Проектирование структурной схемы системы управления
Проектирование системы управления начнем с определения основных параметров, характерных для проектируемой системы управления (СУ).
Определимся с количеством каналов системы. В одноканальной системе управления импульсы генерируются для всех вентилей в одном общем канале, из которого по очевидной логике распределяются по вентилям.
По числу каналов: выбираем одноканальную систему управления вентилями (рисунок 2.10). Главными достоинствами одноканальной системы управления является отсутствие разбросов значения фаз импульсов управления вентилями, характерные для многоканальных систем из-за несоответствия параметров канала при их практической реализации, связанной с разбросами параметров реальных элементов канала. Неидентичность фаз импульсов управления вентилями порождает очевидную некачественность выходной и потребляемой энергии преобразователя. Например, для выпрямителя допустим разброс фаз импульсов управления от вентиля к вентилю не более 1…3º. Исходя из очевидных факторов, выбираем одноканальную систему управления (рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 – Схема одноканальной системы управления
Генератор опорного напряжения (ГОН) пилообразной формы, запускается по точкам естественного зажигания трехфазной системы питающих напряжений. Длительность рабочего участка пилы опорного напряжения получается равной шестой части периода сетевого напряжения.
Распределитель импульсов (РИ) последовательно направляет эти импульсы поочередно в каждый из своих шести выходов так, что на каждом выходе появляется один импульс за период сетевого напряжения.
Устройство сравнения (УС) вырабатывает на выходе импульсы в моменты сравнения опорного и задающего (Uз) напряжений. Частота этих импульсов здесь в шесть раз выше частоты сетевого напряжения.
По синхронизации управляющих импульсов выбираем синхронную систему. В свою очередь по использованию сигнала обратной связи замкнутую (следящую).
Блок-схема одноканальной синхронной системы управления непрерывного слежения показана на рисунке 2.11. Здесь новыми элементами являются регулятор (Р) (в простейшем случае типа интегрального) и цепь обратной связи, в простейшем случае представляющая собой резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи (Кос) для получения сигнала обратной связи (Uос), пропорционального выпрямленному напряжению.
Рисунок 2.10 – Блок-схема одноканальной синхронной замкнутой системы управления
Структура системы управления: из сигнала обратной связи необходимо вычесть сигнал задания, результат проинтегрировать и в момент равенства интеграла нулю выработать очередной импульс управления. Этими же импульсами необходимо обеспечить возврат интегратора (И) в исходное (нулевое) состояние после каждого срабатывания устройства сравнения, как показано на рисунке пунктиром.
Алгоритм формирования фазных напряжений в трехфазном инверторе изображен на рис. 2.11 (для фазы А).
Алгоритм заключается в управлении одними вентилями фаз инвертора по интервалам превышения опорного напряжения треугольной формы (для получения двусторонней модуляции) над соответствующим фазным синусоидальным модулирующим сигналом и другими вентилями фаз инвертора – по интервалам, заполняющим паузы в указанных интервалах.
Рисунок 2.11 – Формирование фазных напряжений в автономном инверторе напряжения
Рассмотрим реализацию такого алгоритма, которая обеспечивается в базовой структуре вертикальной системы управления (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 – Блок-схема базовой структуры системы управления
Трехфазный генератор модулирующего напряжения (ГМН) синусоидальной формы имеет два задающих входных сигнала. Первый сигнал задания (Uзч) определяет частоту модулирующего напряжения, а значит, и частоту выходного напряжения инвертора, второй сигнал задания (Uза) – глубину модуляции длительностей импульсов в такте ШИМ и величину первой гармоники выходного напряжения инвертора.
