, В, С.

Устройства синхронизации УС-А, УС-В, УСС выполнены на базе последовательно включенных РП1, РП2 с выходным инвертором Ин.2 и амплитудными модуляторами АМ1, АМ2 и представляют собой каскадное интегрирующее УС с синхронизацией РП со стороны информационного входа, подробно рассмотренного в работах [18–20].

При выполнении условия ( Т ₀)^–1 = ( Т _С)^–1 каждый из РП1, РП2 создает фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами –90 эл. град (рис. 2, б, г). Здесь Т 0 = 4 ЬТ И - период собственных автоколебаний РП1, РП2 при отсутствии синхронизирующего сигнала; b = b / A\ - нормированная величина порогов переключения ± b РЭ1, РЭ2 по отношению к их амплитуде выходных импульсов ±А ; Т И - постоянная времени интегратора И.

В результате этого на выходе каскадных интегрирующих УС-А, УС-В, УС-С формируются логические сигналы, длительность которых соответствует «положительным» полуволнам напряжения сети соответствующих фаз (рис. 2, а, г, е, ж). При этом устройства синхронизации обладают высокой помехоустойчивостью как к гармоническим, так и к коммутационным помехам со стороны напряжения сети, а также способностью адап-

Устройства аналоговой и цифровой электроники

Рис. 1. Функциональная схема частотно-широтно-импульсного адаптивного регулятора переменного напряжения с интегрирующей системой управления

тироваться к колебаниям амплитуды напряжения сети [21–22], что является прямым следствием замкнутого характера структуры РП1, РП2 и наличия интегратора И в прямом канале регулирования (рис. 1).

Силовые ключи переменного тока Кл.1–Кл.3 работают в режиме частотно-широтно-импульсной модуляции с частотой f = ( Т )^–1 выходных импульсов РП (рис. 2, и), равной f = f ₀ ⋅ (1 - Х _В²_Х) . Здесь f ₀ = 1 /4 bТ _И – частота собственных автоколебаний РП при нулевом значении сигнала управления Х _ВХ; Х ВХ = I Х _ВХ / A I – нормированное значение входного сигнала управления Х _ВХ по отношению к амплитуде ± А импульсов на выходе РЭ (рис. 2, и). Частота собственных автоколебаний f ₀ РП выбирается на уровне долей–единиц Гц. Инвертор Ин.

служит для преобразования биполярных выходных импульсов РЭ (рис. 2, и) в однополярный сигнал (рис. 2, к), необходимый для последующего согласования с элементами цифровой электроники.

На выходе РПН формируются «пакеты» синусоидального напряжения сети « a », « b », « c » с целым числом периодов (см. рис. 2, л–н). Это оказывается возможным благодаря одновибраторам ОВ-А, ОВ-В, ОВ-С, которые генерируют короткие импульсы по переднему фронту сигнала с выходов УС-А, УС-В, УС-С (рис. 2, д, импульсы ОВ-В, ОВ-С не показаны) и D- триггерам Т 1– Т 3, формирующим импульсы управления для включения силовых ключей Кл.1–Кл.3 (рис. 2, л–н). При этом «пакеты» в каждой последующей фазе отстают от «пакета» предыдущей фазы на 120 эл. град (рис. 2, л–н).

Регулировочная характеристика γ = f ( Х _ВХ ) РПН с ЧШИМ является линейной и определяется

^- А с

+ А б) о*

- А

в)

г)

о

+ А С ^а) О

( Выход УС-А) у////А !

1 ( Выход ОВ-А )

О

Д)

о

е)

о

ж)

о

Выход И о

+ А

Ж_ х + b и) О

I—-I

н)

Рис. 2. Временные диаграммы сигналов частотно-широтно-импульсного адаптивого регулятора переменного напряжения

из выражения у = 0,5 • (1 + Х _вх ), где у = t 1 Т -коэффициент заполнения или относительное время включения t 1 силовых ключей Кл.1–Кл.3 по отношению к периоду Т импульсов на выходе РП (рис. 2, и–к).

Применение режима ЧШИМ в РПН позволяет улучшить помехоустойчивость системы управления со стороны информационного входа за счет замкнутого характера структуры РП и наличия интегратора в прямом канале регулирования, а для силовых ключей получить фактически неограниченный диапазон регулирования. Действительно, при широтно-импульсной модуляции (ШИМ) интервалы преобразования

Ч = О,5То • (1 + X вх), t 2 = 0,5T ₃ • (1 - X вх),

Т 0 = t 1 ⁺ t 2 ,                                         ⁽¹⁾

где Т 0 – период импульсов при ШИМ, который является величиной постоянной.

В случае ЧШИМ ч = 0,5То/(1 -Xвх), t2 = 0,5Т0/(1 + Xвх),

Т = Т )/(1 - X Вх ).                           (2)

Тогда диапазон регулирования

D ШИМ = t 2 / ^Т 0 = ^0,5 • ^{(1 - Х} ВХ ) ⁽³⁾ для силовых ключей при ШИМ заведомо ограничен величиной входного сигнала Х _ВХ , так как D ^ 0, а для ЧШИМ

D ЧШИМ = t 2 / ^Т 0 = ^0,5 / ^{(1 + Х} ВХ ) ⁽⁴⁾ практически неограничен.

Приведенные соотношения (1)–(4) не учитывают дискретность РПН, которая равна одному периоду Т С напряжения сети. При этом из-за некратного соотношения частоты f = ( Т )^–1 выходного сигнала РП (рис. 2, и) и частоты ( Т С )^–1 напряжения сети (рис. 2, а), неизбежно возникающего в системе с ЧШИМ при изменении сигнала управления Х _ВХ (рис. 2, з), «пакеты» синусоидального напряжения « a », « b », « c », поступающие в нагрузку, могут отличаться друг от друга по количеству содержащихся в них периодов Т _С. Однако данная ошибка дискретности не превышает одного периода Т С напряжения сети, носит периодический характер и, как показала практика, не оказывает

Устройства аналоговой и цифровой электроники заметного влияния на показатели качества системы управления в целом.