Рисунок.2.13 – Функциональная схема системы управления, совмещённая с силовой частью
Генератор опорного напряжения (ГОН) симметричной треугольной формы имеет частоту, определяющую частоту коммутации при широтно-им ульсной модуляции. При малых кратностях коммутации, т.е. при малых значениях (15 и меньше) отношения частоты опорного напряжения к частоте модулирующего напряжения (КТ), используют кратные (трем) отношения указанных частот, синхронизируя опорное и модулирующие напряжения, как подчеркивает это пунктирная связь двух генераторов. Это устраняет субгармоники в кривых фазных напряжениях инвертора. Устройства сравнения в каждом канале для соответствующих вентилей катодной группы инвертора и импульсы управления для вентилей анодной группы инвертора получаются на выходах схем инверсии (схемы НЕ). Это обеспечивает как бы режим 180º управления вентилями, что приводит к независимости формы выходного напряжения инвертора от вида и параметров нагрузки, так как исключается режим прерывистого тока.
Итак, учтя все необходимые требования, система управления совмещённая с силовой частью будет иметь вид, представленный на рисунке2.13.
Здесь, ЛИ – логический инвертор;
ГТИ – генератор треугольных импульсов;
ДН – датчик напряжения;
И – интегратор;
С – сумматор;
ГМН – генератор модулирующего напряжения;
К – компаратор;
ЛП – логический повторитель.
Проектирование принципиальной схемы системы управления
Сумматор
Сумматор – устройство, которое предназначено для преобразования информационных сигналов в цифровой либо аналоговый сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов.
Схема сумматора напряжений на инвертирующем сумматоре показана на рисунке 2.14.
Для уменьшения влияния входных токов в цепь неинвертирующего входа включают резистор (Rэ) (на рисунке показан пунктиром).
Рисунок 2.14 – Схема сумматора напряжений
Интегратор
Интеграторы широко применяют при создании генераторов линейно изменяющегося и синусоидального напряжений, точных фазосдвигающих устройств, обеспечивающих получение 90° фазового сдвига напряжения с погрешностями минуты и десятки минут, в качестве фильтров низких частот и пр.
Так как в нашей системе управления необходимо обеспечить возврат интегратора в исходное (нулевое) состояние после каждого срабатывания устройства сравнения, выбираем схему интегратора со сбросом начального заряда (рисунок 2.15).
Рисунок 2.15 – Схема интегратора со сбросом начального заряда
Компаратор
Компаратор это устройство, которое вызывает выходной сигнал в момент равенства двух напряжений, подаваемых на его вход.
Схема простейшего двухвходного компаратора приведена на рисунке 2.16. На неинвертирующий вход подается опорное напряжение (Еоп), с которым сравнивается напряжение (U-), подаваемое на инвертирующий вход.
Когда U-=Еоп, то напряжение на выходе компаратора равно нулю.
Рисунок 2.16 – Схема компаратора на операционном усилителе
Повторитель напряжения
Схема повторителя, получили из схемы неивертирующего усилителя, при R1→∞, R2→0, показана на рисунке 2.17.
Коэффициент β=1, Ku.ос=K/1+K≈1, т.е. напряжение на входе и выходе операционного усилителя равны: Uвх=Uвых.
Рисунок 2.17 – Схема повторителя напряжения на операционном усилителе
Генератор треугольных импульсов (ГТИ)
Используется схема симметричного мультивибратора (рисунок 2.18).
Рисунок 2.18 – а) Схема ГТИ; б) диаграмма работы
Генератор модулирующего напряжения (ГМН)
В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератор гармонических колебаний – устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.
Основой генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например,мост Вина. Генератор модулирующего напряжения на основе операционного усилителя, содержащий мост Вина, представлен на рисунке 2.19.
.
Рис. 2.19 – Схема генератора модулирующего напряжения
2.2.3 Расчёт и выбор элементов системы управления
Датчики напряжения
В качестве датчика мгновенного напряжения возьмём ДНХ – 600. Параметры датчика указаны в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Параметры датчика ДНХ – 600
Наименование параметра
Значение параметра
Номинальный входной ток, мА
10
Входной сигнал датчика, мА
40
Нелинейность, %
0,1
Диапазон измеряемых напряжений, В
50 — 600
Основная приведенная погрешность,%
1
Источник питания, В
15
Полоса пропускания, Гц
0 — 50000
Рисунок 2.20 –Датчик ДНХ – 600
Расчёт сумматора
Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений и меняет ее знак на противоположный. На рисунке 2.21 приведена схема инвертирующего сумматора, рассмотрим его работу:
Рисунок 2.21 – Инвертирующий сумматор на операционном усилителе
Будем считать операционный усилитель идеальным (Iвх=0).
Входные сигналы подаются на инвертирующий вход.
U1=Uin1-I1∙R1 (2.66)
U2=Uin2-2∙R2 (2.67)
Uout=U1-Ioc∙Roc (2.68)
С другой стороны, из условия равенства напряжений на входах операционного усилителя U1=-Iвх∙R3. Отсюда следует что, U1>0 (Iвх бесконечно мал), тогда:
I1=Uin1R1 (2.69)
I2=Uin2R2 (2.70)
Ioc=UoutRoc (2.71)
Так как ток через усилитель бесконечно мал, тогда:-Ioc=I1-I2 Остюда следует:
-UoutRoc=Uin1R1+Uin2R2 (2.72)
Uout=-Uin1∙K1+Uin2∙K2 (2.73)
Где, K1=Rос/R1; K2=Rос/R2 — масштабирующие коэффициенты.
В частном случае, если R1=R2=Rос, то K1=1, K2=1 и Uout=-(Uin1+Uin2).
При этом для снижения величины токового дрейфа сопротивление R3 подбирают равным параллельно включенным Rос, R1 и R2.
Параметры выбранного сумматора приведены в таблице 5.
Таблица 2.3 – Параметры сумматора
R1, кОм
R2, кОм
R3, кОм
Rос, кОм
тип ОУ
15
2
4
10
140УД9
Расчёт компаратора
Выбираем двух – полярный компаратор К554СА3. Схема включения на рисунке 2.22.
Рисунок 2.2.13 – Схема включения компаратора
Таблица 2.4 – Технические характеристики компаратора
Параметр
Числовое значение
Номинальное напряжение питания
Ucc1
Ucc2
15 В ± 10%
-15 В ± 10%
Остаточное напряжение
не более 1,5 В
Напряжение смещения нуля
не более 6 мВ
Ток потребления
от источника питания Ucc1
от источника питания Ucc2
не более 6 мА
не более 7,5 мА
Коэффициент усиления напряжения
не менее 1,5×105
Средний входной ток
не более 100 нА
Время задержки выключения
не более 300 нс
преобразователь частота электромагнитный напряжение
Расчёт генератора модулирующего напряжения (ГМН)
Генератор на основе моста Вина, схема на рисунке 2.23.
Рисунок 2.23 – Схема ГМН с расчитанными параметрами
Рисунок 2.24 – Осциллограмма выходного сигнала
Расчёт и выбор драйвера
Драйвер верхнего и нижнего ключей IR2110 содержит на одном кристалле как схему драйвера верхнего ключа, так и схему драйвера нижнего ключа. Управление обоими ключами независимое. Отличие данного драйвера заключается в том, что в IR2110 введена дополнительная схема преобразования уровня как в нижнем, так и верхнем каналах, позволяющая разделить по уровню питание логики микросхемы от напряжения питания драйвера. Содержится также защита от пониженного напряжения питания драйвера и высоковольтного «плавающего» источника.
Схема подключения драйвера IR2110 к стойке моста приведена на рисунке 2.25. Конденсаторы СD, СС предназначены для подавления высокочастотных помех по цепям питания логики и драйвера соответственно. Высоковольтный плавающий источник образован конденсатором С1 и диодом VD1.
Подключение выходов драйвера к силовым транзисторам осуществляется при помощи затворных резисторов RG1 и RG2.