Для адаптации системы управления к нестабильности частоты напряжения сети в систему управления РПН введен блок коррекции частоты БКЧ (рис. 1), состоящий из преобразователя значения периода в напряжение ППН, сумматора S 3 с источником опорного напряжения Х ₀ = b и генераторов коротких импульсов ГКИ-А, ГКИ-В, ГКИ-С, которые формируют импульсы с малой длительностью по переднему и заднему фронтам сигнала с выхода РП1 каскадных УС-А, УС-В, УС-С (рис. 2, б–в, импульсы ГКИ-В, ГКИ-С не показаны). Затем эти импульсы суммируются при помощи логического элемента Л типа «3ИЛИ». В результате этого импульсы на выходе элемента Л следуют друг за другом через 60 эл. град (рис. 2, в), что позволяет достаточно быстро измерять частоту напряжения сети.

В интегрирующей системе управления регулятора переменного напряжения (рис. 1) БКЧ обеспечивает автоподстройку частоты собственных автоколебаний f0 = 1/4ЬТИ во всех развертывающих преобразователях при изменении частоты (ТС)–1 напряжения сети за счет коррекции порогов переключения ±b в РП при помощи амплитудных модуляторов. В результате этого в УС-А, УС-В, УС-С всегда выполняется равенство между f0 и частотой сети (ТС)–1, а их выходные импульсы в установившемся режиме работы всегда совпадают с моментами перехода фазных напряжений А, В, С через нулевой уровень. В РП с ЧШИМ (рис. 1) БКЧ также корректирует значение несущей частоты f0 так, что при любом уровне входного сигнала управления ХВХ и при изменении частоты сети (ТС)–1 на выходе РПН в «пакетах» всегда укладывается постоянное число периодов напряжения сети.

Следует отметить, что предложенный частотно-широтно-импульсный адаптивный РПН с интегрирующей системой управления (рис. 1) обладает простотой технической реализации и может работать как в трехфазном, так и в однофазном режимах, например, от фазы А без изменения его схемной конфигурации.

Таким образом, применение в рассматриваемой системе управления РПН методов интегрирующего развертывающего преобразования позволило обеспечить высокий уровень ее эксплуатационной надежности в условиях нестационарных параметров напряжения сети и широкого частотного спектра внешних помех.

Практическая часть

Частотно-широтно-импульсный регулятор переменного напряжения с интегрирующей системой управления (рис. 1) был внедрен в системе терморегулирования сушильной камеры 120ЕК-1 электроцеха ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» [23–24].

Сушильная камера СК предназначена для сушки электротехнических изделий (дросселей, трансформаторов, электродвигателей и пр.) с целью повышения их электрической прочности после ремонта.

В состав автоматизированной системы входят (рис. 3) непосредственно сушильная камера СК с

Рис. 3. Функциональная схема системы управления температурными режимами работы сушильной камеры 120ЕК-1 на Челябинском трубопрокатном заводе

боксом для размещения электротехнического изделия, датчик температуры Д t , теплоэлектронагре-ватели ТЭН, управляющая ЭВМ с периферийными устройствами ПУ ввода/вывода данных, силовой РПН, преобразователь значения сопротивления в частоту импульсов ПСЧ и синхронизированный с ЭВМ мультиплексор МХ , предназначенный для подключения входа ПСЧ к контролируемым цепям изделия, подвергаемого сушке.

ЭВМ осуществляет функции ПИД-регулятора системы, корректора циклограммы процесса сушки изделия в функции значения сопротивления изоляции его токоведущих цепей, диагностику работоспособности Д t , ТЭН и РПН, а также аварийное отключение объекта при возникновении катастрофических отказов функциональных блоков.

Подключение ПСЧ к различным точкам контроля изоляции (например, первичная обмотка – корпус, вторичная обмотка – корпус или первичная обмотка – вторичная обмотка) производится с помощью мультиплексора МХ (рис. 3), синхронизированного с тактовой частотой f ₀ ЭВМ.

В ходе технологического процесса сушки через заранее заданный интервал опроса экспериментально фиксируются и заносятся в «память» ЭВМ частота выходных импульсов ПСЧ и соответствующее ей значение сопротивления изоляции обмоток трансформатора. Контрольные измерения проводятся между точками «1–2», «1–3» и «2–3» (рис. 3). При этом вторые выводы «1–1» и «2–1» обмоток на первичной и вторичной сторонах трансформатора закорачиваются.

Введение системы «непрерывного» контроля сопротивления изоляции по сравнению с технологией «ручного» замера, как правило, присутствующей на объектах аналогичного функционального назначения, позволяет оптимизировать время сушки электротехнических изделий и сократить затраты на электроэнергию для сушильной камеры в пределах 15–20 %, причем, как показали последующие контрольные стендовые электротехнические испытания, без ущерба для качества работ.

Выводы

• 1.    Предложена структура адаптивного к нестабильности параметров источника электроснабжения – системы управления регулятором переменного напряжения с частотно-широтноимпульсной модуляцией, в основе которой лежит метод интегрирующего развертывающего преобразования.

• 2.    Рассмотренный РПН отличается высокой точностью, помехоустойчивостью, широким диапазоном регулирования и простотой технической реализации. Приведены основные соотношения для интервалов следования импульсов при ШИМ и ЧШИМ.

• 3.    Разработана система управления сушильной камерой, в состав которой входит адаптивный

РПН и система «непрерывного» контроля изоляции изделия, подвергаемого термообработке.