Рисунок 2.25 – Типовая схема включения драйвера IR2110 (а) и временные диаграммы его сигналов на входах и выходах (б)
Здесь: VDD – питание логики микросхемы;
VСС – общая точка логической части драйвера;
HIN, LIN – логические входные сигналы, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно;
SD – логический вход отключения драйвера; VCC – напряжение питания драйвера;
СОМ – отрицательный полюс источника питания VCC;
HO, LO – выходные сигналы драйвера, управляющие верхним и нижним транзисторами соответственно;
VB – напряжение питания высоковольтного «плавающего» источника;
VS – общая точка отрицательного полюса высоковольтного «плавающего» источника.
Моделирование работы асинхронного двигателя в пакете MATLAB/Simulink
Для анализа работы асинхронного двигателя с преобразователем частоты необходимо моделирование.
Принято решение произвести необходимые действия в среде MATLAB/Simulink.
Проведем моделирование трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова), его расчет приведен выше. Запустим MATLAB и вызовем приложение Simulink, создадим файл новой модели (Ctrl+N).
1 Моделирование работы источника напряжения
Блок трехфазного источника переменного напряжения “3-Phase Source” находится в библиотеке “SimPowerSystems\Electrical Sources\”.
Рисунок 2.26 – Окно задания параметров блока «3-Phase Source»
Параметры трехфазного источника (рисунок 2.26):
– действующее значение линейного напряжения источника (phase-to-phase rms voltage, V): = 380 (В);
– начальная фаза ЭДС фазы А (phase angle of phase A, degrees): 0º (град);
– реальная частота ЭДС (frequency, Hz): (Гц);
– тип соединения (internal connection): звезда с заземленной общей точкой.
В данном случае будем считать, что источник ЭДС “бесконечной” мощности и его можно полагать идеальным, однако для корректной р боты измерительных блоков библиотеки «SimPowerSystems\Measurements\» следует все же задать небольшое внутреннее сопротивление цепи источника. Поэтому в окне задания параметров блока «3-Phase Source» определяем внутреннее сопротивление – 0,005 (Ом), индуктивность источника – ноль (рисунок 2.26).
Измерение фазных токов и напряжений
Для измерения напряжений и токов в моделях с трехфазными схемами используем стандартный блок «Three-Phase V-I Measurement» из библиотеки «SimPowerSystems\Measurements\».
Блок производит измерение фазных напряжений, если в его параметрах (раздел voltage) выбрано – phase-to-ground, или линейных напряжений, если в его параметрах выбрано – phase-to-phase. Вывод измеряемых напряжений и токов может быть как в абсолютных единицах, так и в относительных.
Выбираем параметр «Voltage measurement» phase-to-ground, для определения показаний линейных значений выводимых токов и напряжений питания. Остальные параметры оставляем стандартными без изменений.
Ограничимся измерением фазных напряжений в блоке “Three-Phase V-I Measurement”.
Рисунок 2.27 – Окно задания параметров блока“Three-Phase V-I Measurement”
Моделирование и расчет трехфазного трансформатора
Стандартный блок трехфазного трансформатора «Three-Phase Transformer (Two Windings)» содержится в библиотеке «SimPowerSystems\Elements\» и, по сути, представляет собой три независимых однофазных трансформатора. Расчет типовой мощности трансформатора.
Силовой трансформатор применяется для согласования номинального напряжения нагрузки с выпрямленным напряжением.
Расчетное действующее значение тока вторичной обмотки определяют по формуле.
Id=PHUd∙η (2.74)
Id=55∙103380∙0,91=159A (2.75)
Где, РН – номинальная мощность асинхронного двигателя;
η — К.П.Д;
Расчитаем коэффициент трансформации трансформатора:
ктр=0,95U1фU2ф (2.76)
ктр=0,95∙380215,96=1,67 (2.77)
Расчетная типовая мощность трансформатора:
Sтр=ks∙kc∙Ud∙Id∙10-3 (2.78)
Sтр=1,05∙1,1∙380∙159∙10-3=697кВА (2.79)
Где коэффициент ks – коэффициент схемы. Коэффициент запаса кс=1.05-1.1, учитывает возможное снижение напряжения сети на 5-10% от Uс.ном
Определим параметры приведенной модели трансформатора, при этом основные параметры трансформатора заимствуются из данных расчета:
– номинальная мощность (nominal power Pn, VA): Sтр= 697 кВА;
– номинальная частота (nominal frequency fn, Hz): f1=50Гц;
– действующее значение линейного напряжения первичной стороны (V1 phase-to-phase rms voltage, V):E1л=380В;
– действующее значение линейного напряжения вторичной стороны (V2 phase-to-phase rms voltage, V):
E2л=3∙E2 (2.80)
E2л=3∙160=270В (2.81)
Создадим м-файл в который занесем необходимые расчетные формулы (рисунок 2.28). Если учесть, то за базовое принимается сопротивление, рассчитанное исходя из мощности фазы.
Рисунок 2.28 – Программа расчета параметров трехфазного трансформатора
Запустим м-файл. Тогда получим следующие результаты:
– базовое сопротивление первичной стороны = 97,766 (Ом);
– базовое сопротивление вторичной стороны = 7,364 (Ом);
–параметры первичной обмотки R1 = 2,314 (Ом), X1 = 2,471 (Ом);
–параметры вторичной обмотки R2 = 0,1675 (Ом), X2 = 0,19 (Ом);
Приведенные параметры первичной и вторичной обмоток: = 0,0255 (о.е.), = 0,0251 (о.е.).
Внесем полученные параметры в модель трехфазного трансформатора
“Three-Phase Transformer (Two Windings)” (рисунок 2.29). Тип соединения (winding connection) первичной и вторичной сторон – звезда (трехпроводная). Цепь намагничивания не учитывается, поэтому оставим параметры и по 500.
Для выбора измеряемых напряжений и токов трансформатора следует использовать соответствующий раздел настроек блока – Measurements, сделаем доступными для измерения токи первичных и вторичных обмоток (рисунок 2.29).
Рисунок 2.29 – Окно задания параметров блока трехфазного трансформатора «Three-Phase Transformer» библиотеки «SimPowerSystems\Elements\».
Для вывода измеряемых переменных блока «Three-Phase Transformer» в модель следует добавить блок «Multimeter» из библиотеки «SimPowerSystems\Measurements\».
2 Моделирование работы трехфазного мостового выпрямителя
Мостовой выпрямитель можно выполнить на дискретных элементах «Diode» или использовать стандартный блок «Universal Bridge» («SimPowerSystems\PowerElectronics\»).
Рисунок 2.30 – Окно настройки параметров блока «Universal Bridge»
В окне настройки параметров блока «Universal Bridge» необходимо выбрать: 3 – число “плеч” моста («Number of bridge arms»), Diodes – тип вентилей («Power Electronic device»), сопротивление диода в открытом состоянии =0,025Ом, =0,75В (рисунок 2.30).
LC-фильтр
Модель включает дроссель и конденсатор Г-образного фильтра и цепь резистивной нагрузки.
Рисунок 2.31 – Окно задания параметров блоков дросселя фильтра
Для создания блоков используем стандартные блоки последовательной RLC-цепи (“Series RLC Branch” из библиотеки “SimPowerSystems\Elements\”). Введем соответствующие уникальные имена для этих блоков. Параметры дросселя:R=0,6Ом, L=0,005Гн (рисунок 2.31), конденсатора: С=0,000324Ф.
3 Моделирование работы инвертора напряжения
Преобразователь частоты выполнен на блоке Universal Bridge.
Рисунок 2.32 – Окно задания параметров IGBT-модуля
В окне настройки параметров блока “Universal Bridge” необходимо выбрать: 3 – число “плеч” моста (“Number of bridge arms”);
IGBT/Diodes – тип вентилей (“Power Electronic device”);
сопротивление вентиля в открытом состоянии = 1e-3 (Ом), = 0 (В) Tf(s),Tt(s)=1e-6; 2e-6 (рисунок 2.32).
Система управления инвертором
Задающее синусоидальное трехфазное напряжение необходимой амплитуды и частоты, управляющие напряжения, формируются в блоке Discrete PWM Genetator. Настройки блока изображены на рисунке 2.33
Рисунок 2.33 – Окно задания параметров блока «Discrete PWM Generator»
Моделирование сигнала:
– мост с тремя плечами (6 импульсов) («Generator Mode : 3-arm bridge(6 pulses)»);
– инвертор частоты («Carrier frequence(Hz)») : 1900;
– шаг модельного времени («Sample time»):2e-6
– поставим галочку в окне Интегрированный генератор сигнала модуляции («Internal generation of modulating signal(s)»)
– значения: Значение модуляции(« Modulation index (0<м<1)»):0.9;
– Частота выходного напряжения(«Frequency of output voltage(Hz)»):50;
– Фаза выходного напряжения («Phase of output voltage (degrees)»):0.
С помощью блока “Scope” выведем осциллограмму фазных токов и напряжения на IGBT модуле (рисунок 2.34)
Рисунок 2.34 – Фазные токи и напряжение нагрузки АИН
4 Моделирование работы асинхронного двигателя
Для моделирования асинхронной машины используем модуль «Asynchronous Machine».
Рисунок 2.3.10 – Окно задания параметров асинхронного двигателя
Параметры блока:
Тип ротора («Rotor type»): короткозамкнутый ротор («squirrel-cage»);
Номинальная мощность («Nominal power») (ВА), действующее линейное напряжение и номинальная частота («voltage and frequency») (В), (Гц).: 55000, 220, 50.;
Сопротивление и индуктивность статора («Stator resistance and inductance»): 0.4, 0.002.;
Сопротивление и индуктивность ротора («Rotor resistance and inductance»): 0.8, 0.002.;
Взаимная индукция («Mutual inductance»): 0,07;
Момент инерции, коэффициент трения и число пар полюсов («Inertia, friction faction and pairs of poles»): 1, 5, 2.
Подключаем порты A, B, C (обмотка статора) к инвертору напряжения. Порт Тм предназначен для момента сопротивлению движения. Зададим его с помощью элемента «Constant».
Порт м формирует сигнал из 21 элементов: токов потоков и напряжения ротора и статора, электромагнитного момента, скорости вращения ротора а так же его угловая скорость.
Измерение скорости ротора и электромагнитного момента
Для удобства извлечения переменных асинхронного двигателя из вектора используем блок «Machines Measurement Demux».
Рассмотрим параметры блока:
Machine type(тип машины):Asynchronous(асинхронная машина);
Выбираем нужные переменные:
Electromagnetic torque(электромагнитный момент)
Rotor speed(скорость ротора)
Рисунок 2.3.11 – Окно задания параметров блока «Machines Measurement Demux»
– мост с тремя плечами (6 импульсов) («Generator Mode : 3-arm bridge(6 pulses)»);
– инвертор частоты («Carrier frequence(Hz)») : 1900;
– шаг модельного времени («Sample time»):2e-6
– поставим галочку в окне Интегрированный генератор сигнала модуляции («Internal generation of modulating signal(s)»)
– значения: Значение модуляции(« Modulation index (0<м<1)»):0.9;
– Частота выходного напряжения(«Frequency of output voltage(Hz)»):50;
– Фаза выходного напряжения («Phase of output voltage (degrees)»):0.
Рисунок 2.3.12 – Скорость ротора и электромагнитный момент
Для соединения элементов модели используем блоки “Bus Bar (thin horiz)” из библиотеки “SimPowerSystems\Connectors\”.
Для гармонического анализа ряда сигналов следует активировать функцию “Save data to workspace” в окне настройки параметров блока “Scope”.
Перед моделированием необходимо задать параметры моделирования в соответствующем меню модели “Simulation\Simulation Parameters…” (Ctrl+E). По умолчанию выбирается решатель ode45 (Dormand-Prince), его следует сменить на ode23tb (stiff/TR-BDF2). Также в окне настройки параметров моделирования зададим максимальный расчетный шаг (мах step size) – 1e-6.
